Válvulas Termiônicas

Ultrapassadas, obsoletas, volumosas, consumidoras de energia. Tudo isso pode qualificar as 

válvulas termiônicas (também chamadas válvulas eletrônicas), mas elas ainda resistem em 

aplicações específicas. No uso doméstico, estão presentes em fornos de microondas (magnétron) e em televisores e monitores de vídeo (CRTs - tubo de imagem). Mas este último está sendo substituído pelas telas de cristal líquido (e de outros tipos) e a velocidade dessa troca é apenas uma questão de preços. Também são usadas em equipamentos industriais, radares, transmissores de potência etc. Alguns entusiastas de áudio preferem amplificadores com válvulas, pois dizem que o som é mais puro. Pode ser. Mas isso deverá ser objeto de um tópico futuro. De qualquer forma, para quem só viveu a era dos semicondutores, pode ser interessante conhecer um pouco deste componente que foi a base para o desenvolvimento da tecnologia eletrônica.

Princípio básico

  

O efeito termiônico (emissão de elétrons por um metal aquecido) foi descoberto por Edson em 1883.

Figura 01

Na Figura 01 ao lado, um filamento metálico F e um anodo também metálico A estão em uma ampola sob vácuo (a presença de ar impede a emissão de elétrons).

A fonte de tensão B1 aquece o filamento e a fonte B polariza o anodo positivamente. Nessa condição, os elétrons emitidos pelo filamento são atraídos pelo potencial positivo do anodo, fazendo circular uma corrente I pelo circuito. 

Figura 02

Se a polaridade da fonte B for invertida conforme Figura 02, o anodo terá um potencial negativo, repelindo os elétrons emitidos pelo filamento e não haverá corrente no circuito.

Esse arranjo é, na prática, um diodo retificador, isto é, um componente que só permite a passagem da corrente elétrica em uma direção. 

O anodo da válvula é usualmente chamado de placa e o filamento, catodo. Assim, a tensão da fonte B que polariza a placa é dita tensão de placa e a corrente I, corrente de placa.

Figura 03

A variação da corrente de placa com a tensão se dá de forma parecida com o gráfico ao lado. Ela varia linearmente com a tensão até certo valor e depois a curva se achata com tendência a um limite, isto é, uma tensão de saturação (acima desta última, não há aumento da corrente de placa).

A característica de linearidade das válvulas é superior à dos semicondutores.

Construção prática

  

O arranjo esquemático do tópico anterior não é usado na prática porque, para se obter correntes em níveis apreciáveis, a placa deve ter a maior área possível exposta ao filamento.

Figura 01

A Figura 01 (a) dá uma idéia da construção prática típica: a placa é um tubo cilíndrico vertical que envolve o filamento. O conjunto está no interior de um invólucro de vidro sob vácuo, com pinos de ligação na parte inferior para encaixe em soquete.

Conforme tópico anterior, o filamento é ao mesmo tempo um elemento de aquecimento e emissor de elétrons (catodo). Este tipo de construção é chamado aquecimento direto. 

Muitas vezes é conveniente uma separação elétrica entre eles. Assim, o catodo é um fino tubo que envolve o filamento conforme Figura 01 (b). Esse tipo é dito aquecimento indireto.

O aquecimento indireto tem vantagens, pois separação elétrica entre filamento e catodo dá liberdade ao desenvolvimento dos circuitos. Além disso, em muitos casos pode-se alimentar o filamento com corrente alternada, evitando retificação. A contrapartida é um maior consumo de energia, pois nunca há total transferência de calor do filamento para catodo. Válvulas de alta potência, como os magnétrons dos fornos de microondas, usam em geral aquecimento direto.

Simbologia

Figura 01

Na Figura 01 (a), o símbolo padrão para o diodo de aquecimento direto (placa e filamento, que é também o catodo).

Na Figura 01 (b), o símbolo para o diodo de aquecimento indireto (placa, catodo e filamento). 

