Electronenbuizen zijn vooral van historisch belang, maar in bepaalde domeinen worden ze ook nu nog gebruikt. Om technische redenen zijn er toepassingen waar deze technologie nog steeds de voorkeur krijgt op “solid state”. De triode was de eerste echte buis die de versterking van signalen mogelijk maakte. Snel werden andere toepassingen met dit middel mogelijk: frequentieconversie, oscillatie… Nu zien we ze vooral nog in het domein van de hoogfrequent vermogensversterking waar transistoren ofwel te beperkt in mogelijkheden zijn, ofwel niet voorhanden of te duur zijn. Denk dus niet dat dit tijdperk al helemaal voorbij is.

Het is nog steeds zo dat audioliefhebbers veel liever naar laagfrequentversterkers met buizen luisteren dan naar goedkopere toestellen met transistoren (en dit is ook mijn voorkeur). Gezien de vooruitgang in de halfgeleidertechniek zullen radiobuizen in prijs verhogen wat sommigen spijtig vinden. Het aantal fabrikanten vermindert elk jaar.

Dit hoofdstuk in maar een zeer beperkte studie van de radio buizen. De oudere onder ons hebben over dit ondegheid dus:rwerp zeer veel geestelijk zweet over dit onderwerp gelaten.

Voor de volledigheid dus:

Uitzicht :

Omdat buizen steeds zeldzamer worden is een voorstelling van een paar modellen wel op zijn plaats.

Basiselectronenbuis: laagfrequent en laag vermogen 12AX7

Een type triode voor RF met groot vermogen.

Een tetrode voor groot vermogen.

Een vermogentriode.

Samenstelling :

Een radiobuis bestaat uit een glazen of keramische behuizing waarin onder een vacuüm (meestal) twee (voor diode), drie (triode), vier (tetrode), vijf (pentode) of zelfs meer elektroden zijn aangebracht. Ook een combinatie van twee types buizen (triode + triode) , triode + diode) en andere combinaties samen in één omhulling, zijn mogelijk.

Je kan een vergelijking zoeken met transistoren om de werking te begrijpen maar alleen de FET-familie komt hiervoor in aanmerking.

De diode-buis heeft dezelfde functie als de solid state diode. Het verschil zit in de interne bouw: filament, andere spanning… Hetzelfde geldt voor de andere types als triode, tetrode en pentode. Bepaalde karakteristieken komen overeen met die van de transistor of zijn vergelijkbaar. Verderop zullen de verschillende types aan bod komen en bekijken we de bijkomende elektroden in het geval van buizen.

Het symbool van een radiobuis, de diode :

Links zien we zo een diode. Bemerk de verschillende elektroden. De voornaamste zijn de kathode en anode, maar we zien ook de gloeidraad of het filament.

Om te kunnen functioneren moet de kathode verwarmd worden bij middel van dit filament. De werking wordt verderop uiteen gezet.

De triode… is nu aan de beurt.

Een bijkomende elektrode, het rooster, brengt het aantal elektroden op 3 (+1), vandaar de benaming “tri”. Nu reeds kunnen we stellen dat deze elektrode een rol als regelaar zal toebedeeld krijgen. De elektronen die de kathode uitzendt worden door dit rooster tijdens de verplaatsing naar de anode beïnvloed. Soms noemt men dit rooster het stuurrooster.

Noot: het filament wordt niet als een elektrode gezien daar dit enkel dient om de kathode te verwarmen. Let wel: er bestaat ook de direct verwarmde kathode waarbij het filament tgelijkertijd ook als elektrode dient.

Vervolgens de tetrode…
Een bijkomende sturing wordt door een suplementair rooster verwezenlijkt. Bovendien wordt de interelektrode-capaciteit tussen anode en rooster verminderd (verdeling van een capaciteit door de aanwezigheid van twee in serie). Deze capaciteit kan immers een nadelige rol spelen bij de werking van de triode. Deze capaciteit zal immers een deel van het uitgangssignaal terug naar het rooster sturen. Dit is niet altijd gewenst en kan de werking verstoren ( parasitaire oscillaties). Dit rooster wordt daarom ook wel het “schermrooster” genoemd.

