Tudástár: Elektroncső I. ( dióda / trióda / egyszerű triódás erősítő fokozat )

Még manapság is népszerűek, és igen nagy tábor foglalkozik velük. Ebben a részben az elektroncsövek közül a diódáról és a triódártól lesz szó. Legegyszerűbb erősítő fokozat beméretezésével.
Igény esetén később részletesebb leírások is lehetnek.

I. rész

A fűtés és a katód

A régebbi csövekben a fűtőáram úgy melegítette a katódot, hogy egyszerűen átfolyt rajta. Ezek a közvetlen fűtésű csövek. Lényegében a fűtőszál volt maga a katód. Itt a katód és a fűtés áramköre galvanikus kapcsolatban van egymással. Erre a cső használatakor feltétlenül ügyelni kell. A katód kezdetben (mint az izzólámpákban) egy wolframszál volt. Ez kb. 2000 C körül kezdi emittálni, ami elég nagy fűtőteljesítményt kíván. Később megjelentek a bevonatos (bárium, stroncium és ezek oxidjai) katódok. Ezek már 1000 C körüli hőmérsékleten is jól emittálnak, a katód csak halvány vörösen izzik.

Az korszerűbb csövekben a katód anyagát egy szigetelő hengerre viszik fel, és ebben a hengerben fut a fűtőszál (közvetett fűtésű csövek). Így a két kör el van egymástól szigetelve, ami egyszerűsíti az áramköri felhasználást (csak a fűtés-katód kapacitásra kell figyelni). Arra is ügyelni kell, hogy a fűtőkör meghatározott potenciálon legyen (ne lebegjen), ellenkező esetben a fűtés-katód szigetelés átüthet. A közvetett fűtés további előnye, hogy a fűtőszál-katód rendszer tömege és ezáltal a hő tehetetlensége megnő, ami által csak alig lesz érzékeny a váltóáramú fűtés lüktetéseire.

A csövek adatlapján mindig megadják a szükséges fűtőfeszültséget vagy áramot. Az előírt értéket mindig be kell tartani. Amennyiben kisebb teljesítményt kap a fűtés (alulfűtés), akkor a katód elektronkibocsájtó képessége csökken és egyenetlen lesz. Ezáltal a cső paraméterei romlanak és a katódon kráterek képződnek, ami hosszútávon a cső tönkremeneteléhez vezet. Nagyobb fűtőteljesítmény (túlfűtés) nagyon igénybe veszi a katódot, anélkül, hogy az emisszió növekedne. Ezáltal rendkívüli módon csökken a cső élettartama.

A fűtés kapcsolása két csoportra osztható

·         párhuzamos fűtés - a fűtőfeszültség adott (pl. 6,3 V), több cső párhuzamosan kapcsolandó a fűtőfeszültségre;

·         soros fűtés - a fűtőáram adott (pl. 300 mA), több cső esetén a csövek fűtéseit sorba kell kapcsolni.

A soros fűtést elterjedten alkalmazták TV készülékekben, ahol a nagy csőszám miatt a teljes fűtőfeszültség a hálózati feszültséghez közelinek adódott és így nem volt szükség fűtőtranszformátorra.

Ugyan legtöbbször váltóáramú fűtést alkalmaznak, de a csövek egyenárammal is fűthetők. A közvetlen fűtésű csöveket pedig kifejezetten egyenárammal kell fűteni, különben a fűtésen keresztül brummos lehet az áramkör.

A dióda

A legegyszerűbb elektroncső a dióda. A dióda villamos áram által izzított, elektronokat emittáló katódból, és az elektronokat felfogó anódból áll. A dióda elektródái légritkított (10^-6 Hgmm, 10^-4 Pa ) üvegburában helyezkednek el. (A katódot izzító áramot egy fűtőszálon vezetik keresztül. Ha a fűtőszál maga emittálja az elektronokat, azaz maga a katód, közvetlen fűtésű csőről beszélünk, ha pedig a fűtőszál szerepe csak az, hogy a körülötte hengeresen elhelyezkedő katódot izzítsa, közvetett fűtésű csőről van szó.)

