Buizenversterkers
Van de voortrap tot de eindtrap
Inleiding

We leggen hier in het kort de verschillende buizen uit, met de klemtoon op de praktische toepassingen in audio-versterkers.
-

-

De verschillende soorten buizen

Diode

Het voordeel buizen te gebruiken in de voeding van een versterker is dat de diodebuis een geleidelijk verloop heeft. Een halfgeleider diode gaat abrupt in en uit geleiding, waardoor er "ringing" ontstaat in de wikkeling van de voedingstransfo. Dit produceert een kenmerkende storing (een 100Hz geratel) die heel storend is.

Een ander voordeel is dat de voedingsspanning geleidelijk opkomt, zodat er geen te hoge spanningen ontstaan. Dit is van belang bij de voortrappen, die meestal ook gevoed worden vanaf de hoogspanning, met de nodige bleeder-weerstanden. Bedraagt de voedingsspanning meer dan 300V, dan is het aangeraden een aparte (lagere) voedingsspanning te voorzien voor de voortrappen om overslag te vermijden. Of je kan een spanningsdeler gebruiken, bijvoorbeeld 100kΩ (+) en 220kΩ (massa). Gebruik hier 1W weerstanden, of nog beter een reeks van serieweerstanden van 47kΩ zodat de spanning over de weerstand niet te hoog wordt.

De ringing kan onderdrukt worden door een condensator van 10nF à 100nF te plaatsen op de uitgangen van de voedingstransfo (verbonden met de massa) en eventueel een weerstand van een paar ohm in serie te plaatsen met de siliciumdiodes. In het algemeen volstaan twee halfgeleiderdiodes 1N4007 (of 4, indien men een brugschakeling gebruikt).

De hoogspanning die te hoog oploopt kan vermeden worden door een relais die de hoogspanning pas inschakelt na 30 seconden, als de buizen voldoende opgewarmd zijn. De relasicontacten moeten overbrugd worden door een weerstand van enkele honderden kΩ zodat de spanning reeds langzaam kan opkopen.

Vervang je de diodebuis door halfgeleiderdiodes, dan moet je een serieweerstand voorzien, want de inwendige weerstand van een diodebuis is hoger dan die van een halfgeleiderdiode. Een richtwaarde is een weerstand van 100Ω.


ECC82


ECC83

Wat zien we op de grafieken?
Op de X as wordt de spanning tussen cathode en anode aangegeven, en op de Y as de anodestroom, en dit voor verschillende roosterspanningen.

Bij de ECC82 ziet men dat de anodestroom stijgt met de anodespanning: vanaf een bepaalde spanning gedraagt de triode zich als een zuivere weerstand, namelijk een weerstand van 6.7kΩ bij een roosterspanning van -2V. Als de roosterspanning van -2V naar -4V gaat, dan gaat de anodestroom van 13 naar 7.5mA (bij een anodespanning van 150V).

Bij de ECC83 is de weerstand hier tienmaal zo hoog bij een roosterspanning van -1V. Laten we de roosterspanning van -1V naar -2V gaan (bij lagere roosterspanningen is de buis nagenoeg afgeknepen), dan gaat hier de stroom van 1.2 naar 0.2mA.

Dit zijn duidelijk twee buizen met verschillende eigenschappen.

Triode

Een triode heeft een element meer, een rooster, waarmee de stroom tussen cathode en anode gestuurd kan worden. De rooster heeft normaal een negatieve spanning ten opzichte van de cathode. Dit kan men bereiken door een cathodeweerstand te gebruiken. Over de weerstand hebben we een spanningsval van bijvoorbeeld 2V, die overeenkomt met de benodigde roostervoorspanning van -2V.

De roostervoorspanning blijft normaal negatief, maar in sommige ontwerpen kan de roosterspanning kortstondig positief worden om een hogere anodestroom te bekomen (lijneindtrap en rastereindtrap). Voor audiotoepassingen mag de roosterspanning niet positief worden aangezien het rooster zich als een anode gaat gedragen ten opzichte van de cathode.

