AULA SOBRE VÁLVULA TERMOIÔNICA
Agora vou voltar um pouco no tempo e explicar como funciona e o princípio básico de operação de uma válvula eletrônica muito usada antigamente antes da existência dos transistores e da eletrônica com semicondutores. A eletrônica de fato começou com a invenção da válvula termoiônica que é um dispositivo capaz de amplificar sinais elétricos.
Há muitos anos eu tive essa aula de laboratório de eletrônica e recebi uma apostila que tenho até hoje, na época ainda editada com o uso de desenhos feitos a mão e texto datilografado. Resolvi digitar todo o texto e desenhei as figuras no Paint, de forma a deixar tudo de forma digital, ao qual transcrevo a seguir.
TRIODO: Características e uso como amplificador
Objetivo: estudar as características do Triodo, polarização
e o seu funcionamento como amplificador.
Introdução teórica: triodo é uma válvula a vácuo com três
eletrodos: catodo (emissor de elétrons), placa (receptor de elétrons) e grade
(controladora do fluxo de elétrons que se dirigem à placa).
Existem dois tipos de aquecimento do catodo: a) direto e b)
indireto, como mostra a figura abaixo:
Onde:
eb = tensão de placa
ib = corrente de placa
egk = tensão de grade
Localização
dos terminais e características da válvula 12AU7 duplo triodo:
O funcionamento dessa válvula se dá aplicando uma diferença
de potencial entre o catodo (-) e a placa (+) e uma diferença de potencial entre catodo e a
grade, formando assim um campo elétrico no interior da válvula.
Aquecendo o catodo, essa libertará elétrons que serão
atraídos pela placa. Dependendo do potencial da grade, irá existir maior ou
menor fluxo de elétrons, se a grade estiver negativa, deixará passar alguns
elétrons, repelindo outros, e quanto mais negativa a grade, menor o fluxo de
elétrons, até que a corrente chegue a zero, denominando assim o ponto de corte
da válvula.
Essa válvula é aplicada em amplificadores, osciladores,
misturadores, etc.
CURVA CARACTERÍSTICA DA PLACA: Existem três tipos de curvas características,
podendo cada uma ser obtida através das outras, porque para levantarmos essas
curvas, utilizamos apenas das medidas ib (corrente de placa), eb (tensão de placa)
e egk (tensão da grade).
1) Curvas
característica de placa: para o levantamento dessas curvas, obtém-se ib em
função de eb, mantendo-se egk constante:
ib = f(eb) com egk constante (vários valores)
A partir dessas curvas obtemos o
parâmetro rp (resistência de placa) que é a relação entre a variação de eb e a
variação de ib:
rp = ∆eb/∆ib sendo egk constante
Fazendo essa variação em torno de
um ponto (Q), variando-se esse ponto também variamos o valor de rp.
Exemplo:
rp1 = ∆eb/∆ib = (eb2
– eb1)/(ib2 – ib1) com egk = -2V
rp2 = (eb3 – eb4)/(ib3 –
ib4) com egk = -10V
rp1 ≠ rp2
1) CURVAS
CARACTERÍSTICAS DE TRANSFERÊNCIA: para o levantamento dessa curva, obtém-se ib
em função de egk, mantendo-se eb constante:
ib = f(egk) com eb constante
A partir dessa curva obtemos o
parâmetro gm (transcondutância ou condutância mútua), é a relação entre a
variação de ib e a variação de egk:
gm = ∆ib/∆egk com eb constante
1) CURVA
CARACTERÍSTICA DE CORRENTE CONSTANTE: para o
levantamento dessas curvas, obtém-se eb em função de egk, mantendo-se a
corrente de placa constante:
eb = f(egk) com ib constante
A partir dessa curva obtemos o
parâmetro μ (fator de amplificação) que determina a eficácia da tensão de placa
em relação à tensão de grade, no controle da corrente:
µ = - ∆eb/∆egk com ib constante
Quanto menor a variação de eb e
egk, mais preciso será µ.
TRIODO COMO AMPLIFICADOR –
LIMITAÇÕES E POLARIZAÇÃO
Quanto às limitações de operação
de um triodo como amplificador, podemos citar o fato de que a tensão de grade
não pode ser positiva, ou seja, egk deve ser negativa. Caso contrário, o par
grade-catodo funcionaria como um diodo, e se não colocarmos um resistor na
entrada da grade, para limitar a corrente, a válvula poderá ser danificada,
pois a corrente será grande. No ponto onde a tensão de grade for nula, a
corrente de placa será máxima, é chamada ponto de saturação.
Outra limitação existente é o
fato de que não podemos ter tensão de grade muito negativa, o que poderia
acarretar corrente de placa nula, pois todos os elétrons seriam impedidos de
atingir a placa pela grade, deste modo a tensão de placa permanece igual a Ebb.
