Triodo - Triode

ECC83 , um triodo duplo usado em equipamentos de áudio da era 1960
O 3CX1500A7, um triodo de potência moderno de 1,5 kW usado em transmissores de rádio. A estrutura cilíndrica é um dissipador de calor conectado à placa, através do qual o ar é soprado durante a operação.
Exemplos de tríodos de baixa potência de 1918 (esquerda) a tubos em miniatura da década de 1960 (direita)

Um triodo é um tubo de vácuo amplificador eletrônico (ou válvula em inglês britânico) que consiste em três eletrodos dentro de um envelope de vidro evacuado: um filamento ou cátodo aquecido , uma grade e uma placa ( ânodo ). Desenvolvido a partir do Audion de Lee De Forest 1906 , um tubo de vácuo parcial que adicionava um eletrodo de grade ao diodo termiônico ( válvula Fleming ), o triodo foi o primeiro amplificador eletrônico prático e o ancestral de outros tipos de tubos de vácuo, como o tetrodo e pentodo . Sua invenção fundou a era da eletrônica , possibilitando a amplificação da tecnologia de rádio e a telefonia de longa distância . Os tríodos foram amplamente usados ​​em dispositivos eletrônicos de consumo , como rádios e televisores, até a década de 1970, quando os transistores os substituíram. Hoje, seu principal uso remanescente é em amplificadores RF de alta potência em transmissores de rádio e dispositivos de aquecimento RF industriais. Nos últimos anos, tem havido um ressurgimento da demanda por triodos de baixa potência devido ao interesse renovado em sistemas de áudio do tipo valvulado por audiófilos que preferem o som agradavelmente (quente) distorcido dos eletrônicos valvulados.

O nome "triodo" foi cunhado pelo físico britânico William Eccles por volta de 1920, derivado do grego τρίοδος, tríodos , de tri- (três) e hodós (estrada, caminho), originalmente significando o lugar onde três estradas se encontram.

História

Dispositivos precursores

Tubo De Forest Audion de 1908, o primeiro triodo. A placa plana é visível na parte superior, com a grade de arame em zigue-zague sob ela. O filamento estava originalmente sob a grade, mas estava queimado.
Tubo de Lieben-Reisz, outro tríodo primitivo desenvolvido ao mesmo tempo que o Audion de Robert von Lieben

Antes das válvulas termiônicas serem inventadas, Philipp Lenard usou o princípio do controle da grade enquanto conduzia experimentos fotoelétricos em 1902.

O primeiro tubo de vácuo usado no rádio foi o diodo termiônico ou válvula Fleming , inventado por John Ambrose Fleming em 1904 como um detector para receptores de rádio . Era um bulbo de vidro evacuado contendo dois eletrodos, um filamento aquecido (cátodo) e uma placa (ânodo).

Invenção

O Triodes surgiu em 1906 quando o engenheiro americano Lee De Forest e o físico austríaco Robert von Lieben patentearam independentemente tubos que adicionavam um terceiro eletrodo, uma grade de controle , entre o filamento e a placa para controlar a corrente. O tubo de três elementos parcialmente evacuado de Von Lieben, patenteado em março de 1906, continha um traço de vapor de mercúrio e tinha o objetivo de amplificar sinais fracos de telefone. A partir de outubro de 1906, De Forest patenteou vários designs de tubos de três elementos adicionando um eletrodo ao diodo, que ele chamou de Audions , destinado a ser usado como detectores de rádio. Aquele que se tornou o projeto do triodo, no qual a grade estava localizada entre o filamento e a placa, foi patenteado em 29 de janeiro de 1907. Como o tubo de vácuo de Von Lieben, os Audions de De Forest estavam incompletamente evacuados e continham algum gás a baixa pressão. O tubo de vácuo de von Lieben não teve muito desenvolvimento devido à sua morte sete anos após sua invenção, pouco antes da eclosão da Primeira Guerra Mundial .

