PY5NC

AMPLIFICADOR LINEAR TRÍODO COM GRADE ATERRADA

O amplificador de tríodo com grade aterrada é um componente fundamental em circuitos de amplificação de radiofrequência, amplamente utilizado em transmissões de rádio e sistemas de comunicação. Este tipo de amplificador é especialmente valorizado por sua capacidade de fornecer amplificação de potência e tensão, além de sua simplicidade de configuração. Neste amplificador, a tensão de entrada é aplicada ao cátodo, enquanto a grade é aterrada, permitindo que a saída seja retirada da placa (ânodo) e mantenha a fase que a entrada. A seguir, exploraremos em detalhes o funcionamento, as características e as considerações práticas desse tipo de amplificador. O amplificador de tríodo com grade aterrada é uma solução poderosa e eficiente para aplicações de radiofrequência. Sua configuração permite uma amplificação eficaz, combinando características de amplificação de tensão e potência. A compreensão detalhada do funcionamento, das características e das considerações práticas desse tipo de amplificador é essencial para engenheiros e entusiastas que desejam projetar e implementar sistemas de comunicação de alta qualidade. Com os componentes certos e um design cuidadoso, esses amplificadores podem oferecer desempenho excepcional em uma ampla gama de aplicações, desde transmissões de rádio amador até sistemas de comunicação comerciais. A busca pela excelência na construção e operação desses amplificadores é um esforço contínuo que pode levar a inovações e melhorias significativas na tecnologia de comunicação.

Funcionamento do Amplificador

Configuração do Circuito

Estrutura Básica:

O amplificador de tríodo é composto por três eletrodos: cátodo, grade e placa (ânodo). O cátodo é o terminal onde a corrente elétrica é emitida, a grade controla o fluxo de corrente entre o cátodo e a placa, e a placa é onde a corrente é coletada.
Neste tipo de amplificador, a tensão de entrada é aplicada entre o cátodo e a grade, enquanto a grade é mantida em um potencial de terra, funcionando como um ponto de referência. Essa configuração é crucial, pois permite que o amplificador opere de maneira eficiente, mantendo a linearidade e a estabilidade do sinal amplificado.

Saída do Amplificador:

A saída do amplificador é obtida entre a placa e a grade. Como a grade está aterrada, o sinal de saída está em fase com o sinal de entrada, o que é uma característica desejável em muitos circuitos amplificadores. Essa relação de fase é especialmente importante em aplicações onde a fidelidade do sinal é crítica, como em transmissões de rádio e sistemas de comunicação.

Potência de Acionamento

Necessidade de Potência:

Para operar eficientemente, o amplificador de grade aterrada requer uma fonte de potência externa, conhecida como potência de acionamento. Essa potência é essencial para garantir que o amplificador não funcione apenas como um amplificador de tensão, mas também como um amplificador de potência. Em aplicações de transmissão, a energia alimentada pelo driver pode representar cerca de 10% da potência total de saída do amplificador, dependendo do tipo de tubo utilizado e das condições de operação.
A potência de acionamento deve ser cuidadosamente ajustada para garantir que o amplificador funcione dentro de suas especificações, evitando assim distorções e perdas de eficiência.

Impedância de Entrada e Saída

Impedância de Entrada:

A impedância de entrada do amplificador de grade aterrada é relativamente baixa. Essa característica é vantajosa, pois permite que o amplificador seja facilmente acoplado a diferentes fontes de sinal, como transceptores de rádio. A baixa impedância de entrada facilita a conexão com circuitos de entrada variados, permitindo que o amplificador receba sinais de diferentes origens sem comprometer a qualidade do sinal.
A impedância de entrada consiste em uma capacitância em paralelo com uma resistência equivalente, representando a energia fornecida pela fonte de acionamento e para a carga. Essa configuração ajuda a otimizar a transferência de energia e a minimizar a perda de sinal.

Impedância de Saída:

A impedância de saída, por outro lado, é determinada principalmente pela resistência de placa do tubo. Em muitos casos, essa resistência pode ser ajustada para coincidir com a impedância da carga, garantindo uma transferência eficiente de potência. Um bom casamento de impedância entre a saída do amplificador e a carga é fundamental para maximizar a eficiência do sistema e minimizar as reflexões de sinal que podem causar distorções.