G1 is het normale rooster.

G2 is het schermrooster.

Tot slot de pentode…
Secundaire emissie van elektronen is een gevolg van het plaatsen van het remrooster. Wanneer elektronen met een bepaalde kinetische energie op de anode botsen kan een bijkomende emissie van elektronen ontstaan vanuit de anode. De werking van de tetrode zal hierdoor beïnvloed worden (de deuk in de Ia – Vga karakteristiek). Een bijkomend rooster ( mazen van dat rooster minder klein ) met een geschikte spanning ( negatief ten opzichte de anode ) kan deze elektronen terug naar de anode “duwen”. Daarom wordt dit rooster wel het “remrooster” genoemd.

Hoe werkt het thermisch-ionisch effect of de emissie ?

Stroom is het gevolg van het vloeien van elektronen, dat wisten we reeds. Tevens moet de kring gesloten zijn. Wanneer nu een kathode bij middel van het filament opgewarmd wordt, dan zullen elektronen meer beweging of kinetische energie verkrijgen. Een kathode bestaat uit een materiaal dat de eigenschap bezit om gemakkelijk elektronen los te laten. Door dit thermisch effect ontstaat rond de kathode een wolkje elektronen. De kathode zal opnieuw enkele elektronen aantrekken tot een evenwicht. Een wolkje met een zekere dichtheid van elektronen is ontstaan. Indien we nu de kring sluiten dan zal een aantal elektronen door de hoge positieve spanning op de anode aangetrokken worden en er zal een kleine stroom vloeien.

Het is ook mogelijk om die emissiestof van de kathode rechtstreeks op het filament aan te brengen. Men spreekt dan van een direct verhitte kathode en dan is er één aansluiting minder. Bij onze figuren ziet je duidelijk de INdirecte verhitting. Indirect is het meest gebruikte systeem, maar het vraagt wat meer tijd om op temperatuur te komen. Het is ook logisch is dat hoe warmer (meer energie) de kathode wordt, hoe groter de thermische emissie wordt. De vereiste energie om de kathode voldoende op te warmen is aanzienlijk. De spanning waarbij deze verwarming gebeurt is meestal 6,3 V AC of 12,6 V AC. Soms wordt wel eens DC (gelijkstroom) gebruikt. Andere spanningen kunnen bestaan. Gloeidraden kunnen zowel parallel (meestal) of in serie met andere staan.

We gaan onze aandacht vooral op de triode vestigen. Voorts geven we wat extra informatie over de tetrode en de pentode omdat de werkingen niet erg veel verschillen.

De triode :

We weten reeds dat deze buis 3 elektroden telt (als we het filament niet mee rekenen). De kathode wordt flink opgewarmd en zal elektronen uitzenden.

De kathode wordt aan massa verbonden en ligt dus op potentiaal NUL, de referentie. De anode gaan we positief voeden.

Het is nodig het rooster negatief te polariseren (ten opzichte van de kathode). Overeenkomstig het schema hieronder maken we de negatieve spanning van het rooster regelbaar ( wat betreft dit negatief instellen is er een vergelijking mogelijk met de FET transistor).

Het schema laat zien hoe we de karakteristieken van de triode kunnen bepalen. Let wel, de anode is duidelijk positief ten opzichte van de massa. De kathode ligt aan onze referentie, de massa of NUL. Het rooster duidelijk negatief, toch? Bemerk hoe de beide batterijen aangesloten zijn.
Twee meettoestellen laten ons de stroom door de anode, en de spanning op het rooster volgen.
De anodespanning is 250 V DC en vast, de spanning op het rooster is regelbaar van -30V tot 0V.

A – Regelen we het rooster voor maximale negatieve spanning.
Dan sluiten we de anodekring en DC-voeding aan en volgen we de aflezingen op de meettoestellen.