O Audion de De Forest não viu muito uso até que sua capacidade de amplificar foi reconhecida por volta de 1912 por vários pesquisadores, que o usaram para construir os primeiros receptores de rádio amplificadores e osciladores eletrônicos bem-sucedidos . Os muitos usos da amplificação motivaram seu rápido desenvolvimento. Em 1913, versões melhoradas com alto vácuo foram desenvolvidas por Harold Arnold da American Telephone and Telegraph Company , que comprou os direitos do Audion de De Forest, e Irving Langmuir da General Electric , que chamou seu tubo de "Pliotron". primeiros triodos de tubo de vácuo . O nome "triodo" apareceu mais tarde, quando se tornou necessário para distingui-lo de outros tipos de tubos de vácuo com mais ou menos elementos (por exemplo, díodos , tetrodos , pentodos , etc). Houve longos processos judiciais entre De Forest e von Lieben, e De Forest e a Marconi Company , que representou John Ambrose Fleming , o inventor do diodo.

Adoção mais ampla

A descoberta da capacidade de amplificação do triodo em 1912 revolucionou a tecnologia elétrica, criando o novo campo da eletrônica , a tecnologia de dispositivos elétricos ativos ( amplificadores ). O triodo foi imediatamente aplicado a muitas áreas da comunicação. Os transmissores de rádio triodo de " onda contínua " substituíram os incômodos e ineficientes transmissores de centelha de " onda amortecida " , permitindo a transmissão de som por modulação de amplitude (AM). Receptores amplificadores de rádio triodo , que tinham o poder de acionar alto-falantes , substituíram os rádios de cristal fraco , que precisavam ser ouvidos por fones de ouvido , permitindo que as famílias ouvissem juntas. Isso resultou na evolução do rádio de um serviço de mensagem comercial para o primeiro meio de comunicação de massa , com o início da radiodifusão por volta de 1920. A Triodes tornou possível o serviço telefônico transcontinental. Os repetidores triodo de tubo a vácuo , inventados na Bell Telephone após a compra dos direitos do Audion, permitiam que as chamadas telefônicas viajassem além do limite não amplificado de cerca de 800 milhas. A inauguração por Bell da primeira linha telefônica transcontinental foi celebrada 3 anos depois, em 25 de janeiro de 1915. Outras invenções possibilitadas pelo triodo foram televisão , sistemas de som público , fonógrafos elétricos e filmes falados .

O triodo serviu como a base tecnológica a partir da qual os tubos de vácuo posteriores se desenvolveram, como o tetrodo ( Walter Schottky , 1916) e o pentodo (Gilles Holst e Bernardus Dominicus Hubertus Tellegen, 1926), que corrigiu algumas das deficiências do triodo detalhadas abaixo.

O triodo foi amplamente utilizado em produtos eletrônicos de consumo , como rádios, televisores e sistemas de áudio, até ser substituído na década de 1960 pelo transistor , inventado em 1947, que encerrou a "era da válvula de vácuo" introduzida pelo triodo. Hoje, os triodos são usados ​​principalmente em aplicações de alta potência para as quais os dispositivos semicondutores de estado sólido são inadequados, como transmissores de rádio e equipamentos de aquecimento industrial. No entanto, mais recentemente, o triodo e outros dispositivos de válvula a vácuo têm experimentado um ressurgimento e retorno em equipamentos musicais e de áudio de alta fidelidade. Eles também permanecem em uso como monitores fluorescentes a vácuo (VFDs), que vêm em uma variedade de implementações, mas todos são essencialmente dispositivos triodos.

Construção

Estrutura de um tubo de vácuo triodo moderno de baixa potência. O vidro e os eletrodos externos são mostrados parcialmente cortados para revelar a construção.
Símbolo esquemático usado em diagramas de circuito para um triodo, mostrando símbolos para eletrodos.

Todos os triodos possuem um eletrodo catódico quente aquecido por um filamento , que libera elétrons, e um eletrodo de placa plana de metal para onde os elétrons são atraídos, com uma grade composta por uma tela de fios entre eles para controlar a corrente. Eles são selados dentro de um recipiente de vidro do qual o ar foi removido para um alto vácuo, cerca de 10-9 atm. Como o filamento eventualmente queima, o tubo tem uma vida útil limitada e é feito como uma unidade substituível; os eletrodos são fixados a pinos terminais que se conectam a uma tomada. A vida útil operacional de um triodo é de cerca de 2.000 horas para tubos pequenos e 10.000 horas para tubos de força.

