਍ഀ ਍ഀ La valvola ਍ഀ ਍ഀ ਍ഀ ਍ഀ ਍ഀ

La valvola termoionica

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਍ഀ ਍ഀ La valvola termoionica (o tubo a vuoto) è stato il primo componente elettronico"attivo" realizzato dall'uomo. Per "attivo" si intende un componente che, grazie ad una fonte esterna di energia, fornisce in uscita un segnale di potenza amplificato. Il funzionamento di massima è semplice: la corrente passa fra due elettrodi: l'anodo ed il catodo. A seconda della tensione a cui sono poste alcune parti metalliche (griglie) frapposte tra i due elettrodi, il catodo emette elettroni per effetto termoionico, cioè per riscaldamento.਍ഀ Poiché il flusso di corrente è dovuto agli elettroni (non a ioni), taluni chiamano il dispositivo valvola termoelettronica.਍ഀ
਍ഀ Sino agli anni sessanta, tubi termoionici di vari tipi venivano impiegati in quantità in apparecchiature elettroniche quali ricevitori e trasmettitori radio, televisori ed in generale in tutti i tipi di amplificatori di segnali elettrici. Anche i primi calcolatori elettronici furono realizzati interamente mediante tubi termoionici. L'invenzione della valvola termoionica rese possibile il passaggio dalla radiotelegrafia alla radiofonia, poiché, amplificando i segnali elettrici, permetteva di trasmettere non più solo impulsi telegrafici, ma anche voci e suoni, inaugurando così l'era dei mass media.
਍ഀ Sebbene oggi i transistor, nelle loro varie forme e tipologie, abbiano soppiantato le valvole in quasi ogni applicazione, esse restano gli unici mezzi per amplificare segnali a potenze molto alte, dell'ordine del kilowatt o superiori, e per particolari apparati audio di alta fedeltà. I fotorivelatori a semiconduttore possono essere vantaggiosamente impiegati al posto dei fotodiodi a vuoto in presenza di esposizione a radiazioni ionizzanti, poiché ne risultano immuni.਍ഀ ਍ഀ ਍ഀ


਍ഀ Principio di funzionamento਍ഀ ਍ഀ ਍ഀ

਍ഀ ਍ഀ Il tubo termoionico è costruttivamente simile alla comunissima lampadina del tipo ad incandescenza, infatti non è altro che un involucro di vetro (in alcuni modelli è di metallo o di ceramica) nel quale è praticato il vuoto contenente un filamento metallico portato all'incandescenza (tra i 1.000 ed i 3.000 °C) facendolo attraversare da una corrente elettrica. A differenza della lampadina contiene uno o più elementi metallici (a forma di griglia o di schermi), collegabili dall'esterno. Il filamento metallico, o meglio un tubicino metallico che lo avvolge, è chiamato catodo, l'elemento metallico più esterno è chiamato anodo. Eventuali elementi intermedi sono chiamati griglie di controllo.
਍ഀ Il principio di funzionamento del tubo termoionico è quello dell'emissione termoionica: ogni metallo, soprattutto ad alte temperature, emette elettroni, cariche elettriche elementari di segno negativo. Se il catodo è polarizzato negativamente rispetto all'anodo, ovvero se il catodo è collegato al polo negativo di una batteria e l'anodo a quello positivo, si stabilirà un flusso di elettroni, ossia una corrente elettrica, tra catodo e anodo (perché gli elettroni vengono attratti dall'anodo). Se la polarizzazione è opposta, nessuna corrente elettrica passerà tra catodo ed anodo, perché l'anodo respingerà gli elettroni. Il risultato è quello di un dispositivo in grado di far passare la corrente in un solo senso, detto rettificatore oppure diodo.
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਍ഀ ਍ഀ Nei primi tipi di valvola, il catodo era a riscaldamento diretto, ossia il catodo era costituito dal filamento stesso. Il sistema venne abbandonato, visti i problemi legati alla necessità di far lavorare i catodi a tensioni diverse (vedi valvole multiple, doppi triodi, triodi-pentodi). Il compito di scaldare il catodo è oggi affidato a un filamento simile a quello delle lampadine a bassa tensione, inserito all'interno di un tubetto in lega di nichel rivestito di elementi che favoriscono l'emissione elettronica (ossidi di bario, stronzio, torio etc. etc...), che costituisce il catodo. Questa soluzione, detta a riscaldamento indiretto, consente inoltre di alimentare i filamenti di differenti valvole di un'apparecchiatura con una fonte comune, solitamente un avvolgimento secondario apposito di un trasformatore. Il collegamento tra i filamenti può essere in serie o in parallelo.
਍ഀ Se tra catodo ed anodo viene posta una griglia metallica, è intuitivo che se questa è polarizzata positivamente rispetto al catodo, ma meno dell'anodo, gli elettroni emessi dal catodo vi saranno attratti e quindi passeranno attraverso le maglie della griglia per raggiungere l'anodo. Contrariamente, se la griglia è polarizzata negativamente, questa respingerà gli elettroni provenienti dal catodo. Pertanto applicando una tensione variabile tra catodo e griglia, si otterrà un passaggio di corrente tra catodo ed anodo che seguirà, amplificandolo, l'andamento del segnale alla griglia. L'effetto risultante è quello di un'amplificazione di tensione ed un tubo termoionico siffatto si dice triodo.
਍ഀ Dopo il triodo, con l'aggiunta di altre griglie, sono stati costruiti gli amplificatori di corrente (tetrodo, pentodo, eptodo, ecc. così chiamati dal numero degli elettrodi di controllo) sono stati i primi dispositivi elettronici fondamentali per l'amplificazione dei segnali elettrici, dagli albori dell'elettronica, compiendo quelle funzioni oggi quasi interamente realizzate dai transistori, comunque in alcuni settori dell' HI-FI e di elettronica di potenza specie in alta frequenza, sono ancora di largo impiego.਍ഀ ਍ഀ


