O que um Radioamador deve saber sobre Válvulas Transmissoras?

Embora a tecnologia de estado sólido tenha alcançado uma ampla adoção em equipamentos de radioamador, mais de 99% dos amplificadores lineares de ondas decamétricas comercializados globalmente ainda empregam válvulas transmissoras.

Amplificador Linear com válvulas 813

O mundo das válvulas transmissoras deve muito aos radioamadores. A maior fabricante de válvulas transmissoras do mundo foi fundada por dois radioamadores americanos, William W. Eitel (W6UF) e Jack McCullough (W6CHE). A fusão de seus sobrenomes criou a famosa marca "EIMAC". Em 1932, eles começaram a montar um transmissor de alta potência para se comunicar com estações DX em 20 metros. Para sua surpresa, a tensão de 1000 V de sua fonte era insuficiente para as caras válvulas que compraram. Com isso, decidiram tomar emprestado um valor modesto e, em 1934, abriram sua própria fábrica. O primeiro produto foi o tríodo 150T, com uma equipe de apenas três funcionários.

Dentre os antigos vice-presidentes, destacava-se William I. Orr (W6SAI), reconhecido internacionalmente como um dos principais especialistas em antenas para radioamadores. Com mais de uma centena de artigos técnicos e diversos livros publicados, Orr teve um papel significativo na difusão do conhecimento técnico na área. Adicionalmente, ele teve um papel fundamental como um dos principais envolvidos no lançamento do primeiro satélite OSCAR, realizado em 12 de dezembro de 1961, às 20:42 UTC, na base aérea de Vandenberg, Califórnia, lançado junto com o satélite Discoverer XXXVI.

Retomando a questão das válvulas transmissoras, é importante notar que uma preocupação central dos radioamadores é o custo envolvido na substituição dessas válvulas em seus dispositivos, particularmente nos amplificadores lineares de alta frequência (HF). Para aliviar essas inquietações, torna-se fundamental entender em profundidade a construção e as condições operacionais das válvulas transmissoras.

Este artigo discutirá vários métodos para estender a vida útil das válvulas transmissoras. No serviço de radioamadorismo, são comuns as válvulas refrigeradas por radiação, convecção natural, ar forçado e, em situações raras, condução térmica (a exemplo do triodo 8873 da Eimac). No entanto, esta é uma oportunidade para proporcionar aos radioamadores um entendimento mais amplo, abordando também as válvulas refrigeradas por água e vapor, com ênfase particular nos radioamadores que utilizam válvulas transmissoras em suas atividades profissionais.

O que pode encurtar a vida das válvulas transmissoras?

Quando operadas dentro dos parâmetros recomendados pelo fabricante, os principais fatores que podem reduzir a vida útil das válvulas transmissoras incluem: resfriamento inadequado, variações na tensão do filamento além dos limites estabelecidos, surtos de corrente ao acionar a válvula e a aplicação antecipada da tensão de placa. Monitorar esses fatores é essencial para assegurar a durabilidade e a eficiência das válvulas.

Resfriamento

Durante a operação de uma válvula, é necessário remover o calor produzido pelo filamento, assim como o calor dissipado pelo ânodo e pelas grades, de forma que a temperatura de equilíbrio — onde as calorias removidas se igualam às calorias geradas — não exceda a temperatura máxima da superfície externa estipulada para as condições operacionais definidas. A temperatura máxima da superfície externa é o fator crítico que limita a dissipação de calor de uma válvula transmissora. Assim, o resfriamento excessivo nunca é prejudicial e, na dúvida, deve-se preferir o resfriamento mais eficaz para prevenir o risco de insuficiência de resfriamento.

