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Tipologia delle Valvole: Valvole Speciali

Introduzione:

Per valvole speciali in questo contesto si intendono le valvole che hanno impieghi specifici per cui sono state espressamente progettate.
Queste valvole vengono trattate solo per motivi di completezza perché normalmente non trovano impiego nell'amplificazione audio.

Thyratron

Cerberus GR16 Thyratron Cerberus GR16 Thyratron Cerberus GR16 Thyratron

Tubo Thyratron Cerberus Männedorf Swiss GR16.
La condizione di valvola in conduzione è indicata dal gas neon incandescente.
La durata del tubo è di circa 25.000 ore.

Il thyratron o tiratron è un tubo riempito di gas utilizzato come interruttore per elevate potenze elettriche.
Si tratta essenzialmente di un raddrizzatore controllato, a gas.

La configurazione prevalentemente usata è quella a triodo, anche se sono state costruiti thyratron derivati dal tetrodo e dal pentodo.
Il gas utilizzato nel tubo può essere vapore di mercurio, xeno, neon e in applicazioni dove si abbia alta tensione o sia necessario un basso tempo di commutazione, anche idrogeno.
A differenza del tubo a vuoto il thyratron non può essere utilizzato come amplificatore lineare.

Il thyratron si è evoluto negli anni venti a partire dai tubi a vuoto come il UV-200, contenente una piccola quantità di argon per incrementare la sensibilità come rivelatore radio, ed il tubo-relè tedesco LRS, anche esso contenente gas argon.
Anche i dispositivi raddrizzatori a gas precedenti i tubi a vuoti, come i tubi ad argon e il raddrizzatore al mercurio hanno influito sull'ideazione del thyratron.
I primi studi che hanno portato all'ideazione del thyratron si devono a Irving Langmuir e G.S. Meikle della General Electric nel 1914, ma il primo modello commerciale fu disponibile solamente nel 1928.

In un tipico thyratron a catodo caldo è presente un filamento riscaldato con funzione di catodo completamente circondato da una schermatura aperta da un lato attraverso una griglia di controllo, affacciata ad una placca anodica.
Applicando un potenziale positivo all'anodo, se la griglia di controllo è allo stesso potenziale del catodo non si ha passaggio di corrente elettrica.
Se la griglia è portata ad un potenziale leggermente positivo, il gas compreso tra anodo e catodo si ionizza e conduce corrente.
Una volta che il flusso di corrente è innescato si mantiene fino a quando è presente una sufficiente differenza di potenziale tra anodo e catodo.
Riducendo la tensione anodica sotto una soglia il dispositivo si spegne.

La funzione dello schermo è di impedire che gli ioni possano passare per altre vie se non attraverso la griglia.
Il gas contenuto nel tubo ha una pressione pari ad una frazione di atmosfera, solitamente 1,5-3 Kilopascal.
Esistono versioni di thyratron a catodo freddo, ma il catodo caldo offre il vantaggio di una più facile ionizzazione e quindi una maggiore sensibilità dell'elettrodo di controllo.

In passato venivano fabbricati piccoli thyratron per il controllo di relè elettromeccanici e per applicazioni industriali come la regolazione di motori e saldatrici ad arco.
Grandi thyratron, in grado di gestire correnti di centinaia di migliaia di ampere e centinaia di migliaia di volt sono ancora costruiti.
I campi di applicazione attuali riguardano i sistemi radar a impulsi, i laser ad alta energia, dispositivi per radioterapia, bobine di Tesla e simili.
I thyratron sono anche impiegati in impianti trasmittenti televisivi in UHF, per proteggere i tubi finali da cortocircuiti interni, cortocircuitando l'alimentazione ad alta tensione per il tempo necessario all'intervento dell'interruttore automatico e allo scaricamento delle componenti induttive.
Il sistema è chiamato circuito crowbar.

Il thyratron è stato sostituito in molte applicazioni a bassa e media potenza dal suo equivalente a stato solido, il tiristore o Silicon Controlled Rectifier (SCR) e dai triac.
Dove si debbano commutare tensioni oltre i 20KV con tempi di intervento molto brevi si rientra nel campo di lavoro del thyratron.
Variazioni del thyratron sono il krytron, lo sprytron, l'ignitron e il raddrizzatore a scintilla controllata, ancora in uso oggigiorno.

