Tetrodo

Un tetrodo es un tubo de vacío (llamado válvula en inglés británico) que tiene cuatro electrodos activos . Los cuatro electrodos en orden desde el centro son: un cátodo termoiónico , una primera y una segunda rejilla, y una placa (llamada ánodo en inglés británico). Existen varias variedades de tetrodos, siendo los más comunes el tubo de rejilla de pantalla y el tetrodo de haz . En los tubos de rejilla de pantalla y los tetrodos de haz, la primera rejilla es la rejilla de control y la segunda rejilla es la rejilla de pantalla . ^[1] En otros tetrodos, una de las rejillas es una rejilla de control, mientras que la otra puede tener una variedad de funciones.

El tetrodo se desarrolló en la década de 1920 añadiendo una rejilla adicional al primer tubo de vacío amplificador, el triodo , para corregir las limitaciones del triodo. Durante el período de 1913 a 1927, aparecieron tres tipos distintos de válvulas tetrodo. Todas tenían una rejilla de control normal cuya función era actuar como control primario para la corriente que pasaba por el tubo, pero diferían según la función prevista de la otra rejilla. En orden de aparición histórica, estas son: el tubo de rejilla de carga espacial , la válvula de doble rejilla y el tubo de rejilla de pantalla . El último de estos apareció en dos variantes distintas con diferentes áreas de aplicación: la válvula de rejilla de pantalla propiamente dicha, que se utilizaba para la amplificación de señales pequeñas de frecuencia media, y el tetrodo de haz que apareció más tarde y se utilizaba para la amplificación de potencia de audio o radiofrecuencia. El primero fue rápidamente reemplazado por el pentodo de radiofrecuencia , mientras que el segundo se desarrolló inicialmente como una alternativa al pentodo como dispositivo amplificador de potencia de audio. El tetrodo de haz también fue desarrollado como un tubo de transmisión de radio de alta potencia.

Los tetrodos se utilizaron ampliamente en muchos dispositivos electrónicos de consumo, como radios, televisores y sistemas de audio, hasta que los transistores reemplazaron a las válvulas en los años 1960 y 1970. Los tetrodos de haz se han seguido utilizando hasta hace muy poco en aplicaciones de energía, como amplificadores de audio y transmisores de radio.

El tetrodo funciona de manera similar al triodo , del cual se desarrolló. Una corriente a través del calentador o filamento calienta el cátodo , lo que hace que emita electrones por emisión termoiónica . Se aplica un voltaje positivo entre la placa y el cátodo, lo que provoca un flujo de electrones desde el cátodo a la placa a través de las dos rejillas. Un voltaje variable aplicado a la rejilla de control puede controlar esta corriente, lo que provoca variaciones en la corriente de la placa. Con una carga resistiva u otra carga en el circuito de la placa, la corriente variable dará como resultado un voltaje variable en la placa. Con una polarización adecuada , este voltaje será una versión amplificada (pero invertida) del voltaje de CA aplicado a la rejilla de control, lo que proporciona ganancia de voltaje . En el tetrodo, la función de la otra rejilla varía según el tipo de tetrodo; esto se analiza a continuación.

El tubo de rejilla de carga espacial fue el primer tipo de tetrodo que apareció. En el curso de su investigación sobre la acción del tubo triodo de audión inventado por Edwin Howard Armstrong y Lee de Forest , Irving Langmuir descubrió que la acción del cátodo termoiónico calentado era crear una carga espacial , o nube de electrones, alrededor del cátodo . Esta nube actuaba como un cátodo virtual. Con un voltaje anódico bajo aplicado, muchos de los electrones en la carga espacial regresaban al cátodo y no contribuían a la corriente anódica; solo aquellos en su límite exterior se verían afectados por el campo eléctrico debido al ánodo y serían acelerados hacia él. Sin embargo, si se insertaba una rejilla con un potencial aplicado positivo bajo (alrededor de 10 V) entre el cátodo y la rejilla de control, se podía hacer que la carga espacial se extendiera más lejos del cátodo. Esto tenía dos efectos ventajosos, ambos relacionados con la influencia de los campos eléctricos de los otros electrodos (ánodo y rejilla de control) sobre los electrones de la carga espacial. En primer lugar, se podía lograr un aumento significativo de la corriente del ánodo con un voltaje bajo del ánodo; la válvula podía funcionar bien con un voltaje del ánodo aplicado más bajo. ^[2] En segundo lugar, se aumentó la transconductancia (tasa de cambio de la corriente del ánodo con respecto al voltaje de la rejilla de control) del tubo. Este último efecto fue particularmente importante ya que aumentó la ganancia de voltaje disponible de la válvula. ^{[3] [4] [5]}

