Buizenversterkers
Eindtrap met buizen voor lijnafbuiging
PL504

De PL504 heeft bijzondere eigenschappen. Het is een buis die in de horizontale lijnafbuiging van zwart-wit televisies gebruikt werd. Amateurs gebruikten de buis ook als zendbuis tot frekwenties boven de 10MHz.
-

-

De EL300 is een versie met octalvoet van de EL500 (de voorloper van de EL504/PL504). De eigenschappen van beide buizen zijn identiek. De buis werd voornamelijk in de Verenigde Staten gebruikt onder de referentie 6FN5 en 35FN5 (resp. 6.3V gloeispanning en 300mA gloeistroom).

De PL504 en de daaropvolgende buizen (PL509 en PL519 die in kleurentelevisies gebruikt werden) hebben een speciale constructie die de buis bijzonder maakt. Het is geen pentode maar een beam tetrode met heel specifieke eigenschappen. De buis heeft de voordelen van de pentode, maar niet de nadelen. Ook de PL508 hoort in dit rijtje, en als je een paar NOS buizen kan vinden moet je ze zeker proberen, de geluidskwaliteit is uitstekend.

De PL504 is een onverwoestbare buis. Als een televisie met buizen vroeger defekt ging, dan was het nooit de lijneindtrap die defekt ging. Nadien zijn er televisies met transistoren gekomen, en wat ging er altijdl defekt? De lijneindtrap (BU108, BU208,...).

Ik gebruik deze buis graag. De PL504 heeft een hoger rendement dan een traditionele pentode zoals de EL34 (je leest verder waarom). De buis kan single ended gebruikt worden (vermogen van 5W), in een serie push pull schakeling (vermogen van 7.5W) en in een klassieke parallele push pull met een vermogen van 10W en meer. De buis levert een hoger vermogen dan de alomtegenwoordige EL84, heeft een grote vermogensreserve en een uitstekende dempingsfactor.

Je gebruik de tetrode best in een klassieke push pull versterker waar de buis met een zeer lage ruststroom van 5mA kan werken (als de buizen voldoende identieke parameters hebben). Daardoor kan de buis een hoog vermogen leveren zonder dat de dissipatie van de buis teveel overschreden wordt.

Het schermrooster (tweede rooster) staat in het verlengde van het stuurrooster. Dit heeft een aantal gevolgen:

  • De schermroosterstroom is lager.
    Het schermrooster staat in het verlengde van het stuurrooster (schaduwkegel) en het effekt is des te meer aanwezig met een meer negatieve stuurroosterspanning. Het is mogelijk een schermroosterstroom van 1mA te bekomen. Omdat deze stroom verloren is, is het interessant een zo laag mogelijke schermroosterstroom te hebben. De PL504 heeft een schermroosterstroom van 2% van de anodestroom, terwijl dit voor een normale pentode 10% of meer kan zijn.

  • Het schermrooster heeft een grote invloed op de anodestroom
    Het schermrooster is in feite een tweede stuurrooster. Een spanningsvariatie van g2 van 50V komt overeen met een spanningsverandering van g1 van 10V. Indien men liever niet met sterk negatieve stuurroosterspanningen wenst te werken, dan kan men g2 verlagen tot een waarde van 50V, zodat men kan werken met stuurroosterspanningen van -7.5V, die overeenkomen met die van EL84 buizen.

  • De invloed van de anodespanning is eerder beperkt
    Om hoge anodespanningen te kunnen verdragen staat de anode op een grotere afstand van de andere electrodes, zodat zijn invloed beperkt is. De spoed van het schermrooster is identiek aan die van het stuurrooster, waardoor een electrostatisch scherm gevormd wordt. Bij de overgang van de anodespanning van 40 naar 60V stijgt de anodestroom van 43 naar 46mA. Bij een overgang van 100V naar 220V loopt de anodestroom op van 50 naar 60mA. De buis heeft dus sterkere pentode-eigenschappen dan een echte pentode. De tetrodeknik is niet aanwezig bij lage anodespanningen, waardoor de sweep uitgebreid wordt tot deze lage spanningen.
De buizen zijn ontworpen met een extra large cathode om een hoge stroom te kunnen leveren bij een lage anodespanning. Met een spanning van 50V (anode en schermrooster) loopt er reeds een anodestroom van 50mA, goed voor een muziekvermogen van 500mW. De buis kan ook weerstaan aan de zeer hoge spanningen die ontstaan tijdens de terugslag, maar de buis is op dit ogenblik afgeknepen: dit is niet zijn normale werkingsgebied.

