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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.
Algumas características do triodo
A abaixo mostra o esquema simples de polarização do triodo.
A grade é polarizada com um potencial negativo E (^) g 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 I (^) p em função da tensão de grade E (^) g. A Figura 02 dá exemplo para diversos valores da tensão de placa E (^) p (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-^. 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 10 000 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 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 R (^) c, 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 R (^) c. Desde que não circula corrente pela grade, basta ligá-la à massa através do resistor R (^) g, de alto valor (em geral, ≥ 1 MΩ) para não drenar o sinal de entrada. O capacitor em paralelo C (^) c, eletrolítico de alto valor, é necessário para evitar que a polarização da grade flutue com a variação do sinal amplificado.
Válvulas termiônicas II: 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, Pg2 Dissipação da grade 2 W 0, Ik Corrente de catodo mA 6
Simb Parâmetro Un Va Tensão de anodo V 330 Vg1 Tensão de grade 1 V 0 Vg2 Tensão de grade 2 V 330 Pa Dissipação do anodo W 3, Pg2 Dissipação da grade 2 W 0, Vkf Tensão catodo-filamento (pico) V 200
A tabela abaixo dá valores usuais para uma etapa amplificadora típica (acoplamento com resistência e classe A de operação). Os valores de capacitância são apenas exemplos (devem ser ajustados de acordo com a freqüência de operação).
Simb Parâmetro Un Vb Tensão de alimentação V 90 180 Ra Resistência do anodo kΩ 100 100 Rg' Resistência grade estágio seguinte kΩ 100 100 Rg1 Resistência grade 1 kΩ 100 100 Rg2 Resistência grade 2 kΩ 100 200 Rk Resistência do catodo kΩ 0,96 0, Ia Corrente do anodo mA - - Vo/Vi Ganho de tensão - 68 96 Vo Tensão de saída (max para distorção 5%) Vrms 13 27 Dtot Distorção total % - -
6U8-A
Triodo de médio ganho e pentodo. Aquecimento indireto, AC ou DC. Filamento 6,3 V ±20%, 450 mA. Parâmetros típicos conforme tabela abaixo
Simb Parâmetro Un Triodo Pentodo Va Tensão de anodo V 150 250 Vg1 Tensão de grade 1 V -12 - Vg2 Tensão de grade 2 V - 110 Ia Corrente do anodo mA 18 10 S Transcondutância mA/V 8,5 5, μ Fator de amplificação - 40 - Ri Resistência interna kΩ 5 400 Rk Resistor de catodo Ω 56 68
Valores máximos conforme tabela ao lado
Simb Parâmetro Un Triodo oscilador Pent misturador Va Tensão de anodo V 330 330 Vg1 Tensão de grade 1 V 0 0 Vg2 Tensão de grade 2 V - 330 Wa Dissipação do anodo W 3 3 Vkf Tensão catodo-filamento V 200 (pico) 200 (pico)
6V
Pentodo de potência para uso em estágios de saída de áudio. Aquecimento indireto, AC ou DC. Filamento 6,3 V, 450 mA. Parâmetros típicos conforme tabela abaixo (como amplificador classe A1).
Simb Parâmetro Un Va Tensão de anodo V 100 250 Vg Tensão de grade V -1 - Ia Corrente do anodo mA 3 10 S Transcondutância mA/V 3,75 5, μ Fator de amplificação - 62 60 Ri Resistência interna kΩ 16,5 11
Valores máximos conforme tabela ao lado
Simb Parâmetro Un Va Tensão de anodo V 550 Wa Dissipação do anodo W 2, Ik Corrente do catodo mA 15 Vg Tensão de grade V - Rg Resistor de grade MΩ 1 Vkf Tensão catodo-filamento V 90
12AU
Duplo triodo desenvolvido em princípio para amplificador de áudio. Aquecimento indireto, AC ou DC. Filamento 6,3 V 300 mA (paralelo) ou 12,6 V 150 mA (série).
Simb Parâmetro Un
A tabela abaixo dá valores usuais para uma etapa amplificadora típica.