In plaats van een voorspanning door middel van een cathodeweerstand kan men ook een aparte negatieve voorspanning voorzien. Dit werd gedaan in de tijd van de direct verhitte buizen, maar is nog altijd aangeraden bij balanseindtrappen die in classe AB gestuurd worden.

Een triode heeft een terugwerking tussen anode en rooster. Daardoor wijken de parameters sterk af van wat men van een ideale buis zou verwachten. Een ECC83 heeft een µ van 100 (spanningsversterking), maar in de praktijk komt de spanningsversterking van de buis niet boven de 50.

Een triode heeft meestal een anodewerstand waarover de versterkte spanning komt te staan. De anodeweerstand kiest men zo hoog mogelijk om een zo hoog mogelijke wisselspanning te bekomen bij een veranderlijke anodestroom. Ter herinering: de triode wordt met een spanning aangestuurd waarbij de anodestroom verandert, en deze anodestroom moet opnieuw omgezet worden in een spanning.

Vanaf een bepaalde weerstandswaarde stijgt de spanningsversterking echter niet meer. De reden is eenvoudig: als de spanning over de anodeweerstand stijgt, dan daalt de spanning over de buis zelf, waardoor zijn eigen versterking lager wordt. Naast een vermindering van de versterking veroorzaakt dit effekt ook een vervorming van het signaal, dit is de reden waarom men de andodeweerstand niet te hoog kiest bij triodes (typische waarde is 100kΩ).

Daarbij komt ook nog de capaciteit tussen anode en rooster, waardoor de buis niet geschikt is voor hoge frekwenties. Hoe hoger de frekwentie, hoe meer storend de capaciteit wordt.

Tetrode

Door een schermrooster te plaatsen tussen het stuurrooster en de anode isoleert men beide electroden van elkaar. Het schermrooster zet men doorgaans op een gemiddelde spanning (dit hangt af van de toepassing) en men ontkoppelt die naar de massa. Het schermrooster vormt nu een electrostatische afscherming tussen stuurrooster en anode, waardoor de eigenschappen van de buis totaal veranderen.

Ten eerste is de versterking veel hoger, omdat er geen terugwerking is van de anode naar het rooster. De kenmerkende lijnen lopen ook volledig anders, waarbij de anodespanning maar weinig invloed heeft op de anodestroom.

Een probleem is de extra ruis die een tetrode heeft ten opzichte van de triode. De electronenstroom kan ofwel opgevangen worden door het schermrooster, ofwel door de anode. Een electron die opgevangen wordt door het rooster kan niet opgevangen worden door de anode, waardoor er een soort ruis ontstaat. De extra ruis kan opgevangen worden door speciale triodeschakelingen waarbij men de nadelen van de triode en de tetrode/pentode kan opvangen.

De tetrode werkt in het algemeen goed, maar kan niet sterk uitgestuurd worden. Als de anodespanning namelijk onder de schermroosterspanning komt, dan stijgt de stroom door het schermrooster (en daalt de stroom door de anode). Dit veroorzaakt een scherpe knik in de caracteristiek die duidelijke vervormingen teweeg brengt. Deze vervormingen kunnen niet opgevangen worden door bijvoorbeeld een balansschakeling.


EF86


EL34

Wat zien we op de grafieken?
Wat we direct opmerken is dat de anodestroom minder afhankelijk wordt van de anodespanning. De curves lopen bijna horizontaal.

Bij de EF86 stijgt de stroom slechts van 1mA als we de anodespanning van 100V naar 300V brengen. De inwendige weerstand van de buis is hier dus 200kΩ bij een roosterspanning van -2V. Laten we zoals bij de ECC83 de roosterspanning gaan van -1V naar -2V, dan gaat de stroom van 5.1mA naar 2.9mA (met constant gehouden schermroosterspanning).

