Oscilador Dynatron - Dynatron oscillator
Na eletrônica, o oscilador dinatron , inventado em 1918 por Albert Hull na General Electric , é um circuito oscilador eletrônico obsoleto de tubo de vácuo que usa uma característica de resistência negativa nos primeiros tubos de vácuo de tetrodo , causada por um processo chamado emissão secundária . Foi o primeiro oscilador de tubo a vácuo de resistência negativa. O circuito oscilador de dinatron foi usado em uma extensão limitada como osciladores de frequência de batimento (BFOs) e osciladores locais em receptores de rádio de tubo a vácuo , bem como em equipamentos científicos e de teste de 1920 a 1940, mas se tornou obsoleto por volta da 2ª Guerra Mundial devido ao variabilidade da emissão secundária em tubos.
Os osciladores de transcondutância negativa , como o oscilador de transitron inventado por Cleto Brunetti em 1939, são circuitos osciladores de tubo de vácuo de resistência negativa semelhantes que são baseados em transcondutância negativa (uma queda na corrente através de um eletrodo de grade causada por um aumento na tensão em uma segunda grade) em um pentodo ou outro tubo de vácuo multigrid. Eles substituíram o circuito de dinatron e foram empregados em equipamentos eletrônicos de tubo de vácuo durante a década de 1970.
Como eles trabalham
Os osciladores dinatron e transitron diferem de muitos circuitos osciladores porque não usam feedback para gerar oscilações, mas sim resistência negativa . Um circuito sintonizado ( circuito ressonante), consistindo de um indutor e um capacitor conectados entre si, pode armazenar energia elétrica na forma de correntes oscilantes, "tocando" analogamente a um diapasão. Se um circuito sintonizado pudesse ter resistência elétrica zero , uma vez que as oscilações fossem iniciadas, ele funcionaria como um oscilador , produzindo uma onda senoidal contínua . Mas, por causa da resistência inevitável inerente aos circuitos reais, sem uma fonte externa de energia, a energia da corrente oscilante é dissipada como calor na resistência, e quaisquer oscilações decaem para zero.
Nos circuitos de dinatron e transitron, um tubo de vácuo é polarizado de forma que um de seus eletrodos tenha resistência diferencial negativa . Isso significa que quando a voltagem no eletrodo em relação ao cátodo é aumentada, a corrente através dele diminui. Um circuito sintonizado é conectado entre o eletrodo e o cátodo. A resistência negativa do tubo cancela a resistência positiva do circuito sintonizado, criando com efeito um circuito sintonizado com resistência CA zero. É gerada uma tensão oscilante sinusoidal contínua e espontânea na frequência de ressonância do circuito sintonizado, iniciada por ruído elétrico no circuito ao ser ligado.
Uma vantagem desses osciladores era que o efeito da resistência negativa era amplamente independente da frequência, portanto, usando valores adequados de indutância e capacitância no circuito sintonizado, eles podiam operar em uma ampla faixa de frequência, de alguns hertz a cerca de 20 MHz. Outra vantagem era que eles usavam um circuito simples sintonizado LC único sem as torneiras ou bobinas "tickler" exigidas por osciladores como os circuitos Hartley ou Armstrong .
Oscilador Dynatron
No Dynatron um tetrodo é utilizado tubo. Em alguns tetrodos a placa (ânodo) tem resistência diferencial negativa, devido aos elétrons expulsos da placa quando os elétrons do cátodo a atingem, chamada de emissão secundária . Isso causa uma "torção" para baixo na curva de corrente da placa vs. tensão da placa (gráfico abaixo, região cinza) quando a grade da tela é polarizada em uma tensão mais alta do que a placa, conforme descrito abaixo. Essa resistência negativa era principalmente uma característica de tubos mais antigos, da década de 1940 ou de safras anteriores. Na maioria dos tetrodos modernos, para evitar oscilações parasitas, a placa recebe um revestimento que reduz drasticamente a emissão secundária indesejada, de modo que esses tubos praticamente não apresentam "torção" de resistência negativa em sua característica de corrente de placa e não podem ser usados em osciladores dinatron.