Características do Amplificador

Impedância de Entrada e Potência do Driver

Impedância de Entrada:

O amplificador de grade aterrada possui uma impedância de entrada comparativamente baixa, o que facilita o acoplamento com outras partes do circuito. Isso é especialmente útil em aplicações onde múltiplos estágios de amplificação são necessários, pois permite que o sinal flua facilmente entre os diferentes componentes do sistema.

Requisito de Potência do Driver:

O amplificador exige um driver de potência relativamente alto. A potência adicional necessária não é consumida pelo amplificador, mas sim "alimentada" para o circuito da placa, onde se combina com a potência de saída normal da placa. Essa combinação é crucial para maximizar a eficiência do sistema, garantindo que o amplificador opere em sua faixa ideal de desempenho.

Feedback e Estabilidade

Feedback Positivo:

O feedback positivo ocorre da placa para o cátodo através da capacitância placa-cátodo do tubo. Esse feedback é essencial para a estabilidade do amplificador, permitindo que ele responda rapidamente às variações no sinal de entrada. Um controle adequado do feedback é necessário para evitar oscilações indesejadas e garantir que o amplificador opere de maneira linear.

Neutralização:

Como a grade aterrada está interposta entre a placa e o cátodo, a capacitância entre esses dois eletrodos é geralmente pequena. Isso significa que a neutralização, um processo utilizado para minimizar a realimentação indesejada, muitas vezes não é necessária neste tipo de circuito. A configuração do amplificador ajuda a manter a estabilidade, reduzindo a probabilidade de oscilações indesejadas.

Circuito de Tanque de Placa Amplificadora

Estrutura do Circuito de Tanque

O circuito de tanque de placa é uma rede pi que desempenha um papel vital na combinação da alta impedância da placa com a baixa impedância da antena. Além disso, esse circuito filtra harmônicos indesejados do sinal de saída, garantindo que apenas a frequência desejada seja transmitida.

Componentes do Circuito:

Capacitores de Acoplamento: O circuito utiliza capacitores em paralelo, que ajudam a acoplar o sinal da placa ao circuito de saída. Esses capacitores são fundamentais para garantir que o sinal seja transmitido de maneira eficiente, minimizando perdas.
Bobina: A bobina do tanque é ajustável, permitindo variações na indutância. Isso é importante para sintonizar o circuito em diferentes frequências, especialmente nas bandas amadoras de 3,5 a 30 MHz. A capacidade de ajuste da bobina é crucial para garantir que o amplificador opere de maneira eficaz em diferentes condições de transmissão.
Capacitor de Carga: Um capacitor de carga de 1500 pF é utilizado para ajustar a rede para a melhor casamento de impedância, otimizando a transferência de energia para a antena. A escolha do valor do capacitor é crítica para garantir que a impedância de saída do amplificador esteja corretamente ajustada à carga.

Funções do Indutor de RF

Proteção do Circuito:

O indutor de RF de 2,5 mH desempenha duas funções cruciais:

Em caso de falha do capacitor de acoplamento, que pode causar um curto-circuito, o indutor encurta o fornecimento de placa, protegendo assim a antena de tensões perigosas.
O indutor também evita que qualquer tensão contínua apareça no capacitor de carga, reduzindo a tensão que ele precisa suportar e permitindo o uso de um capacitor fisicamente menor.

Casamento de Impedâncias:

O circuito de saída é projetado para corresponder às impedâncias de linhas de alimentação e cargas desbalanceadas de 50 ou 70 ohms, o que é comum em sistemas de transmissão de rádio. Um bom casamento de impedância é essencial para maximizar a transferência de potência e minimizar as perdas no sistema.

Considerações Práticas

Isolamento e Bypass

Isolamento do Cátodo:

Em um circuito de amplificador de grade aterrada, o cátodo deve ser isolado para RF do solo. Isso é especialmente desafiador em tubos de filamento, onde a corrente de filamento pode ser significativa. O isolamento adequado é crucial para evitar interferências e garantir um desempenho estável.

