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Válvulas Termiônicas I

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Tópicos: Princípio Básico | Triodo |

Algumas informações sobre esses componentes pioneiros da tecnologia eletrônica, que, apesar do domínio dos semicondutores, ainda são usados em aplicações específicas.

1) Princípio Básico

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O efeito termiônico (emissão de elétrons por um metal aquecido) foi descoberto por Thomas Edson em 1883. Na Figura 1-I, 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.

Efeito termiônico - Polarização direta
Fig 1-I

Se a polaridade da fonte B for invertida conforme Figura 1-II, 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.

Efeito termiônico - Polarização inversa
Fig 1-II

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.

A variação da corrente de placa com a tensão se dá de forma parecida com o gráfico da Figura 1-III. 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.

Curva corrente versus tensão de placa
Fig 1-III

O arranjo esquemático das Figuras 1-I e 1-II não é usado na prática porque, para se obter correntes em níveis apreciáveis, a placa deve ter a maior área possível exposta ao filamento. A Figura 1-IV (a) dá ideia de uma 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. O filamento é, ao mesmo tempo, um elemento de aquecimento e emissor de elétrons (catodo). Este tipo de construção é denominado aquecimento direto.

Construções práticas de válvulas termiônicas
Fig 1-IV

Muitas vezes é conveniente uma separação elétrica entre elementos. Assim, o catodo é um fino tubo que envolve o filamento conforme Figura 1-IV (b). Esse tipo é dito aquecimento indireto. O tipo tem vantagens, pois a 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 o maior consumo de energia, pois há menor transferência de calor do filamento para catodo. Válvulas de alta potência, como magnétrons de fornos de micro-ondas, usam em geral aquecimento direto.

Símbolos de válvulas diodos com aquecimento direto e indireto
Fig 1-V

Na Figura 1-V (a), símbolo usual para diodo de aquecimento direto (placa e filamento, que é também o catodo). Em (b), símbolo para diodo de aquecimento indireto (placa, catodo e filamento).

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


2) Triodo

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Válvulas diodos, conforme tópico anterior, têm função apenas retificadora. Foram empregadas em fontes de alimentação e em circuitos detectores. Provavelmente, 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.

O grande passo na evolução das válvulas foi dado com a introdução de um elemento de controle ou grade de controle. Nas Figuras 2-I (a) e (b) símbolos para aquecimento direto e indireto respectivamente.

Símbolos para válvulas triodos de aquecimento direto e indireto
Fig 2-I

O termo grade pode lembrar algo reticulado, mas, na realidade, é uma espiral de fio entre catodo e placa, sem contato elétrico com eles. 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.

A Figura 2-II dá o esquema simples de polarização de um triodo. A grade é polarizada com um potencial negativo Eg e a placa é alimentada com um potencial Ep e, nessa condição, há a correspondente corrente de placa Ip.

Esquema simples de polarização do triodo
Fig 2-II

Se a fonte que alimenta a placa tem tensão constante, é possível a determinação de curvas características da variação da corrente de placa Ip em função da tensão de grade Eg. Na Figura 2-III, exemplo típico para diversos valores da tensão de placa Ep (300, 200 e 100 V).

Curvas típicas de um triodo
Fig 2-III

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

Um amplificador real deve ter uma carga de onde possa ser retirado o sinal amplificado. Na Figura 2-IV, a carga é a resistência R em série com a placa (pode ser também o primário de um transformador). Assim, 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.

Amplificador básico com triodo
Fig 2-IV

Na Figura 2-V, uma variação $\Delta E_g$ produz uma variação da tensão de placa $\Delta E_p = 100\ V$. E o ganho (ou fator de amplificação) da válvula é dado por:

$$\mu = \frac{\Delta E_p }{\Delta E_g} \tag{2A}$$
Valores típicos de μ para triodos estão na faixa de 4 a 100.

Corrente de placa versus tensão de grade para diferentes tensões de placa
Fig 2-V

A transcondutância é dada pela relação:

$$g = \frac{\Delta I_p }{\Delta E_g} \tag{2B}$$
Desde que 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.

Corrente de placa versus tensão de placa para diferentes tensões de grade
Fig 2-VI

No gráfico da Figura 2-VI, 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. Nessa condição, pode-se determinar a relação entre tensão e corrente que circula pela placa:

$$r = \frac{\Delta E_p }{\Delta I_p} \tag{2C}$$
A unidade de r é o ohm (Ω) porque é uma relação entre tensão e corrente. É denominado resistência de placa. Valor para um triodo típico cerca de 10 000 Ω.

Desde que são consideradas apenas as regiões lineares das curvas, os parâmetros anteriores relacionam-se pela fórmula:

$$\mu = g\ r \tag{2D}$$
Curvas e pinos de um triodo 12AU7
Fig 2-VII

Na Figura 2-VII, curvas e diagrama de pinos de um triodo comercial 12AU7. É um tipo de baixa potência para uso geral e foi bastante empregado em etapas pré-amplificadoras de áudio. Nota-se 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 ou 12 V. Corrente de filamento: 300 ou 150 mA. Tensão de placa max: 330 V. Corrente de placa max: 22 mA. Dissipação de placa max: 3 W.

Exemplo de uma etapa amplificadora
Fig 2-VIII

Na Figura 2-VIII, exemplo comum do uso de um triodo em uma etapa amplificadora de acoplamento RC. Nota-se que não há uma segunda fonte para polarizar a grade. Isso é dado de forma prática pelo resistor Rc, 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 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.
Referências
BROPHY, James J. Basic Electronics for Scientists. USA: McGraw-Hill, 1977.
U. S. NAVY. Basic Electronics. Hemus, 1976.
Pesquisa na Internet em 04/2008. Fontes não anotadas.

Topo | Rev: Mar/2018