As Válvulas – O que você precisa sobre esses componentes antigos, pt.1 (via Instituto Newton C. Braga)


Escrito por Newton C Braga e publicado em seu site. Link original aqui.

 

A válvula termiônica, ou simplesmente válvula, tem algumas desvantagens importantes em relação aos componentes equivalentes mais modernos, que são os transistores. Ela é muito maior, trabalha quente e precisa de tensões muito elevadas para funcionar. No entanto, convenientemente usada ela pode fazer as mesmas coisas que os transistores e na verdade, faz isso, desde muitos anos antes de existir o próprio transistor. A válvula foi inventada muito antes do transistor.  A válvula diodo (de dois elementos) foi quem deu início a tudo. Ela foi inventada por Fleming em 1904, sendo seguida pela válvula triodo (de três elementos) que é o equivalente mais próximo do transistor, que foi inventada em 1906 por Lee de Forest.  Apareceram válvulas com mais elementos depois como a tetrodo, pentodo, hexodo e outras, mas é da válvula diodo e da válvula triodo que vamos falar inicialmente neste artigo.

A Válvula Diodo

Se num tubo de vidro fizermos o vácuo, ou seja, retirarmos todo o ar, e colocarmos um filamento de tungstênio que possa ser aquecido pela passam de uma corrente, notaremos um fenômeno interessante.

Em torno do filamento, quando ele é aquecido forma-se uma espécie de “nuvem” de elétrons que tecnicamente é denominada “carga espacial”, conforme mostra a figura 1.

 


Figura 1 – A “carga espacial”, nuvem de elétrons que se forma em torno de um filamento aquecido num tubo de vácuo.

O que ocorre é que o aquecimento provoca uma agitação térmica das partículas que formam o filamento e que acaba por liberar elétrons dos átomos. Se no interior desta mesma válvula acrescentarmos um elemento metálico a mais, denominado anodo ou placa, e ligarmos este elemento ou eletrodo a uma fonte de tensão positiva, carregando-o com essa carga, ele atrairá os elétrons estabelecendo assim um fluxo de elétrons, ou seja, uma corrente, conforme mostra a figura 2.


Figura 2 – O fluxo de elétrons (corrente) vai do filamento para o anodo carregado posiitvamente.

Observe entretanto que se a placa for negativa o fluxo não ocorre, pois os elétrons são repelidos. Isso significa que a corrente tem um sentido único neste dispositivo: os elétrons só podem fluir do filamento para a placa. Essa válvula tem as mesmas propriedades dos conhecidos diodos semicondutores, ou seja, conduz a corrente num único sentido sendo, por este motivo, denominada “válvula diodo”.

Posteriormente foi feito um aperfeiçoamento nesta estrutura: em lugar de usar o filamento para emitir as cargas o que é denominado “aquecimento direto”, foi agregado um novo eletrodo envolvendo o filamento. Este elemento em forma de tubo é denominado catodo e aparece nas válvulas “de aquecimento indireto”, conforme mostra a figura 3.

 


Figura 3 – Válvula diodo de aquecimento indireto.

Essas válvulas diodo de aquecimento direto e indireto podem ser usadas nas mesmas aplicações que os diodos comuns, ou seja, na detecção e retificação e tem seus símbolos mostrados na figura 4.

 


Figura 4 – Símbolos das válvulas diodo.

Observe que temos nesta figura  o símbolo de uma válvula dupla, ou seja, um duplo diodo que tem um catodo comum e um anodo. Este tipo de válvula é comumente encontrada na fonte de muitos rádios antigos e mesmo televisores dos anos 1940 a 1950 e até depois.

Uma diferença muito importante das válvulas em relação aos transistores e diodos semicondutores é que as válvulas precisam de tensões mais altas para funcionar e, além disso, uma fonte adicional para aquecer os filamentos. Para os filamentos é comum encontrarmos tensões de 1,5 a 12 V e para a operação em si, ou seja, polarizar o anodo as tensões podem ficar na faixa dos 80m aos 600 volts tipicamente. Por outro lado, com uma tensão elevada no anodo, as correntes que fluem entre este elemento e o catodo são relativamente baixas variando entre 10 mA e 500 mA. Se o leitor tiver algum rádio antigo em sua casa pode encontrar válvulas diodos como a 35W4, 6X4 ou 5Y3.

 


A tradicional 35W4 que funcionava com 35 V de filamento.

Uma coleção de 5Y3 de diversas épocas e fabricantes – fotos da Internet.

Veja que nas válvulas de nomenclatura americana, como as exemplificadas acima, o primeiro número indica a tensão de filamento: 35, 6 e 5 V.

