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Válvulas Electrónicas

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Evolução, funcionamento e aplicações das válvulas electrónicas.

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  • 1. Electrónica Analógica Electrónica Analógica Válvulas Electrónicas24-11-2011 Por : Luís Timóteo 1
  • 2. Electrónica Analógica Generalidades Históricas  Efeito TermoiónicoEm 1883, Thomaz Edison fazendo experiências com diversos tiposde filamentos para obtenção de uma lâmpada eléctrica incandescenteprática, nota um fenómeno que ficou conhecido como "Efeito Édison“.O Efeito Édison ou emissão termoiónica, é o processo pelo qual oselectrões atingem energia suficiente, por meio do calor, para escapar dasuperfície do elemento metálico emissor.O efeito Termoiónico deve-se à estrutura atómica dos metais. Todo corpo metálico possui electrões livres que, a qualquer temperatura, possuem um movimento desordenado em virtude de sua agitação térmica. À temperatura ambiente, os electrões não conseguem libertar-se do metal porque são atraídos pelos iões positivos da rede cristalina e não possuem energia suficiente para vencer esta atracão.Contudo, se a temperatura do corpo for aumentada, a agitação térmica dos electrões também aumentará e um grande número deles conseguirá escapar da atracão dos iões positivos. Estes electrões que escapam do material passam a formar uma nuvem electrónica próxima à superfície do corpo. Se houver um outro corpo metálico positivamente carregado próximo a essa nuvem, os electrões serão atraídos e uma corrente eléctrica se estabelecerá. Réplica de uma das primeiras lâmpadas incandescente feitas por Edison.24-11-2011 Por : Luís Timóteo 2
  • 3. Electrónica Analógica Efeito Édison edison_effect_PT.swf24-11-2011 Por : Luís Timóteo 3
  • 4. Electrónica Analógica Generalidades Históricas ilustração de uma O Diodo de Fleming válvula de FlemingO efeito Edison permaneceu esquecido por algum tempo atéque em 1904 o físico inglês JohnAmbrose Fleming, descobriu que este fenómeno podia serusado na detecção de ondas Hertzianas.O dispositivo de Fleming consistia em envolver o filamento deuma lâmpada eléctrica por uma placa cilíndrica; a este conjuntodenominou de válvula uma vez que podia controlar o fluxo dacorrente semelhante a uma válvula num circuito hidráulico.A válvula de Fleming ou diodo como foi denominada maistarde, ainda não tinha condições de amplificar os sinaisdetectados pela antena actuando ainda como os primitivosdetectores a cristal 424-11-2011 Por : Luís Timóteo 4
  • 5. Electrónica Analógica Generalidades Históricas O Tríodo Por volta de 1906, o inventor americano Lee DeForest acrescentou um terceiro elemento ao dispositivo de Fleming. Era a grade que patenteou sob o nome de Audion, mais conhecido como válvula triodo. Entretanto, apesar do enorme potencial tecnológico da válvula Audion, a sua aplicação não foi imediata. Inicialmente foi usada mais como detecção de ondas Hertzianas do que como um elemento de amplificação; Como amplificadora deu inicio á era electrónica da Válvula…(Por analogia com a válvula mecânica em que a condução é só num sentido…)24-11-2011 Por : Luís Timóteo 5
  • 6. Electrónica Analógica A Válvula Electrónica Em 1906 a Válvula amplificadora de vácuo, o mais recente antecessor do Transistor, tinha nascido. Mesmo nos dias de hoje em que a tecnologia de estado sólido de semicondutores, e a Electrónica, têm tido um desenvolvimento impressionante, há duas importantes áreas em que as válvulas dominam, que é a potência e as Micro-ondas. A reprodução de música de recreio é outra história mais controversa e complicada... Desde o início do século XX até á década de 50’s o reinado foi da válvula de vácuo, tendo a electrónica evoluído de modo assombroso … como hoje!...24-11-2011 Por : Luís Timóteo 6
  • 7. Electrónica Analógica  Computadores a Válvulas O UNIVAC I (UNIVersal Automatic Computer I, foi o primeiro computador fabricado para fins comerciais. Foi desenhado por J. Presper Eckert e John Mauchly. Pesava 7257 kg e usava cerca de 5300 válvulas e um clock de 2.25 MHz .O primeiro UNIVAC foi entregue á “United States Census Bureau” em31 de Março de 1951, e foi usado nas presidenciais Americanas de 1952.Com 1% de amostragem o UNIVAC I conseguiu acertar nas previsõesda eleição do General Eisenhower, coisa que inicialmente ninguémpensava.  K2W- AmpOp de uso geral, para computadores analógicos Painel de Controlo Sala do Computador O Reinado da válvula durou até á década de 50 do século XX, altura em que foi inventado o transistor…No entanto, microondas, Radares, Raios X, alta fidelidade de luxo, e altas potências, altas frequências, etc. ainda hoje pertencem a esse reinado!...24-11-2011 Por : Luís Timóteo 7
  • 8. Electrónica Analógica  Transistor de Contacto1947….Resolveram "voltar no tempo", á época dos antigos rádios acristal. Ao contrário dos equipamentos a válvulas, os velhos rádiosexperimentais a cristal eram capazes de detectar as altasfrequências, descoberta de Ferdinand Braun, que dizia que cristaispodiam transmitir electricidade num único sentido. …Aí, poderia estar umsubstituto para as válvulas...11 anos de trabalho…O efeito transistor é observado pela primeira vez porBardeen, Shockley e Brattain nos laboratórios da “Bell”. “Transient resistor”. Transístor24-11-2011 Por : Luís Timóteo 8
  • 9. Electrónica Analógica Efeito de Transistor  Junção com polarização inversa Efeito de Transistor directa24-11-2011 Por : Luís Timóteo 9
  • 10. Electrónica Analógica Generalidades Históricas  Antes do Transistor  Os sinais eléctricos eram amplificados por válvulas electrónicas . As válvulas electrónicas e os elementos passivos R, C, e L eram componentes dominantes nos dispositivos electrónicos. As válvulas: Consumiam muita potência. Muito maiores e pesadas. Tinham um tempo útil de vida curto.Com a invenção do transistor, a electrónica iria evoluir… Até aquilo que é hoje!...24-11-2011 Por : Luís Timóteo 10
  • 11. Electrónica Analógica Estudo da Emissão de ElectrõesZero absoluto - (-273ºC – 0º K) Não há actividade molecular na matéria. Os átomos mantêm as distâncias entre si e os electrões descrevem as suas órbitas regularmente.Agitação Térmica – A temperatura altera a regularidade das orbitas dos electrões. Quanto maior for a temperatura mais serão os electrões livres.Condutores/isoladores – Conforme o seu comportamento á temperatura ambiente, assim se classificam os condutores, semicondutores ou isoladores consoante o número de electrões livres.Emissão Electrónica – Dá-se a partir do momento em que os electrões ganham energia para vencerem o potencial de barreira (valor de energia que mantém o electrão na sua órbita) e libertarem-se.Emissão de Electrões: Termoiónica – quando a energia fornecida é de origem térmica. Campos Electrostáticos – quando a energia fornecida é de origem magnética devida a altas cargas eléctricas. Secundária – Resulta do bombardeamento de uma superfície metálica por electrões ou outras partículas a alta velocidade. Fotovoltaica – quando a energia fornecida provem de fotões (luz).24-11-2011 Por : Luís Timóteo 11
  • 12. Electrónica Analógica Estudo da Emissão TermoiónicaA emissão Termoiónica é um fenómeno detectável em qualquer superfície metálica suficientemente aquecida. Vamos analisar a figura 1, que contém duas placas metálicas, denominadas (p) e (k), encerradas em um invólucro onde existe vácuo, uma fonte de tensão (Vb.) e um miliamperímetro (A). Se a placa metálica (k), que chamaremos de cátodo, for suficientemente aquecida, passará a emitir uma grande quantidade de electrões, produzindo uma determinada corrente eléctrica que será indicada pelo amperímetro. Assim, os electrões que partem do cátodo encontram o campo eléctrico produzido pela placa (p), que chamaremos de ânodo, carregada positivamente, e logo são acelerados em direcção a ela.A corrente que pode ser emitida por unidade de superfície do cátodo depende fundamentalmente da temperatura de operação e da função de trabalho do material empregado na construção do mesmo. Alcançado o valor mínimo de energia térmica aplicada ao cátodo, valor este determinado pela função de trabalho do material empregado, a emissão Termoiónica inicia e aumenta rapidamente com o aumento da temperatura. A emissão Termoiónica normalmente não ocorre, ou ocorre com baixa eficiência, à pressão atmosférica normal. Por este motivo, as válvulas electrónicas são montadas dentro de um invólucro, geralmente de vidro, onde existe alto vácuo. Figura 124-11-2011 Por : Luís Timóteo 12
