Un tub termoiònic, tub electrònic, tub de buit, també anomenat, vàlvula termoiònica, vàlvula electrònica, vàlvula de buit, és un component electrònic tancat dins d'un tub de vidre, utilitzat per amplificar, commutar, o modificar un senyal elèctric mitjançant el control del moviment dels electrons en un espai «buit» a molt baixa pressió, o en presència de gasos especialment seleccionats. L'Efecte Edison original va ser el component crític que va possibilitar el tríode de Lee de Forest i així el desenvolupament de l'electrònica durant la primera meitat del , incloent l'expansió i comercialització de la radiodifusió, televisió, radar, àudio, xarxes telefòniques, computadors analògics i digitals, control industrial, etc. Algunes d'aquestes aplicacions són anteriors a la vàlvula, però van viure un creixement explosiu gràcies a aquesta.
Característiques miniatura||Vàlvula doble-tríode de fabricació russa Els tubs de buit estaven compostos per dos o més elèctrodes dins un tub de cristall segellat al buit, amb un aspecte semblant al de certes làmpades incandescents. L'invent primitiu va ser el díode, el 1904 per John Ambrose Fleming, de l'empresa Marconi, basant-se en observacions fetes per Thomas Alva Edison. Després va arribar el tríode de Lee de Forest que encara s'empra en certes aplicacions d'àudio HI-FI, i malgrat haver tingut un cert ressorgiment, la majoria dels equips moderns es basen en l'ús de materials semiconductors.
Igual que els llums incandescents, els tubs de buit més senzills tenen un filament a través del qual circula el corrent, escalfant-lo per l'efecte Joule. El filament (tractat amb òxid de bari, per a una millor durada), en escalfar-se emet electrons cap al buit circumdant, que són conduïts electrostàticament cap a una placa metàl·lica carregada positivament (l'ànode), i així es produeix la conducció. El pas del corrent en sentit invers es veu impedit, ja que si l'ànode no s'escalfa, no podrà cedir electrons al buit circumdant.
Al llarg de la seva història, van ser introduïts moltíssims tipus de vàlvules, però els principis de funcionament bàsics són: Efecte Edison. La gran majoria de les vàlvules electròniques estan basades en la propietat que tenen els metalls en calent d'alliberar electrons des de la seva superfície. Gasos ionitzats. En altres casos, s'utilitzen les característiques de la conducció electrònica en gasos ionitzats, això resulta principalment important en els reguladors de tensió, rectificadors de vapor de mercuri, vàlvula de commutació T/R, etc. Efecte fotoelèctric En altres casos, el principi de funcionament es basa en l'emissió d'electrons per l'efecte fotoelèctric.
L'ocàs d'aquesta tecnologia va començar amb la invenció del transistor i el desenvolupament de components d'estat sòlid que eren molt més petits, barats i fiables que la vàlvula. No obstant això avui dia encara sobreviu en certes aplicacions específiques, on per raons tècniques resulten més convenients. Per exemple en transmissors de radiofreqüència d'alta potència i sistemes de radar s'utilitzen magnetrons, vàlvules d'ona progressiva TWT, thyratrons, etc. En televisió i sistemes d'imatge medicinal encara s'utilitzen tubs de raigs catòdics o tubs de captura d'imatge, i en la llar és la base de funcionament del forn microones. També encara són utilitzades en preamplificadors de micròfons, guitarres i baixos, així com en equips de so d'alta fidelitat.
Història miniatura|Díode termoiònic fabricat per Philips. L'efecte d'emissió termoiònica va ser originalment reportat per Frederick Guthrie el 1873, però va ser la investigació de Thomas Alva Edison el treball més sovint esmentat. Edison, en veure que amb l'ús el vidre de les làmpades incandescents s'anava enfosquint, va cercar la forma de minvar aquest efecte, en diversos experiments. Un va ser la introducció en l'ampolla del llum d'un elèctrode en forma de placa, que es polaritzava elèctricament per tal d'atreure les partícules que, segons sembla, es desprenien del filament. Tot i que Edison no comprenia a nivell físic el funcionament, i desconeixia el potencial del seu «descobriment», el 1884 Edison ho va patentar sota el nom de "Efecte Edison".
