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AMPLIFICADORES DE ALTA
POTENCIA DE RF
CON VALVULAS ELECTRONICAS
Constantino Prez Vega
Departamento de Ingeniera de Comunicaciones
2008
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Universidad de Cantabria Dpto. de Ingeniera de Comunicaciones Amplificacin de Alta Potencia de RF con Vlvulas Constantino Prez Vega - 2006
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INCE DE CONTENIDOS
I. Generalidades
Introduccin. 1
1. Consideraciones preliminares: Combinacin de potencia. 2
2. Conceptos fsicos relacionados con las vlvulas electrnicas. 5
3. Algunas consideraciones en el diseo de las vlvulas de vaco. 15
4. Diodos. 16
II. Tubos de Rejilla. 17
5. Triodos. 17
6. Trodos planos. 26
7. Tetrodos. 27
8. Diacrodos. 32
9. Pentodos. 36
III.Tubos de haz electrnico. 36
10. Klystron. 36
11. Klystron de colector escalonado. 41
12. Figura de Mrito. 43
13. Tubos de salida inductiva (IOT). 43
14. Principio de funcionamiento del IOT. 45
15. Circuito de entrada del IOT. 49
16. Consideraciones sobre el funcionamiento del ctodo. 50
17. IOT de colector escalonado. 53
18. Empleo de klystrons e IOTs en transmisin analgica y digital. 55
19. Tubos de onda progresiva (TWT). 55
20. TWT de cavidades acopladas. 60
IV. Tubos de Campo Cruzado. 62
21. Magnetrn. 63
22. Magnetrn coaxial. 66
23. Amplificadores de Campo Cruzado (CFA). 67
V. Consideraciones Trmicas. 70
24. Mtodos de enfriamiento. 71
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AMPLIFICACION DE ALTA
POTENCIA DE RF CON
VALVULAS ELECTRONICAS
I. GENERALIDADES
Introduccin
Trataremos aqu algunos temas relacionados con los amplificadores de potencia empleados
en aplicaciones de RF, en particular, transmisores de alta potencia, tales como los utilizados
en sistemas de radiodifusin tanto sonora como de televisin, sistemas de comunicaciones
por satlite y algunas otras aplicaciones como radar, medicina y calentamiento industrial por
mencionar slo algunas.
El tratamiento aqu se centra principalmente en las aplicaciones de las vlvulas de vaco1 a
los amplificadores de alta potencia y conviene aqu intentar definir lo que entenderemos por
alta potencia ya que trminos alta y baja potencia son ambiguos si no se especifican va-
lores numricos. Aqu consideraremos como alta potencia a aqulla superior a unos 100 w.
Actualmente parece abundar la opinin de que las vlvulas o tubos electrnicos son ya pie-
zas de museo y no se utilizan. Efectivamente, los tipos de vlvulas para manejo de seales a
potencias pequeas que se utilizaron extensamente en todos los circuitos electrnicos hasta
el advenimiento de los transistores y otros dispositivos de estado slido, han dejado de usar-
se por completo y, aunque vuelven a utilizarse en algunos casos aislados como ciertos ampli-
ficadores de sonido, puede afirmarse que efectivamente no encuentran aplicacin en casi
ningn equipo profesional o de consumo. Sin embargo, hay numerosas aplicaciones en la
vida cotidiana que pasan desapercibidas y en que las vlvulas electrnicas continan des-
empeando un papel muy importante. Baste mencionar nicamente dos aplicaciones: los
tubos de rayos catdicos que constituyen la pantalla de televisores y monitores de computa-
dora y los hornos de microondas.
En sistemas de comunicaciones, cierto tipo de vlvulas continan emplendose ampliamen-
te, sin que se vislumbre un futuro cercano en que puedan ser substituidas por componentes
de estado slido. Entre ellas, los tubos de onda progresiva (TWT) en los amplificadores de
los transpondedores de la mayora de los satlites, los magnetrones utilizados extensamente
en radares y los diversos tipos de tubos amplificadores de potencia en los transmisores de
radio y televisin. En los terrenos cientfico, industrial y mdico las vlvulas electrnicas se
emplean, por ejemplo, en aceleradores de partculas, sistemas de calentamiento industrial y
aparatos de rayos X.
1 Los trminos vlvula de vaco y tubo de vaco se emplean aqu indistintamente
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El estudio de los dispositivos electrnicos al vaco, salvo casos aislados, ha sido prcticamen-
te eliminado de la mayora de los planes de estudio actuales y la mayor parte de los estu-
diantes desconocen por completo tanto los principios fsicos como las aplicaciones actuales
de estos dispositivos. Por ello, es conveniente dedicar, aunque slo sea de forma descriptiva
y relativamente superficial, un breve tiempo al estudio de las vlvulas amplificadoras de
potencia.
1. Consideraciones preliminares: Combinacin de potencia
Factores muy importantes a considerar en el diseo de amplificadores de potencia son, ade-
ms de la potencia de salida propiamente dicha, la ganancia y el ancho de banda en que debe
funcionar. Supngase, por ejemplo, que la potencia de salida deseada es de 400 w y que la
potencia de entrada es de 20 w. La ganancia del amplificador debe ser de 20 (13 dB) El pro-
ducto de la ganancia por el ancho de banda es constante para un amplificador dado. Si con-
sideramos el ancho de banda de una seal de voz modulada en amplitud, el ancho de banda
total es cuando ms, de unos 10 kHz, el producto GBW es igual a 2105. Si ese amplificador
se quisiera usar para seales de televisin moduladas con vestigio de banda lateral y con un
ancho de banda total de 8 MHz, la mxima ganancia que se obtendra sera de 0.025 (-16 dB).
Supongamos ahora un amplificador como el ilustrado en la figura 1, constituido por cuatro
amplificadores, cada uno de 13 dB ganancia conectados en la forma mostrada y que el divi-
sor y los combinadores son ideales y, adems que todas las seales se suman en fase.
Combinador2 x 1
Combinador2 x 1
Combinador2 x 1
Divisor1 x 4
20 W
5 W 100 W
200 W
400 W
5 W
5 W
5 W
100 W
100 W
100 W200 W
Amp.
Amp.
Amp.
Amp.
Fig. 1. Combinacin de potencia.
Si quisiramos utilizar el mismo esquema para la seal de televisin la ganancia total del
bloque anterior sera nicamente de 0.025, con lo que la potencia de salida sera slo de 0.5 w
y seran necesarios una gran cantidad de bloques iguales al de la figura 1 para conseguir 400
w de salida.
Podra pensarse que no es necesario utilizar cuatro amplificadores y tres combinadores para
conseguir 400 W de salida, cuando bastara un solo amplificador de 13 dB para obtener esa
potencia con la misma entrada de 20 W. Esto puede hacerse si se emplea un amplificador con
una vlvula de vaco, ya que una sola vlvula es capaz de suministrar esa potencia y ms,
pero en general no puede hacerse con transistores, ya que en la prctica, los transistores ms
utilizados como amplificadores de potencia no suelen producir potencias superiores a unos
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100 W y por ello es necesario combinar sus salidas en forma similar a la de la figura anterior.
Este es un aspecto que debe tenerse en cuenta al utilizar dispositivos de estado slido como
amplificadores de potencia.
En el caso del ejemplo anterior, las seales de los cuatro amplificadores se combinan en para-
lelo. Esa combinacin debe hacerse de modo tal que las seales sean exactamente de la mis-
ma frecuencia y fase. En otras palabras, todas las seales a combinar deben ser coherentes.
Aunque las seales a la salida de los amplificadores sean exactamente de la misma frecuen-
cia, si entre ellas hay diferencias de fase la potencia de la combinacin resultante ser menor,
dependiendo de la magnitud del defasamiento. Esto se ilustra en la figura 2 y es un aspecto
muy importante en el diseo de estos sistemas, en que lo que se pretende es conseguir la
mxima potencia posible.
Seales en fase
Seales con distinta fase
Fig. 2. Efecto del defasamiento entre seales combinadas,
cada una con amplitud de 2 V.
Supngase el combinador de la figura 3, al que se aplican dos seales cuyas potencias son,
respectivamente 10 dBm y 7 dBm y se desea conocer el voltaje y potencia a la salida del com-
binador, (a) si las seales son coherentes y (b) si no lo son. Las impedancias, tanto para las
dos entradas como para la salida, son de 50 .
10 dBm
7 dBm50
W0V0
50
Fig. 3. Combinador de dos entradas.
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a) Seales coherentes (suma de voltajes)
W1 = 10 dBm 10 mw = 0.01 w.
1 1 0.01 50 0.707V W Z V= = =
W2 = 7 dBm 5 mw = 0.005 w.
2 2 0.005 50 0.5V W Z V= = =
V0 = V1 + V2 = 1.207 V
2
00 0.0291
VW wZ
= = 14.64 dBm
b) Seales no coherentes (suma de potencias2).
W1 = 10 dBm 10 mw = 0.01 w.
W2 = 7 dBm 5 mw = 0.005 w.
W0 = W1 + W2 = 15 mw 11.76 dBm
La diferencia entre un caso y otro es evidente.
Ahora bien, qu pasa cundo se tienen seales incoherentes?. Un ejemplo sencillo es el de
una antena de televisin por la que se transmiten simultneamente dos canales o programas
diferentes, por ejemplo uno ocupando un ancho de banda de 600 a 608 MHz y otro de 620 a
628 MHz. Evidentemente estas seales no tienen las mismas frecuencias ni fases y son, por
consecuencia, no coherentes. La potencia entregada a la antena es la suma de las potencias de
cada una y la potencia radiada por la antena ser igual a la potencia recibida por la antena,
multiplicada por la ganancia de sta.
