Válvula termiônica

Válvula termiônica
	Válvula termiônica
Nome do componente	Válvula termiônica
Princípio de funcionamento	Termiônica
Informações históricas
Inventado por	John Ambrose Fleming(1904); Lee De Forest(1906); Walter H. Schottky(1919); Bernard Tellegen(1926)
Uso
Símbolo	; Válvula pentodo.
	Portal da Eletrônica

Válvula termiônica^{(português brasileiro)}ouválvula termiónica^{(português europeu)},também chamada por vezes detubo de vácuo^[2]é um dispositivoeletrônicoformado por um invólucro devidrode altovácuochamada ampola contendo vários elementos metálicos. Criada e patenteada pelofísicoeengenheiro eletricista britânico John Ambrose Flemingcomo válvula diodo, em 1904, graças aos avanços nas pesquisas doEfeito Edison^[3].Ela é composta de um terminal decatodoe uma placa comoanodoque permitem o fluxo deelétronsem um único sentido.^[4]

Dois anos depois, em 1906, foi melhorada pelo também físico e inventor americanoLee De Forest,que propôs um terceiroeletrodo,chamado de grade, que possibilitou controlar além da direção, também a intensidade do fluxo de elétrons, assim como ostransistoresque nas décadas seguintes viriam a substituir as válvulas por superarem os problemas relacionados à dissipação de energia por calor, tensões elevadas para operação, vida útil e custo. Apesar do declínio em popularidade, elas ainda tem destaque no campo musical, sendo ainda empregadas em circuitos de amplificadores profissionais de áudio.^[5]Já na eletrônica de potência, semelhante aoSCReTRIAC,foi usado as válvulasTiratron,que ao invés de vácuo eram preenchidas comgás ionizável^[2]e permitiam um controle adicional de condução por tensão de disparo^[6].

Aspectos históricos

Thomas Edison, o "Feiticeiro de Menlo Park".

Thomas Edisone sua equipe de engenheiros em 1880 detectaram o efeito que possibilitou que as válvulas termiônicas fossem criadas décadas mais tarde. A constatação surgiu após observações em testes de lâmpadas incandescentes com filamento de carbono. Edison não conseguiu explicação, mas tentou novamente entender o fenômeno após a instalação das primeiras usinas e sistemas de distribuição de energia. Entretanto, erroneamente associou que se tratava de uma corrente de partículas de carbono carregadas e não procurou maiores explicações. O nome desse efeito surgiu pelo engenheiro elétrico GalêsWilliam Preeceem 1885, um ano após Edison ter patenteado o fenômeno que poderia ter rendido o papel de pai da eletrônica.^[7]

Tubo de Crookes, criado porWilliam Crookes.

Neste período ainda não existia o conhecimento dos elétrons, descobertos pelos trabalhos deJoseph John Thomsonno período entre 1897 e 1899. Isso só foi possível aos avanços nos estudos de descarga elétrica nos gases que proporcionaram criar alâmpada fluorescentee a observação do efeito chamado deraios catódicospelo físicoEugen Goldsteinem 1876. A importância histórica foi grande, principalmente porque a evolução deste tema levaram a criação dotubo de Crookespelas conclusões do trabalho do químico britânico William Crookes em 1879.^[7]

Karl Ferdinand Braun, construtor do tubo de raios catódicos.

A construção dotubo de raios catódicos(CRT) em 1987 pelo físico alemãoKarl Ferdinand Braunfoi baseada no tubo de Crookes. Esse instrumento media a tensão aplicada por um desvio proporcional dos raios catódicos. Isso não só levou a construção do osciloscópio de raios catódicos em 1910, como futuramente foi base tecnológica de raio-X, radares e televisores.^[7]

Joseph John Thomson, vencedor do Prêmio Nobel pela identificação dos elétrons.

Um físico americano, entre 1897 e 1899, também se destacou e entrou para história ganhando umprêmio Nobelem 1906 pelo trabalhos utilizando o tubo de Crookes. Joseph John Thomson identificou os elétrons por meio de experimentos que foram fundamentos no cálculo da razão carga-massa e conduziu a concluir que a descarga elétrica observada era independente do gás no interior dos tubos (cátodo).^[7]

Apenas em 1902 o efeito Edison foi explicado por um ex-aluno de Thomson, em mais um trabalho que rendeu o prêmio Nobel de 1928 ao físico inglêsOwen Willans Richardson.Ele propôs que o fenômeno é dado por uma lei dependente da temperatura e sugeriu no lugar o termoefeito termiônico.^[7]

John Ambrose Fleming (1849-1945), inventor da válvula diodo termiônica.

