Ir a página principal DOS CIRCUITOS EXPERIMENTALES CON BOMBILLAS DE VAPOR DE MERCURIO
Los llamados "tubos de cátodo frío" nacieron a mediados del siglo XIX, sesenta años antes que las primeras válvulas termoiónicas, y a partir de 1930 pasaron de ser casi una curiosidad de laboratorio a utilizarse para muchas funciones industriales, como elementos de control para automatismos, estabilizadores de tensión, detectores de partículas, sensores, pilotos indicadores, displays numéricos, contadores de décadas y conmutadores de señal. Puesto que para estas funciones tenía dos grandes ventajas sobre las válvulas de vacío: que no necesitaban caldeo de filamento (con el gran consumo que ello implicaba) y que fabricarlos costaba una pequeña fracción del precio de aquellas. Tanto la firma inglesa Mullard como la holandesa Philips o la suiza Cerberus produjeron millones de estos dispositivos, e incluso en la Unión Soviética, muchas calculadoras y registradoras de sobremesa basaban su funcionamiento en tubos de este tipo. Hoy en día sus aplicaciones industriales se han reducido notablemente, pero en sus distintas configuraciones siguen utilizándose aún como protectores de líneas eléctricas, como lámparas de flash y como detectores de radiaciones. En nuestras casas, tenemos además sin saberlo una numerosa representación de tubos de gas en forma de fluorescentes y bombillas de bajo consumo. De igual forma, en publicidad se mantienen los tradicionales rótulos de neón, y en espacios públicos, como calles, plazas o carreteras, la iluminación sigue siendo mediante lámparas de vapor de mercurio y de sodio de alta presión.
Conductores y aislantes Todos los elementos están formados por átomos, y éstos formados a su vez por un núcleo y una envoltura de electrones. Los electrones ocupan una serie de capas u órbitas alrededor del núcleo, y de su distribución depende la mayoría de las características químicas y eléctricas de los elementos. El hecho de que algo sea conductor o aislante tiene que ver con la última capa de electrones y la facilidad que tengan para abandonarla, creando en su movimiento hacia otros átomos lo que llamamos corriente eléctrica. De esta forma, los elementos de baja Energía de Extracción de electrones, como los metales, son buenos conductores, con resistencias específicas de milésimas de ohmio, en cambio en si este parámetro es alto su resistencia puede alcanzar decenas o centenares de megaohmios, valores que para la mayoría de los usos ya consideramos aislantes. Con lo dicho hasta ahora podríamos pensar que estas características son siempre lineales, como en la famosa Ley de Ohm, con una resistencia constante y una intensidad que varía proporcionalmente a la tensión aplicada. Pero nada más lejos de la realidad, porque existen numerosos fenómenos que pueden modificarlas, de hecho, los gases, que en condiciones normales son prácticamente aislantes, se convierten en buenos conductores por efecto de la ionización, lo cual explica su insólito comportamiento y permite el funcionamiento de los tubos que tratamos en este tema. Tubos de cátodo frío y tubos disparadores Hemos dicho que los gases son normalmente aislantes, pero si en condiciones de baja presión introducimos dos electrodos y los sometemos a un campo eléctrico suficientemente intenso, algunos electrones son arrancados de sus órbitas y se dirigirán hacia el electrodo positivo, mientras que el resto del átomo (ahora convertidos en un ión positivo por haber perdido electrones), se dirigirá hacia el electrodo negativo. Esta disociación da origen a un estado especial llamado "plasma", que los físicos consideran como el cuarto estado de la materia. Tres tubos de cátodo frío de neón a baja presión, de apenas centímetro y medio de longitud:
(A) tubo disparador de tres electrodos, (B) diodo, (C) lamparita piloto de alterna  Los movimientos de las partículas del plasma tampoco son regulares. Para empezar, los electrones tiene mucha más movilidad al ser su masa miles de veces más reducida que la del núcleo, y por otra parte, en su movimiento adquieren energía cinética que pueden descargar al chocar contra otros átomos, arrancando más electrones en una progresión en forma de avalancha exponencial que en fracciones de segundo multiplican la intensidad desde pocos picoamperios hasta valores que en algunos tubos pueden superar las decenas de amperios. A la vez, tanto los electrones como los iones positivos pueden también arrancar electrones secundarios al chocar contra sus respectivos electrodos, o formar "nubes de carga espacial" que modifican la distancia "eléctrica" entre electrodos y por su efecto barrera dificultan el paso de nuevas cargas. Con tales interacciones, y como podemos ver en la imagen siguiente de la izquierda, la curva de tensión-intensidad en el seno de un gas es realmente compleja, con muchos estado definidos que pueden generarse en rápida sucesión, aunque la mayoría de los tubos trabajaban en la región denominada de "luminiscencia normal" y unos pocos en zona de descarga de arco. Al observar la gráfica debemos tener en cuenta que la coordenada X de este gráfico es de tipo logarítmico, porque en caso contrario la parte inicial, como la Zona de Townsend, no sería distinguible.
