Prima di essere sostituiti da transistor e circuiti integrati, i tubi a vuoto (valvole termoioniche) erano utilizzati prevalentemente in dispositivi elettronici come televisori, radio e computer. Sono ancora in uso oggi in alcuni dispositivi specializzati.
L’invenzione dei tubi a vuoto risale all’osservazione del cosiddetto Effetto Edison, un’osservazione fatta da Thomas Edison. Edison ha notato che la corrente scorre tra il filamento di una lampada a incandescenza e una piastra nel vuoto, quando la piastra è collegata all’estremità positiva del filamento.
Poiché i primi computer funzionavano su tubi a vuoto invece dei piccoli chip di computer di oggi, un singolo computer doveva contenere migliaia di tubi a vuoto e poteva riempire un’intera stanza. Anche i primi amplificatori stereo utilizzavano tubi a vuoto e ancora oggi alcuni audiofili li preferiscono perché producono meno distorsione. I tubi a vuoto sono ancora utilizzati in alcuni amplificatori per chitarra elettrica. Inoltre, i tubi sono ancora utilizzati in alcune applicazioni militari, perché l’elettronica dei tubi non è influenzata dalle onde radio prodotte dalle esplosioni atomiche.
I tubi a vuoto sono generalmente racchiusi in un involucro di vetro, sebbene alcuni tubi utilizzino invece ceramica o metallo. Nel suo design a diodo più elementare, il tubo, o busta, è sigillato ermeticamente per creare un vuoto. Gli elettrodi all’interno della busta sono attaccati ai cavi, che sporgono dalla busta e si inseriscono in una presa. Un semplice tubo a vuoto contiene filamenti all’interno dell’involucro, simili a quelli di una lampadina. I filamenti vengono riscaldati e quindi rilasciano elettroni, creando una nuvola di elettroni caricata negativamente. Gli elettroni sono attratti da un anodo, o piccola piastra metallica, all’interno del tubo, che è caricato positivamente, e si stabilisce un flusso unidirezionale tra il filamento e la piastra.
A volte nel tubo è contenuto un elettrodo aggiuntivo sotto forma di una piccola griglia a schermo, che viene quindi chiamato triodo, che è più efficiente e in grado di amplificare la tensione. Quando la tensione viene applicata alla griglia, il flusso tra il filamento e la piastra può essere variato. Oltre a diodi e triodi, sono seguite ulteriori innovazioni, tra cui tetrodi, esodi, eptodi e ottodi, progettati per una varietà di applicazioni speciali e per ridurre al minimo la distorsione. Alcuni tubi a vuoto combinano la funzione di due o più diodi o triodi in una singola unità.
Uno dei principali inconvenienti dei tubi a vuoto è che il filamento diventa instabile nel tempo. Inoltre, se l’aria fuoriesce nel tubo, l’ossigeno reagirà con il filamento caldo e lo danneggerà. Le proprietà di un tubo cambiano con l’età, motivo per cui i primi televisori a tubo a vuoto dovevano essere regolati spesso per produrre una buona immagine.