ELETTRONICI, TUBI
ELETTRONICI, TUBI
Questo articolo costituisce l'aggiornamento dell'articolo termoionici, tubi (XXXIII, p. 591; App. II, 11, p. 973): il mutamento di esponente è stato consigliato dalla constatazione che la qualifica elettronico appare assai più generale, per questi dispositivi, delle precedenti, termoionico e termoelettrico, abituali nel passato.
Generalità. - I tubi e., all'inizio usati quasi esclusivamente negli apparati di radiocomunicazione, hanno trovato applicazioni sempre più molteplici e varie. In conseguenza, nel progressivo sviluppo della tecnica elettronica sono stati introdotti tubi sempre più specializzati per impieghi particolari; parallelamente le loro caratteristiche costruttive, meccaniche ed elettriche, hanno subito considerevoli miglioramenti.
Alcuni decennî or sono era usuale raggruppare i tubi e. in due classi: tubi riceventi e tubi trasmittenti, con evidente riferimento al loro impiego negli apparati per radiocomunicazioni. Una classe a parte poteva essere costituita dai tubi oscillografici, derivati dal tubo di Braun.
Volendo oggi tentare una classificazione più completa, appare inevitabile tener conto delle caratteristiche particolari richieste dalla molteplicità delle applicazioni cui sopra si è fatto cenno. Due sembrano essere i parametri fondamentali cui si può fare riferimento per un simile tentativo: la frequenza e la potenza.
Per quanto riguarda la frequenza, occorre tener presente che mentre a frequenze relativamente basse possono essere completamente trascurati gli effetti delle capacità interelettrodiche, delle induttanze degli elettrodi, del tempo di transito (tempo che gli elettroni impiegano a superare le distanze interelettrodiche), questi effetti diventano progressivamente e ordinatamente dominanti al crescere della frequenza. Con tecniche costruttive opportune e con circuiti esterni appropriati è stato possibile spostare il limite di impiego dei tubi che diremo "convenzionali" (diodi, triodi, tetrodi, pentodi e simili), verso frequenze sempre più elevate; il limite estremo sembra essere stato raggiunto per frequenze dell'ordine di qualche migliaio di MHz, corrispondenti a lunghezze d'onda dell'ordine del decimetro. Oltre questo limite, soprattutto a causa del tempo di transito, è stato necessario far ricorso a tubi fondati su principî del tutto diversi, i cosiddetti "tubi per microonde".
In riferimento alla frequenza, potremmo dunque classificare i tubi in convenzionali e per microonde. I principî di funzionamento degli uni e degli altri furono esposti negli articoli dianzi citati.
Per quanto riguarda la potenza, si può osservare che in molte applicazioni, per es. nel caso dei tubi riceventi, la potenza è richiesta a livelli così bassi da non costituire elemento essenziale; per altre applicazioni invece, per es. nel caso dei tubi trasmittenti, la potenza e il rendimento sono elementi essenziali: ha senso allora distinguere tubi di piccola, media, grande potenza, in un campo che va da frazioni di watt a centinaia di chilowatt.
Tubi convenzionali. - I miglioramenti costruttivi che possiamo segnalare riguardano principalmente il grado di vuoto, i materiali degli elettrodi, la disposizione interna di questi ultimi. Grazie a questi miglioramenti è stato possibile raggiungere, nella produzione in serie, una grande uniformità delle caratteristiche di funzionamento, una maggiore durata, una maggiore resistenza meccanica e un miglioramento generale delle caratteristiche elettriche.
Per i tubi di piccola potenza la tecnica costruttiva è indirizzata verso realizzazioni in cui gli elettrodi sono contenuti in un bulbo completamente in vetro, di dimensioni sempre più ridotte, dal fondo del quale escono direttamente i reofori (piedini) collegati con gli elettrodi interni; si tende cioè ad eliminare gli "zoccoli" di collegamento. Per i tubi di grande potenza, gli anodi esterni, prima costruiti in rame con una rastrematura a unghia sottilissima per la saldatura al vetro, ora vengono prevalentemente costruiti in leghe speciali ferro-nichel-cobalto (fenicon, vacon, covar).