Triodos de baixa potência

Os triodos de baixa potência têm uma construção concêntrica (veja o desenho à direita) , com a grade e o ânodo como cilindros circulares ou ovais ao redor do cátodo. O cátodo é um tubo estreito de metal no centro. Dentro do cátodo está um filamento denominado "aquecedor", que consiste em uma tira estreita de fio de tungstênio de alta resistência , que aquece o cátodo em brasa (800 - 1000 ° C). Este tipo é denominado " cátodo aquecido indiretamente ". O cátodo é revestido com uma mistura de óxidos alcalino-terrosos , como óxido de cálcio e tório, o que reduz sua função de trabalho , produzindo mais elétrons. A grade é construída de uma hélice ou tela de fios finos ao redor do cátodo. O ânodo é um cilindro ou caixa retangular de folha de metal em torno da grade. Ele é enegrecido para irradiar calor e geralmente é equipado com aletas que irradiam calor. Os elétrons viajam em uma direção radial, do cátodo através da grade até o ânodo. Os elementos são mantidos em posição por isoladores de mica ou cerâmica e são suportados por fios rígidos presos à base, onde os eletrodos são trazidos para os pinos de conexão. Um " getter ", uma pequena quantidade de metal bário brilhante evaporado no interior do vidro, ajuda a manter o vácuo ao absorver o gás liberado no tubo ao longo do tempo.

Triodos de alta potência

Os triodos de alta potência geralmente usam um filamento que serve como cátodo (um cátodo aquecido diretamente) porque o revestimento de emissão nos cátodos aquecidos indiretamente é destruído pelo bombardeio de íons superiores nos tubos de força. Um filamento de tungstênio toriado é mais freqüentemente usado, no qual o tório no tungstênio forma uma monocamada na superfície que aumenta a emissão de elétrons. Estes geralmente funcionam a temperaturas mais altas do que os cátodos aquecidos indiretamente. O envelope do tubo geralmente é feito de cerâmica mais durável do que de vidro, e todos os materiais têm pontos de fusão mais altos para suportar os níveis de calor produzidos. Os tubos com dissipação de energia do ânodo acima de várias centenas de watts são normalmente resfriados ativamente; o ânodo, feito de cobre pesado, se projeta através da parede do tubo e é preso a um grande dissipador de calor externo de metal com aletas que é resfriado por ar forçado ou água.

Tubos de farol

Tubo do farol soviético 6С5Д (6S5D)

Um tipo de triodo de baixa potência para uso em frequências ultra-altas (UHF), o tubo "farol", tem uma construção plana para reduzir a capacitância intereletrodo e a indutância de chumbo , o que lhe dá a aparência de um "farol". O cátodo em forma de disco, a grade e a placa formam planos no centro do tubo - um pouco como um sanduíche com espaços entre as camadas. O cátodo na parte inferior é preso aos pinos do tubo, mas a grade e a placa são trazidas para os terminais de baixa indutância no nível superior do tubo: a grade para um anel de metal na metade do caminho para cima, e a placa para um botão de metal no principal. Este é um exemplo de projeto de "selo de disco". Os exemplos menores dispensam a base de pino octal mostrada na ilustração e contam com anéis de contato para todas as conexões, incluindo aquecedor e cátodo CC.

Da mesma forma, o desempenho de alta frequência é limitado pelo tempo de trânsito: o tempo necessário para os elétrons viajarem do cátodo para o ânodo. Os efeitos do tempo de trânsito são complicados, mas um efeito simples é a condutância de entrada, também conhecida como carregamento de grade. Em frequências extremamente altas, os elétrons que chegam à grade podem ficar fora de fase com aqueles que partem em direção ao ânodo. Este desequilíbrio de carga faz com que a grade exiba uma reatância que é muito menor do que sua característica de "circuito aberto" de baixa frequência.

Os efeitos do tempo de trânsito são reduzidos por espaçamentos reduzidos no tubo. Tubos como o 416B (um projeto Lighthouse) e o 7768 (um projeto miniaturizado totalmente em cerâmica) são especificados para operação a 4 GHz. Eles apresentam espaçamentos grade-catodo bastante reduzidos na ordem de 0,1 mm.

Esses espaçamentos de grade muito reduzidos também fornecem um fator de amplificação muito maior do que os projetos axiais convencionais. O 7768 tem um fator de amplificação de 225, em comparação com 100 para o 6AV6 usado em rádios domésticos e cerca do máximo possível para um projeto axial.

A capacitância ânodo-grade não é especialmente baixa nesses projetos. A capacitância da grade anódica 6AV6 é de 2 picofarads (pF), o 7768 tem um valor de 1,7 pF. O espaçamento próximo do eletrodo usado em tubos de micro-ondas aumenta as capacitâncias, mas esse aumento é compensado por suas dimensões gerais reduzidas em comparação com tubos de frequência mais baixa.