Ha az anódra a katódhoz képest pozitív feszültséget kapcsolunk, az elektrosztatikusan magához vonzza a katódból kilépő elektronokat, így az elektroncsövön keresztül áram indul meg. A negatív töltésű elektronok a katódtól az anód felé haladnak, így az áram iránya (a pozitív töltések elképzelt haladási iránya) az anódtól a katód felé mutat.
Ha az anódra a katódhoz képest negatív feszültséget kapcsolunk, az taszítja a katódból kilépett elektronokat. Nagyon kis negatív anódfeszültség esetén még néhány elektron eljut az anódra, a negatív anódfeszültség növelésével viszont az anódáram megszűnik, a cső lezár.

A dióda nyitófeszültsége nem olyan jól meghatározott, mint a félvezetőknél. Az vákuumdióda anódárama közelítőleg így függ az anód-katód feszültségtől

A Trióda:

A trióda három elektródával rendelkezik: a katódon és az anódon kívül a két elektróda között helyezkedik el a rács (grid). A rácsra adott feszültség segítségével szabályozható az anód árama. Ennek jelentősége abban rejlik, hogy a rácsra adott feszültség (UG) változása, jóval nagyobb mértékű anódáram változást von maga után mindamellett a rácsnál ehhez elhanyagolható teljesítmény szükséges.
Ha a rács eléggé negatív, teljesen közömbösíti a pozitív anódfeszültség hatását és lezárja az anódáramot. Ha a rács negatív feszültsége csökken, akkor az anódáram folyni kezd, és mindaddig emelkedik, amíg a cső telítésbe nem kerül. Mind addig, amíg a katódhoz képest a rács negatív, a rácsra elektron nem jut el, mihelyt pozitívvá válik, rácsáram indul meg. Közvetett fűtésű csöveknél az induló áram törvényének megfelelően már kis negatív feszültségnél is megindul a rácsáram. Ilyenkor természetesen a rácskör már teljesítményt is felvesz, amelyet a külső áramforrásnak fedeznie kell, ezért általában a pozitív rácsos meghajtást nem használják, csak igen nagy teljesítményű erősítőknél, mint például adóberendezéseknél.

Igen gyakran használt jelleggörbe-sorozat az ún. anód-karakterisztika. E görbéknél a trióda anódárama az anódfeszültség függvényében van felvéve, paraméter a rácsfeszültség. Látható, hogy a görbék egymással közel párhuzamosak. Az anód karakterisztika igen hasznos, mert segítségével lehet a csövek működésének és beállításának jellemző legkedvezőbb adatait meghatározni. Az anódkarakterisztikából látni, hogy növekvő negatív rács feszültségek hatására az egyes karakterisztikák kezdeti görbülete egyre nagyobb lesz, nagy anódfeszültségek és előfeszültségek hatására az ún. lezárási tulajdonságok általában leromlanak. A triódáknak három legfontosabb jellemző adatuk van: az erősítési tényezője (jele µ / mu), a meredeksége (S / gm) és a belső ellenállása (Rb / Ri / Rp).

Alap számítások:

Mielőtt a lényegre térnénk, pár alap számítás:

Anód (Plate) disszipáció:
A csövön eső feszültség, és a rajta folyó áram hatására a cső U_AK * I_k teljesítményt fog disszipálódni. Adatlapon megadnak egy határértéket, ami felett a cső károsodik. Az anódlemez anyagából részecskék lépnek ki a hő hatására, és a cső idővel elgázosodik.

A katódköri értékek a munkapont állítás szempontjából lényegesek, és a cső adatlapján is szerepel egy maximum megengedett katód áram, aminek átlépése a cső élettartamának csökkenésével jár.

Katód ellenállás számítása:
Kisteljesítményű csöveknél gyakran használnak katód ellenállást a negatív rács előfeszültség előállítására. Egy ellenállást raknak a katód és a test közé, amin a katód áram hatására feszültség esik. A katód az ellenálláson eső feszültségnyivel magasabb potenciálon lesz, mint a test. Azaz, a testre kötött rács, a katódhoz képest negatív potenciálra kerül.