Otro aspecto importante, sobre todo en transmisores de alta potencia, particularmente de
radiodifusin sonora y televisin en las diferentes bandas de frecuencias, desde MF (300 a
3000 kHz), onda corta o HF (3 a 30 MHz), VHF y UHF, es la eficiencia de los amplificadores y
de los transmisores en su totalidad. En el caso de un amplificador la eficiencia es la relacin
entre la potencia til de seal a la salida y la potencia de c.c. suministrada por la fuente de
alimentacin. La eficiencia total del transmisor est dada por la relacin entre la potencia til
de seal entregada a la antena y la potencia suministrada por la red de energa elctrica a la
entrada de la subestacin3. De manera similar, la eficiencia es un factor muy importante en
2 Es muy importante recordar que la suma de potencias se realiza en unidades fundamentales, watts o miliwatts y no en unidades
logartmicas que equivale a la multiplicacin en unidades fundamentales. 3 Una definicin alternativa puede tomar la potencia radiada por la antena en lugar de la potencia entregada a sta por la lnea
de transmisin. Aqu hemos preferido la potencia entregada a la antena, porque incluye todas las prdidas reales por calenta-
miento, desacoplamientos, etc. que inciden directamente en el costo del consumo de energa elctrica.
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los amplificadores a bordo de satlites u otros vehculos espaciales y an en la duracin de
las bateras de los telfonos mviles.
La lgica convencional indica que un sistema digital es, por definicin, de estado slido y
excluye a las vlvulas de vaco. Con respecto a los circuitos lgicos, de control, generacin y
procesado de seal, la lgica convencional es correcta. Con relacin a los circuitos de alta
potencia la situacin es discutible. Los MOSFETs pueden considerarse como interruptores
proporcionales, lo mismo que los tetrodos, klystrons y otras vlvulas de desarrollo reciente
como los diacrodos y los IOTs. No hay nada intrnsecamente digital en un dispositivo ampli-
ficador de estado slido. Los MOSFET han sido utilizados en transmisores analgicos mucho
antes de que fuera factible el desarrollo de equipos de transmisin digital, y es conveniente
enfatizar algunas de las caractersticas ms importantes de los semiconductores, que los
hacen atractivos en los equipos de transmisin. Entre ellas pueden mencionarse:
Funcionamiento a voltajes bajos que reduce el riesgo de arcos elctricos y ofre-
ce ciertas ventajas desde el punto de vista de diseo de las fuentes de alimen-
tacin.
Degradacin suave de la potencia en caso de fallos, gracias a la aplicacin de
redundancia en el diseo de los circuitos.
Sistemas de refrigeracin ms simples, basados siempre en aire forzado, que
evitan la necesidad de utilizar condensadores de vapor u otros dispositivos de
diseo y mantenimiento relativamente ms complejo.
Configuraciones de circuito ms eficientes, a pesar de su mayor complejidad.
Por otra parte, entre los incovenientes pueden mencionarse:
Necesidad de combinar las salidas de numerosos amplificadores para conseguir po-
tencias elevadas.
Necesidad de proteger los circuitos contra relaciones de onda estacionaria elevadas.
Los transistores se daan fcilmente si la potencia reflejada es significativa, no as las
vlvulas.
2. Conceptos fsicos relacionados con las vlvulas electrnicas.
Una vlvula o tubo electrnico es un dispositivo compuesto por un cierto nmero de elec-
trodos contenidos en un recipiente al vaco. Aunque tambin existen vlvulas electrnicas de
atmsfera gaseosa, como vapor de mercurio, nen, etc., aqu trataremos nicamente las de
vaco. La utilidad de las vlvulas de vaco radica en su capacidad para conducir corriente
elctrica, cuya magnitud puede controlarse por los voltajes aplicados a sus electrodos. La
operacin de todos los tipos de tubos electrnicos, como su nombre lo indica, depende del
movimiento de electrones en su interior. Repasaremos a continuacin algunas definiciones
por si acaso se han olvidado.
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Electrn volt (eV). Es la energa ganada por un electrn acelerado a travs de un potencial de 1 volt y equivale a 1.6 10-19 J.
Potencial de excitacin. Es la energa, expresada en eV, que debe proporcionarse a un to-mo o molcula para producir una transicin de un estado dado a otro de mayor energa in-
terna.
Potencial de ionizacin. Es la menor energa, expresada en eV, que debe proporcionarse a un tomo o molcula bien sea en estado normal o excitado, para liberar un electrn. Como
todos lo tomos, excepto el de hidrgeno, tienen ms de un electrn, un tomo o molcula
puede tener, en general, ms de un potencial de ionizacin. El primer potencial de ionizacin
se refiere a la liberacin de un electrn de un tomo o molcula en estado normal. El segun-
do potencial de ionizacin se aplica al caso de liberar un electrn de un tomo o molcula
que ya ha perdido un electrn, etc. La ionizacin puede tambin producirse por la liberacin
de dos o ms electrones simultneamente. Cuando los potenciales de ionizacin o excitacin
se expresan en electrn volts, indican el voltaje mnimo que debe aplicarse entre dos electro-
dos para causar la ionizacin como resultado de la aceleracin de los electrones u otras part-
culas cargadas, debido al campo producido entre los electrodos.
Ionizacin. En general, un ion es una partcula elemental, o un grupo de partculas, con car-ga elctrica total positiva o negativa. Los tomos o molculas que han perdido o capturado
uno o ms electrones adquieren una carga neta positiva o negativa, segn el caso y constitu-
yen iones. El caso ms simple es un ion negativo, formado por un electrn libre. El proceso
de ionizacin puede ocurrir en gases, slidos o lquidos y puede ocurrir por diversas causas
entre las que se encuentran:
a) Colisin de tomos o molculas con electrones, tomos o molculas excitadas u
otros iones.
b) Colisin de tomos o molculas con fotones (efecto fotoelctrico).
c) Radiacin csmica.
d) Altas temperaturas en gases o vapores.
e) Accin qumica.
Una de las causas ms importantes de ionizacin en los tubos electrnicos es la colisin de
electrones rpidos con tomos o molculas. Para que un electrn pueda ionizar a un tomo o
molcula, su energa cintica debe ser por lo menos, igual al primer potencial de ionizacin
del tomo o molcula con la que choca. En gases o vapores tambin se produce ionizacin
cuando se bombardean con electrones cuya energa corresponde al primer potencial de exci-
tacin.
Carga de espacio. Un grupo de cargas libre en el espacio constituye una carga de espacio o carga espacial. Si la carga es nicamente de un signo (+ o -), o si un signo predomina sobre el
otro, la carga produce un campo electrosttico y la relacin entre la carga neta contenida en
un cierto volumen y la intensidad del campo elctrico producido est dada por la ley de
Gauss.
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El movimiento de una carga espacial da lugar a una corriente espacial, cuya densidad es
igual al producto de la densidad volumtrica de carga por la velocidad normal al rea. Con-
vencionalmente se toma como direccin de la corriente elctrica la de las cargas positivas.
Electrones libres en metales. En los metales, los electrones estn, por lo general, dbilmente ligados a los tomos y, en slidos o lquidos, pueden pasar fcilmente de un tomo a otro.
Estos electrones libres estn en continuo movimiento en la masa metlica y, an cuando en
un instante determinado puedan estar ligados dbilmente a un tomo particular, en prome-
dio no experimentan ninguna fuerza en alguna direccin especfica. Son estos electrones li-
bres quienes hacen posible la conduccin elctrica en los metales y desempean un papel
fundamental en la emisin termoinica.
Cuando, como consecuencia de su movimiento aleatorio, un electrn se escapa de la superfi-
cie metlica, induce en sta una carga imagen positiva que tiende a atraerlo de nuevo al in-
terior. Para que un electrn pueda efectivamente escapar del metal debe ceder una parte de
su energa cintica para vencer esa fuerza. Esta energa cintica que pierde el electrn para
alejarse lo suficiente de los efectos de la fuerza imagen se designa como funcin de trabajo y es
distinta para diferentes materiales. De hecho la funcin de trabajo se define como la energa
mnima necesaria para liberar a un electrn del nivel de Fermi4 de la superficie de un metal
hasta el infinito y se expresa en electrn volts. En la tabla I se dan algunos valores represen-
tativos de la funcin de trabajo en eV para varios metales.
Tabla I. Funcin de trabajo en electrn volts para diversos metales
Tungsteno 4.52
Platino 5.0
Tantalio 4.1
Molibdeno 4.3
Plata 4.1
Bismuto 3.7
Hierro 3.7
Zinc 3.4
Aluminio 3.0
Calcio 3.4
Litio 2.35
Titanio 2.4
Carbn 4.5
Cobre 4.0
Torio 3.0
Magnesio 2.7
Nquel 2.8
Sodio 1.82
4 El nivel de Fermi es el nivel de energa al que la funcin de distribucin estadstica de Fermi-Dirac, para un conjunto de part-
culas es igual a . Tambin se designa como energa de Fermi.
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Mercurio 4.4
Calcio 2.5
Bario 2.0
Tungsteno toriado 2.63
Oxido de nquel 0.5a 1.5
Potencial de contacto. Es la diferencia de potencial que se produce entre las superficies de
dos metales, bien sea en contacto o conectados a travs de un circuito externo y es conse-
cuencia de las diferentes funciones de trabajo de los metales. Es aproximadamente igual a la
diferencia entre las funciones de trabajo, dividida por la carga electrnica. Como puede apre-
ciarse de la tabla I, los potenciales de contacto pueden ser del orden de 1 a 4 volts y es nece-
sario tenerlas en cuenta cuando los voltajes aplicados son pequeos o cuando se requiere
gran precisin en el anlisis del comportamiento de un dispositivo.