Het is een beam tetrode waarbij de ruimtelading het keerrooster vervangt. De ruimtelading ontstaat echter pas bij een voldoende hoge anodestroom. Het is een buis die moeilijk te gebruiken is, zeker als men die probeert te gebruiken in ontwerpen die gemaakt zijn voor andere buizen. Bij de PL519 en PL509 zijn stopweerstanden nodig bij de stuur- en schermroosters om hoogfrekwente oscillaties te onderdrukken (Barkhauzen).

De eindtrappen kunnen gebruikt worden met een cathodestroom in rust van 5mA (te meten over een weerstand van 1Ω) als beide buizen voldoende gepaard zijn. Bij een dergelijke ruststroom in de uitgangsimpedantie van de buizen 8kΩ. Bij een ruststroom van 20mA is de uitgangsimpedantie gezakt tot 5kΩ. De optimale ruststroom wordt ingesteld om de laagst mogelijke vervorming te bekomen bij een anodestroom van ongeveer 100mA (piekstroom), dit komt overeen met een vermogen van ongeveer 10W. De ruststroom moet bijgesteld worden tot de vervorming onder de 0.3% komt met uitgeschakelde tegenkoppeling. Men kan ook controleren dat beide cathodestromen identiek zijn bij 100mA, zie skoopbeeld bij hybride versterker onderaan de pagina.

Links een zeer schematische voorstelling van de electronenstroom in de buis. Een kenmerk van deze vermogensbuizen (PL504, PL509, PL519) is dat het schermrooster in het verlengde zit van het stuurrooster. De buis heeft daardoor een meer coherente werking wat betreft de wisselwerking tussen beide roosters. De witte zone is het gebied dat geen electronen bevat. Ter herinnering: beam tetrodes hebben geen keerrooster.
In afbeelding 1 zien de we normale instelling van de buis: een sterk negatieve stuurrooster en een sterk positieve schermrooster. Het negatieve stuurrooster duwt de electronen van zich af en er worden weinig electronen opgevangen door het schermrooster dat in de schaduw van het stuurrooster geplaatst is. In deze voorstelling is de buis nagenoeg afgeknepen (g1 = -50V), er passeren maar weinig electronen door het rooster.
In afbeelding 2 wordt de buis volledig opengestuurd (stuurroosterspanning nul). De electronen hebben nagenoeg vrije doorgang. Het schermrooster vangt veel electronen op (tot meer dan 10% van de anodestroom in bepaalde gevallen). Dit is een instelling die gebruikt word in een lijneindtrap (buis volledig in geleiding), deze instelling kan niet permanent aangehouden worden (oververhitting).
In afbeelding 3 zien we een instelling zoals die gebruikt wordt in audioversterkers, met g1 ongeveer -20V en g2 ongeveer +150V. De buis werkt hier in zijn meest lineaire gebied. De schermroosterstroom is minimaal, maar de schermroosterspanning kan de electronenstroom wel beïnvloeden. Een meer positieve schermroosterspanning kan de electronenstroom versnellen waardoor de anodestroom stijgt.
In afbeelding 4 hebben we een sturing via g2 die vaak toegepast wordt in audioversterkers die uitgerust zijn met lijneindtrappen. Door de schermroosterspanning nog lager te maken (laagste spanning = 50V) kan men de electronenstroom goed sturen via G2. De stuurroosterspanning bedraagt ongeveer -5V. De schermroostersturing (enhanced triode schakeling) wordt hier uitgelegd.