Atualmente, são conhecidos cinco métodos de resfriamento para válvulas transmissoras, os quais serão descritos a seguir:

a. Resfriamento por radiação e convecção natural

Este tipo de refrigeração é comum para válvulas de baixa potência, especialmente para modelos mais antigos que têm uma grande superfície em relação à potência dissipada. A única precaução necessária é um arranjo que permita a livre circulação do ar. No entanto, ao operar em frequências ou potências mais altas, esses mesmos tipos de válvulas podem requerer circulação forçada de ar, direcionada principalmente para a vedação da saída da placa e, se a base do tubo for de vidro, também sobre ela, e se possível, sobre o restante do bulbo.

b. Resfriamento por ar forçado

Este sistema é empregado na maioria dos estágios de potência de transceptores e amplificadores lineares modernos. A quantidade de ar por unidade de tempo varia conforme a temperatura do ar de entrada (ambiente) e a altitude acima do nível do mar (densidade do ar). Um exemplo clássico dessa inter-relação pode ser visto na Figura 1.

• q = vazão de ar em metros cúbicos por minuto;
• t_i = temperatura de entrada do ar em ºC;
• h = altitude sobre o nível do mar, em metros.

Figura 1 — Volume necessário de ar por minuto em função da temperatura de entrada e da altitude.

Em um sistema de dissipação específico aplicado a uma válvula, a pressão de ar necessária muda de acordo com a vazão de ar requerida, como ilustrado no exemplo da Figura 2.

• P_i= pressão de entrada do ar medida em centímetros de coluna de água.;
• q = vazão em metros cúbicos por minuto;

Figura 2 — Inter-relação entre pressão e vazão de ar em um certo tipo de tríodo de potência. Este gráfico permite determinar a pressão e a capacidade de vazão do turbo compressor ou ventilador necessário.

Com essa vazão de ar estipulado, a temperatura de saída de ar dependerá da temperatura de entrada e da altitude, conforme se vê no exemplo da Figura 3.

• t_o = temperatura de saída do ar em ºC;
• t_i = temperatura de entrada do ar em ºC;
• h = altitude sobre o nível do mar, em metros.

Como uma regra básica para condições tropicais e subtropicais, pode-se dizer que um aumento na temperatura ambiente de 25 para 35 ºC exigirá um aumento de 15% na vazão de ar, enquanto um aumento de 25 para 45 ºC demandará um aumento de 35%.

A partir do gráfico apresentado na Figura 3, nota-se a relevância de evitar que o ar quente expelido se misture com o ar ambiente que o sistema utiliza, prevenindo assim um incremento desnecessário da t_i.

Figura 3 — Temperatura de saída do ar em um tipo de tríodo de potência, em função da temperatura de entrada e da altitude. Este gráfico permite o ajuste do termostato de segurança de saída de ar, quando houver.

Geralmente, o fabricante do transceptor e do amplificador linear providencia o resfriamento adequado para as válvulas empregadas em seus equipamentos, considerando as condições predominantes na maioria das estações.

Quais são os cuidados que o radioamador usuário deve tomar?

É crucial manter o caminho do ar livre; limpar regularmente quaisquer filtros e telas de entrada que previnem a entrada de insetos. As aletas de resfriamento da válvula devem ser limpas frequentemente, soprando ar comprimido pelas passagens de ar. É importante assegurar que o pressostato de entrada de ar e o termostato de saída estejam funcionando corretamente, pois são a defesa mais vital contra falhas inesperadas em válvulas de alta potência.

c. Resfriamento por água

Este sistema, que foi amplamente utilizado em válvulas de alta potência no passado, está sendo progressivamente menos empregado devido às complicações operacionais que serão discutidas a seguir. Portanto, focaremos apenas nos seus aspectos mais importantes.

A vazão de água necessária para tríodos é de:

e para tetrodos e pêntodos:

onde:

• q = vazão de água em litros por minuto;
• W_a = dissipação de placa em W;
• V_g2 = tensão da grade 2 em V;
• I_g2 = corrente da grade 2 em A;
• V_g3 - tensão da grade 3 (no caso de pêntodos) em V;
• I_g3 = corrente da grade 3 ( no caso de pêntodos);
• t_o = temperatura de saída da água em ºC;
• t_i = temperatura de entrada da água em ºC.

Quais são as preocupações que devem ser tomadas com as válvulas resfriadas à água?

