Teoria de Valvulas Eletronicas

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<p>Vlvulas terminicasIntroduo Princpio bsico Construo prtica Simbologia Tenses tpicas Triodo Algumas caractersticas do triodo Um triodo real Tetrodo Pentodo Exemplo de uma etapa amplificadora</p> <p>Introduo</p> <p>Ultrapassadas, obsoletas, volumosas, consumidoras de energia. Tudo isso pode qualificar as vlvulas terminicas (tambm chamadas vlvulas eletrnicas), mas elas ainda resistem em aplicaes especficas. No uso domstico, esto presentes em fornos de microondas (magntron) e em televisores e monitores de vdeo (CRTs - tubo de imagem). Mas este ltimo est sendo substitudo pelas telas de cristal lquido (e de outros tipos) e a velocidade dessa troca apenas uma questo de preos. Tambm so usadas em equipamentos industriais, radares, transmissores de potncia etc. Alguns entusiastas de udio preferem amplificadores com vlvulas, pois dizem que o som mais puro. Pode ser. Mas isso dever ser objeto de um tpico futuro. De qualquer forma, para quem s viveu a era dos semicondutores, pode ser interessante conhecer um pouco deste componente que foi a base para o desenvolvimento da tecnologia eletrnica.</p> <p>Princpio bsico</p> <p>O efeito terminico (emisso de eltrons por um metal aquecido) foi descoberto por Thomas Edison em 1883.</p> <p>Na figura acima, um filamento metlico F e um nodo tambm metlico A esto em uma ampola sob vcuo (a presena de ar impede a emisso de eltrons alm de oxidar o filamento). A fonte de tenso B1 aquece o filamento e a fonte B polariza o nodo positivamente. Nesta condio, os eltrons emitidos pelo filamento so atrados pelo potencial positivo do nodo, fazendo circular uma corrente I pelo circuito. Se a polaridade da fonte B for invertida conforme a figura seguinte, o nodo ter um potencial negativo, repelindo os eltrons emitidos pelo filamento e no haver corrente no circuito. Este arranjo na prtica um diodo retificador, isto , um componente que s permite a passagem da corrente eltrica em uma direo.</p> <p>O nodo da vlvula usualmente chamado de placa e o filamento, ctodo. Assim, a tenso da fonte B que polariza a placa dita tenso de placa e a corrente I, corrente de placa. A variao da corrente de placa com a tenso se d de forma parecida com o grfico ao lado. Ela varia linearmente com a tenso at certo valor e depois a curva se achata com tendncia a um limite, isto , uma tenso de saturao (acima desta, no h aumento da corrente de placa). A caracterstica de linearidade das vlvulas superior dos semicondutores.</p> <p>Construo prtica</p> <p>O arranjo esquemtico do tpico anterior no usado na prtica. Isto porque, para se obter correntes em nveis apreciveis, a placa deve ter a maior rea possvel exposta ao filamento.</p> <p>A figra acima (a) d uma idia da construo prtica tpica: a placa um tubo cilndrico vertical que envolve o filamento. O conjunto est no interior de um invlucro de vidro sob vcuo, com pinos de ligao na parte inferior para encaixe em soquete. Conforme tpico anterior, o filamento ao mesmo tempo um elemento de aquecimento e emissor de eltrons (ctodo). Este tipo de construo chamado aquecimento direto. Muitas vezes conveniente uma separao eltrica entre os mesmos. Assim, o ctodo um fino tubo que envolve o filamento conforme figura (b). Este tipo dito aquecimento indireto. O aquecimento indireto tem vantagens, pois separao eltrica entre filamento e ctodo d liberdade ao desenvolvimento dos circuitos. Alm disso, em muitos casos pode-se alimentar o filamento com corrente alternada, evitando retificao. A contrapartida um maior consumo de energia, pois nunca h total transferncia de calor do filamento para ctodo. Vlvulas de alta potncia, como os magntrons dos fornos de microondas, usam em geral aquecimento direto.