Las válvulas de carga espacial siguieron siendo dispositivos útiles durante toda la era de las válvulas y se utilizaron en aplicaciones como las radios de coche que funcionaban directamente con una fuente de 12 V, donde solo había disponible un voltaje de ánodo bajo. El mismo principio se aplicó a otros tipos de tubos de rejilla múltiple, como los pentodos . Como ejemplo, el Sylvania 12K5 se describe como "un tetrodo diseñado para el funcionamiento con carga espacial. Está destinado a funcionar como controlador de amplificador de potencia donde los potenciales se obtienen directamente de una batería de automóvil de 12 V". La rejilla de carga espacial funcionaba a +12 V, el mismo voltaje de suministro del ánodo. ^[6]

Otra aplicación importante del tetrodo de carga espacial fue como tubo electrómetro para detectar y medir corrientes extremadamente pequeñas. Por ejemplo, el FP54 de General Electric se describió como un "tubo de rejilla de carga espacial... diseñado para tener una impedancia de entrada muy alta y una corriente de rejilla muy baja. Está diseñado particularmente para la amplificación de corrientes continuas menores de aproximadamente 10^-9
amperios, y se ha descubierto que es capaz de medir corrientes tan pequeñas como 5 x 10^-18
amperios. Tiene un factor de amplificación de corriente de 250.000 y funciona con un voltaje de ánodo de 12 V y un voltaje de rejilla de carga espacial de +4 V". ^[7] El mecanismo por el cual la rejilla de carga espacial reduce la corriente de la rejilla de control en un tetrodo electrómetro es que evita que los iones positivos que se originan en el cátodo lleguen a la rejilla de control. ^[8]

Tenga en cuenta que cuando se agrega una cuadrícula de carga espacial a un triodo , la primera cuadrícula en el tetrodo resultante es la cuadrícula de carga espacial y la segunda cuadrícula es la cuadrícula de control .

En el tipo de tetrodo de doble rejilla, ambas rejillas están destinadas a transportar señales eléctricas, por lo que ambas son rejillas de control. El primer ejemplo que apareció en Gran Bretaña fue el Marconi-Osram FE1, que fue diseñado por HJ Round y estuvo disponible en 1920. ^[5] El tubo estaba destinado a ser utilizado en un circuito reflejo (por ejemplo, el receptor de barco de una sola válvula Tipo 91 ^[9] ) donde la misma válvula realizaba las funciones combinadas de amplificador de RF, amplificador de AF y detector de diodos. La señal de RF se aplicaba a una rejilla de control y la señal de AF a la otra. Este tipo de tetrodo se utilizó de muchas formas imaginativas en el período anterior a la aparición de la válvula de rejilla de pantalla que revolucionó el diseño de receptores. ^{[10] [11]}

En la ilustración se muestra una aplicación. Se trata de un transmisor de telefonía AM en el que la segunda rejilla y el ánodo forman un oscilador de potencia , y la primera rejilla actúa como un electrodo modulador. La corriente del ánodo en la válvula, y por lo tanto la amplitud de salida de RF, se modula mediante el voltaje en G1, que se deriva de un micrófono de carbono. ^{[12] Un tubo de este tipo también se podría utilizar como receptor de CW (radiotelegrafía) de conversión directa. Aquí la válvula oscila como consecuencia del acoplamiento entre la primera rejilla y el ánodo, mientras que la segunda rejilla está acoplada a la antena. La frecuencia de batido de AF es audible en los auriculares. La válvula actúa como un} detector de producto autooscilante . ^{[13] Otra aplicación muy similar de la válvula de doble rejilla fue como} mezclador de frecuencia autooscilante en los primeros receptores superheterodino ^[14] Una rejilla de control transportaba la señal de RF entrante, mientras que la otra estaba conectada a un circuito oscilador que generaba la oscilación local dentro de la misma válvula. Dado que la corriente del ánodo de la válvula de doble rejilla era proporcional tanto a la señal en la primera rejilla como también al voltaje del oscilador en la segunda rejilla, se logró la multiplicación requerida de las dos señales y la señal de frecuencia intermedia se seleccionó mediante un circuito sintonizado conectado al ánodo. En cada una de estas aplicaciones, el tetrodo de doble rejilla actuó como un multiplicador analógico desequilibrado en el que la corriente de placa, además de pasar por ambas señales de entrada, incluye el producto de las dos señales aplicadas a las rejillas.

