Eletrônica Analógica

 

 

A PRÉ-HISTÓRIA DA ELETRÔNICA

 

Para efeitos de alocação histórica, a idade da Eletrônica  teve início em 1837 com a invenção do 

Detector de Carburundun 1904

telégrafo por Samuel Morse nos EUA. Em 1888, Heirich Hertz nota o fenômeno de produção de corrente alternada de alta freqüência que denominou ondas eletromagnéticas, mais tarde, ondasHertzianas. Na mesma época o pesquisador francês Edouard Branly inventou um dispositivo denominado coesor, capaz  de detectar as ondas Hertzianas.
Em 1896, Guglielmo Marconi, um cientista italiano,  usando um transmissor de centelha usado por Hertz agora acoplado a uma antena transmitiu ondas eletromagnéticas a uma distância de 3600 m  cuja detecção foi feita empregando-se de um dispositivo coesor .
Em, 1906 nos EUA, H. A. Dundwoody e G.H.Pickard trabalhando simultaneamente na obtenção de um detector de ondas eletromagnéticas mais eficiente, descobriram a propriedade quecertos cristais, como a galena, tinham em detectar as ondas Hertzianas desenvolvendo o famoso receptor conhecido como radio galena.

 

 

A VÁLVULA TERMIÔNICA

 

Esquemático do Efeito Edison

Réplica de uma das primeiras lâmpadas incandescente feitas por Edison.

 

Em 1879, Thomaz Alva Edison fazendo experiências com diversos tipos de filamentos para obtenção de uma lâmpada elétrica incandescente prática nota um fenômeno denominado de "Efeito Edison"

 

O DIODO DE FLEMING

O Efeito Edison permaneceu esquecido por algum tempo até que mais tarde o físico inglês John A. Fleming descobriu que este fenômeno podia ser usado na detecção de ondas Hertzianas. O dispositivo de Fleming consistia em envolver o filamento de uma lâmpada elétrica por uma placa cilíndrica; a este conjunto denominou de válvula, uma vez que podia controlar o fluxo da corrente semelhante a um registro num circuito hidráulico.
A válvula de Fleming ou diodo como foi denominada mais tarde, ainda não tinha condições de amplificar os sinais detectados pela antena atuando ainda como os primitivos detectores a cristal.

Ilustração de uma válvula de Fleming
 
 

 

O TRIODO

Dr. DeForest em 1905
 

O Audion de Lee De Forest de 1907, apenas com uma placa (single win) e com filamento de tântalo.
 

Por volta de 1907, 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, sua aplicação não foi imediata. Inicialmente foi usada mais como detecção de ondas Hertzianas do que como um elemento de amplificação.

A experiência de De Forest:

1º - A idéia original do Audion usando a condutividade dos gases. Os dois eletrodos em uma chama foi o primeiro detector de ondas hertzianas. Daí o termo termiônica.
 

2º - A primeira válvula Audion consistia de dois eletrodos em um meio gasoso.
 

3º - A primeira válvula Audion. - Radio News
 

 

A FABRICAÇÃO DE UMA VÁVULA TRIODO

O AUDION ou a válvula de três elementos - triodo - inventados por  Lee de Forest em 1907 se torna o elemento mais flexível da eletrônica até a invenção do transistor em 1948.  A fabricação de uma válvula termiônica requer o emprego de uma gama de materiais além de envolver diversos estágios de fabricação baseados em uma tecnologia desenvolvidas em pesquisas iniciadas a partir de 1913. Assim, CLAUDE PAILLARD, rádio amador de origem francesa, operando com o prefixo F2FO e profundo estudioso da termiônica, gentilmente brinda o visitante deste portal com um elucidativo vídeo feito em seu laboratório particular, mostrando de forma didática e objetiva as diversas fases da fabricação de uma válvula de três elementos ou triodo.

O triodo tipo E feito pela Philips em 1917, semelhante em aspecto ao congênere francês TM cuja estrutura interna é descrita no vídeo.

