Tubo de vacío (válvula termoiónica): qué es y cómo funciona

Un tubo de vacío, también llamado válvula en inglés, es un dispositivo electrónico utilizado durante gran parte del siglo XX en radios, televisores y amplificadores. Su principio básico es sencillo: un cátodo se calienta (como en una bombilla) hasta emitir electrones por emisión termoiónica; esos electrones son recogidos por el ánodo u otras electrodos para producir y controlar corriente eléctrica. Los tubos de vacío deben estar calientes para funcionar, son mayoritariamente de vidrio y, por tanto, frágiles. Se utilizaron en los primeros ordenadores, como el ENIAC, lo que hacía que estas máquinas fueran voluminosas y de mantenimiento exigente.

Partes principales

Los elementos fundamentales de un tubo de vacío típico son:

Cátodo: elemento que se calienta y emite electrones por emisión termoiónica.
Ánodo (placa): colector de electrones; su tensión determina la corriente de placa.
Rejillas (cuando existen): introducen control sobre el flujo de electrones (por ejemplo, rejilla de control en un triodo). Pueden añadirse rejillas de pantalla o supresión en tetrodos y pentodos.
Filamento: hilo que calienta directamente el cátodo (o que sirve de cátodo indirecto) y proporciona la temperatura adecuada para la emisión.
Envuelta de vidrio o metal: mantiene el vacío y sirve de aislamiento.

Cómo funciona (explicación simple)

Al calentar el cátodo, los electrones adquieren suficiente energía para escapar de la superficie (emisión termoiónica). Si existe una diferencia de potencial positiva entre el ánodo y el cátodo, los electrones son acelerados hacia el ánodo y generan corriente. La presencia de una rejilla entre cátodo y ánodo permite modular esa corriente con pequeñas variaciones de tensión en la rejilla: así un pequeño cambio de tensión de rejilla produce un cambio mayor en la corriente de placa, permitiendo amplificar señales.

Tipos comunes

Diodo: tiene cátodo y ánodo; sirve para rectificación.
Triodo: añade una rejilla de control; permite amplificación.
Tetrodo y pentodo: incorporan más rejillas para mejorar ganancia y reducir efectos indeseados como la capacidad interelectrodos.
Tubos de potencia y de RF: diseñados para altas potencias y/o radiofrecuencia (ej.: magnetrones, klystrons).

Usos históricos y actuales

Históricamente fueron la base de la electrónica: radios, televisores, equipos de audio, emisoras de radio y los primeros ordenadores. Con la aparición del transistor en los años 50 y 60, los tubos fueron reemplazados en la mayoría de aplicaciones por su menor tamaño, consumo y fragilidad. Sin embargo, hoy siguen usándose en:

Amplificadores de audio de alta gama y en guitarras, por su característica tonal apreciada por músicos y audiófilos.
Transmisores de alta potencia y equipos de microondas (algunas aplicaciones industriales y militares).
Aplicaciones científicas y de radiofrecuencia donde la robustez frente a picos o ciertas propiedades eléctricas siguen siendo ventajosas.

Ventajas y desventajas

Ventajas: tolerancia a sobrecargas transitorias, calidad sonora valorada en audio, capacidad para altas potencias y altas tensiones.
Desventajas: tamaño y peso, consumo de energía por calefacción, tiempo de calentamiento, fragilidad mecánica, generación de calor y necesidad de tensiones elevadas.

Mantenimiento y precauciones

No golpearlos: la envoltura de vidrio se puede romper fácilmente.
Asegurar ventilación adecuada: generan calor y necesitan disipación.
Precaución con tensiones altas: los circuitos con tubos suelen usar decenas o cientos de voltios, a veces más.
Evitar cambios bruscos de polarización y manejar con cuidado durante pruebas y reemplazos.

Notas históricas

El uso de tubos de vacío permitió la electrónica moderna: amplificación de señales débiles, conmutación y rectificación en una época previa a los semiconductores. Proyectos emblemáticos como el ENIAC emplearon miles de tubos, lo que implicaba un gran consumo energético y una alta tasa de fallos relativos que exigía constante mantenimiento.

Estructura de un triodo de tubo de vacío

Un tubo de vacío, tipo 6P1P

Historia

Aunque el tubo de vacío fue inventado por John Ambrose Fleming, fue Thomas Edison quien más tarde descubrió el "efecto Edison", que afirma que la electricidad no necesita necesariamente un material sólido para moverse, sino que también puede hacerlo a través de gases o del vacío. Sin esta constatación, los tubos de vacío nunca se habrían inventado.

John Ambrose Fleming inventó el primer tubo de vacío, el diodo, en 1904. Lee De Forest inventó el "audión" en 1906 (que fue mejorado por otros como el triodo en 1908) y utilizado en los primeros amplificadores telefónicos. Se inventaron muchos otros tipos para diversos fines.

El transistor se abarató en los años 60 y era mucho más pequeño, funcionaba con tensiones más bajas y consumía menos energía. Además, a diferencia de los tubos de vacío, era mucho menos probable que se dañaran al caerse y tenían una vida útil extremadamente larga. Finalmente, también eran mucho más baratos que los tubos de vacío de vidrio. En esta época, la mayoría de las radios, televisores y amplificadores empezaron a utilizar transistores. La electrónica de alta potencia, como los transmisores de radiodifusión, se transistorizó más lentamente. Los receptores de televisión siguieron utilizando el tubo de rayos catódicos hasta mediados de la década de 2000.

Usos actuales

En el siglo XXI, los tubos de vacío apenas se utilizan en los equipos electrónicos habituales. Hoy en día, muchos dispositivos utilizan el transistor en lugar del tubo de vacío. Sin embargo, algunos dispositivos que todavía utilizan el tubo de vacío son:

Sistemas que necesitan un funcionamiento de alta frecuencia, una salida de alta potencia o una amplificación muy elevada, como la transmisión de televisión, las máquinas de rayos X, el radar y los hornos de microondas.
Las personas que disfrutan escuchando música en sistemas estéreo domésticos de alta calidad a veces compran amplificadores que utilizan tubos de vacío. (Véase sonido a válvulas).
Los músicos que tocan instrumentos musicales eléctricos, como la guitarra eléctrica, utilizan a veces amplificadores de válvulas de vacío.
Las pantallas fluorescentes de vacío, que son finas pantallas de tubo de vacío que muestran información sencilla como números, siguen siendo bastante comunes en los equipos de audio/vídeo y en los electrodomésticos, aunque están siendo sustituidas por pantallas LED.
Varias aplicaciones especializadas, como los tubos fotomultiplicadores.

Tubo de magnetrón de cavidad de un horno de microondas