We lezen een roosterspanning van -30V en een anodestroom van 0 (NUL) A. Het rooster is dusdanig negatief dat ALLE elektronen die door de kathode uitgezonden worden, terugkeren. De buis blijft geblokkeerd.

B – Regelen we nu opdat het rooster op -7,5 V komt te staan.

De anodestroom is nog steeds nul. Het effect van het rooster is nog steeds zoals hierboven.

C – Regelen we verder tot het rooster -5V bedraagt.

Nu zien we een stroom door de anode vloeien: de meter wijkt uit. De stroom komt ( beter : de elektronen ) van de kathode en worden niet meer helemaal door het rooster terug naar de kathode geduwd. We lezen een kleine anodestroom af van bijv. 0,5 mA.

D – Verder regelen van de rooster spanning Vg maar steeds MINDER negatief tot bv: -2,5 V

We stellen vast dat naarmate de Vg-spanning minder negatief wordt, de anodestroom toeneemt tot bijv. 5 mA.

  • Stoppen we nu even met regelen en meten en proberen we nu één en ander te begrijpen.
  • Bij de aanvang van het experiment was het rooster zodanig negatief ( -30V ) dat er geen stroom kon vloeien. De verwarming van de kathode was verre van voldoende om de elektronen voldoende energie te leveren om de anode te bereiken. De buis was geblokkeerd.
  • Na het steeds verminderen van de negatieve spanning op het rooster kreeg vanaf -5 V, een deel van de uitgezonden elektronen voldoende energie om door de anode opgevangen te worden ( minder afstoting door het rooster ). Een kleine anodestroom werd gemeten. Anders uitgedrukt: eenmaal een klein deel van de uitgezonden elektronen voorbij het rooster, worden ze door de negatieve lading van de elektronenwolk verder AFGESTOTEN en door de anode aangetrokken (anode positief). De anode, ook wel plaat genoemd, vangt alles op er vloeit een (kleine) stroom. Als de polarisatie MINDER negatief geregeld wordt is het duidelijk dat het remmend effect van het rooster daalt en dat er MEER elektronen beïnvloed worden. De anodestroom gaat dus vergroten.
  • Als we op zelfde wijze doorgaan met regelen zal er een bijzonder moment ontstaan. De spanning VG zal dan GEEN tegenwerking meer aan de elektronenwolk bieden en ALLE elektronen die de kathode uitzendt worden door de anode opgevangen. Meer stroom is dan niet meer mogelijk en men zegt dat de triode “in verzadiging” is. Het rooster zal zelfs als een anode gaan functioneren en er zal roosterstroom doorheen vloeien.

Hoe ziet dit er op de Ia f(Vg)-karakteristiek uit ? ( anodestroom in functie van de roosterspanning):

Hieronder ziet je dit verband. Een paar bijzondere punten: bij Vg= -35V, loopt er GEEN anodestroom. Dit punt wordt ook wel het CUT-OFF punt genoemd. Na wat verhogen (minder negatief) van Vg zal een kleine stroom beginnen vloeien. Nadien zal de toename ongeveer gelijkmatig (lineair) verlopen. Merk tevens op dat als het rooster positief wordt, er tevens een roosterstroom zal vloeien.

Wat zal er gebeuren als we hetzelfde doen bij verschillende ANODE-spanningen ?

Het is evident dat voor elke waarde van de anodespanning, er een andere grafiek of karakteristiek ontstaat. Een en ander wordt in de figuur hieronder getoond. Ook evident is dat voor een grotere anodespanning er door de aantrekking de plaat (anode) sneller anodestroom zal gaan vloeien. De karakteristiek wordt naar LINKS verschoven. Het tegengestelde gebeurt als de anodespanning lager wordt. Hoever we daarin kunnen gaan wordt bepaald door de constructeur bij de bouw van de buis. Een aangenaam gevolg is wel dat een buis tegen een stootje kan. Als je ze werkelijk mishandelt zal ze verwittigen door het heldere licht dat zal te zien zijn. Dan is het tijd om te stoppen !

