L'emissione termoionica – principio di funzionamento

Quando un metallo viene scaldato ad una temperatura sufficiente, comincia ad emettere elettroni. Nell'aria è impossibile notare il fenomeno, in quanto gli elettroni emessi vengono immediatamente neutralizzati dalle molecole dell'aria circostante. Nel vuoto, invece, possono venire attirati da un elettrodo positivo, e quindi costituire una vera e propria corrente elettrica.

Più alta è la temperatura, maggiore l'emissione elettronica. La maggior parte dei metalli fonde prima di raggiungere una temperatura adatta ad una robusta emissione. Il tungsteno costituisce un'eccezione, in quanto fornisce una buona emissione a 2300-2500 gradi e fonde a 3380 gradi centigradi. Una temperatura di emissione tanto elevata lo rende brillante come una lampadina, e così brillanti erano le prime valvole. In seguito si imparò  a rivestire il tungsteno con un ossido (per esempio di bario o di stronzio) che fornisce una buona emissione già a 700 gradi. Da allora la luminescenza dei filamenti si è ridotta al bel colore rosso fuoco che conosciamo.

Classificazione delle valvole:

Diodo

La placchetta positiva che attira gli elettroni emessi dal catodo è detta anodo o placca. Generalmente consiste in un cilindretto metallico che circonda il catodo, ad alcuni millimetri di distanza. 

Quando l'anodo è a potenziale positivo rispetto al catodo, vi è circolazione di corrente. Questo è un fenomeno utile per la rivelazione di segnali o il raddrizzamento di correnti alternate, ma ovviamente non ha nessuna possibilità di amplificare. Le valvole rettificatrici, usate negli alimentatori, sono costruitecon
grossi elettrodi allo scopo di sopportare correnti, e quindi potenze, elevate.

Triodo

Aggiungendo una spirale di filo tra il catodo e l'anodo è possibile controllare la corrente. Questa spirale di filo è detta griglia controllo.

Osserviamo lo schema a lato. Si tratta di un tipico amplificatore a triodo. Se un segnale variabile viene applicato alla griglia controllo tramite il condensatore C1, la corrente anodica varierà in accordo col segnale d'ingresso. Inserendo una resistenza (Ra) tra l'anodo e il positivo dell'alimentazione, la corrente variabile verrà convertita in una tensione variabile sull'anodo.

Nell'uso normale la griglia controllo va tenuta ad un potenziale negativo rispetto al catodo, altrimenti funzionerebbe come un secondo anodo. Il valore di questa tensione varia tra zero ed una decina di volt negativi. Nelle radio molto antiche questa tensione era ottenuta mediante un'apposita batteria; in seguito prese piede il metodo della cosiddetta polarizzazione automatica, come quella mostrata in figura. Si ottiene collegando il catodo a massa attraverso una resistenza (Rk) di piccolo valore. La corrente anodica, attraversando Rk, causa una caduta di potenziale di pochi volt, sufficienti a portare il catodo ad una tensione positiva rispetto alla griglia controllo, che invece è collegata a massa attraverso la resistenza Rg.

Il condensatore Ck serve per livellare la tensione di polarizzazione e renderla indipendente dalle variazioni del segnale. Eliminando Ck si introduce una certa dose di controreazione (feed-back) che riduce il guadagno dell'amplificatore, ma anche la distorsione.

I triodi sono usati principalmente per l'amplificazione audio a basso livello (preamplificazione). Non vengono usati in radiofrequenza a causa delle elevate capacità parassite che presentano, specie quella tra griglia ed anodo. Sebbene questa capacità sia di pochi pF, questa viene riflessa in una capacità effettiva uguale alla capacità reale moltiplicata per il guadagno dell'amplificatore, e viene vista come capacità d'ingresso.  La capacità effettiva riduce notevolmente il guadagno alle alte frequenze.

Pentodo

Come dice il nome, il pentodo ha cinque elettrodi. Quattro di questi sono il catodo, la griglia controllo (g1) la griglia schermo (g2) e l'anodo. Il quinto elettrodo è ancora una griglia (g3), detta griglia di soppressione, che ha proprio lo scopo di ridurre l'effetto dell'emissione secondaria e la conseguente distorsione. La terza griglia viene normalmente collegata al catodo, e spesso questo collegamento è interno alla stessa valvola, cioè non corrisponde con un apposito piedino.

Il pentodo si può considerare il vero punto d'arrivo nello sviluppo della valvola: alta amplificazione, larga banda, bassa distorsione. I pentodi si trovano negli stadi a radiofrequenza e a media frequenza di un ricevitore, ma anche negli amplificatori d'uscita.

La figura mostra un tipico amplificatore a pentodo. E' piuttosto simile a quello a triodo visto sopra, con l'aggiunta dei circuiti per polarizzare le griglie aggiuntive.

Realizzazione di un amplificatore valvolare classe A:

Di seguito è riportato lo schema di un amplificatore di potenza in classe A con tubo EL84.

I valori sono quelli consigliati da Philips. Con tensione di ingresso di 4,4 V efficaci, si ottiene in uscita una potenza di 5,7 W con distorsione del 10 % , su un carico riflesso di 4,5 KΩ.

L'ampiezza massima della tensione sul primario del trasformatore d'uscita è ricavabiledall'espressione della potenza:

da cui:

La tensione sull'anodo del tubo varia da:

a:

Per verificare il funzionamento dell'amplificatore si può tracciare la retta di carico, sulle caratteristiche anodiche, per R_rifl = 4,5 kΩ passante per il punto Va = 250 V e Ia = 48 mA.
Questa retta passa quasi tangente all'iperbole di massima potenza dissipabile sull'anodo, che è di 12 W.

Il rendimento, pertanto, risulta:

Esaminando un amplificatore con EL84 e con una corrente e una tensione anodica ( Ia eVa) rispettivamente di 48 mA e 250 V, otteniamo la seguente caratteristica:

Lla sigla EL del tubo ha il seguente significato: E rappresenta la tensione sui filamenti che è pari a 6,3 V, mentre L sta a significare che la valvola è un pentodo.

Passiamo ora al calcolo dell'equazione della maglia d'ingresso.

Abbiamo una Vgs il cui modulo può essere espresso nella seguente formula:
|Vgs| = Rk * Ia da cui possiamo ottenere il valore di Rk = ≈ 150 Ω

Possiamo, inoltre, aumentare la potenza in uscita grazie al condensatore da 50 μF che ci permette di porre Rk in corto per le componenti alternative.

Il valvolare durante il collaudo: