Antes dos transistores dominarem os equipamentos eletrônicos, existia um componente fundamental para a construção de rádios, amplificadores, televisores, computadores e inúmeros outros equipamentos:
a válvula eletrônica.
As válvulas foram precursoras dos transistores em muitas das funções que hoje realizamos utilizando semicondutores.
Mesmo depois do surgimento do transistor, porém, elas não desapareceram.
Ainda encontramos válvulas em aplicações específicas e, principalmente, em equipamentos de:
áudio;
amplificadores para instrumentos musicais;
equipamentos de alta potência;
transmissores de radiofrequência.
No universo do áudio, elas continuam especialmente conhecidas pelos amplificadores valvulados.
Mas como uma válvula consegue controlar e até amplificar um sinal elétrico?
Para entender isso, precisamos voltar ao século XIX e conhecer uma descoberta associada a Thomas Edison.
O efeito Edison e a origem das válvulas
Thomas Edison estava realizando experiências com suas lâmpadas incandescentes quando observou um fenômeno interessante.
Quando determinado material é suficientemente aquecido, elétrons podem adquirir energia suficiente para escapar de sua superfície.
Esse fenômeno ficou historicamente associado ao chamado efeito Edison e posteriormente passou a ser compreendido no contexto da:
emissão termiônica.
Essa descoberta seria fundamental para o desenvolvimento das válvulas eletrônicas.
A ideia básica é:
aquecimento
↓
energia fornecida aos elétrons
↓
emissão de elétrons.
É por isso que as válvulas precisam ser aquecidas para funcionar.
Por que uma válvula acende?
Quando observamos uma válvula funcionando, frequentemente conseguimos perceber uma pequena região:
incandescente.
Isso está relacionado ao sistema de aquecimento da válvula.
Um filamento, ou aquecedor, recebe energia elétrica e produz calor.
Dependendo do tipo de válvula, podemos ter dois sistemas diferentes:
aquecimento direto
ou:
aquecimento indireto.
Essa diferença é importante.
Válvula de aquecimento direto
Nas válvulas de aquecimento direto, o próprio filamento aquecido desempenha também a função de:
cátodo emissor de elétrons.
Podemos representar de maneira simplificada:
corrente no filamento
↓
filamento aquece
↓
elétrons são emitidos.
Nesse caso, filamento e cátodo estão funcionalmente associados ao mesmo elemento.
Válvula de aquecimento indireto
Nas válvulas de aquecimento indireto existe uma separação.
Temos um:
aquecedor
que produz calor e um:
cátodo
que é aquecido por ele.
Assim:
aquecedor → aquece o cátodo → cátodo emite elétrons.
Essa é uma correção importante em relação à maneira como às vezes simplificamos o assunto: o filamento não deve ser chamado genericamente de cátodo em todas as válvulas.
Em uma válvula de aquecimento indireto são elementos distintos.
Qual é a tensão do filamento?
Isso depende da válvula.
Uma tensão extremamente comum em válvulas utilizadas em amplificadores é:
6,3 V.
Mas isso não significa que todas as válvulas utilizem 6,3 V.
Existem válvulas projetadas para diferentes:
tensões e correntes de aquecimento.
Por isso, antes de alimentar uma válvula, precisamos consultar suas especificações.
Aplicar uma tensão inadequada ao filamento pode reduzir sua vida útil ou até danificá-lo.
O primeiro passo: a válvula diodo
A forma mais simples de válvula eletrônica possui essencialmente dois eletrodos responsáveis pelo funcionamento elétrico:
cátodo
e:
ânodo, também chamado historicamente de placa.
Por possuir dois eletrodos, ela recebe o nome:
diodo.
O prefixo di indica justamente essa ideia de dois elementos principais.
Como funciona a válvula diodo?
Primeiro aquecemos o cátodo.
Ele passa a emitir elétrons.
Se colocarmos a placa em um potencial positivo em relação ao cátodo, os elétrons emitidos são atraídos em direção a ela.