Les primeres vàlvules termoiòniques, o tubs de buit, evolucionaren a partir de les bombetes d'incandescència, i contenien un filament (anomenat càtode) dins d'un recipient de vidre segellat al buit. El filament està tractat amb òxid de bari, de manera que en escalfar-se allibera electrons al buit circumdant, un efecte anomenat emissió termoiònica o «Efecte Edison». Un segon elèctrode, l'ànode o placa, atrau electroestàticament aquests electrons si és a una tensió positiva respecte del càtode. El resultat és un flux net d'electrons del càtode a l'ànode. Tanmateix, si s'inverteix la polaritat entre càtode i ànode, els electrons no poden fluir en sentit contrari perquè l'ànode no està escalfat i no emet electrons. Un tub d'aquestes característiques s'anomena díode, i té aplicacions en rectificació. Va ser inventat per John Ambrose Fleming (1904), de l'empresa Marconi, basant-se en observacions fetes per Thomas Alva Edison.
Pocs anys després (1907) Lee De Forest desenvolupà l'Audion, un dispositiu precursor de la vàlvula tríode, en el qual, introduint un tercer elèctrode anomenat «reixeta de control» (o simplement «reixeta») entre el càtode i l'ànode, era possible de modular el flux d'electrons (i, per tant, la magnitud del corrent elèctric que travessava el dispositiu) variant només el potencial de la reixeta respecte del càtode. D'aquesta manera, una variació de pocs volts a la reixeta podia produir unes variacions relativament grans de corrent i, en conseqüència, una variació de la tensió de l'ànode de forma similar a l'aplicada a la reixeta, però de magnitud molt més elevada. Naixia així un dispositiu capaç d'amplificar un senyal, fet que suposà una autèntica revolució i (juntament amb el descobriment de l'electró uns anys abans) es pot considerar que inaugurà el camp de l'electrònica.
Efecte Edison miniatura|Tríode de 1906. Si s'afegeix un elèctrode pla (placa o ànode), quan el filament s'escalfa es produeix una agitació dels àtoms del material que el recobreix, i els electrons de les òrbites de valència són accelerats, aconseguint velocitats de fuita, amb el que es forma un núvol d'electrons sobre la placa. El núvol termoiònic, fortament atret per la placa, per raó del potencial positiu aplicat a la mateixa, dona lloc a la circulació d'un corrent elèctric a través de la vàlvula entre el filament i l'ànode. A aquest fenomen se l'anomena Efecte Edison-Richardson o efecte termoiònic.
Arribats a aquest punt, hem de la vàlvula termoiònica més simple està constituïda per una ampolla de vidre, similar a la de les làmpades d'incandescència, a la qual se li ha practicat el buit i en la qual es troben tancats dos elèctrodes, anomenats càtode i ànode .
Físicament, el càtode, consisteix en un filament de wolframi, recobert per una substància rica en electrons lliures, que s'escalfa mitjançant el pas d'un corrent. L'ànode està format per una placa metàl·lica que envolta al filament a una certa distància i a la qual s'aplica un potencial positiu. Per constar de dos elèctrodes a la vàlvula abans descrita se li denomina díode .
En la mesura que la funció de càtode és realitzada directament pel filament, es tracta d'una vàlvula descalfament directe .