O tetrodo não era o único tubo capaz de gerar oscilações de dinatron. Os primeiros triodos também tinham emissão secundária e, portanto, resistência negativa, e antes que o tetrodo fosse inventado eles eram usados em osciladores dinatron, enviesando a grade de controle mais positiva do que a placa. O primeiro oscilador dínatron de Hull em 1918 usava um tubo de vácuo "dínatron" especial de seu próprio projeto (mostrado acima) , um triodo no qual a grade era uma placa pesada perfurada com orifícios que era robusta o suficiente para carregar altas correntes. Este tubo teve pouco uso como triodo padrão e os tetrodos podiam funcionar adequadamente como dinatrons. O termo "dinatron" passou a ser aplicado a todas as oscilações de resistência negativa em tubos de vácuo; por exemplo, dizia -se que o magnetron de ânodo dividido funcionava por "oscilação do dinatron".
Uma vantagem do circuito dinatron era que ele podia oscilar em uma faixa de frequência muito ampla; de alguns hertz a 20 MHz. Ele também tinha uma estabilidade de frequência muito boa em comparação com outros osciladores LC da época, e até era comparado a osciladores de cristal . O circuito se tornou popular após o advento de tubos tetrodos baratos, como o UY222 e UY224 por volta de 1928. Ele foi usado em osciladores de frequência de batimento (BFOs) para recepção de código e osciladores locais em receptores super-heteródinos , bem como em geradores de sinal de laboratório e pesquisa científica. O protótipo de televisão de 1931 da RCA usou dois tubos UY224 como osciladores dinatron para gerar os sinais de deflexão vertical (28 Hz) e horizontal (2880 Hz) para as bobinas de deflexão do CRT.
No entanto, o dinatron tinha algumas desvantagens. Verificou-se que a quantidade de corrente de emissão secundária da placa variava de maneira imprevisível de tubo para tubo e também dentro de um único tubo ao longo de sua vida operacional; eventualmente, pararia de oscilar. Ao substituir o tubo, vários podem ter que ser tentados para encontrar um que oscile em um circuito. Além disso, como as oscilações do dinatron eram uma fonte de instabilidade em amplificadores, a principal aplicação do tetrodo, os fabricantes de tubos começaram a aplicar um revestimento de grafite na placa que praticamente eliminava a emissão secundária. Em 1945, o uso do circuito dinatron estava em declínio.
Emissão secundária
Potencial da grade da tela V G2 = 75 V
Potencial da grade de controle V G2 = -1,5 V
Neste tubo, a emissão secundária foi suficientemente forte para não apenas causar resistência negativa (uma inclinação decrescente), mas reverter a corrente da placa; mais elétrons deixaram a placa do que chegaram a ela.
Em um tubo de elétrons, quando os elétrons emitidos pelo cátodo atingem a placa , eles podem expulsar outros elétrons da superfície do metal, um efeito chamado de emissão secundária . Em um amplificador tetrodo normal, este é um efeito indesejado, e a grade de tela próxima à placa é polarizada em um potencial menor do que a placa, de modo que esses elétrons secundários são repelidos e retornam à placa devido à sua carga positiva.
No entanto, se a grade da tela for operada com um potencial mais alto do que a placa, os elétrons secundários serão atraídos para ela e retornarão ao solo através do fornecimento da grade da tela. Isso representa uma corrente de elétrons I G2 longe da placa, o que reduz a corrente líquida da placa I P abaixo da corrente catódica I C
A voltagem mais alta da placa faz com que os elétrons primários atinjam a placa com mais energia, liberando mais elétrons secundários. Portanto, partindo da tensão na qual os elétrons primários têm energia suficiente para causar a emissão secundária, em torno de V P = 10V, há uma região de operação (cinza) na qual um aumento na tensão da placa faz com que mais elétrons deixem a placa do que o adicional elétrons que chegam à placa e, portanto, uma redução líquida na corrente da placa.
Resistência negativa
Uma vez que nesta região um aumento na tensão da placa causa uma diminuição na corrente da placa, a resistência da placa AC, que é a resistência de saída diferencial do tubo, é negativa:
Tal como acontece com outros dispositivos de resistência diferencial negativa , como o diodo túnel , esta resistência negativa pode ser usada para criar um oscilador. Um circuito sintonizado em paralelo é conectado ao circuito da placa do tetrodo. O circuito irá oscilar se a magnitude da resistência da placa negativa for menor que a resistência paralela R do circuito sintonizado, incluindo qualquer carga conectada ao oscilador.
A frequência de oscilação é próxima à frequência ressonante do circuito sintonizado.