El principio del receptor superheterodino (o superhet ) moderno (originalmente llamado receptor heterodino supersónico , porque la frecuencia intermedia era una frecuencia ultrasónica ) fue inventado en Francia por Lucien Levy en 1917 ^[15] (p. 66), aunque generalmente también se le da crédito a Edwin Armstrong . La razón original para la invención del superhet fue que antes de la aparición de la válvula de rejilla de pantalla, las válvulas amplificadoras, luego los triodos , tenían dificultades para amplificar frecuencias de radio (es decir, frecuencias muy superiores a 100 kHz) debido al efecto Miller . En el diseño superheterodino, en lugar de amplificar la señal de radio entrante, primero se mezcló con un oscilador de RF constante (el llamado oscilador local ) para producir un heterodino de típicamente 30 kHz. Esta señal de frecuencia intermedia (FI) tenía una envolvente idéntica a la señal entrante pero una frecuencia portadora mucho más baja , por lo que podía amplificarse de manera eficiente utilizando triodos. Cuando se detecta , se obtiene la modulación original de la señal de radio de frecuencia más alta. ^[16] Una técnica algo complicada, cayó en desuso cuando los tetrodos de rejilla de pantalla hicieron prácticos los receptores de radiofrecuencia sintonizados (TRF). ^{[ cita requerida ]} Sin embargo, el principio superheterodino resurgió a principios de la década de 1930 cuando se apreciaron sus otras ventajas, como una mayor selectividad , y casi todos los receptores modernos funcionan con este principio, pero con una frecuencia de FI más alta (a veces más alta que la RF original) con amplificadores (como el tetrodo) habiendo superado la limitación del triodo para amplificar señales de alta (radio) frecuencia.

El concepto de superheterodino podría implementarse utilizando una válvula como oscilador local y una válvula separada como mezclador que toma la señal de la antena y el oscilador local como señales de entrada. Pero para ahorrar dinero, esas dos funciones también podrían combinarse en un solo tetrodo de doble rejilla que oscilaría y mezclaría en frecuencia la señal de RF de la antena. ^[14] En años posteriores, esto se logró de manera similar con el tubo convertidor de pentagrama , una válvula de oscilación/amplificación similar de dos entradas, pero que (como los tubos de pentodo ) incorporaba una rejilla supresora y en este caso dos rejillas de pantalla para aislar electrostáticamente la placa y ambas rejillas de señal entre sí. En los receptores actuales, basados ​​en tecnología de semiconductores de bajo costo ( transistores ), no hay ningún beneficio de costo en combinar las dos funciones en un dispositivo activo.

El tubo de rejilla de pantalla proporciona una capacitancia de rejilla de control a ánodo mucho menor y un factor de amplificación mucho mayor que un triodo. Los circuitos amplificadores de radiofrecuencia que utilizan triodos eran propensos a la oscilación debido a la capacitancia de rejilla a ánodo del triodo. ^[17] En el tubo de rejilla de pantalla, se inserta una rejilla denominada rejilla de pantalla , rejilla de protección o, a veces, rejilla de aceleración entre la rejilla de control y el ánodo. La rejilla de pantalla proporciona un escudo electrostático entre la rejilla de control y el ánodo, reduciendo la capacitancia entre ellos a una cantidad muy pequeña. ^{[17] [18]} Para reducir la influencia del campo eléctrico del ánodo en la carga espacial del cátodo y en la rejilla de control, durante 1915 - 1916 el físico Walter H. Schottky desarrolló los primeros tubos que tenían una rejilla colocada entre el ánodo y la rejilla de control para proporcionar un escudo electrostático. ^{[19] [20]} Schottky patentó estos tubos de rejilla de pantalla en Alemania en 1916 y en los EE. UU. en 1919. ^{[21] [22]} Estos tubos se produjeron en Alemania y se conocieron como tubos Siemens-Schottky. ^[20] En Japón, Hiroshi Ando patentó mejoras en la construcción de la rejilla de pantalla en 1919. ^[23] Durante la segunda mitad de la década de 1920, Neal H. Williams y Albert Hull en General Electric , HJ Round en MOV y Bernard Tellegen en Phillips desarrollaron tubos de rejilla de pantalla mejorados. Estos tubos de rejilla de pantalla mejorados se comercializaron por primera vez en 1927. ^[24]