En la imagen anterior derecha se representa la luminosidad de una típica descarga de luminiscencia normal, aunque puede variar considerablemente al cambiar la presión del gas o la forma de los electrodos, con una débil luminiscencia junto al cátodo provocada por el bombardeo de los iones positivos, seguido del llamado Espacio Oscuro de Crookes en que se condensa la mayor parte de la caída de potencial. Dicho espacio es la zona es que se produce la disociación iónica y es mayor cuando más baja es la presión del gas. La zona más luminosa es la columna positiva, donde los electrones, en su camino acelerado hacia el ánodo, chocan de forma más frecuente con las moléculas gaseosas. Los gases más frecuentemente utilizados en los tubos de cátodo frío suelen ser el neón y el argón, o bien las mezclas de Penning, que combinan ambos en distintas proporciones y cuyas Energías de Extracción son más bajas que con los gases puros.
Tensión de cebado dependiendo del producto de la distancia por la presión de
Averiguando sus característicasllenado, en función de diversos gases puros o en mezclas de Penning  Los tubos utilizados en lámparas de iluminación son sensiblemente distintos, ya que excepto para las letras de los rótulos de neón, normalmente se utilizan como gases los vapores de ciertos metales, como el sodio o el mercurio. En el primero de ellos la luz tiene un fuerte componente amarillo, aunque su espectro se ha suavizado notablemente en las versiones más modernas. En los tubos de mercurio, la mayor parte de la radiación luminosa emitida está en cambio en el rango del ultravioleta, y por tanto invisible, debiendo contener en su interior alguna sustancia fluorescente que la convierta al espectro visible.
