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Amplificación y válvulas: el camino hacia el RADAR  

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10 mayo, 2021 22:32     #362454

No voy a hablaros de la historia o de la película  épica de la invención del radar. Vamos a intentar comprender el por que la necesidad de inventar los tubos de ganancia variable y como se llega a ellos.

Amplificación de señales y válvulas:
El MU de una válvula es su factor de amplificación. En las válvulas tipo triodo, este valor puede estar entre 5 y 100 generalmente, dependiendo si es una válvula de potencia o de señal. Este valor Mu, depende de la relación del espacio entre la rejilla y la placa y permanece constante para el mismo tipo y modelo de válvula tipo triodo en todas las condiciones normales de uso. Esta constante, relaciona la señal de entrada con la de salida de la válvula y se denomina Ganancia.
Pero en los tetrodos y pentodos, este valor MU no tiene un valor determinado o definido claramente, dando valores muy altos y poco constantes, excepto, cuando se operan como triodos. Se suelen facilitar valores de Mu en los pentodos y tetrodos, que se refieren a factores de amplificación internos, relativos al espacio g1-g2, siendo estos valores muy estables en todas las condiciones normales de uso de una misma válvula dada. Pero, la curva que se forma en los distintos puntos de trabajo de estas válvulas, se denomina conductancia mutua o transconductancia que es la característica eléctrica que relaciona la corriente de salida de un dispositivo con la tensión en la entrada del mismo. Lo reciproco a la resistencia. A diferencia del Mu, que es una relación y por tanto, un numero puro indistinto de las unidades que se mide, la transconductancias se mide en 1/ohms, que se puede expresar A/V. Como los valores de intensidad de las válvulas suelen ser pequeños, la transconductancia se expresa como mA/V. Esto es interesante, a ver si lo explico. Una cosa es la pendiente de amplificación y otra cosa es el factor de amplificación. Parece que el factor de amplificación es algo que se mantiene constante en las válvulas tipo triodo. En los tetrodos y pentodos, existe otra variable que tiene que ver con la conductancia y que puede variar dependiendo el punto de trabajo de dicha válvula  sin alterar su pendiente. La pendiente, recuerdo que está relacionada por la forma fisica de construcción de la rejilla de control. Una válvula puede ser de pendiente variable, de corte alejado o de corte abrupto. Pues ahora tambien vamos a conocer las de ganancia variable o vari-mu. Estas válvulas se usan por ejemplo, en el circuito de Control Automático de Volumen.
El caso es, que unos valores típicos de ganancia de los pentodos de señal, estaría bien en 1mA/V y para válvulas de potencia, 10mA/V, en este caso, no es muy difícil de conseguir por el tamaño del cátodo de estas válvulas y las altas corrientes.
A partir de los años 30, década que empieza a crearse el "invento" de la televisión y del RADAR, se dan cuenta que para enviar imágenes y otros datos, amplificar señales de radio no era el problema, el problema de las nuevas señales era el ancho de banda , ya que se trataba de amplificar instantáneamente lo equivalente a 1000 veces , 1 señal de radio. Había una opción, utilizar válvulas de alta transconductancia de potencia para amplificar las pequeñas señales de radiofrecuencia, pero es inviable porque estos tubos al necesitar mucha corriente, se aumentaba el ruido y , esto es contraproducente en la amplificación de señales débiles.
El camino era, conseguir fabricar válvulas de señal de alta ganancia variable, de baja intensidad y de bajo ruido para emplearlas en las etapas de los televisores rudimentarios. Aunque , realmente, los fondos para el desarrollo de este tipo de válvulas, se consiguieron para obtener válvulas eficaces para el desarrollo del radar, me refiero a la EF50. Pero antes, antes de que este magnifico tubo viese la luz, se desarrolló otro tubo, el EE50.

Continuará...

73/Fran

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10 mayo, 2021 23:56     #362456

¿Cómo se consigue tener un efecto de alta transconductancia con bajas intensidades de cátodo -placa?
Se consigue básicamente por un tipo de construcción llamado Multiplicador de Electrones, que consiste o se basa en la Emisión Secundaria . La emisión secundaria ocurre cuando un electrón golpea una superficie con suficiente energía para desprender nuevos electrones. La mayoría de los electrodos de válvulas están cuidadosamente diseñados para evitar que esto NO suceda, pero en el multiplicador de electrones se desea exactamente lo contrario. Ejemplo de este efecto, lo encontramos en el fotomultiplicador, que consiste en un cátodo que libera electrones debido al bombardeo de un fotón y estos electrones son atraídos por diferentes etapas de emisión secundarias que van multiplicando el numero de electrones para conseguir ganancias cercanas al millón.
No son exactamente rejas, que repelen o atraen a los electrones, son una especie de cátodos  recubiertos de sustancias emisoras que están polarizados cada vez mas positivos, aumentando la nube electrónica por la emisión de cada unidad. Para que funcione, cada etapa tiene que ser del orden 100 o 150v superior a la anterior. Un fotomultiplicador, tiene unas 11 etapas generalmente. Los tubos de las cámaras de imagen para televisión, se basan en este principio.

