Qué es el diodo de vacío : Funcionamiento y sus aplicaciones

El primer tubo de vacío, conocido como diodo de vacío, fue inventado por un científico británico llamado "Sir John Ambrose Fleming" en el año 1904. También se le llama tubo termoiónico o válvula Fleming. Este diodo se fabrica con tubos de vacío con dos electrodos como el ánodo y el cátodo que están encerrados en el tubo de vacío. Así pues, este artículo trata de una visión general de un diodo de vacío y su funcionamiento con aplicaciones.

¿Qué es un diodo de vacío?

La definición de diodo de vacío es: el diodo que permite el flujo de corriente del cátodo al ánodo y bloquea la corriente del ánodo al cátodo se conoce como diodo de vacío. El cátodo de este diodo generalmente emite electrones libres, por lo que se denomina emisor, mientras que el ánodo recoge los electrones libres, lo que se denomina colector. El símbolo del diodo de vacío se muestra a continuación.

Construcción del diodo de vacío

La forma más sencilla de un tubo de vacío es un diodo de vacío. Incluye dos electrodos, un ánodo y un cátodo, donde el cátodo genera los electrones libres en el vacío, mientras que el ánodo recoge los electrones libres del cátodo. Así, los electrones libres saldrán del cátodo para entrar en el ánodo. Estos dos electrodos están encerrados en una envoltura vacía de vidrio.

El terminal anódico es un cilindro hueco y el material utilizado para fabricar este terminal es níquel o molibdeno. El terminal catódico es un cilindro de níquel recubierto de óxido de bario y estroncio. Aquí, el terminal anódico está rodeado por el catódico. Entre los dos electrodos hay un espacio vacío por el que circula la corriente eléctrica.

En un tubo de vacío, el terminal anódico es más grande que el catódico para disipar el calor sin un aumento extremo de la temperatura. Generalmente, se disponen aletas de refrigeración con un ánodo para eliminar el calor generado en el ánodo.

Principio de funcionamiento

El diodo de vacío funciona según el principio de emisión termoiónica. Una vez que el filamento se calienta, el terminal del cátodo emite electrones y estos electrones serán atraídos por el ánodo.Si la tensión positiva que se da en el terminal del ánodo no es suficiente, entonces no puede atraer a los electrones generados desde el cátodo debido al filamento caliente.

Aquí, el número de electrones generados por los terminales del cátodo depende principalmente de dos factores esenciales: la cantidad de calor aplicado y la función de trabajo. Si se aplica más cantidad de calor, el número de electrones libres emitidos por el cátodo será mayor. Del mismo modo, si se aplica menos cantidad de calor, la cantidad de electrones emitidos por el cátodo será menor.

La función de trabajo puede definirse como la cantidad mínima de energía necesaria para extraer los electrones del metal. Por lo general, los metales que incluyen menos función de trabajo necesitarán menos energía calorífica para producir los electrones libres. Por el contrario, los metales que incluyan funciones de trabajo elevadas necesitarán una gran cantidad de energía para producir los electrones libres.

Por tanto, la selección de un buen material mejorará la eficacia de la emisión de electrones. Los emisores termoiónicos más utilizados son el tungsteno, el tungsteno toriado y el cátodo recubierto de óxido.

Diagrama del circuito del diodo de vacío

A continuación se muestra el diagrama del circuito del diodo de vacío. Este circuito funciona en tres casos como el diodo con tensión directa, tensión inversa y sin tensión, donde cada circuito se explica a continuación.

Caso1: Tensión directa

A continuación se muestra el circuito del diodo de vacío con tensión directa. Una vez que se suministra calor al calentador, éste obtiene cierta energía térmica. Así, esta energía puede transmitirse al terminal catódico. Una vez que el flujo de electrones dentro del terminal del cátodo obtiene una gran cantidad de energía, entonces separan la unión del cátodo y se desplazan al vacío. El flujo de electrones dentro del vacío necesita suficiente energía cinética para llegar al ánodo.

Una vez que el suministro de tensión se proporciona al diodo de vacío de tal manera que el terminal del ánodo del diodo se da a un terminal positivo mientras que el cátodo se da a un terminal negativo, entonces los electrones libres dentro del vacío obtienen suficiente energía cinética para llegar al ánodo. Estos electrones transportarán la corriente mientras se transmiten desde el terminal del cátodo al ánodo.

Si se aumenta la tensión positiva aplicada al ánodo, también aumentan los electrones libres que son atraídos hacia el terminal del ánodo. Por tanto, la corriente eléctrica dentro del diodo aumenta por el aumento dentro del ánodo.

Caso 2: Tensión inversa

A continuación se muestra el circuito del diodo de vacío con tensión inversa. Una vez que se suministra la tensión al diodo de vacío, el terminal del ánodo del diodo se conecta al terminal negativo, mientras que el cátodo se conecta al terminal positivo. Así, los electrones fluyen dentro del vacío y obtienen suficiente energía cinética para llegar al ánodo. Pero el ánodo resiste a los electrones libres que intentan desplazarse hacia él.

Sabemos que si dos partículas cargadas se encuentran cerca la una de la otra, se repelen. Así que en esta condición, el terminal del ánodo está cargado negativamente y los electrones libres generados desde el cátodo también están cargados negativamente. Así, el ánodo repele los electrones emitidos por el cátodo. En consecuencia, hay un flujo de corriente dentro del diodo de vacío.

Caso 3: Sin tensión

A continuación se muestra el diagrama del circuito de un diodo de vacío sin tensión. Cuando no se da tensión al diodo de vacío, el ánodo se comporta como un neutro. Por tanto, no repele ni atrae a los electrones libres generados desde el cátodo. Así, los electrones libres generados desde el terminal del cátodo no se atraen ni se desplazan hacia el ánodo.