Ignitron

L'ignitron è un raddrizzatore controllato sviluppato negli anni trenta a partire dal tubo raddrizzatore al mercurio Cooper-Hewitt.
Il nome ignitron è un marchio registrato dalla General Electric, primo costruttore del dispositivo.

È costituito da un contenitore metallico contenente sul fondo una pozza di mercurio, in equilibrio con il proprio vapore, che costituisce il catodo.
Un blocco di grafite sospeso sopra il mercurio da un supporto isolante costituisce l'anodo.
Un elettrodo che pesca nella pozza di mercurio.
Un impulso di corrente viene applicato all'elettrodo provoca il riscaldamento del mercurio con conseguente aumento della quantità di vapore e innesco di una scarica elettrica attraverso il vapore di mercurio tra anodo e catodo.

L'ignitron è usato nei raddrizzatori industriali da migliaia di ampere, come negli impianti di raffinazione elettrochimica dell'alluminio.
È impiegato anche in alcune locomotive elettriche laddove l'alimentazione sulla linea avviene in corrente alternata.

In alternativa all'ignitron era impiegato in passato il convertitore rotante e oggi il tiristore al silicio.
L'ignitron però è più resistente alle sovracorrenti ed alle tensioni inverse, e per questo è ancora usato in diverse applicazioni.

Krytron

Krytron

Il krytron è una varietà di tubo a gas a bassa pressione e catodo freddo altamente specializzato, progettato come interruttore ad alta velocità e fu uno dei primi prodotti della EG&G Corporation.
E' per alcuni versi simile al thyratron.
Diversamente da altri tubi a gas il krytron usa una scarica ad arco nel gas per operare con alti voltaggi e correnti (fino a circa 5 kV e fino a circa 3KA).
Il krytron è un dispositivo che attua un controllo di un arco voltaico fra due elettrodi ed è stato originariamente sviluppato per trasmettitori radar durante la seconda guerra mondiale.
Il gas usato può essere Idrogeno o gas nobili come il Krypton o una miscela.
La sua particolarità è che riesce ad innescare l'arco voltaico fra gli elettrodi in tempi molto bassi perché si basa su plasma di gas già presente per innescare la scarica senza aspettare che il plasma di gas si formi.
Tempi di commutazione di meno di 1 nanosecondo sono realizzabili con il krytrons e l'intervallo di tempo tra l'applicazione di trigger e l'inizio di commutazione può essere inferiore ai 30nSec con un circuito driver ottimizzato.

Nel dettaglio: ci sono quattro elettrodi in un krytron.
Due sono ovviamente l'anodo e il catodo, il terzo viene chiamato elettrodo keep-alive disposto in vicinanza del catodo.
Il quarto è la griglia di controllo.
L'elettrodo keep-alive ha un basso potenziale positivo applicato che causa una piccola area di ionizzazione di gas attorno al catodo.
Quando l'alta tensione viene applicata all'anodo la conduzione non inizia se non viene applicato un impulso positivo all'elettrodo di controllo (la griglia).
Una volta partito l'arco passa una notevole corrente.
In alcune versioni del krytron al posto dell'elettrodo keep-alive viene usata una piccola quantità di materiale radioattivo che emettendo particelle beta ionizza il gas attorno al catodo.
Una volta partito l'arco voltaico perdura fino a che la tensione fra anodo e catodo non scende sotto un determinato valore di mantenimento.

Sprytron

Il Sprytron, altrimenti noto come Krytron a vuoto, è un dispositivo dalle prestazioni molto simili al Krytron. In genere presenta un tempo di ritardo fra attivazione e conduzione leggermente inferiore rispetto al Krytron. Lo Sprytron è progettato per l'uso in ambienti con alti livelli di radiazioni. Lo sprytron è un tubo a vuoto spinto a differenza del Krytron che, come osservato in precedenza contiene un gas a bassa pressione.  Il motivo per l'uso del vuoto spinto è da ricercarsi nel fatto che in un ambiente saturo di radiazioni se ci fosse all'interno del gas, ionizzerebbe innescando la conduzione in modo incontrollato.