Projeto
Como pode ser visto nos gráficos, para a operação do dinatron, a grade da tela teve que ser polarizada em uma tensão consideravelmente mais alta do que a placa; pelo menos o dobro da voltagem da placa. A oscilação da tensão da placa é limitada à região de resistência negativa da curva, a "torção" para baixo, portanto, para obter a maior oscilação da tensão de saída, o tubo deve ser polarizado no centro da região de resistência negativa.
A resistência negativa dos tubos tetrode mais antigos era de cerca de 10kΩ - 20kΩ, e pode ser controlada variando a polarização da grade de controle . Se a magnitude da resistência negativa | r P | é pequeno o suficiente para iniciar a oscilação, apenas um pouco menor que a resistência positiva R do circuito sintonizado, a frequência de oscilação será muito estável e a forma de onda de saída será quase senoidal. Se a resistência negativa for significativamente menor do que a resistência positiva, a oscilação de tensão se estenderá na parte não linear da curva e os picos da saída da onda senoidal serão achatados ("cortados").
Oscilador transitron
O oscilador transitron, inventado por Cledo Brunetti em 1939, (embora um efeito semelhante tenha sido observado em tetrodos por Balthasar van der Pol em 1926, e Edward Herold descreveu um oscilador semelhante em 1935) é um circuito oscilador de resistência negativa usando um tubo de vácuo pentodo , em que, ao invés da placa, a grade da tela tem resistência negativa por estar acoplada à grade supressora . Veja o circuito à direita. No transitron, a grade da tela é polarizada em uma tensão positiva (bateria B1) acima da tensão da placa, enquanto a grade supressora é polarizada negativamente (bateria B2) , na tensão catódica ou abaixo dela. Portanto, todos os elétrons serão refletidos pela grade supressora negativa e nenhum chegará à placa. Em vez disso, os elétrons refletidos serão atraídos para a grade da tela, de modo que a corrente da tela será alta, enquanto a corrente da placa será zero. No entanto, se a tensão da grade supressora aumentar, à medida que se aproxima de zero (a tensão do cátodo), os elétrons começarão a passar por ela e alcançar a placa, de modo que o número desviado para a grade da tela e, portanto, a corrente da tela diminuirá. Uma vez que as outras grades não recebem corrente significativa, a corrente catódica é dividida entre a placa e a grade da tela :
A divisão da corrente entre a grade da tela e a placa é controlada pela tensão do supressor. Esta relação inversa é indicada dizendo que a transcondutância entre a tela e a grade do supressor (a mudança na corrente da tela Δ I G2 dividida pela mudança na tensão do supressor Δ V G3 ) é negativa.
Uma vez que a tensão da grade do supressor, e não a tensão da grade da tela, controla a corrente da tela, se o supressor e a grade da tela estiverem acoplados a um capacitor ( C2 ), de modo que haja uma diferença de potencial constante entre eles, aumentar a tensão da grade da tela aumentará o supressor tensão, resultando em uma diminuição na corrente da tela. Isso significa que a grade da tela tem resistência diferencial negativa em relação ao cátodo e pode ser usada para criar oscilações.
No circuito de transitron, as grades de tela e supressora são acopladas a um capacitor de bypass ( C2 ) que possui uma baixa impedância na frequência de oscilação, portanto, possuem uma diferença de potencial constante. O circuito sintonizado em paralelo ( C1-L ) é conectado entre a grade da tela e o cátodo (através da bateria B1 ). A resistência negativa da grade da tela cancela a resistência positiva do circuito sintonizado, causando oscilações. Como no oscilador dinatron, a grade de controle pode ser usada para ajustar a resistência negativa.
Como o oscilador transitron não dependia da emissão secundária, era muito mais confiável do que o dinatron. No entanto, como a grade da tela não foi projetada para lidar com alta potência, a potência de saída do oscilador é limitada. Outros tubos com várias grades ao lado do pentodo, como o hexodo e o tubo conversor pentagrid , têm sido usados para fazer osciladores de transcondutância negativa semelhantes. Os tubos pentodo usados neste circuito têm uma transcondutância negativa de apenas cerca de -250 microsiemens, dando uma resistência negativa de -4000Ω. Tubos com mais grades, como o conversor pentagrid , podem ser usados para fazer osciladores transitron com maior transcondutância, resultando em menor resistência negativa.