  • 13. Electrónica Analógica Estudo da Emissão Termoiónica A corrente que circula entre (k) e (p) pode ser limitada de duas formas: 1.Se (Vb.) for suficientemente elevada para impedir que os electrões emitidos pelo cátodo estacionem no espaço interelectródico, a corrente (I) é limitada pela temperatura; Figura 12.Quando uma certa quantidade de electrões emitidos pelo cátodo não passam instantaneamente para o ânodo, estabelece-se uma carga espacial no espaço interelectródico da válvula. Desta forma, a corrente (I) é limitada pela carga espacial.Nas aplicações práticas com válvulas electrónicas, o cátodo é mantido a uma temperatura bastante elevada, em torno de 1000 graus °C. Como nem todos os electrões passam instantaneamente para o ânodo, pois é necessário um tempo finito de trânsito entre (k) e (p), haverá sempre uma carga espacial em torno de (k).24-11-2011 Por : Luís Timóteo 13
  • 14. Electrónica Analógica Estudo da Emissão Termoiónica Emissão Termoiónica – quando a energia fornecida é de origem térmica. Função de trabalho Termoiónico – Mínimo nível de energia cinética que o electrão deve possuir para se libertar de uma substância. 1 m – massa do electrão 9.1x10-31 Kg W m.v 2 v – velocidade do electrão num metal 106 m/s. 2 Este trabalho W é expresso em termos de um potencial V.É o trabalho realizado por um electrão de carga e ao deslocar-se entre dois pontos de uma diferença de potencial V, de tal modo que seja igual á função representada. 1 V .e m.v 2 2Esse potencial V é a Afinidade do Electrão – representa o grau de dificuldade que os electrões possuem de se libertarem de substâncias várias. Exemplo: Para o Tungsténio temos: m – 9.1x10-31 Kg e – 1,60x10-16 C v – 1,26x106 m/s -Temos:V=4,53V24-11-2011 Por : Luís Timóteo 14
  • 15. Electrónica Analógica Estudo da Emissão Termoiónica Densidade da corrente de Emissão – Número de electrões libertados por unidade de superfície é função da temperatura absoluta e está relacionada com a seguinte expressão, devida a Richardson: bo Is– Número de electrões libertados por unidade de superfície da substância emissora em amperes. Is A.T 2 . T T – Temperatura absoluta da substância emissora em ºK. A – Constante dependente do tipo de emissor. Em que: bo – Constante dependente da afinidade do electrão da substância emissora. V .e K – Constante de Boltzmann = 1,381x10-23 joule/ºK. bo K – Base de logaritmos de neperianos Donde se retira que o número de electrões emitidos depende essencialmente do material (bo) e da temperatura (T).Eficiência de Emissão – Maior número de electrões libertados por unidade de temperatura. n c e n – Constantes do material p- Potência calorífica Is c. p Is –corrente de saturação 24-11-2011 Por : Luís Timóteo 15
  • 16. Electrónica Analógica Válvulas Electrónicas Válvulas de Vácuo – No interior da válvula, (ou ampola de vidro) é feito um vácuo tão perfeito quanto possível, ( para evitar a combustão dos filamentos e facilitar a emissão termoiónica) o que se conseguia queimando num pratinho (Getter) no seu interior, uma certa quantidade de magnésio, depois de se ter extraído com uma máquina pneumática a maior quantidade de ar possível e é este o tipo de válvulas mais usado. Cátodo de aquecimento directo Válvulas de vácuo Cátodo de aquecimento indirecto Válvulas Cátodo frio Válvulas de gás Cátodo quente Diodo a Vácuo Diodo a VácuoVálvulas de Gás – Em vez de vácuo, são preenchidas com um gás inerte (árgon, hidrogénio, vapores de mercúrio, hélio etc.,) a baixa pressão e tem um funcionamento distinto das válvulas de vácuo, devido ao facto da sua condução se dever á ionização do gás. A temperatura de condução é normalmente baixa e está relacionada com o tipo de gás. Válvulas a gás Tensão de Válvulas de gás - Aplicações: ionização Válvulas a vácuo  Fontes de luz. (lâmpadas néon) Ip Ip  Reguladores de tensão. Tensão de extinção Tensão de ionização  Rectificadores. (Vp) A  Disparo (trigger) de válvulas de Controlo. Tensão de funcionamento Vp 24-11-2011 Por : Luís Timóteo 16
  • 17. Electrónica Analógica Válvulas TermoiónicasEmissão Electrónica – Dá-se a partir do momento em que os electrões ganham energia para vencerem o potencial de barreira (valor de energia que mantém o electrão na sua órbita) e libertarem-se do cátodo e vencerem a carga espacial.Carga espacial – Nuvem de electrões que se forma junto ao emissor (cátodo), devido a um campo electroestático.24-11-2011 Por : Luís Timóteo 17
  • 18. Electrónica Analógica Válvulas Termoiónicas Corrente Electrónica – Dá-se a partir do momento em que os electrões ganham energia para vencerem o potencial de barreira, e a barreira espacial criada junto ao cátodo.24-11-2011 Por : Luís Timóteo 18
  • 19. Electrónica Analógica Válvulas TermoiónicasVálvulas Termoiónicas – dispositivos que aproveitam os electrões emitidos por temperatura chamam-se válvulas termoiónicas ou válvulas electrónicas, em que o cátodo quando aquecido emite electrões, e o ânodo ou Placa, que tendo um potencial positivo em relação ao cátodo, serve para os atrair formando a corrente electrónica. R Placa E Cátodo mA Cátodo 0 É Elemento de aquecimento24-11-2011 Por : Luís Timóteo 19
  • 20. Electrónica Analógica Válvulas Termoiónicas Cátodos quanto á forma de aquecimento: Cátodo de Aquecimento Cátodo de Aquecimento Tubo de Níquel com Directo Indirecto revestimento de Óxido Suportes Filamentos (isolados) Cátodo Cátodo Filamentos Placa (isolados) Placa Cátodos quanto ao tipo de material Cátodos de Tungsténio Cátodo Cátodos de Tungsténio toriadoFilamentos Cátodo Cátodos metálicos com cobertura de Óxido Filamentos24-11-2011 Por : Luís Timóteo 20
  • 21. Electrónica Analógica Válvulas TermoiónicasO campo electroestático criado pelos electrões emitidos pelo cátodo não é uniforme e varia inversamente com o quadrado da distância do espaço interelectródico…Assim, os electrões que forem emitidos com uma velocidade pequena regressarão ao cátodo…ou haverá corrente electrónica se se aumentar o potencial da placa… E ib Cátodo Placa 0 eb É Corrente Electrónica – Dá-se a partir do momento em que os electrões ganham energia para vencerem o potencial de barreira, e a barreira espacial criada junto ao cátodo…24-11-2011 Por : Luís Timóteo 21
  • 22. Electrónica Analógica Válvulas TermoiónicasEmissão Termoiónica – Depende da temperatura e do material dos cátodos e das tensões que formam os campos electroestáticos. 2000 1800 1600 1400 I 1200 (mA/cm2) 1000 800 600 400 200 0 800 1200 1600 2000 2400 2800 3200 T(º K)24-11-2011 Por : Luís Timóteo 22
  • 23. Electrónica Analógica A Válvula Diodo Ampola de Vidro Filamentos Cátodo Símbolo e Componentes Placa Símbolo PinosA válvula diodo Inventada por John Fleming, a partir do Efeito de Edison, é a mais simples das válvulas de vácuo electrónicas, pois contém apenas dois eléctrodos.Embora tenha uma infinidade de aplicações, é usada basicamente como rectificadora em fontes de alimentação. A denominação "válvula", provem da característica fundamental do diodo, que é permitir a circulação de corrente somente em um sentido, actuando como um interruptor.24-11-2011 Por : Luís Timóteo 23
  • 24. Electrónica Analógica A Válvula Diodo ib ib ib Funcionamento: Carga espacial +Volts -Volts eb 0 Volts CátodoPlaca Diodo a Vácuo Filamentos Os electrões emitidos pelo cátodo são atraídos pelo campo positivo da placa, desde que esta esteja a um potencial suficientemente positivo para que os electrões vençam a carga espacial e formem a corrente electrónica perfazendo a acção da rectificação, uma vez que não é possível a condução inversa da placa para o cátodo.24-11-2011 Por : Luís Timóteo 24