Pues apoyándose en este principio, Philips diseñó en 1938 el EE50, un pentodo pensado para ser utilizado en frecuencias altas, bajas señales y alta ganancia o de alta transconductancia con 2 cátodos para formar un multiplicador de electrones de una sola etapa que permitiría tener una alta transconductancia con intensidades bajas de cátodo a ánodo. Este tubo fué fruto del desarrollo de la necesidad de amplificar las señales de televisión, que como ya he comentado, se necesita un ancho de banda grande y muy limpio de ruidos. El segundo cátodo, se polarizaba a 150v mas positivo que el primero y la intensidad del punto de trabajo, estaba en 8mA. Esta innovación de válvula, se montó en una ampolla totalmente de vidrio, usando la base B9G, parecida  a la Loctal de Sylvania y repito, su aplicación y nacimiento,  era para  la televisión.

Este tipo de tubo no tuvo mucho recorrido, ya que al poco, Philips consiguió tener las mismas prestaciones pero con menor ruido con una construcción de válvula mas convencional, naciendo la EF50, la válvula que permitió un desarrollo efectivo y sobresaliente del RADAR aliado.

73, Fran

 

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11 mayo, 2021 22:56     #362496

He tenido unas dudas sobre los términos de variable mu, corte alejado, corte apruptp o neto, aqui creo que lo explico mas claramente y de paso, abordo la complejidad de amplificar señales de radio mas allá de los 30mhz.

 La diferencia eléctrica básica entre un tubo de corte alejado y uno de corte abrupto, es que el primero, dejará de conducir con unas tensiones de reja de unos -30v, y el segundo, lo hará sobre -8v. Esto nos dá una curva mucho mas suave   y mas plana en el primero, siendo muy manejable su ganancia y muy vertical y poco manejable en el segundo tipo. Los vari Mu, son tubos ideales en etapas donde se requiera un buen control de la ganancia.
Físicamente, el alambre de la reja de control se devana con las vueltas mas próximas en los extremos y mas alejadas en el centro.
A finales de los años 30, las válvulas de la época ofrecian un buen rendimiento en la amplificación de señales de onda corta hasta los 30Mhz. Por encima de 30 MHz, la ganancia de los pentodos de RF comenzó a caer bruscamente. Los dos factores principales para la caída en el rendimiento fueron: la inductancia y capacitancia de los cables largos desde los electrodos, desde el  pellizco del vidrio y la base, al resto del circuito, y el tiempo  que los electrones tardaron en viajar a través de la válvula.
A frecuencias de Onda Corta, el tiempo que tarda 1 electrón entre el cátodo y la rejilla de control es 1 nano segundo, tiempo despreciable ya que era pequeño en comparación con el tiempo de un ciclo de la frecuencia de entrada. A medida que se sube la frecuencia de entrada, este tiempo si es algo importante a tener en cuenta, ya que se descubrió que tenia el efecto de reducir la impedancia de entrada  de la válvula a frecuencias mas altas, teniendo como consecuencia final, la reducción de la ganancia y sin ganancia, no hay amplificación. En estos primeros circuitos de televisión, Philips Mullard tenían el TSP4 .
En EEUU, a principios de los 30 en RCA, se investigaba en hacer válvulas muy pequeñas ya que disponian de maquinas y tecnología  para poder montarlas. Estas válvulas tipo bellota, trabajaban bien hasta frecuencias de 400MHz. En Europa, este tipo de válvula no triunfó debido a la complejidad de su fabricación y básicamente, las que se usaron, fueron importadas de EEUU.
Mazda, desarrolló la SP41,  un pentodo convencional mucho mejor que el TSP4 para aplicaciones de alta frecuencia, su secreto era que era mucho mas compacto. Aquí parece, que la minituarización de las válvulas tiene que ver con el rendimiento en altas frecuencias, mas que por su tamaño físico y la necesidad de reducir el tamaño de los equipos. Contemporánea a esta, Philips sacó el EE50, que no debió de ser un componente barato de producir, ya que al poco, introdujo el EF50, que fué un tubo innovador porque se minituarizó toda la estructura interna, se abandonó el sistema de fabricación tipo bombilla, reduciéndose los hilos que creaban problemas de inductancias y capacitancias.
Un desarrollo a partir de la EF50 para uso militar fué la VR136, que era del tipo de corte agudo y para evitar ruidos, la conexión del cátodo se repartía en 4 de los pines y las rejillas se montaban en forma de cuadricula. Después de la guerra y para uso civil, a este tubo se le denominó EF54.
En definitiva, el secreto de operar con altas frecuencias, se basa en reducir inductancias, capacitancias y distancias entre los electrodos, asi como el tamaño general de los elementos. La diferencia básicamente entre el EE50 y la EF50, es que el primero, era caro y complejo, el segundo se encontró la forma de conseguir la ganancia del primero en un montaje mas convencional.