Abbiamo accennato alla molteplice specializzazione dei tubi elettronici convenzionali. Per questo rispetto possiamo considerare le seguenti categorie: tubi riceventi e trasmittenti ordinarî, tubi per tecniche impulsive, tubi per circuiti analogici.
I tubi riceventi e trasmittenti ordinarî non presentano sostanziali modifiche delle caratteristiche elettriche rispetto ai tubi di vecchio tipo; in confronto a questi si ha una generale riduzione delle dimensioni, una maggior compattezza nella disposizione degli elettrodi interni e, quando è possibile, l'eliminazione dello zoccolo.
In questi ultimi anni si sono grandemente estese le applicazioni di circuiti percorsi da correnti impulsive, cioè da correnti variabili col tempo non con leggi armoniche, vale a dire di tipo sinusoidale, ma in modo da presentare variazioni brusche tra due determinanti valori. Il tempo richiesto per tali variazioni può essere brevissimo, fino all'ordine di 10-10 sec; le variazioni stesse possono ripetersi periodicamente o meno. Applicazioni del genere si trovano nei sistemi televisivi, nei radar, nelle macchine calcolatrici in genere, in molti apparati elettronici per la fisica nucleare e così via. È ovvio che i tubi impiegati in queste tecniche impulsive debbano avere caratteristiche speciali; in particolare debbono avere capacità elettrodiche ridottissime, conduttanza mutua molto alta, capacità di sopportare per brevi intervalli di tempo condizioni di lavoro assai più impegnative di quelle normali.
Quanto ai tubi per macchine calcolatrici analogiche, per essi, destinati generalmente a funzionare in sistemi in controfase che richiedono un perfetto bilanciamento, si rende necessaria una assoluta uniformità di caratteristiche. Generalmente, a tal fine si fa uso di tubi doppî (doppî triodi o doppî pentodi) selezionati in modo che le caratteristiche delle due sezioni presentino le più piccole differenze possibili. Tali tubi, che vengono prodotti in serie di diversa conduttanza mutua e diverso coefficiente di amplificazione, devono avere in ogni caso un rumore proprio molto basso.
A parte le caratteristiche elettriche che, come abbiamo ora visto, specificano le proprietà e le possibilità di impiego dei tubi nei diversi circuiti, le prestazioni che si richiedono ai tubi sono diverse a seconda che essi debbano servire per usi civili correnti (per es. radioricevitori e televisori per uso domestico), per usi professionali o per usi militari.
I tubi per uso professionale debbono poter funzionare per lunghissimo tempo ininterrottamente, mantenendo pressoché inalterate le loro caratteristiche elettriche; sono del tutto analoghi a quelli normali per le caratteristiche elettriche, ma si differenziano da essi per la lunga vita (10.000 ore circa di vita media anziché 3000).
I tubi per uso militare debbono dare sicurezza di funzionamento anche in condizioni ambientali molto avverse (temperatura, umidità, vibrazioni, urti), e perciò vengono costruiti con i supporti interni degli elettrodi molto robusti, con i piedini dorati, e così via. In qualche caso, come quello degli apparati elettronici contenuti in spolette di proiettili di artiglieria o nei missili, occorrono tubi di dimensioni ridottissime (tubi subminiatura )e molto resistenti a violente accelerazioni (dell'ordine delle centinaia e delle migliaia di g per durate di qualche millisecondo).
Tubi per microonde. - Come detto dianzi, l'impiego di questi tubi si rende necessario allorché la frequenza di lavoro supera qualche migliaio di MHz.
