Amplificadores de RF de Potencia Final

AMPLIFICADORES DE ALTA POTENCIA DE RF CON VALVULAS ELECTRONICAS

Constantino Prez Vega Departamento de Ingeniera de Comunicaciones 2008

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. 5. 6. 7. 8. 9. Triodos. 17 Trodos planos. Tetrodos. 27 Diacrodos. 32 Pentodos. 36 17

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III.Tubos de haz electrnico. 36 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. Klystron. 36 Klystron de colector escalonado. 41 Figura de Mrito. 43 Tubos de salida inductiva (IOT). 43 Principio de funcionamiento del IOT. 45 Circuito de entrada del IOT. 49 Consideraciones sobre el funcionamiento del ctodo. 50 IOT de colector escalonado. 53 Empleo de klystrons e IOTs en transmisin analgica y digital. 55 Tubos de onda progresiva (TWT). 55 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 ELECTRONICASI. 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 valores 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 piezas 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 usarse por completo y, aunque vuelven a utilizarse en algunos casos aislados como ciertos amplificadores 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 desempeando un papel muy importante. Baste mencionar nicamente dos aplicaciones: los tubos de rayos catdicos que constituyen la pantalla de televisores y monitores de computadora y los hornos de microondas. En sistemas de comunicaciones, cierto tipo de vlvulas continan emplendose ampliamente, 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 prcticamente eliminado de la mayora de los planes de estudio actuales y la mayor parte de los estudiantes 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, adems 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 producto de la ganancia por el ancho de banda es constante para un amplificador dado. Si consideramos 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 divisor y los combinadores son ideales y, adems que todas las seales se suman en fase.5W

Amp.

100 W Combinador 2x1 200 W

5W20 W Divisor 1x4

Amp.

100 W Combinador 2x1 100 W 400 W

5W

Amp. Combinador 2x1

200 W

5W

Amp.

100 W

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 paralelo. Esa combinacin debe hacerse de modo tal que las seales sean exactamente de la misma 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 frecuencia, 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 combinador, (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 50 7 dBm 50

W0 V0

Fig. 3. Combinador de dos entradas.


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a) Seales coherentes (suma de voltajes) W1 = 10 dBm 10 mw = 0.01 w.

V1 = W1 Z = 0.01 50 = 0.707 VW2 = 7 dBm 5 mw = 0.005 w.

V2 = W2 Z = 0.005 50 = 0.5VV0 = V1 + V2 = 1.207 V

W0 =

V02 = 0.0291 w Z

14.64 dBm

b) Seales no coherentes (suma de potencias2). W1 = 10 dBm W2 = 7 dBm 10 mw = 0.01 w. 5 mw = 0.005 w. 11.76 dBm

W0 = W1 + W2 = 15 mw 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 en2

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 calentamiento, 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 amplificador 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 ofrece ciertas ventajas desde el punto de vista de diseo de las fuentes de alimentacin. 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 potencias 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 electrodos 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 tomo o molcula para producir una transicin de un estado dado a otro de mayor energa interna. 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 segundo 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 electrodos para causar la ionizacin como resultado de la aceleracin de los electrones u otras partculas cargadas, debido al campo producido entre los electrodos. Ionizacin. En general, un ion es una partcula elemental, o un grupo de partculas, con carga 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 constituyen 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 excitacin. 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. Convencionalmente 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 promedio no experimentan ninguna fuerza en alguna direccin especfica. Son estos electrones libres 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 superficie metlica, induce en sta una carga imagen positiva que tiende a atraerlo de nuevo al interior. 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 representativos de la funcin de trabajo en eV para varios metales. Tabla I. Funcin de trabajo en electrn volts para diversos metales Tungsteno Platino Tantalio Molibdeno Plata Bismuto Hierro Zinc Aluminio Calcio Litio Titanio Carbn Cobre Torio Magnesio Nquel Sodio 4.52 5.0 4.1 4.3 4.1 3.7 3.7 3.4 3.0 3.4 2.35 2.4 4.5 4.0 3.0 2.7 2.8 1.82

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El nivel de Fermi es el nivel de energa al que la funcin de distribucin estadstica de Fermi-Dirac, para un conjunto de partculas es igual a . Tambin se designa como energa de Fermi.


