Válvulas
A válvula, como componente electrónico, é considerado um componente ultrapassado e obsoleto. Continuam a existir em alguns equipamentos de uso doméstico, fornos de microondas (magnetrão) e em televisores e monitores de vídeo (tubo de imagem). Também são usadas em equipamentos industriais, radares, transmissores de potência. Alguns entusiastas de áudio preferem amplificadores com válvulas . Foi a base de desenvolvimento de toda a tecnologia electrónica.
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 muito maiores. Valores típicos para aparelhos comuns situam-se entre 100 a 300 V. Válvulas de alta potência requerem alguns milhares de volts.
Efeito termiónico
Emissão de electrões a partir de um corpo incandescente Um filamento metálico F e um ânodo também metálico A estão numa ampola sob vácuo (a presença de ar impede a emissão de electrões). A fonte de tensão B1 aquece o filamento e a fonte B polariza o ânodo positivamente. Nesta condição, os electrões emitidos pelo filamento são atraídos pelo potencial positivo do ânodo, fazendo circular uma corrente I pelo circuito.
Se a polaridade da fonte B se inverter, o ânodo terá um potencial negativo, repelindo os electrões emitidos pelo filamento e não haverá corrente no circuito.
Esta montagem é na prática um diodo rectificador, isto é, um componente que só permite a passagem da corrente eléctrica numa direcção
O ânodo da válvula é normalmente chamado placa e o filamento, cátodo. Assim, a tensão da fonte B que polariza a placa é a tensão de placa e a corrente I, corrente de placa.
A variação da corrente na placa com a
tensão dá-se de forma semelhante ao gráfico.
Varia linearmente com a tensão até determinado
valor e depois a curva caí até a um limite
(tensão de saturação), acima deste valor,
não há aumento da corrente de placa. A
característica de linearidade das válvulas é
superior à dos semicondutores.
Construção de uma válvula electrónica
O esquema 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.
A Figura 03(a) dá uma ideia 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 electrões
(cátodo). Este tipo de construção é
chamado aquecimento directo.
Muitas vezes é conveniente uma separação eléctrica entre os mesmos. Assim, o catodo é um fino tubo que envolve o filamento conforme Figura 03 (b). Este tipo é dito aquecimento indirecto.
O aquecimento indirecto tem vantagens, a separação elétrica entre filamento e cátodo dá liberdade ao desenvolvimento dos circuitos. Além disso, em alguns casos pode-se alimentar o filamento com corrente alternada, evitando rectificação. 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 magnetrões dos fornos de microondas, usam geralmente aquecimento directo.
Simbologia Válvula Díodo
Na Figura 4 (a), o símbolo padrão para o diodo de aquecimento directo (placa e filamento, que é também o catodo). Na Figura 4 (b), o símbolo para o diodo de aquecimento indirecto (placa, catodo e filamento).
As válvulas diodos têm função apenas rectificadora. Eram usadas em fontes de alimentação e circuitos detectores, não se usam para esta função, nem nos equipamentos actuais que têm válvulas. Diodos semicondutores têm mais vantajosos e podem ser associados em série para rectificar altas tensões.
Tríodo
É uma válvula termiónica com três eléctrodos (um cátodo, um ânodo e uma grelha)
O grande passo na evolução das válvulas foi dado com a introdução de um elemento de controle ou grelha (grade) de controle entre o cátodo e a placa, conforme símbolo ao lado. E, por conter 3 electrodos, é denominada triodo. Nas Figuras 05 (a) e (b) os símbolos para aquecimento directo e indirecto respectivamente. O termo grelha ou grade pode lembrar algo reticulado, mas na realidade é uma espiral de fio que envolve o cátodo e sem contato físico. Um potencial negativo aplicado na grelha pode bloquear total ou parcialmente o fluxo de electrões entre cátodo e placa e, assim, controlar a corrente que circula pela placa. Isso dá ao tríodo a capacidade de actuar como amplificador.
Polarização do tríodo
A grelha 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.
Se a fonte que alimenta a placa é de tensão constante, é possível determinar as curvas características da variação da corrente de placa Ip em função da tensão de grade Eg. A Figura 7 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. Isso faz da válvula um amplificador de altíssima impedância, ao contrário da maioria dos transistores.
Para uma mesma tensão de placa, existe um limite inferior para a polarização da grelha, onde a corrente de placa é nula. É chamada polarização de corte.
Tríodo como Amplificador
Um amplificador real deve ter uma carga de onde possa ser retirado o sinal amplificado. Na Figura 8, 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 na resistência.
Na Figura 9, uma variação ΔEg
produz uma variação da tensão de placa
ΔEp = 100 V.
E o ganho (ou factor de amplificação) da
válvula é dado por
μ = ΔEp / ΔEg.
Valores típicos de μ para triodos estão
entre 4 e 100.
Transcondutância
Um outro factor, 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 10, a tensão da grelha
é mantida constante e as curvas indicam a corrente de
placa em função da tensão aplicada, para
diversos valores da tensão de grelha.
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 10 000 Ω.
Como estamos considerando apenas as regiões lineares das
curvas, os fatores dados se relacionam pela fórmula:
μ = g r.
Tetrodo
Teoricamente numa válvula ideal apenas existe o efeito termiónico. Na realidade, numa válvula podem ocorrer outros efeitos, geralmente indesejáveis para a aplicação. A capacitância é um fenômeno que está sempre presente entre dois condutores isolados entre si.
Com o electrodo adicional, a válvula é denominada tétrodo, que está representado na Figura 12 (b).
Um tríodo apresenta capacitâncias parasitas entre
os electrodos conforme Figura 12 (a). São normalmente
desprezíveis em baixas frequências como as de
áudio. Em frequências altas, a capacitância
entre grelha e a placa pode produzir
realimentações, inviabilizando a
operação do circuito.
Para contornar o problema, foi adicionada uma grelha entre a
placa e a grelha de controle, chamada grelha de blindagem.
É alimentada com um potencial positivo inferior ao da
placa e um condensador ligado à massa e de baixa
reactância na frequência de operação
drena o sinal, actuando realmente como uma blindagem contra a
realimentação.
Pêntodo
No tétrodo ocorre um fato indesejável, responsável pela distorção do início da curva conforme tópico anterior: o potencial positivo da grelha de blindagem acelera os electrões, provocando emissão secundária de electrões na placa.
O pêntodo é formado pela adição de uma grelha supressora entre a placa e a grelha de blindagem, conforme Figura 13. É ligada ao cátodo internamente, na maior parte dos casos. O potencial negativo da grelha supressora diminui a velocidade dos electrões que foram acelerados pela grade de blindagem. Isso reduz a emissão secundária na placa e ao mesmo tempo impede a troca de electrões entre a grelha de blindagem e a placa. Assim, a indesejável distorção é eliminada, conforme curvas da Figura 13.
