Cos'è il tubo a vuoto e come funziona

Potresti essere tentato di liquidare il buon vecchio tubo come una reliquia del passato - dopo tutto, come possono alcuni pezzi di metallo in una lampadina glorificata resistere ai transistor e ai circuiti integrati di oggi? Sebbene i tubi abbiano perso il loro posto nella vetrina dei negozi di elettronica di consumo, rimangono comunque un uso insignificante dove è necessaria molta potenza a frequenze molto alte (gamma GHz), come nelle trasmissioni radiofoniche e televisive, nel riscaldamento industriale, nei forni a microonde, nei satelliti comunicazioni, acceleratori di particelle, radar, armi elettromagnetiche oltre ad alcune applicazioni che richiedono livelli di potenza e frequenze inferiori, come misuratori di radiazioni, macchine a raggi X e amplificatori audiofili.

20 anni fa la maggior parte dei display utilizzava un cinescopio a vuoto. Sapevi che potrebbero esserci anche alcuni tubi in agguato in casa tua? Nel cuore del tuo forno a microonde c'è, o meglio si trova in una presa, un tubo magnetron. Il suo compito è generare segnali RF ad alta potenza e ad alta frequenza che vengono utilizzati per riscaldare qualunque cosa mettiate nel forno. Un dispositivo domestico diverso con un tubo all'interno è il vecchio televisore a tubo catodico che ora molto probabilmente si trova in una scatola di cartone in soffitta dopo essere stato sostituito con un nuovo televisore a schermo piatto. Il CRT sta per "Cathode-ray Tube"- questi tubi vengono utilizzati per visualizzare il segnale video ricevuto. Sono piuttosto pesanti, grandi e inefficienti rispetto ai display LCD o LED, ma hanno svolto il lavoro prima che le altre tecnologie entrassero in scena. È una buona idea conoscerli perché gran parte del mondo moderno fa ancora affidamento su di loro, la maggior parte dei trasmettitori TV utilizza i tubi a vuoto come dispositivo di uscita di potenza, perché sono più efficienti alle alte frequenze rispetto ai transistor. Senza tubi magnetron non esisterebbero forni a microonde economici, perché le alternative a semiconduttori sono state inventate solo di recente e rimangono costose. Molti circuiti come oscillatori, amplificatori, mixer ecc. Sono più facili da spiegare con le valvole e vedere come funzionano, perché le valvole classiche, specialmente i triodi,sono estremamente facili da polarizzare con pochi componenti e calcolare il loro fattore di amplificazione, bias ecc.

Come funzionano i tubi a vuoto?

I normali tubi a vuoto funzionano in base a un fenomeno chiamato emissione termoionica, noto anche come effetto Edison. Immagina che sia una calda giornata estiva, stai aspettando in fila in una stanza soffocante, accanto a un muro con una stufa per tutta la lunghezza, anche alcune altre persone stanno aspettando in fila e qualcuno accende il riscaldamento, le persone iniziano ad allontanarsi dal riscaldamento - poi qualcuno apre la finestra e lascia entrare una brezza fredda, facendo migrare tutti verso di essa. Quando l'emissione termoionica avviene in un tubo a vuoto, la parete con il riscaldatore è il catodo, riscaldato da un filamento, le persone sono gli elettroni e la finestra è l'anodo. Nella maggior parte dei tubi a vuoto il catodo cilindrico viene riscaldato da un filamento (non troppo diverso da quello di una lampadina), facendo sì che il catodo emetta elettroni negativi che vengono attratti da un anodo caricato positivamente, facendo fluire una corrente elettrica nell'anodo e fuori dal catodo (ricorda,la corrente va nella direzione opposta rispetto agli elettroni).

Di seguito spieghiamo l'evoluzione del tubo a vuoto: diodo, triodo, tetrodo e pentodo insieme ad alcuni tipi speciali di tubi a vuoto come magnetron, CRT, tubo a raggi X ecc.