Emisin de electrones u otros iones en slidos. Los slidos, y tambin los lquidos, pueden emitir electrones o iones en alguna de las formas siguientes:
a) Emisin termoinica.
b) Emisin fotoelctrica.
c) Emisin secundaria.
d) Emisin por campo.
e) Desintegracin radioactiva.
Emisin termoinica. Es el proceso fundamental en las vlvulas electrnicas y la teora de la emisin de electrones por cuerpos calientes se debe en buena parte a Richardson en 1901 y se
basa, en muchos aspectos, en la termodinmica y la teora cintica de los gases. El calor que
posee un metal, se supone consecuencia del movimiento aleatorio de molculas, tomos y
electrones. Como resultado de las colisiones entre electrones, y entre stos y tomos o mol-
culas, la velocidad y direccin de los electrones cambia continuamente y hace que algunos de
ellos incidan sobre la superficie interior del metal. Si la magnitud y direccin de la velocidad
de algunos electrones es tal que su energa cintica sea igual o mayor que la funcin de traba-
jo, estos electrones escaparn del metal. El nmero de electrones que alcanzan la superficie
por unidad de tiempo, con una componente de velocidad normal a aqulla y con energa
igual o mayor a la funcin de trabajo, es proporcional a la porcin de todos los electrones
libres en el metal con tales velocidades. A temperatura ambiente el nmero de electrones que
escapan de un metal es sumamente bajo y no es posible detectar ninguna emisin significati-
va.
Si aumenta la temperatura del metal, aumenta tambin el nmero de electrones libres, su
velocidad media y por tanto, su energa cintica. La posibilidad de escapar de la superficie
metlica aumenta en consecuencia y es posible observar fenmenos de emisin termoinica a
temperaturas del orden de 1000 K. Si en una ampolla al vaco se coloca un segundo electrodo
que acte como colector o nodo a temperatura ambiente y, entre ste y el emisor o ctodo
se conecta externamente un galvanmetro, en la forma que se muestra en la figura 4, se pue-
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de medir una pequea corriente entre los dos electrodos, como consecuencia de la difusin
de electrones trmicos en el interior de la ampolla. En el circuito de la figura 4 el ctodo es
calentado por un filamento alimentado por una fuente externa y entre el nodo y el ctodo
no se aplica ningn voltaje.
Emisortermoinico (ctodo)
Colector(nodo)
Galvanmetro
Calefactor
Ampolla al vaco
Fig. 4. Deteccin de la emisin termoinica sin aplicacin
de voltaje al nodo (colector).
Los electrones que llegan al nodo vuelven al ctodo por el circuito externo y evitan que se
cargue positivamente. Estos electrones son solamente una pequea fraccin de los emitidos
por el ctodo, que se mantienen en su cercana formando una nube electrnica. Este fenme-
no fue observado inicialmente por Edison y se le designa como efecto Edison.
Si se aplica un voltaje positivo al nodo insertando una fuente en el circuito externo en serie
con el galvanmetro, se producir en el interior del tubo un campo elctrico que atraer ms
electrones de la cercana del ctodo y, por consecuencia, la corriente que registrar el galva-
nmetro ser mayor. Tal es el principio del diodo en el que se tienen solamente dos electro-
dos. Si se aumenta gradualmente el voltaje positivo del nodo, la corriente aumentar hasta
un punto en que prcticamente todos los electrones emitidos por el ctodo emigran de ste y
son capturados por el nodo. Esta corriente se designa como corriente de saturacin y el voltaje
de nodo necesario para alcanzarla, como voltaje de saturacin. La corriente de saturacin de-
pende de la temperatura del ctodo y de su funcin de trabajo.
Solamente los electrones con suficiente energa cintica pueden escapar del metal del ctodo,
por lo que la emisin termoinica da lugar a que se reduzca la energa cintica de los restan-
tes tomos en el metal y, por consecuencia, disminuye su temperatura. Por ello, el calenta-
miento del ctodo debe mantenerse de forma continua para evitar que se reduzca la tempe-
ratura como resultado de la emisin.
Un ctodo, utilizado como emisor termoinico debe satisfacer dos requisitos: alta eficiencia
de emisin y vida til larga. La eficiencia alta de emisin se consigue con metales de baja
funcin de trabajo y la vida til, manteniendo la temperatura del ctodo suficientemente
alejada del punto de fusin o de evaporacin del metal.
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Efectos de la carga de espacio. La teora desarrollada por Richardson y Dusham proporciona
la densidad de corriente electrnica debida a la emisin termoinica como
TkW
s eTAJ
=2 (1)
donde: Js = Corriente de emisin en A/cm2.
A = Constante que depende del material emisor, cuyo valor es del orden de 2.
T = Temperatura en kelvins.
k = Constante de Boltzmann (1.3810-23 J/K).
W = Funcin de trabajo.
b1 = Constante que depende de la naturaleza de la superficie emisora y que da una
medida del trabajo que debe realizar un electrn para escapar de la superficie
emisora.
La ecuacin anterior asume que la intensidad de campo elctrico es cero en la superficie del
ctodo y, si se supone un metal para el que A = 2 y W = 1 eV (1.6 10-19 J) se tiene la curva
mostrada en la figura 5.
Fig. 5. Densidad de corriente debida a la emisin termoinica
en funcin de la temperatura del emisor
Conviene notar que la emisin termoinica no es significativa para temperaturas inferiores a
unos 1000 K. Si la funcin de trabajo del metal es mayor a 1 eV la curva se desplaza a la dere-
cha.
La ecuacin de Richardson-Dusham asume que la intensidad de campo elctrico en la super-
ficie del ctodo emisor es cero. Si los electrones se acumulan en el exterior del ctodo y cerca
de su superficie, forman una nube de carga negativa que puede desplazarse hacia un segun-
do electrodo positivo. Como consecuencia de ese desplazamiento, las condiciones del campo
elctrico en la superficie del ctodo cambian. Langmuir encontr que si el voltaje aplicado al
nodo no es suficientemente alto, el aumento indefinido de la temperatura del ctodo no
produce un aumento indefinido de corriente, sino que para cada voltaje particular del nodo
se alcanza una regin de saturacin, como se ilustra en la figura 6.
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Richardson-Dusham
V2 > V1
Voltaje de nodo, V1
Temperatura
Corriente de nodo
Fig. 6. Saturacin de la corriente de nodo debida al efecto de la carga de espacio.
Se obtienen curvas similares para la corriente de nodo en funcin del voltaje de nodo a
temperatura constante
Emisin secundaria. Adems de la emisin termoinica hay dos tipos de emisin que inter-vienen de manera importante en el funcionamiento de los tubos electrnicos, con frecuencia
con efectos indeseables: la emisin secundaria y la emisin por campo. En algunos tubos,
como los multiplicadores electrnicos se aprovecha la emisin secundaria, pero en el caso de
las vlvulas de transmisin, es generalmente indeseable.
La emisin secundaria se produce cuando un ion o un tomo excitado chocan contra la su-
perficie de un slido y causan la expulsin de algunos electrones secundarios. El nmero de
electrones secundarios emitidos por cada electrn primario es funcin no slo de la energa
cintica del electrn incidente y de la funcin de trabajo del emisor secundario, sino tambin
de la energa trmica interna de ste. La cantidad de electrones secundarios aumenta con la
velocidad de los electrones primarios. La emisin secundaria puede tener efectos apreciables
en el funcionamiento de los tubos electrnicos a voltajes de aceleracin incluso muy peque-
os, del orden de 10 volts. A voltajes ms altos la emisin secundaria tiende a disminuir,
posiblemente porque los electrones incidentes penetran ms en el slido y transfieren la ma-
yor parte de su energa a electrones alejados de la superficie. Los electrones primarios pue-
den ser absorbidos, reflejados o dispersados por la superficie y el nmero de electrones se-
cundarios emitidos es menor si el bombardeo es con iones positivos en lugar de electrones.
Uno de los mejores emisores secundarios es el xido de cesio, parcialmente reducido sobre
una base de plata. Para energas de electrones primarios comprendidas entre unos 400 y 700
eV, la superficie de este material tiene una relacin de emisin secundaria de 10, es decir,
emite diez electrones por cada electrn primario.
El bombardeo con iones positivos tambin puede producir emisin secundaria, pero con
mucho menor eficiencia que si el bombardeo es con electrones. Esto se debe a que en el pro-
ceso de colisin entre un ion pesado y un electrn, slo puede impartirse al electrn una pe-
quea fraccin de la energa del ion, an en un choque frontal. Finalmente hay que mencio-
nar que tambin los aisladores pueden emitir electrones secundarios.
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Emisin por campo. Los campos elctricos sobre las superficies emisoras de electrones tam-bin tienen influencia en la emisin. En este caso el campo elctrico, si es del signo adecuado,
ejerce una influencia extractora sobre los electrones cercanos a la superficie que tiende a
arrancarlos de ella, independientemente de la temperatura a la que se encuentre dicha super-
ficie. En el caso de la emisin termoinica, los campos sobre la superficie del ctodo tienden
a aumentar la emisin de electrones por ste, mediante dos mecanismos principales. Si el
campo aplicado es dbil o moderado, se reduce la barrera de potencial en la superficie del
ctodo, lo que resulta en una reduccin de la funcin de trabajo efectiva. Este fenmeno se
conoce como efecto Schottky.
Si la intensidad del campo aplicado al emisor es elevada, la barrera de potencial se reduce lo
suficiente como para producir un efecto de tnel. Este fenmeno es muy importante en las
vlvulas de transmisin que funcionan con potenciales elevados y recibe el nombre de emi-
sin por campo y tambin emisin de ctodo fro. En este tipo de emisin por campo intenso,
los electrones no necesariamente deben tener la energa necesaria para cruzar la barrera de
potencial determinada por la funcin de trabajo. Cualquier electrn puede participar en el
mecanismo de tnel relacionado con la emisin de campo intenso y, puesto que en un metal
hay una gran cantidad de electrones disponibles para este proceso, an cuando la probabili-
dad de escape sea muy pequea, pueden alcanzarse densidades de corriente de emisin ele-
vadas.