</p> <p>Simbologia</p> <p>Na figura (a), o smbolo padro para o diodo de aquecimento direto (placa e filamento, que tambm o ctodo). Na figura (b), o smbolo para o diodo de aquecimento indireto (placa, ctodo e filamento).</p> <p>Tenses tpicas</p> <p>Alm do volume e do consumo de energia para aquecimento, uma outra desvantagem das vlvulas em relao aos semicondutores so as tenses altas que precisam para operar. O filamento aquecido com tenso baixa (5V; 6,3V; 12V etc), mas a placa requer valores bem maiores. Valores tpicos para aparelhos comuns esto na faixa de 100 a 300 V. Vlvulas de alta potncia requerem em geral alguns milhares de volts.</p> <p>Triodo</p> <p>Vlvulas diodos, conforme tpicos anteriores, tm funo apenas retificadora. Foram usadas em fontes de alimentao e circuitos detectores. Pelo que o autor deste site conhece, elas no so mais usadas para esta funo, nem nos equipamentos atuais que tm vlvulas (Uma das poucas aplicaes que ainda persistem a utilizao nas fontes de alimentao de equipamentos de udio Hi-End, onde o aquecimento do filamento do diodo permite que a tenso +B de alimentao suba lentamente preservando a vida til das carssimas vlvulas de udio profissional). Diodos semicondutores so mais vantajosos e podem ser construdos em forma de associaes em srie para retificar altas tenses.</p> <p>O grande passo na evoluo das vlvulas foi dado com a introduo de um elemento de controle ou grade de controle entre o ctodo e a placa, conforme smbolo ao lado. E, por conter 3 eletrodos, denominada triodo. Nas figuras (a) e (b) os smbolos para aquecimento direto e indireto respectivamente. O termo grade pode lembrar algo reticulado, mas na grande maioria dos casos uma espiral de fio que envolve o ctodo e naturalmente sem contato fsico com o mesmo. Um potencial negativo aplicado na grade pode bloquear total ou parcialmente o fluxo de eltrons entre ctodo e placa e, assim, controlar a corrente que circula pela placa. Isso d ao triodo a capacidade de atuar como amplificador.</p> <p>Algumas caractersticas do triodo</p> <p>A abaixo mostra o esquema simples de polarizao do triodo.</p> <p>A grade polarizada com um potencial negativo Eg e a placa alimentada com um potencial Ep e, nesta condio, corresponde a uma corrente de placa Ip. Obs: os valores numricos informados a seguir so tpicos de um triodo de baixa potncia. No valem para todos os tipos. Se a fonte que alimenta a placa de tenso constante, possvel a determinao de curvas caractersticas da variao da corrente de placa Ip em funo da tenso de grade Eg. A Figura 02 d exemplo para diversos valores da tenso de placa Ep (300, 200 e 100 V). Se a polarizao da grade mantida negativa, quase no h corrente circulando pela mesma. Isso faz da vlvula um amplificador de altssima impedncia, ao contrrio da maioria dos transistores. Em alguns casos isto vantajoso mas em outros no, devido maior sensibilidade a interferncias.</p> <p>Observar que, para uma mesma tenso de placa, existe um limite inferior para a polarizao da grade, onde a corrente de placa nula. chamada polarizao de corte. O circuito mostrado anteriormente serve apenas para medio das curvas caractersticas. Um amplificador real deve ter uma carga de onde possa ser retirado o sinal amplificado. Na figura abaixo, a carga consiste na resistncia R, em srie com a placa (pode ser tambm o primrio de um transformador).</p> <p>Com a carga, mesmo considerando a tenso da fonte constante, a tenso e a corrente de placa iro variar com a variao da polarizao de grade, devido queda de tenso no resistor.</p> <p>Na figura abaixo, uma variao Eg produz uma variao da tenso de placa Ep = 100 V. E o ganho (ou fator de amplificao) da vlvula dado por = Ep / Eg. Valores tpicos de para triodos esto na faixa de 4 a 100.