Elettronica pratica/Valvole elettroniche

Contrapposizione elementi attivi e passivi

Le componenti passive non hanno guadagno e non sono valvole elettroniche.

• Regolatori di tensione. Una componente attiva che accetta una gamma di tensioni e ritorna una tensione costante.

Valvole termoioniche

Il modo in cui lavora è quello di un catodo (emettitore di elettroni), che è un filamento riscaldato che emette degli elettroni che viaggiano attraverso il vuoto verso un anodo (accettatore di elettroni). Delle variazioni delle valvole termoioniche hanno posto una griglia tra l'anodo e il catodo per controllare il flusso di elettroni. Con l'applicare una tensione negativa nello spazio tra i due è possibile arrestare il flusso di elettroni. Questo è il fondamento dell'amplificatore a valvola termoionica. L'unico problema con le valvole termonioniche è che esse sono grandi, ingombranti, ed intese per applicazioni che coinvolgono grandi potenze. Esse necessitano di molta energia e tendono a rompersi, il che vuol dire che l'involucro si rompe ed il vuoto termina di essere un vuoto. Gli amplificatori a valvole termoioniche sono stati sostituiti con amplificatori a transistori, poiché sono a basso consumo energetico e sono molto più compatti.

La differenza di tensione diretta dal catodo all'anodo è nota come tensione diretta di lavoro. C'è pure una tensione di lavoro inversa, che opera in senso opposto. Le valvole termoioniche non hanno una tensione inversa di lavoro a motivo della loro costruzione, ma la possiedono i semiconduttori, sebbene essa sia elevata e probabilmente capace di distruggere il circuito. Tuttavia ci sono alcune parti che operano nelle direzioni di lavoro diretta ed inversa. Negli anni recenti, però, le valvole termoioniche stanno riaffacciandosi tra gli audioamatori che credono che esse offrano un suono più pieno e caldo. Ciò è dovuto al fatto che le valvole eccessivamente attivate piegano la forma d'onda in una curva dolce, piuttosto che operare una netta interruzione associata con gli amplificatori a transistori bipolari.

Klystron

Un klystron è una valvola elettronica impiegata per generare energia a microonde. Questo dispositivo è messo in relazione con il magnetron, ma è diverso. Il klystron è stato inventato dopo il magnetron. Il klystron funziona secondo un principio noto come modulazione di velocità. Il klystron è un tubo a vuoto lungo e stretto. C'è un cannone elettronico (riscaldatore, catodo, formatore di raggio) ad un'estermità ed un anodo all'altra. Nel mezzo c'è una serie di strutture di cavità risonanti a forma di krapfen cosi collocate che gli elettroni passano attraverso i fori.

La prima e l'ultima cavità risonanti sono collegate elettricamente insieme. Al catodo il fascio elettronico è relativamente uniforme. Ci sono dei leggeri aumenti e diminuzioni naturali di densità degli elettroni del fascio. Come il fascio attraversa i fori delle cavità risonanti, tutte le variazioni della densità del fascio elettronico producono delle variazioni del campo magnetico stazionario (EM) delle cavità. I campi EM delle cavità iniziano ad oscillare. Il campo oscillante EM delle cavità ha quindi un effetto sugli elettroni che le attraversano sia di rallentare quanto di accelerare il loro passaggio.

Quando il campo EM della prima cavità influisce sugli elettroni essi cambiano la loro velocità. A questa variazione nella velocità si dà il nome di modulazione di velocità. Al momento in cui gli elettroni giungono all'ultima cavità nel fascio ci sono dei gruppi definiti. I gruppi interagiscono con l'ultima cavità facendola oscillare in modo più pronunciato. Parte dell'energia dell'ultima cavità viene derivata e riportata alla prima cavità per aumentarne l'oscillazione. Le oscillazioni più forti nella prima cavità producono ancora degli aggruppamenti più forti di elettroni nel fascio, generando oscillazioni più forti nell'ultima cavità, e così di seguito. Questa è retroazione positiva. L'energia a microonde in uscita viene impiegata nei dispositivi a microonde ad elevata potenza come i sistemi radar primari a lunga portata.

Il klystron è una sorgente di microonde coerenti, nel senso che è possibile produrre una uscita a fase costante. Ciò rappresenta una caratteristica utile quando sia abbinata alla elaborazione dati per determinare le caratteristiche delle risposte radar dei bersagli simili allo spostamento Doppler. Delle valvole a vuoto a microonde collegate sono i tubi a onde progressive e gli amplificatori ad onda progressiva. Un dispositivo ibrido che combina alcuni aspetti di questi dispositivi e del klystron, è un dispositivo che si chiama twicetron.

Magnetron

I magnetron vengono utilizzati per produrre delle microonde. Questo è il dispositivo originale usato per la produzione di microonde ed inventato durante la seconda guerra mondiale per l'impiego sugli equipaggiamenti radar.

I magnetron lavorano sul principio noto come modulazione di velocità. Una camera circolare, che contiene un catodo, è circondata e connessa ad un numero di cavità di risonanza. Le pareti della camera sono l'anodo. Le dimensioni delle cavità determinano la frequenza del segnale in uscita. Un forte campo magnetico viene fatto attraversare la camera, campo magnerico prodotto da un potente magnete. Il catodo è differente dal più delle valvole termoioniche dato che non c'è l'elemento riscaldante: un catodo freddo. Gli elettroni naturalmente eccitati sulla superficie del catodo vengono rimossi, tirandoli nella camera, verso le pareti esterne o anodo.