Operação

Triodo com cátodo e filamento separados.
Triodo em que o filamento serve como cátodo.
Filamento omitido do diagrama.
Símbolos de circuito esquemáticos para triodos. ( F ) filamento, ( C ) cátodo, ( G ) grade, ( P ) placa

No triodo, os elétrons são liberados no tubo a partir do cátodo metálico por meio do aquecimento, um processo denominado emissão termiônica . O cátodo é aquecido em brasa por uma corrente separada fluindo através de um fino filamento de metal . Em alguns tubos, o próprio filamento é o cátodo, enquanto na maioria dos tubos há um filamento separado que aquece o cátodo, mas é eletricamente isolado dele. O interior do tubo é bem evacuado para que os elétrons possam viajar entre o cátodo e o ânodo sem perder energia em colisões com moléculas de gás. Uma tensão DC positiva, que pode ser tão baixa quanto 20 V ou até milhares de volts em alguns tubos de transmissão, está presente no ânodo. Os elétrons negativos são atraídos para o ânodo carregado positivamente (ou "placa") e fluem através dos espaços entre os fios da grade para ele, criando um fluxo de elétrons através do tubo do cátodo ao ânodo.

A magnitude desta corrente pode ser controlada por uma tensão aplicada na grade (em relação ao cátodo). A grade atua como um portão para os elétrons. Uma voltagem mais negativa na grade repelirá mais elétrons, de modo que menos elétrons chegarão ao ânodo, reduzindo a corrente do ânodo. Uma tensão menos negativa na grade permitirá que mais elétrons do cátodo cheguem ao ânodo, aumentando a corrente do ânodo. Portanto, um sinal CA de entrada na rede de alguns volts (ou menos), mesmo em uma impedância muito alta (uma vez que essencialmente nenhuma corrente flui pela rede) pode controlar uma corrente anódica muito mais poderosa, resultando em amplificação . Quando usado em sua região linear, a variação na tensão da rede irá causar uma variação aproximadamente proporcional na corrente anódica; essa relação é chamada de transcondutância . Se uma resistência de carga adequada for inserida no circuito anódico, embora a transcondutância seja um pouco reduzida, a corrente anódica variável causará uma tensão variável através dessa resistência que pode ser muito maior do que as variações de tensão de entrada, resultando em ganho de tensão .

O triodo é um dispositivo normalmente "ligado"; e a corrente flui para o ânodo com tensão zero na rede. A corrente do ânodo é progressivamente reduzida à medida que a grade se torna mais negativa em relação ao cátodo. Normalmente, uma tensão DC constante ("polarização") é aplicada à grade junto com a tensão de sinal variável sobreposta a ela. Essa polarização é necessária para que os picos positivos do sinal nunca conduzam a grade positiva em relação ao cátodo, o que resultaria em corrente de grade e comportamento não linear. Uma tensão suficientemente negativa na grade (geralmente em torno de 3-5 volts em tubos pequenos como o 6AV6, mas tanto quanto -130 volts nos primeiros dispositivos de alimentação de áudio, como o '45), impedirá que quaisquer elétrons cheguem ao ânodo, desligando a corrente do ânodo. Isso é chamado de "tensão de corte". Uma vez que, além do corte, a corrente do ânodo deixa de responder à tensão da rede, a voltagem da rede deve permanecer acima da tensão de corte para amplificação fiel (linear), bem como não exceder a voltagem do cátodo.

O triodo é um tanto semelhante em operação ao JFET de canal n ; está normalmente ligado e exibe uma corrente de placa / dreno progressivamente mais baixa e mais baixa conforme a grade / porta é puxada cada vez mais negativa em relação à fonte / cátodo. A tensão de corte corresponde à tensão de compressão do JFET (V p ) ou VGS (desligado); ou seja, o ponto de tensão no qual a corrente de saída atinge essencialmente zero. Essa semelhança é limitada, no entanto. A corrente do ânodo do triodo é altamente dependente da voltagem do ânodo, bem como da voltagem da rede, limitando assim o ganho de voltagem . Por outro lado, a corrente de dreno do JFET é virtualmente não afetada pela tensão de dreno, portanto, ele aparece como um dispositivo de corrente constante, semelhante em ação a um tubo tetrodo ou pentodo (alta impedância de saída dinâmica). Ambas as válvulas JFET e tetrodo / pentodo são, portanto, capazes de ganhos de tensão muito maiores do que o triodo, que raramente excede 100. No entanto, o ganho de potência , ou a potência de saída obtida de uma certa tensão de entrada CA é frequentemente de maior interesse. Quando esses dispositivos são usados ​​como seguidores de cátodo (ou seguidores de fonte ), todos eles têm um "ganho" de voltagem de pouco menos de 1, mas com um grande ganho de corrente .

