A vida das válvulas

[xformer]

Este é um artigo que saiu na revista Au dio xpre ss  de autoria de J a n Di d d en.
Eu traduzi e compartilho abaixo.

A VIDA DAS VÁLVULAS

Todos nós sabemos que existem válvulas com catodos de aquecimento
direto e aqueles com aquecimento indireto. Os de aquecimento indireto
tem uma estrutura de filamento separada, muitas vezes dentro de um
catodo cilíndrico, para aquecer o catodo. O catodo, geralmente um tubo de
níquel, é coberto com diversas substâncias químicas como bário e
carbonato de estrôncio. Essas substâncias são escolhidas por sua
capacidade de emitir elétrons livres a uma temperatura relativamente
baixa, para limitar o desperdício de energia no aquecimento. A
combinação de filamento e catodo com todos os diversos compostos
numa estrutura de catodo aquecido diretamente, resulta em uma emissão
de elétrons livres menos eficiente que no aquecimento indireto, e
necessita de mais potência no filamento.

O aquecimento indireto é um processo complexo com reações químicas e
o número de elétrons livres é limitado pelo produto final das reações, e
quando esgotado, a válvula está no fim da sua vida. O outro mecanismo
aqui é o aumento da resistência de interface entre a superfície emissiva
do catodo e sua estrutura de níquel, que vai polarizar a válvula.

TENSÂO DO FILAMENTO

Os filamentos tem uma especificação de tensão nominal, como por
exemplo 6,3V (ou a série de 12,6V) para muitos triodos duplos. Quanto
esta tensão é crítica ? O que acontece quando nós ligamos em 6V ? Ou em
6,5V ? O primeiro efeito óbvio de um catodo com tensão maior é que o
catodo  fica mais quente e o material emissivo vai reagir mais
rapidamente e evaporar mais rapidamente também, diminuindo a vida útil
da válvula. Diminuir a tensão no filamento, e portanto diminuir a sua
temperatura, vai deslocar as características da válvula para uma
saturação mais baixa e aumentar a distorção. Isso pode não ser um
grande problema com válvulas de pouca potência dos pré amplificadores,
mas pode ser um problema para as válvulas de potência.

Em temperaturas mais baixas, os catodos podem ser mais sensíveis a um
problema chamado de envenenamento por íons de gases presentes na
válvula. As temperaturas nominais mais altas fornecem alguma proteção
contra o envenenamento - embora isso também aumente o ruído. O
negócio é que não é aconselhável diminuir muito a tensão no filamento
para tentar estender a vida útil da válvula mesmo com baixas correntes de
anodo. Mesmo assim, diminuir a tensão de um valor nominal de 6,3V para
6,1V é dito que aumenta a vida útil da válvula em 50%.

A alimentação para o filamento em DC pode facilmente ser obtida  com
retificadores modernos e reguladores integrados de tensão, e é feita para
evitar que o ruído da rede elétrica seja inserida no amplificador. Mas alimentar
o filamento em DC é ruim para a vida útil da válvula. Ao ligar, a grande
corrente de surto e a espiral mecânica que é construído o filamento
sempre causam um movimento mecânico muito pequeno da estrutura do
filamento dentro do catodo. Com uma fonte DC, este movimento é sempre
na mesma direção e de mesma magnitude, causando um tipo de
raspagem. Depois de muitos ciclos de acender o filamento com DC, essa
raspagem pode levar a um enfraquecimento do isolamento entre o
filamento e o catodo, causando sons rachados e eventual falha. Então, a
menos que você tenha um problema com hum, alimentar o filamento com
AC é melhor para a vida da válvula.

Muitos filamentos de hoje são alimentados por uma fonte de tensão (6,3V
ou 12,6V são os mais comuns) mas algumas vezes os filamentos são
alimentados em série, onde a corrente é especificada. As antigas válvulas
PLxx/PCLxx, por exemplo, podiam ser ligadas em série diretamente na
rede elétrica, economizando um transformador para os filamentos. Mas
tenha cuidado, nem todos filamentos tem a mesma massa térmica e
resistência, assim eles se aquecem em velocidades diferentes. A menos
que você balanceie cuidadosamente o circuito em loop, é possível que um
filamento possa aquecer mais lentamente que outro, significando que sua
resistência fique menor que outra , e a tensão sobre a que se aquece mais
rapidamente, possa subir consideravelmente além do seu valor nominal,
diminuindo a vida útil da válvula.

