Díodo de tubo de vácuo:o que é e como funciona

Díodos de tubo de vácuo de envelope de metal

Nos últimos tempos, vimos muitos avanços tecnológicos na área de dispositivos elétricos. Hoje em dia, podemos encontrar um monte de transistores criando portas lógicas e permitindo a computação.

Mas, os computadores existiam antes da invenção dos transistores e da corrente contínua. Embora essa forma mais antiga de computador fosse tão grande, ocupava salas inteiras e pesava milhares de libras no século 20.

O diodo de tubo de vácuo é o que desempenhou o papel dos transistores nesses computadores gigantes. Embora os transistores executem o mundo dos dispositivos eletrônicos modernos, o diodo a vácuo ainda tem seus usos.

Então, neste artigo, mostraremos tudo sobre um diodo valvulado, como ele funciona, seus tipos e aplicações para sua placa de circuito impresso, e suas características.

Vamos começar!

Tubo de vácuo

O que é um diodo de tubo de vácuo?

Antes da era dos transistores Sir John, Ambrose Fleming criou o que conhecemos como tubo de vácuo - em 1904. Sir Lee De Forest (do século 17) é outro nome a ser considerado, especialmente em relação a rádios e filamentos relacionados a diodos de tubo de vácuo.

O tubo de vácuo é um dispositivo que bloqueia o fluxo de elétrons individuais de uma corrente elétrica em uma direção (ânodo para cátodo) enquanto permite o fluxo de corrente elétrica em outra direção (cátodo para ânodo).

Agora, o diodo de vácuo é a forma mais simples do tubo de vácuo que produz e controla elétrons livres. Além disso, o diodo a vácuo possui dois eletrodos que conhecemos como cátodo e ânodo. O ânodo funciona como um coletor de elétrons, enquanto o cátodo serve como um emissor de elétrons. Também funciona como um filamento de 1,4 volts com uma válvula unidirecional que suporta filamentos aquecidos e finos.

Além disso, o cátodo pode ser um eletrodo positivo ou um eletrodo negativo durante sua descarga de campo eletrostático. Em outras palavras, possui ótimas propriedades de emissão de campo.

Ânodos são cilindros metálicos ocos feitos de níquel ou ferro. No entanto, em situações de alta potência, você encontrará ânodos com molibdênio, grafite ou tântalo, porque eventos de alta potência podem danificar ânodos de níquel ou ferro. Além disso, os ânodos são maiores que os cátodos para dissipar o calor sem um grande aumento de temperatura. Portanto, você não pode considerar um ânodo como um com uma corrente fraca.

Por outro lado, os cátodos consistem em um filamento simples de tungstênio ou tungstênio toriado. Além disso, cátodos com linhas de campo podem ser tubos de níquel revestidos com óxido de bário ou óxido de estrôncio. Além disso, os cátodos revestidos com óxido apresentam melhor eficiência de emissão.

Como funcionam os diodos de tubo de vácuo

Ao observar como funciona um diodo a vácuo, é importante conhecer a eficácia da maneira como os elétrons escapam de uma superfície.

O número de fluxos de elétrons que um material aquecido pode emitir por unidade de área está relacionado a uma constante 'b' e uma temperatura absoluta. A constante 'b' indica o que um elétron primário faz para escapar da superfície.

Assim, a partir disso, podemos derivar uma equação para a corrente que sai da superfície externa como:

I =AT²ε (–b/T)

A equação para a corrente que sai da superfície externa

Onde: 

I - corrente medida em amperes

A – constante para o tipo de material emissor

T – a temperatura em graus absolutos

b – trabalho necessário para o elétron deixar a superfície externa

As invenções de Walter H. Schottky e Thomas Edison também apoiam a equação acima.

Diodos de tubo de alto vácuo

Na maioria das vezes, os diodos de tubo termiônico a vácuo funcionam como tubos modernos. Mas com um tamanho maior. Além disso, possui um recipiente de vácuo com um ânodo e cátodo conectados através de uma fonte de tensão.

Tensão anódica e catódica

O ânodo (terminal positivo) lida com tensão positiva. Então, ele funciona no princípio de emissão termiônica. Além disso, o filamento aquece o cátodo (terminal negativo) e permite a emissão de elétrons. Esses elétrons emitidos são então atraídos para o ânodo. No entanto, se a tensão positiva que o ânodo recebe não for suficiente, ele não atrairá os elétrons do cátodo.

Filamento Elétrico

Por esta razão, uma nuvem invisível de elétrons se acumulará no espaço entre o ânodo e o cátodo, criando uma carga espacial. A carga espacial repele outros elétrons que saem do cátodo. Assim, interrompendo a emissão de elétrons e o fluxo de corrente através do circuito.

Mas, se a tensão da fonte de alimentação aplicada entre o ânodo e o cátodo for alta o suficiente, o efeito de carga espacial será neutralizado lentamente. Desta forma, o fluxo de elétrons para o ânodo será livre. Assim, os elétrons podem se mover através do vácuo dentro do envelope de vidro do envelope de vácuo. Por esta razão, nada está bloqueando a emissão de elétrons, permitindo assim o livre fluxo de corrente do ânodo para o cátodo.

Além disso, à medida que a tensão aplicada aumenta no ânodo, a corrente também aumenta. Eventualmente, a carga espacial desaparece completamente e o ânodo atinge a emissão máxima do cátodo.

