VÁLVULAS ELETRÔNICAS

Introdução

Em 1883, Thomaz Edison fazendo experiências com diversos tipos de filamentos sob

vácuo para obtenção de uma lâmpada elétrica incandescente, nota um fenómeno que

ficou conhecido como "Efeito Édison“ ou “Efeito Termiônico”. Onde posteriormente deu

origem as vávulas, diodos e transitores.

Efeito termiônico é o processo pelo qual os elétrons atingem energia suficiente, por

meio do calor, para escapar da superfície de um metal aquecido.

Os elétrons circulam por um condutor quando é aplicada uma diferença de potencial

sobre seus terminais, eles tendem a saltar das órbitas externas de seus átomos

movendo-se com rápidos movimentos oscilatórios, cuja velocidade aumenta com o

aumento da temperatura. Onde até então na temperatura ambiente isso não

acontece porque sua velocidade não é suficientemente grande para superar a força

de atração dentro do material.

Para escapar desse material os elétrons necessitam realizar um trabalho para

escapar da força de atração e está quantidade trabalho é dado o nome de função

trabalho do material.

Figura 01

Na Figura 01, um filamento metálico F e um anodo também metálico A estão em uma ampola sobvácuo (a presença de ar impede a emissão de elétrons).

A fonte de tensão B1 aquece o filamento e a fonte B polariza o anodo positivamente. Nessa condição, os elétrons emitidos pelo filamento são atraídos pelo potencial positivo do anodo,

fazendo circular uma corrente I pelo circuito.

Figura 02

Se a polaridade da fonte B for invertida conforme Figura 02, o anodo terá um potencial negativo, repelindo os elétrons emitidos pelo filamento e não haverá corrente no circuito.

Esse arranjo é, na prática, um diodo retificador, isto é, um componente que só permite a passagem da corrente elétrica em uma direção.

O anodo da válvula é usualmente chamado de placa e o filamento, catodo. Assim, a tensão da fonte B que polariza a placa é ditatensão de placa e a corrente I, corrente de placa.

Figura 03

A variação da corrente de placa com a tensão se dá de forma parecida com o gráfico ao lado.

Ela varia linearmente com a tensão até certo valor e depois a curva se achata com tendência a um limite, isto é, uma tensão de saturação (acima desta última, não há aumento da corrente de placa).

A característica de linearidade das válvulas é superior à dos semicondutores.

Construção prática

O arranjo esquemático do tópico anterior não é usado na prática porque, para se obter correntes em níveis apreciáveis, a placa deve ter a maior área possível exposta ao filamento.

Figura 01

A Figura 01 (a) dá uma idéia da construção prática típica: a placa é um tubo cilíndrico vertical que envolve o filamento. O conjunto está no interior de um invólucro de vidro sob vácuo, com

pinos de ligação na parte inferior para encaixe em soquete. Conforme tópico anterior, o filamento é ao mesmo tempo um elemento de aquecimento e

emissor de elétrons (catodo). Este tipo de construção é chamado aquecimento direto. Muitas vezes é conveniente uma separação elétrica entre eles. Assim, o catodo é um fino tubo

que envolve o filamento conforme Figura 01 (b). Esse tipo é dito aquecimento indireto. O aquecimento indireto tem vantagens, pois separação elétrica entre filamento e catodo dá

liberdade ao desenvolvimento dos circuitos. Além disso, em muitos casos pode-se alimentar o filamento com corrente alternada, evitando retificação. A contrapartida é um maior consumo de energia, pois nunca há total transferência de calor do filamento para catodo. Válvulas de alta

potência, como os magnétrons dos fornos de microondas, usam em geral aquecimento direto.

Na Figura 01 (a), o símbolo padrão para o diodo de aquecimento direto (placa e filamento, que é

também o catodo).

Na Figura 01 (b), o símbolo para o diodo de aquecimento indireto (placa, catodo e filamento).