La retroalimentación a través de la capacitancia de ánodo a rejilla (efecto Miller) del triodo podría causar oscilación, especialmente cuando tanto el ánodo como la rejilla estaban conectados a circuitos resonantes sintonizados como es habitual en un amplificador de radiofrecuencia (RF). ^[25] Para frecuencias superiores a aproximadamente 100 kHz, era necesario un circuito neutralizador. Un triodo típico utilizado para la amplificación de señales pequeñas tenía una capacitancia de rejilla a ánodo de 8  pF , mientras que la cifra correspondiente para una válvula de rejilla de pantalla típica era de 0,025  pF . ^[26] No se requirieron circuitos neutralizadores para una etapa amplificadora de RF de tubo de rejilla de pantalla bien diseñada. ^{[27] [28]}

La rejilla de pantalla está conectada a un voltaje de CC positivo y a tierra de CA, como lo asegura un capacitor de derivación a tierra. ^[17] La ​​región útil de operación del tubo de rejilla de pantalla como amplificador está limitada a voltajes de ánodo mayores que el voltaje de la rejilla de pantalla. A voltajes de ánodo mayores que el voltaje de la rejilla de pantalla, algunos electrones del cátodo golpearán la rejilla de pantalla, produciendo corriente de pantalla, pero la mayoría pasará a través de los espacios abiertos de la pantalla y continuará hasta el ánodo. ^[17] A medida que el voltaje del ánodo se acerca y cae por debajo del de la rejilla de pantalla, la corriente de pantalla aumentará como se muestra en la imagen de características de la placa.

Una ventaja adicional de la rejilla de pantalla se hizo evidente cuando se agregó. La corriente del ánodo se vuelve casi completamente independiente del voltaje del ánodo, siempre que el voltaje del ánodo sea mayor que el voltaje de la pantalla. Esto corresponde a una resistencia dinámica del ánodo muy alta, lo que permite una ganancia de voltaje mucho mayor cuando la impedancia de carga del ánodo es grande. ^[29] La corriente del ánodo está controlada por la rejilla de control y los voltajes de la rejilla de pantalla. En consecuencia, los tetrodos se caracterizan principalmente por su transconductancia (cambio en la corriente del ánodo en relación con el voltaje de la rejilla de control), mientras que los triodos se caracterizan por su factor de amplificación ( mu ), su máxima ganancia de voltaje posible. En el momento de la introducción de las válvulas de rejilla de pantalla, un triodo típico utilizado en receptores de radio tenía una resistencia dinámica del ánodo de 20 kΩ o menos, mientras que la cifra correspondiente para una válvula de rejilla de pantalla típica era de 500 kΩ. Una etapa amplificadora de RF de onda media con triodo típica produjo una ganancia de voltaje de alrededor de 14, pero las etapas amplificadoras de RF con tubo de rejilla de pantalla produjeron ganancias de voltaje de 30 a 60. ^[30]

Para aprovechar al máximo la muy baja capacitancia de la rejilla-ánodo, se observó el blindaje entre los circuitos del ánodo y la rejilla en la construcción de la radio. La válvula S625 se montó en un blindaje metálico plano, conectado a tierra y alineado para corresponderse con la posición de la rejilla de pantalla interna. El circuito de entrada, o rejilla de control, estaba en un lado del blindaje, mientras que el ánodo, o circuito de salida, estaba en el otro. En el receptor que se muestra con tubos S23, cada etapa completa del amplificador de RF de 2 etapas, así como la etapa del detector sintonizado, estaban encerradas en una gran caja metálica individual para el blindaje electrostático . Estas cajas se han eliminado en la ilustración, pero se pueden ver los bordes vueltos hacia arriba de las bases de las cajas.