Bijzonderheden van de triode :

Je kent nu voldoende het principe van de werking van elektronenbuizen. We gaan nu zien waarom de tetrode en pentode werden uitgevonden.

Het grote nadeel van de triode zijn de (parasitaire) interelektrode-capaciteiten. Daar is niets aan te doen, dit hangt samen met de fysische bouw van de buis. Mechanische kunstgrepen bij de constructie kunnen deze wel verminderen maar toch blijft dit HET nadeel (vooral op hogere frequenties).

De figuur laat zien waar we niet-gewenste capaciteiten mogen verwachten. Cpk (plaat-kathode ) kan onder verdeeld worden in twee (Cgk) of (rooster -kathode) en (Cpg) (plaat – rooster). Dit noemen we het MILLER-effect.

Het vervelende van Cpg is de tegenreactie van de versterker door het terugvoeren van een deel van de uitgang naar het rooster. Men kan daardoor problemen krijgen en tot instabiliteit komen (oscilleren). Bij eindtrappen van zenders komt dit gemakkelijk voor, maar door toepassen van de “neutrodinatie”-techniek kan hieraan verholpen worden – maar dit valt buiten het bestek van deze cursus.

Zoals meestal bestaat er een oplossing, en dat is hier een vierde elektrode, het remrooster wat ons bij de tetrode brengt (zie figuur hoger). Dit rooster bevindt zich tussen het stuurrooster en de plaat of anode. Zoals reeds gezegd wordt hierdoor de storende capaciteit verkleind (zie het gedeelte over condensatoren). We moeten ook dit remrooster van spanning voorzien of polariseren. De spanning moet kleiner dan deze op de anode zijn want anders zou dit rooster als anode gaan fungeren. Anderzijds moet de spanning groter zijn dan die op het stuurrooster ( anders zou dit remrooster gaan sturen en dat is ook niet de bedoeling).

De waarde van de spanning op dit remrooster wordt ons opgegeven door de constructeur want die weet waarover het gaat. Het stuurrooster noteren we als G1 en het remrooster als G2.

Opmerking: De buis moet beveiligd worden tegen het wegvallen van de anode spanning, immers anders zou het remrooster als anode gaan fungeren. Het gevolg kan de vernietiging van de buis zijn want dit schermrooster is hier niet op voorzien. Een grote weerstand in de remroosterkring lost dit op.

Zoals dikwijls heeft dit remrooster ook een nadeel. Door de aanzienlijke versnelling van de elektronen door dat rooster zullen deze krachtig tegen de plaat botsen. Warmte is één resultaat (en dat is nog niet zo erg) maar de kinetische energie kan dermate groot zijn dat er een secundaire emissie vanaf de plaat gebeurt. De elektronen worden door het rooster opgevangen maar met negatieve gevolgen. Het is een verlies van elektronen (dus anode stroom) wat een daling van de winst betekend maar tevens een vergroting van de ruis. Men komt in het gebied van negatieve weerstand.

Natuurlijk heeft men daar wat op gevonden. Nog een bijkomend rooster tussen beide in plaatsen helpt. We zijn nu aan een vijfde elektrode die men pentode noemt. Dit rooster, schermroostergenoemd, ligt aan de kathode. Door zijn constructie is de werking niet nadelig voor de anode. Het rooster staat ook ver genoeg van de anode en heeft grote mazen zodat er geen stroom afgeleid wordt.

Tot zover de algemeenheden.

We hebben het statisch aspect van de buizen gezien. We zullen hierna nog iets verder gaan om enige kennis voor het gebruik van triodes op te doen ( polarisatie en zo ). Deze kennis is dan voldoende als basis voor verdere zelfstudie van de tetrode, pentode enz…, en zal tevens helpen als je tot de bouw van eindversterkers komt.