Bypass Eficaz:

O bypass eficaz e o isolamento entre a entrada e a saída do amplificador são fatores principais para manter o amplificador de grade aterrada operando de forma confiável. Esses elementos ajudam a prevenir oscilações indesejadas e garantem que o sinal de saída mantenha a qualidade desejada.

Desafios e Soluções

Desafios Práticos:

A implementação de um amplificador de tríodo com grade aterrada pode apresentar desafios práticos, como a necessidade de componentes de alta qualidade e a correta configuração do circuito para evitar problemas de estabilidade. A qualidade dos componentes pode afetar diretamente o desempenho do amplificador, tornando essencial a escolha cuidadosa de cada elemento.

Soluções:

Utilizar componentes adequados, realizar testes de desempenho e ajustes precisos no circuito pode ajudar a mitigar esses desafios, resultando em um amplificador eficiente e confiável. A realização de testes de estresse e a análise do desempenho em diferentes condições são práticas recomendadas para garantir a robustez do sistema.

Princípios básicos do amplificador de grade aterrada

Configuração:

Entrada: Aplicada entre o cátodo e a grade aterrada.
Saída: Retirada da placa (ânodo).
Grade: Aterrado eletricamente, servindo como ponto de referência comum.
Relação de fase: O sinal de saída está em fase com a entrada.

Requisitos de energia:

Requer potência de acionamento significativa (não puramente um amplificador de tensão).
~10% da potência total de saída de RF é fornecida pela fonte de acionamento em aplicações de transmissão.

Características da impedância:

Entrada: Baixa impedância (centenas de ohms), modelada como capacitância paralela à resistência que representa a potência de acionamento.
Saída: Igual à resistência da placa do tubo (negligenciando a capacitância entre eletrodos).

Elementos críticos do circuito

Circuito de tanque de RF (rede Pi)

Função: Combina alta impedância de placa com baixa impedância de antena (50-70Ω), filtra harmônicos.
Componentes chave:

Indutor de sintonia (L1): Comutado por banda para cobertura de 3.5–30 MHz.
Capacitor de carregamento (C2): Otimiza a casamento de impedância.
Capacitor de bloqueio de placa:

Especificações mínimas: avaria de 10 kV, 200 pF, corrente de RF de 10A (50 MHz).
Proteção contra falhas: 2,5 mH RF choke curto-circuita HV para queimar o fusível se o capacitor falhar.

Circuitos de filamento e polarização

Isolamento do filamento:

Estrangulamento bifilar na haste de ferrite isola o transformador de filamento.
O toque central fornece conexão de polarização.

Polarização catódica:

Tensão positiva aplicada ao cátodo (em relação à rede).
Circuito ajustável baseado em TL431 recomendado (faixa de 27–45 V).

Mecanismos de proteção

Circuito de viagem à grade:

Aciona com corrente de rede excessiva (por exemplo, >35% da corrente catódica).
Desativa o amplificador e acende o indicador de falha.

Caminho de segurança DC:

O stub em curto (cabo coaxial λ/2) ou o indutor de RF na saída evita a exposição de alta tensão na linha da antena se o capacitor de bloqueio falhar.

Proteção do medidor: Os diodos protegem os medidores durante falhas no circuito.

Desafios e soluções de design

Isolamento de RF do cátodo:

Problema: Filamentos aquecidos diretamente complicam o aterramento de RF.
Solução: Isolamento baseado em estrangulamento com capacitores de bypass.

Supressão de oscilação parasitária:

Hairpin Stub: Resistor (56Ω) + loop de fio suprime parasitas VHF.
Estrangulamento de placa: O enrolamento de camada única na forma de cerâmica evita a auto-ressonância.

Supressão de harmônicos:

Filtro de stub: λ/2 stub coaxial sintonizado com harmônicos de curto de 2º harmônico (por exemplo, 100,2 MHz para 50,1 MHz).
LPF externo: Ainda necessário apesar do esboço.