Rinviando all'articolo della precedente Appendice (App. II, 11, p. 973) per ciò che concerne il principio di funzionamento del magnetron, del klystron e del tubo a onda progressiva, riporteremo qui brevemente alcune notizie sui miglioramenti tecnici realizzati in questo settore.
Nel campo dei magnetron, è stato notevolmente migliorato il rendimento. Sono, ad es., disponibili attualmente nel commercio magnetron a cavità multiple, aventi le seguenti caratteristiche: funzionamento impulsivo con potenza di picco (potenza massima durante l'impulso) 10 kW, potenza media 10 W, frequenza compresa fra 50.000 e 70.000 MHz.
Nello sviluppo della tecnica del klystron, hanno raggiunto particolare importanza sia i klystron autooscillatori di piccola potenza (klystron reflex per eterodine e strumenti di misura), sia i klystron oscillatori di grande e grandissima potenza, con funzionamento continuo o impulsivo, che vengono particolarmente impiegati negli acceleratori di particelle (v. acceleratore, in questa App.). A titolo di esempio ricordiamo che sono stati attuati klystron capaci di erogare potenze impulsive di 30 MW di picco su frequenze dell'ordine di 1000 MHz.
Anche il klystron, come il magnetron, è in generale un tubo previsto per lavorare su una frequenza fissa o al più variabile entro una banda molto limitata. Tuttavia sono stati realizzati klystron con banda così larga da competere efficacemente con i tubi a onda progressiva. A titolo di esempio riportiamo i seguenti dati di un klystron del commercio: amplificatore con 5 MW di picco, 10 kW di potenza media; rendimento 43%; amplificazione 40 dB, costante, senza necessità di accordo, fra 2730 e 2870 MHz.
Per quanto riguarda i tubi ad onda progressiva, i quali presentano il pregio inestimabile di funzionare, senza necessità di accordo, su una banda di frequenza estremamente estesa rispetto alla frequenza centrale, solo in questi ultimi tempi essi hanno avuto uno sviluppo molto ampio. La loro tecnica costruttiva ha fatto progressi così rilevanti e, soprattutto, è stato possibile ridurne a livelli così bassi il rumore di fondo, che con essi si possono attuare amplificatori diretti a radiofrequenza con rumore di fondo inferiore a quello delle migliori disposizioni di conversione di frequenza con eterodina e cristallo mescolatore.
A queste tre principali categorie di tubi per microonde se n'è recentemente aggiunta un'altra, costituita dai cosiddetti carcinotron o tubi ad onda inversa, che derivano dai tubi ad onda progressiva.
Il principio di funzionamento è schematizzato nella fig. In questa è rappresentata la sezione di una guida d'onda ripiegata a greca, percorsa da un'onda nel senso indicato dalle frecce esterne. Le frecce interne rappresentano la distribuzione del campo elettrico dell'onda a un dato istante: si nota che a quell'istante il campo è assai intenso nelle sezioni a1 ÷ a4 e nullo nelle sezioni b0 ÷ b3. Questa situazione si inverte dopo un quarto di periodo perché due sezioni consecutive a, b distano di un quarto di lunghezza d'onda. Un fascio di elettroni, emergenti dal catodo C e accelerati dal potenziale costante dell'elettrodo A, corre lungo la greca verso il collettore G procedendo in senso inverso all'onda (donde la denominazione del tubo).