Il Sprytron richiede un impulso di trigger più potente del Krytron, in quanto il dispositivo funziona formando un arco direttamente tra l'anodo e il catodo, e per spegnerlo occorre diminuire la tensione sotto il valore di mantenimento. 

Tubo Fotomoltiplicatore

Un tubo fotomoltiplicatore è un rivelatore elettronico di luce estremamente sensibile con una amplificazione che può arrivare a valori elevatissimi (108).
Il dispositivo è talmente sensibile da potere rilevare un singolo fotone.
Il fotomoltiplicatore è costituito da un tubo in vetro al cui interno è stato praticato il vuoto, in cui è presente un catodo di materiale atto a emettere elettroni quando colpito dalla luce, un anodo e diversi elettrodi chiamati dinodi che sono il cuore vero e proprio del fotomoltiplicatore.
Il funzionamento del fotomoltiplicatore si basa principalmente su due effetti: l'effetto fotoelettrico (catodo ricoperto di materiale fotosensibile) e l'emissione secondaria (cioè l'elettromoltiplicazione eseguita dai dinodi).
I fotoni colpiscono attraverso una finestrella di ingresso una superficie chiamata fotocatodo, ricoperta di uno strato di materiale che favorisce l'effetto fotoelettrico.
A causa di questo effetto vengono emessi degli elettroni, chiamati fotoelettroni che sono focalizzati da un elettrodo verso lo stadio di moltiplicazione che è costituito da una serie di elettrodi (i dinodi) ciascuno caricato ad un potenziale superiore al precedente.
Il primo elettrone emesso per effetto fotoelettrico subisce una accelerazione a causa del campo elettrico e acquisisce energia cinetica.
Quando l'elettrone colpisce il primo dinodo provoca l'emissione secondaria di diversi elettroni di minore energia.
La struttura del sistema è progettata in modo che ciascun elettrone emesso da un elettrodo venga accelerato e provochi l'emissione di diversi elettroni dal dinodo successivo.
Si ha così un fenomeno a cascata per cui un singolo fotone che colpisce il tubo provoca il passaggio di moltissimi elettroni.
Questo genere di sensori non è ancora stato rimpiazzato da dispositivi a semiconduttore per le caratteristiche peculiari dello stesso, come ad esempio l'altissima amplificazione e il bassissimo rumore, l'impiego tuttora è nei campi dell'astronomia, della fisica e della medicina.

Iconoscopio: il primo tubo termoionico da ripresa

Si tratta del primo tubo da ripresa inventato, costituito da una ampolla di vetro in cui veniva praticato, il vuoto spinto.
All'interno vi era una lastra di mica metallizzata da un lato e coperta dall'altro lato di microscopici granuli di ossido di cesio, ciascuno dei quali forma un piccolo condensatore con la superficie metallizzata.
Quando un granulo di ossido di cesio viene investito dalla luce, rilascia elettroni caricando così il singolo condensatore elementare.
Un fascio di elettroni emessi da un catodo (Questo apparato appartiene di diritto alle valvole termoioniche in quanto il catodo che genera gli elettroni è caldo) e opportunamente focalizzati e direzionati scansiona la superficie della lastra di mica e provoca la scarica dei microscopici condensatori che modulano la corrente del fascio di elettroni.
La modulazione della corrente contiene l'informazione sulla luce che investe la lastra di mica.
Quindi con il procedimento inverso era possibile attraverso un tubo a raggi catodici ricostruire l'mmagine originaria (ovviamente in toni di grigio). A questo tubo da ripresa ne seguirono molti altri, uguali come principio di funzionamento per quello che riguarda l'elemento fotosensibile, ma diversi per metologia della scansione dello stesso che hanno permesso di migliorare progressivamente le caratteristiche di sensibilità e di eliminazione dell'effetto "cometa" che è costituito dalla scia luminosa che lasciavano le forti luci per una combinazione di saturazione dell'elemento recettore e per la persistenza di detta saturazione.

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