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Caratteristiche Costruttive del Catodo e del Filamento delle Valvole Termoioniche
| Indice Argomento Corrente |
1) I Catodi |
2) Catodi in Tungsteno e Tantalio |
3) Catodi in Tungsteno Toriato |
4) Catodi rivestiti di Ossidi |
I catodi
Si tratta dell'elemento della valvola più delicato e che va incontro a fenomeni di esaurimento. E' la parte della valvola su cui si è concentrata la ricerca per superarne le criticità ed aumentarne la durata e nel contempo diminuire l'energia utilizzata per scaldarlo.
I catodi delle valvole termoioniche si possono innanzitutto suddividere in base al tipo di riscaldamento che può essere diretto o indiretto.
Nel primo caso il catodo e il filamento di riscaldamento sono la stessa cosa (basti pensare che le prime valvole termoioniche erano lampadine modificate e il catodo corrispondeva con il filamento della lampadina), quindi il circuito di alimentazione del filamento e il circuito anodico non sono elettricamente isolati.
L’inerzia termica è ridotta, la valvola va subito a regime, questa soluzione tuttavia richiede che la corrente che scorre nel filamento, onde evitare dei ronzii, sia continua.
E' stata la prima soluzione implementata nella costruzione delle valvole.
Questa soluzione è la meno usata anche se ci sono ancora alcuni tipi di valvole termoioniche che la adottano, non solo particolarmente datate ma anche molto recenti come ad esempio alcuni triodi sub miniatura utilizzati in ambito militare che hanno solo 4 piedini.
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Sopra un disegno di un catodo a riscaldamento diretto.
Si noti nell'immagine di destra il simbolo circuitale di un diodo a riscaldamento diretto.
Questo tipo di catodo coincide con il filamento, ha una bassa inerzia termica, quindi va subito in temperatura, il tempo di riscaldamento della valvola prima di andare a regime è estremamente ridotto.
Per contro avendo una bassa inerzia termica sono sensibili alle variazioni della tensione di filamento, quindi questo deve essere alimentato in corrente continua se si vuole evitare un fastidioso ronzio all'uscita.
Questo complica di molto il circuito.
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Nel disegno sopra: Catodo a riscaldamento indiretto.
Nei catodi a riscaldamento indiretto (disegno sopra) il filamento (in genere di tungsteno) è incapsulato nel catodo, che è elettricamente isolato dallo stesso e che si scalda per conduzione.
Ha massa maggiore e quindi una inerzia termica notevole che fa si che possa essere alimentato con corrente alternata senza dare particolari problemi semplificando il circuito.
Come contro ha dei tempi più lunghi per andare in temperatura, anche di diverse decine di secondi.
Lo spazio che intercorre fra il filamento riscaldatore e il catodo vero e proprio è costituito da ceramica isolante, questo fa si che il filamento e il catodo siano elettricamente isolati.
Quando si impiega una valvola termoionica che ha questo tipo di catodo occorre sempre prestare attenzione che la differenza di tensione fra il catodo e il filamento non ecceda le specifiche della valvola altrimenti si potrebbero innescare delle scariche fra il filamento e il catodo perforando l'isolante.
I catodi per assolvere alla loro funzione in modo ottimale devono essere costruiti con materiali in grado di emettere elettroni in abbondanza anche ad una temperatura lontana dal loro punto di fusione.
Quindi una soluzione è usare un catodo metallico in tungsteno che ha una temperatura di fusione di 3370 °C e che fornisce una buona emissione di elettroni ad una temperatura di 2500°C.
Tuttavia il consumo di energia per il riscaldamento del filamento è proporzionale alla temperatura dello stesso e più energia spendiamo per riscaldare più energia la valvola deve dissipare per una funzione accessoria.
Quindi si è fatto ricorso a vari espedienti per abbassare il più possibile la potenza assorbita per il riscaldamento e quindi la temperatura del catodo senza compromettere l’emissione.
| Tipo di catodo (materiale) | Emissione in milliampere per watt consumato per il riscaldamento |
| Tungsteno (si accendono fino al rosso chiaro) | 3-4mA/W |
| Tungsteno Toriato (si accendono fino al giallo chiaro) | 20-25mA/W |
| Tungsteno/nickel/platino rivestito di ossido di bario/ossido di stronzio (si accendono fino al rosso chiaro) | 50mA/W |
| Tungsteno rivestito di ossido di bario atomizzato (restano di colore scuro durante l'accensione) | 100mA/W |
Quindi sono stati adottati quasi universalmente i catodi rivestiti di ossidi, fatta eccezione per le valvole di grandissima potenza.