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Mercurio Calcio Bario Tungsteno toriado Oxido de nquel

4.4 2.5 2.0 2.63 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 consecuencia 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 apreciarse de la tabla I, los potenciales de contacto pueden ser del orden de 1 a 4 volts y es necesario 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 molculas, 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 trabajo, 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 significativa. 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.Emisor termoinico (ctodo) Colector (nodo)

Calefactor

Ampolla al vaco

Galvanmetro

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 fenmeno 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 galvanmetro ser mayor. Tal es el principio del diodo en el que se tienen solamente dos electrodos. 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 depende 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 restantes tomos en el metal y, por consecuencia, disminuye su temperatura. Por ello, el calentamiento del ctodo debe mantenerse de forma continua para evitar que se reduzca la temperatura 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 W kT

J s = AT edonde: Js A T k W b1

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(1)

= Corriente de emisin en A/cm2. = Constante que depende del material emisor, cuyo valor es del orden de 2. = Temperatura en kelvins. = Constante de Boltzmann (1.3810-23 J/K). = Funcin de trabajo. = 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 derecha. La ecuacin de Richardson-Dusham asume que la intensidad de campo elctrico en la superficie 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 segundo 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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Corriente de nodo Richardson-Dusham

V2 > V1

Voltaje de nodo, V1

Temperatura

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 intervienen 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 superficie 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 pequeos, 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 mayor parte de su energa a electrones alejados de la superficie. Los electrones primarios pueden ser absorbidos, reflejados o dispersados por la superficie y el nmero de electrones secundarios 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 proceso de colisin entre un ion pesado y un electrn, slo puede impartirse al electrn una pequea fraccin de la energa del ion, an en un choque frontal. Finalmente hay que mencionar que tambin los aisladores pueden emitir electrones secundarios.


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Emisin por campo. Los campos elctricos sobre las superficies emisoras de electrones tambin 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 superficie. 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 emisin 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 probabilidad de escape sea muy pequea, pueden alcanzarse densidades de corriente de emisin elevadas. 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 tantalio 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 consecuencia 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 encuentra un filamento calefactor que le proporciona la temperatura necesaria de emisin. Las temperaturas 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 filamentos.

(a)

(b) Fig 7. Tipos de filamentos

(c)

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, recubierto con metales de baja funcin de trabajo. Los mostrados en las figuras (b) y (c) pueden utilizarse en tubos de caldeo indirecto, pero ms en los de caldo directo en el el ctodo es el propio filamento, generalmente de tungsteno toriado. Prcticamente todas las vlvulas de potencia 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 depsitos 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 aumenta y tambin la emisin, pudiendo dar lugar a efectos acumulativos que traen como consecuencia 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 potencial entre reja y ctodo no es la misma en todos los puntos de la reja y vara segn la frecuencia del voltaje de alimentacin del filamento. Este problema no ocurre en los ctodos de caldeo 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 secundario, o bien un circuito como el de la figura 8, con lo que el filamento se divide virtualmente 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 ctodo. 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 coeficientes de dilatacin de los diversos materiales que la componen son diferentes, de modo que las variaciones de temperatura producen esfuerzos mecnicos que eventualmente pueden 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 salida 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 severas 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, principalmente entre ctodo y reja debe dimensionarse en proporcin inversa a la frecuencia de funcionamiento para evitar los problemas asociados al tiempo de trnsito que incluyen reduccin de la ganancia de potencia, carga excesiva sobre la fuente de excitacin del tubo, retrocalentamiento del ctodo a consecuencia del bombardeo electrnico por los electrones retornados 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, tpicamente 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 generacin. Corriente a travs del tubo. Como resultado de las capacidades interelectrdicas y de las capacidades 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 considerables esfuerzos mecnicos causados por las elevadas temperaturas, por ello es necesario contar 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 alimentacin, 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 estudio 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 comprender 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 bsica muestran en la figura 11.