Mentre gli elettroni se ne vanno, attraversano un campo magnetico che produce una forza perpendicolare al moto ed alla direzione del campo magnetico. Più velocemente si spostano gli elettroni, maggiore forza laterale viene prodotta. Il risultato è che gli elettroni ruotano attorno al catodo centrale mentre si muovono verso l'esterno della camera. Quando gli elettroni oltrepassano le entrate delle cavità di risonanza, il campo elettromagnetico che è stazionario nelle cavità viene disturbato. Le cavità cominciano ad oscillare. Quando altri elettroni oltrepassano le cavità, pure essi interagiscono con il campo elettromagnetico interno. Il moto degli elettroni può essere rallentato od accelerato dal campo delle cavità. Mentre tali elettroni interagiscono con i campi delle cavità, le oscillazioni interne delle cavità aumentano e l'effetto sugli elettroni passanti è più pronunciato.

Alla fine, bande di elettroni ruotanti insieme si sviluppano dentro la camera centrale. Tutti gli elettroni che rimangono alle spalle del gruppo sono sospinti dai campi delle cavità di risonanza. Tutti gli elettroni che vanno troppo velocemente hanno la loro energia in eccesso assorbita dalle cavità. Questo è l'effetto di modulazione di velocità. La frequenza di risonanza e di interruzione degli elettroni è dell'ordine dei GHz (10^9 cicli per secondo). Al fine di avere una uscita del segnale dal magnetron, una delle cavità viene spillata attraverso una fessura o una sonda.

Tubi a raggi catodici

Un tubo a raggi catodici, o CRC, è un tubo specializzato a vuoto, in cui delle immagini sono prodotte quando un fascio di elettroni colpisce una superficie fosforescente.

I televisori, i computer, i bancomat, i videogiochi, le telecamere, i monitor, gli oscilloscopi ed i display dei radar, tutti contengono un tubo catodico. Gli schermi fosforescenti che usano fasci multipli di elettroni hanno consentito ai tubi catodici di visualizzare milioni di colori. Il primo dispositivo a scansione a fasci elettronici fu inventato dallo scienziato tedesco Karl Ferdinand Braun nel 1897. Braun presentò un CRT con uno schermo fluorescente, che divenne noto come oscilloscopio a raggi catodici. Lo schermo emette una luce visibile quando è colpito da un fascio di elettroni.

Tubi catodici per televisori

I tubi catodici per i televisori sono fondamentalmente dei tubi a raggi catodici.

Un fascio di elettroni viene generato da un filamento riscaldato elettricamente, ed il raggio viene guidato da due campi magnetici verso un particolare punto dello schermo. Il raggio viene mosso così velocemente, che gli occhi possono vedere non solamente un dato punto, ma tutti i punti sullo schermo simultaneamente.

I colori sono prodotti attivando nello stesso tempo tre o più punti dello schermo, differentemente colorati, in misura variabile.

Dei due campi magnetici uno è per la deflessione verticale, l'altro per la deflessione orizzontale, e vengono forniti al raggio da bobine esterne.

Tubi per oscilloscopi

Fondamentalmente, i tubi per gli oscilloscopi sono simili ai tubi televisivi, ma il fascio viene guidato da due campi elettrostatici forniti da elementi metallici interni.

È una necessità, dato che un oscilloscopio utilizza una gamma molto ampia di frequenze di sincronizzazione per la deflessione, là dove un apparato televiso usa frequenze fisse. Sarebbe troppo difficoltoso pilotare delle grosse bobine su una banda di frequenze cosi ampia. Essi sono assai più profondi per la medesima dimensione dello schermo di quanto lo sia un tubo televisivo, poiché l'angolo di deflessione è piccolo. Un tubo per televisori ha un angolo di deflessione di 90°, questo per i migliori, 120° per gli altri, e un tubo per oscilloscopi ha un angolo di circa 20°.

Tubi di amplificazione

Questi sono stati sostituiti dai dispositivi allo stato solido. Il fascio di elettroni proveniente dal filamento riscaldato del catodo, passa attraverso una o più griglie, che, a seconda delle loro particolari tensioni, possono ridurre o aumentare il fascio. Una piccola variazione della tensione sulle griglie produce una grande variazione della tensione sull'anodo.

Esistono molti tipi di tubi di amplificazione, usati per scopi differenti, come quello per la generazione di oscillazioni.

Tubi per raggi-X

Questi vengono impiegati in medicina.

Il raggio da essi prodotto penetra il corpo del paziente, ed è quindi usato per, più o meno, attivare un film fotografico mostrante, per esempio, delle ossa. Oltre una certa dose i raggi-X possono essere pericolosi, e l'esposizione ad essi viene pertanto limitata da idonee barriere di piombo e vestiario apposito.

Altri tubi catodici

Durante la seconda guerra mondiale il radar fu estremamente importante nel localizzare la direzione, la distanza e l'altezza dei velivoli nemici. Lo schermo grigio o giallo sul tubo catodico mostrava agli operatori, in termini di distanza sullo schermo, il tempo di andata del raggio e di ritorno del suo raggio riflesso. L'angolo dell'antenna ruotante era mostrato sullo schermo come azimut.