En la muchos tubos de cátodo frío diferenciamos un ánodo y un cátodo por la sencilla razón que la mayoría trabajan con corriente continua, casi siempre de tipo pulsante, pero en los de iluminación lo normal es trabajar con corriente alterna industrial y por tanto el ánodo y cátodo intercambian sus funciones a cada ciclo, a razón de 50 veces por segundo. Los tubos disparadores son como los normales, con un cátodo y un ánodo, pero además incorporan este tercer electrodo disparador cerca del primero de ellos. Técnicamente este electrodo es también un ánodo de pequeñas dimensiones, que por su proximidad al cátodo tiene con éste una tensión de cebado mucho menor que la del ánodo principal, de tal forma que si polarizamos dicho electrodo con la necesaria tensión positiva, va a iniciar una pequeña descarga cuyos iones activarán en pocos milisegundos la descarga principal. El electrodo de control tiene además una alta impedancia de entrada, absorbiendo intensidades tan bajas que la ganancia de potencia de este tipo de tubos puede alcanzar valores tan altos como de 10.000/1. En el aspecto estructural podríamos asociar el tubo de cátodo frío a una válvula termoiónica de tipo triodo, pero en realidad, la semejanza es sólo aparente, puesto que estos tubos de gas carecen de la "progresividad" de los triodos, y una vez disparada la conducción no hay manera de regularla ni interrumpirla a través del electrodo de control. Son dispositivos a "todo o nada" y la conducción sólo se detendrá al disminuir la tensión anódica por debajo del punto de mantenimiento durante un tiempo suficientemente largo (que puede ser de milisegundos) para que se recombinen los iones y el gas se vuelva de nuevo aislante. Otra característica es que no pueden funcionar a altas frecuencias, porque si bien los electrones van casi tan rápidos como en una válvula termoiónica, los iones positivos se mueven mucho más lentamente. Esta característica, junto a la velocidad de recombinación, depende del tipo de gas y de la presión interna, y permite algunos kilohertzios en el caso del neón pero pocas decenas de ciclos en el caso del vapor de mercurio. Las bombillas de vapor de mercurio NOTA IMPORTANTE: Los bulbos de vapor de mercurio, utilizados fuera de sus contenedores habituales, emiten una cantidad considerable de radiación ultravioleta, la cual, por su acción ionizante es perjudicial para los ojos y la piel. Pese a que en estas experiencias se utilizan a muy baja potencia y por tanto con poca emisión, es conveniente limitar la exposición a su luz o cubrirlas con un recipiente de cristal o de material plástico, que habitualmente dejan pasar la parte visible pero son opacos a los ultravioleta. Bien, y una vez realizada la advertencia previa, continuemos diciendo que hay dos tipos básicos de tubos de vapor de mercurio: 1) Los fluorescentes de toda la vida y las lámparas de bajo consumo son del tipo de baja presión, y la mayoría necesitan de un filamento de caldeo para iniciar el encendido, aunque la propia ionización mantiene después la descarga y el filamento puede apagarse. Tienen normalmente la forma de tubos de cierta longitud, de forma recta o enrollada en diversas formas, y la sustancia fluorescente está depositada directamente en la cara interna del tubo. 2) El otro tipo son las bombillas de alta presión, que suelen consistir en dos ampollas de cristal, la interior, que contiene una pequeña gota de mercurio y los electrodos de activación, es de cuarzo fundido, porque debe poder aguantar la alta temperatura del plasma que se crea y porque ha de ser "transparente" a los ultravioletas. La ampolla exterior es de cristal normal, suele contener argón como refrigerante y la sustancia fluorescente está depositada en sus paredes internas. Respecto al espectro original de las luces de mercurio, perece ser que las de alta presión tienen más "parte visible" que las de baja, pero también se da el caso que sus ultravioletas se alargan más hacia las longitudes de onda "cortas" Para las pruebas siguientes he utilizado un par de lámparas de este tipo, cuyo cristal externo se agrietó por exceso de temperatura. Una de ellas tiene incluso una configuración poco usual, ya que se trata de una lámpara tipo "mezcla", que combina la luz de mercurio con un filamento convencional.
Estos bulbos de mercurio tienen además otra característica especial, ya que disponen de un tercer electrodo de "cebado", situado muy cerca de uno de los dos principales. Dicho electrodo está polarizado con una resistencia limitadora a partir del situado en el otro extremo del tubo, y su misión es aumentar el campo eléctrico y conseguir que la lámpara se encienda con una tensión muy inferior a la de funcionamiento, que es de 230 V. Y este detalle es precisamente lo que lo hace tan especial, ya que se asimila a la estructura de un tubo disparador.
