miniaturadeimagen|Lámparas termoiónicas "funcionando" en un amplificador de potencia de audio, los cátodos calientes emiten su característico brillo rojo anaranjado. La historia de la válvula termoiónica, también conocida como lámpara de vacío o tubo de vacío,trata de todas las invenciones que a caballo en tre los siglos y , colaboraron en el proceso creación y perfeccionamiento del primer dispositivo capaz de controlar y amplificar señales eléctricas mediante el flujo de electrones en el vacío y de todas sus variantes. Su funcionamiento se basa en la emisión termoiónica, un fenómeno descrito inicialmente por Frederick Guthrie en 1873Guthrie, Frederick. "On the Electricity of Flames." Philosophical Magazine, 1873. y observado de nuevo por Thomas Edison en 1883, dando lugar al llamado efecto Edison.Edison, Thomas. "Electrical Indicator." U.S. Patent 307,031, 1884.
La válvula termoiónica o válvula electrónica, es un componente electrónico utilizado para amplificar, conmutar, o modificar una señal eléctrica mediante el control del movimiento de los electrones en un espacio vacío a muy baja presión, o en presencia de gases especialmente seleccionados.
Antecedentes miniaturadeimagen|Ilustración que representa un tubo de vacío de triodo primitivo ysus voltajes El primer dispositivo termoiónico práctico fue el diodo de Fleming, inventado en 1904 por John Ambrose Fleming mientras trabajaba para la Marconi Company.Fleming, J. A. "The Thermionic Valve." Proceedings of the Royal Institution, 1905. Dos años más tarde, en 1906, Lee de Forest añadió una rejilla de control al diseño de Fleming, creando el triodo y permitiendo por primera vez la amplificación de señales débilesDe Forest, Lee. "Device for Amplifying Feeble Electrical Currents." U.S. Patent 879,532, 1908.
El primer y más sencillo tubo de vacío, el diodo o válvula Fleming, fue inventado en 1904 por John Ambrose Fleming. Solo contiene un cátodo emisor de electrones calentado y un ánodo. La corriente convencional solo puede fluir en una dirección a través del dispositivo: desde el cátodo hasta el ánodo (de ahí el nombre "válvula", como un dispositivo que permite un flujo unidireccional de agua). Añadir una o más rejillas de control dentro del tubo, creando el triodo, tetrodo, etc., permite que la corriente entre el cátodo y el ánodo sea controlada por el voltaje en las rejillas, creando dispositivos capaces de amplificar y rectificar señales eléctricas. Múltiples rejillas (por ejemplo, un heptodo) permiten mezclar señales aplicadas a diferentes electrodos.
Durante las primeras décadas del , las válvulas termoiónicas se convirtieron en la base de toda la electrónica: receptores de radio, transmisores, equipos de medición, sistemas telefónicos y los primeros ordenadores —como el ENIAC— dependían completamente de estos dispositivos.Goldstine, Herman. The Computer from Pascal to von Neumann. Princeton University Press, 1972. A pesar de su gran tamaño, elevado consumo y necesidad de altas temperaturas de funcionamiento, dominaron la tecnología hasta la invención el transistor en 1947, que inició su sustitución progresiva.Bardeen, J.; Brattain, W. "The Transistor, A Semi-Conductor Triode." Physical Review, 1948.
En la actualidad, las lámparas termoiónicas siguen utilizándose en aplicaciones especializadas que requieren alta potencia, estabilidad o determinadas características sonoras, como transmisores de radio, equipos científicos, amplificadores de audio de alta fidelidad., o en algunas aplicaciones, como el magnetrón empleado en hornos de microondas y algunos amplificadores de alta frecuencia. Muchos entusiastas del audio prefieren amplificadores de válvulas o valvas obsoletos para el supuesto sonido de válvulas "más cálido", y se utilizan para instrumentos musicales eléctricos como guitarras eléctricas para efectos deseados, como "sobrecargarlos" para lograr un sonido o tono determinado.Jones, M. Valve Electronics Explained. Newnes, 2010.
Los primeros tubos de vacío evolucionaron a partir de las bombillas incandescentes, que contenían un filamento sellado en una envoltura de vidrio al vacío. Cuando se calienta, el filamento libera electrones al vacío, un proceso llamado emisión termoiónica . Un segundo electrodo añadido con un voltaje positivo con respecto al filamento, el ánodo o placa, atraerá esos electrones. El resultado es un flujo neto unidireccional de electrones desde el filamento a la placa; no hay flujo en la dirección inversa porque la placa no emite iones positivos. El filamento tiene una doble función: emite electrones al calentarse y, junto con la placa, crea un campo eléctrico debido a la diferencia de potencial entre ellos. Un tubo con solo dos electrodos se denomina diodo y se utiliza para la rectificación . Dado que la corriente solo puede circular en una dirección, dicho diodo (o rectificador ) convertirá la corriente alterna (CA) en corriente continua pulsante. Esto permite utilizar diodos para convertir corriente alterna (CA) en corriente continua (CC) en una fuente de alimentación, como demodulador de señales de radio moduladas en amplitud (AM) y a partir del tríodo como amplificadores.
Desarrollo miniaturadeimagen|Una de las bombillas experimentales de Edison. En el se intensificó la investigación con tubos de vacío, como los tubos de Geissler y Crookes . Entre los muchos científicos e inventores que experimentaron con dichos tubos se encuentran Thomas Edison, Eugen Goldstein, Nikola Tesla y Johann Wilhelm Hittorf . Con la excepción de las primeras bombillas, estos tubos solo se utilizaban en investigaciones científicas o como objetos de colección. Sin embargo, el trabajo preliminar realizado por estos científicos e inventores fue fundamental para el desarrollo de la posterior tecnología de tubos de vacío.