Temos então:
cátodo aquecido
↓
emissão de elétrons
↓
elétrons atraídos pela placa
↓
circulação de corrente.
Se invertermos adequadamente essa condição elétrica, a válvula não conduz da mesma maneira.
Assim como ocorre com um diodo semicondutor, temos uma característica fundamental:
a corrente é favorecida em um sentido.
A válvula diodo pode ser utilizada para retificação
Essa característica permite utilizar válvulas diodo como:
retificadores.
Retificar significa transformar uma corrente alternada em uma corrente que circula predominantemente em uma direção.
Esse princípio foi muito utilizado em fontes de alimentação de equipamentos valvulados.
Em amplificadores antigos — e mesmo em alguns amplificadores valvulados atuais — podemos encontrar válvulas retificadoras desempenhando justamente essa função.
Mas o diodo não amplifica
A válvula diodo foi importantíssima, mas possui uma limitação para aquilo que viria a revolucionar a eletrônica:
ela não fornece o mecanismo de controle necessário para amplificação de tensão como o triodo.
Para conseguir isso foi acrescentado outro elemento entre o cátodo e a placa.
Nascia a:
válvula triodo.
A válvula triodo
A válvula triodo possui três eletrodos funcionais principais:
cátodo;
grade de controle;
placa ou ânodo.
A grande novidade é justamente a:
grade de controle.
Ela fica posicionada entre o cátodo e a placa e permite controlar o fluxo de elétrons.
E é aqui que começamos a entender por que as válvulas foram tão importantes para o surgimento da eletrônica moderna.
A grade controla a corrente da válvula
Imagine o fluxo:
cátodo → elétrons → placa.
Agora colocamos entre eles a:
grade de controle.
Alterando a tensão aplicada à grade, conseguimos modificar a quantidade de corrente que circula entre cátodo e placa.
Temos então:
pequena alteração na tensão da grade
↓
alteração na corrente de placa.
Isso permite utilizar a válvula para:
controlar um sinal maior a partir de um sinal menor.
E daí surge a possibilidade de:
amplificação.
Como um sinal de áudio pode ser amplificado?
Imagine um pequeno sinal elétrico proveniente de uma fonte de áudio.
Aplicamos esse sinal à grade de controle.
À medida que a tensão na grade varia, ela controla o fluxo de elétrons entre:
cátodo e placa.
Assim, pequenas variações na entrada conseguem provocar variações maiores no circuito de saída.
De maneira simplificada:
pequeno sinal na grade
↓
controle da corrente da válvula
↓
variação maior no circuito de placa
↓
sinal amplificado.
É esse princípio que permitiu utilizar válvulas em amplificadores.
A válvula não cria energia
Existe um detalhe fundamental.
Quando dizemos que uma válvula amplifica um sinal, não significa que ela esteja criando energia do nada.
A energia necessária para produzir o sinal de maior potência vem da:
fonte de alimentação.
O pequeno sinal aplicado à grade atua controlando essa energia.
Podemos pensar:
sinal de entrada → controla
fonte de alimentação → fornece energia
válvula → controla a corrente
saída → sinal amplificado.
Esse mesmo conceito geral aparece posteriormente nos transistores.
Por que os amplificadores valvulados trabalham com tensões elevadas?
Uma diferença importante entre muitos circuitos transistorizados e valvulados é a tensão de operação.
Embora o aquecedor de uma válvula possa trabalhar, por exemplo, com:
6,3 V,
isso não significa que todo o circuito funcione nessa tensão.
A placa de uma válvula pode trabalhar com tensões de:
centenas de volts, dependendo do circuito e da válvula.
Por isso amplificadores valvulados exigem bastante cuidado.
Mesmo depois que o equipamento é desligado, os capacitores da fonte podem permanecer carregados com tensões perigosas.
Do triodo para o tetrodo
O triodo permitiu a amplificação, mas também apresenta características internas que podem limitar seu desempenho em determinadas aplicações.
