teoria de valvulas eletronicas

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Vlvulas terminicasIntroduo Princpio bsico Construo prtica Simbologia Tenses tpicas Triodo Algumas caractersticas do triodo Um triodo real Tetrodo Pentodo Exemplo de uma etapa amplificadora

Introduo

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.

Princpio bsico

O efeito terminico (emisso de eltrons por um metal aquecido) foi descoberto por Thomas Edison em 1883.

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.

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.

Construo prtica

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.

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.

Simbologia

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).

Tenses tpicas

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.

Triodo

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.

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.

Algumas caractersticas do triodo

A abaixo mostra o esquema simples de polarizao do triodo.

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.

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).

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.

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.

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.

Um triodo real

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.

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.

Tetrodo

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.

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.

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.

Pentodo

No tetrodo ocorre um fato indesejvel, responsvel pela distoro do incio da curva conforme tpico anterio