An cuando en algunos dispositivos como el microscopio electrnico de emisin por campo
este efecto constituye una fuente til de produccin de electrones, en general es un efecto
indeseable que resulta destructivo en el caso de las vlvulas electrnicas, ya que al arrancar
literalmente los electrones del ctodo, incluso a bajas temperaturas, provoca su destruccin
como fuente de emisin termoinica.
Tipos de ctodos. La emisin termoinica puede conseguirse ya sea directamente por un filamento calentado por la accin de una fuente externa o, como se indica en la figura 5.1, con
un filamento separado del ctodo que acta como fuente de calor para ste. En el primer caso
en que el propio filamento acta como ctodo se dice que el tubo es de caldeo directo. En el
segundo, donde el filamento y el ctodo son dos elementos diferentes, la vlvula se designa
como de caldeo indirecto. la mayor parte de las vlvulas utilizadas en transmisin, excepto a
bajas potencias, son de caldeo directo.
Los metales puros con baja funcin de trabajo, tales como los metales alcalinos o el calcio no
pueden utilizarse como emisores ya que se evaporan a temperaturas a las que empieza a
obtenerse emisin apreciable. Solamente dos metales en estado puro, el tungsteno y el tanta-
lio son adecuados para utilizarse como emisores, si bien el tantalio no se utiliza ya que es
ms sensible a la accin de los gases residuales que se producen en el interior del tubo a con-
secuencia de la elevada temperatura y tambin su temperatura de evaporacin es inferior a
la del tungsteno.
Segn se mencion, las vlvulas electrnicas para potencias pequeas suelen ser de caldeo
indirecto, en que el ctodo consiste de un cilindro o manguito metlico, generalmente de
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nquel o aleaciones de este metal con otros y un revestimiento de una o varias capas de una
mezcla de carbonatos de bario y estroncio. Esto permite alcanzar funciones de trabajo muy
bajas, del orden de 0.5 a 1.5 eV con lo que se consiguen elevadas eficiencias de emisin a
temperaturas del orden de 1000 K. En el interior del ctodo, y sin contacto con l, se encuen-
tra un filamento calefactor que le proporciona la temperatura necesaria de emisin. Las tem-
peraturas de funcionamiento de los ctodos van desde alrededor de 1000 K para ctodos de
xido cuya funcin de trabajo es del orden de 1 eV, hasta 2500 para los de tungsteno puro, de
caldeo directo, con funcin de trabajo de 4.5 eV. En la figura 7 se ilustran tres tipos de fila-
mentos.
(a) (b) (c)
Fig 7. Tipos de filamentos
El filamento mostrado en (a) suele utilizarse en vlvulas de caldeo indirecto. El ctodo en
este caso es un manguito cilndrico que rodea al filamento sin hacer contacto con l, recubier-
to con metales de baja funcin de trabajo. Los mostrados en las figuras (b) y (c) pueden utili-
zarse en tubos de caldeo indirecto, pero ms en los de caldo directo en el el ctodo es el pro-
pio filamento, generalmente de tungsteno toriado. Prcticamente todas las vlvulas de po-
tencia son de caldeo directo.
An cuando el recipiente de la vlvula est al alto vaco, nunca es posible lograr un vaco
total de aire u otros gases, por lo que algunos residuos gaseosos suelen quedar ocluidos en
los materiales de los electrodos. La presencia de cantidades significativas de gas en el interior
de un tubo electrnico lo hace intil. As, la presencia de oxgeno reduce o anula la emisin
electrnica en los ctodos de xido, al dar lugar a oxidacin del metal activo o producir de-
psitos de iones positivos sobre la superficie del ctodo. El desarrollo de "puntos calientes"
en el ctodo, debido a inhomogeneidades del material o a calentamiento no uniforme es,
tambin, una causa de deterioro del ctodo. En estos puntos calientes la temperatura aumen-
ta y tambin la emisin, pudiendo dar lugar a efectos acumulativos que traen como conse-
cuencia la destruccin del ctodo.
En las vlvulas de caldeo directo, para potencias superiores a unos 100 w, se prefieren los
ctodos (filamentos) de tungsteno o de una aleacin de tungsteno con pequeas cantidades
de torio, designada como tungsteno toriado, con menor funcin de trabajo que el tungsteno o
el torio puros.
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Los ctodos5 de caldeo directo (filamento), generalmente se alimentan con corriente alterna,
lo que da lugar a que el potencial en su superficie no sea uniforme y la diferencia de poten-
cial entre reja y ctodo no es la misma en todos los puntos de la reja y vara segn la frecuen-
cia del voltaje de alimentacin del filamento. Este problema no ocurre en los ctodos de cal-
deo indirecto ya que en stos el potencial es uniforme en toda su superficie. Esa variacin la
distribucin del potencial en el ctodo, en las vlvulas de caldeo indirecto, introduce una
componente indeseable en la corriente de placa, designada como zumbido. Para reducir este
problema se emplea un transformador de filamento con derivacin central a tierra en el se-
cundario, o bien un circuito como el de la figura 8, con lo que el filamento se divide virtual-
mente en dos partes, de las que el punto central mantiene un potencial constante respecto a
la reja de control. Los voltajes de las dos mitades, al estar en fases opuestas producen un
efecto global que resulta en una distribucin de potencial prcticamente uniforme en el cto-
do. La geometra del filamento contribuye tambin a reducir el zumbido.
Fig. 8. Circuito de alimentacin del filamento
El voltaje de alimentacin del filamento es un factor muy importante para todas las vlvulas
de vaco, particularmente las de potencia. Un aumento del 5% en el valor de voltaje respecto
al voltaje nominal especificado por el fabricante, puede resultar en una reduccin de la vida
de la vlvula hasta del 50%, por lo que en la prctica el voltaje aplicado al filamento suele ser
un poco menor que el voltaje nominal, del orden de 3% a 5%.
Un aspecto importante en el diseo y construccin de las vlvulas de vaco lo constituyen los
sellos entre el metal de las conexiones de los electrodos y el vidrio o cermica de la ampolla
envolvente. Todas las vlvulas de potencia funcionan a temperaturas elevadas y los coefi-
cientes de dilatacin de los diversos materiales que la componen son diferentes, de modo
que las variaciones de temperatura producen esfuerzos mecnicos que eventualmente pue-
den destruir el sello o unin entre ellos o causando fracturas, haciendo que la vlvula pierda
el vaco y, por consecuencia quede intil. En la figura 9 puede apreciarse la estructura de la
unin vidrio-metal en trodos antiguos.
5 Para las vlvulas de caldeo directo es frecuente utilizar indistintamente los trminos filamento o ctodo.
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Fig. 9. Estructura de los sellos vidrio-metal
En la figura 10, por otra parte, puede apreciarse una vlvula con cuerpo de cermica con uno
de los sellos daado.
Fig. 10. Vlvula con el sello metal-cermica daado
3. Algunas consideraciones en el diseo de las vlvulas de vaco
La construccin fsica y la geometra de los tubos de vaco da lugar a que la potencia de sali-
da y la ganancia efectiva disminuyan al aumentar la frecuencia. Las principales limitaciones
de los tubos de rejilla (trodos, tetrodos y pentodos) se deben a los siguientes factores:
Tamao. En condiciones ideales, los voltajes de RF entre los electrodos deben ser uniformes.
Sin embargo esta condicin es difcil de satisfacer a menos que las dimensiones mximas de
los electrodos sean significativamente menores que /4 a la frecuencia de funcionamiento. Esta condicin no presenta problemas en las bandas de MF, HF y VHF, pero segn aumenta
la frecuencia a frecuencias en la bandas V de UHF y de UHF, se imponen restricciones seve-
ras en las dimensiones fsicas de los elementos individuales del tubo.
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Tiempo de trnsito. Los electrones que viajan entre el ctodo y el nodo invierten un tiempo
de recorrido, designado como tiempo de trnsito. La separacin interelectrdica, principal-
mente entre ctodo y reja debe dimensionarse en proporcin inversa a la frecuencia de fun-
cionamiento para evitar los problemas asociados al tiempo de trnsito que incluyen reduc-
cin de la ganancia de potencia, carga excesiva sobre la fuente de excitacin del tubo, retroca-
lentamiento del ctodo a consecuencia del bombardeo electrnico por los electrones retorna-
dos por la regin de la reja y reduccin de la eficiencia de conversin.
Voltaje de funcionamiento. Los tubos de alta potencia funcionan con altos voltajes, tpica-
mente de varios kv. En los tubos de microondas esto plantea problemas significativos por la
cercana entre los electrodos que puede resultar en arcos elctricos. Por ejemplo, a 1 GHz, la
separacin entre reja y ctodo no debe exceder de unas pocas centsimas de milmetro. Por
consecuencia, los voltajes aplicados deben ser inferiores al voltaje de ruptura, determinado
por el aislamiento, en este caso el vaco, y la separacin interelectrdica. estos problemas
son particularmente importantes en tubos como el klystron y otros tubos de ltima genera-
cin.
Corriente a travs del tubo. Como resultado de las capacidades interelectrdicas y de las ca-
pacidades e inductancias parsitas en el tubo, pueden desarrollarse corrientes substanciales
de RF, que dan como resultado calentamiento excesivo de la reja, terminales de conexin y
de los sellos de vaco vidrio-metal o cermica-metal.
Disipacin trmica. Los tubos de alta potencia deben ser capaces de soportar los considera-
bles esfuerzos mecnicos causados por las elevadas temperaturas, por ello es necesario con-
tar con sistemas de enfriamiento capaces de mantenerlos a temperaturas de funcionamiento
adecuadas.