Para prevenir danos causados por faíscas internas nas válvulas, o circuito de placa de todas as válvulas refrigeradas por água deve incluir um resistor de 50 Ω. Caso o ânodo da válvula não esteja aterrado, é essencial manter a entrada e saída da água eletricamente isoladas. Para evitar a corrosão eletrolítica, é aconselhável usar um alvo de metal eletrolítico em cada conector de água. A fim de prevenir a formação de depósitos minerais que diminuem a eficiência do resfriamento, recomenda-se o uso de água destilada ou deionizada. É possível também utilizar um circuito fechado com um trocador de calor secundário. Se o sistema de refrigeração da válvula contiver ferro ou zinco, especialmente em modelos mais antigos, pode-se evitar a corrosão ou erosão adicionando 1 ml de solução de hidrato de hidrazina por litro de água. O pH da água deve ser mantido entre 7 e 9. A temperatura da água não deve ultrapassar 65 ºC para água destilada e 50 ºC para água desmineralizada, sendo ideal resfriá-la a uma temperatura entre 30 e 40 ºC antes de recirculá-la. Mesmo com o ânodo refrigerado por água, os terminais de grade e filamento podem requerer resfriamento adicional por ar forçado.

d. Resfriamento a vapor

Este sistema, exclusivo para transmissores de altíssima potência, aproveita o fato de que a conversão de 1 litro de água a 100 ºC em vapor retira 539 kcal do ambiente.

O resfriamento a vapor é capaz de remover três vezes mais calor do que o resfriamento a água (300W/cm² da superfície do ânodo contra 100W/cm²), necessitando apenas de uma vigésima parte do fluxo de água; graças à ação do termossifão, elimina a necessidade de uma bomba de água, tornando o resfriamento completamente silencioso. O vapor produzido é condensado em um condensador externo (a ar ou a água) e retorna à válvula no estado líquido.

A utilização deste sistema requer a troca periódica da água e a limpeza interna concomitante para remover as impurezas.

e. Resfriamento por condução térmica

Embora ainda seja raramente utilizado em equipamentos de radioamador, é importante mencionar o resfriamento por condução térmica, que emprega um dissipador de calor ligado ao ânodo da válvula. O óxido de berílio é usado como elemento de acoplamento, pois isola como uma cerâmica e conduz calor como um metal. Sua condutividade térmica supera a do alumínio e atinge 62% da do cobre.

O exemplo clássico de resfriamento por condução térmica em serviços de radioamadorismo é o amplificador Heathkit, modelo SB-230, lançado em meados da década de 70. Ele utiliza a válvula 8873 da Eimac, que opera com uma tensão de placa relativamente baixa e um ganho tão alto que, ao invés de um circuito sintonizado para cada banda, um simples resistor ôhmico na entrada seria suficiente. Mesmo assim, apenas 100 W seriam necessários para a excitação total, alcançando uma eficiência de 59 a 66% dependendo da banda.

Embora o dissipador se aquecesse bastante — após um período de uso — e não pudesse ser manuseado diretamente, não havia risco de redução da vida útil da válvula devido aos vários dispositivos de segurança integrados ao amplificador. Entre eles, destacam-se: um relê de tempo de aquecimento que ativava o relê da linha PTT um minuto após o acionamento do filamento; um termostato acoplado ao dissipador que cortava a linha PTT em caso de superaquecimento; outro relê projetado para interromper a alimentação elétrica em caso de sobrecarga na fonte de alimentação devido a algum defeito; e, por fim, um fusível na linha do cátodo para proteger a válvula contra excesso de corrente.

O resfriamento de válvulas por condução térmica foi amplamente utilizado em aeronaves e navios, onde a superfície externa do veículo atua como um dissipador de calor ilimitado, mantendo a temperatura do dissipador significativamente mais baixa.

Tensão de filamento

a. Válvulas com catodo e filamento separados (aquecimento indireto)

Válvulas de baixa potência muitas vezes possuem o cátodo separado do filamento. Esse design proporciona diversas vantagens, que serão exploradas a seguir:

Todos os pontos da superfície emissora têm o mesmo potencial.