Rebusco en las estanterías de casa hasta encontrar el excelente libro "Tubos de cátodo frío" de J.B. Dance, que compré a principios de los 70. Allí explica muy bien este tipo de componentes, con sus características típicas y formas de aplicación. A partir de aquí construyo una pequeña "tabla de pruebas" para ver que tenemos entre manos. La tensión alterna de entrada proviene de un Variac de 0-240 Volts, lo cual nos permite obtener tensiones continuas entre 0 y 300 volts. No obstante, el Variac es un autotransformador y por tanto no aísla de la fase de red, entonces, para evitar sorpresas desagradables, uno un par de transformadores corrientes de alimentación por su bobinado de baja, de manera que en conjunto actúan como un único transformador de relación 1:1 de extremos aislados. Sin embargo, los transformadores no son iguales y la relación final es mayor que la esperada, elevando la tensión continua, rectificada y filtrada a un tope de 360 Volts. En la siguiente imagen puede verse el montaje de prueba, incluyendo al fondo los dos transformadores de aislamiento, un rectificador con sus condensadores de filtro, y en primer plano, un interruptor de seguridad tipo pulsador Morse, dos resistencias de carga de 22 K y un potenciómetro con el que regular la tensión del electrodo de disparo. El "tubo disparador" está montado en el centro, en posición vertical. Aparte de ello utilizo dos tésters analógicos y un digital, con los que podré comprobar la tensión de ánodo, la corriente de ánodo y la tensión del electrodo de disparo. Montaje para averiguar las características eléctricas de la lámpara de vapor de mercurio
 Primeramente compruebo la tensión de cebado principal, que viene a ser de 330 Volts. La luminosidad de la descarga es la típica de un tubo de Geissler, con la columna luminosa positiva, el espacio oscuro de Faraday y la luminescencia negativa, aunque el espacio oscuro de Crookes, pegado al cátodo, no es visible a causa de la forma puntiaguda de éste. Este estado puede verse en la parte derecha de la siguiente imagen. En esta prueba pasan unos 7 mA. y la tensión de ánodo desciende hasta los 170 Volts. La tensión de funcionamiento, no obstante, no se mantiene demasiado estable, y va disminuyendo de manera sensible con el pequeño aumento de la temperatura del tubo. A la izquierda, descarga entre el cátodo y el electrodo disparador. A la derecha, descarga
principal entre ánodo y cátodo, en que se observa la columna luminosa positiva  Esta inestabilidad con la temperatura forma parte de la típica "sensibilización" que presentan todos los tubos de cátodo frío, sin embargo, la presencia del vapor de mercurio, cuya presión sube sin duda con la temperatura, hace que este efecto sea mucho más acusado. Realizo una segunda prueba a más intensidad, bajando la resistencia de carga a 11 K-ohms. En el momento del cebado observo que el modo de luminiscencia normal es inestable, hasta el punto en que el brillo aumenta repentinamente y la tensión cae hasta unos 40 volts, sin duda saltando hasta la tensión de arco, y ello me sugiere que dentro del tubo no solamente hay vapor de mercurio, sino que probablemente también hay algún gas noble. Entonces, a baja intensidad, la descarga se establecería a través del gas, el cual al calentar evapora más mercurio, elevando la presión interna y provocando una segunda descarga ya de vapor de mercurio, con una segunda tensión en modo arco que concuerda mucho más con los valores que he visto en los libros para este elemento. Ahora, con la carga de nuevo a 22 K. pruebo el electrodo de control. Sin tensión en el ánodo, voy dando tensión con el potenciómetro hasta que se actíva a 193 Volts, bajando después a una tensión de arco de 140 Volts. Más tarde, dando la tensión de ánodo compruebo como en efecto, la descarga principal, se activa sin problemas hasta una tensión principal de 200 Volts. Naturalmente, a igual que ocurre en los demás tubos de gas (y con cierta semejanza en los tiristores de estado sólido) una vez establecida la descarga principal ya no puede anularse con el electrodo disparador, sino que será necesario interrumpir la tensión de ánodo el tiempo suficiente para que se recombinen los iones internos y el tubo vuelva al estado inicial de aislamiento. Ultravioletas y fluorescencia Según algunos compañeros de foros de Internet, este tipo de lámparas podrían ser una buena alternativa para generar ultravioletas "duros" de forma económica. La siguiente prueba trata de utilizar un oscilador-inversor electrónico procedente de la reactancia de una luz de emergencia para alimentar esta lámpara de forma autónoma. Recorto el circuito impreso para aislar el oscilador. Seguidamente conecto la lámpara y le doy tensión. El brillo aparece a partir de 3 volts de alimentación y aumenta considerablemente hasta los 5 volts, en que la intensidad consumida por el circuito comienza a dispararse. El consumo para 5 volts es de 0,8 Amps, es decir una potencia de 4 vatios, muy lejos de los 80 w. nominales del bulbo, pero que nos servirán para certificar su emisión ultravioleta.