  • 25. A Electrónica Analógica Válvula Diodo A corrente electrónica – no diodo, e noutra válvulas, pode ser influenciada por vários factores…I (mA/cm2) 2000 Temperatura do cátodo 60 Voltagem de Placa Corrente dos filamentos 80 1800 50 70 Corrente Ip em mA 1600 1400 40 60 1200 Corrente Ip em mA 1000 30 50 800 20 40 600 400 10 30 200 0 0 20 0 20 50 80 100 800 1200 1600 2000 2400 2800 3200 T(º K) 10 Voltagem dos filamentos 60 0 50 Tensões e correntes: 0,9 1.0 1.1 1,2 1.3 1.4 Tensão de placa: Ep, Vp, Va. Corrente Ip em 40 Tensão de alimentação: Ebb ou V+. 30 Tensão de polarização de grade de comando: Ecc Tensão de grade de comando: Ec, Eg ou Vg 20 Tensão de filamentos: Ef ou Vf. mA 10 Corrente limitada pela emissão Corrente de placa: Ib, Ip,Ia. Corrente limitada Corrente de filamentos: If. 0 pela carga espacial 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 26024-11-2011 Por : Luís Timóteo 25
  • 26. Electrónica Analógica A Válvula Diodo max 22 Duplo Diodo max 71,4 max 77,8 Circuito Rectificador24-11-2011 Por : Luís Timóteo 26
  • 27. Electrónica Analógica Ampola de Vidro  Válvula Tríodo Filamentos Cátodo Símbolo e Componentes Placa A válvula tríodo, um dispositivo de três Símbolo eléctrodos, é o primeiro resultado do Grade aperfeiçoamento do diodo a vácuo, pelo cientista Lee De Forest . A inclusão de um terceiro eléctrodo, estrategicamente colocado entre o cátodo e a placa, constituiu o primeiro dispositivo electrónico, em torno do qual pode Pinos ser implementado qualquer circuito electrónico, seja um amplificador, um oscilador ou um filtro controlando assim a corrente de placa.Esse terceiro eléctrodo é denominado grade ou, mais especificamente, Grade de Comando, cuja função é controlar a corrente que circula entre o cátodo e a placa. Sendo um eléctrodo "aberto", a grade de comando, em princípio, não está incluída, sob o aspecto de corrente contínua, no circuito cátodo placa. A grade de comando, salvo em aplicações especiais, é sempre polarizada negativamente em relação ao cátodo.24-11-2011 Por : Luís Timóteo 27
  • 28. Electrónica Analógica  Válvula Tríodo Símbolo e Componentes Placa Grade Cátodo Filamentos24-11-2011 Por : Luís Timóteo 28
  • 29. Electrónica Analógica Válvula Tríodo Influência da polarização da Grade de Comando.24-11-2011 Por : Luís Timóteo 29
  • 30.  Válvula Electrónica Analógica Tríodo Cátodo Funcionamento: Placa Grade de Filamentos Comando +1  Quando a voltagem aplicada á grade de Comando é negativa (menor queSignal volts 0 zero) a sua carga negativa repele os electrões, logo não há corrente -1 entre Cátodo e Placa. 0  Á medida que a tensão aplicada á grade se Grid bias -1 -2 aproxima de zero, alguns electrões começam a -3 passar gradualmente entre o Cátodo e a Placa. 0 -1  Quando a tensão aplicada á grade é maior Grid volts -2 -3 que zero volts a grade comporta-se como -4 se não existisse e há uma corrente plena de todos os electrões emitidos pelo cátodo Plate current ( Saturação). Plate volts 0 0 24-11-2011 Por : Luís Timóteo 30
  • 31. Electrónica Analógica Funcionamento:  Válvula Tríodo Audion_PT.swf24-11-2011 Por : Luís Timóteo 31
  • 32. Electrónica Analógica  Válvula Tríodo Resumo de funcionamento:24-11-2011 Por : Luís Timóteo 32
  • 33. Electrónica Analógica O Tríodo Curvas características Corrente de placa ib miliamperes Corrente de placa ib miliamperes Tensão de placa Eb volts Tensão de placa Eb volts Fig. 5Corrente de placa ib miliamperes Corrente de Grade Tensão de Grade Ec volts Tensão de Grade Fig. 7 Fig. 6 24-11-2011 Por : Luís Timóteo 33
  • 34. Electrónica Analógica O Tríodo Capacidades interelectródicas Em qualquer válvula, há uma certa capacidade entre quaisquer dois dos seus eléctrodos; estas capacidades Cgp chamam-se capacidades interelectródicas. Ro Cpk CgkCgp – Capacidade entre a Grade de Comando e a Placa.Cgk – Capacidade entre a Grade de Comando e Cátodo.Cgp – Capacidade entre a Placa e o Cátodo.  Ordem de Valores das capacidade: Cgp – 2 pF Cgk – 3pF Cpk – 11μμF24-11-2011 Por : Luís Timóteo 34
  • 35. Electrónica Analógica O Tríodo Montagens: Montagem de Cátodo á massa Cgp RL SaídaUtilizam-se três montagens: Entrada Ecc Ebb-Cátodo á massa (convencional).-Grade á massa.-Placa á massa ou seguidora de cátodo. -Usa-se basicamente como amplificador de baixa frequência. -Provoca um desfasamento de 180º entre o sinal de entrada e saída. -Grande capacidade Cgp que a torna imprópria para alta frequência.24-11-2011 Por : Luís Timóteo 35
  • 36. Electrónica Analógica O Tríodo Montagens: Montagem de Grade á massa Ebb Entrada RL Ecc Saída- A Grade á massa é um vantagem visto actuar com blindagem electrostática.- Evita Oscilações e instabilidade pelo que pode usar-se em altas frequências.- Não causa desfasamento entre o sinal de entrada e o de saída.-A corrente de placa percorre também a fonte do sinal de entrada, pelo que assume importância a impedância interna desta.24-11-2011 Por : Luís Timóteo 36
  • 37. Electrónica Analógica O Tríodo Montagens: Montagem de Placa á massa Montagem Prática Ebb RL SaídaEntrada Entrada Ebb RL Saída - Tem um ganho inferior a 1. (Seguidor de cátodo). - Alta impedância de entrada. - Boa resposta em amplitude, fase, e frequência. - O sinal de saída está em fase com o sinal de entrada.  As principais aplicações são: Amplificadores de Banda larga (vídeo), fornecer potência a cargas de baixa impedância (linhas TX), proporcionador de impedâncias, e amplificadores de impulsos (quadrados). 24-11-2011 Por : Luís Timóteo 37
  • 38. Electrónica Analógica O Tríodo Montagens: Cátodo á Massa Grade á Massa Ebb RL SaídaEntrada Entrada RL Ecc Saída Ecc Ebb Placa á Massa Ebb RL SaídaEntrada Entrada Ebb RL Saída24-11-2011 Por : Luís Timóteo 38
  • 39. Electrónica Analógica Amplificação: O Tríodo Pequena variação de entrada (grade), Grande variação na saída (Placa). m24-11-2011 Por : Luís Timóteo 39
  • 40. Electrónica Analógica O Tríodo Parâmetros Relações entre parâmetros Factor de Amplificação ( ) Factor de Amplificação: m Transconductância (g m) em microhms Resistência de Placa (rp ) em ohms Eb Ib = Constante Ec Transcondutância gm Ib Eb = Constante Ec Fig. 8 Resistência dinâmica de Placa Resistência de Placa (DC) Eb Eb rp Ec = Constante Rp Eb = Constante Ib Ib = g m . rp g m = rp rp = gm24-11-2011 Por : Luís Timóteo 40
  • 41. Electrónica Analógica O Tríodo Aplicações:Mais do que qualquer outro tipo de válvula é usado como amplificador de baixa frequência.24-11-2011 Por : Luís Timóteo 41
  • 42. Electrónica Analógica  Válvula Tríodo Amplificador a Válvulas Amplifier_PT.swf24-11-2011 Por : Luís Timóteo 42
  • 43. Electrónica Analógica TÉTRODO Estrutura e funcionamento:  O desempenho de um tríodo é limitado pelas capacidades interelectródicas, especialmente a capacidade Cgp . Foi por esta razão que uma segunda grade, a Grade de Blindagem, foi inserida entre a Grade de Comando e o ânodo, pelo cientista Schottky, formando-se assim o tétrodo, diminuindo assim as capacidades interelectródicas. Cátodo A Cátodo C Ânodo 2 G2 G1 CPlaca 1 Grade de Grade de Comando Filamentos Comando K Grade de Grade de Blindagem Blindagem Feixe electrónico Uma secção transversal esquemática de um tétrodo é mostrada na figura. Em virtude do efeito de blindagem das duas grades, a tensão de ânodo tem pouco efeito sobre a emissão de electrões do cátodo. A grade de controle é mantida é mantida em um baixo potencial negativo, por exemplo, até -10 V, que é variado pelo sinal aplicado para controlar a corrente de ânodo. A grade de blindagem é mantida em um potencial positivo constante mais alto, ou seja, +80 V, para acelerar os electrões em direcção ao ânodo.24-11-2011 Por : Luís Timóteo 43
