La valvola termoionica (o tubo a vuoto) è stato il primo componente elettronico attivo inventato. Per "attivo" si intende un componente che, grazie a una fonte esterna di energia, fornisce in uscita un segnale più elevato, in potenza, rispetto a quello in ingresso (tale processo è detto amplificazione). Il funzionamento di massima è il seguente: il catodo emette elettroni per effetto termoionico, cioè per riscaldamento; un flusso di elettroni (corrente) passa dal catodo a un altro elettrodo, l'anodo. L'intensità di corrente (che scorre tra catodo ed anodo) viene controllata dalla tensione applicata ad un terzo elemento (griglia di controllo) frapposto tra i due elettrodi. Poiché il flusso di corrente è dovuto agli elettroni (non a ioni), taluni chiamano il dispositivo valvola termoelettronica.
Generalità
Sino agli anni sessanta, tubi termoionici di vari tipi venivano impiegati in gran quantità in apparecchiature elettroniche quali ricevitori e trasmettitori radio, televisori e, 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.
Nel corso degli anni Sessanta e Settanta del Novecento i transistor, nelle loro varie forme e tipologie, hanno soppiantato le valvole in quasi ogni applicazione. Tuttavia per alcuni usi le valvole restano ancora oggi utilizzate.
Restano gli unici mezzi per amplificare segnali a frequenze elevate con potenze dell'ordine del kilowatt o superiori.
Sono ancora usate in amplificatori per strumenti, attrezzature per produzioni musicali e in dispositivi audio ad "alta fedeltà".
Mentre i semiconduttori non possono essere vantaggiosamente impiegati in presenza di esposizione a radiazioni ionizzanti, in quanto ne risulterebbero danneggiati, i tubi a vuoto risultano immuni a tali radiazioni.
Un tubo a vuoto, il magnetron, è ancora presente in ogni comune forno a microonde.
Anche il tubo catodico che era di uso comune nei televisori e negli oscilloscopi è un particolare tipo di tubo termoionico.
Principio di funzionamento
Il tubo termoionico è costituito da un involucro di vetro (in alcuni modelli è di metallo o di ceramica), nel quale è fatto il vuoto, contenente un filamento metallico portato all'incandescenza (tra i 1.000 e i 3.000 °C) facendolo attraversare da una corrente elettrica. Differentemente dalla 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, nel caso di riscaldamento indiretto, è chiamato catodo. L'elemento metallico più esterno è chiamato anodo. Eventuali elementi intermedi sono chiamati griglie.
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 anodo e catodo, perché l'anodo (freddo) non emette elettroni. Il risultato è quello di un dispositivo in grado di far passare la corrente in un solo senso, detto diodo, questo è usato principalmente come rivelatore o come raddrizzatore.
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 ecc.), 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 e anodo viene posta una griglia metallica, se questa è polarizzata positivamente rispetto al catodo, ma di meno rispetto all'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 e anodo che seguirà, amplificandolo, l'andamento del segnale applicato alla griglia stessa. L'effetto risultante è quello di un'amplificazione di tensione. 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 (quest'ultimo usato di solito come convertitore di frequenza), così chiamati in base al numero degli elettrodi di controllo. Essi 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 transistor, comunque in alcuni settori dell'Hi-Fi e dell'elettronica di potenza, specie in alta frequenza e nei radar, sono ancora di largo impiego.
Storia
L'effetto dell'emissione termoionica di elettroni da parte di metalli portati all'incandescenza era già stato scoperto in Inghilterra nel 1873 e fu quindi studiato attentamente dall'inglese Owen Willans Richardson (1879-1959) che per questo ricevette nel 1928 il Premio Nobel. Fu un altro inglese, John Ambrose Fleming (1849-1945), che inventò il diodo nel 1904 e un inventore americano, Lee De Forest, a inventare il triodo nel 1906. Guglielmo Marconi (1874-1937) fu tra i primi a riconoscere l'importanza dei tubi termoionici e a farne uso nei suoi apparati rice-trasmittenti.