Példa I.: 
A cső munkapontján 40mA katódáram folyik, az ehhez tartozó rács előfeszültség -20V. Mekkora katód ellenállásra van szükség?

Példa II.:
A katód beállító ellenállása 140 ohm, a rajta folyó katód áram 48mA. Mekkora a katód feszültsége a testhez képest?

Példa III.:
A katód feszültsége 22,5V és a katód ellenállás 390ohm. Mekkora a katód áram?

Az erősítési tényező (µ / mu):

A µ megadja, hogy egységnyi rácsfeszültség változás mekkora feszültség változást fog létrehozni egy végtelen nagy munkaellenálláson, szóval ezt a számot önmagában nem használhatjuk arra, hogy megadjuk egy fokozat erősítését. Triódás fokozatok számításáról később lesz szó.

A csőkarakterisztikából látható, hogy az anódáram értéke nem változik, ha a rács feszültségének bizonyos megváltozását, ellenkező irányú és megfelelő nagyságú anódfeszültség-változással ellensúlyozzuk. E két változás aránya adja meg az erősítési tényezőt:

Példa: 
Kapcsoljunk 0,1V amplitúdójú AC jelet a rácsra, és mérjük az anódon a feszültség változást. Az anódon egy nagy impedanciájú terhelés van ( pl áramgenerátor ). Mekkora lesz az anód feszültség változása, ha a µ=20 ?

A meredekség vagy transzkonduktancia ( S / gm ).

A transzkonduktancia konstans anód feszültség mellett az anódáram változása ( I_A ) a rácsra adott feszültség hatására. Sok könyvben a mértékegysége „mho” ( ohm visszafelé ). 1mho = 1 A/V. Adatlapokon általában µmho értéket adnak meg. Gyakran találkozni azzal is, hogy Siemensben (S) adják meg. S=1A/V.
Bizonyos rácsfeszültség-változás hatására, állandó értékű anódfeszültség mellett bekövetkező anódáram-változás hányadosát értik. Mértékegységének szokásos megadása mA/V:

 Példa:
Kapcsoljunk a rácsra 100mV AC jelet. Az anódot egy 100 ohm-os ellenállással kössük a tápfeszültségre. Az ellenálláson 10mV feszültség változást mérünk.
Mekkora a transzkodnuktancia? ( Átváltani: mV -> V )

Belső ellenállás (Ri / Rp / Rb).           

Az áram változás és a feszültség változás aránya a belső ellenállás. Látható, hogy a cső belső ellenállása nem állandó értékű, hanem függ az anódfeszültségtől és az anódáramtól. Minél nagyobb a munkapontban az anódáram, annál kisebb lesz a trióda belső ellenállása. Egészen kis áramoknál, ahol a karakterisztika görbültsége nagy, a belső ellenállás értéke jelentősen megnövekszik.

Példa:
Mekkora a belső ellenállás, ha µ=10,5 és S=11,5 mA/V ? (Átváltani: mA/V -> A/V )

Áthatás.

Az a hányados, mely kifejezi, hogy bizonyos rácsfeszültség változás mekkora anódfeszültség változással egyenértékű az anódáram változás szempontjából. Áthatása (Durchgriff, D); reciprok értéke az erősítési tényező.

A három cső állandó jellemző összefüggésben van egymással. Ha felírjuk ugyanis a belső ellenállás és a meredekség szorzatát:

Ezen összefüggéseket I. számú Barkhausen-egyenletnek nevezzük. Eszerint:

A trióda anódáramának alakulása a rács és az anódfeszültség tekintetbe vételével. Elvileg az anódáram mindkét értéktől függ, tehát IA=f(UR,UA). A függvény pontos alakja fizikai okokból nem lehet más, mint a kételektródos csövekre is érvényes Child-törvény, a feszültség 3/2-es hatványának törvénye.