  • 44. Electrónica Analógica TÉTRODO Relações entre parâmetros 1,600 800 Eb 1,400 700 Ib 1,200 600 gm em Micro-mohs Ic2 Ec 1,000 500 Ec1 2 RL 800 400 rp em Megaohms C Saída 600 300 Ef RLimit. 400 200 Operating RangeEntrada 200 100 Ecc Ebb 0 0 Inicialmente a corrente de placa aumenta com a tensão de placa. Parâmetros do Tétrodo Depois, tem uma fase em que a corrente de placa diminui á medida Corrente de placa Ib miliamperes Corrente de Grade de Blindagem Ic2 que se aumenta a tensão de Placa (emissão secundária devida a miliamperes tensão da grade de blindagem ser superior á da placa). Depois temos a zona de funcionamento “linear” em que a corrente de placa é proporcional ao aumento da Tensão de placa, sem Curvas características do Tétrodo esquecer a Grade de Comando.. Fig. 2 24-11-2011 Por : Luís Timóteo 44
  • 45. Electrónica Analógica PentodoAs modificações na estrutura dos eléctrodos do tétrodo, foram para encorajar a formação de uma carga espacial entre a grade de blindagem e o ânodo. Esta carga espacial evitou que os electrões secundários originários no ânodo alcançassem a grade de blindagem. O mesmo efeito pode ser obtido inserindo- se uma grade mantida no, ou próximo ao potencial do cátodo, entre a grade de blindagem e o ânodo. Como a função desta terceira grade é suprimir a emissão de electrões secundários, ela é chamada Grade Supressora.Ela é enrolada com um passo maior do que a grade de controle e do que a grade de blindagem. O símbolo de um Pentodo é mostrado na figura (a); Em virtude de a grade supressora ser normalmente operada no potencial do cátodo, ela é às vezes ligada internamente ao cátodo, conforme mostrado na figura (b).24-11-2011 Por : Luís Timóteo 45
  • 46. Electrónica Analógica Pentodo Estrutura: Grade Cátodo Blindagem Grade Supressora Placa Grade Filamentos Comando24-11-2011 Por : Luís Timóteo 46
  • 47. Electrónica Analógica Pentodo Curvas características Placa Electrões Grade Supressora Grade BlindagemCorrente de placa Ib miliamperes Grade de Comando RO B Saída Entrada Filamentos C Fig. 4 Tensão de Placa - volts Fig. 5 Durante grande parte da zona de funcionamento a corrente de placa é praticamente independente da tensão de placa. A concavidade encontrada nas curvas características do tétrodo são completamente eliminadas no pentodo. As características só não são lineares abaixo dos “joelhos “das curvas, havendo um controlo completo da corrente de placa por parte da grade de comando. 24-11-2011 Por : Luís Timóteo 47
  • 48. Electrónica Analógica PENTODOVersão de Potência: Ligação exterior do Ânodo Suporte de ligação de Ligações ao ânodo (Placa) Filamentos Fenda de dilatação de Grelhas Suporte Cerâmico dos eléctrodos Filamentos em Tungsténio Toriado Blindagem Interna Fixação cerâmica Grade de Blindagem (G2) Grade Supressora (G3) Ânodo (Placa) em Grafite Grade de Comando (G1) Blindagem interna Suporte Cerâmico dos Ligações do Ânodo (Placa) eléctrodos (inferior) Tomada de Vácuo Ligações em Tungsténio Getter duplo Blindagem Interior Ligação da Grade (G3) Vidro Pirex Base Cerâmica Pinos de ligação24-11-2011 Por : Luís Timóteo 48
  • 49. Electrónica Analógica PENTODO Versão Miniatura: Tip de Extracção Grade Supressora (G3) Ampola de vidro Grade de Blindagem (G2) Grade de Comando (G1) Cátodo Getter Espaçador de Mica Cage Assembly Filamentos Placa Espaçador de Mica Pinagem inferior Blindagem interpinos Pinos24-11-2011 Por : Luís Timóteo 49
  • 50. Electrónica Analógica  Válvulas de m variávelSão válvulas especiais pela sua construção, em que o espaçamento entre as espiras da grade de comando é variável, isto é, é menor nos extremos, o que permite trabalhas com uma vasta gama de amplitudes de sinais com distorção mínima. Características Estrutura Grade Cátodo BlindagemCorrente de Placa ib miliamperes Grade Supressora Placa Tensão de Grade ec - volts Grade Filamentos ComandoSão normalmente utilizadas em circuitos de Controlo Automático de Volume (AVC). 24-11-2011 Por : Luís Timóteo 50
  • 51. Electrónica Analógica Válvulas de feixe dirigido Consegue-se diminuir os efeitos da emissão secundária dos tétrodos, e ao mesmo tempo obter ganhos semelhantes ao dos pentodos, através da colocação de duas placas encaminhadoras de feixe que produzem um feixe de grande intensidade e evitam a emissão secundária da placa. Placas de feixe dirigido Composição e funcionamento Aumentando o espaçamento entre a grade de Blindagem e a placa, cria-se uma carga de espaço nesta área, de tal modo que os electrões secundários da placa, são repelidos de volta a ela. Ânodo Placas de feixe Placas de feixe dirigido Cátodo dirigido Feixe electrónico Grade de Comando CátodoFeixe electrónico Grade de Comando Ânodo Grade de Grade de Blindagem Blindagem 24-11-2011 Por : Luís Timóteo 51
  • 52. Electrónica Analógica Válvulas de feixe dirigido Curvas características Ib IC2 Eb Ec1 Ec2 Corrente de placa Ib miliamperes Tensão de Placa - volts Fig. 8 Curvas muito semelhantes ao pentodo mas menos acentuadas para baixas tensões de placa dando menor distorção. A amplificação é maior que dos tríodos mas menor que tétrodo e pentodo. Rp é elevada mas menor que do pentodo. Gm é geralmente maior do que para qualquer outro tipo de válvula. Têm elevada potência de saída e eficiência e são usadas como amplificadoras AF nos receptores.24-11-2011 Por : Luís Timóteo 52
  • 53. Electrónica Analógica Válvulas Termoiónicas Comparações: Válvula mμ rp gm Tríodo 3 a 100 800 a 50.000Ω 200 a 6.000μʊ Tétrodo 40 a 800 10.000 a 1.000.000Ω 500 a 8.000μʊ Pentodo 70 a 50.000 35.000 a 2.000.000Ω 500 a 8.000μʊ Feixe Pentodo Corrente de placa Ib relativa miliamperes Válvulas com grade de Blindagem (Tétrodo) Tensão de Placa - volts Fig. 824-11-2011 Por : Luís Timóteo 53
  • 54. Electrónica Analógica Válvulas Especiais Válvulas de Alta Potência24-11-2011 Por : Luís Timóteo 54
  • 55. Electrónica Analógica Válvulas Especiais Tubo de Raios Catódicos (TRC) A Figura 1 mostra um TRC electromagnético Pescoço Ponto P Cátodo Primeiro Ânodo Bobine de Grade de focagem Bobine de Comando Deflexão Ânodo acelerador Fig. 1 (Aquadag) Écran Aviso: Os TRC/CRTs trabalham com tensões muito altas, na ordem dos 10 a 40Kv, dependendo do seu tamanho. Estas tensões podem continuar acumuladas durante vários dias mesmo após o aparelho ter sido desligado da corrente eléctrica, pois as paredes internas de vidro do TRC formam uma capacidade que carrega a essa tensão. Por isso, nunca tente mexer nos mesmos a menos que tenha conhecimentos técnicos para tal… MassaDescarga da Alta tensão do “Aquadag” A executar quando o aparelho estiver desligado da alimentação.24-11-2011 Por : Luís Timóteo 55
  • 56. Electrónica Analógica Válvulas Especiais Tubo de Raios Catódicos (TRC) Filamentos - fonte de calor para a emissão termiónica do cátodo. Cátodo - fonte da emissão termiónica de electrões. Grade de Comando (G) – Controla a intensidade do fluxo de electrões do feixe electrónico. 1º Ânodo (A1) – Serve para atrair os electrões do campo magnético da Grade de Comando e simultaneamente concentrá-los (focagem) num feixe electrónico. Ânodo Acelerador (A2) – Serve para acelerar os electrões em direcção ao ecrã (Screen), serve também de grade de blindagem na concentração do feixe electrónico e Electron Gun reduzir as capacidades interelectródicas. Placas de deflexão vertical (V1,2) – controla o feixe na vertical (up/down) através de campos electroestáticos. Normalmente o sinal de entrada é aplicado as estas placas. Placas de deflexão Horizontal (H1,2) – controla o feixe na horizontal (left/right) através de campos electroestáticos. Normalmente o sinal de comando horizontal é aplicado as estas placas. Revestimento interior “Aquadag” –(Ânodo final) Serve de grade supressora é polarizada positivamente (Kv’s) e afasta os electrões da emissão secundária de atingirem a “screen”, acelerando os restantes que atingem a “Scren” a alta velocidade.. Ecrã (Screen) – Revestida interiormente por uma camada de fósforo que ao ser bombardeada pelo feixe electrónico, torna-se fluorescente, permitindo a representação visual dos sinais electrónicos aplicados.24-11-2011 Por : Luís Timóteo 56