De esta manera, las válvulas de rejilla de pantalla permitieron una mejor amplificación de radiofrecuencia en los rangos de frecuencia media y alta en los equipos de radio. Se utilizaron comúnmente en el diseño de etapas de amplificación de radiofrecuencia de receptores de radio desde fines de 1927 hasta 1931, y luego fueron reemplazadas por el tubo pentodo .

La razón de la aplicabilidad limitada de la válvula de rejilla de pantalla y su rápido reemplazo por el pentodo de RF (introducido alrededor de 1930) fue la característica anódica peculiar (es decir, la variación de la corriente anódica con respecto al voltaje anódico) del primer tipo de tubo.

En aplicaciones normales, el voltaje del ánodo era de aproximadamente 150 V, mientras que el de la rejilla de la pantalla era de aproximadamente 60 V (Thrower p. 183). ^[5] Como la rejilla de la pantalla es positiva con respecto al cátodo, recoge una cierta fracción (quizás una cuarta parte) de los electrones que de otra manera pasarían de la región de la rejilla al ánodo. Esto hace que fluya corriente en el circuito de la rejilla de la pantalla. Por lo general, la corriente de pantalla debido a esta causa es pequeña y de poco interés. Sin embargo, si el voltaje del ánodo fuera inferior al de la pantalla, la rejilla de la pantalla también puede recoger electrones secundarios expulsados ​​del ánodo por el impacto de los electrones primarios energéticos. Ambos efectos tienden a reducir la corriente del ánodo. Si el voltaje del ánodo se aumenta desde un valor bajo, con la rejilla de la pantalla en su voltaje de funcionamiento normal (60 V, por ejemplo), la corriente del ánodo aumenta inicialmente rápidamente porque más de esos electrones que pasan a través de la rejilla de la pantalla son recogidos por el ánodo en lugar de pasar de nuevo a la rejilla de la pantalla. Esta parte de la característica del ánodo del tetrodo se parece a la parte correspondiente de la de un triodo o pentodo . Sin embargo, cuando el voltaje del ánodo aumenta aún más, los electrones que llegan al ánodo tienen suficiente energía para causar una emisión secundaria abundante, y muchos de estos electrones secundarios serán capturados por la pantalla, que está a un voltaje positivo más alto que el ánodo. Esto hace que la corriente del ánodo caiga en lugar de aumentar cuando se aumenta el voltaje del ánodo. En algunos casos, la corriente del ánodo puede llegar a ser negativa (la corriente fluye fuera del ánodo); esto es posible ya que cada electrón primario puede producir más de un secundario. La caída de la corriente positiva del ánodo acompañada del aumento del voltaje del ánodo da a la característica del ánodo una región de pendiente negativa, y esto corresponde a una resistencia negativa que puede causar inestabilidad en ciertos circuitos. En un rango más alto de voltaje del ánodo, el voltaje del ánodo excede suficientemente al de la pantalla para que una proporción cada vez mayor de los electrones secundarios sean atraídos de regreso al ánodo, por lo que la corriente del ánodo aumenta una vez más y la pendiente de la característica del ánodo se vuelve positiva nuevamente. En un rango aún más alto de voltajes del ánodo, la corriente del ánodo se vuelve sustancialmente constante, ya que todos los electrones secundarios ahora regresan al ánodo y el control principal de la corriente a través del tubo es el voltaje de la rejilla de control. Este es el modo de funcionamiento normal del tubo. ^[31]

La característica del ánodo de una válvula de rejilla de pantalla es, por lo tanto, bastante diferente a la de un triodo . Cuando el voltaje del ánodo es menor que el de la rejilla de pantalla, hay una característica de resistencia negativa distintiva, llamada región dinatrón ^[32] o curvatura del tetrodo . La región de corriente aproximadamente constante de pendiente baja a voltajes del ánodo mayores que el voltaje de la rejilla de pantalla también es marcadamente diferente de la del triodo, y proporciona la región útil de operación del tubo de rejilla de pantalla como amplificador. ^[33] La pendiente baja es altamente deseable, ya que mejora en gran medida la ganancia de voltaje que el dispositivo puede producir. Las primeras válvulas de rejilla de pantalla tenían factores de amplificación (es decir, el producto de la transconductancia y la resistencia de la pendiente del ánodo, R _a ) cincuenta veces o más mayores que el de un triodo comparable. ^[29] La alta resistencia del ánodo en el rango normal de operación es una consecuencia de la acción de protección electrostática de la rejilla de protección, ya que evita que el campo eléctrico debido al ánodo penetre en la región de la rejilla de control, donde de otra manera podría influir en el paso de electrones, aumentando la corriente de electrones cuando el voltaje del ánodo es alto y reduciéndolo cuando es bajo.

