Valvole termoioniche
di Giuseppe Sottile
29/08/2019

La valvola termoionica o anche tubo a vuoto, possiamo dire; è stato il primo componente elettronico attivo mai realizzato. Per attivo si intende un apparecchio in grado di amplificare un segnale debole in ingresso. La storia è avvincente è tutto nasce, possiamo dire dalle esperienze di Edison quando nel 1884, durante i suoi esperimenti con le lampade a filamento si accorse di un fatto molto strano. La lampada si anneriva dopo poche ore di funzionamento. Spinto dalla necessità di rendere la sua invenzione priva di anomalie scoprì che aggiungendo una lamina metallica l'effetto scompariva... forse non ne era a conoscenza ma aveva aperto la strata ad una rivoluzione scientifica introducendo la valvola termoionica.

$$ \diamond $$

Fisica delle valvole: L'emissione termoionica

Normalmente, gli elettroni liberi (quelli che non sono particolarmente attratti dal nucleo dell'atomo) e presenti nei conduttori, sono liberi di muoversi, per l'appunto all'interno di esso ma non possono assolutamente "uscire via" dalla superficie del conduttore... a meno che non gli fonriamo l'energia necessaria. Se noi forniamo energia dall'esterno gli elettroni ne accumulano abbastanza da fuoriuscire dal conduttore, e se lo stesso si trovasse nel vuoto, si formerebbe attorno ad esso una nube elettronica. Di modi di fornire energia ve ne sono diversi. Ricorderete che nel 1905, lo stesso Einstein scrisse un articolo sull'effetto fotoelettrico, che, rappresenta un particolare fenomeno di emissione elettronica, dove si impiega un fascio di fotoni (fotoemissione). Le valvole adottano un altro tipo di emissione elettronica, la più semplice di tutte, ossia quella che si basa sul calore e si parla in questo caso di emissione termioionica e quindi di valvola termoionica. In sostanza quello che cambia, da emissione ad emissione è il modo in cui noi forniamo energia al conduttore. Naturalmente il fenomeno della fuoriuscita si estingue in breve tempo. Quando un certo numero di elettroni riesce a formare una piccola nube attorno al catodo, essa respinge gli altri eventuali elettroni che tenterebbero di uscire e questo provoca l'inibizione e il fenomeno cessa. Possiamo concludere che vi è una particolare proporzionalità diretta fra la temperatura del catodo e l'emissione degli elettroni. Ma cosa ne facciamo ora di questa nube elettronica?


$$ \diamond $$

Struttura e funzionamento

Una valvola si presenta in modo del tutto simile ad una lampadina. La forma somiglia alle lampade di Tesla anche se all'interno sembra somigliare più ad una lampada a filamento alla Edison. Tuttavia essa non è nessuna delle due altrimenti non si chiamerebbe valvola - che possiamo dire, il nome ci suggerisce il suo modus operandi - ossia quello di un interruttore o di una sorta di saracinesca (valvola). Se prendete una valvola e la osservate attentamente, noterete che essa è costituita da due parti fondamentali: una base ed un bulbo in vetro. Dalla base fuoriescono un gruppo di pin. Questi pin o elettrodi, sono collegati alle strutture interne a griglia nel bulbo in cui è praticato il vuoto. Il funzionamento è del tutto semplice e si basa sul principio dell'effetto termoionico (da qui il nome). Un filamento metallico è portato all'incandescenza (tra i 1.000 ed i 3.000 °C) da una corrente elettrica che lo attraversa. Attorno ad esso è posizionato a forma di tubicino, un elettrodo (il catodo), che produce gli elettroni a seguito del surriscaldamento: come visto si genera una nube di elettroni: "la carica spaziale". Una volta generata la nube elettronica questa può essere controllata ed inviata all'anodo con dei campi elettrici generati dalle griglie (nel caso delle valvole) oppure con dei campi magnetici generati da bobine (nel caso dei tubi a raggi catodici a deflessione magnetica). Per capirlo facciamo un esperimento. Colleghiamo il negativo di una batteria sul catodo e l'anodo a quello positivo. Si stabilirà un flusso di elettroni, ossia una corrente elettrica, tra catodo e anodo (perché gli elettroni vengono attratti dall'anodo). Se la polarizzazione è opposta, nessuna corrente elettrica passerà tra catodo ed anodo, perché l'anodo respingerà gli elettroni. Il risultato è quello di un dispositivo in grado di far passare la corrente in un solo senso, detto rettificatore oppure diodo.
Benché il diodo sia l'esempio più semplice di valvola funzionante esso ha un uso molto ristretto; nel 90% dei casi come raddrizzatore di correnti alternate. Nel 1907 il fisico Lee De Forest fece un passo avanti. Inserì nel diodo la griglia di controllo (tra il catodo e l'anodo). La griglia di controllo, consente di variare la corrente catodo-anodo. Fornendo una piccola tensione su tale griglia possiamo controllare il flusso degli elettroni tra catodo ed anodo. Quando però il triodo viene adottato alle alte frequenze abbiamo dei problemi di capacità parassite ed esso inizia a comportarsi come un condensatore, da qui la necessità di inserire un altra griglia (schermo) per ridurre tali effetti. In questo modo si ottiene il tetrodo a 4 elementi. E così via il procedimento può aumentare per raffinamenti introducendo altre griglie.