Observação:

a única maneira de aumentar a emissão de elétrons do cátodo é aumentando a temperatura do cátodo. Também aumenta a energia dos elétrons, permitindo que mais elétrons deixem o cátodo.

Embora todas as áreas do diodo de vácuo apresentem uma carga espacial, é bastante importante na região do cátodo. Por quê? Porque determina elementos críticos, incluindo emissão máxima.

Em contraste, se o ânodo lidar com tensão negativa, não haverá fluxo de elétrons - porque não estará quente. Além disso, os elétrons que saem do tubo de raios catódicos aquecidos não se movem para o ânodo. Este processo acumula uma forte carga espacial entre o ânodo e o tubo de raios catódicos. Devido à forte repulsão da carga espacial, todos os elétrons se movem de volta para o cátodo. Portanto, nenhuma corrente flui através do circuito.

Características dos diodos de vácuo

Aqui estão algumas das características dos diodos de tubo de vácuo.

Díodo como retificador

Ao aplicar uma corrente alternada ao seu ânodo, sua polaridade permanecerá positiva durante um meio ciclo positivo. Assim, os elétrons podem fluir para o ânodo. Além disso, durante um semiciclo negativo, a placa permanece negativa, o que encerra a corrente do ânodo.

Assim, mostra que os diodos de tubo de vácuo permitirão que a corrente do ânodo flua apenas em uma direção e produza uma corrente de saída retificada. E isso funciona melhor com um diodo termiônico ou diodo semicondutor com tensão de aquecimento ou tensões reversas.

Retificador de diodo

Dois tipos de cátodos

O diodo do tubo de vácuo pode usar dois tipos de cátodos:

Catodo Diretamente Aquecido

Aqui, o cátodo também serve como um filamento. Então, você pode chamá-lo de cátodo do tipo filamento.

Catodo de aquecimento indireto

Aqui, o cátodo tem uma fina manga de metal revestida com óxidos. As mangas servem como cátodo, e há um fio de tungstênio eletricamente isolado separado da manga.

Carga Espacial

A carga espacial é uma característica importante do diodo do tubo de vácuo. Uma carga positiva aparece no cátodo quando ele emite elétrons. Ele permite que o cátodo atraia os elétrons e crie uma carga espacial no envelope do tubo de vácuo.

Materiais de cátodo

Aqui estão dois materiais comuns de cátodo:

Tungstênio

O tungstênio é um metal puro e tem uma função de trabalho de 4,54 eV. Você pode operar este material com segurança a 2500®K e usá-lo em um tubo de alta potência, tubos de vácuo termiônicos ou tubos de ondas viajantes.

Haste de tungstênio

Toriado-Tungstênio

Este material funciona em cátodos aquecidos diretamente. Suporta elétrons em baixas temperaturas (cerca de 700°C a 750°C. Você pode operar este material com alta eficiência e pequeno poder de aquecimento.

Tipos de diodos de tubo de vácuo

O tipo de tubo de diodo de vácuo tem seis classificações que incluem:

• Díodos de vácuo para faixa de frequência (transmissores de rádio, micro-ondas, áudio)

Microondas

• Díodos de vácuo para classificação de potência (potência de áudio, pequenos sinais) com campo uniforme
• Díodos de vácuo do tipo cátodo/filamento
• Díodos de vácuo de funções especializadas (detectores de luz)
• Díodos de vácuo de aplicação (tubos transmissores ou tubos receptores)
• Diodos de vácuo para parâmetros especializados (amplificação de áudio de baixo ruído)

Aplicativos

As aplicações para diodos de tubo de vácuo incluem:

• Relógios atômicos
• Tubos de raios-X
• Conjuntos de rádio
• Bateria de polarização da rede
• Sistemas de áudio
• Tubos reguladores de tensão
• Eletrodo de controle
• Amplificador Triodo
• Amplificador eletrônico
• Aplicativos do consumidor
• Comutação de circuito de alta velocidade
• Tubos Klystron
• Sistemas de propulsão iônica
• Equipamentos eletrônicos
• Equipamento alimentado por bateria
• Equipamento de áudio profissional
• Comunicação de rádio
• Coletores solares
• Sistemas de microondas
• Sistemas militares com suprimento (de alta tensão)
• Componentes de micro-ondas para celular, Bluetooth e Wi-Fi
• Satélites de telefonia celular
• Aceleradores de Partículas
• Tubos fotomultiplicadores
• Luzes estroboscópicas
• Sistemas eletrônicos de vácuo semicondutores
• Dispositivos de elétrons a vácuo
• Visores do painel de vácuo

Palavras finais

Apesar do mundo agora ser alimentado por transistores, o diodo a vácuo ainda tem seus usos. Talvez o uso moderno mais notável do diodo a vácuo seja na comunidade musical. A maioria dos audiófilos prefere a qualidade do som de amplificadores eletrônicos de tubo de vácuo em vez de amplificadores semicondutores.

Tubos de vácuo de envelope único

Outra aplicação notável são os transmissores de RF de alta potência. Diodos de tubo de vácuo geram mais energia do que os equivalentes de semicondutores. Assim, você encontrará tubos de vácuo em scanners de ressonância magnética, aceleradores de partículas e até fornos de micro-ondas. Isso conclui este artigo. Se você tiver alguma dúvida, não hesite em contactar-nos. Ficaremos felizes em ajudar.