Uma delas está relacionada à interação elétrica entre a:
grade de controle
e a:
placa.
Para melhorar algumas dessas características foi acrescentada uma segunda grade.
Surgia a:
válvula tetrodo.
Como é formada uma válvula tetrodo?
O tetrodo possui quatro eletrodos principais:
cátodo;
grade de controle;
grade de blindagem ou grade de tela;
placa.
A nova grade é normalmente chamada de:
screen grid, ou grade de tela/blindagem.
Ela fica posicionada entre a grade de controle e a placa.
[INSERIR AQUI A SUA IMAGEM/SIMBOLOGIA DA VÁLVULA TETRODO]
A introdução dessa grade ajuda a reduzir a influência elétrica da placa sobre a grade de controle e melhora determinadas características de funcionamento da válvula.
E por que surgiu o pentodo?
Ainda havia outro fenômeno a ser tratado.
Quando os elétrons atingem a placa com energia suficiente, podem provocar a emissão de outros elétrons da própria superfície da placa.
É a chamada:
emissão secundária.
Esse comportamento pode interferir no funcionamento desejado da válvula.
Uma solução foi acrescentar:
mais uma grade.
Nascia o:
pentodo.
Como é formada uma válvula pentodo?
Como o próprio nome indica, encontramos cinco eletrodos funcionais principais:
cátodo;
grade de controle;
grade de tela;
grade supressora;
placa.
A nova grade recebe o nome de:
grade supressora.
[INSERIR AQUI A SUA IMAGEM/SIMBOLOGIA DA VÁLVULA PENTODO]
Sua função está relacionada justamente à redução dos efeitos indesejados associados à emissão secundária da placa.
Diodo, triodo, tetrodo e pentodo
Agora conseguimos perceber uma evolução muito interessante:
DIODO
cátodo + placa
↓
permite retificação
TRIODO
cátodo + grade de controle + placa
↓
permite controlar a corrente e realizar amplificação
TETRODO
triodo + grade de tela
↓
reduz determinados efeitos entre placa e grade de controle
PENTODO
tetrodo + grade supressora
↓
reduz efeitos relacionados à emissão secundária.
Cada novo elemento foi acrescentado para solucionar ou melhorar alguma característica encontrada nas válvulas anteriores.
E onde fica o filamento nessa contagem?
Essa é uma dúvida interessante.
Se uma válvula pentodo possui:
cátodo + três grades + placa,
já temos cinco eletrodos.
Mas e o aquecedor?
A nomenclatura diodo, triodo, tetrodo e pentodo está relacionada aos eletrodos funcionais principais da válvula, e não simplesmente à quantidade total de fios, pinos ou peças existentes dentro do bulbo.
Por isso uma válvula pentodo pode possuir muito mais do que:
cinco pinos.
Uma válvula pode conter mais de um sistema dentro do mesmo bulbo
Outro detalhe interessante é que uma única válvula física não precisa conter apenas:
um triodo
ou:
um pentodo.
Existem válvulas que reúnem mais de uma seção dentro do mesmo envelope de vidro.
Um exemplo muito conhecido em amplificadores de áudio é o:
duplo triodo.
Nesse caso temos duas seções triodo dentro da mesma válvula.
Isso ajuda a reduzir a quantidade de componentes físicos necessários no equipamento.
Por que as válvulas foram substituídas pelos transistores?
As válvulas foram fundamentais para a eletrônica, mas apresentam algumas desvantagens.
Elas geralmente são:
maiores;
mais frágeis;
consomem energia para aquecimento;
produzem bastante calor;
exigem tempo para aquecer;
e muitos circuitos trabalham com:
tensões elevadas.
O transistor permitiu realizar muitas das mesmas funções utilizando componentes muito menores e sem necessidade de um filamento aquecido.
Isso possibilitou uma enorme:
miniaturização da eletrônica.
Imagine um celular construído com válvulas
Essa comparação ajuda a perceber a importância do transistor.