La región operativa de resistencia negativa del tetrodo se explota en el oscilador dinatrón , que es un ejemplo de un oscilador de resistencia negativa. (Eastman, pág. 431) ^[4]

El tetrodo de haz elimina la región de dinatrón o la torcedura del tetrodo del tubo de rejilla de pantalla utilizando haces de electrones parcialmente colimados para desarrollar una región de carga espacial densa de bajo potencial entre la rejilla de pantalla y el ánodo que devuelve los electrones de emisión secundaria del ánodo al ánodo. ^[34] La característica del ánodo del tetrodo de haz es menos redondeada a voltajes de ánodo más bajos que la característica del ánodo del pentodo de potencia, lo que resulta en una mayor salida de potencia y menos distorsión del tercer armónico con el mismo voltaje de suministro del ánodo. ^{[35] [36]} Los tetrodos de haz se utilizan generalmente para la amplificación de potencia , desde frecuencia de audio hasta frecuencia de radio . El tetrodo de haz fue patentado en Gran Bretaña en 1933 por tres ingenieros de EMI, Isaac Shoenberg, Cabot Bull y Sidney Rodda. ^[37]

La compañía High Vacuum Valve de Londres, Inglaterra (Hivac) introdujo una línea de tetrodos de salida de potencia en agosto de 1935 que utilizaban el efecto de distancia crítica de JH Owen Harries para eliminar la región dinatrón de la característica de voltaje del ánodo - corriente del ánodo. ^[38] Los tubos de distancia crítica utilizaban el retorno de carga espacial de los electrones secundarios del ánodo al ánodo. ^[39] Las características físicas distintivas del tetrodo de distancia crítica eran la gran distancia de la rejilla de pantalla al ánodo y la estructura de rejilla elíptica. ^[38] La gran distancia de la rejilla de pantalla al ánodo facilitaba la formación de la carga espacial de bajo potencial para devolver los electrones secundarios del ánodo al ánodo cuando el potencial del ánodo era menor que el de la rejilla de pantalla. ^[40] Las rejillas elípticas permitían que las varillas de soporte de la rejilla de control estuvieran más alejadas del cátodo para reducir su efecto en el factor de amplificación con el voltaje de la rejilla de control. ^[41] A voltaje de rejilla de control cero y negativo, las barras de soporte de la rejilla de control y la rejilla de control formaban la corriente de electrones desde el cátodo en dos regiones principales de corriente espacial, separadas 180 grados, dirigidas hacia dos sectores anchos de la circunferencia del ánodo. ^[42] Estas características dieron como resultado una potencia de salida algo mayor y una distorsión menor que un pentodo de potencia comparable, debido a la saturación que se produce a un voltaje de ánodo más bajo y una mayor curvatura (radio más pequeño) de la característica de voltaje de ánodo - corriente de ánodo a voltajes de ánodo bajos. ^[38] Se introdujo una gama de tetrodos de este tipo, destinados al mercado de receptores domésticos, algunos con filamentos clasificados para dos voltios de corriente continua, destinados a equipos de baja potencia que funcionan con baterías; otros tenían cátodos calentados indirectamente con calentadores clasificados para cuatro voltios o más para funcionamiento con red eléctrica. Las clasificaciones de potencia de salida oscilaban entre 0,5 vatios y 11,5 vatios. Confusamente, varias de estas nuevas válvulas tenían el mismo número de tipo que los pentodos existentes con características casi idénticas. Los ejemplos incluyen Y220 (filamento de 0,5 W, 2 V), AC/Y (calentador de 3 W, 4 V), AC/Q (calentador de 11,5 W, 4 V).

• Tetrodo de efecto de campo