  • 57. Electrónica Analógica Válvulas Especiais Tubo de Raios Catódicos (TRC) A Focagem A focagem é normalmente feita por uma variação de corrente através das bobines de focagem. Nas válvulas electroestáticas a focagem é feita por variação da tensão do respectivo Ânodo. Anel de Ferro Maleável Bobine de Focagem (magnética) Bobine Campo MagnéticoA bobine de focagem, é normalmentecolocada no pescoço da válvula sem/comnúcleo de ferro (este aumenta a intensidadedo fluxo). Faz-se passar uma corrente DCatravés do enrolamento da bobine para cria Écranum campo magnético, corrente esta que (Screen)pode ser variada pelo reóstato de controlo de Bobine Campo Magnéticofocagem. Fig. 2O ponto P é o ponto de divergência do feixe depois de ter sido emitido pelocátodo, controlado pela grade de comando e acelerado pelo 1º ânodo.Um electrão caminhando de P para PAB, entra no campo de focagem da bobine e éforçado a tomar a direcção em espiral PACS até á “Screen”.O mesmo se passa com os electrões da direcção PDE que são obrigados, pela acção docampo magnético a tomar a direcção PDFS. Acontecendo o mesmo com todos os electrões apartirem do ponto P de modo que se encontram todos no Ponto S.Para se focar o feixe, basta variar a intensidade do campo magnético de modo a que oponto S seja atingido no Ecrã fluorescente..24-11-2011 Por : Luís Timóteo 57
  • 58. Electrónica Analógica Válvulas Especiais Tubo de Raios Catódicos (TRC)A FocagemA Focagem também pode ser feita por imanes permanentes colocados à volta do pescoço do TRC como mostra a figura seguinte:Neste caso a focagem é feita variando o espaço entre imanes…Nalguns casos é usado um anel magnético e a focagem é feita pelo movimento doanel ao longo do eixo do TRC…24-11-2011 Por : Luís Timóteo 58
  • 59. Electrónica Analógica Válvulas Especiais Tubo de Raios Catódicos (TRC) Bobines de DeflexãoA deflexão (vertical/Horizontal) electromagnética, é idêntica à focagem, isto é, feita através dum campo magnético por circulação de corrente numa bobine á volta do pescoço do TRC. Duas bobines estão ligadas em Núcleo de Ferro série e enroladas num núcleo de ferro de modo que os campos magnéticos produzidos se opõem um ao outro.Consoante a posição e o sentido da corrente através das bobines assim deflectem o feixe no sentido Campos vertical ou horizontal. Magnéticos Cátodo do TuboNo caso apresentado a deflexão tem lugar ao logo da linha A -BÉ possível rodar as bobines á volta do pescoço do TRC e produzir uma deflexão ao longo de qualquer diâmetro. Se a rotação for continua, produz-se um movimento circular contínuo como acontece nos sistemas de radar. (o mesmo efeito acontece usando campos magnéticos girantes). 24-11-2011 Por : Luís Timóteo 59
  • 60. Electrónica Analógica Válvulas Especiais Tubo de Raios Catódicos (TRC) Perspectiva Grade de Comando Cátodo Filamentos V1 H1 Ecrã V2 H2 Bobines de focagem Bobines de Deflexão Ânodo acelerador (Aquadag) TRC usado em consolas com ecrã circular24-11-2011 Por : Luís Timóteo 60
  • 61. Electrónica Analógica Válvulas Especiais Tubo de Raios Catódicos (TRC) Diagrama em corte de um tubo de raios catódicos de deflexão electroestática de um osciloscópio típico. 1. Placas deflectoras horizontais e verticais 2. Canhão de electrões 3. Feixe de electrões. 4. Bobina de centralização do feixe 5. Face interna da tela, revestida de fósforo24-11-2011 Por : Luís Timóteo 61
  • 62. Electrónica Analógica Válvulas Especiais Tubo de Raios Catódicos (TRC) Diagrama em corte de um tubo de raios catódicos de deflexão electromagnética, usado em televisões e monitores coloridos. 1: Canhão de electrões e lentes electrónicas de focagem. 2: Bobinas deflectoras (deflexão electromagnética). 3: Ânodo de alta tensão. 4: Máscara de sombra. 5: Detalhe da matriz de pontos coloridos RGB. (vermelho, verde, azul).24-11-2011 Por : Luís Timóteo 62
  • 63. Electrónica Analógica Válvulas Especiais ThyratronO Thyratron de hidrogénio (ou outro gás – Argon, Hélio) é uma válvula de gás que funciona como um comutador electrónico de picos de alta potência usando hidrogénio como meio de comutação. A comutação é alcançada através da transição dum gás neutro isolador para um gás ionizado altamente condutor, a trabalhar em picos de alta tensão e cadências de repetição elevadas. Estrutura: Placa Cátodo Grade de Comando Reservatórios Filamentos Selagem24-11-2011 Por : Luís Timóteo 63
  • 64. Electrónica Analógica Válvulas Especiais ThyratronFuncionamento: Essencialmente são tríodos a gás geralmente de cátodo quente e com grade de comando. A introdução desta grade permite o controlo da corrente de placa. Enquanto que nas válvulas de vácuo a grade comanda o inicio e o fim da corrente de placa em qualquer instante, isso não acontece com as válvulas de gás, uma vez que a grade apenas comanda o inicio da condução e não tem qualquer efeito sobre o valor da corrente de placa, nem sobre o fim da condução. Tensão de disparo: tensão que é aplicada a grade e a partir da qual haverá corrente de placa. Tempo de ionização: É o tempo requerido para se dar a ionização e permitir a corrente de placa atingir o seu valor final, depois da tensão de placa ou de grade ser variada para uma tensão de disparo. Tempo de desionização: É o tempo requerido para que o gás volte ás condições iniciais que permita que a grade readquira poder de controle depois da tensão de placa ser. Com o aparecimento dos semicondutores de silício thyristors (SCR’s) SCR’s o seu uso caiu em desuso, embora continuem a ser utilizados em equipamentos de alta potência. 24-11-2011 Por : Luís Timóteo 64
  • 65. Electrónica Analógica Válvulas Especiais ThyratronO seu aspecto pode variar muito quer em aparência quer em dimensões. Pode ser com cápsula de vidro, cápsula cerâmica ou até metálica, grande, pequeno, triodo ou tétrodo, conforme as aplicações…24-11-2011 Por : Luís Timóteo 65
  • 66. Electrónica Analógica Válvulas Especiais ThyratronCircuito real de disparo de um Thyratron.24-11-2011 Por : Luís Timóteo 66
  • 67. Electrónica Analógica Válvulas Especiais Válvula “ Olho Mágico” Placa Placa Fluorescente Grade Control Cátodo FilamentosBasicamente esta válvula é uma dispositivo medidor de tensão, constituída por uma associação engenhosa de dois Sinal fraco triodos em que a placa de um é ligada á grade do outro cuja placa é fluorescente de cor verde. O cátodo é comum a ambos os triodos. A grade amplificadora e a placa, actuam como um triodo, criando grandes variações da tensão placa-cátodo, para Sinal médio pequenas variações de tensão na Grade. Porque o eléctrodo de controlo (grade) está internamente ligado á placa o seu potencial eléctrico é igual, logo as variações de tensão da placa Sinal forte são visualizadas pelo display fluorescente do segundo triodo.Eram utilizadas como indicadores de sintonia nos receptores a válvulas.24-11-2011 Por : Luís Timóteo 67
  • 68. Electrónica Analógica Válvulas Especiais  Tubo nixieA Válvula “NIXIE” é um dispositivo electrónico que faz de display de informação numérica ou outra, na forma de uma válvula de vácuo, que contem vários cátodos consoante os caracteres para display, e um único ânodo. É uma válvula de cátodo frio, não ultrapassa 40 ºC (104 ºF), uma vez que a sua iluminação não depende da emissão termiónica, mas sim da ionização do gás ou mistura de gases de baixa pressão de cada cátodo, que farão variar a tonalidade da luz do display (neon, argon, e mercúrio são usados) . Os tubos “Nixie” ficaram obsoletos na década de 70’s, com o aparecimento dos LED’s (light-emitting diodes) e pelos Displays de 7 segmentos...24-11-2011 Por : Luís Timóteo 68
  • 69. Electrónica Analógica Válvulas Especiais FotomultiplicadorVálvula onde o fenómeno da emissão secundária é usado para amplificação. Luz Fotocátodo  Os electrões são emitidos pelo cátodo e são atraído por D1, depois o campo magnético curvo atrai para P1 onde se dá emissão secundária, que depois é P1 Dynodes atraída por D2 e assim sucessivamente. P2 P3 P4 P5 São utilizadas para amplificar a saída de válvulas Ânodo captadoras de imagem de televisão onde estão Grade de Comando incorporadas.24-11-2011 Por : Luís Timóteo 69