Tensões típicas

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Além do volume e do consumo de energia para aquecimento, uma outra desvantagem das válvulas em relação aos semicondutores são as tensões altas que precisam para operar. O filamento é aquecido com tensão baixa (5V, 12V), mas a placa requer valores bem maiores. Valores típicos para aparelhos comuns estão na faixa de 100 a 300 V. Válvulas de alta potência requerem em geral alguns milhares de volts.

Triodo

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Válvulas diodos, conforme tópicos anteriores, têm função apenas retificadora. Foram usadas em fontes de alimentação e em circuitos detectores. Provavelmente, elas não são mais usadas para essa função, nem nos equipamentos atuais que têm válvulas. Diodos semicondutores são mais vantajosos e podem ser construídos em forma de associações em série para retificar altas tensões.

Figura 01

O grande passo na evolução das válvulas foi dado com a introdução de um elemento de controle ou grade de controle entre o catodo e a placa, conforme símbolo ao lado. E, por conter 3 eletrodos, é denominada triodo. Nas Figuras 01 (a) e (b) os símbolos para aquecimento direto e indireto respectivamente. 

O termo grade pode lembrar algo reticulado, mas na realidade é uma espiral de fio que envolve o catodo e naturalmente sem contato físico com o mesmo.

Um potencial negativo aplicado à grade pode bloquear total ou parcialmente o fluxo de elétrons entre catodo e placa e, assim, controlar a corrente que circula pela placa. Isso dá ao triodo a capacidade de atuar como amplificador.

Algumas características do triodo

  

A Figura 01 deste tópico dá o esquema simples de polarização do triodo.

Figura 01

A grade é polarizada com um potencial negativo E_g e a placa é alimentada com um potencial E_p e, nessa condição, há a correspondente corrente de placa I_p.

Obs: os valores numéricos informados a seguir são típicos de um triodo de baixa potência. Não valem para todos os tipos. 

Se a fonte que alimenta a placa é de tensão constante, é possível a determinação de curvas características da variação da corrente de placa I_p em função da tensão de grade E_g.

Figura 02

A Figura 02 dá exemplo para diversos valores da tensão de placa E_p (300, 200 e 100 V).

Se a polarização da grade é mantida negativa, não há corrente circulando por ela. Isso faz da válvula um amplificador de altíssima impedância, ao contrário da maioria dos transistores. Em alguns casos a característica é vantajosa, mas em outros não, devido à maior sensibilidade a interferências. 

Observar que, para uma mesma tensão de placa, existe um limite inferior para a polarização da grade, onde a corrente de placa é nula. É denominada polarização de corte.

Figura 03

O circuito anterior (Figura 01) serve apenas para medição das curvas características.

Um amplificador real deve ter uma carga de onde possa ser retirado o sinal amplificado.

Na Figura 03 ao lado, a carga consiste na resistência R em série com a placa (pode ser também o primário de um transformador). 

Com a carga, mesmo considerando a tensão da fonte constante, a tensão e a corrente de placa irão variar com a variação da polarização de grade, devido à queda de tensão no resistor.

Figura 04

Na Figura 04 ao lado, uma variação ΔE_g produz uma variação da tensão de placa ΔE_p = 100 V .

E o ganho (ou fator de amplificação) da válvula é dado por:

μ = ΔE_p / ΔE_g.

Valores típicos de μ para triodos estão na faixa de 4 a 100. 

Um outro fator, chamado de transcondutância, é dado pela relação g = ΔI_p / ΔE_g. Como é uma relação entre corrente e tensão, a unidade é o inverso do ohm (Ω⁻¹). Valor típico para um triodo é 0,0025 Ω⁻¹.

Figura 05

No gráfico da Figura 05, a tensão de grade é mantida constante e as curvas indicam a corrente de placa em função da tensão aplicada, para diversos valores da tensão de grade.

O coeficiente r = ΔE_p / ΔI_p é uma relação entre tensão e corrente que circula pela placa, ou seja, é uma unidade de resistência (Ω). É denominada resistência de placa. Valor para um triodo típico cerca de 10 000 Ω. 