Por fim, há a tensão da rede a ser considerada. Tanto na Europa como nos
EUA, a tensão da rede tem aumentado nas últimas décadas. Na Europa, a
tensão aumentou de 220V para 230V e mesmo 240V. Nos EUA, de 110V
para 120V e mesmo 125V. Isso significa que, quando usarmos
transformadores de força antigos, as tensões nos secundários de
filamento, podem estar de 5 a 10% acima da tensão nominal.
Desnecessário dizer que isso vai diminuir significativamente a expectativa
de vida da válvula. Use  transformador especificado para tensões de rede
atuais, ou mantenha a tensão de filamento ajustada com pequenos
resistores em série se necessário.

Embora a falha no filamento está longe de ser a causa mais comum para
defeito na válvula, ainda é um problema potencial e deve ser considerada
num projeto de amplificador.

DISSIPAÇÃO E CUIDADOS TÉRMICOS

Você pode pensar que quando uma válvula tem uma grande  dissipação,
tal como numa válvula em classe A, que a dissipação de anodo deve
também ajudar a aquecer o catodo e talvez você precise de menos energia
para aquecer o filamento. Em princípio isso é verdade, mas o efeito do
aumento da da temperatura do anodo na temperatura do catodo aumenta
na razão de uma raiz quarta. Assim um aumento de 100° no anodo, vai ter
um efeito de apenas 3° de aumento no catodo.
Por outro lado, o esfriamento da válvula ou se o ambiente em volta dela
não se esquentar muito, tem um efeito positivo na vida útil. Existem dois
fatores que importam aqui. Um é a temperatura do envelope de vidro.
O vidro sempre vai emitir moléculas de gás, que diminui o vácuo interno
da válvula e pode aumentar o envenenamento do catodo. O vazamento de
gás do vidro sobe exponencialmente com a temperatura, assim se
limitarmos a temperatura  do envelope de vidro, vai haver um enorme
efeito positivo na vida da válvula. Temperaturas altas do vidro também
levam a maiores variações de temperatura na base dos pinos ou no
terminal do topo, aumentando o risco de micro rachaduras e vazamentos.

O segundo fator é a temperatura do anodo. Um anodo muito quente pode
levar a uma liberação de vapor de água a partir das partes de mica dentro
da estrutura da válvula, e isso envenena o catodo também. Garantir que
uma válvula em funcionamento tenha uma boa ventilação em volta dela
pode aumentar a vida da válvula.

ESQUENTE PRIMEIRO, LIGUE DEPOIS

Um ponto de muita discussão é se é bom haver um atraso na aplicação de
alta tensão até que os filamentos tenham tempo de aquecerem o catodo.
Há vários mecanismos em jogo aqui. Em operação normal, o catodo
aquecido emite uma nuvem de elétrons que se agrupa na estrutura do
catodo e é conhecida como carga espacial. Com a tensão de anodo
aplicada, os elétrons são atraídos para o anodo e deixam a carga espacial,
que é suprida com novos elétrons do catodo. Mas quando o catodo está
frio, a carga espacial é mínima e é rapidamente esgotada quando a tensão
de anodo estiver presente. Normalmente, alguns elétrons colidem com
moléculas de gás soltas, produzindo íons que são atraídos pelo catodo.
Íons são muito mais massivos que os elétrons e quando eles atingem o
catodo eles podem danificar a estrutura emissiva e causar pequenas
crateras  - e portanto diminuir a capacidade de emissão. Em operação
normal, a carga espacial vai repelir esses íons mas como mencionado,
com o catodo frio a carga espacial é mínima e tem muito menos
capacidade de limitar o bombardeamento de íons no catodo.

Outro fenômeno com o catodo ainda sem a temperatura de operação se
refere a temperatura desigual no catodo. Como o catodo se aquece, a
temperatura não será uniforme e as partes mais quentes permitirão mais
corrente que as partes mais frias. A corrente que flui tende a se
concentrar em pequenas áreas quentes, e isso vai aumentar a densidade
de corrente a valores maiores que em operação normal. Essa densidade
de corrente maior pode danificar localizadamente o catodo criando
crateras em miniatura na estrutura, que terá um efeito global na
expectativa de vida útil.

Todos esses fatores sugerem que o catodo deve estar a uma temperatura
de operação antes que uma tensão seja aplicada no anodo. Isso é
especialmente importante quando o equipamento usa retificadores de
estado sólido, nesse caso a tensão no anodo estará presente quase
imediatamente ao ser ligado o amplificador. Embora muitos amplificadores
por aí tenham retificação por estado sólido que funcionam confiavelmente
por muitos anos, é sem dúvida um fator de deterioração da confiabilidade
das válvulas, assim uma alta tensão com um atraso é uma boa medida a
ser tomada, especialmente com aquelas válvulas mais caras.