Supponiamo per un momento: 1) che il fascio elettronico non sia di densità uniforme, ma sia formato da gruppi di elettroni, che, nell'istante a cui si riferisce la fig., attraversino le sezioni a1 e a3, dove il campo elettrico è diretto in modo da frenarne leggermente il moto; 2) che, a parte queste leggere azioni di frenamento, la velocità degli elettroni sia tale, in relazione alla velocità dell'onda nella guida, che, allorquando un gruppo attraversa una sezione della guida, vi trovi il campo elettrico frenante: per questo basta che il gruppo che passa, per es., per a1 dopo un quarto di periodo passi per b1. In queste ipotesi, i gruppi, per effetto del frenamento, cedono energia al campo dell'onda, che così risulta amplificata. In realtà non occorre che il fascio sia costituito da gruppi: quando infatti gli elettroni emessi con continuità dal catodo attraversano la greca, il campo dell'onda esercita un'azione raggruppante, talché i gruppi si formano automaticamente; affinché poi la cessione di energia avvenga nonostante l'azione frenante detta sopra, occorre che la velocità degli elettroni sia un po' superiore a quella indicata in 2). La frequenza dell'onda è vincolata soltanto alla velocità degli elettroni e i raggruppamenti elettronici divengono sempre più serrati via via che procedono dal catodo verso il collettore; l'ampiezza dell'onda aumenta invece via via ch'essa procede lungo la guida.
La struttura costituita dalla guida d'onda ripiegata a greca non è la sola adatta per un carcinotron. Anche eliche come quelle usate negli ordinarî tubi ad onda progressiva possono servire utilmente: i campi elettrici fra le spire successive dell'elica possono, in opportune condizioni, presentare differenze di fase simili a quelle fra le sezioni a, b della greca. I carcinotron sono indicati per funzionare come auto-oscillatori.
Tubi speciali. - I tubi a catodo freddo sono particolarmente usati come stabilizzatori di tensione (v. stabilizzatore, in questa App.); per essi è stata raggiunta una notevole stabilità di funzionamento al variare della temperatura e una grande riproducibilità delle caratteristiche.
Molti perfezionamenti sono stati conseguiti nella tecnica dei tubi a raggi catodici, specialmente per quanto riguarda la molteplicità dei tipi di fosforo per lo strato luminescente dello schermo. Questi tubi sono andati sempre più specializzandosi a seconda delle prestazioni richieste: luminosità, colore, persistenza della traccia e così via. Tra essi quelli impiegati nella ripresa e recezione televisive (v. televisione, in questa App.).
Molto sviluppo hanno avuto in questi ultimi tempi i tubi fotomoltiplicatori (v. App. Il, 11, p. 648), di cui è stata realizzata una grande varietà di tipi: dal piccolo tubo con 10 anodi e una superficie di fotocatodo di pochi millimetri quadrati al grande tubo con catodo a forma di disco della superficie di alcune decine di centimetri quadrati, usato come rivelatore a scintillazione in fisica nucleare (v. contatore, in questa App.), per la misurazione della luminosità e della temperatura delle stelle e così via.
I tubi contatori di impulsi sono dispositivi elettronici, che permettono di contare una serie di impulsi di tensione che vengono applicati al loro ingresso, e forniscono un impulso di tensione in uscita quando il conto ha raggiunto un valore fissato. Molte le applicazioni. Fra i tipi più usati il decatron e il trocotron. Il decatron è un tubo del tipo a scarica nel gas a catodo freddo. Un anodo centrale è circondato da 10 complessi, ciascuno dei quali è costituito da un catodo e da due "guide", a, b. Tutte le guide a sono in parallelo fra loro, e così tutte le guide b. Se la scarica avviene fra l'anodo e un catodo K1, la cui tensione sia stata ridotta rispetto agli altri elettrodi, essa può essere trasferita al catodo contiguo da una parte con due successivi impulsi negativi alle guide a, b, o al catodo contiguo dall'altra, con due successivi impulsi negativi alle guide b, a. La luce nella zona di scarica permette di riconoscere il catodo interessato. Simile nel funzionamento è il trocotron, che è però un tubo ad alto vuoto con catodo caldo, sottoposto a un campo magnetico permanente, prodotto da un anello di materiale magnetico applicato esternamente.
Bibl.: F. E. Terman, Electronics and radio engineering, New York 1955; J. Millman e S. Seely, Electronics, New York 1951; G. Happel e W. Hesselberth, Engineering electronics, New York 1953; Proceedings of the symposium on modern advances in microwave techniques, New York 1954.