Bij de EL34 stijgt de stroom van 25mA als we de anodespanning opvoeren van 100V naar 300V, dus een inwendige weerstand van 8kΩ bij een roosterspanning van -10V. Als we de roosterspanning veranderen van -10V naar -15V, dan verandert de anodestroom van 130mA naar 70mA.

Penthode

En dan is er de pentode gekomen, die een extra rooster heeft tussen schermrooster en anode (keerrooster genaamd). Het is de bedoeling dat de electronen die uit de anode weggeslagen worden (secundaire emissie ten gevolge van de hoge stroom) terugkeren naar de anode en niet naar het schermrooster zouden gaan. Dit is mogelijk omdat de secundaire electronen trager bewegen dan de electronen uit de cathode.

De keerrooster die op cathodepotentiaal zit stoot de trage electronen uit de anode af, terwijl de snelle electronen uit de cathode ongehinderd het keerrooster kunnen passeren.

De knik in de caracteristiek is min of meer verdwenen (dit hangt af het type buis). De EF86 heeft een recht verloop, maar bij de EL34 zien we duidelijk nog een restantje van de knik. De knik is aanwezig bij een lage anodespanning (als de anodespanning lager is dan de schermroosterspanning) en bij een relatief lage anodestroom.

Bij de EL34 (die tegenwoordig nog gefabriceerd wordt in China en Rusland) kunnen de caracteristieken verschillend zijn van één lot ten opzichte van een volgend lot. Het is daarom belangrijk gelijktijdig 4 buizen aan te kopen (voor een stereo eindtrap in push pull configuratie). De schakeling moet ook afgeregeld worden éénmaal de buizen geplaatst en de buizen mogen dan niet meer van plaats gewisseld worden. Voor de voortrappen zijn licht afwijkende caracteristieken niet van belang.

Een pentode heeft nog steeds een slechtere ruisfaktor in vergelijking met een triode. Het ruisen is echter niet van belang bij vermogenbuizen, en zelfs als voorversterkerbuis (signaal op lijnniveau van 200 à 500mV) is de ruis zeer laag. Het is enkel als men de buis in tuners gebruikt (waarbij we te maken hebben met antennesignalen van slechts een paar µV) dat de slechtere ruisfactor van de pentode en rol speelt.

Beam tetrode

De pethode werd direct na zijn uitvinding door Philips gepatenteerd, waardoor de amerikanen noodgedwongen werden een andere ontwerp te maken. Ah! die verfoeilijke nederlanders! En het is maar goed ook, want het ontwerp van de amerikanen was heelwat beter. Zo goed zelf, dat Philips in het geniep ook beam tetrodes gebouwd heeft, vooral voor zijn lijneindtrappen (PL504) en rastereindtrappen (PL805).

Bij een beam tetrode is er geen keerrooster, maar zijn er twee platen om de electronenstroom te bundelen. De (negatief geladen) electronenwolk gaat daardoor zelf fungeren als keerrooster. In het algemeen kan men betere eigenschappen bereiken met beam tetrodes dan met echte pentodes. In het frans worden dergelijke buizen "tétrodes à flux dirigé" genoemd.

Buizen met nog meer roosters

Er zijn buizen gebouwd met meer roosters. Deze buizen worden als vermenigvuldigers (mixers) gebruikt in modulatoren en frekwentieomzetters. Een praktische toepassing is de ECH81 (triode-heptode) waarbij het antennesignaal aan het eerste rooster aangelegd wordt en de oscillatorsignaal aan het derde rooster. Rooster 2 en 4 zijn schermroosters en rooster 5 is de normale keerrooster. Op de anode bekomt met het produkt van rooster1 × rooster3. Dergelijke buizen worden normaal niet in laagfrekwente audiotoepassingen gebruikt.

Als je op een uitvergroting van een grafiek geklikt zou hebben, dan zal je gemerkt hebben dat we extra lijnen getekend hebben. Maar dit is materie voor een volgende pagina.

Deel II: de voortrap en fase-omkeertrap

Links to relevant pages - Liens vers d'autres pages au contenu similaire - Links naar gelijkaardige pagina's

-