Algumas vezes você lê conselhos que dizem que manter os filamentos a
meia potência, para evitar a partida a frio, e para evitar a grande corrente
de surto na partida a frio. Robert B. Tomer recomenda isso para que se
estenda a vida da válvula, embora exista é claro a questão do alto
consumo de energia em stand-by, especialmente nos de grande potência.

Mas tenha certeza de que você não vai ligar a válvula com a tensão no
anodo e filamentos com meia potência ao mesmo tempo - porque isso com
certeza vai diminuir a vida da válvula.

A situação inversa - um catodo aquecido mas sem tensão no anodo para
atrair corrente do catodo - é igualmente ruim. Nessa situação, um óxido é
formado entre o níquel do catodo e sua camada emissiva, geralmente um
óxido de bário e/ou estrôncio. Esse óxido eventualmente se torna uma alta
resistência, diminuindo a emissão. Mas isso também aumenta o ruído de
tiro da válvula, que pode ser considerada em série com o sinal de entrada.

O processo é chamado de envenenamento do catodo.
Nos tempos antigos, esse envenenamento era muitas vezes removido (ou
pelo menos tentavam remover) ligando a válvula com tensão acima do
normal tanto no filamento como no anodo, por um breve período, num
processo chamado de rejuvenescimento. Mas tal rejuvenescimento é
geralmente  de vida curta.

Superficialmente, você pode pensar que um catodo de aquecimento direto
pode ser a melhor solução, já que não há necessidade de uma montagem
complicada de um filamento sendo espiralado e inserido dentro de um
tubo de níquel. Mas considere o seguinte: os necessariamente finos fios
do filamento tem pouca massa térmica e se você aquecê-lo com AC, a
temperatura pode ficar modulada, mesmo levemente, pela frequência da
rede. Isso ocasiona o risco de indução de hum no dobro da frequência da
rede já que o ciclo de aquecimento e esfriamento seguem o quadrado da
tensão. Os fios do filamento podem também, dependendo dos detalhes
construtivos, produzir campos eletromagnéticos e eletrostáticos que
podem modular o fluxo de elétrons em direção ao anodo, de novo
ganhando risco de geração de hum.

A solução para esses problemas, sem dúvida, é enrolar o filamento dentro
de uma estrutura tubular do catodo. Isso aumenta a massa térmica da
montagem, limitando a modulação térmica da rede e ela fornece um grau
de proteção contra efeitos eletromagnéticos e eletrostáticos. Por isso que
o catodo por aquecimento indireto foi criado.

DIFERENÇA DE TENSÃO ENTRE FILAMENTO-CATODO

Em alguns circuitos, como por exemplo no SRPP (series regulated push-pull) ou em configurações cascode, pode haver uma grande diferença de potencial entre (um dos) catodos e seus filamentos. Isso é sempre um fator negativo, mesmo com um pequeno curto causando um centelhamento. A isolação entre o fio do filamento e o catodo será menor com a alta temperatura da operação normal e sempre haverá uma certa fuga entre os dois. A especificação de tensão máxima entre catodo-filamento está relacionada com a máxima fuga admissível, assim é de alguma forma um valor arbitrário. Em qualquer caso, um valor alto de tensão entre catodo-filamento aumenta a fuga e causa um nível maior de ruído.
Quando você aquece com DC, a polaridade da diferença de tensão entre o catodo e o filamento é importante. Existem dois requisitos (conflitantes). Se o filamento DC é negativo em relação ao catodo, os elétrons emitidos pelo filamento (e sempre existe um bom número deles) vão fluir para o catodo, desequilibrando a corrente anodo-catodo. Se você fizer o filamento positivo em relação ao catodo, os elétrons emitidos pelo catodo dentro estrutura do tubo vão fluir para o filamento. Isso vai transportar material do catodo para o filamento e pode causar uma ponte metálica entre os dois e em alguns casos um curto. Mas mesmo sem esse efeito, ele vai em geral, aumentar a fuga catodo-filamento dentro da válvula, deteriorando a isolação entre catodo e filamento - causando curtos a longo prazo. Se houver suficiente capacidade de  corrente no circuito, você pode ficar com um filamento grudado a um catodo, resultando numa válvula defeituosa. Como mencionado anteriormente, haverá um aumento na fuga entre o catodo e o filamento e um aumento no ruído bem antes que ocorra um curto real. Parece porém que o efeito a longo prazo só tem importância se você quiser obter o máximo de vida útil da sua válvula. Embora existam algumas histórias de que um pequeno choque mecânico possa separar o filamento do catodo, eu não sou capaz de confirmar isso.