Afinação & Ajuste

Ajuste de rede Pi:

Simular carga da placa: Resistor ≈ tensão da placa / (1,8 × corrente da placa).
Use o analisador SWR na saída para obter SWR 1:1 ajustando as torneiras da bobina e o capacitor de carga.

Calibração de viagem da rede:

Aplique 300 mA ao circuito da rede via PSU externo, ajuste o potenciômetro até que o LED de disparo seja ativado.

Configuração de viés:

Defina a corrente da placa quiescente para 100 mA (sem acionamento).

Considerações específicas do tubo (GS-35B)

Resfriamento: Requer fluxo de ar de ânodo de 88,3 CFM. Direção do fluxo de ar: ânodo → aquecedor.
Faixa de polarização: 28–35V (tubos de polarização zero).
Rácios de corrente:

A corrente da rede ≈ 25–30% da corrente da placa (por exemplo, grade de 240 mA @ placa de 800 mA).
Corrente máxima do cátodo: 1,4 A.

Operação HV: Estável na tensão da placa de 3–4 kV.

Notas Práticas

Circuito de entrada transceptor: O circuito sintonizado próximo ao cátodo estabiliza a impedância e melhora a linearidade.
Segurança:

Nunca opere sem fluxo de ar.
Certifique-se de que os intertravamentos de alta tensão e a proteção contra falhas estejam funcionais.

Principais vantagens

Estabilidade: Neutralização mínima necessária devido à capacitância ânodo-cátodo de blindagem da grade.
Eficiência: A potência de acionamento contribui para a potência de saída.
Simplicidade: Menos componentes em comparação com designs acionados por cátodo.

Para uma elaboração esquemática ou de seção específica, esclareça sua área de foco. O projeto enfatiza a segurança, o ajuste adequado e a aderência às especificações do tubo (por exemplo, resfriamento/polarização GS-35B).

AMPLIFICADORES VALVULADOS HF: UMA ANÁLISE COMPLETA

O desejo de todo radioamador, especialmente aqueles que operam nas faixas de baixa frequência, é possuir um amplificador de potência valvulado de alta frequência (HF) que seja compacto, eficiente, confiável e compatível com transceptores modernos. Este texto, inspirado em um artigo russo disponível em cqham.ru, explora os princípios essenciais para projetar tais amplificadores, aproveitando a qualidade e acessibilidade de válvulas russas como GU50, GI7B, GMI11, GU46, GU43B, GU91 B e GU78 B. Abaixo, apresento uma análise detalhada que aborda os aspectos técnicos, práticos e até psicológicos envolvidos no processo.

O Que Define um Bom Amplificador Valvulado HF?

Um amplificador valvulado HF ideal deve equilibrar eficiência, confiabilidade e design prático. As válvulas russas, reconhecidas mundialmente, são robustas e duráveis, capazes de suportar décadas de inatividade e operar por anos se preparadas corretamente e usadas dentro dos modos recomendados. Elas resistem a incompatibilidades, superaquecimento e sobrecargas, desde que o circuito seja projetado com inteligência.

Princípios Fundamentais do Design

1. Seleção e Preparação das Válvulas

Durabilidade: Uma válvula bem "treinada" antes do uso, mesmo após longos períodos sem operação, pode durar anos. O treinamento envolve operar a válvula em modos iniciais adequados para restaurar suas propriedades.
Robustez: As válvulas não falham facilmente por surtos ou estática se o circuito for bem projetado, protegendo contra sobrecargas e instabilidades na rede elétrica.
Modos de Operação: Escolha modos que maximizem a eficiência sem sacrificar a vida útil da válvula.

2. Fonte de Alimentação

Proteção: Use relés temporizadores e dispositivos para suavizar surtos de corrente (soft-start), mas minimize contatos e semicondutores extras, que introduzem pontos de falha.
Filamento: Selecione a voltagem correta dentro da tolerância especificada no datasheet da válvula. Nem todo transformador serve; a escolha deve considerar a corrente e a estabilidade.

