Yeguada Alma Castiza

Válvulas de vacío - Diodo - 01. Descripción.

1.- ¿Que es una válvula de vacío?
2.- Didodo. Rectificación.
3.- Diodo. Filtrado.
4.- Características de las válvulas de vacío.

VÁLVULAS
        Las válvulas son dispositivos encargados de regular la cantidad de electrones que circulan por ellas en una sola dirección. La mayor parte de las válvulas disponen como electrodo emisor de un cátodo de caldeo indirecto, pero también necesitan indispensablemente otro electrodo que absorba parte o todos los electrones desprendidos por el cátodo. Dicho electrodo se denomina «ánodo» y técnicamente también se le llama «placa».
      El «diodo» es la válvula más sencilla de las existentes y sólo contiene 2 electrodos: el cátodo y el ánodo.
      El nombre y clasificación de las válvulas hace referencia al número de electrodos que contienen:
A) Diodo, con sólo dos electrodos: cátodo y ánodo.
B) Triodo, contiene tres electrodos: cátodo, ánodo y rejilla de control.
C) Tetrodo, con cuatro electrodos: cátodo, ánodo y dos rejillas.
D) Pentodo, con cinco electrodos: cátodo, ánodo y tres rejillas.
E) Hexodo, heptodo, octodo, etc.: siempre todas ellas con cátodo, ánodo y 4, 5, 6, etc., rejillas, respectivamente.
dos entre el cátodo y el ánodo, sirven para regular el paso de electrones del primero al segundo.

Otros tipos de clasificaciones de las válvulas hacen referencia:
1) A la atmósfera que reina en su interior: de vacío o de gas;
2) Al número de patillas exteriores, por ejemplo las de 8 patillas se encuentran en la serie Octal; las de 9, en la Noval; las de 10, en la Decal, etc.;
3) A la potencia que desarrollan: de alta, baja y media potencia;
4) A su misión: rectificadoras, amplificadoras, osciladores, etcétera;
5) A la frecuencia de trabajo, al tipo de filamentos, etc

DIODO ESTRUCTURA
    Se ha definido el diodo como la válvula más sencilla, compuesta por dos electrodos: cátodo y ánodo.
      El ánodo o placa es electrodo encargado de atraer los electrones desprendidos por el cátodo, para lo cual se le aplica un potencial positivo respecto a éste. Los cátodos usados en las válvulas se han comentado ya; el ánodo que utiliza el diodo es un cilindro hueco de níquel, que dispone de unas aletas agujereadas al objeto de mejorar su refrigeración y evitar que pueda alcanzar la temperatura de emisión.

      El ánodo contiene al cátodo, y éste a su vez al filamento. El símbolo que se utiliza para representar el diodo parece indicar que el ánodo está sobre el cátodo y los electrones que emite este último «suben» hasta la placa, hay que tener en cuenta la disposición real de los electrodos dentro de la válvula, mostrada en la figura, para comprender su funcionamiento.
       Los electrones salen del cátodo en todas las direcciones, siendo absorbidos por la placa, que envuelve completamente al cátodo, como se indica en la siguiente figura.

DIODO FUNCIONAMIENTO
Cuando al ánodo del diodo se le aplica un potencial positivo, estando el cátodo caliente y por tanto emitiendo electrones, atrae a dichos electrones. Debido a la carga negativa de éstos, cuanto más positiva sea la placa, con más fuerza serán atraídos, y mayor será el número de electrones que salen de la carga espacial que rodea al cátodo y se dirigen hacia la placa.

La intensidad que circula por el ánodo Ia, proviene del cátodo y atraviesa la batería Va, que polariza la placa positivamente respecto al cátodo, yendo a parar de nuevo al cátodo. Luego los electrones emitidos termiónicamente del cátodo vuelven a él después de atravesar el ánodo y el circuito exterior, en donde se encuentra la batería de polarización.

La cantidad de electrones que circula por un diodo depende del valor de la polarización positiva de la placa proporcionalmente, pero siempre todos los electrones que salen del cátodo vuelven a él formando un circuito cerrado.