</p> <p>Um outro fator, chamado transcondutncia, dado pela relao g = Ip / Eg. Como uma relao entre corrente e tenso, a unidade o inverso do ohm (-1). Valor tpico para um triodo 0,0025 -1. No grfico da Figura 05, a tenso de grade mantida constante e as curvas indicam a corrente de placa em funo da tenso aplicada, para diversos valores da tenso de grade. O coeficiente r = Ep / Ip uma relao entre tenso e corrente que circula pela placa, ou seja, uma unidade de resistncia (). chamada resistncia de placa. Valor para um triodo tpico cerca de 10 000 . Como estamos considerando apenas as regies lineares das curvas, os fatores dados se relacionam pela frmula: = g r.</p> <p>Um triodo real</p> <p>Aqui algumas especificaes de um triodo 12AU7. um triodo de baixa potncia para uso geral e foi bastante empregado em etapas pr-amplificadoras de udio.</p> <p>Notar que na realidade um duplo triodo (soluo para economizar espao). O filamento tem derivao central, permitindo 2 tenses de alimentao. Alguns valores tpicos ou mximos: Tenso de filamento: 6,3 - 12 V. Corrente de filamento: 300 - 150 mA. Tenso de placa max: 330 V. Corrente de placa max: 22 mA. Dissipao de placa max: 3 W.</p> <p>Tetrodo</p> <p>Em uma vlvula ideal, ocorre somente o efeito terminico. Em uma vlvula real, entretanto, outros podem ocorrer, em geral indesejveis para a aplicao. A capacitncia um fenmeno que est sempre presente entre dois condutores isolados entre si.</p> <p>Um triodo apresenta capacitncias parasitas entre os eletrodos conforme Figura 01 (a). So normalmente desprezveis em baixas freqncias como as de udio. Em freqncias altas, a capacitncia entre grade e placa pode produzir realimentaes, inviabilizando a operao do circuito. Para contornar o problema, foi adicionada uma grade entre a placa e a grade de controle, chamada grade de blindagem. Ela alimentada com um potencial positivo inferior ao da placa e um capacitor ligado massa e de baixa reatncia na freqncia de operao drena o sinal, atuando realmente como uma blindagem contra a realimentao. Com o eletrodo adicional, a vlvula denominada tetrodo, que est representado na Figura 01 (b). Na Figura 02, curvas caractersticas tpicas de corrente versus tenso de placa.</p> <p>Notar a no linearidade e regies de resistncia negativa com Ep baixo. Tais fatos provocam distores no sinal e o projeto do circuito no deve permitir a operao nessa faixa.</p> <p>Pentodo</p> <p>No tetrodo ocorre um fato indesejvel, responsvel pela distoro do incio da curva conforme tpico anterior: o potencial positivo da grade de blindagem acelera os eltrons, provocando emisso secundria de eltrons na placa.</p> <p>O pentodo formado pela adio de uma grade supressora entre a placa e a grade de blindagem, conforme Figura 01. Ela ligada ao ctodo (em geral, internamente). O potencial negativo da grade supressora diminui a velocidade dos eltrons que foram acelerados pela grade de blindagem. Isso reduz a emisso secundria na placa e ao mesmo tempo impede a troca de eltrons entre a grade de blindagem e a placa. Assim a indesejvel distoro eliminada, conforme curvas da Figura 01.</p> <p>Exemplo de uma etapa amplificadora</p> <p>Na Figura 01 deste tpico, exemplo comum do uso de um triodo em uma etapa amplificadora de acoplamento RC.</p> <p>Notar que no h uma segunda fonte para polarizar a grade. Isto dado de forma prtica pelo resistor Rc, de baixo valor (em geral &lt; 1 K), em srie com o ctodo. Nesta situao, o ctodo fica mais positivo que a massa, ou seja, a massa fica mais negativa que o ctodo, com um valor dependente da corrente de placa e de Rc. Desde que no circula corrente pela grade, basta lig-la massa atravs do resistor Rg, de alto valor (em geral, 1 M) para no drenar o sinal de entrada. O capacitor em paralelo Cc, eletroltico de alto valor, necessrio para evitar que a polarizao da grade flutue com a variao do sinal amplificado.