La luz ultravioleta se manifiesta al instante en elementos como el sulfato de zinc o como muestran las imágenes que viene a continuación, sobre el propio fósforo que obtuve de la bombilla, que brilla en un bonito color rojo. También excita los cristales de Autunita, una muestra de mineral de Uranio procedente de Salamanca, que en este caso brilla en verde.
El hecho que el fósforo brille en color rojo me extraña un poco, ya que su luz debería ser blanca. Pero pensándolo bien, este fósforo ha de ser a la fuerza una mezcla de distintas sustancias que complementan sus emisiones cromáticas para sintetizar el blanco, y es muy posible que al trabajar la lámpara a una potencia muy inferior a la nominal, cambie su espectro y sólo se excite una parte del fósforo, dando lugar al color señalado. Aparte de ello, es necesario remarcar que al decir "fósforo" no nos referimos al elemento químico de símbolo "P", sino a sustancias que presentan "fluorescencia" de algún tipo, las cuales pueden ser de naturaleza muy distinta.
Circuito de barrera fotoeléctrica Un a vez averiguadas las características del bulbo de mercurio ya puedo ponerme en faena de construir un circuito de aplicación. Primeramente pienso en una barrera fotoeléctrica, que pudiera por ejemplo utilizarse para abrir una puerta o activar una alarma al cortar un haz de luz. El circuito ha de ser sencillo. La célula LDR, metida en un tubo para aislarla en lo posible de la luz ambiente, estará enfrentada al haz creado por una lamparita de 4,8 Volts. La célula formará el elemento bajo de un divisor de tensión, cuyo punto medio irá al electrodo disparador a través de una resistencia de alto valor. Mientras la LDR reciba luz de la lamparita su resistencia será baja y el divisor entregará al electrodo disparador una tensión insuficiente para su activación. Pero en el momento en que se interrumpa el haz de luz, la célula fotoeléctrica aumentará de valor, subiendo la polarización del electrodo por encima de 190 Volts y provocando la conducción del tubo. La corriente resultante del cebado del ánodo activará entonces un relé de 220 Volts, el cual a través de sus contactos encenderá una pequeña bombilla indicadora de la acción.
El circuito deberá de funcionar con corriente continua pulsante, porque en caso de utilizar continua filtrada se activaría una sola vez y permanecería en este estado hasta que se retirase la tensión de alimentación, lo cual no nos interesa. De esta manera el circuito deberá activarse de nuevo a cada semiciclo cuando la tensión ascendente supere los 190 Volts (y siempre que la barrera fotoeléctrica esté interrumpida) y se desactivara cuando la tensión baje de 140. Aunque al ocurrir esta secuencia 50 veces por segundo, por la luz del tubo disparador no vayamos a notar el "tiempo muerto" entre ciclos. Sólo hay un elemento que sí puede resultar afectado. Se trata del relé, que probablemente vibrará de forma evidente al faltarle medio ciclo de conducción. Para evitarlo dispondremos de un condensador en paralelo con su bobinado, cuya carga le permitirá seguir activado en el medio ciclo negativo en que no hay conducción. Tras estas consideraciones planteo el siguiente circuito: Circuito completo de barrera fotoeléctrica con una bombilla de mercurio como tubo disparador
 El montaje es totalmente espartano, puesto que es un circuito experimental que no ha de ser permanente: una base de madera, regletas eléctricas como elementos de unión y tubos de fontanería para la barrera fotoeléctrica. En las dos imágenes siguientes, la de la izquierda muestran el circuito encendido pero en en stand-by, y la de la derecha el circuito activado al interrumpir con la mano la barrera fotoeléctrica. En esta segunda imagen se observan encendidas la luz de mercurio y la lamparita indicadora de 4,8 volts.
