La ciencia de Toquelec: noviembre 2013

Válvula de vacío rectificadora PY88 junto a un diodo de cristal moderno

La última vez hablamos del principio del efecto termoiónico, pero ahora vamos tratar de una aplicación de este efecto en la electrónica, el diodo termoiónico o diodo de vacío.

El diodo termoiónico no es más que una ampolla de vidrio a la que se le ha practicado un vacío parcial, en cuyo interior se alojan dos elementos fundamentales, un filamento metálico y una placa metálica con una conexión al exterior.

Otra cosa muy importante es que este elemento al igual que un diodo convencional de la actualidad solo permite que la corriente eléctrica circule en un solo sentido. En este caso la corriente de electrones solo puede circular del filamento a la placa.

Si nos fijamos en la explicación del efecto termoiónico con una bombilla incandescente recubierta con una malla metálica, podemos ver las similitudes entre esta y el diodo termoiónico, el filamento de la bombilla convencional actúa de la misma manera que el del diodo, y la malla que recubre la bombilla actúa como la placa, solo que esta última se encuentra dentro de la propia ampolla de vidrio, esto hace que se incremente notablemente el número de electrones que pueden circular entre el filamento y la placa, ya que ahora estos electrones solo tiene que circular a través del vacío de la ampolla y no a través del cristal de la bombilla y las moléculas de aire que hay entre el cristal y la malla.

Pero, ¿por qué la corriente solo puede circular del filamento a la placa y no al contrario?, bueno, veamos unos circuitos y haber si nos aclaran un poco la respuesta.

Sentido de la circulación de electrones

En el circuito de la derecha podemos ver que el filamento está alimentado con un generador de corriente continua lo cual hace que el filamento se torne incandescente y comience a emitir electrones, claro, si emite electrones, este filamento va a pasar a tener un defecto de electrones y va a tratar de volver a recuperarlos, y como está conectado al polo negativo de la batería que casualmente por ser el polo negativo va a tener un exceso de electrones, pues, se los puede coger sin problemas.

Por otra parte la placa como está conectada al polo positivo de la batería que casualmente por se positivo tiene un defecto de electrones, la propia batería va a tratar de recuperar los electrones que le faltan y como solo puede cogerlos del único elemento al que está conectado, en este caso la placa, pues se los quitará de la placa haciendo que esta pase a tener también un defecto de electrones, y aquí viene la clave de todo, llegados a este punto tenemos un filamento que por un lado emite electrones al vacío y por el otro lado cogiendo electrones del polo negativo de la batería, y por otra parte, tenemos ahora una placa con defecto de electrones que va a tratar de recuperarlos como sea, y como filamento y placa está próximos, si uno está dando electrones y el otro los quiere coger, se establecerá entonces una circulación de electrones en el vacío de la ampolla de vidrio creándose una corriente de electrones desde el filamento a la placa, y registrándose dicha circulación en el miliamperímetro a través del circuito exterior.

¡Vale!, pero... todavía no me has explicado porqué solo puede circular la corriente en un solo sentido.

Sin circulación de corriente.

Sí, sí… ahora vamos a ello.

Supongamos que invertimos la polaridad de la batería y el filamento lo conectamos al positivo en vez de al negativo y la placa al negativo en vez del positivo y a continuación le metemos tensión al filamento, este va a comenzar como siempre a emitir electrones, pero ahora como la placa está conectada al polo negativo de la batería se va a volver negativa con un exceso de electrones y como cargas de igual signo se repelen, los electrones que emita el filamento van a ser repelidos por la placa que también es negativa, así que no podrá establecerse una corriente de electrones entre el filamento y la placa.

De ahí que este elemento reciba el nombre de diodo termoiónico, ya que actúa igual que el diodo convencional permitiendo solo el paso de la corriente en un solo sentido, y bloqueándolo en el otro.

Válvula PY88

Vamos a ver ahora como es un diodo termoiónico real por dentro, en la siguiente imagen podemos ver una válvula PY88 la cual se empleaba frecuentemente como rectificadora en las antiguas televisiones.

Esta válvula es de caldeo indirecto, esto quiere decir que el filamento no es el que emite directamente los electrones (caldeo directo) sino que al filamento se le recubre con un cilindro metálico llamado también cátodo que se calienta con el filamento actuando este únicamente como elemento calefactor y es este cilindro el que emite los electrones.

De este modo se consigue un doble objetivo, separar eléctricamente el circuito del cátodo del circuito del filamento, y además, como el poder emisor de electrones depende del material (por mucho que calentemos un metal existe un límite de emisión) debido a que hay pocos metales que se puedan emplear como filamento soportando altas temperaturas, al envolver este con un tubo de otro material se puede usar otro metal que emita más electrones al calentarse y se le puede recubrir con sustancias que aumenten este poder emisor aún más, como el óxido de bario.

Aquí podemos ver en detalle el filamento y el cátodo que envuelve el filamento.

Detalle del filamento y el cátodo de la PY88

La placa en esta válvula es la lámina que aparece en color gris oscuro y que se puede ver en la fotografía que envuelve a su vez al cátodo.

Detalle del interior de la PY88

A continuación vamos a ver otro ejemplo de cátodo, en este caso de un triodo en el que podemos ver más en detalle el propio cátodo y su recubrimiento de óxido de bario.