CORRENTE DE GRADE

Válvulas de potência são muitas vezes operadas com tensão grade-catodo positivas (Vgk), o que causa uma corrente na grade. Desde que a válvula tenha sido projetada para isso e que o circuito excitador seja de baixa impedância, tudo bem (se o circuito excitador não for de baixa impedância, a corrente de grade vai causar uma distorção no sinal de drive).
Algumas vezes você pode querer usar válvulas de sinais de pouca potência (e.g. os tradicionais duplo triodos), com baixa tensão de alimentação, 50V ou menos, e consequentemente uma tensão anodo-catodo(Vak) muito baixa. Nesses casos uma Vgk muito baixa também, e mesmo quando isso não é realmente uma tensão positiva, a corrente de grade pode começar a fluir a um Vgk mais positivo do que -1V. Você pode fazer isso, se mantiver a corrente de grade baixa, mas precisa condicionar a válvula pra isso. A superfície da grade tem todos os tipos de materiais estranhos, e quando a corrente de grade começa a fluir, o material será queimado, por assim dizer. Isso significa que as características irão mudar durante o período inicial da corrente de grade. Isso é o caso em que um burn-in é útil.

FIXA versus AUTOBIAS.

Aparentemente sem relação com a vida da válvula, a escolha do método de polarização mesmo assim tem um impacto na probabilidade de falha na válvula. Se um circuito com falha acontece em um circuito com polarização fixa, a corrente na válvula pode subir sem controle, levando a destruição da válvula. Com a autopolarização (auto bias), sempre haverá um resistor de catodo, fornecendo alguma realimentação negativa para limitar a corrente na válvula.
Uma questão parecida pode ser levantada com a polarização fixa da grade de screen. Se nesse circuito, a tensão de anodo colapsar devido a alguma falha, a grade de screen provavelmente vai começar a ficar vermelha, causando um efeito destrutivo e finalmente a falha da válvula.

SUMÁRIO

O que escrevi acima, de forma alguma é um tratado exaustivo sobre os fatores de confiabilidade das válvulas, mas dá uma visão geral das questões mais discutidas. Se você quiser saber mais sobre os fatores que determinam a vida da válvula, o livro do Robert Tomer pode ser uma boa leitura.

Para resumir os pontos mais importantes:
- A alta tensão deve preferencialmente ligada somente depois que o catodo tenha alcançado a temperatura de operação, e isso é especialmente importante quando se usa retificadores de estado sólido.
- Para evitar altas tensões de anodo ao desligar, é recomendável primeiro desligar a alta tensão, e depois de descarregar os capacitores de alta tensão, desligar os filamentos. Isso pode depender de cada equipamento, possivelmente a inércia térmica da estrutura do anodo é suficiente para descarregar os capacitores com alta tensão enquanto a corrente de anodo diminui. Este é um caso em que capacitância excessiva na filtragem da retificação é uma desvantagem.
- A alimentação preferível para o filamento é AC, a menos  que haja um problema insuportável de ruído de hum. A tensão no filamento deve ser a nominal ou um pouco abaixo como -5% para maximizar a vida útil da válvula. Considere operar os filamentos a 50% em stand-by, nunca deixando eles desligados, para evitar a corrente de surto ao ligar e garantir a rápida retomada de funcionamento do equipamento. 
- Tenha certeza de que a válvula em funcionamento tenha circulação de ar suficiente em volta do vidro para evitar altas temperaturas. A válvula vai ficar quente, mas o ar em volta não deve ficar muito quente e deve ser capaz de fluir sem obstáculos.
- Mantenha atenção na diferença de tensão filamento-catodo - mesmo quando abaixo dos limites especificados, senão  a fuga e o ruído podem aumentar.
- Se você desliga os filamentos completamente, considere limitar a corrente de surto com um resistor NTC ou algo parecido. Mas estude onde montar o NTC - um NTC sob o chassis pode gerar calor suficiente para causar problemas de confiabilidade dele mesmo.
- Quando discutir o uso de polarização fixa ou automática para a grade e para o screen, também pense no impacto da confiabilidade do equipamento.