A corrente alternada que aquece internamente o cátodo não interfere na operação da válvula, já que não modifica o potencial em nenhuma parte do cátodo.

Dentro do limite de ruptura entre eletrodos, a tensão do cátodo pode ser selecionada de forma independente do potencial do filamento.

Válvulas de aquecimento indireto empregam um filamento de aquecimento de tungstênio puro, e a tensão do filamento pode oscilar entre -10% e +10% do valor nominal. Nesses limites, a durabilidade da válvula é inversamente proporcional a aproximadamente a décima quarta potência da tensão aplicada. Uma tensão 10% menor pode aumentar a vida útil da válvula em 4,37 vezes (conforme Tabela 1). Portanto, é aconselhável reduzir a tensão do filamento quando a potência total da válvula não é necessária, prolongando assim sua vida útil.

A diminuição da tensão no filamento restringirá a emissão de elétrons à área central do cátodo, que alcança a temperatura mais elevada. Quando essa região emissora de elétrons se desgastar, será suficiente elevar ligeiramente a tensão do filamento, até o valor nominal, para engajar as áreas externas do cátodo, que permaneceram inativas. Contudo, elevar a tensão do filamento acima do valor nominal pode reduzir sua vida útil, não apenas pela evaporação antecipada da camada emissora do cátodo, mas também pelo acúmulo do material evaporado em áreas indesejadas.

b. Válvulas com filamento de aquecimento direto

As válvulas de aquecimento indireto têm sua potência limitada devido à capacidade de transferência de calor do filamento para o cilindro do cátodo. Portanto, em válvulas de alta potência, é necessário que o filamento atue como o eletrodo emissor de elétrons.

c. Válvulas com filamento de tungstênio puro

Desde tempos remotos, os filamentos de válvulas transmissoras eram feitos de tungstênio puro (essas válvulas são identificadas pela letra A, como segunda letra, na nomenclatura europeia). É importante não exceder a tensão nominal do filamento para evitar danos. No entanto, operar com uma tensão de filamento abaixo da nominal pode prolongar a vida útil da válvula, aproximadamente e dentro de certos limites, em proporção à décima quarta potência da redução percentual aplicada à tensão do filamento.

A Tabela 1 mostra a duração média de válvulas que possuem cátodo de aquecimento indireto ou filamento de tungstênio puro, variando a tensão do filamento e considerando a vida útil com a tensão nominal como referência de 100%.

Tabela 1 — Variação da vida da válvula em função da variação da tensão de filamento.

d. Válvulas com filamento de tungstênio toriado

Atualmente, a maioria das válvulas transmissoras empregadas em amplificadores lineares possui filamento de tungstênio toriado. Segundo a nomenclatura europeia, essas válvulas são identificáveis pelo uso da letra B como segunda letra em seu tipo.

O filamento dessas válvulas, ao qual é adicionado 1,5% de óxido de tório ao tungstênio, trazendo tório metálico à superfície, é processado e aquecido na presença de hidrocarbonetos para criar uma camada espessa de carbureto de ditungstênio, aumentando a emissão em cerca de 1000 vezes. A vida útil do filamento é proporcional ao nível de carburização e depende também da temperatura de operação. Com o uso, o filamento se descarburiza progressivamente pela evaporação do carbono, até que perca a capacidade de emissão de elétrons.

A maioria dos fabricantes de válvulas transmissoras com filamento de tungstênio toriado aconselha que a tensão do filamento seja mantida dentro de uma variação de ± 1% do valor nominal para maximizar sua vida útil.

Por que é necessária essa exatidão?

Quando a tensão do filamento excede o limite especificado, a emissão de elétrons é acelerada e o filamento se descarburiza mais rapidamente, reduzindo a vida útil da válvula. Operar abaixo do limite inferior pode levar à contaminação do filamento, que não está suficientemente aquecido, pelos íons de gás restantes na válvula ou liberados de outros eletrodos durante sobrecargas que causam altas temperaturas. Esta contaminação pode esgotar a camada de carbureto na superfície do filamento.