Fabricação de uma Válvula
Por Claude Paillard

A fabricação caseira de uma válvula triodo consiste de uma série de estágios em seqüência  compreendendo:

1- A FABRICAÇÃO DOS ELETRODOS,  grade, placa e filamento ou catodo.
2- FABRICAÇÃO DA HASTE DE VIDRO COMO SUPORTE DOS ELEMENTOS INTERNOS DA VÁLVULA
3 - A MONTAGEM DOS TERMINAIS NA HASTE DE VIDRO
4 - O BULBO DE VIDRO
4.1 - O TUBO PARA EXAUSTÃO DO AR OU RAREFAÇÃO
5 - A FIXAÇÃO DOS ELETRODOS:
5.1 - O FILAMENTO
5.2  - A PLACA E GRADE
6 – O PROCESSO QUÍMICO LIMPEZA PARA DESCONTAMINAÇÃO DOS ELEMENTOS INTERNOS DA VÁLVULA ANTES DA RAREFAÇÃO OU EXTRAÇÃO DO AR
7 - A MONTAGEM FINAL DO BULBO
8 - INICIANDO A QUEIMA DA VÁLVULA - GETTER 
9 - A MONTAGEM DO SOQUETE
10 - O PRIMEIRO TESTE PARA VERIFICAR  O COMPORTAMENTO ELÉTRICO DA VÁLVULA
11- A APLICAÇÃO
11.1 - UM RECEPTOR MONO VÁLVULA
11.2 - UM TRANSMISSOR
12 - CLAUDE PAILLARD EM SEU LABORATÓRIO CASEIRO MOSTRANDO:
12.1 - O PROCESSO DE EXAUSTÃO DO AR OU RAREFAÇÃO USADO NA FABRICAÇÃO DE UMA VÁLVULA0

O VÁCUO NA FABRICAÇÃO DE VÁLVULAS
 A BOMBA  DE MERCÚRIO DE GAEDE

Aos e estudar a evolução da válvula termiônica se nota a interdependência que existe entre os campos da letricidade, calor e vácuo. Os estudos sobre o vácuo começaram com as experiências de Otto von Guericke na Alemanha seguido de vários outros estudiosos como Robert Boyle, Denis Papin, Swedenborg, Geissler, etc. Entretanto, a invenção da bomba de mercúrio de Gaede historicamente é um das inovações mais importante, uma vez que foi a primeira bomba de alto vácuo de ação rápida existente e desde então através do seu uso os físicos e engenheiros conseguiram fazer importantes descobertas  dentre as quais se destaca o avanço na fabricação das primeiras válvulas. A bomba  de vácuo de Gaede ou por mercúrio rotativo permitiu que a rarefação dos bulbos ou ampolas das válvulas fosse consideravelmente melhorada. Basicamente este tipo de aparelho consiste de um tambor de porcelana ou ferro de geometria complexa montado de forma a girar dentro de um cilindro.

A bomba de Gaede é ilustrada no esquemático abaixo.

        

À esquerda, esquemático da bomba de Gaede onde:

B- mancal de mercúrio
C- câmera com mercúrio
D- carcaça
H – orifício
R- ampola ou bulbo a ser evacuado
S- eixo provido com manivela de acionamento

À direita, o principio de funcionamento de forma que quando o mercúrio é girado na câmera C, pressiona o ar retirando-o através de um tubo espiralado para a sua exaustão pela abertura (E) onde esta ligada uma bomba rotativa.

A BOMBA PELO PRINCÍPIO DE CONDENSAÇÃO POR ATOMIZAÇÃO DE MERCÚRIO

Outro tipo de bomba de vácuo usada originalmente por Irving Langmuir cujo principio de operação é conhecido como condensação por atomização de mercúrio, onde:
A – reservatório de mercúrio
B – tubulação pra passagem do vapor de mercúrio
C- torre de condensação do vapor
E – Tomada para acoplamento de bomba rotativa.
R – ampola ou bulbo a ser evacuado.

O TUBO GEISSLER USADO COMO UM TIPO DE MANÔMETRO IÔNICO.

O tubo de descarga Geissler é usado como um tipo de manômetro eletrônico pois, através da passagem de uma corrente elétrica permite mostrar os diversos níveis de rarefação.


O tubo Geissler

Ilustração mostrando o aspecto da descarga elétrica em diferentes níveis de rarefação onde:
A - descarga em forma espiralada entre os eletrodos
B - descarga contínua com coloração intensa
C - aparecimento de espaços escuros e diminuição da intensidade da coloração
D - expansão total dos espaços escuros e diminuição da intensidade de coloração
E - expansão total dos espaços escuros dentro do tubo.
F - ausência de coloração no interior do tubo apresentando apenas uma auréola esverdeada.