਍ഀ Impiego delle valvole termoioniche਍ഀ ਍ഀ ਍ഀ

਍ഀ ਍ഀ Per quanto siano stati impiegati migliaia di tubi di tipi differenti, si classificano gli stessi a seconda del numero di elementi elettrici attivi che contengono. Il tubo detto diodo ha, ad esempio, due elettrodi, quello detto triodo ne ha tre, il tetrodo quattro, il pentodo cinque elettrodi. Si adoperano i diodi come raddrizzatori. Si utilizzano gli altri essenzialmente per amplificare i segnali elettrici.਍ഀ ਍ഀ


਍ഀ Diodo਍ഀ ਍ഀ ਍ഀ

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਍ഀ ਍ഀ ਍ഀ ਍ഀ L'anodo è polarizzato con un potenziale positivo, mentre il catodo con uno negativo. Il catodo, riscaldato da un apposito filamento, emette elettroni, che sono particelle di carica negativa. Quando l'anodo è polarizzato positivamente si avrà che gli elettroni emessi dal catodo vengono raccolti dall'anodo, creando così un flusso di cariche ovvero una corrente elettrica. Se polarizzassimo il catodo positivamente e l'anodo negativamente non riusciremmo più ad ottenere un flusso di cariche dal momento che gli elettroni emessi da catodo verrebbero respinti dal campo negativo dell'anodo. Il tubo permette quindi alla corrente di scorrere solamente lungo un verso, e permette quindi il raddrizzamento elettrico. Nei tubi a potenza più bassa il catodo e il filamento sono elettrodi indipendenti e isolati elettricamente; Il filamento riscalda il catodo e quest'ultimo emette gli elettroni coinvolti nella conduzione.਍ഀ ਍ഀ