  • 70. Electrónica Analógica Válvulas Especiais Fotomultiplicador24-11-2011 Por : Luís Timóteo 70
  • 71. Electrónica Analógica Válvulas Especiais IconoscópioVálvula captadora de imagem (pickup Tube) em transmissores de televisão.Um canhão projecta um feixe de electrões que é deflectido por um sistema electromagnético ou electroestático, semelhante ao TRC. Contudo em vez de ter um ecrã florescente no extremo da válvula, tem uma superfície fotoeléctrica na qual é focada a imagem a ser transmitida sendo “scanizada” depois, por um feixe electrónico que produz o sinal de vídeo . Tubo orthicon24-11-2011 Por : Luís Timóteo 71
  • 72. Electrónica Analógica Válvulas Especiais VidiconVálvula captadora de imagem em transmissores de televisão.A imagem da cena é focada numa camada condutora transparente de materialfotoresistivo, criando uma matriz de “spots” com carga eléctrica variável. Depois, um feixeelectrónico faz um “scan” a esse material, criando um sinal de vídeo que representa asvariações de luz da imagem.24-11-2011 Por : Luís Timóteo 72
  • 73. Electrónica Analógica Válvulas Especiais Válvula bolota “Acorn Tube”Válvula de alta frequência (acima dos 100 MHz), de dimensões reduzidas, e com os pinos dispostos radialmente.24-11-2011 Por : Luís Timóteo 73
  • 74. Electrónica Analógica Válvulas Especiais Válvula Farol “Lighthouse Tube”Válvula de alta frequência (acima dos 100 MHz), de dimensões reduzidas, em que o cátodo, a grade e a placa são superfícies planas e paralelas, em que as ligações são feitas por discos metálicos, em que as distâncias interelectródicas são muito curtas e permitem uma adaptação directa ao um sistema de cabos coaxiais.24-11-2011 Por : Luís Timóteo 74
  • 75. Electrónica Analógica Válvulas Especiais Válvula tipo lápis “Pencil Tube”Válvula de alta frequência (até 1700 MHz), de estrutura cilíndrica com espaçamentos entre eléctrodos muito curtos, utilizadas para operar com cabos coaxiais e cavidades ressonantes. Ânodo Grade Filamentos Disco de suporte da grade Cátodo Suporte do Cátodo Vidro Ligações do cátodo Vidro Ligações dos Filamentos24-11-2011 Por : Luís Timóteo 75
  • 76. Electrónica Analógica Analisadores de VálvulasExistem vários modelos de Analisadores de válvulas que simulam as condições de funcionamento ideais para cada válvula, testando assim o rendimento, e eventuais fugas entre os eléctrodos. Normalmente, quando o rendimento de uma válvula for inferior a 60% é recomendada a sua substituição. Cada de válvula tem um suporte com encaixe próprio consoante o tipo e dimensões da própria válvula!...24-11-2011 Por : Luís Timóteo 76
  • 77. Electrónica Analógica Válvulas Especiais Microondas Klystron As limitações dos triodos pentodos e outras válvulas semelhantes, em frequências muito altas, resultantes dos efeitos do tempo de trânsito dos electrões, podem ser evitadas empregando válvulas que utilizam o tempo de trânsito para o seu funcionamento normal. Em 1937 os irmãos Russell e Sigurd Varian, (Stanford University) inventaram a Klystron a primeira válvula de UHF e microondas, com duas ou mais cavidades ressonantes, e que acelerava o feixe de electrões. A klystron é uma válvula especial também chamado de válvula de feixe linear ( linear-beam tube). O nome Klystron vem da palavra grega κλυσ - (klys) que significa a rebentação das ondas conta a costa, e a palavra electrão, daí “KLYSTROM”.24-11-2011 Por : Luís Timóteo 77
  • 78. Electrónica Analógica Válvulas Especiais Microondas klystron de duas cavidadesEstrutura: RF In RF Out Cavidade de entrada Cavidade saída Ânodo Feixe Grade 4 e Cátodo Grade 5 Colector Grade 2 e Grade 1 Grade 3 Espaço de desvio A energia da primeira cavidade modula a velocidade do feixe de electrões que por sua vez transfere a energia na última cavidade de forma maximizada de RF, da mesma frequência. São usados em circuitos de radar, radiodifusão de televisão, terminais de satélite EHF, electromedicina (tumores), e aceleradores de partículas.24-11-2011 Por : Luís Timóteo 78
  • 79. Electrónica Analógica Válvulas Especiais - Microondas klystron de duas cavidades Funcionamento: O canhão de electrões (electron gun) produz um feixe de electrões. As cavidade de entrada (buncher cavities) regulam a velocidade dos electrões de modo que eles chegam ás vagas na cavidade de saída (catcher cavity). As vagas de electrões excitam as microondas na cavidade de saída do klystron. As microondas entram no guia-de-ondas de saída que os transporta para o acelerador. Os electrões restantes são absorvidos pelo colector. Buncher cavity Catcher cavity Cátodo Electron Gun Ânodo Colector Entrada saída24-11-2011 Por : Luís Timóteo 79
  • 80. Electrónica Analógica Válvulas Especiais - Microondas klystron de cavidades múltiplas Colector Cavidade Saída Feixe Electromagnético Janelas de Saída 4ª Cavidade 5ª Cavidade 3ª Cavidade Feixes 2ª Cavidade Cavidade de Entrada Cerâmica Canhão multicátodo24-11-2011 Por : Luís Timóteo 80
  • 81. Electrónica Analógica Válvulas Especiais Microondas Klystron ReflexFoi inventado no inicio da década de 40’s pelos cientistas Pierce e Shepherd dos laboratórios da Bell, sendo um dispositivo de baixa potência usado nos osciladores heterodinos dos receptores de radar.È um(a) Klystron de baixa potência, só com uma cavidade ressonante, e que é utilizada como osciladora na banda de 1 a 2,5 GHz.Funcionamento:O feixe de electrões é injectado na parte inferior do tubo pelo cátodo e acelerados pela grade, e depois de passarem pela cavidade ressonante (direita), são reflectidos (daí o nome de “Reflex”) por uma carga negativa dum eléctrodo (Repeller) que o obriga a uma segunda passagem pela cavidade, sendo depois retirados, normalmente via cabo coaxial (pick up loop).O feixe de electrões é modulado em velocidade na primeira passagem pela cavidade, dando origem á formação de vagas de electrões no espaço entre o “repeller “e a cavidade. A acção do “repeller” deve ser máxima no instante que o feixe reentra na cavidade, para uma máxima transferência de energia entre o feixe e as oscilações de RF produzidas na cavidade.A voltagem no repeller pode ser variada para uma ligeira variação da frequência.24-11-2011 Por : Luís Timóteo 81
  • 82. Electrónica Analógica Válvulas Especiais - Microondas MagnetrãoO magnetrão é uma válvula de microondas especial usada para gerar as microondas que aquecerão os alimentos, (Microondas de cozinhar) ou como onda de detecção em circuitos de Radar . Embora haja muita polémica acerca da sua invenção, é geralmente aceite que foi inventado pelo cientista alemão Dr. H.E. Hollmann em 1935, que trabalhava para a AEG Telefunken, mas durante a II GM quem tirou proveito desta invenção foram os aliados, uma vez que á data da descoberta, a General Electric Company trabalhava em parceria com a AEG, logo partilharam esta invenção, mas não o seu desenvolvimento subsequente…em virtude da guerra… Magnetrão VMX1090 do Radar ATC-AR-80. Magnetrão típico de microondas de Cozinha com uma frequência de cerca de 2.5 GHz.24-11-2011 Por : Luís Timóteo 82
  • 83. Electrónica Analógica Válvulas Especiais - Microondas MagnetrãoConstituição: Antena de Caminho dum electrão Irradiação Cátodo Saída para a antena Cavidades Ressonantes Ânodo Imanes Permanentes Dissipador Campos de RF Cerâmica Forma das Cavidades: a) Slot- type. b) Vane- type. c) Rising sun- type. d) Hole-and-slot- type.24-11-2011 Por : Luís Timóteo 83
  • 84. Electrónica Analógica Válvulas Especiais - Microondas MagnetrãoFuncionamento:O magnetrão é uma válvula de funcionamento de modulação (de campos magnéticocruzados) em velocidade entre electrões do feixe e os campos magnéticos variáveis queaceleram ou retardam esses electrões, provocando oscilações que geram microondas, e podeser repartidos por 4 fases:1ª Fase: Produção e aceleração do feixe electrónico.2ª Fase: Modulação de velocidade do feixe electrónico por campos AC e DC. (provoca oscilações).3ª Fase: Formação da carga espacial girante. (mantém as oscilações)4ª Fase: Cedência de energia ao campo magnético AC. 1ª Fase: 2ª Fase: 3ª Fase: 4ª Fase: Caminhos dos electrões Carga espacial rotativa Campos magnéticos sob a influência da variação num magnetrão de oito Percurso do electrão de alta frequência do campo magnético inicial. cavidades.24-11-2011 Por : Luís Timóteo 84