As Válvulas Triodo

Lee de Forest descobriu um fato interessante ao pesquisar o funcionamento das válvulas. Se entre a placa e o catodo fosse colocada uma tela de metal, uma tensão aplicada nesta tela poderia servir para controlar o fluxo de cargas no interior da válvula. Bastava carregar a “tela”, denominada “grade” com tensões apropriadas para se ter um controle total da corrente circulante entre o anodo e o catodo. Estava criada a válvula triodo cuja estrutura interna e símbolo são mostrado na figura 5.

 


Figura 5 – A estrutura da válvula triodo.

Na figura 6 mostramos como o controle das cargas pode ser feito: uma tensão negativa bloqueia o fluxo de cargas e uma tensão positiva deixa os elétrons passarem para o anodo, havendo assim uma corrente.


Figura 6 – O funcionamento da válvula triodo.

Se um sinal, por exemplo a corrente que venha de um microfone, for aplicada à grade de uma válvula, a variação da tensão na grade provocará uma variação da corrente que atravessa o dispositivo para a placa ou anodo. Esta corrente tem a mesma forma de onda do sinal aplicado mas está amplificada. Isso significa que a válvula pode funcionar como um excelente amplificador para sinais elétricos, conforme mostra a figura 7.


Figura 7 – Válvula como amplificadora de sinais, comparada ao transistor. Observe as fases dos sinais nos dois casos.

Nessa figura mostramos também o circuito amplificador equivalente com o conhecido transistor.

Outros Tipos de Válvulas

Com o tempo, visando melhorar o desempenho da válvula, foram acrescentados outros elementos internos. Assim, temos a válvula tetrodo (com duas grades), pentodo (com três grades), conforme mostra a figura 8.

 


Figura 8 – Símbolo de uma válvula pentodo.

Numa válvula pentodo, conforme mostra a figura 9, podemos usar uma grade num circuito de realimentação para fazê-la oscilar num transmissor e segunda grade para aplicar o sinal modulador. A terceira grade será usada como um “supressor” melhorando seu desempenho.

 


Figura 9 – Etapa amplificadora de potência utilizando uma válvula pentodo. Observe a necessidade do transformador, pois a válvula tem uma saída de alta impedância

Diferenças Básicas

Além de trabalhar com tensões mais altas e também quentes (elas precisam ser aquecidas antes de entrarem em funcionamento e isso pode levar até mais de 1 minuto), as válvulas apresentam outras diferenças importantes em relação aos transistores. Uma delas refere-se ao fato de que a válvula opera com uma tensão aplicada à grade e não corrente aplicada à base como o transistor. Assim, a válvula é um dispositivo de alta impedância enquanto que o transistor comum (bipolar) é um dispositivo de baixa impedância. Os transistores de efeito de campo, por exemplo, se aproximam mais das características das válvulas, porque também são amplificadores de tensão e por isso dispositivos de alta impedância.Por essa característica, a válvula não pode ser ligada diretamente a um alto-falante que é um dispositivo de baixa impedância, exigindo um transformador, conforme vimos na figura 9.

Outro fato importante está no desgaste da válvula. Com o tempo, pode ocorrer a evaporação gradual das substâncias que revestem o catodo e com isso a emissão dos elétrons se torna menor. O próprio vácuo no interior da válvula pode perder suas propriedades com a entrada de ar. Quando isso ocorre a válvula “enfraquece” perdendo suas propriedades amplificadores. Num rádio ou amplificador isso pode resultar em perda de rendimento, som baixo ou distorcido. Num televisor, pode afetar a imagem. A válvula também pode queimar. Isso ocorre quando o filamento, como o de uma lâmpada comum, é interrompido. Se o leitor possui aparelhos antigos com válvulas guarde-as pois existem alguns projetos interessantes que podem usá-las.

Clube da Válvula

Existem amantes da música de boa qualidade que defendem a idéia de que o som produzido por um equipamento que use válvulas é mais “puro” do que o som dos equipamentos modernos com transistores e circuitos integrados. A diferença estaria no fato de que o transistor tem uma pequena distorção pelo se denomina “cross-over” devido ao fato de que ele não é linear em tensões muito baixas, o que não ocorre com a válvula. Os ouvidos mais sensíveis podem perceber a diferença e daí a preferência pelos equipamentos valvulados. Assim, mesmo em nossos dias existem fábricas de amplificadores valvulados que os vendem ä preço de ouro”. E esse preço de ouro é real: as válvulas usadas tem seus eletrodos revestidos de ouro para eliminar o que se denomina “emissão secundária” garantindo assim a melhor qualidade de som. Um  simples amplificador de 100 W valvulado desta nova geração pode custar mais de R$ 10 000! Na foto, um amplificador valvulado de altíssima qualidade (e custo!).

 


O amplificador da foto pesa 22 kg fornecendo 40 W de potência por canal.

 


Este outro amplificador pesa 20 kg e tem uma potência de 60 W por canal custando aproximadamente 1 000 dólares.