Di norma si usano ossidi di torio, bario o stronzio depositati su un metallo che ha la funzione di supporto.
In questi catodi il riscaldamento viene ottenuto con un filamento isolato elettricamente tramite rivestimento ceramico, che riscalda a sua volta il tubetto (normalmente di nichel) che funge da supporto per gli ossidi.
Il limite di tutti i catodi è che non emettono elettroni all’infinito, ma dopo un certo tempo variabile in funzione del materiale usato, iniziano ad esaurirsi.
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Nella foto sopra si vede una valvola con catodo a riscaldamento diretto (si tratta di un doppio diodo). | Nella foto sopra si vede una valvola con catodo a riscaldamento diretto (si tratta di un doppio diodo). |
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Nella foto sopra si vedono i due catodi di una valvola triodo pentodo. | Il catodo a riscaldamento indiretto acceso dentro una valvola funzionante. |
Parametri che influenzano la quantità di elettroni emessi e la durata
La quantità di elettroni emessi da un catodo a parità di materiale impiegato è proporzionale all'area della sua superficie e alla temperatura a cui viene portato. La durata è inversamente proporzionale alla temperatura di funzionamento.
Quindi occorre sempre trovare un equilibrio fra emissione e durata.
Questo vuole che debba essere sempre prestata molta attenzione al rispetto delle specifiche per quello che riguarda la tensione di alimentazione del filamento.
In genere la tolleranza accettata è di un 5-10% (questo valore in genere è riportato sul datasheet della valvola), quindi una valvola con una tensione di filamento di 6,3V accetta valori di tensione di accensione che vanno da circa 5,7V a 6,9V ma è sempre meglio essere precisi il più possibile perché lavorando con tensioni diverse oltre che l'aspettativa di vita varia anche l'emissione di elettroni e di conseguenza cambiano tutte le caratteristiche della valvola.
Sotto la tolleranza ammessa per le valvole doppio triodo 6n2p e la variante militare 6n2pEV (che hanno una tensione di filamento di 6,3V). Come vedere nella valvola a specifiche militari la deviazione dalla tensione di filamento ammessa è minore, per garantirne la durata.
Un altro parametro interessante che si può notare dalla tabella sopra è la massima tensione ammessa fra il filamento di riscaldamento e il catodo. 100V è un valore abbastanza basso quando si adottano alcune configurazioni, occorre prestare attenzione in fase di progetto.
Catodi in Tungsteno e Tantalio
Il fattore di discriminazione che influenza la scelta di un metallo invece di un altro è il rapporto fra evaporazione del metallo (sottovuoto il metallo sottoposto a forte temperatura tende a sublimare ovvero a passare direttamente dallo stato solido allo stato gassoso) e l’emissione di elettroni.
Ovviamente se il metallo evapora, il catodo durerà poco, e in più il metallo evaporato poi si condenserà in altre parti più fredde della valvola dando altri problemi e ostacolando il regolare funzionamento.
Sono di norma impiegati tungsteno o tantalio, nella realizzazione di valvole di grande potenza usate per trasmissione.
Questi catodi sono costruttivamente un filo di tungsteno avvolto a spirale o a forma di barretta.
Hanno una durata che normalmente si aggira sulle 1500 – 2000 ore.
Catodi in Tungsteno Toriato
Per aumentare il coefficiente di emissione dei catodi è vantaggioso rivestire il metallo che funge da substrato di una pellicola di un altro metallo con più alto potere di emissione. I catodi in Tungsteno Toriato sono costituiti da un filamento di tungsteno contenente una percentuale del 1-2% di ossido di torio. Una volta costruito il catodo deve essere attivato ovvero viene portato ad una temperatura di 2800°K.
In questo modo l’ossido di torio si trasforma in torio metallico.
Durante il funzionamento del catodo il torio tende a portarsi sulla superficie del catodo formando uno strato monoatomico.
A mano a mano che il torio evapora dalla superficie del catodo viene rimpiazzato dagli atomi di torio contenuti nel catodo stesso.
Questi catodi per arrivare a fornire un buon rendimento hanno bisogno di un certo tempo per dare modo al torio di formare lo strato monoatomico.
Catodi rivestiti di Ossidi
Il catodo in questo caso è formato da un supporto metallico sulla cui superficie sono deposti degli ossidi di metalli alcalini.
Questi ossidi sono caratterizzati da un alto coefficiente di emissione.
Questi catodi si possono differenziare in base alla tecnica usata per depositare lo strato di ossido sulla superficie del substrato che funge da supporto.