Een voorbeeld van complete versterker met PL504 eindtrappen staat hier uitgelegd. De versterker gebruikt een lage schermroosterspanning van +78V.


Vg2VaVg1 @ 10mAΔVg1 -->50mA

20100-5.0+5.0
150-5.5+5.2
200-6.1+5.5
250-6.6+5.9

5050-17.4+10.7
100-18.5+10.8
150-19.5+11.0
200-19.9+11.2
250-20.6+11.4

8080-32.6+15.0
120-33.5+15.2
160-34.1+15.4
200-34.7+15.6
250-35.4+15.7

120120-53.9+19.3
160-55.8+19.4
200-55.7+19.5
250-56.3+19.6

150150-71.2+22.5
200-72.2+23.0
250-72.6+23.0


Ik zie vaak schakelingen die ontworpen zijn alsof er EL34 buizen gebruikt worden. Een van de problemen is de veel te hoge schermroosterspanning, waardoor men verplicht is een zeer negatieve g1-voorspanning te gebruiken. De versterking (steilheid, uitgedrukt in mA/V) wordt lager, met een versterking van minder dan 2mA/V, en de buis werkt in het kromme gedeelte van de caracteristieken (dit is de rode curve). Door de hogere g2 spanning loopt er meer stroom door het schermrooster, en dat is een zuiver verlies (lager rendement).

De anodespanning moet niet hoger komen dan 250V, zodat men de buis optimaal kan laten werken zonder de maximale dissipatie te overschrijden. Met 200V anodespanning, een g2 spanning van 80V bekomt men een gemiddelde steilheid van 3.5mA/V en een anodestroom van 100mA (groene curve).

De nominale dissipatie van de buis bedraagt 16W, maar deze waarde geldt voor een gebruik in een lijneindtrap. Gebruikt men een lagere voedingsspanning, dan kan de anode 23W of meer dissiperen. Het is de bedoeling de ruststroom zo in te stellen dat de dissipatie in rust de 10W niet overschrijdt, zodat men een vermogensreserve heeft. De buis presteert het best met een hoge stroom, waardoor men geen te hoge anodespanning mag kiezen.

Schermroosterspanning

De g2 spanning mag niet opgewekt worden door een weerstand die met de hoogspanning verbonden is. De schermroosterstroom hangt zeer sterk af van de modulatie. Bij een sterk audiosignaal is er een sterkere schermroosterstroom, waardoor er een hogere spanningsval ontstaat over de weerstand. De spanning zakt in elkaar en de buis wordt gewurgd.

Een spanningsdeler is een betere optie, maar men moet een ruststroom van 25mA voorzien, wat een verlies betekent.

Een nog betere oplossing is een voedingstransfo te gebruiken met middenaftakking: 110V + 110V (290V gelijkgericht) voor de anode en 145V voor het schermrooster. Voor de g2 spanning kan men heel goed de gloeispanning gebruiken (27V). Verdubbeld, gelijkgericht en gefilterd hebben we 70 à 80V.

De beste oplossing is een gestabilisserde spanning door middel van een zenerdiode en een mosfet. Dit is de enige spanning die gestabiliseerd moet worden, en de transistor moet slechts een lage stroom regelen (1mA in rust per tetrode en 10mA bij maximaal vermogen)

De versterker kan gebruikt worden met cathodeweerstanden voor de automatische polarisatie (één ontkoppelde weerstand van 200 à 220Ω per buis). Dit is een gemakkelijke oplossing waarbij de versterker in classe A werkt bij lage volumes, om naar classe AB te verschuiven bij hoge volumes. De versterker kan een maximaal vermogen van 15 à 20W leveren. De versterker is zelfinstellend en er zijn geen afregelpunten (wel controleren dat de buizen dezelfde eigenschappen hebben). De g2-spanning bedraagt 90V.