4. Diodos
Los diodos al vaco, empleados principalmente como rectificadores en fuentes de alimenta-
cin, prcticamente han dejado de utilizarse en los transmisores de radio y televisin y han
sido reemplazados completamente por diodos de estado slido, rectificadores controlados de
silicio o tiristores y triacs. Los principios de funcionamiento de los diodos al vaco se han
descrito en las secciones anteriores y su inters aqu, es nicamente esbozar los principios
fundamentales de las vlvulas de vaco. An cuando desde el punto de vista terico el estu-
dio de los diodos al vaco es interesante, omitiremos aqu un tratamiento ms amplio.
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II. TUBOS DE REJILLA
5. Trodos
Los trodos siguen utilizndose extensamente, sobre todo en las bandas de LF (30 a 300
KHz), MF (300 KHz a 3 MHz) y HF u onda corta (3 a 30 MHz). En radiodifusin sonora en
FM y televisin se prefieren los tetrodos u otros tipos de tubos como el klystron y el IOT que
se tratarn ms adelante. Sin embargo, el estudio de los trodos es importante para compren-
der el funcionamiento de otros tipos de vlvulas ms complejas y por ello, se resumirn a
continuacin algunas de sus propiedades y caractersticas ms importantes. El trodo es una
vlvula de vaco de tres electrodos y fue inventada por Lee de Forest en los Estados Unidos
en la segunda dcada del siglo XX.
En el trodo, adems del ctodo y la placa se tiene un tercer electrodo constituido por una
rejilla de alambre muy fino, intercalada entre la placa y el ctodo y fsicamente cercana a ste.
Esta reja de control puede tener diversas configuraciones; puede ser una hlice de alambre o
un cilindro de malla de alambre y an un cilindro slido con una perforacin para permitir
el paso de los electrones hacia la placa. El smbolo habitual para el trodo y su estructura b-
sica muestran en la figura 11.
Placa
Filamento
Ctodo
Reja de
control
Figura 11. Trodo
Si a la reja de control no se le aplica ningn voltaje o si se la conecta directamente al ctodo,
la vlvula se comporta igual que un diodo. Sin embargo si se le aplica un voltaje negativo
respecto al ctodo, se producir un campo elctrico entre reja y ctodo de signo opuesto al
campo entre placa y ctodo, que se opondr al paso de los electrones por la regin cercana a
la reja y reducir la corriente total de placa respecto a la que se tendra si la reja no estuviera
polarizada. Si, por el contrario, la reja se polariza positivamente respecto al ctodo, atraer
ms electrones de la regin de carga de espacio cercana al ctodo y aumentar la corriente de
placa. Adems, al ser la reja positiva, atraer una parte de los electrones que viajan hacia la
placa y se establecer una corriente elctrica en el circuito externo entre reja y ctodo. En la
prctica, con excepcin de los amplificadores que funcionan en clase C, el voltaje de reja no
alcanza valores positivos y la corriente de reja es cero. En estas condiciones la impedancia
entre reja y ctodo es prcticamente infinita.
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Curvas de placa. Si el voltaje de reja se mantiene constante, la corriente de placa, al variar el voltaje de placa, sigue una variacin similar a la que se tiene en un diodo. La diferencia en el
trodo es que, dependiendo de la magnitud del voltaje de reja, ser necesario mayor voltaje
de placa para conseguir la misma corriente de placa cuando el voltaje de reja se hace ms
negativo. En la figura 12 se muestra un circuito con el que puede obtenerse la familia de cur-
vas para un trodo. En estas curvas se trazan los valores de corriente de placa para diferentes
voltajes de placa, manteniendo constante el voltaje de reja.
A
V
VG
VBB
VG
Fig. 12 Circuito para determinar las curvas caractersticas de un trodo.
Si se mantiene el voltaje de rejilla constante y se vara el voltaje de placa, se obtienen curvas
como las mostradas en la figura 13. Estas curvas corresponden a un trodo de los utilizados
actualmente en amplificadores de audio y se designan como curvas de voltaje de reja constante.
Fig. 13. Curvas caractersticas de un trodo 6N1P
Si se mantiene constante el voltaje de placa y se vara el voltaje de reja, se obtienen curvas
como las mostradas en la figura 14.
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Fig. 14. Curvas de voltaje de placa constante.
En el diseo de amplificadores de potencia es ms comn utilizar las curvas de corriente de
placa constante como las de la figura 15 y que son funcin de los voltajes de reja y placa. Se
observa, adems de las curvas de corriente de placa trazadas con lneas continuas, se las de
corriente de reja con lneas punteadas. La corriente de reja circula cuando su voltaje es posi-
tivo con respecto al ctodo, lo que ocurre en amplificadores clase C durante cortos intervalos
del ciclo de la seal.
Fig. 14. Curvas de corriente constante
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El trodo de la figura 16 es un 3CX400A7, capaz de funcionar en la banda de 30 a 500 MHz a
una potencia de salida de hasta 500 W. El voltaje tpico de funcionamiento de placa es de 2
KV. y la potencia requerida a la entrada es de unos 20 W, por lo que su ganancia de potencia
es de 25 (14 dB).
Figura 16. Caractersticas de un trodo de potencia 3CX400A7
A causa de la cercana de la reja con el ctodo, cualquier variacin en el voltaje de reja tiene
un efecto considerablemente mayor sobre la corriente de placa que una variacin igual en el
voltaje de placa, lo que hace posible la amplificacin del voltaje de las seales aplicadas en la
reja. Se define un factor de amplificacin de un trodo y, en general de otros tubos de vaco,
como la relacin de cambio del voltaje de placa, vp, respecto al voltaje de reja, vg.
p
g
v
v =
(2)
Otros parmetros de los trodos son la resistencia de placa (rp) y la transconductancia (gm). La
resistencia de placa representa la variacin del voltaje de placa respecto a la corriente de pla-
ca, ip, manteniendo constantes los restantes voltajes de tubo y se define como:
pp
p
vr
i
=
(3)
La transconductancia, o conductancia mutua, expresa la variacin de la corriente de placa
respecto al voltaje de reja, manteniendo constantes los dems voltajes. Se expresa como:
pm
g
ig
v
=
(4)
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De las expresiones anteriores puede obtenerse la relacin siguiente:
pm rg= (5)
Neutralizacin. En los tubos de vaco estn presentes capacidades interelectrdicas e induc-
tancias de terminal que constituyen elementos designados como parsitos y que actan, en-
tre otras cosas, como elementos de realimentacin que dan lugar a oscilaciones parsitas. En
los trodos es particularmente importante la capacidad interna entre reja y placa, ya que
constituye un elemento de acoplamiento entre la salida y la entrada que, en las condiciones
adecuadas de fase, es capaz de hacer que el amplificador entre en oscilacin. Este efecto es
indeseable en un amplificador y es necesario eliminarlo. Para ello, una tcnica habitual es
utilizar una red de desacoplamiento entre la entrada y la salida que, con frecuencia, se redu-
ce a un condensador externo conectado entre placa y reja. Algunos de estos circuitos se ilus-
tran en la figura 16.
Fig. 16. Circuitos tpicos de neutralizacin.
Aplicaciones de los trodos. En los sistemas industriales los trodos siguen utilizndose prin-
cipalmente como osciladores de alta potencia, en circuitos de configuracin similar a los ilus-
trados en la figura 17.
Fig. 17. Osciladores Hartley y Colpitts con trodo.
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Es evidente que la estabilidad de este tipo de osciladores es pobre, por lo que estos circuitos
se utilizan principalmente en aplicaciones en que no es necesaria una gran estabilidad y que
no se radia energa.
Una aplicacin interesante fue en osciladores empleados para diatermia, es decir, calenta-
miento de tejidos con fines teraputicos. En la figura 18 se ilustra un circuito antiguo para
este fin que incluye el oscilador con trodo y la fuente de alimentacin, en este caso con recti-
ficadores de vapor de mercurio.
Fig. 18. Oscilador para diatermia
Una aplicacin industrial importante de los trodos es en el calentamiento por induccin.
Este es un mtodo para calentar materiales conductivos somentindolos a un campo elec-
tromagntico, a frecuencias por lo general entre 100 y 500 kHz.
Fig. 19. Calentamiento por induccin
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Una bobina, como se muestra en la figura 19 acta como el primario de un transformador y
rodea al material a calentar, que acta como secundario. En la bobina se hace circular la co-
rriente de radiofrecuencia, la cual genera corrientes de Foucault (eddy) en el secundario ca-
lentndolo. La profundidad de penetracin de estas corrientes est determinada por la fre-
cuecia, la permeabilidad del material y su resistividad. Como generadores de RF por lo gene-
ral se usan osciladores con trodos como los mostrados en las figura 20 y 21.
Fig. 20. Trodo de 3 kw para calentamiento industrial
(Thales, antes Thomson CSF)
Fig. 21. Trodo de 100 kw para aplicaciones
industriales y de comunicaciones
Otro tipo de aplicacin industrial en que tambin se utilizan trodos como osciladores es el
calentamiento dielctrico tambin designado como calentamiento capacitivo utilizado para ca-
lentar materiales no conductores. El material a calentar se coloca entre dos electrodos a tra-
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vs de los cuales se conecta una fuente de alta frecuencia. El campo oscilatorio atraviesa el
material y al cambiar la direccin del campo, invierte la polarizacin de las molculas cau-
sando rozamiento y, por consecuencia calor. Cuanto mayor sea la frecuencia, mayor ser el
movimiento de las molculas. Las frecuencias tpicas utilizadas en estas aplicaciones suelen
estar entre 5 y 80 MHz. Algunas otras aplicaciones incluyen la soldadura de tuberas y de
plsticos, pegamento de madera, deshidratacin de alimentos para su preservacin, excita-
cin de lseres de CO2, etc.
