Tubos de Ionização a Gás: Princípios, Tipos e Aplicações

Até agora examinamos tubos a vácuo, completamente evacuados de gás e vapor. Introduzir gases ou vapores específicos no envelope transforma o comportamento do tubo, permitindo que realize funções especializadas em circuitos eletrônicos.

Aplicar uma tensão suficientemente alta através de uma região preenchida com gás, ou aquecê-la, arranca elétrons de seus núcleos atômicos — um processo chamado ionização. Os elétrons liberados flutuam como uma corrente elétrica, transformando o gás em plasma condutor.

Embora gás ionizado não seja um condutor perfeito, sua resistência causa liberação de energia como calor. Esse autoaquecimento sustenta a ionização, então uma vez que o tubo começa a conduzir, ele permanece ligado até que a tensão ou corrente aplicada caia abaixo de um limiar.

Esse comportamento espelha o de tiristores, que exibem histerese: permanecem ligados após serem disparados e desligados até serem des-disparados. Tubos preenchidos com gás também exibem histerese.

Em contraste com tubos a vácuo, tubos de ionização eram frequentemente construídos sem filamento — conhecidos como tubos de cátodo frio — enquanto aqueles com aquecedor eram chamados tubos de cátodo quente. A presença de calor altera as características de um tubo, embora o efeito seja menos pronunciado que em tubos a vácuo.

O dispositivo de ionização mais básico muitas vezes não é um tubo, mas uma centelha: dois eletrodos separados por um espaço preenchido com gás. O espaço pode ser preenchido com ar ambiente ou gás especial, este último exigindo um invólucro selado.

Centelhas são amplamente usadas para proteção contra sobretensão. Projetadas para permanecer não condutivas sob tensões normais, disparam quando a tensão sobe bruscamente. Enquanto conduzem, puxam grandes correntes, criando queda de tensão que clampa o sistema. Quando a tensão cai abaixo do nível de ruptura, a centelha se extingue.

Uma limitação chave de centelhas é sua vida útil finita. A descarga intensa erosiona superfícies dos eletrodos por pitting ou fusão.

Centelhas podem ser disparadas deliberadamente inserindo um terceiro eletrodo pontiagudo e pulsando-o com alta tensão. A centelha induzida ioniza uma parte do caminho entre os eletrodos principais, permitindo condução se a tensão aplicada exceder o limiar de ruptura.

Tanto centelhas disparadas quanto não disparadas podem lidar com correntes enormes, até mega-amps. A limitação principal é o tamanho físico dos eletrodos e do invólucro.

Envolver os eletrodos em um tubo selado com gás especial cria um tubo de descarga. O exemplo mais familiar é a lâmpada de néon, cuja cor do brilho depende do gás usado.

Lâmpadas de néon compartilham construção similar a centelhas, mas operam diferentemente:

Ajustar espaçamento dos eletrodos e tipo de gás permite que lâmpadas de néon conduzam em correntes modestas. Elas ainda exibem histerese — tensão de ignição maior que tensão de extinção — e possuem resistência não linear: tensão maior produz maior corrente, mais calor e menor resistência. Exceder a tensão de projeto risco superaquecimento e dano.

O comportamento não linear também torna tubos de néon úteis como reguladores de tensão, funcionando como diodo zener ao consumir mais corrente conforme a tensão cai. Nesse papel são chamados tubos de brilho ou reguladores de tensão e eram comuns em circuitos da era dos tubos.

Observe o ponto preto no símbolo do tubo acima — e no símbolo da lâmpada de néon. Ele denota um tubo preenchido com gás, uma convenção padrão em esquemáticos de tubos.

Um tubo regulador de tensão típico é o VR-150, que mantém uma saída nominal de 150 V. Sua resistência varia de 5 kΩ a 30 kΩ — uma faixa 6:1 — permitindo acoplamento a tubos amplificadores para regulação melhorada e correntes de carga maiores, análogo a diodos zener modernos.

Um tríodo a gás comporta-se como outros tubos a gás, mas oferece um benefício extra: a tensão grade-cátodo define a tensão mínima placa-cátodo necessária para ligar. Efetivamente, serve como contraparte a gás do SCR semicondutor, conhecido como tiratron.

O esquemático é uma simplificação. Certos tiratrons requerem que a tensão de grade mude polaridade entre estados ligado e desligado, e alguns têm múltiplas grades.

Tiratrons são empregados similarmente a SCRs, regulando CA retificada para grandes cargas como motores. Fabricantes variam o enchimento de gás — gases inertes, hidrogênio, vapor de mercúrio, ou até deutério — para adaptar desempenho para chaveamento de alta tensão.