Valvola termoionica
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La valvola termoionica (o tubo a vuoto) è stato il primo componente elettronico "attivo" realizzato dall'uomo. Per "attivo" si intende un componente che, grazie ad una fonte esterna di energia, è in grado di innalzare la potenza di un segnale posto al suo ingresso. Il suo funzionamento di massima è semplice: la corrente passa fra due elettrodi: l'anodo ed il catodo, a seconda della tensione a cui sono posti e a seconda della tensione a cui sono poste alcune parti metalliche (griglie) frapposte ai due. Il catodo, terminale negativo, emette elettroni per effetto termoionico, cioè per riscaldamento.
Per essere precisi, poiché il flusso di corrente è dovuto agli elettroni e non a ioni, taluni definiscono il dispositivo valvola termoelettronica.
Sino agli anni Sessanta, tubi termoionici di vari tipi venivano impiegati in quantità in apparecchiature elettroniche quali ricevitori e trasmettitori radio, televisori ed in generale in tutti i tipi di amplificatori di segnali elettrici. Anche i primi calcolatori elettronici furono realizzati interamente mediante tubi termoionici.
Sebbene oggi i transistor, nelle loro varie forme e tipologie, abbiano soppiantato le valvole in quasi ogni applicazione, esse restano gli unici mezzi per amplificare segnali a potenze molto alte, dell'ordine del Kilowatt o ancora superiori, e per particolari apparati audio di alta fedeltà. Le valvole termoioniche possono essere vantaggiosamente impiegate al posto del transistor in presenza di esposizione a radiazioni ionizzanti poiché, a differenza dei primi, ne risultano immuni.
Un tubo a vuoto, il magnetron, è presente in ogni comune forno a microonde. Anche il tubo catodico dei televisori non è altro che un particolare tipo di tubo termoionico.
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[modifica] Principio di funzionamento
Il tubo termoionico è costruttivamente simile alla comunissima lampadina, ovvero non è altro che un involucro di vetro (in alcuni modelli è in metallo) nel quale è praticato il vuoto contenente un filamento metallico che viene portato all'incandescenza (tra i 1000 ed i 3000 gradi centigradi) facendogli passare attraverso una corrente elettrica. A differenza della lampadina però contiene uno o più elementi metallici (a forma di griglia o di schermi), collegabili dall'esterno. Il filamento metallico, o meglio un tubicino metallico che lo avvolge, è chiamato catodo, mentre l'elemento metallico più esterno è chiamato anodo. Eventuali elementi intermedi sono chiamati griglie di controllo.
Il principio di funzionamento del tubo termoionico è quello dell'emissione termoionica, per la quale ogni metallo, soprattutto se ad alte temperature, emette elettroni, che sono cariche elettriche elementari di segno negativo. Ora se il catodo è polarizzato negativamente rispetto all'anodo, ovvero se il catodo è collegato al polo negativo di una batteria e l'anodo a quello positivo, si stabilirà un flusso di elettroni, ovvero una corrente elettrica, tra il catodo e l'anodo (questo perché gli elettroni negativi vengono attratti dall'anodo). Se la polarizzazione è quella contraria, invece, nessuna corrente elettrica passerà tra catodo ed anodo, perché in tal caso l'anodo respingerà gli elettroni. Il risultato è quello di un dispositivo in grado di far passare solo la corrente in un senso, detto rettificatore oppure diodo.
Nei primi tipi di valvola, il catodo era a riscaldamento diretto, ossia il catodo era costituito dal filamento stesso. Successivamente il sistema venne abbandonato, visti i problemi legati alla necessità di poter far lavorare i catodi a tensioni diverse (vedi valvole multiple, doppi triodi, triodi-pentodi). Il compito di scaldare il catodo è oggi affidato universalmente a un filamento in tutto e per tutto simile a quello delle lampadine a bassa tensione, inserito all'interno di un tubetto in lega di nichel rivestito di elementi che favoriscono l'emissione elettronica (ossidi di bario e stronzio), che costituisce il catodo. Questa soluzione, detta a riscaldamento indiretto, consente inoltre di alimentare i filamenti di differenti valvole di una apparecchiatura con una fonte comune, solitamente un avvolgimento secondario apposito di un trasformatore. Il collegamento tra i diversi filamenti può essere in serie o in parallelo.
Se tra catodo ed anodo viene posta una griglia metallica, è intuitivo che se questa è polarizzata positivamente rispetto al catodo, ma meno dell'anodo, gli elettroni emessi dal catodo vi saranno attratti e quindi passeranno attraverso le maglie della griglia per raggiungere l'anodo. Contrariamente, se la griglia è polarizzata negativamente, questa respingerà gli elettroni provenienti dal catodo. Pertanto applicando una tensione variabile tra catodo e griglia, si otterrà un passaggio di corrente tra catodo ed anodo che seguirà, amplificandolo, l'andamento del segnale alla griglia. L'effetto risultante è quello di un'amplificazione di corrente ed un tubo termoionico siffatto si dice triodo.