«La Ia que circula por el diodo es proporcional a la disposición geométrica de los dos electrodos y a la tensión entre ánodo y cátodo elevada a la potencia 3/2». Dicha Ia al salir del diodo puede alimentar a cualquier elemento, denominado «carga», como una radio, un televisor, un motor, etc.
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DIODO. TENSIÓN DE FILAMENTO.

     Si al filamento se le aplica una determinada tensión, por ejemplo 3 V, y se aumenta lentamente la del ánodo Va, se comprueba cómo varía la corriente que circula por la placa. Si se representan gráficamente los resultados obtenidos se llega al siguiente ábaco.

      Estas curvas indican la relación entre la tensión del ánodo Va y la corriente que circula por él, Ia, para cada tensión aplicada al filamento. Obsérvese que dichas curvas no pasan por el origen. En efecto, con pequeñas tensiones negativas de ánodo circula una débil corriente, como consecuencia de la elevada velocidad conque algunos electrones abandonan el cátodo. En la práctica se desprecia esta pequeña corriente y se trazan las curvas partiendo del origen.
       Al alcanzar cada curva una determinada tensión Va, se puede comprobar en el gráfico que por más que se eleve aquélla no se consigue aumentar Ia, pues con esa tensión todos los electrones que salen del cátodo son absorbidos por el ánodo.
       Esta máxima corriente para cada tensión de filamento recibe el nombre de «corriente de saturación».
       Hasta cierta tensión de placa se confunden prácticamente las curvas para diferentes tensiones de filamentos, en esta parte la corriente de la válvula sólo depende de la tensión aplicada y entre esta zona y la de saturación existe un trozo casi rectilíneo.

CURVA CARACTERÍSTICA DE UN DIODO
          La curva a que nos referimos representa gráficamente el comportamiento de un diodo, ante las variaciones de tensión del ánodo, manteniendo constante la del filamento y sin colocar «carga» en el circuito exterior de la placa. Al variar la tensión del ánodo, Va, la corriente de electrones que llega a él varía proporcionalmente.

         Al aumentar el potencial positivo del ánodo Va lo hace la corriente de placa, Ia, pero si la placa se hace negativa repele a los electrones que salen del cátodo y se anula Ia; por esta razón no se suelen representar los valores negativos de Va en la curva característica. Es como si la válvula se comportase como una resistencia al paso de los electrones, llamada «resistencia interna de la válvula» y cuyo valor se halla aplicando la ley de Ohm:
                                      R = ∆Va / ∆ Ia
En el caso de la válvula a la que corresponde la curva característica de la figura, el valor de su resistencia interna será:
R = ∆Va / ∆ Ia = (10 - 5) V / (60 - 20) mA = 5V / 0,040 A = 125Ω.

        Interesa que la resistencia interna de la válvula sea pequeña para que así absorba poca tensión cuando conduce y la mayoría quede en la carga. Por ejemplo, la resistencia interna de la válvula UY85 es de 100Ω.
       En las curvas no se dibujan las corrientes de saturación ni las que corresponden a tensiones negativas de placa, por ser muy pequeñas al compararlas con las que pasan con tensiones positivas.

DIODO. CURVA CARACTERÍSTICA DINÁMICA.
    La curva característica estática representa las variaciones de la que corresponden a las de tensión Va «sin colocar carga en el circuito exterior de la placa». Como es lógico, hay que suponer que la utilización del diodo perseguirá siempre la alimentación de una carga exterior por la que circulará la la que regula la válvula. A esta carga exterior la representaremos como una resistencia, aunque podrá ser otro componente e incluso la mayoría de las veces un circuito completo; de este modo, el circuito real de utilización de un diodo será el descrito en la figura siguiente.