73, Fran

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11 mayo, 2021 23:06     #362498
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Os dejo una foto de las válvulas tipo "bellota"

73.Fran

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12 mayo, 2021 21:05     #362532
A finales de los 40, el tubo EF50 fue reemplazado en su uso por la EF91 y la EF80, ya que se consiguió obtener mejor transconductancia mutua y mayor impedancia de entrada. El EF91, se convirtió en una válvula muy utilizada, tanto en radio como en televisión. La  EF184, es una derivación directa de la EF80, pero su construcción interna es parecida a la de la EF54.
GANACIA- IMPEDANCIA DE ENTRADA-AÑO DE LANZAMIENTO:
TSP4: 4,7mA/V              1936
SP41: 8.5mA/V              1938
EE50: 14,5mA/V            1938
EF50: 6mA/V   5K          1939
EF54: 7,7mA                 1947
EF91: 7,6mA/V  8K        1947
EF80: 7,4mA/V 12K       1954
EF184: 15,6mA/V          1960
A partir de 1955, se empieza a usar la banda III en Reino Unido y se cambia el concepto de los amplificadores de RF, y se empieza a usar  triodos  en configuraciones cascodo. Otro dia hablaremos de ellos.
Saludos

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12 mayo, 2021 22:51     #362534
Publicado por: @ea4esf

No voy a hablaros de la historia o de la película  épica de la invención del radar. Vamos a intentar comprender el por que la necesidad de inventar los tubos de ganancia variable y como se llega a ellos.

Amplificación de señales y válvulas:
El MU de una válvula es su factor de amplificación. En las válvulas tipo triodo, este valor puede estar entre 5 y 100 generalmente, dependiendo si es una válvula de potencia o de señal. Este valor Mu, depende de la relación del espacio entre la rejilla y la placa y permanece constante para el mismo tipo y modelo de válvula tipo triodo en todas las condiciones normales de uso. Esta constante, relaciona la señal de entrada con la de salida de la válvula y se denomina Ganancia.
Pero en los tetrodos y pentodos, este valor MU no tiene un valor determinado o definido claramente, dando valores muy altos y poco constantes, excepto, cuando se operan como triodos. Se suelen facilitar valores de Mu en los pentodos y tetrodos, que se refieren a factores de amplificación internos, relativos al espacio g1-g2, siendo estos valores muy estables en todas las condiciones normales de uso de una misma válvula dada. Pero, la curva que se forma en los distintos puntos de trabajo de estas válvulas, se denomina conductancia mutua o transconductancia que es la característica eléctrica que relaciona la corriente de salida de un dispositivo con la tensión en la entrada del mismo. Lo reciproco a la resistencia. A diferencia del Mu, que es una relación y por tanto, un numero puro indistinto de las unidades que se mide, la transconductancias se mide en 1/ohms, que se puede expresar A/V. Como los valores de intensidad de las válvulas suelen ser pequeños, la transconductancia se expresa como mA/V. Esto es interesante, a ver si lo explico. Una cosa es la pendiente de amplificación y otra cosa es el factor de amplificación. Parece que el factor de amplificación es algo que se mantiene constante en las válvulas tipo triodo. En los tetrodos y pentodos, existe otra variable que tiene que ver con la conductancia y que puede variar dependiendo el punto de trabajo de dicha válvula  sin alterar su pendiente. La pendiente, recuerdo que está relacionada por la forma fisica de construcción de la rejilla de control. Una válvula puede ser de pendiente variable, de corte alejado o de corte abrupto. Pues ahora tambien vamos a conocer las de ganancia variable o vari-mu. Estas válvulas se usan por ejemplo, en el circuito de Control Automático de Volumen.
El caso es, que unos valores típicos de ganancia de los pentodos de señal, estaría bien en 1mA/V y para válvulas de potencia, 10mA/V, en este caso, no es muy difícil de conseguir por el tamaño del cátodo de estas válvulas y las altas corrientes.
A partir de los años 30, década que empieza a crearse el "invento" de la televisión y del RADAR, se dan cuenta que para enviar imágenes y otros datos, amplificar señales de radio no era el problema, el problema de las nuevas señales era el ancho de banda , ya que se trataba de amplificar instantáneamente lo equivalente a 1000 veces , 1 señal de radio. Había una opción, utilizar válvulas de alta transconductancia de potencia para amplificar las pequeñas señales de radiofrecuencia, pero es inviable porque estos tubos al necesitar mucha corriente, se aumentaba el ruido y , esto es contraproducente en la amplificación de señales débiles.
El camino era, conseguir fabricar válvulas de señal de alta ganancia variable, de baja intensidad y de bajo ruido para emplearlas en las etapas de los televisores rudimentarios. Aunque , realmente, los fondos para el desarrollo de este tipo de válvulas, se consiguieron para obtener válvulas eficaces para el desarrollo del radar, me refiero a la EF50. Pero antes, antes de que este magnifico tubo viese la luz, se desarrolló otro tubo, el EE50.

Continuará...

73/Fran

Muy interesante.

73s

Carlos EA7HLU

Honeste vivere, naeminem laedere et jus sum cuique tribuere

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