 

A EVOLUÇÃO DA TERMIÔNICA

Foi somente mais tarde que baseado nos trabalhos de pesquisadores como Fritz Lowestein, John Stones Stones e do Dr. H. D. Harold que o Audion pode ser usado como um elemento amplificador confiável.
Assim, de 1913 à 1935 tem-se a idade do triodo. 
Baseado em inúmeras inovações tecnológicas, em 1926, B. Tellegen, trabalhando nos laboratórios da Philips na Holanda inventa o pentodo cuja principal característica era a introdução de uma grade a qual era montada entre a grade e o anodo, a qual foi denominada de supressor ou grade supressora. O pentodo foi uma solução prática para as dificuldades encontradas nos primeiros tetrodos operando como uma válvula amplificadora de resistência negativa causada pela emissão secundária do anodo, como os elétrons sendo atraídos pela grade positiva.
No final dos anos trinta outras válvulas aparecem como por exemplo: as válvulas de feixe dirigido, tubos de raios catódicos, o tubo de sintonia ou olho mágico, as válvulas metálicas e as válvulas miniaturas (vide índice para informações complementares)

 

Dr. Lee de Forest e a sua invenção a válvula Audion que revolucionou a eletrônica. Fotografia datada de maio de 1930 e publicada na revista americana "Radio News".
 

 

Ilustração dos primeiros tipos de triodos comercializados nos EUA por volta dos anos vinte, da esquerda para a direita:
Triodo de DeForest tipo DV5
Triodo tipo 205D fabricado pela W. Electric
Soquete para fixação da válvula.

 

Válvulas de origem européia e americanas.

 

 

 

 

 

 

VÁLVULAS DE ORIGEM AMERICANA E EUROPÉIA

 

LEGENDA

ORIGEM

TIPO

FABRICANTE

DATA

1

EUA

DV-3

DEFOREST

1923

2

EUA

101D

W.ELECTRIC

1924

3

EUA

24-A

RCA

1929

4

FRANÇA

E

SFR

1922

5

INGLATERRA

AC2/HL

MAZDA VALVE

1928

6

HOLANDA

C-509

PHILIPS

1925

7

HOLANDA

KK2

PHILIPS

1933

8

EUA

UX 280

RCA

1927

9

EUA

UX-201-A

RCA

1921
             
 

 

UM CARIOCA POR TRAZ DA EVOLUÇÃO DA VÁLVULA TERMIÔNICA

Arthur Wehnelt inventor do catodo revestido com óxidos

Arthur Rudolph Berthold Wehnelt nasceu no Rio de Janeiro, Brasil, em 4 de abril de 1871. Seu pai Berthold Wehnelt, um engenheiro naval, veio ao Brasil para auxiliar o desenvolvimento da navegação. Arthur Wehnelt voltou cedo para a Alemanha onde estudou física na universidade de Berlim e seguida na universidade de Erlangen quando recebeu seu doutorado permanecendo até 1906 onde publicou o seu famoso trabalho intitulado: "On the emission of negative ions from glowing metal compounds and related-phenomena", sobre a invenção do catodo revestido com óxido. Em 1906 passou a lecionar na universidade de Berlim. Em 1926, torna-se diretor do Instituto de Física.
Wehnelt se dedicou a vários estudos. Dentre eles se destacam: descargas em gases rarefeitos, raios catódicos, raios-X, emissão foto elétrica bem como a termo condutividade de metais.
Em 1903 durante uma experiência sobre a emissão de elétrons em corpos quentes, notou que ao aquecer um fio de platina, repentinamente à medida que os raios catódicos eram projetados de certa pequena seção do mesmo surgia um intenso brilho azul.
A principio concluiu que isto poderia estar ligado a impurezas como óxidos metálicos oriundos do sistema de vácuo usado na rarefação dos tubos experimentais.
Partindo desta histórica experiência, como um arguto e prático pesquisador, Wehnelt usando várias substâncias finalmente concluiu que óxidos de metais alcalinos terrosos eram aqueles que conseguiam emitir maior quantidade de elétrons. 
Surge assim um dos mais importantes aperfeiçoamentos da válvula termiônica, o catodo revestido com óxidos de bário, estrôncio e cálcio, um prático e copioso emissor de elétrons, mais conhecido como catodo de Wehnelt, que por mais de 75 anos foi universalmente empregado na fabricação de válvulas.
Arthur Wehnelt faleceu em 15 de fevereiro de 1944 em Berlim, Alemanha. Sua invenção, o catodo de Wehnelt como é conhecido, foi um enorme legado à evolução da termiônica. 