Durante la seconda guerra mondiale furono realizzati tubi termoionici per applicazioni militari, miniaturizzati e contenuti in involucri di metallo, più robusti e che potevano sostenere urti notevoli. Radio rice-trasmettitori e strumentazione elettronica utilizzanti questo tipo di tubi termoionici, ma dal progetto più moderno, furono impiegati dagli Stati Uniti anche nella guerra del Vietnam: i nuovi tubi si chiamavano nuvistor, e furono l'ultima versione del tubo termoionico prima della definitiva obsolescenza.
Altri utilizzi L'ENIAC, il primo calcolatore interamente elettronico, funzionava per merito di 17468 tubi termoionici (equivalenti ad altrettanti transistor) e utilizzava 160 kW di potenza elettrica praticamente solo per tenerli accesi. Un moderno computer contiene miliardi di transistor e consuma più o meno un millesimo di quella potenza.
Date le inevitabili tolleranze di produzione, la sostituzione delle valvole finali negli amplificatori audio stereofonici ad alta fedeltà e negli amplificatori per strumenti musicali va eseguita utilizzando valvole unite in coppia o quartetto (matched pair, matched quartet) direttamente selezionate dal costruttore stesso delle valvole con un minimo sovrapprezzo.
Anche in alcuni oscilloscopi a doppia traccia degli anni sessanta, e in generale negli strumenti di misura a doppio canale, nei quali i segnali da trattare sono due, ed entrambi da amplificare in ugual misura, la sostituzione dei tubi viene effettuata in coppia, ovvero con due tubi selezionati, forniti dallo stesso costruttore dell'apparecchiatura, o dal costruttore delle valvole, in alcuni casi con caratteristiche peculiari particolarmente adatte alla destinazione d'uso.
Tipi e 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
L'anodo e il catodo sono polarizzati a potenziale diverso per mezzo dei terminali corrispondenti del dispositivo. Il catodo è solitamente riscaldato da un apposito filamento, emettendo elettroni per riscaldamento, che sono particelle di carica negativa. Quando l'anodo è polarizzato ad un potenziale più positivo rispetto al catodo, si avrà che gli elettroni emessi dal catodo verranno raccolti dall'anodo, creando così un flusso di cariche attraverso il vuoto, ovvero una corrente elettrica. Se invece l'anodo viene polarizzato ad un potenziale più negativo rispetto al catodo, non si avrà più flusso di cariche, dal momento che gli elettroni emessi da catodo verranno respinti dall'anodo.
Il tubo permette quindi alla corrente di scorrere solamente in un verso, e permette quindi il raddrizzamento della corrente alternata. 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 (vedi fig. 1). Viene comunemente indicato come rettificatrice, comunemente impiegata nei circuiti elettronici per la conversione da corrente alternata a continua fino agli anni 60, nei quali cominciarono a essere disponibili per gli impieghi civili i primi diodi a stato solido per alte tensioni.
Data però la particolare caratteristica di resistenza serie, viene impiegata da molti costruttori di apparecchiature audio ad alta fedeltà e per l'amplificazione di strumenti musicali, essendo stata rilevata l'importanza della sua caratteristica di conversione nei confronti del risultato sonoro. Alcuni costruttori offrono la possibilità di far funzionare l'apparecchio sia con raddrizzatore a valvola (tube rectifier) che a stato solido (solid state rectfier) con un semplice selettore azionabile dall'utente stesso. I modelli più comuni ed ancora utilizzati sono 5U4, GZ34, 5AR4.
Diodo a gas Il diodo a gas si differenzia da un normale diodo a vuoto per l'introduzione all'interno del bulbo di una certa quantità di gas a bassa pressione (vapori di mercurio, argon, neon e altri gas nobili); questa aggiunta altera in modo significativo il comportamento del componente:
fino a una certa tensione anodica (tensione di innesco) non si notano differenze dal tradizionale diodo a vuoto, ma appena tale soglia viene superata la somiglianza sparisce e si osserva un rapido aumento della corrente anodica fino a livelli altissimi.
Questo fenomeno avviene a causa dell'urto fra ioni positivi, provenienti dal gas ionizzato, e il catodo. Questo urto incrementa l'emissione del catodo stesso.
Il diodo a gas era generalmente utilizzato in rettificatori di potenza; il suo simbolo è quello del classico diodo, con all'interno un punto nero.
Triodo
Aggiungendo una griglia tra il catodo e l'anodo, come fece per primo Lee De Forest nel 1907, si ottiene il triodo (vedi fig. 2).