Desde que são consideradas apenas as regiões lineares das curvas, os fatores anteriores relacionam-se pela fórmula μ = g r.

Um triodo real

Neste tópico são dadas algumas especificações de um triodo 12AU7. É um triodo de baixa potência para uso geral e foi bastante empregado em etapas pré-amplificadoras de áudio.

Figura 01

Notar que é, na realidade, um duplo triodo (solução para economizar espaço). O filamento tem derivação central, permitindo 2 tensões de alimentação.

Alguns valores típicos ou máximos:

Tensão de filamento: 6,3 - 12 V.

Corrente de filamento: 300 - 150 mA.

Tensão de placa max: 330 V.

Corrente de placa max: 22 mA.

Dissipação de placa max: 3 W. 

Tetrodo

  

Em uma válvula ideal, ocorre somente o efeito termiônico. Em uma válvula real, entretanto, outros podem ocorrer, em geral indesejáveis para a aplicação. A capacitância é um fenômeno que está sempre presente entre dois condutores isolados entre si.

Figura 01

Um triodo apresenta capacitâncias parasitas entre os eletrodos conforme Figura 01 (a). São normalmente desprezíveis em baixas freqüências como as de áudio. Em freqüências altas, a capacitância entre grade e placa pode produzir realimentações, inviabilizando a operação do circuito. 

Para contornar o problema, foi adicionada uma grade entre a placa e a grade de controle, denominada grade de blindagem.

Figura 02

Ela é alimentada com um potencial positivo inferior ao da placa e um capacitor (ligado à massa e de baixa reatância na freqüência de operação) drena o sinal, atuando realmente como uma blindagem contra a realimentação.

Com o eletrodo adicional, a válvula é denominada tetrodo, que está representado na Figura 01 (b).

Na Figura 02, curvas características típicas de corrente versus tensão de placa. 

Notar a não linearidade e regiões de resistência negativa com E_p baixo. Tais fatos provocam distorções no sinal e o projeto do circuito não deve permitir a operação nessa faixa.

Pentodo

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No tetrodo ocorre um fato indesejável, responsável pela distorção do início da curva conforme tópico anterior: o potencial positivo da grade de blindagem acelera os elétrons, provocando emissão secundária de elétrons na placa.

Figura 01

O pentodo é formado pela adição de uma grade supressora entre a placa e a grade de blindagem, conforme Figura 01. Ela é ligada ao catodo (em geral, internamente).

O potencial negativo da grade supressora diminui a velocidade dos elétrons que foram acelerados pela grade de blindagem. 

Isso reduz a emissão secundária na placa e ao mesmo tempo impede a troca de elétrons entre a grade de blindagem e a placa. Assim a indesejável distorção é eliminada, conforme curvas da Figura 01.

Exemplo de uma etapa amplificadora

  

Na Figura 01 deste tópico, exemplo comum do uso de um triodo em uma etapa amplificadora de acoplamento RC.

Figura 01

Notar que não há uma segunda fonte para polarizar a grade. Isso é dado de forma prática pelo resistor R_c, de baixo valor (em geral < 1 K), em série com o catodo.

Nessa situação, o catodo fica mais positivo que a massa, ou seja, a massa fica mais negativa que o catodo, com um valor dependente da corrente de placa e de R_c. 

Desde que não circula corrente pela grade, basta ligá-la à massa através do resistor R_g, de alto valor (em geral, ≥ 1 MΩ) para não drenar o sinal de entrada.

O capacitor em paralelo C_c, eletrolítico de alto valor, é necessário para evitar que a polarização da grade flutue com a variação do sinal amplificado.

Referências : http://www.mspc.eng.br/eletrn/vterm_110.shtml

http://www.revistatecnologiagrafica.com.br/index.php?option=com_content&view=article&id=101:os-monitores-e-suas-tecnologias-parte-i&catid=46:como-funciona&Itemid=183