I tubi elettronici si distinguono, secondo il mezzo in cui sono immersi gli elettrodi, in tubi a vuoto (noti comunemente col nome di valvola), quando nell'involucro è praticato il vuoto spinto (10-7 mmHg), e in tubi a gas, allorché l'involucro è riempito con gas a bassa pressione (qualche mmHg), quali idrogeno, argo o vapori di mercurio. Alla prima classe appartengono i tubi amplificatori lineari di segnale, quali triodi e pentodi, alla seconda i tubi a commutazione, quali il thyratron, l'ignitron e i raddrizzatori a gas. Il più semplice tubo a vuoto è il diodo, scoperto da T. Edison nel 1883, che comprende un catodo e un anodo racchiusi sotto vuoto in un involucro di vetro. Il catodo, composto da un materiale emettitore termoionico e riscaldato attraverso un filamento, emette nello spazio interelettrodico degli elettroni che vengono raccolti dall'anodo. La raccolta si verifica soltanto quando l'anodo ha polarità di tensione positiva rispetto al catodo, mentre per polarità negativa, omologa a quella della carica degli elettroni, l'anodo respinge gli elettroni. La corrente anodica nel diodo è dunque unidirezionale: tale componente si presta perciò al raddrizzamento di tensioni alternate. Nel 1906 L. De Forest inserì una sottile griglia metallica tra catodo e anodo, pervenendo alla struttura del triodo. Poiché la corrente anodica dipende dal campo elettrico prodotto sul catodo, la griglia permette un controllo di tale corrente indipendente dall'anodo e più efficace di questo, in quanto la griglia è più vicina al catodo. Il triodo possiede dunque la proprietà di amplificare i segnali elettrici tra griglia e anodo e dalla sua invenzione ricevette un impulso decisivo, intorno al 1910, la tecnica dei radiocollegamenti. Successivamente, con l'aggiunta della griglia schermo fu sviluppato il tetrodo e con le griglie schermo e soppressore il pentodo: tubo a vuoto che presenta, rispetto al triodo, migliori caratteristiche alle alte frequenze e maggiore flessibilità. Con lo sviluppo dei componenti a semiconduttore i tubi a vuoto sono stati abbandonati per le applicazioni generali, a causa dell'elevato ingombro e della vita limitata. Tuttavia, essi sono tuttora insuperati per le applicazioni a elevati livelli di potenza (tubi a raffreddamento forzato possono erogare 100 kW) o di tensione (si raggiungono 20 kV). Diversa è la situazione per i tubi a gas, in quanto i componenti a stato solido a essi corrispondenti, ossia i diodi controllati, hanno raggiunto i livelli di potenza (500 kW) e di tensione (5V) necessari nelle applicazioni industriali.
Tubo a raggi catodici
È costituito essenzialmente da: un cannone elettronico che fornisce un fascio di elettroni; un sistema di deflessione che permette di comandare lo spostamento del fascio; uno schermo fluorescente che emette luce nel punto colpito dagli elettroni. Il sistema di deflessione può essere elettrostatico o magnetico. Nel primo caso si usano due coppie di placchette metalliche tra loro perpendicolari e la deflessione del fascio risulta controllata in direzioni normali e indipendenti dalle differenze di potenziale Vx e Vy applicate alle due coppie di placchette. Dall'analisi del processo si trova che la deflessione sullo schermo è data da d=lLV/2sVa, con tipici valori di 0,1-0,5 mm per volt di tensione di deflessione. Poiché gli elettroni attraversano le placchette ad alta velocità (pari a 593
km/s), doveVa è la tensione di accelerazione, il meccanismo di deflessione è intrinsecamente molto rapido e segue fedelmente le vicende del segnale di comando anche ad altissime frequenze. Le dimensioni della macchia luminosa formata sullo schermo dipendono dall'ottica elettronica e dalla corrente del fascio. Con focalizzazione elettrostatica si hanno diametri di poco inferiori al millimetro per correnti dell'ordine di 1μA; in tubi speciali con focalizzazione magnetica si sono raggiunti valori di 0,01 mm. La luminanza della macchia è proporzionale alla potenza del fascio, cioè al prodotto della tensione di accelerazione Va per l'intensità della corrente. Nessuna di queste due quantità può essere aumentata a piacere senza deprimere le altre caratteristiche del tubo : infatti l'aumento di Va provoca in generale una diminuzione della sensibilità di deflessione, mentre il diametro della macchia cresce con l'intensità della corrente. Spesso viene usato un elettrodo di postaccelerazione posto tra le placchette deflettrici e lo schermo e alimentato a una tensione molto superiore a Va: il suo effetto è quello di accelerare il fascio dopo la deflessione con conseguente aumento di luminanza della macchia. Lo schermo fluorescente del tubo a raggi catodici è costituito da un sottile strato di fosforo depositato sulla parete interna del tubo e generalmente alluminato per ridurre la resistenza superficiale ed eliminare la emissione secondaria. Le caratteristiche di fluorescenza (spettro della luce emessa) e di persistenza (tempo di decadimento dell'emissione) dei fosfori sono svariatissime e la loro scelta è dettata dal tipo di impiego del tubo. Per esempio, per gli oscilloscopi si usano fosfori ad alta resa con fluorescenza nel verde (5000 Å) e media persistenza (10 ms), mentre per la presentazione nei radar sono necessari fosfori a lunga persistenza (10s) e la fluorescenza è nell'arancione (6000 Å). Vanno infine ricordati alcuni tubi a raggi catodici speciali, varianti di quello tipico sopra descritto. Nel tubo a doppio fascio il cannone elettronico e il sistema di deflessione sono duplicati ed è così possibile la rappresentazione simultanea e indipendente di una coppia di segnali elettrici eventualmente contemporanei. Per l'osservazione di fenomeni su scale di tempi inferiori al nanosecondo (ns), alle quali la rapidità di risposta delle normali placchette deflettrici è inadeguata, si usano tubi a raggi catodici a onda progressiva, con sistema di deflessione costituito da una linea di trasmissione elicoidale dimensionata in modo che in essa la velocità di propagazione dei segnali eguagli la velocità degli elettroni del fascio. Poiché in regime dinamico gli elettroni sono fermi rispetto all'onda di tensione di deflessione, la rapidità di risposta è limitata soltanto dalle residue distorsioni di fase della linea e può raggiungere valori di soli 0,05 ns. Il tubo a raggi catodici a memoria è dotato di una griglia di fili sottili posta vicino allo schermo fluorescente, che è privo di metallizzazione, così da fornire elettroni per emissione secondaria quando colpito dal fascio. Se la griglia è mantenuta a una tensione più alta dello schermo, gli elettroni secondari sono raccolti dalla stessa, provocando sullo schermo la registrazione di una concentrazione di cariche positive che replica fedelmente la traccia luminosa visualizzata sullo schermo. Essendo quest'ultimo elettricamente isolante, le cariche vi rimangono memorizzate per lungo tempo (anche giorni). La lettura della traccia memorizzata si effettua inviando sullo schermo un fascio a energia relativamente bassa, in modo che gli elettroni producano fluorescenza solo laddove è presente un accumulo di cariche positive. Particolari tubi a raggi catodici sono i cinescopi, gli oscilloscopi e i tubi per riprese televisive (v. iconoscopio e orthicon).