Il triodo e le sue varianti (tetrodo, pentodo, eptodo, ecc. così chiamati all'aumentare delle griglie di controllo) sono stati i primi dispositivi elettronici fondamentali per l'amplificazione dei segnali elettrici, agli albori dell'elettronica, compiendo quelle funzioni oggi quasi interamente realizzate dai transistori.
[modifica] Cenni storici e curiosità
L'effetto dell'emissione termoionica di elettroni da parte di metalli portati all'incandescenza, era già stato scoperto in Inghilterra nel 1873 e fu quindi studiato attentamente dall'inglese Owen Richardson (1879-1959) che per questo ricevette nel 1928 il Premio Nobel. Fu un altro inglese, John Ambrose Fleming (1849-1945) che inventò il diodo nel 1904 ed un inventore americano, Lee DeForest (1873-1961) ad inventare il triodo nel 1906. Guglielmo Marconi (1874-1937) fu tra i primi a riconoscere l'importanza dei tubi termoionici ed a farne uso nei suoi apparati rice-trasmittenti.
Durante la seconda guerra mondiale furono realizzati tubi termoionici per applicazioni militari, miniaturizzati e contenuti in involucri di metallo, più robusti e che potevano sostenere urti notevoli. Radio rice-trasmettitori e strumentazione elettronica utilizzanti questo tipo di tubi termoionici furono impiegati dagli americani anche nella guerra del Vietnam, si chiamava Nuvistor, l'ultima versione del tubo termoionico prima della definitiva obsolescenza.
L'ENIAC, il primo calcolatore interamente elettronico, funzionava per merito di 17468 tubi termoionici (equivalenti ad altrettanti transistor) ed utilizzava 160kW di potenza elettrica praticamente solo per tenerli accesi (pari alla potenza richiesta da 80 forni elettrici di tipo domestico). Il computer che state usando contiene miliardi di transistori e consuma più o meno un millesimo di quella potenza.
In rari casi, come ad esempio in alcuni sofisticati amplificatori audio stereofonici ad alta fedeltà o in alcuni oscilloscopi a doppia traccia degli anni 60, nei quali i segnali da trattare sono due, ed entrambi da amplificare in ugual misura, la sostituzione dei tubi viene effettuata in coppia, ovvero con due tubi selezionati, forniti dallo stesso costruttore dell'apparecchiatura.
[modifica] Tipi di valvole termoioniche
Per quanto siano stati impiegati migliaia di tubi di tipi differenti, si classificano gli stessi a seconda del numero di elementi elettrici attivi che contengono. Il tubo detto diodo ha, ad esempio, due elettrodi, quello detto triodo ne ha tre, il tetrodo quattro, il pentodo cinque elettrodi. Si adoperano i diodi come raddrizzatori. Si utilizzano gli altri essenzialmente per amplificare i segnali elettrici.
[modifica] Diodo
L'anodo è polarizzato con un potenziale positivo, mentre il catodo con uno negativo. Il catodo, riscaldato da un apposito filamento, emette elettroni, che sono particelle di carica negativa. Quando l'anodo è polarizzato positivamente si avrà che gli elettroni emessi dal catodo vengono raccolti dall'anodo, creando così un flusso di cariche ovvero una corrente elettrica. Se polarizzassimo il catodo positivamente e l'anodo negativamente non riusciremmo più ad ottenere un flusso di cariche dal momento che gli elettroni emessi da catodo verrebbero respinti dal campo negativo dell'anodo. Il tubo permette quindi alla corrente di scorrere solamente lungo un verso, e permette quindi il raddrizzamento elettrico. Nei tubi a potenza più bassa il catodo e il filamento sono elettrodi indipendenti e isolati elettricamente; Il filamento riscalda il catodo e quest'ultimo emette gli elettroni coinvolti nella conduzione (vedi fig. 1).
[modifica] Triodo
Aggiungendo una griglia tra il catodo e l'anodo, come fece per primo Lee de Forest nel 1907, si ottiene il triodo (vedi fig. 2).
La griglia, che è generalmente costituita da un filo avvolto a spirale o da una rete interposta nello spazio intorno al catodo, è in grado, opportunamente polarizzata, di controllare il flusso di elettroni tra catodo ed anodo: polarizzata negativamente rispetto al catodo, questa respinge gli elettroni del flusso tanto più quanto più è polarizzata negativamente, fino alla tensione di cut-off in cui la corrente è zero. Quindi, variando la tensione della griglia si può controllare il flusso di corrente fra anodo e catodo, da zero fino al massimo che la valvola consente (punto di saturazione). Una piccola variazione di tensione sulla griglia provoca una notevole variazione della corrente anodo-catodo, ottenendo una amplificazione.