  • 85. Electrónica Analógica Válvulas Especiais - Microondas MagnetrãoFuncionamento:O magnetrão é chamado um dispositivo de campos cruzados, porque ambos os campos, magnético e eléctrico, são usados no seu funcionamento e são produzidos em direcções perpendiculares, pelo que se cruzam. O campo magnético aplicado é constante pelos imanes permanentes e é aplicado ao longo do eixo das cavidades. A alimentação é aplicada ao cátodo, que ao ser aquecido liberta electrões que na ausência do campo magnético, tenderiam a movimentar-se no sentido radial do anel do ânodo que os rodeia. Cátodo Aplicando uma tensão de 3 V no filamento, este aquece o cátodo (que está ligado no próprio filamento).O cátodo aquecido liberta os electrões que são atraídos com força pela placa através de uma alta tensão (0 V na placa e - 4.000 V no filamento - cátodo) Fase 1.24-11-2011 Por : Luís Timóteo 85
  • 86. Electrónica Analógica Válvulas Especiais - Microondas MagnetrãoFuncionamento:O campo magnético dos dois imanes colocados em volta do magnetrão faz os electrões girarem em alta velocidade á volta das pequenas cavidades da placa. (fase 2). Cada cavidade funciona como uma bobina e um condensador em paralelo ressonantes em ±2.450 MHz. Desta forma com o movimento dos electrões as ondas são induzidas nestas cavidades, e somam-se e saindo pela antena com grande intensidade (cerca de 900 W). fase 3/4.IMPORTANTE - O magnetrão nunca deve ser ligado sem estar aparafusado no seu local correcto, pois as ondas emitidas por ele são perigosas ao corpo humano, podendo causar queimaduras ou até cancro.24-11-2011 Por : Luís Timóteo 86
  • 87. Electrónica Analógica Válvulas Especiais - Microondas Magnetrão SintonizávelSintonia do magnetrão:Um magnetrão sintonizável permite um sistema operar a uma frequência precisa em qualquer ponto da banda de frequências, dependente das características do magnetrão. A frequência de ressonância dum magnetrão pode ser alterada variando a indutância ou a capacitância das cavidades ressonantes. Modo de oscilação Elementos de sintonia indutivos StrappingÂnodo Magnetron M5114B24-11-2011 Por : Luís Timóteo 87
  • 88. Electrónica Analógica Válvulas Especiais - Microondas TWT’s – Válvulas de ondas progressivasEm 1944, durante a II GM, Ludolf Kompfne inventou o TWT (Travelling Wave Tube), num laboratório de radar em Inglaterra, com um princípio semelhante ao do Klystron mas usando uma estrutura de retardo (slow wave) em vez da cavidade ressonante, que tem uma maior largura de banda mas uma eficiência mais reduzida.Durante muito tempo os TWT’s foram, e ainda são, largamente usados em microondas e ondas milimétricas, tanto na geração de sinal como na amplificação de média potência, tendo começado a ser substituídos recentemente por dispositivos de estado sólido semelhantes, continuam a ser alvo de grande investigação, estando em constante evolução, pois combinam altas frequências, largura de banda e potência.24-11-2011 Por : Luís Timóteo 88
  • 89. Electrónica Analógica Válvulas Especiais - Microondas TWT’s - Válvulas de ondas progressivas Estrutura: Directional couplers Cátodo Imanes Electrongun permanentes Colector Electronbeam Helix Modulação no feixe electrónico RF In RF induzido no Helix24-11-2011 Por : Luís Timóteo 89
  • 90. Electrónica Analógica Válvulas Especiais - Microondas TWT’s - Válvulas de ondas progressivas Estrutura: Directional couplers Ânodo Focus Cátodo ColectorFilamentos Imanes Electrongun permanentes Helix Electronbeam Modulação no feixe electrónico RF In RF induzido no Helix24-11-2011 Por : Luís Timóteo 90
  • 91. Electrónica Analógica Válvulas Especiais - Microondas TWT’s - Válvulas de ondas progressivasFuncionamento: Os TWT’s são amplificadores de microondas, de baixo ruído, alto ganho, e grande largura de banda superior a uma oitava. Com ganhos de 40 dB’s (100) com uma largura de banda superior a uma oitava ( o dobro da frequência de entrada)podendo trabalhar para frequências acima do 300 MHz até aos 50 GHz. Contem um canhão electrónico que produz, e depois acelera um feixe de electrões ao longo do eixo do tubo. Os Imanes que envolvem o tubo fornecem um campo magnético ao longo do eixo do tubo de modo a manter os electrões focados em feixe. O Helix , na parte central do tubo, é um fio bobinado que fornece uma linha de transmissão de baixa impedância para a energia de RF dentro do tubo. O feixe electrónico acompanha o Helix do principio ao fim. Se os electrões do feixe forem acelerados para uma velocidade mais rápida do que aqueles através do Helix produzir-se-á um efeito de concentração (vaga) de electrões por modulação em velocidade, causada pela interacção entre os campos gerados pelas ondas do Helix e o feixe de electrões. A Concentração de electrões do feixe em vagas (Bunching) provoca uma cedência de energia para as ondas a viajar através do Helix se os campos tiverem a polaridade correcta de modo a abrandar as concentrações de electrões (vagas). As transferências de energia ente as vagas de electrões do feixe, e as ondas viajando no Helix aumentam a amplitude destas de uma forma progressiva ao longo do comprimento do tubo, que no final são retiradas através de um acoplador direccional para alimentarem directamente um antena de transmissão.24-11-2011 Por : Luís Timóteo 91
  • 92. Electrónica Analógica Válvulas Especiais - Microondas TWT’s - Válvulas de ondas progressivasFuncionamento: Helix Radiação Coerente e Amplificação das ondas Electromagnéticas (EM) num TWT. Feixe de electrões modulado por campo magnético Power saturation EM Wave phase velocity ≋ Beam Velocity Power of EM Wave Electron Beam Electron Beam Electric Field EM Wave Densidade de carga Max. EM is amplified exponentially Regime Linear Regime não Linear24-11-2011 Por : Luís Timóteo 92
  • 93. Electrónica Analógica Válvulas Especiais - Microondas TWT’s - Válvulas de ondas progressivas Os TWTs têm uma vasta gama de aplicações em comunicações desde a GuerraElectrónica (electronic warfare -EW) á exploração espacial através de satélites. Isto porquenão há nenhum dispositivo que rivalize com os TWT’s, no que toca á combinação de largurade banda e potência em altas frequências. Mais recentemente com o advento das novastecnologias e conceitos inovadores têm aumentado consideravelmente a eficiência e apotência dos TWT’s…Contra medidas de Guerra Electrónica Sistemas de comunicações de Banda larga Via Satélite24-11-2011 Por : Luís Timóteo 93
  • 94. Electrónica Analógica Válvulas Especiais - Microondas TWTATravelling Wave Tube Amplifier (abreviado – TWTA) é o conjunto dum amplificador que usa um TWT como amplificador de alta potência em microondas assim como todos os outros circuitos adjacentes ao seu funcionamento.Alimenta directamente uma antena, e são especialmente utilizados em “transponders” de satélites, sistema de radares aerotransportados, guerra electrónica (Electronic warfare) e outros sistemas de detecção e defesa militares.24-11-2011 Por : Luís Timóteo 94
  • 95. Electrónica Analógica Válvulas Especiais - MicroondasVálvulas de ondas Regressivas - Backward Wave Oscillator (BWO)CarcinotronNo final da década de 50 foi desenhado um novo oscilador de microondas de baixa potência (50 a 500 mW) . Tem muitas semelhanças com o magnetrão no aspecto de frequência, mas que se pode sintonizar numa banda mais larga de frequências, pela variação da voltagem de aceleração e existem em dois tipos (M-BWO) e. (O-BWO).Se se variar continuamente a tensão, dá a sensação de estar a irradiar em toda a banda. Devido á sua variação rápida de frequência, (…200G HZ…1.1 THz) o que faz do carcinotron um elemento ideal de “Jammig “ em circuitos de radar, é muito usado em aplicações militares de Guerra Electrónica.Outras aplicações são. Pesquisa químicas da atmosférica, espectroscopia, teste de sensores sólidos, etc.,.O seu funcionamento é semelhante ao do TWT, mas as ondas geradas (travelling waves), tem um sentido oposto ao do feixe electrónico (relativistic beam).24-11-2011 Por : Luís Timóteo 95
