El efecto termoiónico III. El triodo

Triodo y su homólogo moderno, el transistor.

Se vio con anterioridad cual era el uso y cómo funciona un diodo termoiónico, sin embargo si a este le añadimos un nuevo electrodo a los dos que ya posee tenemos lo que se conoce como triodo termoiónico.

Este nuevo electrodo se llama rejilla quedando colocado entre el cátodo y la placa, siendo comúnmente un hilo metálico que va enrollado dispuesto en forma de espiral alrededor del cátodo.

En la siguiente imagen podemos ver en detalle la rejilla alrededor del cátodo de un triodo.

Detalle ampliado de la rejilla alrededor del cátodo.

A simple vista podemos imaginarnos que este nuevo elemento debe de actuar como una especie de barrera para los electrones que circulan desde el cátodo a la placa, y de hecho así es.

A continuación vamos a insertar un triodo en un circuito para poder estudiar cómo se comporta este tipo de válvula.

Como podemos observar tenemos tres circuitos, el circuito A con la batería A que es la que se encarga de calentar el filamento para que emita electrones, el circuito B cuya batería B suministra tensión al circuito formado por el cátodo y placa, y por último tenemos el circuito C, cuya batería cierra el circuito entre el cátodo y la rejilla.

Ejemplo 1.

Veamos que pasa en el primer caso, la rejilla en este momento está conectada al cátodo por lo que la diferencia de potencial entre la propia rejilla y el cátodo será de 0 voltios, es decir, tienen el mismo potencial, esto supone que cuando los electrones emitidos por el cátodo y que se dirigen a la placa atraviesan la barrera que forma la rejilla no van a encontrar ningún impedimento por parte de esta, ya que la rejilla no tiene ni mayor ni menor potencial con respecto al cátodo. Podríamos decir que en este supuesto el triodo responde como un diodo.

Ejemplo 2.

Pero que pasaría si comenzamos a aplicar una tensión cada vez más negativa a la rejilla (ejemplo 2), ocurrirá que, los electrones que parten del cátodo cuando se acerquen a la rejilla se van a encontrar con que esta ahora tiene una carga negativa, y como los propios electrones también tiene carga negativa, una parte de ellos van a ser repelidos (cargas de igual signo se repelen) nuevamente hacia el cátodo, por lo que ahora no todos los electrones que parten del cátodo va a lograr llegar a la placa como lo hacían antes.

Ejemplo 3.

Si progresivamente vamos comunicando un potencial cada vez más negativo a la rejilla (ejemplo 3) llegará un momento en que ningún electrón consiga llegar a la placa, y por lo tanto el miliamperímetro no registrará ninguna corriente. Esta tensión que se aplica a la rejilla a la cual se produce este fenómeno se denomina tensión de corte de rejilla.

Ahora vamos a ir un poco más allá, si observamos con detenimiento la imagen del triodo abierto vemos que la distancia entre la rejilla y el cátodo es mucho menor que entre la rejilla y la placa, esto es fundamental para comprender la aplicación por excelencia de los triodos.

Placa destapada para apreciar la rejilla y el cátodo.

Disposición de los elementos dentro del triodo.

Partiendo de la Ley de Coulomb que en esencia dice que cuanto menor sea la distancia entre dos cargas más van a interaccionar entre ellas sus fuerzas, tenemos que los electrones cuando partan del cátodo se va encontrar con una fuerza de atracción por parte de la placa y una fuerza de repulsión por parte de la rejilla, pero, y aquí está la clave, como la distancia entre cátodo y rejilla es menor que entre cátodo y placa, la propia rejilla aún con menos tensión que la propia placa va a poder influenciar más a los electrones que la placa, precisamente por estar más cerca.

Pongamos un ejemplo, supongamos que para tener una corriente por el circuito B de digamos 50 mA se necesita una diferencia de potencial de 150 voltios entre placa y cátodo, y, teniendo la rejilla conectada al cátodo como en el primer ejemplo, a su vez, si queremos que por este mismo circuito no pase ninguna corriente necesitamos aplicarle una tensión negativa a la rejilla 10 voltios (tensión de corte de rejilla).

De esto podemos deducir que con 0 voltios (con respecto a cátodo) en la rejilla el miliamperímetro registra 50 mA y que si aplicamos 10 voltios a la rejilla el miliamperímetro marcará 0 mA, es decir, que con una tensión aplicada a la rejilla que es 15 veces más pequeña (150/10) que la tensión del circuito B, podemos controlar la corriente total del propio circuito B, o dicho de otra forma, la tensión aplicada a la rejilla produce cambios proporcionales en la corriente que pasa por el circuito B con una relación de 1:15, así que, estamos consiguiendo una amplificación.

Esta es precisamente la aplicación más potente que tienen los triodos termoiónicos, la de su uso como amplificadores, pudiendo usarse como amplificadores de señal en radiofrecuencia, amplificadores de sonido..., y que en la actualidad su homologo sería el transistor.

La siguiente imagen muestra el interior de una válvula ECC82, una válvula de doble triodo.

Detalle de los dos triodos.

Efecto termoiónico II. El diodo de vacío

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.

Detalle del cátodo y su recubrimiento

Este es el detalle de la placa, el cátodo y el filamento de la válvula rectificadora doble EAA91.

El efecto termoiónico (I)

En anteriores ocasiones ya hablamos sobre la ionización mediante campos eléctricos muy intensos e incluso mediante la aplicación de calor con una llama, a este último fenómeno se le conoce como efecto termoiónico y vamos a ver más en profundidad cómo es ese proceso de ionización y en qué consiste. 