Por tanto, no hay flujo de corriente dentro del diodo de vacío. Sin embargo, el gran número de electrones libres producidos por el terminal del cátodo puede acumularse en una posición cercana al cátodo y formar una nube de electrones libres. Esta nube de electrones libres cerca del cátodo se conoce como carga espacial.

Diferencia entre tubo de vacío y transistor

El diferencia entre un tubo de vacío y un transistor incluye lo siguiente.

Tubo de vacío	Transistor
El tubo de vacío es un dispositivo electrónico que sirve para controlar el flujo de electrones en el vacío.	Un transistor es un tipo de dispositivo semiconductor utilizado para conducir y aislar la tensión o la corriente eléctrica.
Los tubos de vacío son aplicables en aplicaciones de alta potencia.	Los transistores son aplicables en los circuitos integrados que necesitan una alimentación de baja tensión.
El tamaño de los tubos de vacío es grande.	El tamaño del transistor es pequeño.
Tiene un alto consumo de energía, por lo que el desperdicio de calor es elevado.	Tiene un bajo consumo de energía, por lo que el desperdicio de calor es bajo.
En comparación con los transistores, su tamaño es grande.	Su tamaño es muy pequeño.
Los tubos de vacío son caros.	Los transistores no son caros.
Es menos apropiado para los productos portátiles.	Es simplemente un dispositivo portátil.
Utiliza una fuente de alimentación de alto voltaje, por lo que no es aplicable a dispositivos de menor voltaje.	Utiliza una fuente de alimentación de menor voltaje, por lo que es aplicable a dispositivos de menor voltaje.
Tiene menos ganancia de tensión.	Tiene una alta ganancia de tensión.
Su resistencia física es baja debido al tubo de vidrio.	Su resistencia física es alta.
La impedancia de entrada es baja.	La impedancia de entrada es alta.
Depende menos de la temperatura.	Depende de la temperatura.
El usuario puede sustituirlos fácilmente.	Estos no pueden ser sustituidos fácilmente por el usuario.

Características del diodo de vacío

El tamaño de la carga espacial depende principalmente de la emisión de electrones del cátodo durante la formación de la carga espacial. Además, la emisión de electrones depende principalmente de la temperatura a la que se calienta el cátodo. Por tanto, si la temperatura aumenta, la cantidad de carga espacial también puede aumentar. Por tanto, la tensión anódica necesaria para desactivar la carga espacial también será mayor.

Las características de un diodo de vacío varían a diferentes temperaturas. Así, en el diagrama anterior, podemos observar las características a diferentes temperaturas del cátodo. En las características anteriores, hemos mostrado sólo tres gráficos, uno de los cuales es para T^oC, >T^oC & < T^oC.

Una vez que la tensión en el ánodo aumenta gradualmente, el flujo de corriente del terminal del ánodo al cátodo se incrementa proporcionalmente. Como la carga espacial restringe la emisión desde el terminal del cátodo, el flujo de corriente aumenta proporcionalmente al disminuir la fuerza de la carga espacial.

En el diagrama anterior, la región limitadora de la carga espacial que se muestra se denomina zona de características. Una vez que esta zona ha desaparecido, la emisión de electrones se estabiliza y depende exclusivamente de la temperatura en el cátodo.

Aquí el flujo de corriente dentro del diodo de vacío se satura. Una vez que no hay tensión en el terminal del ánodo, no hay flujo de corriente en el circuito, pero el caso real no es similar.

Debido a la fluctuación estadística dentro de la velocidad, algún flujo de electrones llegará al ánodo aunque no haya suministro de tensión en el ánodo. Así que la pequeña cantidad de corriente causada por este suceso se denomina corriente de salpicadura.

Ventajas y desventajas

El ventajas de un diodo de vacío son las siguientes

• La calidad del sonido del diodo de vacío es mejor.
• Las características de estos diodos son extremadamente independientes de la temperatura.
• En comparación con los circuitos de transistores, el rango dinámico de este diodo es más amplio debido a las altas tensiones de funcionamiento y a la tolerancia a las sobrecargas.
• Estos circuitos son sencillos de diseñar.
• La capacitancia del dispositivo cambia ligeramente con las tensiones de la señal.

El desventajas del diodo de vacío incluyen las siguientes.

• Estos diodos son voluminosos, por lo que no son apropiados para dispositivos portátiles,
• En general, requieren tensiones de funcionamiento más altas.
• Consume más energía.
• En comparación con los transistores metálicos, los tubos de vidrio son delicados.
• El coste es elevado.

Aplicaciones

Las aplicaciones del diodo de vacío son las siguientes

• Se utilizan en radios, hornos microondas, televisores, primeros ordenadores, Bluetooth, teléfonos móviles, transmisiones Wi-Fi e incluso en dispositivos de comunicación por satélite y radar.
• Otros dispositivos de tubos de vacío son los tubos de rayos catódicos, los tubos de rayos X, los fotomultiplicadores y los magnetrones.

Por tanto, se trata de una visión general de un tubo de vacío diodo de vacío y su funcionamiento con aplicaciones. Este diodo simplemente permite el flujo de corriente del terminal del cátodo al ánodo, pero no lo permite del ánodo al cátodo. Así que este flujo eléctrico unidireccional permitirá al diodo actuar como un interruptor. Si el terminal del ánodo es positivo (+ve) con respecto al cátodo, el diodo funciona como un interruptor cerrado. Por el contrario, si el terminal del ánodo es (-Ve) con respecto al cátodo, entonces funciona como un interruptor abierto. Aquí tienes una pregunta, ¿cuál es un nombre alternativo para el diodo de vacío?