- Va Tensão de anodo V
- Vg Tensão de grade V 0 -8,
- Ia Corrente do anodo mA 11,8 10,
- S Transcondutância mA/V 3,1 2,
- μ Fator de amplificação - 19,5
- Ri Resistência interna kΩ 6,25 7,
- Vb Tensão de alimentação V Simb Parâmetro Un
- Ra Resistência do anodo kΩ
- Rg' Resistência grade estágio seguinte kΩ
- Rk Resistência do catodo kΩ 1,2 2,2 1,2 2,
- Ia Corrente do anodo mA 1,82 0,98 3,02 1,
- Vo/Vi Ganho de tensão - 13,5 14 13,5
- Vo Tensão de saída (Ig = 0,3 μA) Vrms
- Dtot Distorção total % 6,1 5,6 6,4 5,
Dtot Distorção total % 8,5 4,8 4,4 2,
Válvulas termiônicas III:
12AY7 |
Amplificador de áudio simples | Fonte simples para válvulas | Receptor regenerativo de uma válvula |
12AY
Duplo triodo de médio ganho para uso genérico. Aquecimento indireto, AC ou DC. Filamento 6,3 V 300 mA (paralelo) ou 12,6 V 150 mA (série).
Simb Parâmetro Un Va Tensão de anodo V 250 Vg Tensão de grade V - Ia Corrente do anodo mA 3 S Transcondutância mA/V 1, μ Fator de amplificação - 40 Ri Resistência interna kΩ 22,
Valores máximos conforme tabela ao lado
Simb Parâmetro Un Va Tensão de anodo V 300 Wa Dissipação do anodo W 1, Ik Corrente do catodo mA 10 Vg Tensão de grade V - Rg Resistor de grade MΩ - Vkf Tensão catodo-filamento V 90
Amplificador de áudio simples
O circuito abaixo é exemplo de um amplificador experimental simples de áudio, que usa um duplo triodo 12AX7 na função de pré-amplificador e um pentodo 6V6 como amplificador de potência.
Notar a presença do transformador de saída TS entre o alto-falante e o circuito. Ele é necessário para o acoplamento de impedâncias. Uma derivação no seu secundário é usada para realimentação negativa (recurso para reduzir distorção e ruído). Onde não indicado, resistores de 1/2 W e capacitores de 400 V ou superior.
Fonte simples para válvulas
A maioria dos circuitos com válvulas exige no mínimo duas tensões de fonte: uma tensão baixa, que em geral não precisa ser retificada, para os filamentos e uma tensão contínua alta (120 V ou mais) para a operação do circuito. Na época do domínio das válvulas não era problema encontrar transformadores apropriados, de dois secundários, de diversas tensões e capacidades. Nos tempos atuais, isso pode ser difícil. O circuito da Figura 01 é uma improvisação que usa dois transformadores simples.
O nome "uma válvula" é um tanto relativo. Na realidade, usa um triodo duplo 12AT7, do qual uma unidade faz a função de detecção e a outra (à direita no diagrama) é amplificadora do sinal de áudio. Se você pretende montar, provavelmente terá alguma dificuldade de encontrar a própria válvula (e soquete) e componentes como o capacitor variável de sintonia C2. Mas ainda deve haver algumas (poucas) lojas que vendem tais componentes. Ou podem ser procurados em sites de leilões. O indutor L1 deve ser confeccionado com fio esmaltado 28 AWG enrolado, sem espaços entre espiras, em tubo de material isolante de diâmetro 38 mm.
O capacitor C1 deve ser conectado bem próximo, formando um conjunto que, se desejado, pode ser montado em um soquete. Assim, podem ser confeccionados vários indutores para sintonizar diferentes faixas. A tabela ao lado dá o total de espiras e as espiras para derivação da ligação ao catodo.
MHz Espiras Derivação C1 pF 5,5 - 1,5 80 20 direto 1,65 - 2 75 20 47 3,5 - 4,2 29 8 47 6,5 - 8,5 13 3 47 9,5 - 9,7 12 3 27 14 - 14,5 8 4 10 21 - 22 5 2 20
Obs sobre o esquema:
- resistores de 1/2 W 10% se não indicado.
- capacitores de 1000 V se não indicado. O potenciômetro de 50 K do ajuste de regeneração deve ser do tipo linear. Um tipo não linear usado em áudio pode tornar difícil o ajuste, que em geral é bastante crítico. Outras alternativas pode ser adotadas, como outro potenciômetro de menor valor em série para um ajuste fino. Notar a indicação de cabo blindado entre o potenciômetro de volume (1 M) e a grade da válvula. Isso serve para evitar interferências devido à alta impedância de entrada das válvulas. O diodo da fonte está especificado, mas pode ser em princípio qualquer diodo retificador comum de 1 A e tensão inversa cerca de 300 V. O transformador da fonte T1 pode ter também alternativas, como o uso de dois se não for possível encontrar um com dois secundários. Outra dificuldade pode ser a falta de caixa e chassis com furo para o soquete da válvula. Mas não é difícil improvisar com alguns materiais e ferramentas manuais.