A partir da exploração desses estudos, John Ambrose Fleming em 1904 lançou o projeto patenteado da válvula termiônica, capaz de ser aplicada como retificador e detector de sinal e que nos anos seguintes passou por melhorias. Fleming junto comMarconiajudaram na popularização o rádio com a invenção, inclusive, em 1901 realizaram o transmissão da primeira mensagem sem fio transatlântica com origem da estação Poldhu (Cornualha) paraSignall Hill(Terra Nova e Labrador), onde Marconi a recebeu. O diodo continuou sendo melhorado e o seu criador foi premiado com a medalha de honra peloInstituto de Engenheiros de Rádioem 1933, anos após ser eleito cavalheiro em 1929.^[7]

Depois da válvula diodo,Robert von Liebenconstruiu e patentou oreléde feixe de cátodo, uma variação do CRT que desviava um feixe de elétrons a partir do campo magnético gerado por corrente passando por uma bobina, e não mais porcampo elétricopela diferença de potencial como no modelo do tubo indicador de raios catódicos de Ferdinand Braun. Com a adição por Lieben de uma grade de controle foi possível amplificar sinais. Essa modificação transformou o equipamento no primeiro amplificador da história eletrônica.^[7]

Lee De Forest, inventor que patenteou a válvula triodo.

Semelhante foi o trabalho de Lee De Forest, que tinha grande interesse pelo rádio e em 1906 fez o pedido de patente de uma nova válvula termiônica que foi batizada como "Audion". Ela agora tinha além dos eletrodos de placa (anodo) e catodo, passou pela adição de um terceiro eletrodo de controle de fluxo também chamado de grade. Contudo, essa ideia não é original e já estava sendo discutida pelos físicos alemãesJohann ElstereHans Geitel.Um ano depois ele fundou aDe Forest Radio Telephone Company,usando seu trabalho para mostrar a amplificação de sinais analógicos sem discretização, diferente da transmissão para o Morse, que tem princípio de funcionamento de sinais digitais. A organização falhou, entretanto, com ela Forest ficou conhecido como pai da radiofusão pública ao transmitir uma apresentação deEnrico CarusonoMetropolitan OperadeNova York.^[7]

Constituição interna

Exemplo de constituição dos Triodos

As válvulas termiônicas são normalmente constituídas por um tubo de vidro a vácuo em cujo interior há elementos metálicos como ofilamento,catodo, placa (ânodo) e grade. O filamento é o responsável pelo aquecimento do catodo. Desta forma, ao passar uma corrente elétrica no catodo, junto ao seu aumento de temperatura em decorrência do acionamento do filamento, é provocado o efeito Edison com a emissão da chamada "nuvem" de elétrons ou "carga espacial" que podem ser, dependendo de umadiferença de potencialaplicada na placa, atrair (positiva) ou repelir (negativa) elétrons. Esse comportamento é o que caracteriza a válvula diodo termiônica, permitindo a passagem de corrente em um único sentido apenas.^[8]

Já a grade, chamada também de tela, foi introduzida nos triodos como uma tela de metal, funcionando de tal forma que controlasse a corrente entre anodo e catodo pela aplicação de um sinal de tensão que dependendo de suapolarização,aumenta, diminui ou até mesmo bloqueia ofluxo eletrônico.Essa adição permitiu o uso do dispositivo como amplificador de sinais, passando por novas variações além da válvulatríodo(uma grade), como tetrodo (duas grades) e pentodos (três grades).^[8]

Diodos

Diagrama simplificado de uma válvula diodo.

Díodos termiônicossão válvulas eletrônicas de construção mais simplificada, inicialmente construídos por Thomas Alva Edison antes da invenção dalâmpada incandescente.

O díodo é formado mecanicamente de um filamento, cuja função é aquecer ao cátodo, acelerando desta forma os elétrons em direção ao ânodo, ou placa, que consiste num invólucro metálico que veste ao cátodo e filamento.

Funcionamento

Válvula tríodo utilizada em 1906.

O funcionamento do diodo termiônico é bem simples, ao ligarmos umabateriae ummiliamperímetroem série, sendo opolo positivoà placa e opolo negativoao cátodo, este sendo aquecido a determinadatemperaturae a partir de uma certatensão elétricaaplicada ao sistema, começará fluir umacorrente elétricaconstante entre cátodo e placa (ânodo), não importando aoscilaçãoda tensão, a intensidade de corrente será sempre a mesma, a este fenômeno se deu o nome de efeito Édison.

