O que é tubo de vácuo e como funciona

Você pode ficar tentado a descartar o bom e velho tubo como uma relíquia do passado - afinal, como alguns pedaços de metal em uma lâmpada glorificada podem se manter nos transistores e circuitos integrados de hoje? Embora os tubos tenham perdido seu lugar na vitrine de eletrônicos de consumo, eles ainda permanecem com uso insignificante onde há necessidade de muita energia em frequências muito altas (faixa GHz), como em transmissão de rádio e televisão, aquecimento industrial, fornos de microondas, satélite comunicações, aceleradores de partículas, radar, armas eletromagnéticas além de alguns aplicativos que exigem níveis de potência e frequências mais baixos, como medidores de radiação, máquinas de raios-X e amplificadores audiófilos.

20 anos atrás, a maioria dos monitores usava um tubo de imagem a vácuo. Você sabia que pode haver alguns tubos à espreita em torno de sua casa também? No coração do seu forno de micro-ondas está, ou melhor, fica em uma tomada, um tubo magnetron. Sua função é gerar sinais de RF de alta potência e alta frequência que são usados ​​para aquecer tudo o que você colocar no forno. Um dispositivo doméstico diferente com um tubo dentro é a velha TV CRT que agora provavelmente fica em uma caixa de papelão no sótão depois de ser substituída por uma nova TV de tela plana. O CRT significa “tubo de raios catódicos”- esses tubos são usados ​​para exibir o sinal de vídeo recebido. Eles são muito pesados, grandes e ineficientes quando comparados aos monitores LCD ou LED, mas realizaram o trabalho antes que outras tecnologias entrassem em cena. É uma boa ideia aprender sobre eles porque grande parte do mundo moderno ainda depende deles, a maioria dos transmissores de TV usa válvulas de vácuo como dispositivo de saída de energia, porque são mais eficientes em altas frequências do que transistores. Sem tubos de vácuo magnetron, fornos de microondas baratos não existiriam, porque as alternativas de semicondutores foram inventadas apenas recentemente e continuam caras. Muitos circuitos, como osciladores, amplificadores, mixers etc., são mais fáceis de explicar com válvulas e ver como funcionam, porque as válvulas clássicas, especialmente os tríodos,são extremamente fáceis de polarizar com poucos componentes e calcular seu fator de amplificação, polarização etc.

Como funcionam os tubos de vácuo?

Tubos de vácuo regulares funcionam com base em um fenômeno chamado emissão termiônica, também conhecido como efeito Edison. Imagine que é um dia quente de verão, você está esperando na fila em uma sala abafada, ao lado de uma parede com um aquecedor ao longo dela, algumas outras pessoas estão esperando na fila também e alguém liga o aquecimento, as pessoas começam a se afastar do aquecedor - então alguém abre a janela e deixa uma brisa fria entrar, fazendo com que todos migrem para ela. Quando a emissão termiônica ocorre em um tubo de vácuo, a parede com o aquecedor é o cátodo, aquecido por um filamento, as pessoas são os elétrons e a janela é o ânodo. Na maioria dos tubos de vácuo, o cátodo cilíndrico é aquecido por um filamento (não muito diferente daquele em uma lâmpada), fazendo com que o cátodo emita elétrons negativos que são atraídos por um ânodo carregado positivamente, fazendo com que uma corrente elétrica flua para o ânodo e fora do cátodo (lembre-se,corrente vai na direção oposta à dos elétrons).

Abaixo, estamos explicando a evolução do tubo de vácuo: Diodo, Triodo, Tetrodo e Pentodo, juntamente com alguns tipos especiais de tubos de vácuo como Magnetron, CRT, Tubo de raios-X, etc.