3. Componentes de Alta Qualidade

Diodos e Elementos de RF: Prefira diodos de alto desempenho e componentes militares (bobinas, capacitores de vácuo, relés como B2B e P1D) para garantir eficiência e durabilidade.
Ventiladores: Opte por ventiladores importados de baixo ruído. Economizar aqui pode comprometer o resfriamento e a satisfação com o projeto.
Resistores Antiparasitários: Em estágios potentes, use resistores não indutivos especiais, evitando modelos comuns como MLT-2.

4. Layout e Montagem

Design Compacto: Considere uma configuração de dois blocos, com a fonte de alimentação sob a mesa, para reduzir o tamanho do estágio de saída.
Relés: Use relés de baixa corrente (incluindo reed) para controlar contatores principais e interface com o transceptor.
Resfriamento: Garanta convecção adequada para válvulas de resfriamento natural e selecione ventiladores ou turbinas apropriados para resfriamento forçado.
Materiais: Escolha um chassi rígido e silencioso e dielétricos de alta frequência onde necessário.

5. Escolha do Circuito

Cátodo Comum vs. Grade Comum: A decisão depende do uso (concursos, FM/CW ou comunicação diária), afetando peso, dimensões e resfriamento.
Circuito Anódico ou Placa:

Alimentação Paralela: Ideal para válvulas com baixa capacitância de saída. Exige um indutor anódico bem projetado, com frequência de ressonância fora das bandas amadoras.
Alimentação em Série: Melhor para válvulas com alta capacitância (e.g., GU 81). Use capacitores de alta qualidade para separar o componente DC e interruptores isolados sob alta tensão.

6. Estabilidade e Monitoramento

Capacitores Eletrolíticos: Viáveis até 1 kW, desde que a tensão não exceda 85% do nominal e o calor seja evitado.
LEDs Indicadores: Instale LEDs no painel frontal para monitorar correntes da grade e modos de operação.
Proteção: Evite capacitâncias parasitas e estabilize o circuito para eliminar o efeito dinatron, garantindo operação confiável em HF.

Aspectos Técnicos Detalhados

Projetar um amplificador exige domínio de várias áreas técnicas. Aqui estão os principais pontos a considerar:

Transformadores: Seleção de núcleos magnéticos e seções de fio adequadas.
Fontes de Alimentação: Propriedades dinâmicas e resistências internas compatíveis com o circuito.
Retificadores: Escolha de diodos e capacitores baseada no tipo de retificação.
Automação: Sistemas que garantam a sequência correta de alimentação e controle de resfriamento.
Componentes de RF: Posicionamento para evitar capacitâncias indesejadas e quebras.
Circuito Pi: Projeto com fator de qualidade, indutância e capacitância otimizados.
Indutor Anódico: Material, fio e frequência de ressonância calculados com precisão.
Proteção: Contra falhas na válvula ou na fonte.
PI de entrada: Entre amplificador e transceptor, ajustando a corrente de repouso e evitando feedback indesejado.

Potência psicológica

Radioamadores frequentemente idealizam amplificadores antigos ou superestimam ganhos de potência. Confie em medições objetivas em vez de impressões subjetivas. o impacto do aumento de potência:

100 W para 200 W: +2 dB (quase imperceptível).
100 W para 400 W: +6 dB (1 ponto), notado por experientes.
100 W para 1 kW: +10 dB (1,5 ponto), amplamente percebido.
100 W para 1,6 kW: +12 dB (2 pontos), elogiado.
100 W para 6,4 kW: +18 dB (3 pontos), impacto significativo.

Esses testes devem ser rápidos para evitar interferências do QSB (variações de propagação) e acompanhados de monitoramento preciso da antena.

Conclusão: Lições e Recomendações

Projetar um amplificador valvulado HF eficiente e confiável requer um equilíbrio entre componentes, layout e operação. Não se deve superdimensionar peças por segurança, mas sim adotar um design inteligente que considere todos os aspectos técnicos e práticos. Erros são comuns nos primeiros projetos, mas a experiência e a análise contínua levam ao sucesso. Por fim, mantenha expectativas realistas: o aumento de potência tem limites perceptivos, e o desempenho deve ser avaliado com medições objetivas. Com paciência e atenção aos detalhes, é possível criar um amplificador que decore seu shack e funcione por anos.

Linear AMP teoria