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domingo, 25 de agosto de 2013

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
















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