All'inizio c'erano i diodi

Questo è utilizzato nel tubo a vuoto più semplice- il diodo, costituito dal filamento, dal catodo e dall'anodo. La corrente elettrica scorre attraverso il filamento al centro, facendolo riscaldare, brillare ed emettere radiazioni termiche, simili a una lampadina. Il filamento riscaldato riscalda il catodo cilindrico circostante, fornendo energia sufficiente agli elettroni per superare la funzione di lavoro, provocando la formazione di una nuvola di elettroni chiamata regione di carica spaziale, attorno al catodo riscaldato. L'anodo caricato positivamente attrae elettroni dalla regione di carica spaziale provocando un flusso di corrente elettrica nel tubo, ma cosa succederebbe se l'anodo fosse negativo? Come sai dalle lezioni di fisica del liceo, come le cariche si respingono: l'anodo negativo respinge gli elettroni e non scorre corrente, tutto questo accade nel vuoto, perché l'aria impedisce il flusso di elettroni. Questo è il modo in cui un diodo viene utilizzato per rettificare AC.

Niente come il buon vecchio Triode!

Nel 1906 un ingegnere americano di nome Lee de Forest scoprì che l'aggiunta di una griglia, chiamata griglia di controllo, tra l'anodo e il catodo consente di controllare la corrente anodica. La costruzione del triodo è simile al diodo, con la griglia realizzata con un filo di mobyldenium molto sottile. Il controllo si ottiene polarizzando la rete con una tensione, la tensione solitamente negativa rispetto al catodo. Più la tensione è negativa, minore è la corrente. Quando la griglia è negativa respinge gli elettroni, diminuendo la corrente anodica, se è positiva fluisce più corrente anodica, al costo della griglia che diventa un minuscolo anodo, provocando la formazione di corrente di griglia che potrebbe danneggiare il tubo.

Il triodo e altri tubi "reticolati" sono generalmente polarizzati collegando un resistore di alto valore tra la griglia e la terra e un resistore di valore inferiore tra il catodo e la terra. La corrente che scorre attraverso il tubo provoca una caduta di tensione sulla resistenza catodica, aumentando la tensione catodica rispetto a massa. La griglia è negativa rispetto al catodo, perché il catodo ha un potenziale maggiore rispetto alla massa a cui è collegata la griglia.

Triodi e altre valvole normali possono essere usati come interruttori, amplificatori, mixer e ci sono molti altri usi tra cui scegliere. Può amplificare i segnali applicando il segnale alla rete e lasciandolo guidare la corrente anodica, se viene aggiunta una resistenza tra l'anodo e l'alimentatore il segnale amplificato può essere tolto dalla tensione anodica, perché la resistenza anodica e il tubo agiscono simile a un partitore di tensione, con la parte del triodo che varia la sua resistenza in base alla tensione del segnale di ingresso.

Tetrodi in soccorso!

Il triodo iniziale soffriva di basso guadagno e alte capacità parassite. Negli anni '20 si scoprì che mettendo una seconda griglia (schermo) tra la prima e l'anodo, aumentava il guadagno e diminuiva le capacità parassite, il nuovo tubo veniva chiamato tetrodo, che significa in greco quattro (tetra) vie (ode, suffisso). Il nuovo tetrodo non era perfetto, soffriva di una resistenza negativa causata dall'emissione secondaria che poteva provocare oscillazioni parassite. L'emissione secondaria si verificava quando la tensione della seconda griglia era superiore alla tensione anodica, provocando una diminuzione della corrente anodica con gli elettroni che colpivano l'anodo e mandavano fuori altri elettroni e gli elettroni venivano attratti dalla griglia dello schermo positivo, causando un ulteriore aumento potenzialmente dannoso corrente di rete.

Pentodi: l'ultima frontiera?

La ricerca sui modi per ridurre l'emissione secondaria ha portato all'invenzione del pentodo nel 1926 dagli ingegneri olandesi Bernhard DH Tellegen e Gilles Holst. È stato riscontrato che l'aggiunta di una terza griglia, chiamata griglia soppressore, tra la griglia dello schermo e l'anodo, rimuove gli effetti dell'emissione secondaria respingendo gli elettroni espulsi dall'anodo all'anodo poiché è collegato a terra o al catodo. Oggi i pentodi vengono utilizzati nei trasmettitori al di sotto di 50 MHz, poiché i tetrodi nei trasmettitori funzionano bene fino a 500 MHz e i triodi fino alla gamma dei gigahertz, per non parlare dell'uso audiofilo.