No ponto onde a corrente de placa é nula, a tensão de placa é máxima e igual a
Ebb, é chamado de ponto de corte.
A amplificação com triodo também
pode ser vista através das curvas características, para isto, basta analisarmos
a equação:
eb = Ebb – Rload * ib (veja circuito)
Como Ebb e Rload são constantes,
esta é a equação de uma reta. Esta reta é chamada de reta de carga estática, e
para localizá-la na curva característica de placa, temos dois pontos
particulares, dados por:
eb = Ebb – Rload * ib
Para eb = 0, ib = Ebb/Rload
Para ib = 0, eb = Ebb
Circuito amplificador utilizando
triodo:
ee = sinal de entrada
Aplicando-se a lei de Kirchoff ao
circuito de grade, e ao circuito de placa,
obtemos:
egk = ee – Ecc (a queda de tensão
em R1 é desprezível)
eb = Ebb – Rload * ib
Supondo que ee é do tipo ee(t) =
Ee sen ωt, obtemos:
Notamos que a tensão de placa eb
é formada por uma componente contínua Eb0
e uma componente variável, que chamaremos sinal de placa, ou tensão de
saída (es), e pode ser vista sobre a resistência de carga Rload. Observa-se
também que o sinal de placa corresponde ao sinal de grade ee, amplificado e com
fase invertida.
Para que haja amplificação é
necessário polarizar o sinal a ser amplificado. A fonte Ecc é chamada fonte de
polarização de grade e sua função é
nunca permitir que a tensão de grade se torne positiva, logo o valor de Ecc, em
módulo, deve ser superior ao valor máximo de ee, de modo que egk será sempre
negativa. Caso contrário a válvula entraria em estado de saturação, deixando de
amplificar.
O resistor Rg é chamado de
resistência de escape de grade, e tem por função descarregar as cargas
eventualmente acumuladas na grade, e ainda, não sobrecarregar o estágio
anterior, por isso seu valor é alto.
A função do resistor R1 é limitar
a corrente de grade, pois caso a tensão de grade se torne positiva, a corrente
seria alta e danificaria a grade.
Com o circuito abaixo, é possível polarizar um triodo utilizando-se
uma única fonte:
Podemos observar que neste circuito, a corrente de placa (ib)
circula através do resistor Rk, de modo a haver uma queda de tensão sobre ele.
Sendo a corrente de grade normalmente nula, ou então desprezível, a queda de
tensão em Rg1 é muito pequena. Se analisarmos a malha formada por Rk, Rg1 e
pelo par grade-catodo, observamos que a tensão egk deve ser:
egk = -Rk * ib
Observamos então que a grade fica
polarizada negativamente em relação ao catodo, conseguindo assim uma auto-polarização.
Mas se usarmos somente o resistor
Rk, quando variarmos o sinal de entrada, estaremos variando a corrente de placa
(ib), o que acarretar uma variação em egk, e isso iria mudar o ponto de
trabalho, modificando assim o valor da amplificação do circuito. Como isso é
indesejável, utilizaremos um capacitor Ck chamado de capacitor de
desacoplamento, em paralelo com Rk, de modo a conseguir uma tensão constante em
Rk. Para isso, Ck deve ser dimensionado de tal forma que mesmo para as
variações mais lentas de corrente de placa produzidas por sinais de entrada de baixa frequência, sua
reatância (Xck) seja bem menor do que o valor de Rk.
Na prática, normalmente se faz
Xck = 1/10 de Rk, como C = 1/(ωXc) temos
que C = 10 / (2 x π x Fb x Rk), onde Fb é a frequência mais baixa do sinal de
entrada utilizado. De modo que Ck seja praticamente um curto circuito para os
sinais alternados e um circuito aberto para sinais contínuos, que passarem
através de Rk, mantendo Erk constante, pois se Ebb é constante, ib terá uma
componente contínua ibo e de valor constante, de forma a manter egk constante.
O capacitor C1 (capacitor de
desacoplamento) é utilizado para bloquear a componente contínua do sinal de
entrada, que alteraria a polarização da grade e consequentemente o ponto de trabalho do amplificador.
O capacitor C2 e o resistor Rg2
formam um filtro, cuja finalidade é bloquear a componente contínua que
apareceria no sinal de saída devido a fonte Ebb. Como nós desejamos que o sinal
de saída apresente somente a componente variável, correspondente ao sinal de
entrada amplificado, é necessário o uso desse filtro.
A fim de verificar como se
comporta o ganho do amplificador em função da frequência, vamos analisar o
circuito equivalente (diferencial) do amplificador:
O capacitor Cpk representa a
capacitância inter eletródica existente entre a placa e catodo, cujo efeito
será particularmente sensível em altas frequências.
