13.9: Tubos de ionización (llenos de gas)

Hasta ahora, hemos explorado tubos que son totalmente “evacuados” de todo el gas y vapor dentro de sus envolventes de vidrio, conocidos como tubos de vacío. Con la adición de ciertos gases o vapores, sin embargo, los tubos adquieren características significativamente diferentes, y son capaces de cumplir ciertos roles especiales en los circuitos electrónicos.

Cuando se aplica un voltaje suficientemente alto a través de una distancia ocupada por un gas o vapor, o cuando ese gas o vapor se calienta suficientemente, los electrones de esas moléculas de gas serán despojados de sus respectivos núcleos, creando una condición de ionización. Habiendo liberado a los electrones de sus enlaces electrostáticos a los núcleos de los átomos, son libres de migrar en forma de corriente, haciendo del gas ionizado un conductor relativamente bueno de la electricidad. En este estado, el gas se conoce más adecuadamente como plasma.

El gas ionizado no es un conductor perfecto. Como tal, el flujo de electrones a través del gas ionizado tenderá a disipar la energía en forma de calor, ayudando así a mantener el gas en un estado de ionización. El resultado de esto es un tubo que comenzará a conducir bajo ciertas condiciones, luego tenderá a permanecer en un estado de conducción hasta que el voltaje aplicado a través del gas y/o la corriente generadora de calor caiga a un nivel mínimo.

El astuto observador notará que este es precisamente el tipo de comportamiento que exhibe una clase de dispositivos semiconductores llamados “tiristores”, que tienden a permanecer “encendidos” una vez que están “encendidos” y tienden a permanecer “apagados” una vez apagados. Los tubos llenos de gas, se puede decir, manifiestan esta misma propiedad de la histéresis.

A diferencia de sus homólogos de vacío, los tubos de ionización a menudo se fabricaban sin filamento (calentador) en absoluto. Estos fueron llamados tubos de cátodo frío, con las versiones calentadas designadas como tubos de cátodo caliente. Si el tubo contenía o no una fuente de calor obviamente afectó las características de un tubo lleno de gas, pero no en la medida en que la falta de calor afectaría el rendimiento de un tubo de vacío duro.

El tipo más simple de dispositivo de ionización no es necesariamente un tubo en absoluto; más bien, está construido de dos electrodos separados por un hueco lleno de gas. Simplemente llamado un espacio de chispa, el espacio entre los electrodos puede estar ocupado por aire ambiente, otras veces un gas especial, en cuyo caso el dispositivo debe tener una envoltura sellada de algún tipo.

Una aplicación principal para las brechas de chispa es la protección contra sobretensiones. Diseñado para no ionizar, o “romper” (comenzar a conducir), con voltaje normal del sistema aplicado a través de los electrodos, la función de la chispa es conducir en caso de un aumento significativo en el voltaje. Una vez conducida, actuará como una carga pesada, manteniendo el voltaje del sistema bajo a través de su gran consumo de corriente y posterior caída de voltaje a lo largo de los conductores y otras impedancias en serie. En un sistema correctamente diseñado, la brecha de chispa dejará de conducir (“extinguirá”) cuando el voltaje del sistema disminuya a un nivel normal, muy por debajo del voltaje requerido para iniciar la conducción.

Una advertencia importante de las brechas de chispa es su vida significativamente finita. La descarga generada por dicho dispositivo puede ser bastante violenta, y como tal tenderá a deteriorar las superficies de los electrodos a través de picaduras y/o fusión.

Las chispas se pueden hacer para conducir bajo comando colocando un tercer electrodo (generalmente con un borde o punta afilada) entre los otros dos y aplicando un pulso de alto voltaje entre ese electrodo y uno de los otros electrodos. El pulso creará una pequeña chispa entre los dos electrodos, ionizando parte de la vía entre los dos electrodos grandes, y permitiendo la conducción entre ellos si el voltaje aplicado es lo suficientemente alto:

Las brechas de chispa de la variedad disparada y no activada se pueden construir para manejar grandes cantidades de corriente, ¡algunas incluso en el rango de mega-amperios (millones de amperios)! El tamaño físico es el principal factor limitante de la cantidad de corriente que una brecha de chispa puede manejar de manera segura y confiable.