Placa

Reja de control

Filamento Ctodo

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 curvas 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 VGVG

VBB

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 positivo 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.

=

v p vg

(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 placa, ip, manteniendo constantes los restantes voltajes de tubo y se define como:

rp =

v p i p

(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:

gm =

i p v g

(4)


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De las expresiones anteriores puede obtenerse la relacin siguiente: = g m rp

(5)

Neutralizacin. En los tubos de vaco estn presentes capacidades interelectrdicas e inductancias de terminal que constituyen elementos designados como parsitos y que actan, entre 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 reduce a un condensador externo conectado entre placa y reja. Algunos de estos circuitos se ilustran en la figura 16.

Fig. 16. Circuitos tpicos de neutralizacin. Aplicaciones de los trodos. En los sistemas industriales los trodos siguen utilizndose principalmente como osciladores de alta potencia, en circuitos de configuracin similar a los ilustrados 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, calentamiento 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 rectificadores 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 electromagntico, 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 corriente de radiofrecuencia, la cual genera corrientes de Foucault (eddy) en el secundario calentndolo. La profundidad de penetracin de estas corrientes est determinada por la frecuecia, la permeabilidad del material y su resistividad. Como generadores de RF por lo general 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 calentar 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 causando 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, excitacin 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 especficamente 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 amplificadores 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 audifilos 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 diseo 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 cincuenta, 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:

AV =

RLrp + RL

(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 potencias 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 ampolla 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 resonante 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 superiores 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 planetario, 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 desconoce 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 designa 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 smbolo utilizado para el tetrodo se muestra y su estructura en la figura 27.


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Placa

Reja pantalla Reja de control

Ctodo Filamento

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 blindaje 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 moderadas. Puesto que la pantalla constituye un blindaje electrosttico entre el ctodo y la placa, el voltaje 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 respecto 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 superiores 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 negativa, 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 emitidos por la placa que regresan a ella aumentan considerablemente y, a voltajes de placa ligeramente 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 prcticamente 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 eliminarse 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 espacio en la regin entre la pantalla y la placa para eliminar los efectos de la emisin secundaria. 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 directamente 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 ctodo 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 inyectada 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 blindaje 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 ausencia de ventilacin forzada en este tipo de tubos, da lugar a la fusin de la placa y la consiguiente destruccin del tubo en pocos minutos.

Fig. 32. Tetrodo de potencia 4CX250 Durante dcadas, los tetrodos fueron mejorndose y se consiguieron tubos capaces de entregar 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 eficiencia es buena 9. Diacrodos El diacrodo es un tubo desarrollado en los ltimos aos, que comenz a utilizarse en transmisores 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 entre el ctodo y la reja de control. En la figura 5.16 se muestra un diacrodo usado en amplificadores 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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Fotografa cortesa de Thomson Tubes Electroniques

(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 elevado 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 parmetros 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.

G. Clerc, J.P. Ichac and C. Robert. A New Generation of Grided Tubes for Higher Power and Higher Frequencies. IEEE, 1998.7


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Altura del ctodo. La regla que, de acuerdo a la experiencia, ha sido adoptada por los fabricantes 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 dictada, 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:

V ( x) = Vmax cos x = Psal RL cos xI ( x) = J Vmax sen x Zc

(7)

(8)