$$ \diamond $$

Configurazioni

A seconda del numero di griglie interne, abbiamo diverse tipologie di valvole. Le griglie \( G2\) e \( G3\), come visto servono a ridurre gli effetti capacitivi, e le distorisioni dovute all'emissione secondaria, mentre la griglia di controllo \( G1\), come visto serve a controllare la corrente catodo-anodo. Di seguito un accenno alle principali tipologie di valvole ed i relativi simboli circuitali.

Diodo

L'anodo è polarizzato positivamente, si ha un flusso di elettroni (catodo-anodo) generati per effetto termoionico dalla grigia (catodo) riscaldata sufficientemente. Invertendo la polarità, non si ha corrente perchè l'anodo respinge gli elettroni in quanto sarebbe negativo.

Triodo

Se viene interposta una griglia tra catodo ed anodo, si riesce a controllare il flusso degli elettroni. In particolare facendo variare la tensione della griglia si controlla la corrente tra catodo ed anodo. Se la polarizzazione tra la griglia ed il catodo è negativa, il flusso diminuisce (attenuazione) altrimenti aumenta (amplificazione).I triodi sono usati in particolare per l'amplificazione audio a basso livello (la cosiddetta preamplificazione)

Tetrodo

Aggiungendo un'altra griglia (schermo) tra l'anodo e la griglia di controllo si ha la possibilità di amplificare segnali ad alta frequenza. Questo permette di impiegare questo tipo di valvola nei contesti delle radiofrequenze

Pentodo

Il pentodo è, essenzialmente, un tetrodo con una griglia in più, la griglia di soppressione. Come visto nel tetrodo abbiamo il fenomeno dell'emissione secondaria. Con questa terza grigia si riesce a controllare questo fenomeno, quindi ad eliminare la distorsione


$$ \diamond $$

Parametri tecnici e matematica

Riporto la lista dei principali parametri tecnici adoperati nei circuiti che impiegano le valvole. I nomi possono variare, ma di solito sono i seguenti. Per maggiore sicurezza, consultate sempre i datasheet dei vostri componenti. Inoltre per chi vuole approfondire riporto anche delle relazioni matematiche impiegate per la determinazione di altri parametri indiretti come il guadagno, la resistenza di griglia ecc.



Parametri fondamentali

$$ \diamond $$
  • \( \large \color{#008080}{V_a} \hspace{2mm} \color{#4286f4}{\small [V]}\) Tensione filamento
  • \( \large \color{#008080}{I_f} \hspace{2mm} \color{#4286f4}{\small [A]}\) Corrente filamento
  • \( \large \color{#008080}{V_a} \hspace{2mm} \color{#4286f4}{\small [V]}\) Tensione anodica
  • \( \large \color{#008080}{I_a} \hspace{2mm} \color{#4286f4}{\small [A]}\) Corrente anodica
  • \( \large \color{#008080}{V_{G1}} \hspace{2mm} \color{#4286f4}{\small [V]}\) Tensione griglia controllo
  • \( \large \color{#008080}{V_{G2}} \hspace{2mm} \color{#4286f4}{\small [A]}\) tensione grigia schermo
  • \( \large \color{#008080}{V_{G3}} \hspace{2mm} \color{#4286f4}{\small [A]}\) tensione grigia soppressore
  • \( \large \color{#008080}{R_a} \hspace{2mm} \color{#4286f4}{\small [A]}\) Resistenza anodica
  • \( \large \color{#008080}{\mu} \hspace{2mm} \color{#4286f4}{\small []}\) Coefficiente di amplificazione
  • \( \large \color{#008080}{S = {\mu \over R_a}} \hspace{2mm} \color{#4286f4}{\small []}\) Transconduttanza