Los metales están compuestos por átomos en los que a su alrededor circulan sus electrones describiendo órbitas entorno a su núcleo. 

La distancia que separa las diferentes órbitas que recorren los electrones alrededor del núcleo del átomo van en función de la propia energía que poseen dichos electrones, de tal manera que cuanta mayor energía tienen, mayor capacidad albergan para alejarse del núcleo, esto es porque los electrones tienen carga negativa y los protones que forman parte del núcleo tiene carga positiva, así que como cargas de distinto signo se atraen, el núcleo ejerce una fuerte atracción sobre el electrón, de este modo para que pueda alejarse, tendrá que poseer más energía y así podrá distanciarse aún más. 

Desplazamiento de electrones libres en un metal

De tal modo que se puede afirmar que el electrón más alejado del núcleo es el que tiene mayor energía propia, de hecho estos electrones están tan alejados que la fuerza de atracción con respecto al núcleo es tan débil que a veces pueden escaparse del átomo convirtiéndose en un electrón libre, cuando esto ocurre, el átomo que se ha quedado con un electrón de menos pasa a convertirse en un ion positivo ya que ahora posee más protones que electrones, y la carga resultante del átomo será entonces positiva. 

Pero ahora este ion positivo al tener una carga total positiva va a tratar de volver a un estado neutro y para ello tiene que obtener como sea otro electrón, y como resulta que los átomos que tiene a su alrededor también poseen electrones muy alejados del núcleo y ahora nuestro ion positivo tiene una carga positiva, va a ejercer una fuerte atracción sobre cualquier otro electrón que se acerque, y se lo quitará del átomo más próximo, (o de cualquier otro electrón libre que se acerque demasiado), ahora este nuevo átomo que se ha quedado sin un electrón intentará volverse neutro como el anterior, repitiéndose así una y otra vez el mismo proceso. 

Dicho de otra manera, dentro del metal tendremos un movimiento continuo de electrones libres circulando y chocando de un lado a otro, pero siempre se mantienen dentro del metal porque aunque un electrón libre posee más energía que cuando está ligado a un átomo no es lo suficientemente fuerte, y siempre se verá atraído por esos iones positivos que otros electrones han creado al abandonar los átomos. 

Emisión de electrones por calentamiento del metal

Todo esto sucede a temperatura ambiente, pero si aportamos calor al metal estamos aplicando una energía extra a esos electrones, por lo que estos electrones libres aumentarán su velocidad de desplazamiento, y ocurre que, cuando se calienta lo suficiente, estos electrones libres pueden alcanzar tal energía que su velocidad sea tan elevada como para contrarrestar la fuerza de atracción de esos iones positivos y escapar por completo de la estructura metálica. 

Esto quiere decir que cuando un electrón consigue escaparse fuera del átomo obtenemos un ion positivo y si además también consigue escapar de la estructura metálica, como resultado obtendremos un metal cargado positivamente. 

Pero como no vamos a creernos esto porque si, vamos a demostrarlo con el siguiente experimento, que consiste en una bombilla recubierta con una malla metálica, en este caso el metal que vamos a calentar va a ser el filamento haciendo circular una corriente eléctrica a través de él para que se ponga incandescente, esto producirá una emisión de electrones por parte de este, por lo que el filamento se quedará cargado positivamente al tener un defecto de electrones, y esos electrones los recogeremos con la malla metálica que recubre la bombilla.

Vista del montaje para el experimento

Para demostrarlo conectaremos la punta de prueba de un polímetro a un extremo de la conexión del filamento y la otra punta a la malla, comprobando que en el lado del filamento al emitir este electrones quedará cargado positivamente (punta de prueba roja) y se convertirá en este caso en el polo positivo.

A su vez, como el filamento está conectado a la malla exteriormente a través del polímetro, el propio filamento al quedar cargado positivamente va comenzar a coger electrones de todo aquello a lo que esté unido eléctricamente, en este caso la malla, por lo que esta se volverá positiva precisamente por carecer ahora de electrones y que también tratará de recuperar esos electrones que le faltan.

De este modo, algunos de los electrones emitidos al vacío por el filamento, se verán atraídos por esta malla que es positiva y en la que parte de los electrones tenderán a acumularse ya que no todos pueden volver al filamento a través del cable exterior debido a la alta resistencia que ofrece el polímetro, y por tanto, tendrá  poco a poco un exceso de electrones y la malla se convertirá en el polo negativo (punta de prueba negra). 

Como se observa en la siguiente imagen se produce una diferencia de potencial, entre filamento y malla, y el polímetro registra esa tensión.

Esquema del montaje

También podemos ver que si invertimos la conexión de las puntas de prueba la lectura aparece con un valor negativo, por lo que, aunque el filamento está alimentado con una corriente alterna, se está generando una tensión continua entre filamento y malla, es decir una tensión que posee polaridad. 

Inversión de la polaridad de las puntas de prueba

Emisión de electrones desde el filamento

Y otra cosa muy importante, los electrones solo pueden circular del filamento a la malla y no en sentido contrario. Más adelante veremos la importancia que tiene este fenómeno. 

En el siguiente vídeo podemos ver cómo se desarrolló el experimento y ver que la diferencia de potencial es proporcional a la intensidad luminosa de la bombilla, es decir, que cuanto más caliente esté el filamento, la emisión de electrones será mayor y mayor será la diferencia de potencial.

Al desconectar una punta, la tensión es nula aún cunado la otra punta está conectada a la fase

Detalle de la separación total de la malla a cualquier otro elemento conductor