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Un cátodo frío es un cátodo, un electrodo que emite electrones, que no se calienta eléctricamente por un filamento. Se utilizan en las lámparas de descarga de gas, tales como lámparas de neón, tubos de descarga, y algunos tipos de tubo de vacío. El otro tipo de cátodo es un cátodo caliente, que se calienta por la corriente eléctrica que pasa a través de un filamento. Un cátodo frío no necesariamente funciona a una temperatura baja, sino que a menudo se calienta a su temperatura de funcionamiento por otros métodos, tales como la corriente que pasa desde el cátodo en el gas.

Dispositivos de cátodo frío

Un tubo de vacío de cátodo frío no se basa en calefacción exterior de un electrodo para proporcionar la emisión termoiónica de electrones. Dispositivos de cátodo frío tempranas incluyeron el tubo y el tubo de Geissler Plucker, y los tubos de rayos catódicos temprana. Estudio de los fenómenos en estos dispositivos llevó al descubrimiento del electrón.

Las lámparas de neón se utilizan tanto para producir luz como indicadores y para la iluminación de propósito especial, y también como elementos de circuito que muestran resistencia negativa. La adición de un electrodo de disparo para un dispositivo permite la descarga luminiscente a ser iniciado por un circuito de control externo; laboratorios de Bell desarrollaron un "tubo de disparo" dispositivo de cátodo frío en 1936.

Se han desarrollado muchos tipos de tubo de conmutación de cátodo frío, incluyendo varios tipos de tiratron, la krytrón, y otros. Tubos de regulador de voltaje se basan en la tensión relativamente constante de una descarga luminiscente en un rango de corriente, y se utilizaron para estabilizar tensiones de alimentación en los instrumentos basados en tubo. Un Dekatron es un tubo de cátodo frío con múltiples electrodos que se utiliza para el recuento. Cada vez que un pulso se aplica a un electrodo de control, una descarga luminiscente se mueve a un electrodo de paso; proporcionando diez electrodos en cada tubo y los tubos de conexión en cascada, un sistema contador puede ser desarrollado y el recuento observado por la posición de las descargas luminiscentes. Tubos contador se utilizaron ampliamente antes del desarrollo de dispositivos contadores de circuitos integrados.

El tubo de flash es un dispositivo de cátodo frío llena de gas xenón, que se utiliza para producir un pulso intenso corto de la luz para la fotografía o para actuar como un estroboscopio para examinar el movimiento de las partes móviles.

Lámparas

Lámparas de cátodo frío son lámparas de cátodo frío fluorescentes y lámparas de neón. Las lámparas de neón se basan principalmente en la excitación de las moléculas de gas para emitir luz; CCFL utilizan una descarga en vapor de mercurio a desarrollar la luz ultravioleta, que a su vez causa un revestimiento fluorescente en el interior de la lámpara para emitir luz visible.

Lámparas de cátodo frío se utilizan para la retroiluminación de las pantallas LCD, por ejemplo, monitores de ordenador y pantallas de televisión.

En la industria de la iluminación, "cátodo frío" se refiere históricamente a un tubo luminoso que es más grande de 20 mm de diámetro y funciona con una corriente de 120 a 240 miliamperios. Este tubo de diámetro más grande se utiliza a menudo para alcoba interior y la iluminación general. El término "lámpara de neón" se refiere a un tubo que es más pequeño que 15 mm de diámetro y normalmente funciona a aproximadamente 40 miliamperios. Estas lámparas se utilizan comúnmente para señales de neón.

Detalles

El cátodo es el electrodo negativo. Cualquier lámpara de descarga de gas tiene un positivo y un electrodo negativo. Ambos electrodos alternos entre actuar como un ánodo y un cátodo cuando estos dispositivos funcionan con corriente alterna.

Un cátodo frío se distingue de un cátodo caliente que se calienta para inducir la emisión termoiónica de electrones. Tubos de descarga con cátodos calientes tienen un sobre lleno de gas de baja presión y que contiene dos electrodos. Ejemplos de ello son las lámparas fluorescentes más comunes, lámparas de descarga de alta presión y pantallas fluorescentes de vacío.