     En todo momento la tensión total, VT, aplicada al circuito se reparte entre la válvula, Va, y la carga VR, cumpliéndose la siguiente ecuación:
                         VT = Va + VR
Siempre existirá una parte de la tensión total VT, que quedará entre ánodo y cátodo, y que llamamos Va, que es la que consigue dirigir los electrones desde el cátodo hasta el ánodo. Dicha tensión Va, recordando que el diodo se comporta como una resistencia, que se denomina R;, vendrá dada por la siguiente fórmula:
                       Va = Ri x Ia
La tensión que queda en la carga, según la ley de Ohm, será: VR = R•Ia.
Al hallar la curva característica estática, toda la tensión de alimentación se aplicaba entre ánodo y cátodo de la válvula; pero si tenemos en cuenta la carga exterior, la tensión que existe entre los electrodos del diodo ya no es la total, puesto que hay que descontar la que absorbe la carga, cuyo valor es:
                                                                                                        Va = VT - Ia x R

          La curva que relaciona las intensidades que atraviesan el diodo con la tensión real existente entre cátodo y ánodo, teniendo en cuenta la absorción de la carga, se denomina curva característica dinámica de la válvula y tiene menos inclinación que la estática, al ser inferior Va en el valor correspondiente a la tensión que se lleva la carga.

TIPOS DE DIODOS
Según su aplicación o utilización se clasifican en:
1) Diodos propiamente dichos, que aguantan intensidades de paso muy pequeñas, del orden de algún miliamperio como máximo, y se emplean para detectar o demodular pequeñas tensiones alternas, en general de alta frecuencia. La función de la «detección» se estudiará más adelante.
2) Diodos rectificadores, que aguantan tensiones y corrientes elevadas, siendo su principal misión la de rectificar la c.a. para transformarla en c.c.
En un principio se presentan los diodos rectificadores, ya que forman una parte esencial dentro de las fuentes de alimentación.

LIMITACIONES DE LOS DIODOS
Entre las principales magnitudes y características que determinan el funcionamiento y elección de un diodo se destacan:
1°) TENSIÓN INVERSA MÁXIMA. Cuando la tensión aplicada a un circuito formado por un diodo y una carga polariza positivamente la placa, circula una intensidad importante y produce una- fuerte caída de tensión en dicha carga. Entre los electrodos de la válvula queda muy poca tensión, repartiéndose la total aplicada entre la válvula y la carga (figura).
Cuando el diodo queda polarizado inversamente, es decir, negativa la placa respecto al cátodo, no conduce y en la carga no queda ninguna tensión, pues VR = I x R = 0 x R = 0, quedando el total de la tensión aplicada entre los dos electrodos de la válvula (figura).
Al ser muy elevada la tensión inversa que queda en la válvula cuando está polarizada inversamente, puede haber peligro de arco entre los dos electrodos, por lo que el fabricante recomienda el valor máximo que no se deba sobrepasar.

2.º) CORRIENTE MÁXIMA EMITIDA POR EL CÁTODO. La emisión por parte del cátodo de una corriente electrónica superior a la que se ha proyectado, y se indica en los manuales de válvulas, ocasiona un rápido agotamiento e incluso la rotura de la válvula.

3.º) TENSIÓN DE FILAMENTOS. Sobrepasar la tensión de filamentos que indica el fabricante, aparte del aumento de temperatura y el de emisión, tratado en el párrafo anterior, puede llegar a hacer peligrar el aislamiento entre el cátodo y el filamento de la válvula.

4.°) POTENCIA MÁXIMA DISIPADA. Los electrones que chocan contra la placa producen en ella un aumento de temperatura, a consecuencia del continuo bombardeo a que la someten.
La potencia que disipa un diodo y se transforma en calor en la placa es P = Va x Ia, teniendo los ánodos unas aletas perforadas destinadas a evacuar este calor; pero si la se eleva en exceso resultan insuficientes y la temperatura de la placa puede alcanzar el punto de emisión electrónica, ocasionando en ese instante una corriente de ánodo a cátodo que destruiría el circuito.
5.°) CAPACIDAD ENTRE ÁNODO Y CÁTODO, CKP. Un condensador lo forman dos placas metálicas separadas por un aislante o dieléctrico. Un diodo está constituido por dos elementos metálicos, cátodo y placa, entre los cuales, existe el vacío aislante, presentando una pequeña capacidad ficticia originada por la misma estructura de la válvula. Esta capacidad es muy pequeña, inferior a 30 pF (picofaradios), pero en el caso de trabajar con altas frecuencias su reactancia capacitiva es muy baja,

Xc = 1 / (2 * π * f * C)

existiendo prácticamente un cortocircuito entre los dos electrodos del diodo.