  • 96. Electrónica Analógica Válvulas Especiais - MicroondasVálvulas de ondas Regressivas - Backward Wave Oscillator (BWO)Carcinotron – Funcionamento:As ondas geradas, são mantidas por reflexão (Slow Wave structure) do feixe electrónico de velocidade relativa (relativistic beam), gerando RF no sentido oposto ao sentido do feixe electrónico que devida á interacção dos campos magnéticos resultantes, cede energia, de modo que ambas as velocidades sejam iguais (Sincronismo de Cerencov).O sinal de saída é retirado perto canhão de electrões (electron Gun). No final do tubo existe um colector de irradiação do feixe (Ânodo) que absorve os electrões do feixe restantes.A frequência de oscilação pode ajustar-se variando a tensão entre canhão electrónico e o ânodo. Magnetic field Electron Gun Relativistic beam Energy Ânodo (slow wave structure) Output loop Símbolo gráfico de um oscilador de onda regressiva Thomson CSF CV6124BWO de nova geração24-11-2011 Por : Luís Timóteo 96
  • 97. Electrónica Analógica Válvulas Especiais - Microondas Válvulas aceleradoras de microondas - Gyrotron Estrutura:As válvula (tubos) de microondas vistos até agora (TWT’s) foram desenhados para produzirem uma interacção dum campo magnético sobre as ondas Electromagnéticas de RF, atrasando estas para 1/10 da velocidade da luz, em que as dimensões físicas (dos tubos) de propagação das ondas estavam dependentes do comprimento de onda.A pesquisa contínua no sentido de alcançar mais potência a mais altas frequências (mais de 1 megawatt a frequências de 60 GHz ou 100 kilowatts a 200 GHz) requer tubos electrónicos que operem sob um principio diferente dos convencionais TWT’s, uma vez que para estas frequências as dimensões seriam muito reduzidas.Gyrotrons são válvulas (tubos electrónicos) de alta potência, que emitem um feixe de ondas milimétricas, pela movimentação de electrões em movimento espiral (cyclotron effect) numa cavidade ressonante, sob um campo magnético intenso. Tem potências de saída na ordem das dezenas de Kilowatts até alguns Megawatts, numa gama de frequências dos 20 aos 250 GHz.24-11-2011 Por : Luís Timóteo 97
  • 98. Electrónica Analógica Válvulas Especiais - Microondas Válvulas aceleradoras de microondas - Gyrotron Funcionamento:Os Gyrotrons usam um mecanismo de transferência de energia entre um electrão a orbitar um campo magnético e um campo magnético com frequência ciclotrónica. A frequência ciclotrónica é inversamente proporcional á massa dum electrão e directamente proporcional á sua velocidade e á intensidade do campo magnético. A velocidades muito altas ( perto da velocidade da luz), a massa dos electrões aumenta (devido ao efeito relativista), e este aumento reduz a frequência ciclotrónica.A interacção entre os electrões em órbita e o campo magnético é tal, que se for dada energia ao campo, os electrões perdem alguma massa, cedendo energia, alteram a fase da frequência ciclotrónica.Uma das grandes vantagens dos tubos aceleradores é terem altas potências e terem dimensões muito maiores que os comprimentos de onda, contrariamente á generalidade das válvulas, e não dependem das propriedades do material ou da cavidade ressonante mas sim da intensidade do campo magnético, para o qual são usadas muito altas tensões de corrente AC, para acelerar devidamente os electrões e dar a respectiva transferência de energia. Cyclotron EffectMASER – Microwave Amplification by Stmulated Emission of Radiation24-11-2011 Por : Luís Timóteo 98
  • 99. Electrónica Analógica Válvulas Especiais - Microondas Válvulas aceleradoras de microondas - Gyrotron Estrutura: Colector do Feixe 0 KV Bobines do Colector Colector Feixe Electrónico Janela de Diamante Janela de Diamante 3mSaída do Feixe de Microondas Contentor (vessel) Espelhos de Isolador lançamento Cerâmico Bobines do (Recuperador Energia) Mode Converter Campo 5Tesla +30 KV Magnético Cavidade de Cavidade Ressonante Oscilação +30 KV (dentro) Feixe Electrónico Bobines de 80 KeV 40A focagem de feixe Canhão Canhão Electrónico Emissor de Feixe Electrónico -50 KV 24-11-2011 Por : Luís Timóteo 99
  • 100. Electrónica Analógica Válvulas Especiais - Microondas Válvulas aceleradoras de microondas - Gyrotron Estrutura/Funcionamento:24-11-2011 Por : Luís Timóteo 100
  • 101. Electrónica Analógica Válvulas Especiais - Microondas Válvulas aceleradoras de microondas - CyclotronO Cyclotron foi um dos primeiros aceleradores de partículas, e ainda é usado como primeiro andar de aceleradores de partículas sento o seu efeito utilizado nas cavidades ressonantes dos Gyrotrons com essa finalidade.Usa a força magnética para curvar o movimento de partículas em semicírculos entre acelerações aplicadas por um campo eléctrico. O campo eléctrico aplicado acelera os electrões entre os dois “Des” do campo magnético. O campo magnético é invertido á frequência cyclotron (ciclotrónica) acelerando os electrões cada vez que passam pelo espaço entre “Des” chamado “Gap”. Des Área de campo magnético uniforme Área de campo magnético uniforme Área de campo Eléctrico Gap Área de campo Eléctrico Onda quadrada do campo eléctrico aplicada entre os “Des” das áreas dos campos magnéticos Movimento em espiral dos Saída do feixe electrões acelerados. de electrões de alta velocidade.24-11-2011 Por : Luís Timóteo 101
  • 102. Electrónica Analógica Válvulas Especiais - Microondas Válvulas aceleradoras de microondas - Cyclotron Estrutura/Funcionamento:Uma carga em movimento num Cyclotron, percorrerá um movimento circular sob a influência dum campo magnético constante. Sendo no tempo de uma órbita T:Onde o período é independente do raio. Porém se aplicada uma onda quadrada com a frequência angular qB/m, a carga terá um movimento em espiral centrifugo aumentando de velocidade.Quando a frequência angular entre os dois lados (Des) dos polos magnéticos muda, transfere energia de aceleração ás cargas quando passam pelo “Gap” de tal modo que a frequência constante do cyclotron continua acelerando os electrões (desde que não se torne relativista)… 24-11-2011 Por : Luís Timóteo 102
  • 103. Electrónica Analógica Válvulas Especiais - Microondas Válvulas aceleradoras de microondas - Cyclotron  Estrutura:24-11-2011 Por : Luís Timóteo 103
  • 104. Electrónica Analógica Válvulas Especiais - Microondas Válvulas aceleradoras de microondas - Cyclotron Funcionamento: cyclotron.swf24-11-2011 Por : Luís Timóteo 104
  • 105. Electrónica Analógica Microondas Espectro das microondas:24-11-2011 Por : Luís Timóteo 105
  • 106. Electrónica Analógica Microondas Evolução dos circuitos de microondas ao longo dos tempos: 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990… Electrical Grid Modulators Pulsed Power Technology Tubes Klystron Cross Solid Conventional Microwaves Radio Magnetron Field State TWT - BWO Amplifiers Devices Plasma Intense Fusion Devices Physics Beams .BWO .CARM High .MILO .FEl .TWT Power .Rel.Klystron .Gyrotron Microwaves .Relativistic .Multiwave Magnetron Cerencov .Vircator Generator .Reflex .Relativistic Triode Diffraction Generator24-11-2011 Por : Luís Timóteo 106
  • 107. Electrónica Analógica Microondas Amplificadores de Microondas por potência e frequência: HPM-High Power Microwave system24-11-2011 Por : Luís Timóteo 107
  • 108. Electrónica Analógica Válvulas Afinal… Ah e tal!...Transístores, … Circuitos Integrados,… Pc’s!..: Afinal há válvulas em todo o lado!...24-11-2011 Por : Luís Timóteo 108
  • 109. Electrónica Analógica Bibliografia…. http://www.radartutorial.eu http://www.britannica.com/ http://www.allrefer.com http://wise-obs.tau.ac.il http://jolisfukyu.tokai-sc.jaea.go.jp http://inisjp.tokai-sc.jaea.go.jp http://www.tubecollector.org http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu http://www.sciences.univ-nantes.fr24-11-2011 Por : Luís Timóteo 109

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