Simbologia

Figura 01

COMPONENTES DE UMA VÁLVULA ELETRÔNICA

TUBO DE VIDRO – É uma substância sólida e sem forma definida, descoberto por acaso,

quando faziam fogueiras na praia, os navegadores perceberam que a areia e o calcário se

combinaram através da ação da alta temperatura. Obtido com o resfriamento de uma massa

líquida à base de sílica. Ele é obtido por fusão em torno de 1.250 °C de dióxido de silício,

(SiO2), carbonato de sódio (Na2CO3) e carbonato de cálcio (CaCO3).

CATODO (FILAMENTO) – Elemento de cor branca acinzentada, brilhante, muito duro e denso,

tem o ponto de fusão mais alto de todos os elementos. É utilizado em filamentos de lâmpadas

incandescentes, resistências elétricas (elemento aquecedor em fornalhas elétricas), válvulas

termiônicas, eletrodos para solda elétrica, e de conexão para circuitos integrados.

Símbolo: W

Ponto de fusão: 3.422 °C

Ponto de ebulição: 5.555 °C

Número atômico: 74

Massa atômica: 183,84 u ± 0,01 u

Descobrimento: 1783

Série química: Metal, Metal de transição, Elemento do 6º Grupo, Elemento do 6º Período, Metal

pesado e tóxico

ANODO (PLACA) - é o nome dado devido a sua construção mecânica, pois, veste

aos eletrodos internos, filamento, cátodo e grades, do dispositivo, existe uma placa metálica,

cuja função é absorver a maior quantidade possível de elétrons emitidos pelo cátodo (filamento).

Geralmente a placa é construída com materiais que tem o índice de emissão eletrônica (

elementos que não emitem elétrons termionicamente na temperatura de funcionamento normal

da válvula eletrônica), estes elementos são o ferro, o níquel.

A placa é montada externamente ao cátodo e eletricamente isolada, sua superfície é negra

para absorver a maior quantidade possível do calor produzido pelas correntes catódicas e

anódicas, de forma a irradiá-lo para fora, havendo assim uma dissipação calórica

por irradiação térmica.

FERRO

É um elemento químico, símbolo Fe, de número atômico 26 e massa atómica 56 u. À

temperatura ambiente, o ferro encontra-se no estado sólido.

Símbolo: Fe

Massa atômica: 55,845 u ± 0,002 u

Ponto de fusão: 1.538 °C

Elétrons por camada: 2, 8, 14, 2

Número atômico: 26

Ponto de ebulição: 2.862 °C

Série química: Metal, Metal de transição, Elemento do 4º período, Elementos do Grupo 8, Metal

pesado tóxico.

NÍQUEL

É um elemento químico de símbolo Ni de número atômico 28 e de massa atómica 58,7 uma. À

temperatura ambiente, encontra-se no estado sólido. É um elemento de transição situado no

grupo 10 da Classificação Periódica dos Elementos.

Símbolo: Ni

Massa atômica: 58,6934 u ± 0,0002 u

Ponto de fusão: 1.455 °C

Raio de Van der Waals: 200 pm

Número atômico: 28

Configuração eletrônica: [Ar] 4s23d8

Série química: Metal, Metal de transição, Elemento do 4º período, Metal pesado tóxico,

Elementos do Grupo 10

O que podemos ver a seguir na figura abaixo é a transição da válvula para transistor:

As válvulas predominaram até meados de 1947, quando foram inventado nos Laboratórios da

Bell Telephone por acaso conforme comentários ( os técnicos estavam procurando um

dispositivo de estado sólido equivalente a válvula eletrônica ) de maneira acidental durante

estudos em torno de um diodo de ponto de contato (ele tem uma pequena haste de metal que

é pressionada contra uma região do tipo N. Por um processo de fusão é criada no ponto de

contato uma região do tipo P).

A utilização desse dispositivo é grande utilidade em circuitos de freqüência elevada, porém com

baixos níveis de potência. A figura a seguir, mostra um diodo de contato de ponto.

William Bradford Shockley Jr., que chefiava as pesquisas não ficou feliz pois procurava um

amplificador semicondutor similar, que chamamos hoje de “junção FET”. (abreviação de Field

Effect Transistor) ou transistor de efeito de campo é um dipositivo que pode ser usado como

amplificador, chave ou oscilador .