CONSIDERAÇÕES SOBRE O DESENVOLVIMENTO DO CATODO

O catodo é uma parte essencial da válvula termiônica, pois fornece os elétrons necessários ao seu funcionamento. Quando lhe é aplicado o calor como forma de energia ocorre a emissão de elétrons. O método de aquecimento do catodo serve para caracterizar as suas duas formas, ou seja, o catodo por aquecimento direto, ou filamento-catodo consistindo de um fio condutor aquecido pela passagem da corrente elétrica; o catodo por aquecimento indireto, isto é, o catodo-calefador, aquecido por radiação ou condução onde o filamento é introduzido num pequeno cilindro metálico cuja superfície externa é revestida por um material adequado para produzir a emissão de elétrons.

FORMA

MATERIAL EMISSOR DE ELÉTRONS

VANTAGENS

DESVANTAGENS

OBS.

Filamento - catodo

Tungstênio trefilado puro ou tântalo.

- Boa estabilidade na emissão de elétrons

- O metal sendo puro evita a contaminação de outras partes da válvula

- Baixa eficiência na emissão de elétrons.

-requer uma aprimorada montagem mecânica por trabalhar em temperaturas elevadas, acima de 1700ºC, branco-brilhante

- Uma das formas mais antigas de catodo.

- Por requere drenagem mínima de corrente são usados em válvulas alimentadas por baterias.
(Fig 1)

Filamento - catodo

Tungstênio-toriado

- eficiência na emissão de elétrons entre aquela do catodo de tungstênio puro e com camada. menor temperatura de aquecimento 1700ºC - amarelo vivo.

- relativo nível de contaminação  uma vez que em certas condições o tório pode ativar outras partes da válvula, como a grade.

- a emissão dos elétrons depende da conformação da camada de tório.

- o fio metálico de tungstênio é submetido a um tratamento especial,  com  de óxido de tório, o qual é então, reduzido a tório puro, formando uma camada mono molecular na superfície do metal base.
(Fig. 2)

Catodo filamento revestido

Níquel puro ou liga de níquel

- menor temperatura de aquecimento entre 700 - 750ºC - vermelho tênue.

- Maior eficiência na emissão de elétrons  no vácuo podendo atingir 100 mA/W

- tende a gerar grande quantidade de gás.

- Pode gerar contaminação de outras partes da válvula.

- No catodo por aquecimento indireto é formado por um cilindro revestido com óxidos de terras raras, em cujo interior existe um filamento de tungstênio ou liga de tungstênio-molibdednio. O cilindro é aquecido por condução e radiação pelo filamento.
(Fig 3)

- Originalmente a platina foi usada como metal base.

- carbonatos de cálcio, bário ou estrôncio são reduzidos durante o processo de rarefação a óxidos e metal puro formando uma espessa camada sobre  o metal base.
(Fig 4)
 

 

Fig 1 - Ilustração de um catodo de fase múltipla em tungstênio puro usada na fabricação de válvula de transmissão para operação em alta tensão.

Fig 2 - Ilustração de um típico catodo em tungstênio-toriado usado na fabricação de válvulas de transmissão.
 

 

Fig. 3 - Ilustração de um catodo aquecido indiretamente. O filamento espiralado é circundado por finas telas recobertas com óxidos; para minimizar as perdas do aquecimento por radiação se emprega um sanduíche de grades de metal.

Fig. 4 - Ilustração do catodo com filamentos revestido com óxidos provido com blindagem a qual permite aumentar a eficiência de emissão.
 

 

Fig. 5 - A primeira válvula fabricada na Alemanha em 1911 usando o catodo recoberto por óxido para operação como um repetidor telefônico foi desenvolvido em conjunto por Robert Von Lieben, Eugene Reisz e Sigmund Strauss, daí originando a sua denominação como repetidor LSR. Logo em seguida as empresas AEG, Siemens e Halske, Felton & Guilleaume Carlswerk, A. G. e a Telefunken criaram um laboratório para a fabricação da válvula, conhecida como o “Lieben Konsortium”. Na ilustração à esquerda: o repetidor LSR e a direita o contrato onde foi estabelecido o referido consórcio. 
Cortesia da "Siemens Corporate Archives, Munich".


 
 

 

A RÁDIO DIFUSÃO

Até 1920, os métodos de comunicação eram basicamente feitos por telegrafia e telefonia. Com a constante inovação tecnológica surgia o rádio, a base da moderna comunicação sem fio a longa distância.

 

 

Nos primórdios, a radio-telegrafia usava os chamados transmissores de centelha, originalmente baseados na chamada de bobina de indução de Ruhmkorf. Com o rápido desenvolvimento da termoiônica, as primeiras válvulas de transmissão surgiram no mercado e, logo os transmissores se modernizaram, tornando possível a radiodifusão tal qual conhecemos hoje em dia.

continua...