La superficie de los cátodos fríos puede emitir electrones secundarios en una proporción mayor que la unidad. Un electrón que sale del cátodo colisionará con las moléculas de gas neutros. La colisión sólo puede excitar la molécula, pero a veces se va a eliminar un electrón libre para crear un ion positivo. El electrón original y la liberó electrones continúan hacia el ánodo y pueden crear más iones positivos. Ver Townsend avalancha. El resultado es que cada electrón que sale del cátodo, varios iones positivos que se generan finalmente se colgará sobre el cátodo. Algunos iones positivos que se estrellan pueden generar electrones secundarios. La descarga se auto-sostenible cuando por cada electrón que sale del cátodo, lo suficientemente iones positivos golpean el cátodo a la libertad, en promedio, otro electrón. Circuitería externa limita la corriente de descarga. Lámparas de descarga de cátodo frío utilizan voltajes más altos que los de cátodo caliente. El fuerte campo eléctrico resultante cerca del cátodo acelera los iones a una velocidad suficiente para crear electrones libres desde el material del cátodo.

Otro mecanismo para generar electrones libres a partir de una superficie metálica fría es de electrones de emisión de campo. Se utiliza en algunos tubos de rayos X, el microscopio de electrones de campo, y las pantallas de emisión de campo.

Cátodos fríos a veces tienen un recubrimiento de tierras raras para mejorar la emisión de electrones. Algunos tipos contienen una fuente de radiación beta para iniciar la ionización del gas que llena el tubo. En tal tubo, descarga luminiscente alrededor del cátodo se reduce al mínimo por lo general, en su lugar hay una columna llamada positiva, llenar el tubo. Ejemplos de ello son la lámpara de neón y tubos Nixie. Tubos Nixie también son de cátodo frío pantallas de neón que están en línea, pero no en el plano, dispositivos de visualización.

Una aplicación común de cátodo frío es en luces de neón y otros lugares donde es probable que se deje caer por debajo de la congelación de la temperatura ambiente, la Torre del Reloj, el Palacio de Westminster utiliza iluminación de cátodo frío detrás del reloj, donde se enfrenta a continuos llamativo y el fracaso de huelga en frío tiempo sería deseable. Otros ejemplos incluyen la thyratron, krytron, sprytron y tubos IGNITRON. Lámparas fluorescentes de cátodo frío grandes se han producido en el pasado, y todavía se utiliza hoy en día cuando se requieren fuentes de luz con forma lineal, de larga duración. A partir de 2011 CCFL miniatura fueron utilizados extensivamente como luces de fondo de pantallas de cristal líquido de ordenador y televisión. Esperanza de vida CCFL varían en televisores LCD en función de sobretensiones transitorias y los niveles de temperatura en entornos de uso.

Debido a su eficiencia, tecnología CCFL se ha expandido a la iluminación ambiente. Los costes son similares a las de la luz fluorescente, pero con varias ventajas. La luz emitida es más fácil en los ojos, las bombillas se encienden instantáneamente a pleno rendimiento, y también son regulables.

En los sistemas que utilizan corriente alterna pero sin estructuras de ánodo separados, los electrodos alternos como ánodos y cátodos, y los electrones que inciden pueden causar el calentamiento localizado sustancial, a menudo al calor rojo. El electrodo puede tomar ventaja de este calentamiento para facilitar la emisión termoiónica de electrones cuando se está actuando como un cátodo.

Este aspecto es problemático en el caso de la luz de fondo se utilizan para las pantallas de televisores LCD. Nuevas normas de eficiencia energética que se están proponiendo en muchos países necesitarán variables retroiluminación-esto también mejora el rango de contraste percibido muy conveniente para televisores LCD. Sin embargo, CCFL están estrictamente limitados en el grado en el que se pueden regular, tanto debido a una corriente de plasma más baja bajará la temperatura del cátodo, causando un funcionamiento errático, y porque se ejecuta el cátodo a una temperatura demasiado baja acorta drásticamente la vida de la lámparas. Mucha investigación se está dirigiendo a este problema, pero los fabricantes de gama alta están recurriendo a los LEDs blancos de alta eficiencia, una mejor solución.

Dispositivos de cátodo frío típicamente utilizan un complejo de fuente de alimentación de alto voltaje con algún mecanismo para la limitación de corriente. Aunque la creación de la carga espacial inicial y el primer arco de corriente a través del tubo puede requerir una tensión muy alta, una vez que el tubo comienza a calentarse las gotas de resistencia eléctrica, por lo tanto el aumento de la corriente eléctrica a través de la lámpara. Para compensar este efecto y mantener el funcionamiento normal, la tensión de alimentación se reduce gradualmente. En el caso de tubos con un gas ionizante, el gas puede convertirse en un plasma muy caliente y resistencia eléctrica está reducido en gran medida. Si se opera desde una fuente de alimentación simple, sin limitación de la corriente, esta reducción en la resistencia conduciría a los daños a la fuente de alimentación y el sobrecalentamiento de los electrodos del tubo.