Quan es volen obtenir majors corrents a través de la vàlvula i un aïllament elèctric entre la font de corrent d'escalfament del filament i la d'ànode-càtode, s'utilitza un càtode independent constituït per un petit tub metàl·lic revestit o "pintat" amb algun material ric en electrons lliures, com el òxid de tori, que envolta el filament, aïllat elèctricament, però molt proper a ell per poder escalfar adequadament. En aquest cas la vàlvula es denomina de escalfament indirecte , podent llavors el corrent del caldeo ser fins i tot alterna. En aquest tipus de vàlvules el filament solament és l'element calefactor i no es considera un elèctrode actiu. En estar els filaments aïllats es poden connectar junts (en sèrie o paral·lel) els filaments de totes les vàlvules de l'equip, el que no és possible amb càtodes descalfament directe .
Si s'agreguen altres elèctrodes entre ànode i càtode (anomenats reixetes) es pot controlar o modular el flux d'electrons que arriben a l'ànode, d'aquí la denominació de vàlvula.
A causa del fet que el corrent per l'interior de la vàlvula solament pot circular en un sentit, una de les aplicacions de les vàlvules termoiòniques és la seva utilització com rectificador. Així mateix, i atès que amb petites diferències de potencial aplicades entre reixeta i càtode es poden produir variacions considerables del corrent circulant entre càtode i ànode, una altra aplicació, possiblement la més important, és com amplificador.
Funcionament Un tub de buit consta de dos o més elèctrodes al buit dins d'un embolcall hermètic. La majoria dels tubs tenen embolcalls de vidre amb un segell de vidre a metall basat en vidre kovar de borosilicat segellable, encara que s'han utilitzat embolcalls de ceràmica i metall (amb els electrodes sobre de bases aïllants). Els elèctrodes estan connectats a cables que travessen l'embolcall mitjançant un segellat hermèticament. La majoria dels tubs de buit tenen una vida útil limitada, a causa de la cremada del filament o de l'escalfador o d'altres modes de fallada, de manera que es fabriquen com a unitats reemplaçables; els cables de l'elèctrode es connecten a les agulles de la base del tub que es connecten a un connector del tub. Els tubs eren una causa freqüent de fallades en els equips electrònics, i s'esperava que els consumidors poguessin substituir els tubs ells mateixos. A més dels terminals de la base, alguns tubs tenien un elèctrode que acabava en una tapa superior. El motiu principal per fer-ho va ser evitar la resistència a les fuites a través de la base del tub, especialment per a l'entrada de la xarxa d'alta impedància.Morgan Jones, Valve Amplifiers, Elsevier, 2012 Les bases es feien habitualment amb aïllament fenòlic que funciona malament com a aïllant en condicions humides. Altres raons per utilitzar una tapa superior inclouen la millora de l'estabilitat mitjançant la reducció de la capacitat de la xarxa a l'ànode,, p.571 rendiment d'alta freqüència millorat, mantenint una tensió de placa molt alta lluny de tensions més baixes i acomodant un elèctrode més del que permet la base. Fins i tot hi havia un disseny ocasional que tenia dues connexions superiors.
Els primers tubs de buit van evolucionar a partir de bombetes incandescents, que contenien un filament segellat dins d'un recipient segellat al buit. Quan està calent, el filament allibera un núvol d'electrons, un procés anomenat emissió termiònica, originalment conegut com a efecte Edison. Un segon elèctrode, l'ànode o placa, atraurà aquests electrons si està a un voltatge més positiu. El resultat és un flux net d'electrons del filament a la placa. Tanmateix, els electrons no poden fluir en sentit invers perquè la placa no s'escalfa i no emet electrons. El filament (càtode) té una doble funció: emet electrons quan s'escalfa; i, juntament amb la placa, crea un camp elèctric a causa de la diferència de potencial entre ells. Aquest tub amb només dos elèctrodes s'anomena díode, i s'utilitza per a rectificació. Com que el corrent només pot passar en una direcció, aquest díode (o rectificador) convertirà el corrent altern (CA) en corrent continu polsant. Per tant, els díodes es poden utilitzar en una font d'alimentació de CC, com a desmodulador de senyals de ràdio modulats en amplitud (AM) i per a funcions similars.