Um circuito integrado moderno pode possuir:
bilhões de transistores.
Seria completamente inviável tentar realizar algo semelhante utilizando bilhões de válvulas individuais.
O transistor abriu caminho para:
circuitos integrados;
microprocessadores;
computadores pessoais;
smartphones
e praticamente toda a eletrônica digital moderna.
Mas as válvulas não desapareceram completamente.
Por que ainda utilizamos válvulas em áudio?
Essa é provavelmente a pergunta mais interessante para quem gosta de eletrônica aplicada ao áudio.
Se os transistores são menores, eficientes e baratos, por que ainda existem:
amplificadores valvulados?
Existem diferentes razões.
Uma delas é histórica: muitos circuitos clássicos de amplificadores para instrumentos musicais foram construídos utilizando válvulas e se tornaram parte da identidade sonora desses equipamentos.
Outra está relacionada à maneira como determinadas etapas valvuladas se comportam quando são levadas para regiões:
não lineares.
A distorção produzida passa a fazer parte do som desejado, especialmente em:
amplificadores de guitarra.
Distorção nem sempre significa defeito
Em um amplificador destinado à reprodução extremamente fiel, normalmente queremos minimizar a distorção.
Mas em um amplificador para instrumento musical a situação pode ser diferente.
O próprio amplificador pode fazer parte da:
criação do timbre.
Quando guitarristas aumentam o ganho de determinados amplificadores valvulados, a alteração do sinal pode ser justamente aquilo que procuram.
Nesse contexto:
a distorção deixa de ser apenas um problema e passa a ser um efeito musical.
Válvula e transistor não precisam ser inimigos
Às vezes encontramos discussões tentando decidir se:
válvula é melhor
ou:
transistor é melhor.
Tecnicamente, essa pergunta isolada é pouco útil.
Cada tecnologia possui:
características;
vantagens;
limitações
e aplicações adequadas.
Existem inclusive equipamentos que utilizam:
válvulas + semicondutores
no mesmo projeto.
São os chamados circuitos:
híbridos.
O importante é compreender por que cada componente está sendo utilizado.
Uma válvula permite enxergar a história da eletrônica
Estudar válvulas não significa apenas estudar uma tecnologia antiga.
Quando entendemos a sequência:
diodo
↓
triodo
↓
tetrodo
↓
pentodo
começamos a perceber como diferentes problemas foram sendo solucionados durante o desenvolvimento da eletrônica.
Primeiro conseguimos:
retificar.
Depois conseguimos:
controlar e amplificar.
Em seguida melhoramos:
o comportamento e o desempenho das válvulas.
Muitos dos problemas que estudamos hoje em circuitos eletrônicos já estavam presentes, de outras formas, nos primeiros equipamentos valvulados.
Da válvula ao transistor
Existe uma bela continuidade histórica entre essas tecnologias.
A válvula mostrou que era possível utilizar um pequeno sinal para:
controlar uma corrente maior.
O transistor permitiu realizar funções semelhantes utilizando um dispositivo semicondutor muito menor.
Depois conseguimos colocar vários transistores em:
um único circuito integrado.
Depois:
milhares.
milhões.
E finalmente:
bilhões.
Grande parte da eletrônica que utilizamos atualmente é consequência dessa evolução.
Mas quando ligamos um amplificador valvulado e vemos aquelas válvulas aquecendo, estamos observando uma tecnologia que ajudou a tornar possível praticamente toda a:
eletrônica moderna.
Quer entender melhor válvulas e amplificadores de áudio?
Entender o funcionamento de uma válvula é muito mais interessante quando conseguimos relacioná-la aos demais componentes encontrados em um amplificador:
resistores;
capacitores;
transformadores;
fontes de alimentação;
alto-falantes;
estágios de pré-amplificação e potência.
A ideia é deixar de enxergar uma válvula apenas como aquele componente de vidro que acende dentro do amplificador e começar a entender:
como ela consegue controlar e amplificar um sinal elétrico.