El montaje funciona, aunque si se activa durante mucho tiempo, aparece el problema de las histéresis del vapor de mercurio, y al apartar la mano del haz, al estar el tubo muy sensibilizado a veces no interrumpe su conducción. Este problema limitaría la utilidad real de la lámpara de mercurio como tubo disparador, aunque como experiencia algo insólita para esta lámpara destinada sólo a la iluminación, bien vale la pena repetirlo. Las formas de onda presentes en el ánodo del tubo disparador son las siguientes: en la primera se ve únicamente el semiciclo rectificado, y en la segunda se observa muy claramente el punto de activación que provoca la caída brusca de tensión. Entre los ciclos se observa también la carga remanente del condensador de filtro del relé, que provoca una tensión negativa puntual respecto a masa.
Y para finalizar con este montaje, un vídeo (aunque de calidad mejorable) que muestra el funcionamiento del circuito:
Circuito detector de contacto Una vez acabada la barrera fotoeléctrica y mostrado su funcionamiento, podemos plantear otras utilidades, como por ejemplo aprovechar la característica de alta impedancia del tubo de mercurio para construir un sensor de contacto con la mano. El circuito no cambia demasiado respecto al anterior, sólo se ha cambiado la parte correspondiente a la célula fotoeléctrica, por un sensor de contacto construido a partir de un trozo de placa de circuito impreso en que las tiras de cobre han sido soldadas en dos grupos, de manera alternativa. Circuito completo de sensor de contacto con una bombilla de mercurio como tubo disparador
 Aquí podemos ver que en sensor de contacto está conectado en serie entre una resistencia de 2,2 megaohms y otra de 60. Cuando lo toquemos, aunque sea ligeramente, los contactos de dicho sensor serán "cortocircuitados" por la relativa baja resistencia de la piel de nuestros dedos y polarizarán la resistencia de entrada de 1 megaohm, elevando la tensión del electrodo de disparo por encima de los 190 Volts, y provocando el cebado del tubo que a su vez accionará el relé. En este montaje, nuestro improvisado tubo disparador obtiene una ganancia de intensidad de 600/1. En las pistas alternas del sensor hay presente una tensión de 190 Volts, pero la intensidad disponible es muy baja, del orden de 4-5 microampers, y por lo tanto ni en las peores circunstancias es capaz de causar calambre. De hecho cuando tocamos el sensor, la tensión cae inmediatamente a una decena de voltios, y como la totalidad del circuito no está puesto a tierra, tal tensión se encuentra en "flotación" y no hay diferencia de potencial con el suelo o con objetos metálicos como armarios o mesas de trabajo. Montaje práctico del sensor de contacto con tubo disparador
 Para fabricar el elemento "sensor" he utilizado un pequeño rectángulo de circuito impreso de pistas perforadas, uniendo las pares por una parte y las impares por otro. Detalle del circuito impreso del "sensor de contacto"
 A igual que el anterior, el montaje ha sido fácil y ha funcionado a la primera, con total seguridad de respuesta, como muestra el vídeo que viene a continuación: ¿Y cuáles podrían ser las utilidades de este circuito?, pues por ejemplo para una botonera de cualquier máquina o electrodoméstico, especialmente para contactos sin resalte, o para aquella cosas que en la época en que se utilizaban los tubos disparadores, allá por lo años 40 ó 50 del siglo pasado, quisieran dar un aspecto de "modernidad".
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