No começo havia Diodos

Isso é utilizado no tubo de vácuo mais simples- o díodo, constituído pelo filamento, o cátodo e o ânodo. A corrente elétrica flui através do filamento no meio, fazendo com que ele aqueça, brilhe e emita radiação térmica - semelhante a uma lâmpada. O filamento aquecido aquece o cátodo cilíndrico circundante, dando energia suficiente aos elétrons para superar a função de trabalho, fazendo com que uma nuvem de elétrons chamada região de carga espacial se forme em torno do cátodo aquecido. O ânodo carregado positivamente atrai elétrons da região de carga espacial causando um fluxo de corrente elétrica no tubo, mas o que aconteceria se o ânodo fosse negativo? Como você sabe das aulas de física do colégio, como cargas repelem - o ânodo negativo repele elétrons e nenhuma corrente flui, tudo isso está acontecendo no vácuo, porque o ar impede o fluxo de elétrons. É assim que um diodo é usado para retificar CA.

Nada como o bom e velho Triodo!

Em 1906, um engenheiro americano chamado Lee de Forest descobriu que adicionar uma grade, chamada de grade de controle, entre o ânodo e o cátodo permite que a corrente do ânodo seja controlada. A construção do triodo é semelhante à do diodo, com a grade sendo feita de fio de mobildênio muito fino. O controle é obtido polarizando a grade com uma tensão - a tensão geralmente é negativa em relação ao cátodo. Quanto mais negativa a tensão, menor é a corrente. Quando a grade é negativa ela repele elétrons, diminuindo a corrente do ânodo, se for positiva mais corrente do ânodo flui, ao custo da grade se tornar um ânodo minúsculo, causando a formação de corrente da grade que pode danificar o tubo.

Triodo e outros tubos “em grade” são geralmente polarizados conectando um resistor de alto valor entre a grade e o terra, e um resistor de valor mais baixo entre o cátodo e o terra. A corrente que flui através do tubo causa uma queda de tensão no resistor catódico, aumentando a tensão catódica em relação ao terra. A grade é negativa em relação ao cátodo, porque o cátodo está em um potencial mais alto do que o solo ao qual a grade está conectada.

Triodos e outros tubos regulares podem ser usados ​​como interruptores, amplificadores, mixers e há muitos outros usos para escolher. Ele pode amplificar sinais aplicando o sinal à grade e deixando-o orientar a corrente do ânodo, se um resistor for adicionado entre o ânodo e a fonte de alimentação, o sinal amplificado pode ser retirado da tensão do ânodo, porque o resistor do ânodo e o tubo atuam semelhante a um divisor de tensão, com a parte triodo variando sua resistência de acordo com a tensão do sinal de entrada.

Tetrodes para o resgate!

O triodo inicial sofria de baixo ganho e altas capacitâncias parasitas. Na década de 1920, descobriu-se que colocar uma segunda grade (tela) entre a primeira e o ânodo, aumentava o ganho e diminuía as capacitâncias parasitas, o novo tubo foi denominado tetrode, que significa em grego quatro (tetra) vias (ode, sufixo). O novo tetrodo não era perfeito, sofria de resistência negativa causada por emissão secundária que poderia causar oscilações parasitas. A emissão secundária ocorreu quando a segunda tensão da grade era maior do que a tensão do ânodo, causando um declínio na corrente do ânodo com os elétrons atingindo o ânodo e eliminando outros elétrons e os elétrons sendo atraídos pela grade de tela positiva, causando um aumento adicional possivelmente prejudicial em grade atual.

Pentodos - a fronteira final?

A pesquisa sobre formas de reduzir a emissão secundária resultou na invenção do pentodo em 1926 pelos engenheiros holandeses Bernhard DH Tellegen e Gilles Holst. Verificou-se que a adição de uma terceira grade, chamada grade supressora, entre a grade da tela e o ânodo, remove os efeitos da emissão secundária, repelindo elétrons expulsos do ânodo de volta para o ânodo, uma vez que está conectado ao solo ou ao cátodo. Hoje, pentodos são usados ​​em transmissores abaixo de 50 MHz, já que tetrodos em transmissores funcionam bem até 500 MHz e tríodos até a faixa de gigahertz, sem falar no uso de audiófilos.