਍ഀ Triodo਍ഀ ਍ഀ ਍ഀ

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਍ഀ ਍ഀ ਍ഀ Aggiungendo una griglia tra il catodo e l'anodo, come fece per primo Lee de Forest nel 1907, si ottiene il triodo.਍ഀ La griglia, che è generalmente costituita da un filo avvolto a spirale o da una rete interposta nello spazio intorno al catodo, è in grado, opportunamente polarizzata, di controllare il flusso di elettroni tra catodo ed anodo: polarizzata negativamente rispetto al catodo, questa respinge gli elettroni del flusso tanto più quanto più è polarizzata negativamente, fino alla tensione di cut-off in cui la corrente è zero. Quindi, variando la tensione della griglia si può controllare il flusso di corrente fra anodo e catodo, da zero fino al massimo che la valvola consente (punto di saturazione). Una piccola variazione di tensione sulla griglia provoca una notevole variazione della corrente anodo-catodo, ottenendo un'amplificazione.਍ഀ I triodi sono usati principalmente per l'amplificazione audio a basso livello (preamplificazione). Non vengono usati in radiofrequenza per le elevate capacità parassite che presentano, specie quella tra griglia ed anodo. Sebbene questa capacità sia di pochi picofarad, questa viene riflessa in una capacità effettiva uguale alla capacità reale moltiplicata per il guadagno dell'amplificatore, per effetto Miller, e viene vista come capacità d'ingresso. Tale capacità riduce notevolmente il guadagno alle alte frequenze.਍ഀ Il parametro più importante del triodo è l'amplificazione μ, definita come਍ഀ ਍ഀ dove con δvp si intende la variazione della tensione anodica (o di placca) prodotta da una variazione δvg della tensione di griglia (il pedice ip indica che la corrente anodica deve rimanere costante in corrispondenza delle sopraccitate variazioni di tensione); il segno meno è necessario poiché, affinché la corrente anodica rimanga costate a seguito di un incremento della tensione anodica, la tensione di griglia deve diminuire.਍ഀ ਍ഀ


਍ഀ ਍ഀ Tetrodo਍ഀ ਍ഀ ਍ഀ

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਍ഀ ਍ഀ Per poter disporre di valvole capaci di amplificare anche segnali in alta frequenza, nel1927 venne costruito il tetrodo. Ponendo una seconda griglia collegata a massa (la griglia schermo) tra la griglia controllo e l'anodo, si ottiene uno schermo elettrostatico che diminuisce la capacità tra anodo e griglia controllo. Tuttavia, anziché a massa, la griglia schermo va collegata ad una tensione derivata dall'anodica mediante un partitore di resistenze, perché altrimenti agirebbe come una seconda griglia controllo la quale solitamente è collegata a massa tramite un condensatore di bypass. In questo modo il tetrodo permette anche amplificazioni a radiofrequenza, ma introduce nel segnale una certa distorsione per il fenomeno della emissione secondaria, cioè l'emissione dall'anodo di elettroni estratti dall'impatto di quelli, accelerati, provenienti dal catodo.਍ഀ Questo effetto è presente in tutte le valvole, ma solo nel tetrodo, con la griglia schermo molto vicina all'anodo, costituisce un problema dato che l'aumento di corrente di griglia schermo, dovuto all'emissione secondaria, è a scapito della corrente anodica la cui diminuzione riduce il tratto lineare delle curve caratteristiche anodiche da cui la distorsione detta. Una possibile soluzione è usare armature focalizzanti che concentrino gli elettroni anodici e impediscano loro di colpire la griglia schermo: queste valvole furono chiamate tetrodi a fascio e sono state molto usate negli stadi di uscita degli amplificatori audio fino agli anni sessanta.਍ഀ I tetrodi a fascio di largo impiego 807 e 6V6 ne sono l'esempio più efficace.਍ഀ ਍ഀ


਍ഀ Pentodo਍ഀ ਍ഀ ਍ഀ

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਍ഀ ਍ഀ Il pentodo è, essenzialmente, un tetrodo con una griglia in più, la griglia di soppressione; questa ha lo scopo di ridurre l'emissione secondaria e la conseguente distorsione. La terza griglia viene normalmente collegata al catodo, in genere con un collegamento interno alla valvola, che quindi spesso ha lo stesso numero di piedini del tetrodo.਍ഀ Il pentodo è un vero e proprio punto d'arrivo nello sviluppo della valvola: alta amplificazione, larga banda, bassa distorsione, buona linearità. I pentodi si trovano negli stadi a radiofrequenza e a media frequenza di un ricevitore, ma anche negli amplificatori d'uscita. Il difetto principale del pentodo è un maggiore livello di rumore introdotto nel segnale in uscita, che lo rende inadatto per i primi stadi di amplificazione o quando è necessaria un'amplificazione molto elevata, per questo motivo è solitamente preceduto da uno stadio amplificatore di tensione in genere costituito da triodi.਍ഀ ਍ഀ ਍ഀ