En aplicaciones de calentamiento industrial, tanto inductivo como dielctrico, generalmente
se prefieren trodos con factores de amplificacin () o medios. Ello es debido a que cuando se emplean como osciladores, la corriente de reja vara menos con las variaciones de la carga.
La corriente de reja aumenta cuando la carga disminuye. Los tubos diseados especficamen-
te para calentamiento industrial deben funcionar en condiciones adversas, por lo que su reja
es ms robusta y debe tener mayor capacidad de disipacin de potencia que en los de RF.
En los sistemas actuales de comunicaciones los trodos se emplean casi nicamente en ampli-
ficadores de alta potencia de RF, entendindose aqu, un tanto ambiguamente el trmino de
alta potencia, como aqullas potencias superiores a unos 500 w. principalmente. En los
ltimos aos han vuelto a encontrar aplicacin en amplificadores de audio, ya que los audi-
filos encuentran ms agradable el sonido obtenido con amplificadores a vlvulas que con los
de estado slido. En la figura 11 se muestran algunos de los trodos de alta potencia de dise-
o y manufactura reciente. En general este tipo de tubos se emplea en radiodifusin sonora
en las bandas de frecuencias medias (540-1650 KHz) y altas (3-30 MHz). En las bandas de
VHF y UHF por lo general se emplean tetrodos.
En la figura 22 se ilustran tres tipos de trodos de potencia, a la izquierda un trodo antiguo
de los aos veinte-treinta. Al centro, trodo utilizado en transmisores de AM en los aos cin-
cuenta, enfriado por aire forzado y, a la derecha, un trodo moderno de 50 kw, enfriado por
agua y utilizado en transmisores de AM.
Fig. 22. Tres tipos de trodos
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Aplicaciones en RF. Los trodos se emplean en amplificadores de RF, generalmente en clase B o C, con carga sintonizada. El circuito bsico de un amplificador con trodo se ilustra en la
figura 23.
Fig. 23. Circuito amplificador bsico con trodo
La ganancia de voltaje de un amplificador con trodo est dada por:
LVp L
RA
r R
=
+ (6)
Donde RL es la resistencia de carga o la impedancia a resonancia del circuito sintonizado.
Una de las aplicaciones ms comunes es como amplificador clase C modulado en placa. Un
circuito tpico se ilustra en la figura 24.
Fig. 24. Amplificador clase C modulado en placa.
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6. Trodos planos
Se han desarrollado algunos tubos de rejilla para aplicaciones a frecuencias de microondas,
de los que los ms importantes los trodos planos o planares, designados as por la geometra
plana de sus electrodos y capaces de funcionar a frecuencias de varios gigahertz con poten-
cias de salida hasta de unos 2 kw en funcionamiento pulsante y con eficiencias de 30% a 60%
dependiendo de la frecuencia.
Fig. 25. Estructura de un trodo plano
En la figura 25 se muestra la estructura de un trodo plano y su apariencia y tamao. La am-
polla que contiene los electrodos es de cermica, con elementos metlicos a travs de ella
para proporcionar las conexiones necesarias. Los elementos metlicos tienen forma de discos
o de discos con proyecciones cilndricas.
El ctodo es, tpicamente, de recubrimiento de xidos metlicos y de caldeo indirecto. La
razn para ello es conseguir elevada emisin electrnica y vida til larga. Suelen preferirse
emisores termoinicos de baja temperatura, ya que las temperaturas elevadas producen ms
evaporacin y reducen la vida del tubo.
La reja es, quiz, el elemento que representa el mayor reto en el diseo del tubo, ya que es
necesario que se coloque a muy corta distancia del ctodo y con gran precisin. Tambin es
necesario que la reja tenga buena estabilidad trmica ya que est sujeta a calentamiento y
bombardeo electrnico por la proximidad al ctodo y por las corrientes que circulan por ella.
El nodo generalmente es de cobre y conduce el calor generado por el bombardeo electrnico
a una radiador externo que se aprecia en la parte superior de la fotografa anterior y que, a su
vez, es enfriado por aire forzado.
Los trodos planos pueden funcionar a frecuencias superiores a 1 GHz y se emplean en una
variedad de circuitos, comnmente en configuracin de reja comn. El circuito resonante de
placa est basado en una cavidad, utilizando una gua de onda, o bien una lnea coaxial o de
microcinta. Desde el punto de vista elctrico, el funcionamiento del trodo plano es mucho
ms complicado a frecuencias de microondas que a bajas frecuencias, ya que intervienen de
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manera importante las capacidades e inductancias parsitas de lo elementos del tubo, los
efectos de los anillos y elementos de conexin, la reactancia distribuida de la cavidad reso-
nante y del propio dispositivo y, finalmente, los efectos del tiempo de trnsito electrnico
que dan como resultado cargas resistivas y defasamientos.
Las ganancias que pueden conseguirse con estos trodos son del orden de 5 a 10 dB o supe-
riores si se conectan varias etapas en cascada. El acoplamiento entre etapas se puede realizar
con guas de onda o con lneas coaxiales y la sintona se consigue variando la inductancia o la
capacidad de la cavidad. Es posible aumentar el ancho de banda empleando varias etapas
sintonizadas de manera escalonada.
Como un detalle interesante, la sonda espacial Pioneer utiliz como amplificador un trodo
plano como el que se muestra en la figura 26.
Fig. 26. Trodo plano del tipo utilizado en la sonda espacial Pioneer
El primero de los dos vehculo Pioneer tena como misin la exploracin del sistema planeta-
rio, en particular Jpiter y fue lanzado el de marzo de 1972. Su fuente de energa eran cuatro
pilas atmicas, cada una capaz de proporcionar 400 watts y su transmisor inclua un trodo
plano. La antena tena 2.7 metros de dimetro. El Pioneer 1 continu funcionando durante 30
aos; sus ltimas transmisiones se recibieron el 23 de ero de 2003, aunque muy dbiles pues
su distancia actual a la tierra es de ms de ciento diez mil millones de kilmetros. Se desco-
noce si sigue transmitiendo, aunque es posible. El hecho de que su transmisor utilizara una
pequea vlvula de vaco (un humilde triodito) que funcion sin problemas durante treinta
aos es, sin duda, una prueba de la bondad de estos dispositivos.
8. Tetrodos
Un tetrodo es una vlvula de vaco de cuatro electrodos que, adems del ctodo, la reja de
control y la placa incluye una reja adicional entre la placa y la reja de control, a la que se de-
signa como reja pantalla y habitualmente se abrevia como SG (screen grid). La forma de esta
reja es similar a la de la reja de control, es decir, una hlice o una malla metlica fina. El sm-
bolo utilizado para el tetrodo se muestra y su estructura en la figura 27.
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Placa
Reja pantallaReja de control
FilamentoCtodo
Fig. 27. Smbolo y estructura del tetrodo
La reja pantalla o simplemente, pantalla, se introdujo originalmente para eliminar algunos de
los inconvenientes inherentes a los trodos, causados principalmente por la relativamente
elevada capacidad entre reja y placa. Tales efectos son, primero, el efecto Miller, que hace
que la capacidad de entrada de un trodo aumente con su ganancia y, segundo, la necesidad
de neutralizar un trodo sintonizado para evitar la realimentacin a travs de la capacidad
reja-placa, que produce oscilaciones indeseables. Puesto que la reja pantalla forma un blinda-
je electrosttico entre la reja de control y la placa, la capacidad entre estos dos electrodos se
reduce considerablemente, minimizando as el efecto Miller y eliminando la necesidad de
neutralizacin de los amplificadores con tetrodos sintonizados a frecuencias bajas o modera-
das.
Puesto que la pantalla constituye un blindaje electrosttico entre el ctodo y la placa, el volta-
je de placa tiene muy poco efecto sobre el gradiente de potencial en la superficie del ctodo y,
por consecuencia, muy poco efecto sobre la corriente en la vlvula. La pantalla por lo general
funciona con voltajes positivos que se sitan entre 0.25 y 1.0 del voltaje de placa.
Curvas caractersticas de los tetrodos. Las curvas caractersticas de la corriente de placa res-
pecto al voltaje de placa se muestran en la figura 5.10. Segn aumenta el voltaje de placa
desde 0 V, la corriente de placa aumenta inicialmente, pero luego empieza a disminuir en la
zona en que el voltaje de placa es ligeramente inferior al de pantalla. Esta caracterstica de
resistencia negativa es debida a la emisin secundaria en la placa. Es decir, los electrones que
chocan con la placa provocan desprendimiento de electrones secundarios de sta, que son
atrados por la pantalla cuando su voltaje es superior al de placa. A voltajes de placa superio-
res a unos 25 V la velocidad adquirida por los electrones es suficiente para producir emisin
secundaria en la placa. As, para un voltaje constante de la reja de control, la corriente de
placa disminuye al aumentar el voltaje de placa y la resistencia dinmica de la placa es nega-
tiva, hasta que el voltaje de placa es mayor que el de pantalla. Esto se ilustra en la grfica de
la figura 5.11, en que se muestra la corriente de pantalla respecto al voltaje de pantalla, para
un voltaje de pantalla constante, de 65 V y con la reja de control a 3 V.
Tan pronto el voltaje de placa aumenta sobre el de pantalla, los electrones secundarios emiti-
dos por la placa que regresan a ella aumentan considerablemente y, a voltajes de placa lige-
ramente superiores al de pantalla, la corriente de pantalla disminuye considerablemente,
como se puede apreciar en la figura 28.