Negatív rács előfeszültség:

Automatikus rácselőfeszültség

A legegyszerűbb munkaponti beállítás azt a tényt használja ki, hogy a vezérlőrácsba mindig fognak elektronok ütközni. Ha 2Mohm vagy annál nagyobb értékű rácsellenállást alkalmazunk, az ezen folyó rácsáram ( ~200-300uA ) azt eredményezi, hogy a rács kis negatív feszültségre kerül ( ~ 0,5V ).

Külön tápfeszültségről történő állandó értékű rács előfeszültség.

Adott anód terhelő impedancia mellett ez biztosítja a legnagyobb erősítést. A katódkör kis ellenállása pedig segít a brumm és a zajszint alacsonyan tartásában.
Leginkább végcsöveknél alkalmazzuk, ahol a katód ellenállás már túl nagy veszteséget okozna.

Katód ellenállással beállított rács előfeszültség.

A katódáram által ezen az ellenálláson létrehozott feszültségesés a katódot a rácshoz képest pozitívabb feszültségre hozza, azaz a rács a katódhoz képest negatív potenciálra kerül.
Ha a katód ellenállással nincs párhuzamosan kondenzátor kötve, az a fokozat erősítését csökkenteni fogja. Ezt a lokális negatív visszacsatolás okozza. Továbbiakban ennek a fokozatnak a méretezésével foglalkozunk…

Egyszerű triódás erősítő fokozat méretezése.
( itt jegyezzünk meg annyit, hogy ez egy alap méretezés, példa csupán. Valós körülmények között ettől természetesen bőven el lehet térni. )ECC83 triódával egy egyszerű fokozat erősítés számítása.

Először az adatlapból pár fontosabb adatot kinézünk. Erősítési tényező, anódfesz, anódáram, karakterisztika, belső ellenállás.

B+ = 250V       Ri = 62,5k        u = 100

Munka egyenes, munka tartomány, munkapont, minimális áram

I.                    Olyan anódáram választása, ami a görbék lineáris szakaszába esik.
Ia= 1,6mA             Ug=-1V
Ebből ohm törvénnyel számolható ( R = U/I ), hogy a katód ellenállás Rk = 625Ohm

II.                  Ra-t úgy kell megválasztani, hogy kb a tápfeszültség fele essen rajta a nyugalmi áram mellett.

III.                A fokozat erősítése katódköri visszacsatolás nélkül. Katódköri visszacsatolás mindaddig van, amíg a katód nem GND-re van kötve vagy nincs lehidegítve egy kondenzátorral.

IV.               Visszacsatolási tényező:

V.                 Fokozat erősítése katód kondenzátor nélkül:

VI.               Erősítés katód kondenzátorralA katód kondenzátort úgy kell megválasztanunk, hogy alacsony frekvencián az impedanciája ( 20Hz ) minél alacsonyabb legyen.

                   1000uF kondenzátor impedanciája 20Hz-n 7,96Ohm ezt az impedanciát párhuzamosan kapcsoljuk a katód ellenállással, azaz az erősítés számításához a katód komplexum eredő ellenállását használjuk

                    Ezzel az értékkel számoljuk újra a visszacsatolási tényezőt, majd a fokozat erősítését.

VII.      Kimeneti impedancia:
Katód kondenzátor nélkül a belső ellenálláshoz hozzá kell adni a katód ellenállás értékét is.
A cső belső ellenállásának és az anódellenállás replussza:

VIII.     Kimeneti feszültség a terhelő impedancia függvényében:

Legegyszerűbb ezt úgy elképzelni, hogy a terhelő impedancia egy feszültség osztót képez a kimeneti impedanciával.
Pl.: egy kimeneti impedanciával megegyező terheléssel a terheletlen ( számított erősítés ) érték felét tudjuk kivenni.

A tartalmak szabadon másolhatóak, terjeszthetőek, megjeleníthetőek és előadhatóak, készülhet rájuk építve új alkotás, mindaddig, amíg az eredeti szerző neve feltüntetésre kerül, kereskedelmi forgalomba nem hozható! @elektrobarlang