Pulsos eletromagnéticosintensos, gerados pela explosão debombas nuclearesem elevadas altitudes, podem danificar aparelhos eletrônicos.^[9]As válvulas, assim como lâmpadas incandescentes erádioscomantenasinternas, possuem relativa imunidade a tais pulsos.^[9]O sistema de comunicações das forças militares doPacto de Varsóviautilizaram equipamentos valvulados até fins dosanos 1980,provavelmente como forma de prevenir a danos causados por pulsos eletromagnéticos.^[9]

Princípio do efeito Edison

Qualquer que seja a polaridade na placa, sempre haverá Efeito Édison, pois os elétrons saltam para o espaço que rodeia ao cátodo formando uma nuvem em grande agitação. A esta nuvem se dá o nome denuvem eletrônica,que é uma carga espacial negativa que rechaçará constantemente os elétrons para o cátodo e para trás à medida que são emitidos. Este fenômeno é tão efetivo que nenhum dos elétrons atinge a placa, qualquer que seja a tensão elétrica aplicada, para a placa estando negativa.

Polarização

Ao polarizarmos tensão positiva à placa, os elétrons de carga espacial são atraídos, portanto o fluxo de corrente será baixo.

Aumentando a tensão de placa, estando a temperatura de cátodo constante, será atraído maior número de elétrons para a placa e quase não haverá retorno ao cátodo. Haverá um momento neste aumento de tensão em que o diodo atingirá o ponto de saturação, onde todos os elétrons serão absorvidos.

O diodo termiônico só deixa passar a corrente elétrica num sentido, funcionando comoretificador.

Válvulas para diversas aplicações.

Válvulas de potência

Válvulatiratronmodelo 885 daRCA.

Atualmente ainda são fabricadas válvulas de potência pararadiofrequência.Este tipo de válvula termiônica é utilizada em amplificadores de radiofrequência e em transmissores de menos de umkilowattaté muitos kilowatt.

Estas válvulas são de construção moderna e aliam alta potência à robustez mecânica. A placa ouânododeste tipo de dispositivo é fabricada comgrafiteou metaissinterizados.Isto se deve para suportar altas temperaturas e altas dissipações térmicas.

Algumas válvulas de alta potência possuem em suas composições ligas que contém alguns tipos de materiais cerâmicos e metálicos.

Além da utilização em emissoras deradiodifusãoetelevisão,algumas espécies de válvulas de potência ainda fabricadas são utilizadas em equipamentos deeletromedicina,comobisturís eletrônicose equipamentos dediatermiapara tratamentofisioterápico.

Muitos não sabem, mas os fornos demicroondaspossuem uma válvula de alta potência chamadaMagnetron.Essa válvula é a responsável pelo sinal deradiofrequênciaque esquentam os alimentos.

Uso de válvulas em alta fidelidade

Atualmente se empregam válvulas para uso emaparelhos de somdealta fidelidade,que também são conhecidos comohi-fi.Esses aparelhos possuem uma excelente qualidade de reprodução sonora, tida como melhor que ostransistorizados.

Uso de válvulas em amplificadores e modificadores para instrumentos musicais

Válvula de potência ainda fabricada.

Desde a criação dosamplificadorestransistorizados até os dias atuais existe um conjunto deaudiófilosque consideram o som de amplificadores valvulados como superiores em qualidade sonora. Esses audiófilos frequentemente consideram o "som do transistor" como bastante artificial e áspero para a maioria das aplicações eminstrumentos musicais,especialmente aguitarra elétrica.

Nunca se deixou de se empregar válvulas para uso em amplificadores paraguitarras elétricas,que possuem um som mais aveludado e macio, mesmo com altas taxas dedistorção.A distorçãoharmônicaintroduzida por circuitos valvulados é de ordem quadrática, guardando semelhanças com amplificadores do tipoMOSFETbaseados em transístores. Os amplificadores valvulados, contudo, possuem um grande e pesadotransformadorcausador deimpedânciana saída; um dos motivos para que o som valvulado pareça mais agradável nos ouvidos de audiófilos talvez possa ser explicado pelos princípios do som valvulado que consiste em um amplificador de tensão elétrica (o som transistorizado é um amplificador decorrente elétrica) e pelo fato da própria natureza da presença do transformador de casamento de impedância, cujo núcleo de liga deferro-silícioacaba por tornar mais suaves os sons de alta frequência devido às perdas de potência devidas aociclo de histerese.

O fascínio pelos valvulados sempre existiu, mas a partir da segunda metade dadécada de 1990vemos um renascimento no interesse por esses aparelhos. Atualmente, todos os grandes fabricantes de amplificadores para guitarra elétrica têm modelos valvulados, há uma infinidade deartesãosque os constroem sob encomenda e mesmomúsicoscom algum tino para eletrônica se arriscam a montar seus próprios 'amps'.

Imagens


Dispositivos valvulados:
Radar:	Televisão:	Pré-amplificador:	Computador:	Rádio:

Wurzburg (Alemanha,1940).	Magneti Marelli RV 175 (Itália,1938).	LuxmanCL-32 (Japão).	Colossus (Reino Unido,1943). Réplica do modelo Mark II, de 1944.	Aparelho daZenith Electronics(EUA,c. 1937), característico da Era de Ouro do Rádio.