</p> <p>Vlvulas terminicas II: tpicos diversos</p> <p>Continuando o assunto, esta pgina d as principais caractersticas de alguns tipos comuns na "era da vlvula". Provavelmente ainda so usadas em casos especiais e pelos entusiastas. Para estes ltimos, h tambm o circuito de um receptor regenerativo simples. Novos tipos e circuitos devero ser oportunamente inseridos. 6267 (EF86) | 6AU6 / 12AU6 | 6U8-A | 6V6 | 12AT7 | 12AU7 | 12AX7 |</p> <p>6267 (EF86)Pentodo desenvolvido especialmente para uso como amplificador de udio. Aquecimento indireto, AC ou DC. Filamento 6,3 V 200 mA. Valores mximos dados na tabela abaixo.</p> <p>Simb Parmetro Va Tenso de anodo Vg1 Tenso de grade 1 Vg2 Tenso de grade 2 Pa Dissipao do anodo Pg2 Dissipao da grade 2 Ik Corrente de catodo</p> <p>Un V 300 V V 200 W 1,0 W 0,2 mA 6</p> <p>Vkf Tenso catodo-filamento (catodo positivo) V</p> <p>100</p> <p>A tabela abaixo d alguns valores usuais para uma etapa amplificadora tpica. Simb Parmetro Un Vb Tenso de alimentao V 300 300 150 150 Ra Resistncia do anodo k 100 220 100 220 Rg' Resistncia grade estgio seguinte k 330 680 330 680 Rg1 Resistncia grade 1 k - Rg2 Resistncia grade 2 k 390 1000 390 1000 Rk Resistncia do catodo k 1 2,2 1 2,2 Ia Corrente do anodo mA - Ik Corrente de catodo mA 2,4 1,1 1,05 0,5 129 194 110 147 Vo/Vi Ganho de tenso Vo Tenso de sada Vrms 62 53 27 22 Dtot Distoro total % 5 5 5 5</p> <p>6AU6 / 12AU6Pentodo de alto ganho, especial para amplificadores de radiofreqncia ou de freqncia intermediria. Aquecimento indireto, AC ou DC, 6,3 V 10% 300 mA (6AU6) ou 12,6 V 10% 150 mA (12AU6). Valores mximos conforme tabela abaixo.</p> <p>Simb Parmetro Un Va Tenso de anodo V 330 Vg1 Tenso de grade 1 V 0 Vg2 Tenso de grade 2 V 330 Pa Dissipao do anodo W 3,5 Pg2 Dissipao da grade 2 W 0,75 Vkf Tenso catodo-filamento (pico) V 200 A tabela abaixo d valores usuais para uma etapa amplificadora tpica (acoplamento com resistncia e classe A de operao). Os valores de capacitncia so apenas exemplos (devem ser ajustados de acordo com a freqncia de operao). Simb Parmetro Un Vb Tenso de alimentao V 90 180 Ra Resistncia do anodo k 100 100 Rg' Resistncia grade estgio seguinte k 100 100 Rg1 Resistncia grade 1 k 100 100 Rg2 Resistncia grade 2 k 100 200 Rk Resistncia do catodo k 0,96 0,61 Ia Corrente do anodo mA 68 96 Vo/Vi Ganho de tenso Vo Tenso de sada (max para distoro 5%) Vrms 13 27 Dtot Distoro total % -</p> <p>6U8-A</p> <p>Triodo de mdio ganho e pentodo. Aquecimento indireto, AC ou DC. Filamento 6,3 V 20%, 450 mA. Parmetros tpicos conforme tabela abaixo</p> <p>Simb Va Vg1 Vg2 Ia S Ri Rk</p> <p>Parmetro Tenso de anodo Tenso de grade 1 Tenso de grade 2 Corrente do anodo Transcondutncia Fator de amplificao Resistncia interna Resistor de catodo</p> <p>Un Triodo V 150 V -12 V mA 18 mA/V 8,5 40 k 5 56</p> <p>Pentodo 250 -10 110 10 5,2 400 68</p> <p>Valores mximos conforme tabela ao lado Simb Va Vg1 Vg2 Wa Vkf Parmetro Un Tenso de anodo V Tenso de grade 1 V Tenso de grade 2 V Dissipao do anodo W Tenso catodo-filamento V Triodo oscilador 330 0 3 200 (pico) Pent misturador 330 0 330 3 200 (pico)</p> <p>6V6Pentodo de potncia para uso em estgios de sada de udio. Aquecimento indireto, AC ou DC. Filamento 6,3 V, 450 mA. Parmetros tpicos conforme tabela abaixo (como amplificador classe A1).</p> <p>Simb Parmetro Un Va Tenso de anodo V 180 250 Vg1 Tenso de grade 1 V -8,5 -12,5 Vg2 Tenso de grade 2 V 180 250 Ia Corrente do anodo (max) mA 30 47 S Transcondutncia mA/V 3,7 4,1 Fator de amplificao Ri Resistncia interna k Rk Resistor de catodo P Potncia de sada W 2,0 4,5 Valores mximos conforme tabela ao lado. Un Simb Parmetro Va Tenso de anodo V 350 Vg1 Tenso de grade 1 V 0 Vg2 Tenso de grade 2 V 315 Wa Dissipao do anodo W 14 Wg2 Dissipao da grade 2 W 2,2 Vkf Tenso catodo-filamento V 200</p> <p>12AT7Duplo triodo desenvolvido para aplicaes de rdio freqncia (osciladores, amplificadores, mistur...</p>