Sotto sono riportate le formule principali che caratterizzano una valvola con più di due elettrodi (triodo, tetrodo, pentodo). Per griglia si intende la griglia di controllo.


$$ \diamond $$

L'amplificatore valvolare

Chiudiamo questo articolo sulle valvole, con un'applicazione molto accrediata nel mondo audio. Sto parlando dell'uso di una valvola come amplificatore di segnale audio. Di solito le valvole impiegate per questi scopi sono i pentodi finali, per la loro robustezza e raffinatezza e completezza, ma qui per semplicità utilizzerò un triodo perchè è meglio non perdersi nei dettagli e capire il fondamento concettuale e poi del resto quì il tutto è teorico e non ci interessano per ora i disturbi, le distorsioni e/o i ronzii delle valvole non raffinate...

Ecco lo schema grafico del circuito amplificatore a valvole:


Come vedete, il cuore del circuito è proprio la valvola che come vi spiegherò, realizza l'amplificazione vera e propria. Ma come in molti pensano non è l'elemento più importante, infatti l'altro componente fondamentale che è l'artefice della fedelta dell'audio è il trasformatore d'uscita, che vedete nel citcuito è rappresentato dall'avvolgimento primario e secondario connesso all'altoparlante. Lo scopo del trasformatore è cruciale. Esso svolge il compito di adattare l'impedenza di uscita della valvola (molto alta) a quella dell'altoparlante (molto bassa)

Quando il catodo inizia ad emettere per effetto termoionico, sotto riscaldamento per il tramite dell'avvolgimento in nichel/ossido di bario portato all'incandescenza, la griglia di controllo sotto l'azione di un potenziometro (resistenza variabile) provoca una piccola variazione della corrente interna alla valvola. La placca (anodo) è sottoposta ad una tensione pari a \( 230 V\). La resistenza di solito da \( 47K\Omega\) se percorsa da una corrente provoca una caduta di tensione in uscita. Ora, sapendo che nella valvola il segnale sinusoidale in ingresso provoca una variazione di corrente da \( 1mA\) a \( 3mA\), in uscita avremo una variazione (calcolabile mediante la legge di Ohm) pari a: $$ V_{MIN} = 230 - \bigl( RI_{MIN} \rightarrow = 47000 \Omega \cdot 0.001 A \bigr) = 24 V $$ $$ V_{MAX} = 230 - \bigl( RI_{MAX} \rightarrow = 47000 \Omega \cdot 0.003 A \bigr) = 89 V $$ Di conseguenza in uscita avremo un segnale pari a: $$ V = V_{MAX} - V_{MIN} = 89-24 = 65V $$ In questo modo, osservate che a piccole variazioni sulla griglia di controllo (segnale debole) corrisponde un segnale in uscita in accordo (segnale amplificato). Il rapporto [...] si chiama guadagno \( G\). Esso rappresenta di quanto abbiamo amplificato il segnale in ingresso. Naturalmente questo è un discorso introduttivo che approfondiremo in altre occasioni. Di seguito riporto alcune formule sull'impedenza sul guadagno e risposta in frequenza dell'amplificatore.
Guadagno di tensione
$$ A_v = {\mu R_p \over R_a + R_p + R_k(\mu + 1)} $$ $$ G = S \cdot R_i $$
Impedenze di uscita
$$ Z_{OUT,1} = \left( {\bigl(R_a + R_k(\mu + 1)\bigr)R_p \over \bigl( R_a + (\mu + 1)R_k \bigr) + R_p} \right) $$ $$ Z_{OUT,2} = \left( { {R_a + ra \over \mu + 1}R_k \over {R_a + ra \over \mu + 1}+ R_k } \right) $$
Risposta in frequenza
$$ f_1 = { 1 \over 2\pi C_i R_g) } $$ $$ {1\over 2\pi C_o (Rout + Rl)) } $$
Alla prossima!




Torna alla home