Formulários

Embora o Relé Telefônico Tipo G da SG Brown (usando um mecanismo de "fone de ouvido" magnético acionando um elemento de microfone de carbono) fosse capaz de dar amplificação de potência e já estivesse em uso em 1914, era um dispositivo puramente mecânico com faixa de frequência e fidelidade limitadas. Era adequado apenas para uma faixa limitada de frequências de áudio - essencialmente frequências de voz.

O triodo foi o primeiro dispositivo não mecânico a fornecer ganho de potência em frequências de áudio e rádio e tornou o rádio prático. Os triodos são usados ​​para amplificadores e osciladores. Muitos tipos são usados ​​apenas em níveis de frequência e potência baixos a moderados. Grandes tríodos resfriados a água podem ser usados ​​como o amplificador final em transmissores de rádio, com classificações de milhares de watts. Tipos especializados de triodo (tubos "farol", com baixa capacitância entre os elementos) fornecem ganho útil em frequências de microondas.

Tubos de vácuo são obsoletos em produtos eletrônicos de consumo em massa , tendo sido superados por dispositivos de estado sólido baseados em transistores mais baratos . No entanto, mais recentemente, os tubos de vácuo estão fazendo uma espécie de retorno. Os triodos continuam a ser usados ​​em certos amplificadores e transmissores RF de alta potência . Enquanto os defensores dos tubos de vácuo reivindicam sua superioridade em áreas como aplicativos de áudio profissional e de ponta , o MOSFET de estado sólido tem características de desempenho semelhantes.

Características

Característica operacional do triodo ECC83.

Nas planilhas de dados triodos, as características que ligam a corrente do ânodo (I a ) à tensão do ânodo (V a ) e a tensão da rede (V g ) são normalmente fornecidas. A partir daqui, um projetista de circuito pode escolher o ponto operacional do triodo particular. Então, a tensão de saída e a amplificação do triodo podem ser avaliadas graficamente desenhando uma linha de carga no gráfico.

In the example characteristic shown on the image, suppose we wish to operate it at a quiescent anode voltage Va of 200 V and a grid voltage bias of −1 volt. This implies a quiescent plate (anode) current of 2.2 mA (using the yellow curve on the graph). In a class-A triode amplifier, one might place an anode resistor (connected between the anode and the positive power supply). If we choose Ra = 10000 ohms, the voltage drop on it would be V+ - Va = Ia × Ra = 22. V for the chosen anode current of Ia = 2.2 mA. Thus we require a power supply voltage V+ = 222V in order to obtain Va = 200V on the anode.

Agora suponha que imprimimos na tensão de polarização de -1V um sinal de pico a pico de 1V, de modo que a tensão da rede varie entre -.5V e -1.5V. Quando V g = -. 5 V, a corrente do ânodo aumentará para 3,1 mA, diminuindo a tensão do ânodo para V a = V + - 10000Ω × 3,1 mA = 191 V (curva laranja). Quando V g = -1,5 V , a corrente do ânodo diminuirá para 1,4 mA, aumentando a tensão do ânodo para V a = V + - 10000Ω × 1,4 mA = 208 V (curva verde). Portanto, um sinal de pico a pico de 1 V na entrada (grade) causa uma mudança na tensão de saída de cerca de 17 V.

Assim, é obtida a amplificação da tensão do sinal. A proporção dessas duas mudanças, o fator de amplificação de voltagem (ou mu ) é 17 neste caso. Também é possível usar tríodos como seguidores de cátodo em que não há amplificação de tensão, mas uma enorme redução na impedância dinâmica ; em outras palavras, a corrente é muito amplificada (como também na configuração de cátodo comum descrita acima). Amplificar tanto a voltagem quanto a corrente resulta em amplificação de potência, o propósito geral de um tubo amplificador (afinal, a corrente ou a voltagem sozinhas poderiam ser aumentadas apenas usando um transformador, um dispositivo passivo).

Veja também

Referências

links externos