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Fig. 28. Curvas caractersticas de un tetrodo
A su vez, la reja pantalla tambin emite electrones secundarios, como consecuencia de los
electrones que llegan a ella de la regin del ctodo y la reja de control. Sin embargo, estos
electrones secundarios contribuyen muy poco a la corriente total de placa ya que su nmero
es proporcionalmente menor y, adems, porque en general se emiten del lado de la reja de
control y no del de la placa, de modo que no se ven afectados directamente por el voltaje de
placa. De las figuras 28 y 29 puede inferirse que las corrientes de placa y pantalla son prcti-
camente constantes para un voltaje de pantalla dado, igual o menor que el voltaje de placa,
independientemente del valor de ste.
Fig. 29. Caracterstica de la corriente de pantalla respecto al voltaje de placa.
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Aunque en la regin de resistencia negativa el tetrodo puede funcionar como oscilador, por
lo general no se utiliza para esta funcin. En las aplicaciones como amplificador, la regin de
resistencia negativa constituye una desventaja importante del tetrodo que, si bien puede eli-
minarse aadiendo una tercera rejilla entre la pantalla y la placa6, tambin puede eliminarse
mediante un diseo especial del tetrodo en que en el interior del tubo se conforman haces
electrnicos de alta densidad entre el ctodo y la placa y utiliza los efectos de la carga de es-
pacio en la regin entre la pantalla y la placa para eliminar los efectos de la emisin secunda-
ria. Las vlvulas de este tipo se designan como tetrodos de haz de potencia. La estructura
interna de un tubo de este tipo se muestra en la figura 30.
Fig. 30. Estructura interna de un tetrodo de haz de potencia.
La superficie del ctodo es plana y los hilos de las hlices de la reja de control y la pantalla
estn alineados, de modo que la primera constituye un blindaje elctrico entre la pantalla y el
ctodo. Las placas conformadoras del haz electrnico se localizan a los lados del ctodo y
estn conectadas internamente a ste. Estas placas hacen que la corriente en la vlvula forme
haces electrnicos estrechos y con densidad relativamente alta. La distancia entre la pantalla
y la placa es mayor que en los tetrodos convencionales de modo que la mayor parte de los
electrones que constituyen la corriente del tubo se encuentran entre la pantalla y la placa en
cualquier instante. Estos electrones forman una carga de espacio en la regin pantalla-placa y
producen campos electrostticos en el plano de la pantalla y en la superficie de la placa. La
densidad de esta carga de espacio es inversamente proporcional al voltaje de placa y direc-
tamente proporcional a la corriente en la vlvula. El efecto de esta carga de espacio es doble:
por una parte hace que los electrones secundarios emitidos por la placa regresen a ella y, por
otra desacelera a los electrones que penetran en la regin entre la pantalla y la placa, lo que a
su vez, hace que aumente la carga de espacio. El resultado de estos efectos produce curvas
caractersticas del tipo que se muestra en la figura 31, en este caso para un tetrodo antiguo,
del tipo GU-13. Este tetrodo, utilizado para comunicaciones en la banda de HF (3-30 MHz),
6 A esta tercera rejilla se la designa como supresora y la vlvula con tres rejas se llama pentodo. Los pentodos no suelen utilizarse en amplificadores de potencia de RF.
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puede entregar en condiciones tpicas, 220 W a 15 MHz a voltajes de funcionamiento, UA = 2
KV, USG = 400 V, UG1 = -35 V, con una corriente de placa del orden de 50 mA.
Fig. 31. Curvas caractersticas de placa de un tetrodo
de haz de potencia tipo GU-13
En la regin de voltaje de placa bajo y de corriente inyectada constante y de alta densidad, la
carga de espacio entre la pantalla y la placa es suficientemente grande como para reducir el
potencial a cero en un plano entre la pantalla y la placa, formando un ctodo virtual en dicho
plano. En esas condiciones, el gradiente de potencial en el plano de la pantalla es tal que solo
los electrones inyectados con suficiente velocidad para vencer la fuerza del campo negativo,
llegarn a la placa y todos los dems electrones regresarn hacia la pantalla y sern, o bien
capturados por ella, o pasarn a la regin de carga de espacio entre la pantalla y el ctodo.
Un aumento relativamente pequeo del voltaje de placa produce, en la regin de la izquierda
de las curvas de la figura 14, un aumento considerable de la corriente de placa, ya que el c-
todo virtual se desplaza hacia la placa segn aumenta el voltaje de placa.
Cuando el voltaje de placa aumenta hasta un valor en que la corriente de placa es igual a la
corriente inyectada, la corriente de placa ya no aumenta, puesto que toda la corriente inyec-
tada a la regin pantalla-placa va a parar a esta ltima. En estas condiciones, el aumento en
el voltaje de placa ya no produce aumento de la corriente de placa ya que la accin de blinda-
je de la pantalla impide que el potencial de la placa altere la corriente de ctodo y el ctodo
virtual prcticamente ha desaparecido.
Debido a que la pantalla est bien aislada del ctodo a causa de su alineamiento con la reja
de control, el nmero de electrones interceptados por la pantalla es bajo y la corriente de
pantalla es pequea respecto a la corriente de placa, de modo que la linealidad de las curvas
de la figura 14 permite excursiones grandes de seal con poca distorsin y esto, aunado a la
baja relacin entre las corrientes de pantalla y placa, permite obtener altas eficiencias en los
tetrodos de haz.
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En la figura 32 se muestra un tetrodo de haz del tipo 4X250, capaz de entregar una potencia
de salida del orden de 350 W. Este tipo de vlvula se ha usado, y an se emplea ampliamente
en aplicaciones de RF. La placa en la parte superior contiene numerosas aletas entre las que
circula aire forzado, suministrado generalmente por la parte inferior a travs de conductos
adecuados. La finalidad de las aletas es aumentar la superficie de radiacin de calor. La au-
sencia de ventilacin forzada en este tipo de tubos, da lugar a la fusin de la placa y la consi-
guiente destruccin del tubo en pocos minutos.
Fig. 32. Tetrodo de potencia 4CX250
Durante dcadas, los tetrodos fueron mejorndose y se consiguieron tubos capaces de entre-
gar potencias superiores a 20 KW en UHF y aunque su ganancia es relativamente baja y su
vida media til del orden de 15000 a 20000 horas, continan utilizndose, ya que su eficien-
cia es buena
9. Diacrodos
El diacrodo es un tubo desarrollado en los ltimos aos, que comenz a utilizarse en trans-
misores de televisin en la banda de UHF, en radares y aceleradores de partculas alrededor
de 1994. Su principio de funcionamiento es, bsicamente, el mismo que el de un tetrodo de
haz de potencia en que la corriente de nodo es modulada por un voltaje de RF aplicado en-
tre el ctodo y la reja de control. En la figura 5.16 se muestra un diacrodo usado en amplifi-
cadores potencia de transmisores de televisin en UHF. En la figura 33(a) se trata de un tubo
enfriado por aire y en la 33(b) de uno enfriado por agua o vapor.
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(a) (b)
Fig.33. Diacrodos. (a) Enfriado por aire. (b) Enfriado por vapor.
La principal diferencia entre el diacrodo y el tetrodo es la posicin de las zonas activas en el
tubo, es decir, sus electrodos: ctodo, reja de control, reja pantalla y placa en los circuitos
coaxiales resonantes, lo que da como resultado una mejora en la distribucin de la corriente
reactiva en los electrodos del tubo. El circuito del tetrodo se realiza de modo que quede un
nodo de corriente al final de un circuito de un cuarto de longitud de onda (/4). El tetrodo, en un amplificador, es parte del circuito resonante de un cuarto o tres cuartos de longitud de
onda. Asimismo, sus dimensiones geomtricas juegan un papel importante y condicionan los
voltajes y corrientes de RF. La potencia que entrega un tetrodo es el producto del voltaje de
RF de placa y la corriente de nodo a la frecuencia fundamental. El voltaje de nodo se limita
a un mximo del orden de 30 KV y, por consecuencia, para conseguir un rendimiento eleva-
do es necesario que el ctodo tenga un rea grande7.
El aumento del rea del ctodo puede conseguirse de dos formas: aumentando el dimetro
del ctodo o su altura. El aumento del dimetro del ctodo tiene dos efectos sobre sus par-
metros elctricos:
a) Disminucin de la frecuencia de resonancia en el modo TE11. Si esta frecuencia es
muy cercana a la frecuencia nominal o a su primer armnico, es muy difcil, sino
imposible, amortiguar las oscilaciones parsitas.
b) Aumento de las capacidades parsitas del tubo.
7 G. Clerc, J.P. Ichac and C. Robert. A New Generation of Grided Tubes for Higher Power and Higher Frequen-
cies. IEEE, 1998.
Fotografa cortesa de Thomson Tubes Electroniques
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Altura del ctodo. La regla que, de acuerdo a la experiencia, ha sido adoptada por los fabri-cantes de tubos, es no exceder nunca 1/16 para la altura del ctodo a la mxima frecuencia de funcionamiento cuando el tubo opera con un elevado ciclo de trabajo. Por ejemplo, a 80
MHz, la mxima altura del ctodo sera de 234 mm. Esta regla debe interpretarse, y es dicta-
da, por las prdidas a RF generadas en los electrodos del tubo, en particular, la reja pantalla.
En el circuito de salida, en el espacio entre la reja pantalla y el ctodo, los voltajes y corrientes
de RF pueden expresarse mediante las siguientes ecuaciones:
xRPxVxV Lsal == coscos)( max (7)
xsenZ
VJxI
c
= max)( (8)
Donde, = 2pi/ x = Distancia desde el extremo superior del tubo.
RL= Impedancia de carga a la que est conectado el tubo.
Vmax = Voltaje sobre el eje del tubo en x = 0.
ZC = Impedancia caractersitca del espacio entre el nodo y la reja pantalla.