Cuando los dos electrodos principales se colocan en un tubo sellado lleno de un gas especial, se forma un tubo de descarga. El tipo más común de tubo de descarga es la luz de neón, utilizada popularmente como fuente de iluminación colorida, siendo el color de la luz emitida dependiendo del tipo de gas que llena el tubo.

La construcción de lámparas de neón se asemeja mucho a la de las brechas de chispa, pero las características operativas son bastante diferentes:

Al controlar el espaciado de los electrodos y el tipo de gas en el tubo, se puede hacer que las luces de neón conduzcan sin extraer las corrientes excesivas que hacen las chispas. Todavía exhiben histéresis en que se necesita un voltaje más alto para iniciar la conducción que para hacerlos “extinguir”, y su resistencia es definitivamente no lineal (cuanto más voltaje se aplique a través del tubo, más corriente, por lo tanto más calor, por lo tanto menor resistencia). Dada esta tendencia no lineal, no se debe permitir que el voltaje a través de un tubo de neón supere cierto límite, para que el tubo no se dañe por temperaturas excesivas.

Esta tendencia no lineal le da al tubo de neón una aplicación distinta a la iluminación colorida: puede actuar algo como un diodo zener, “sujetando” el voltaje a través de él dibujando cada vez más corriente si el voltaje disminuye. Cuando se usa de esta manera, el tubo se conoce como un tubo incandescente, o tubo regulador de voltaje, y era un medio popular de regulación de voltaje en los días del diseño del circuito del tubo de electrones.

Por favor, tome nota del punto negro que se encuentra en el símbolo del tubo mostrado arriba (y en el símbolo de la lámpara de neón que se muestra antes de eso). Ese marcador indica que el tubo está lleno de gas. Es un marcador común utilizado en todos los símbolos de tubos llenos de gas.

Un ejemplo de un tubo incandescente diseñado para la regulación de voltaje fue el VR-150, con un voltaje de regulación nominal de 150 voltios. Su resistencia a lo largo de los límites permisibles de corriente podría variar de 5 kΩ a 30 kΩ, un lapso de 6:1. Al igual que los circuitos reguladores de diodo zener de hoy, los reguladores de tubo incandescente podrían acoplarse a tubos de amplificación para una mejor regulación de voltaje y mayores rangos de corriente de carga

Si un triodo regular se llenara de gas en lugar de un vacío duro, manifestaría toda la histéresis y no linealidad de otros tubos de gas con una ventaja importante: la cantidad de voltaje aplicado entre la rejilla y el cátodo determinaría el voltaje mínimo de placa a cátodo necesario para iniciar la conducción. En esencia, este tubo era el equivalente al semiconductor SCR (Silico-Controlled Rectifier), y se llamaba el tiratrón.

Cabe señalar que el esquema mostrado anteriormente se simplifica enormemente para la mayoría de los propósitos y diseños de tubos de tiratrón. Algunos tiratrones, por ejemplo, requerían que el voltaje de la red conmutara la polaridad entre sus estados “on” y “off” para que funcionara correctamente. Además, ¡algunos tiratrones tenían más de una grilla!

Los tiratrones encontraron uso de la misma manera que los SCR encuentran uso hoy en día: controlando CA rectificada a cargas grandes como motores. Los tubos de tiratrón se han fabricado con diferentes tipos de rellenos de gas para diferentes características: gas inerte (químicamente no reactivo), gas hidrógeno y mercurio (vaporizado en forma de gas cuando se activa). El deuterio, un isótopo raro de hidrógeno, se utilizó en algunas aplicaciones especiales que requirieron la conmutación de altas tensiones.