O nome transistor foi derivado de suas propriedades intrínsecas (resistor de transferência), em

inglês: “TRANsfer reSISTOR”.

O FET básico é formado por uma peça de material semicondutor na qual duas regiões P são

formadas, deixando entre elas um canal conforme mostrado abaixo:

Embora o transistor na época não alcançou uma total supremacia comercial, devido ao alto

custo de fabricação e utilização do germânio ( elemento raro ). A principal substância em que se

encontra presente é o dióxido de germânio (Ge02).

Os melhores transistores custavam 8 dólares onde em contrapartida as válvulas custavam 75

cents.

Shochley ignorou o transistor de ponto de contato e continuou suas pesquisas em em outro

sentido, onde ele reorientou suas idéias e desenvolveu a teoria do transistor de junção.

Começando nessa época a industrialização do transistor.

O transistor de ponto de contato ficou obsoleto por volta de 1953, onde apenas uns milhares

foram fabricados.

Logo se descobriu que o silício oferecia uma série de vantagens sobre o germânio: maior

resistência a temperatura (1420 graus Celsius), baixa corrente de fuga, maior tensão de corte,

um mineral abundante, maior dissipação de calor.

Tais fatos somado ao aperfeiçoamento tecnológico no processo de produção, baixou o preço do

componente, fazendo com que ele se popularizasse e virasse uma revolução na indústria de

computadores. Onde tal revolução só voltaria a acontecer novamente com os circuitos

integrados.

COMPONENTES TRÂNSISTOR

GERMÂNIO

O germânio é um elemento químico de símbolo Ge, número atômico 32 com massa atómica 72u.

À temperatura ambiente, o germânio encontra-se no estado sólido. É um metal pertencente ao

grupo 14 da Classificação Periódica dos Elementos. Descoberto por Clemens Winker

Símbolo: Ge

Número atômico: 32

Descobrimento: 1886

Massa atômica: 72,64 u ± 0,01 u

Configuração eletrônica: [Ar] 3d104s24p2

Ponto de fusão: 938,2 °C

SILÍCIO

O silício é um elemento químico de símbolo Si de número atômico 14 com massa atómica igual a

28 u. À temperatura ambiente, o silício encontra-se no estado sólido. Foi descoberto pelo

químico sueco Jöns Jacob Berzelius, em 1823.

Símbolo: Si

Número atômico: 14

Configuração eletrônica: [Ne] 3s23p2

Massa atômica: 28,0855 u ± 0,0003 u

Elétrons por camada: 2,8

Ponto de fusão: 1414,4 °C

Série química: Elemento do 3º Período, Grupo do carbono, Semimetal

É o segundo elemento químico mais abundante na crosta terrestre perdendo apenas para o

oxigênio, conforme mostrado na tabela abaixo:

ABUNDÂNCIA DOS ELEMENTOS NA CROSTA TERRESTRE

RANKING ELEMENTO Nº ATOMICO ABUNDÂNCIA EM % NA CROSTA TERRESTRE

1º Oxigênio 08 46.1

2º Silício 14 28.2

Alumínio 13 8.23

Hidrogênio 01 270

Sódio 11 260

Cálcio 20 4.15

Ferro 26 5.15

Magnésio 12 2.33

Potássio 19 2.09

Titânio 22 0.565

Fosforo 15 0.105

Carbono 06 0.02

50º Germânio 32 0.00015

CONCLUSÃO

Podemos concluir que a válvula e o transistor foram descobertos por acaso em função de outras

pesquisas para descobrir outros componentes, como um filamento para a lâmpada

incandescente e um componente de estado sólido que pudesse substituir a válvula.

BIBLIOGRAFIA

http://www.fazano.pro.br/port105.html

http://www.bn.com.br/radios-antigos/semicond.htm

http://www.mspc.eng.br/eletrn/vterm_110.shtml

https://pt.wikipedia.org/wiki/Efeito_termi%C3%B4nico