Diversi tipi di tubi a vuoto

Oltre a questi tubi "normali" ci sono molti tubi industriali e commerciali specializzati progettati per usi diversi.

Magnetron

Il magnetron è simile al diodo, ma con cavità risonanti sagomate nell'anodo del tubo e l'intero tubo situato tra due potenti magneti. Quando viene applicata la tensione, il tubo inizia ad oscillare, gli elettroni passano nelle cavità dell'anodo, provocando la generazione di segnali a radiofrequenza, in un processo simile al fischio.

Tubi a raggi X.

I tubi a raggi X vengono utilizzati per generare raggi X per scopi medici o di ricerca. Quando viene applicata una tensione sufficientemente alta al diodo a tubo a vuoto, vengono emessi raggi X, maggiore è la tensione, minore è la lunghezza d'onda. Per far fronte al riscaldamento dell'anodo, causato dagli elettroni che lo colpiscono, l'anodo a forma di disco ruota, quindi gli elettroni colpiscono diverse parti dell'anodo durante la sua rotazione, migliorando il raffreddamento.

CRT o tubo a raggi catodici

Il CRT o "tubo a raggi catodici" era la principale tecnologia di visualizzazione nel corso della giornata. In un CRT monocromatico un catodo caldo o un filamento che funge da catodo emette elettroni. Nel loro cammino verso gli anodi passano attraverso un piccolo foro nel cilindro di Wehnelt, il cilindro che funge da griglia di controllo per il tubo e aiuta a concentrare gli elettroni in un fascio stretto. Successivamente vengono attratti e focalizzati da diversi anodi ad alta tensione. Questa parte del tubo (catodo, cilindro di Wehnelt e anodi) è chiamata cannone elettronico. Dopo aver superato gli anodi, passano le piastre di deflessione e colpiscono la parte anteriore fluorescente del tubo, provocando la comparsa di un punto luminoso nel punto in cui colpisce il raggio. Le piastre di deflessione vengono utilizzate per scansionare il raggio attraverso lo schermo attirando e respingendo gli elettroni nella loro direzione, ce ne sono due coppie, una per l'asse X e una per l'asse Y.

Un piccolo CRT realizzato per oscilloscopi, si possono vedere chiaramente (da sinistra) il cilindro di Wehnelt, gli anodi circolari e le piastre di deflessione a forma di lettera Y.

Tubo a onde viaggianti

I tubi a onde viaggianti sono utilizzati come amplificatori di potenza RF a bordo dei satelliti di comunicazione e di altri veicoli spaziali a causa delle loro piccole dimensioni, del peso ridotto e dell'efficienza alle alte frequenze. Proprio come il CRT ha un cannone elettronico nella parte posteriore. Una bobina chiamata "elica" è avvolta attorno al fascio di elettroni, l'ingresso del tubo è collegato all'estremità dell'elica più vicina al cannone elettronico e l'uscita è presa dall'altra estremità. L'onda radio che scorre attraverso l'elica interagisce con il fascio di elettroni, rallentandolo e accelerandolo in diversi punti, provocandone l'amplificazione. L'elica è circondata da magneti di focalizzazione del fascio e da un attenuatore al centro, il suo scopo è impedire che il segnale amplificato ritorni in ingresso e provochi oscillazioni parassite. Alla fine del tubo si trova un collettore,essendo paragonabile all'anodo di un triodo o pentodo ma da esso non viene presa alcuna uscita, si trova. Il fascio di elettroni colpisce il collettore, ponendo fine alla sua storia all'interno del tubo.

Tubi Geiger – Müller

I tubi Geiger – Müller sono utilizzati nei misuratori di radiazioni, sono costituiti da un cilindro metallico (catodo) con un foro su un'estremità e un filo di rame al centro (anodo) all'interno di un involucro di vetro riempito con un gas speciale. Ogni volta che una particella passa attraverso il foro e colpisce per un breve momento la parete del catodo, il gas nel tubo ionizza, consentendo alla corrente di fluire. Questo impulso può essere sentito dall'altoparlante del misuratore come un clic caratteristico!