I triodi sono usati principalmente per l'amplificazione audio a basso livello (preamplificazione). Non vengono usati in radiofrequenza per le elevate capacità parassite che presentano, specie quella tra griglia ed anodo. Sebbene questa capacità sia di pochi picofarad, questa viene riflessa in una capacità effettiva uguale alla capacità reale moltiplicata per il guadagno dell'amplificatore, per effetto Miller, e viene vista come capacità d'ingresso. Tale capacità riduce notevolmente il guadagno alle alte frequenze.
[modifica] Tetrodo
Per poter disporre di valvole capaci di amplificare anche segnali in alta frequenza, nel 1927 venne costruito il tetrodo. Ponendo una seconda griglia collegata a massa (la griglia schermo) tra la griglia controllo e l'anodo, si ottiene uno schermo elettrostatico che diminuisce la capacità tra anodo e griglia controllo. Tuttavia, anziché a massa, la griglia schermo va collegata ad una tensione derivata dall'anodica mediante un partitore di resistenze, perché altrimenti agirebbe come una seconda griglia controllo: la si collega a massa tramite un condensatore di bypass. In questo modo il tetrodo permette anche amplificazioni a radiofrequenza, ma introduce nel segnale una certa distorsione per il fenomeno della emissione secondaria, cioè l'emissione dall'anodo di elettroni estratti dall'impatto di quelli, accelerati, provenienti dal catodo.
Questo effetto è presente in tutte le valvole, ma solo nel tetrodo, con la griglia schermo molto vicina all'anodo, costituisce un problema. Una possibile soluzione è usare armature focalizzanti che concentrino gli elettroni anodici e impediscano loro di colpire la griglia schermo: queste valvole furono chiamate tetrodi a fascio e sono state molto usate negli stadi di uscita degli amplificatori audio fino agli anni ‘60.
Il tetrodo a fascio 807 ne è l'esempio più efficace.
[modifica] Pentodo
Il pentodo è, essenzialmente, un tetrodo con una griglia in più, la griglia di soppressione; questa ha lo scopo di ridurre l'emissione secondaria e la conseguente distorsione. La terza griglia viene normalmente collegata al catodo, in genere con un collegamento interno alla valvola, che quindi spesso ha lo stesso numero di piedini del tetrodo.
Il pentodo è un vero e proprio punto d'arrivo nello sviluppo della valvola: alta amplificazione, larga banda, bassa distorsione, buona linearità. I pentodi si trovano negli stadi a radiofrequenza e a media frequenza di un ricevitore, ma anche negli amplificatori d'uscita. Il difetto principale del pentodo è un maggiore livello di rumore introdotto nel segnale in uscita, che lo rende inadatto per i primi stadi di amplificazione o quando è necessaria una amplificazione molto elevata.
[modifica] Altri tipi di valvole
Oltre al pentodo sono stati sviluppati molti altri tipi di valvola, con un sempre maggior numero di griglie e dedicati alle applicazioni più disparate. Queste valvole vengono chiamate genericamente valvole multigriglia (esodi, eptodi, ottodi ecc.): spesso sono usate nel convertitore di frequenza degli apparecchi supereterodina. Inoltre visto il ricorrere di alcuni schemi di uso delle valvole, i costruttori producono molti modelli di valvole multiple, con due valvole diverse nello stesso corpo di vetro, per risparmiare spazio e complessità.
Altra classe di valvole sono le valvole elicoidali, il cui funzionamento, anziché sul controllo del passaggio di elettroni tramite griglie è basato sulla corsa parallela degli elettroni nel fascio con la tensione elettrica in un filo elicoidale avvolto attorno ad esso, e sono usate per amplificare segnali radio nel campo delle microonde.
Anche il magnetron, usato in tutti i forni a microonde è una valvola. Il suo particolare funzionamento gli consente di oscillare su una frequenza fissa (nel campo delle microonde) e di erogare una considerevole potenza, rispetto alle sue dimensioni.
Trovano impiego in particolare nell'elettronica industriale tubi il cui funzionamento dipende da un gas contenuto nel bulbo, come i tubi dei regolatori di tensione e i thyratron. Tuttavia non sono valvole termoioniche, anche se spesso sono chiamati con il termine tubo elettronico, così come avviene per i tubi a vuoto.
Tubi con la funzione di indicatori ottici sono i display Nixie e l'occhio magico, quest'ultimo utilizzato come indicatore di sintonia nelle radio più antiche.
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[modifica] Voci correlate
- Transistor
- Magnetron
- Klystron
- Travelling wave tube
- Tubo radiogeno
- Codifica delle valvole termoioniche