No caso de frequências baixas, as
reatãncias das capacitâncias em paralelo (Cpk e Ck) é tão elevada que elas
podem ser desprezadas frente a Rk e R1, respectivamente. Porém as capacitâncias de C1 e C2 terão grande
influência no ganho do circuito, pois suas reatâncias serão elevadas, de modo que
C1 atenuará o sinal de entrada antes de chegar à grade e C2 atenuará o sinal da
placa antes da saída. Como o ganho é dado pela relação es/ee, podemos concluir
que para baixas frequências o ganho será baixo.
Circuito equivalente para baixas
frequências:
Para médias frequências, todos os
capacitores, excluindo Cpk, podem ser considerados como curto circuitos. Cpk
ainda será considerado circuito aberto, pois o valor de sua capacitância é
extremamente baixa.
Circuito equivalente para
frequências médias:
Conseguimos assim um circuito
equivalente utilizando somente elementos resistivos. Partindo deste circuito
podemos calcular a amplificação que é definida como:
A = Es/Ee onde:
Es = valor eficaz da tensão de
saída e
Ee = valor eficaz da tensão de
entrada
Por outro lado podemos verificar
que Espp/Eepp também é igual à amplificação.
De fato Espp/Eepp = (2 * raiz (2) * Es) / (2 * raiz (2) * Ee) = A
No caso do circuito acima a amplificação
será dada pela expressão:
Av = (- μ * R//)/ (R// + rp) onde
R// = Rload // Rg2
Em altas frequências, as capacitâncias
C1 e C2 podem ser desprezadas, pois sua reatância é baixa (considera-se curto).
A capacitância Cpk é constituída pela capacitância inter eletródica e dos
demais componentes do circuito. Apresentará uma reatância relativamente baixa
de modo a diminuir a impedância de saída do circuito, causando um decréscimo no
ganho do amplificador.
Circuito
equivalente para altas frequências:
Normalmente a variação do ganho
em função da frequência é muito grande, então, se quisermos construir um
gráfico para analisarmos esta variação é conveniente usarmos uma escala
logarítmica. Para isso foi definido Gv – ganho em tensão como sendo:
Gv = 20 log Av ou seja
Gv = 20 log (es/ee) (dB)
Obs: o decibel (dB) provém da
unidade Bel (B), valendo 1/10
Como a variação de frequência
também é muito grande, também é conveniente usar uma escala logarítmica para a
frequência.
Abaixo temos o esboço do gráfico
da variação do ganho em função da frequência, chamado de diagrama de Bode.
O ponto A determina a frequência
de corte inferior e o ponto B a superior. Estas frequências são correspondentes
ao ponto onde o ganho se reduz a 70,7% do ganho máximo, dizemos então que o
ganho caiu em 3dB.
PARTE EXPERIMENTAL
obs: os itens a até d deverão ser
realizados com a tensão de entrada nula (em curto).
a) montar
o circuito abaixo:
a) medir
Erko e egko com osciloscópio em DC, e comparar estas medidas
Erko = 5,5V egko = -4V
b) com
os valores de Ebb (250V) , Rload (22k) e egk, traçar a reta de carga, mostrando
o ponto de trabalho Q e achar suas coordenadas (Eb0 e Ib0).
a) medir
Ib0 e Eb0 e compara com os resultados obtidos graficamente.
Eb0 = 110V
(gráfico = 130V)
Ib0 = 110V/22k = 5mA
(gráfico = 5,2mA)
b) usando o gerador de áudio, fazer a tensão de entrada
ee(t) = 1 sen ωt (V); variar a
frequência desde 12Hz a 1MHz, preenchendo a tabela seguinte.
c) determine
a frequência de corte inferior e a superior.
d) ajustar Ebb para 150V e substituir C1 por um resistor
de 100k. Verificar e justificar o que acontece, tendo-se o sinal de entrada no
nível máximo.
Frequência (Hz)
|
Ee (Vpp)
|
Es (Vpp)
|
Av
|
Gv (dB)
|
12
|
2
|
16
|
8
|
18,06
|
20
|
2
|
22
|
11
|
20,83
|
50
|
2
|
23
|
11,5
|
21,2
|
100
|
2
|
24
|
12
|
21,58
|
200
|
2
|
24
|
12
|
21,58
|
500
|
2
|
25
|
12,5
|
21,94
|
1000
|
2
|
25
|
12,5
|
21,94
|
2000
|
2
|
26
|
13
|
22,28
|
5000
|
2
|
26
|
13
|
22,28
|
10000
|
2
|
26
|
13
|
22,28
|
20000
|
2
|
26
|
13
|
22,28
|
50000
|
2
|
27
|
13,5
|
22,6
|
100000
|
2
|
25
|
12,5
|
21,94
|
200000
|
2
|
23
|
11,5
|
22,2
|
500000
|
2
|
18
|
9
|
19,1
|
1000000
|
2
|
8
|
4
|
12,04
|