Donde, = 2/ 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 potencia 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 trodos 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 estructura 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 diacrodoImagen 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 punto 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 retornando 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 adicional 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 voltaje 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 potencia en los transmisores de radio y televisin tienen limitaciones de funcionamiento a frecuencias 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 hasta 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 klystrons han encontrado amplia aplicacin a frecuencias a partir de unos 500 MHz, como amplificadores 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 considerablemente 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 empleo de tetrodos y klystrons en los transmisores de alta potencia de diseo reciente. Researemos aqu algunas de las principales caractersticas del klystron. El klystron es un tubo o vlvula al vaco, utilizado en la generacin y amplificacin de seales de muy altas frecuencias, inventado por R. H. Varian en 1937. El funcionamiento del klystron, 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 aplicacin 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 cavidades 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 atenuadores en el interior del klystron, caracterstica muy importante y deseable en los amplificadores 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 cavidades, 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


39

Cavidad de entrada

Cavidad intermedi a

Imanes de confinamiento del hazelectrnico Cavidad de salida

Can electrnico

Colector Haz Electrnico Tubo de arrastre

Ctodo +

Anodo Seal de entrada Seal de salida

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 confinamiento 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 electrnico. 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 dentada, para aumentar el rea de disipacin trmica y reducir, adems, la posibilidad de que los electrones secundarios producidos por el impacto del haz electrnico sobre el nodo, regresen al interior del tubo de arrastre. La alimentacin y extraccin de las seales en las cavidades puede hacerse mediante lneas coaxiales terminadas en lazos acoplados o bien con guas de onda. En la figura 18 se ilustra, con algo ms de detalle la estructura interna de un klystron de tres cavidades. En los klystrons de cavidades mltiples o multicavidad, el haz electrnico es largo y requiere ser enfocado o confinado para que mantenga una seccin transversal pequea a lo largo del tubo. En tubos pequeos, o en los que es importante la influencia de campos magnticos pa-


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rsitos o en que se requiere bajo peso, se utilizan lentes electrostticas, pero en la mayora de los klystrons se emplea un campo magntico uniforme, paralelo al haz electrnico. En tubos de alta potencia (>5 KW), los tubos se insertan en el interior de electroimanes toroidales para confinar el haz electrnico en el centro del tubo. En la figura 38(a) se muestra un klystron de cuatro cavidades. Las cavidades en este tipo de tubo no son internas, sino que se acoplan externamente, como puede apreciarse en la figura 38(b). Las zonas de acoplamiento de las cavidades corresponden a las porciones blancas del tubo, en tanto que las secciones metlicas entre las cavidades corresponden a los tubos de arrastre.

(a)

(b)

Fig. 38. (a) Klystron de cuatro cavidades. La parte inferior corresponde al ctodo y lasuperior al colector. (b) Klystron de cuatro cavidades, montado en el carro para su instalacin en el transmisor. Se aprecian las cavidades externas y las bobinas de confinamiento del haz, localizadas entre las cavidades. En la parte superior se tiene el colector y el boiler o caldera para el enfriamiento del tubo.(Fotografas cortesa de English Electric Valve Co. Ltd.)

Con el fin de dar una idea de las dimensiones de los klystrons, en la figura 39 se muestra un klystron del tipo utilizado en aceleradores de partculas, capaz de entregar potencias pulsantes del orden de megawatts. El cilindro metlico en la parte superior es el caldern para enfriar el colector con vapor.


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Fig. 39. Klystron utilizado en aceleradores de partculasFoto cortesa de Marconi Applied Technologies

El haz electrnico que emerge del can, alcanza una gran velocidad como consecuencia de la elevada diferencia de potencial entre ctodo y nodo. En la primera regin del tubo de arrastre, entre el ctodo y la primera cavidad, slo acta el campo elctrico uniforme debido a esta diferencia de potencial, por lo que los electrones en esa regin tienen la misma velocidad. En la regin del tubo de arrastre frente a la cavidad de entrada, a la que se aplica la seal de RF, el campo elctrico es variable e interacciona con el haz electrnico, acelerando o frenando a los electrones que entran a esa regin con densidad y velocidad uniformes. Por consecuencia, los electrones que emergen de esa regin tendrn diferentes velocidades y formarn grupos. Este proceso, que se repite en la regin de la cavidad intermedia de la figura 5.20, se designa como modulacin de velocidad. La modulacin de velocidad en las cavidades da lugar, despus de un recorrido suficiente por las secciones del tubo de arrastre libres de campo variable, a modulacin de densidad del haz. Un aspecto importante de este proceso es que, si el voltaje de excitacin es suficientemente grande como para superar las fuerzas debidas a la carga de espacio, los electrones acelerados pueden adelantar a los retrasados a lo largo de las secciones del tubo de arrastre, a una distancia que se designa como distancia de cruce. Cuando esto ocurre, la corriente comienza a tener un contenido apreciable de armnicos y se ha encontrado9 que el valor ptimo de la componente fundamental ocurre a 1.84 veces la distancia de cruce. Los armnicos de la corriente son sorprendentemente grandes y alcanzan valores mximos a distancias ligeramente inferiores del parmetro de agrupamiento, que corresponden a dis-

