Teoria de válvulas eletrônicas

Teoria de válvulas eletrônicas

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Válvulas termiônicas

Introdução Princípio básico Construção prática Simbologia Tensões típicas Triodo Algumas características do triodo Um triodo real Tetrodo Pentodo Exemplo de uma etapa amplificadora

Introdução

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 Thomas Edison em 1883.

Na figura acima, um filamento metálico F e um ânodo também metálico A estão em uma ampola sob vácuo (a presença de ar impede a emissão de elétrons além de oxidar o filamento). A fonte de tensão B1 aquece o filamento e a fonte B polariza o ânodo positivamente. Nesta condição, os elétrons emitidos pelo filamento são atraídos pelo potencial positivo do ânodo, fazendo circular uma corrente I pelo circuito. Se a polaridade da fonte B for invertida conforme a figura seguinte, o ânodo terá um potencial negativo, repelindo os elétrons emitidos pelo filamento e não haverá corrente no circuito. Este arranjo é na prática um diodo retificador, isto é, um componente que só permite a passagem da corrente elétrica em uma direção.

O ânodo da válvula é usualmente chamado de placa e o filamento, cátodo. Assim, a tensão da fonte B que polariza a placa é dita tensão de placa e a corrente I, corrente de placa. 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, 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. Isto porque, para se obter correntes em níveis apreciáveis, a placa deve ter a maior área possível exposta ao filamento.

A figra acima (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 (cátodo). Este tipo de construção é chamado aquecimento direto. Muitas vezes é conveniente uma separação elétrica entre os mesmos. Assim, o cátodo é um fino tubo que envolve o filamento conforme figura (b). Este tipo é dito aquecimento indireto. O aquecimento indireto tem vantagens, pois separação elétrica entre filamento e cátodo 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 cátodo. Válvulas de alta potência, como os magnétrons dos fornos de microondas, usam em geral aquecimento direto.

Simbologia

Na figura (a), o símbolo padrão para o diodo de aquecimento direto (placa e filamento, que é também o cátodo). Na figura (b), o símbolo para o diodo de aquecimento indireto (placa, cátodo e filamento).

Tensões típicas

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; 6,3V; 12V etc), 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

Válvulas diodos, conforme tópicos anteriores, têm função apenas retificadora. Foram usadas em fontes de alimentação e circuitos detectores. Pelo que o autor deste site conhece, elas não são mais usadas para esta função, nem nos equipamentos atuais que têm válvulas (Uma das poucas aplicações que ainda persistem é a utilização nas fontes de alimentação de equipamentos de áudio Hi-End, onde o aquecimento do filamento do diodo permite que a tensão +B de alimentação suba lentamente preservando a vida útil das caríssimas válvulas de áudio profissional). Diodos semicondutores são mais vantajosos e podem ser construídos em forma de associações em série para retificar altas tensões.

O grande passo na evolução das válvulas foi dado com a introdução de um elemento de controle ou grade de controle entre o cátodo e a placa, conforme símbolo ao lado. E, por conter 3 eletrodos, é denominada triodo. Nas figuras (a) e (b) os símbolos para aquecimento direto e indireto respectivamente. O termo grade pode lembrar algo reticulado, mas na grande maioria dos casos é uma espiral de fio que envolve o cátodo e naturalmente sem contato físico com o mesmo. Um potencial negativo aplicado na grade pode bloquear total ou parcialmente o fluxo de elétrons entre cátodo 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 abaixo mostra o esquema simples de polarização do triodo.

A grade é polarizada com um potencial negativo Eg e a placa é alimentada com um potencial

Ep e, nesta condição, corresponde a uma corrente de placa Ip. 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 Ip em função da tensão de grade Eg.

A Figura 02 dá exemplo para diversos valores da tensão de placa Ep (300, 200 e 100 V). Se a polarização da grade é mantida negativa, quase não há corrente circulando pela mesma. Isso faz da válvula um amplificador de altíssima impedância, ao contrário da maioria dos transistores. Em alguns casos isto é vantajoso mas em outros não, devido á 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 chamada polarização de corte. O circuito mostrado anteriormente serve apenas para medição das curvas características. Um amplificador real deve ter uma carga de onde possa ser retirado o sinal amplificado. Na figura abaixo, 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.

Na figura abaixo, uma variação ΔEg produz uma variação da tensão de placa ΔEp = 100 V. E o ganho (ou fator de amplificação) da válvula é dado por μ = ΔEp / ΔEg. Valores típicos de μ para triodos estão na faixa de 4 a 100.

Um outro fator, chamado transcondutância, é dado pela relação g = ΔIp / ΔEg. 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. 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 = ΔEp / ΔIp é uma relação entre tensão e corrente que circula pela placa, ou seja, é uma unidade de resistência (Ω). É chamada resistência de placa. Valor para um triodo típico cerca de 10 0 Ω. Como estamos considerando apenas as regiões lineares das curvas, os fatores dados se relacionam pela fórmula: μ = g r.

Um triodo real

Aqui 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.

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: 2 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.

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, chamada grade de blindagem. 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 Ep baixo. Tais fatos provocam distorções no sinal e o projeto do circuito não deve permitir a operação nessa faixa.

Pentodo

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.

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 cátodo (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.

Notar que não há uma segunda fonte para polarizar a grade. Isto é dado de forma prática pelo resistor Rc, de baixo valor (em geral < 1 K), em série com o cátodo. Nesta situação, o cátodo fica mais positivo que a massa, ou seja, a massa fica mais negativa que o cátodo, com um valor dependente da corrente de placa e de Rc.

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

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

Válvulas termiônicas I: tópicos diversos

Continuando o assunto, esta página dá as principais características de alguns tipos comuns na "era da válvula". Provavelmente ainda são usadas em casos especiais e pelos entusiastas. Para estes últimos, há também o circuito de um receptor regenerativo simples. Novos tipos e circuitos deverão ser oportunamente inseridos. 6267 (EF86) | 6AU6 / 12AU6 | 6U8-A | 6V6 | 12AT7 | 12AU7 | 12AX7 |

6267 (EF86)

Pentodo desenvolvido especialmente para uso como amplificador de áudio. Aquecimento indireto, AC ou DC. Filamento 6,3 V 200 mA. Valores máximos dados na tabela abaixo.

Simb Parâmetro Un Va Tensão de anodo V 300 Vg1 Tensão de grade 1 V - Vg2 Tensão de grade 2 V 200 Pa Dissipação do anodo W 1,0 Pg2 Dissipação da grade 2 W 0,2 Ik Corrente de catodo mA 6

Vkf Tensão catodo-filamento (catodo positivo) V 100

Simb Parâmetro Un

A tabela abaixo dá alguns valores usuais para uma etapa amplificadora típica. Vb Tensão de alimentação V 300 300 150 150 Ra Resistência do anodo kΩ 100 220 100 220 Rg' Resistência grade estágio seguinte kΩ 330 680 330 680 Rg1 Resistência grade 1 kΩ - - - - Rg2 Resistência grade 2 kΩ 390 1000 390 1000 Rk Resistência do catodo kΩ 1 2,2 1 2,2 Ia Corrente do anodo mA - - - - Ik Corrente de catodo mA 2,4 1,1 1,05 0,5 Vo/Vi Ganho de tensão - 129 194 110 147 Vo Tensão de saída Vrms 62 53 27 2 Dtot Distorção total % 5 5 5 5

6AU6 / 12AU6

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