A estrutura de válvulas a vácuo baseia-se no princípio de cátodo aquecido que emite elétrons no vácuo, amplificando pequena corrente alternada (AC) em maior. Todas têm cátodo, grade e placa, em três formatos básicos: cilíndrico, plano e híbrido. No híbrido, grade e placa são planas, mas cátodo é cilíndrico.
Dois tipos de filamentos no cátodo, a célula negativamente carregada. Filamentos toriados: tungstênio com pequena quantidade de tório. Duram muito e resistem a altas tensões. Filamentos revestidos a óxido: camada de óxidos de bário e estrôncio, eficientes na emissão de elétrons. Usados para válvulas menores, pois podem ser danificados por alta tensão.
Seção que aceita elétrons do cátodo. Área fica muito quente, então elemento de auto-resfriamento é embutido: envelope de vidro, ar forçado ou resfriamento líquido. Algumas placas são de grafite por sua alta tolerância ao calor.
Válvulas de áudio geralmente têm grade de controle estruturada como fio chapeado enrolado em dois postes metálicos. Grades em válvulas maiores toleram muito calor: tungstênio, molibdênio ou grafite. Às vezes chapeadas com ouro para reduzir emissões secundárias que destroem a válvula. Geralmente enegrecidas para remover calor por radiação.
Quando segunda grade é adicionada entre grade de controle e placa, chama-se tetrodo. Isola grade de controle da placa e acelera produção de elétrons, aumentando ganho. Também revestidas com grafite para reduzir emissão secundária e resfriar. Tetrodos de feixe de áudio são grades especializadas que restringem elétrons a margem estreita de cada lado do cátodo. Mais eficientes e menos distorção que tetrodos ou pentodos regulares.
Terceira grade adicionada é pentodo, entre placa e grade de tela. É grade supressora que coleta elétrons de emissão secundária desviados. Poucas espiras de fio no pentodo.
Área dentro de válvulas de vidro que parece pequeno copo. Contém minúsculo pedaço de metal que reage fortemente com oxigênio, produzindo flash dentro do envelope. Flash garante bom vácuo. Se vedação falha, flash do getter fica branco em vez de prateado normal.
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