Diferentes tipos de tubos de vácuo

Além desses tubos “regulares”, há muitos tubos industriais e comerciais especializados, projetados para diferentes usos.

Magnetron

O magnetron é semelhante ao diodo, mas com cavidades ressonantes moldadas no ânodo do tubo e todo o tubo localizado entre dois ímãs poderosos. Quando a tensão é aplicada, o tubo começa a oscilar, os elétrons passando pelas cavidades do ânodo, causando a geração de sinais de radiofrequência, em um processo semelhante ao assobio.

Tubos de raios X

Os tubos de raios-X são usados ​​para gerar raios-X para fins médicos ou de pesquisa. Quando uma tensão alta o suficiente é aplicada ao diodo de tubo de vácuo, os raios X são emitidos, quanto maior a tensão, menor o comprimento de onda. Para lidar com o aquecimento do ânodo, causado pelos elétrons que o atingem, o ânodo em forma de disco gira, de modo que os elétrons atingem diferentes partes do ânodo durante sua rotação, melhorando o resfriamento.

CRT ou tubo de raios catódicos

O CRT ou “tubo de raios catódicos” era a principal tecnologia de exibição naquela época. Em um CRT monocromático, um cátodo quente ou um filamento que atua como cátodo emite elétrons. No caminho para os ânodos, eles passam por um pequeno orifício no cilindro Wehnelt, o cilindro atuando como uma grade de controle para o tubo e ajudando a concentrar os elétrons em um feixe compacto. Mais tarde, eles são atraídos e focalizados por vários ânodos de alta tensão. Esta parte do tubo (cátodo, cilindro Wehnelt e os ânodos) é chamada de canhão de elétrons. Depois de passar pelos ânodos, eles passam pelas placas de deflexão e impactam a frente fluorescente do tubo, fazendo com que um ponto brilhante apareça onde o feixe atinge. As placas de deflexão são usadas para escanear o feixe através da tela, atraindo e repelindo elétrons em sua direção, existem dois pares deles, um para o eixo X e outro para o eixo Y

Um pequeno CRT feito para osciloscópios, você pode ver claramente (da esquerda) o cilindro Wehnelt, os ânodos circulares e as placas de deflexão em forma da letra Y.

Tubo de ondas viajantes

Os tubos de ondas viajantes são usados ​​como amplificadores de potência de RF a bordo de satélites de comunicação e outras espaçonaves devido ao seu tamanho pequeno, baixo peso e eficiência em altas frequências. Assim como o CRT, ele tem um canhão de elétrons na parte traseira. Uma bobina chamada “hélice” é enrolada em torno do feixe de elétrons, a entrada do tubo é conectada à extremidade da hélice mais próxima ao canhão de elétrons e a saída é obtida da outra extremidade. A onda de rádio que flui através da hélice interage com o feixe de elétrons, desacelerando e acelerando em diferentes pontos, causando amplificação. A hélice é cercada por ímãs de foco de feixe e um atenuador no meio, seu objetivo é evitar que o sinal amplificado volte para a entrada e cause oscilações parasitas. No final do tubo, um coletor está localizado,sendo comparável ao ânodo de um triodo ou pentodo, mas nenhuma saída é tirada dele, está localizado. O feixe de elétrons impacta o coletor, encerrando sua história dentro do tubo.

Tubos Geiger-Müller

Os tubos Geiger-Müller são usados ​​em medidores de radiação, consistem em um cilindro de metal (cátodo) com um orifício em uma das extremidades e um fio de cobre no meio (ânodo) dentro de um envelope de vidro preenchido com um gás especial. Sempre que uma partícula passa pelo orifício e atinge a parede do cátodo por um breve momento, o gás no tubo se ioniza, permitindo que a corrente flua. Este impulso pode ser ouvido no alto-falante do medidor como um clique característico!