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Davis, D.C. Vacuum Tubes. Cap. 9 de Electronics Designers Handbook. Ed. L. J. Giacoletto. McGraw Hill Book Co. 1977


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tancias de arrastre ms cortas, o a valores de excitacin menores que los de la distancia ptima de la fundamental. Extraccin de la energa. La energa se extrae en el espacio (gap) de la ltima cavidad y puede explicarse por el hecho de que en el klystron, el campo elctrico axial de la cavidad de salida est sometido a la accin de una serie de grupos de electrones que llegan con una frecuencia exactamente igual que la frecuencia de resonancia de la cavidad. Adems, la fase del voltaje variable de salida es tal que se opone al movimiento de los electrones a travs del gap, lo que significa que el campo es desacelerador, alcanzando un valor mximo cuando un grupo de electrones pasa a travs del gap. Medio ciclo despus, el campo proporciona mxima aceleracin a los electrones, pero puesto que el haz est formado por grupos peridicos, se aceleran menos electrones de los que son frenados y, por consecuencia, hay un flujo neto de potencia del haz hacia el campo de la cavidad. Esta energa, que puede extraerse mediante un lazo o espira acoplada, o bien a travs de una abertura (iris) seguida de una gua de onda, constituye la potencia til de salida del tubo. La corriente efectiva inducida en la cavidad de salida es casi igual a la componente de la fundamental de la corriente del haz. En klystrons de dos cavidades, en que a la primera se aplica la seal de entrada y se extrae en la segunda, la ganancia de potencia producida por la interaccin entre el haz electrnico y las cavidades es de aproximadamente 10 dB. Cada cavidad intermedia adicional sintonizada a la frecuencia de la seal, aumenta la ganancia del klystron del orden de 20 dB10. Estas cavidades intermedias no estn acopladas externamente entre s y son excitadas por el haz de corriente de RF que, a su vez, remodula la velocidad del haz. En klystrons de cuatro cavidades pueden conseguirse ganancias de potencia hasta de 60 dB. Para lograr anchos de banda grandes, como en el caso de televisin, algunas de las cavidades estn desintonizadas ligeramente en forma escalonada. En estas condiciones, el aumento en la ganancia se logra a expensas de reducir la ganancia. Para aumentar la eficiencia de funcionamiento del klystron de dos cavidades, es necesario agregar ms cavidades y, adems, desintonizar la penltima cavidad, de modo que su frecuencia de resonancia sea mayor que la de funcionamiento, es decir, sintonizar la cavidad del lado alto de la banda.. Esto tiene como consecuencia una moderada reduccin en la ganancia, pero mejora considerablemente la eficiencia. 11. Klystron de colector escalonado11 Una de las desventajas del klystron convencional es que el haz electrnico de alta velocidad, al impactar en el colector disipa una gran cantidad de energa que se pierde en forma de calor. Esto da como resultado una eficiencia relativamente baja y, por otra parte, obliga a extraer rpidamente el calor generado en el colector. Con el fin de reducir este problema y aumentar la eficiencia del tubo, se desarroll el klystron de colector escalonado, en que el colector en lugar de formar un cuerpo nico, se constituy

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