Para aparelhos que possuem válvulas transmissoras com filamento de tungstênio toriado, recomenda-se o uso de um regulador automático de tensão, idealmente do tipo saturação, para preservar os parâmetros operacionais das válvulas consistentes ao longo do tempo.

e. Válvulas com catodo de óxido

As válvulas, identificadas na nomenclatura europeia pelo "C" em segunda posição, devem obedecer às mesmas normas de controle de filamento que as válvulas de filamento de tungstênio toriado. Tensões acima do especificado causam evaporação anormal do filamento, enquanto tensões abaixo resultam em uma emissão desigual ao longo do mesmo.

Para os radioamadores experientes, é possível determinar a tensão ideal de filamento de uma válvula em conjunto com um equipamento específico. Para isso, instala-se medidores de corrente de placa, potência de saída e/ou distorção, e reduz-se gradualmente a tensão de filamento até notar qualquer deterioração nos parâmetros mencionados. A tensão de operação ideal é estabelecida um ponto acima do início da deterioração observada. Este procedimento deve ser repetido após 12 a 24 horas para confirmar que a emissão permanece estável e constante.

Choques de corrente ao ligar a válvula

É conhecido que a resistência de um filamento em estado frio é aproximadamente um sétimo da sua resistência em condição normal de operação. Isso implica que, com a baixa resistência interna do transformador de filamento, a corrente inicial pode atingir quase sete vezes o valor nominal de operação do filamento. Tal corrente intensa pode sobrecarregar a estrutura do filamento e gerar um campo magnético considerável. Em válvulas de grande porte, esse campo pode ser suficiente para deformar o filamento e a grade de controle, causando um curto-circuito entre eles.

Em relação aos efeitos nocivos desses picos de corrente, mesmo que não causem curto-circuito interno, é suficiente mencionar que um fabricante europeu de válvulas aconselha a não desligar as válvulas se a pausa na operação for menor que duas horas. Isso implica que cada pico de corrente, decorrente do acionamento da válvula, reduz sua vida útil em duas horas.

A amplitude do pico de corrente do filamento, ao energizar a válvula, pode ser medida com um osciloscópio. O limite seguro é até três vezes a corrente nominal, e nunca deve ultrapassar seis vezes esse valor. Normalmente, leva-se cerca de cinco segundos para que a corrente do filamento retorne ao seu valor normal após ser ligada. Para os radioamadores, esses picos de corrente podem significar uma redução considerável na vida útil das válvulas.

O que se pode fazer para evitar esses surtos prejudiciais?

Primeiramente, em amplificadores lineares que não possuem interruptor stand by, é necessário inserir um interruptor no cabo PTT proveniente do transceptor. Em seguida, ao invés de conectar diretamente o transformador de filamento à rede elétrica, pode-se aumentar a tensão gradualmente, utilizando um reostato ou um transformador variável, elevando-a de zero até o valor total em um intervalo de dois a quatro segundos. Este método não é recente e já era conhecido pelos radioamadores veteranos desde os primórdios do hobby. Outra técnica consiste em conectar um resistor em série com o transformador de filamento, limitando a tensão do filamento a cerca de 70% do valor nominal por três a cinco segundos, antes de ser curto-circuitado por um relé temporizador automático. Alternativamente, pode-se usar um comutador de três posições em vez do interruptor de filamento: desligado, ligado através do resistor mencionado e ligado diretamente. Neste caso, o operador mantém o comutador na segunda posição por três a cinco segundos.

Retardo ao aplicar a tensão de placa

A ativação do PTT e a aplicação da tensão de placa nas válvulas só podem ocorrer após o catodo alcançar a temperatura operacional. Para válvulas com filamento de tungstênio ou tungstênio toriado, o tempo necessário é de 15 segundos. No entanto, válvulas com catodos de óxido requerem um minuto de aquecimento antes de se aplicar a tensão de placa. Em casos de instalação de uma válvula nova ou que esteve armazenada por longos períodos, a tensão de placa não deve ser aplicada antes de quinze minutos.

Referência: HALÁSZ, Ivan T. Handbook do radioamador, EDUSP, São Paulo, 1993.