De optimale schermroosterspanning is de laagste spanning waarbij de stuurroosterspanning nooit positief moet worden bij maximale uitsturing. Voor een versterker van 10W is een g2-spanning van 75V optimaal. Voor een hoger vermogen heeft men een hogere g2 spanning nodig (tot 155V) en een veel negatievere g1 spanning. Daardoor moet men de buis ook sterker uitsturen, waardoro zelfs een williamsonschakeling nodig kan zijn.

Met een vast ingestelde negatieve roostervoorspanning kan de versterker tot 50W muziekvermogen per kanaal leveren. Het vermogen is beperkt door de maximale dissipatie van de buizen, niet door de maximale anodestroom (die vijfmaal hoger ligt). Men beschikt dus over een voldoende vermogensreserve. De voorspanning moet individueel per buis ingesteld worden.

De tabel rechts is zeer interessant en geeft de stuurrooster polarisatie weer om een anodestroom van 10mA te hebben (dit is een geschikte ruststroom voor deze buis, mag ook wat lager zijn bij een anodespanning van 250V). De laatste kolom geeft de spanningsverhoging weer die nodig is om de anodestroom naar 50mA te brengen. De waarden zijn gegeven voor verschillende schermrooster en anodespanningen.

Men merkt direct dat de buis gevoeliger is (grotere steilheid) bij een lagere g2-spanning. Dit is normaal, bij een lagere g2-spanning kan men een g1 voorspanning die minder negatief is. Door de minder negatieve voorspanning heeft het rooster een betere controle op de electronenstroom. Dit is gemakkelijk te verklaren: de electronen worden minder afgestoten en passeren dus dichter bij het rooster, die daardoor een grotere invloed heeft. Dit is nog een reden om een lage schermroosterspanning te gebruiken (en een minder negatieve stuurroosterspanning).

De tabel toont ook de grote invloed van het schermrooster (ten opzichte van een klassieke pentode). De invloed van het rooster is ook zeer lineair en dit heeft ontwerpers aangezet om een schermroostersturing toe te passen die bijzonder doeltreffend is.

Een verandering van de schermroosterspanning van 70V (van 50 naar 120V) veroorzaakt een anodestroom stijging van 1.5mA naar 80mA, dus een g2-steilheid van 0.9mA/V. De g1-steilheid is ongeveer 2mA/V bij 10mA en loopt op tot 10mA/V bij 100mA. De g1-steilheid is dus weinig constant naargelang de roosterspanning, maar wel constant bij een bepaalde anodestroom: bij een Ia van 50mA is de g1-steilheid altijd ongeveer 4.5mA/V. De g2-steilheid is meer constant, wat de lineaire werking verklaart als men g2-sturing toepast.

Rechts de normale schakeling van een PL504 in een zwartwit televisie.

De PL504 krijgt een signaal van 55V op zijn rooster, waardoor de buis volledig in geleiding gaat (g1 = 0V) of afgeknepen wordt (g1 = -55V).

De g2 spanning wordt onderbroken (buis buiten werking) als de connector naar de afbuigjuk losgetrokken wordt (brug H5-H6).

De roosterpolarisatie gebeurt automatisch, er ontstaat een roosterstroom bij de positief gaande pulsen zodat de condensator C679 opgeladen wordt.

De horizontale amplitude (beeldbreedte) wordt ingesteld door middel van R977 en gestabiliseerd door een VDR.

Als er geen oscillaties zijn (vorige buis defekt) dan ontstaat er geen negatieve roosterspanning en loopt er een maximale stroom door de buis. Na een paar minuten sneuvelt de veiligheidweerstand R981, maar ondertussen is de anode van de buis reeds roodgloeiend geworden.

In een hifi versterker gaat men natuurlijk dergelijke instellingen niet gebruiken.

Ik zal de werking van de horizontale afbuiging hier niet in detail uitleggen. Er wordt een spanning van 980V opgewekt (die in de rastertrap gebruikt wordt zodat de beeldhoogte gestabiliseerd wordt aan de hand van de beeldbreedte) en een zeer hoge spanning voor de beeldbuis.

Publicités - Reklame

-