J = Constante que depende de la geometra del tubo y del tipo de ctodo.
Las ecuaciones anteriores muestran que las distribuciones de corriente y voltaje en el espacio
entre el nodo y la reja pantalla no son uniformes y, por consecuencia, la distribucin de po-
tencia tampoco es uniforme, tenindose la potencia mxima en la parte superior. De hecho, el
diseo del diacrodo combina en un tetrodo las capacidades y ventajas de una tecnologa
avanzada con el concepto desarrollado por la empresa RCA hace muchos aos, en sus tro-
dos de doble terminacin y muy alta potencia.
El diacrodo es, en realidad, un tetrodo de doble terminacin, en el que las variaciones en las
prdidas son proporcionales al cuadrado de la altura del ctodo. Por tanto, la idea es obtener
la misma altura equivalente del ctodo, poniendo en paralelo dos medios tetrodos. En tales
condiciones, las conexiones se duplican y, con un circuito adecuado de salida, el dispositivo
puede sintonizarse en un circuito de /2 con el mximo voltaje de nodo situado a la mitad de la parte activa, de modo que las prdidas son mnimas. En la figura 34 se muestra la es-
tructura interna de un diacrodo y, en la 35, las distribuciones de corriente y voltaje en un
tetrodo y un diacrodo.
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Fig. 34. Estructura interna de un diacrodo Imagen cortesa de Thomson Tubes Electroniques
Como consecuencia de lo anterior, con este tipo de tubo, la longitud mxima aceptable para
el ctodo no es de 1/16, sino de 1/8 y la potencia puede duplicarse, asumiendo que el pun-to de funcionamiento se elige cuidadosamente.
Fig. 35. Distribucin de corriente y voltaje en un tetrodo y un diacrodo
Por ejemplo, en transmisin de televisin, el tetrodo con mayor capacidad de potencia, fue el
TH563 fabricado por Thomson, que poda entregar 30 KW en amplificacin comn de vdeo
y audio. El diacrodo TH680, con un ctodo de doble altura, es capaz de entregar 60 KW en
amplificacin comn. En otras aplicaciones en operacin pulsada, tal como se requiere en
radares y aceleradores de partculas, el diacrodo TH526 puede entregar una potencia pico de
1600 KW y el TH628, hasta 3000 KW, con potencias efectivas de 240 y 600 KW respectiva-
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mente. La corriente de placa en estos tubos, alcanza los 124 A en el TH526 y 164 A en el
TH628. La ganancia tpica de estos tubos es del orden de 14 dB.
9. Pentodos
Las desventajas de los tetrodos convencionales se superan con los tetrodos de haz y, tambin,
agregando una tercera reja entre la pantalla y la placa, que se designa como reja supresora.
La vlvula contiene ahora cinco electrodos y de ah su nombre: pentodo. La reja supresora va
generalmente conectada al ctodo o a tierra y su funcin es la de producir una regin de bajo
potencial entre la pantalla, de manera anloga a la que se consigue con las placas formadoras
del haz en los tetrodos. En otras palabras, la reja supresora da lugar a un ctodo virtual re-
tornando a la placa los electrones secundarios emitidos por ella y eliminando la regin de
resistencia negativa. Adems, la reja supresora acta como un blindaje electrosttico adicio-
nal entre la placa y el ctodo, reduciendo el efecto del voltaje de placa sobre la corriente de
ctodo. Las curvas caractersticas de un pentodo son muy similares a las de un tetrodo de
haz en que, en la regin lineal, la corriente de placa es prcticamente independiente del vol-
taje de sta. En la actualidad los pentodos ya prcticamente no se utilizan en aplicaciones de
RF. Sin embargo, vuelven a emplearse en amplificadores de audio. En la figura 36 se muestra
una vlvula de este tipo, en que la conexin de la placa se realiza mediante el capuchn en la
parte superior y las rejas y ctodo se conectan a travs de las patas en la parte inferior.
Fig. 36. Pentodo
III. TUBOS DE HAZ ELECTRONICO
10. Klystron Los trodos y tetrodos convencionales, utilizados extensamente en amplificadores de poten-
cia en los transmisores de radio y televisin tienen limitaciones de funcionamiento a frecuen-
cias superiores a unos 500 MHz, a causa de los efectos de las capacidades interelectrdicas y
a las inductancias parsitas intrnsecas de sus terminales, as como del tiempo de trnsito de
los electrones entre ctodo y nodo. Estas limitaciones dieron lugar al desarrollo de tubos
planos o planares, en que los electrodos se conectan al exterior mediante discos a fin de reducir
los efectos de las inductancias y capacidades parsitas, con lo que fue posible su empleo has-
ta frecuencias cercanas a 1 GHz. An as, las limitaciones inherentes a la geometra de este
tipo de tubos hacen que sean poco adecuados a frecuencias superiores. Esto motiv el desa-
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rrollo de otros dispositivos de vaco para amplificacin a frecuencias de microondas, en los
que es posible reducir el tiempo de trnsito y los efectos de los elementos parsitos. Entre
ellos se encuentran el magnetrn, el klystron y el tubo de onda progresiva (TOP o TWT). Los dos
ltimos se designan como de haz lineal y se basan en la interaccin de un haz electrnico con
campos elctricos, en tanto que el magnetrn emplea otro principio. En particular, los klys-
trons han encontrado amplia aplicacin a frecuencias a partir de unos 500 MHz, como ampli-
ficadores de potencia en transmisores de televisin, transmisores de microondas, radares y
aceleradores de partculas. En la dcada de 1990 se desarrollaron dos tipos de vlvulas con-
siderablemente ms eficientes que los tetrodos y que los klystrons. El diacrodo, que es una
variante del tetrodo segn se mencion en la seccin 4 y el tubo de salida inductiva o IOT, que
puede considerarse como una variante del klystron. Estos tubos estn reemplazando el em-
pleo de tetrodos y klystrons en los transmisores de alta potencia de diseo reciente. Resea-
remos aqu algunas de las principales caractersticas del klystron.
El klystron es un tubo o vlvula al vaco, utilizado en la generacin y amplificacin de sea-
les de muy altas frecuencias, inventado por R. H. Varian en 1937. El funcionamiento del klys-
tron, tanto como oscilador o como amplificador se basa en la modulacin de velocidad de los
electrones de un haz, sometidos a aceleraciones y frenados como consecuencia de la aplica-
cin de una seal variable en el tiempo. En la aplicacin como amplificador, la versin ms
simple del klystron es la de un tubo electrnico con varias cavidades, como se ilustra en la
figura 37 y en el que se definen tres regiones: ctodo, nodo y regiones o tubos de arrastre,
deriva8 o de interaccin de RF, a las porciones intermedias entre las cavidades.
La porcin principal del tubo la constituye un cierto nmero de cavidades resonantes, tres en
la figura, de las que una es la cavidad de entrada a la que se aplica la seal de RF y otra, la de
salida, de la que se extrae la seal amplificada. Entre stas pueden localizarse una o ms ca-
vidades intermedias, todas ellas interconectadas por secciones de tubo metlico designadas
como tubos de arrastre. Las cavidades resonantes se disean de forma que no propaguen
energa electromagntica a la frecuencia de funcionamiento del tubo, con lo que se consigue
un gran aislamiento entre las cavidades de entrada y salida sin recurrir al empleo de atenua-
dores en el interior del klystron, caracterstica muy importante y deseable en los amplifica-
dores de alta potencia.
En el can electrnico se origina un haz de electrones, que es acelerado a travs de un alto
voltaje aplicado al nodo y que luego pasa a travs de los tubos de arrastre, frente a las cavi-
dades, hasta impactar en el colector. El cuerpo principal del tubo, incluyendo el colector, se
mantiene generalmente a potencial de tierra, en tanto que al ctodo y electrodos de enfoque
del haz que constituyen el can electrnico, se les aplica un potencial negativo elevado, del
orden de -20 a -30 KV.
8 Drift
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Haz Electrnico Tubo de arrastre
Can electrnico
Cavidad de entrada
Cavidadintermedi
a
Cavidadde
salida
Colector
Anodo
Sealde
entradaSeal
desalida
Imanes deconfinamiento del
hazelectrnico
+Ctodo
Fig. 37. Esquema de un klystron de tres cavidades
En la cercana del ctodo, un sistema de enfoque electrosttico confina el haz y lo dirige hacia
el interior del primer tubo de arrastre. Para mantener el confinamiento del haz en el interior
del tubo de arrastre y evitar que se disperse hacia las paredes, se aplica un campo magntico
axial. En un procedimiento de colimacin, designado como enfoque de Brillouin, el confi-
namiento del haz se consigue hacindolo pasar a travs de una placa magntica, que acta
como pantalla de blindaje contra el campo magntico externo y evita sus efectos en la regin
del can electrnico. La componente del campo magntico transversal en la abertura de la
placa de Brillouin proporciona al haz electrnico un movimiento de rotacin sobre su eje,
que al interactuar con el campo magntico longitudinal (axial) a lo largo deltubo de arrastre,
produce una fuerza centrpeta sobre los electrones del haz, en direccin al eje del tubo que,
mediante el ajuste adecuado de la intensidad del campo magntico axial, acta anulando a la
fuerza centrfuga debida a la repulsin producida por la carga de espacio en el haz electrni-
co. Con este mtodo, empleado tambin en aceleradores de partculas, es posible confinar el
haz electrnico a lo largo de trayectos grandes con mnima intercepcin de los electrones del
haz por las paredes del tubo. En los klystrons prcticos esta intercepcin representa menos
del 1% del haz electrnico. El nodo colector tiene, por lo general, forma escalonada o denta-
da, para aumentar el rea de disipacin trmica y reducir, adems, la posibilidad de que los
electrones secundarios producidos por el impacto del haz electrnico