Aunque la emisión termoiónica fue reportada originalmente en 1873 por Frederick Guthrie, fue el descubrimiento aparentemente independiente del fenómeno por Thomas Edison en 1883, conocido como el efecto Edison, el que se hizo muy conocido. Aunque Edison era consciente de la propiedad unidireccional del flujo de corriente entre el filamento y el ánodo, su interés (y patente Thomas A. Edison "Electrical Indicator", Issue date: 1884 ) se concentró en la sensibilidad de la corriente del ánodo a la corriente que atraviesa el filamento (y por lo tanto a la temperatura del filamento). Años después, John Ambrose Fleming aplicó la propiedad rectificadora del efecto Edison a la detección de señales de radio, como una mejora respecto al detector magnético . Fleming, J. A. (1934). Memories of a Scientific Life. London: Marshall, Morgan & Scott, Ltd. pp. 136–143. Retrieved Nov. 2021.
La amplificación mediante válvulas de vacío se hizo práctica solo con la invención en 1907 por Lee de Forest de la válvula " audión " de tres terminales, una forma rudimentaria de lo que se convertiría en el triodo . Al ser esencialmente el primer amplificador electrónico, tales tubos fueron fundamentales en la telefonía de larga distancia (como la primera línea telefónica de costa a costa en los EE. UU.) y los sistemas de megafonía, e introdujeron una tecnología muy superior y versátil para su uso en transmisores y receptores de radio.
Diodos miniaturadeimagen|Los primeros diodos de Fleming A finales del , la tecnología de radio o inalámbrica se encontraba en una fase temprana de desarrollo y la empresa Marconi se dedicaba al desarrollo y la construcción de sistemas de radiocomunicación. En 1899, Guglielmo Marconi nombró al físico inglés John Ambrose Fleming como asesor científico. Fleming había sido contratado como asesor científico de Edison Telephone (1879), como asesor científico de Edison Electric Light (1882), y también fue consultor técnico de Edison-Swan . Una de las necesidades de Marconi era mejorar el detector, un dispositivo que extrae información de una radiofrecuencia modulada. Marconi había desarrollado un detector magnético, que era menos sensible a las fuentes naturales de interferencia de radiofrecuencia que el cohesor, pero el detector magnético solo proporcionaba una señal de audiofrecuencia a un receptor telefónico. Se necesitaba un detector fiable que pudiera controlar un instrumento de impresión.
Como resultado de experimentos realizados con bombillas de efecto Edison, Fleming, J. A. (1934). Memories of a Scientific Life. London: Marshall, Morgan & Scott, Ltd. pp. 136–143. Retrieved Nov. 2021. Fleming desarrolló un tubo de vacío que denominó válvula de oscilación porque permitía el paso de corriente en una sola dirección. Fleming (1934) pp. 138–143. El cátodo era un filamento de lámpara de carbono, calentado al hacer pasar corriente a través de él, que producía una emisión termoiónica de electrones. Los electrones que habían sido emitidos desde el cátodo fueron atraídos hacia la placa ( ánodo ) cuando la placa tenía un voltaje positivo con respecto al cátodo. Fleming patentó estos tubos para la compañía Marconi en el Reino Unido, presentando la solicitud en noviembre de 1904, y la patente se emitió en septiembre de 1905. Editors (Sept 1954) "World of Wireless" Wireless World p. 411. Retrieved Nov. 2021. Más tarde conocida como válvula de Fleming, la "válvula de oscilación" se desarrolló con el propósito de rectificar la corriente de radiofrecuencia como componente detector de los circuitos receptores de radio. Fleming, J. A. (1905). Instrument for Converting Alternating Electric Currents into Continuous Currents. U. S. patent 803,684. Retrieved Nov 2021.
Aunque no era más sensible que un detector de cristal que funcionara correctamente, Robison, S. S. (1911). Manual of Wireless Telegraphy for the use of Naval Electricians. Annapolis, MD: United States Naval Institute. p. 124 fig. 84; pp. 131, 132. Retrieved Nov 2021 la válvula de Fleming no necesitaba el ajuste minucioso que requería el filamento de un detector de cristal, y no era susceptible de ser desplazada de la posición óptima por vibraciones o movimientos, lo cual era particularmente ventajoso para su uso en un barco en movimiento. Keen, R. (1922). Direction and Position Finding by Wireless. London: The Wireless Press, Ltd. p. 74. Retrieved Nov. 2021.
Tríodos miniaturadeimagen|El primer triodo, el audion de Forest, fue inventado en 1906. En el , los ingenieros de telégrafo y teléfono reconocieron la necesidad de ampliar la distancia a la que se podían transmitir las señales. En 1906, Robert von Lieben solicitó una patente para un tubo de rayos catódicos que utilizaba una bobina de deflexión magnética externa y estaba destinado a ser utilizado como amplificador en equipos de telefonía. Este tubo de deflexión magnética de von Lieben no fue un amplificador exitoso, debido a la potencia utilizada por la bobina de deflexión. F. B. Llewellyn. (Mar. 1957). "Birth of the Electron Tube Amplifier". New York: Ziff-Davis. Radio & Television News. p. 44 Más tarde, Von Lieben perfeccionaría los tubos de vacío triodos . derecha|miniaturadeimagen|Los triodos y su evolución a lo largo de unos 45 años de fabricación de tubos, desde el RE16 en 1918 hasta un tubo miniatura de la década de 1960. miniaturadeimagen|Símbolo de triodo. De arriba abajo: placa (ánodo), rejilla de control, cátodo, filamento calefactor.