Elektronenbuizen
Voor de komst van de transistor werden uitsluitend elektronenbuizen gebruikt in versterkers, zenders, ontvangers, enz. In de ogen van veel "moderne" mensen waren (of zijn) elektronenbuizen breekbare en onbetrouwbare dingen met een korte levensduur. Maar destijds was er geen alternatief! Voor de radiobuis waren er geen versterkers en de transistor is pas in 1948 uitgevonden. Trouwens wat zou ook nu nog het nut zijn van een mooie getransistoriseerde FM-ontvanger als er geen - met buizen uitgeruste - FM-zenders bestonden?
Wat is een elektronenbuis ook alweer? De ouderen onder u hoeven we natuurlijk niks te vertellen, maar de jongeren zullen waarschijnlijk een antwoord geven, zo in de trant van "o ja, zo'n ouderwets breekbaar glazen ding met een hoop moeilijk uitziende rommelarij er binnen in". Verder komen ze doorgaans niet. Hoewel die definitie niet helemaal onjuist is, doen we er de elektronenbuis toch ietwat mee te kort. Okee, het is een glazen ding, maar met dat "breekbare" valt het best mee en dat "ouderwetse" is ook maar betrekkelijk. Voor bepaalde toepassingen zijn buizen zelfs nog steeds onmisbaar en in andere toepassingen - zoals bijvoorbeeld hifi - is de buis weer helemaal "terug", getuige de elders in dit nummer beschreven buizen-eindversterker.
Wat is dan een betere definitie? Populair gesproken kan de voorganger van de transistor worden beschouwd als een ding waar aan de ene kant elektronen ingestopt worden en aan de andere kant elektronen uitkomen. Midden tussen die elektroden bevindt zich een stuurelektrode, waarmee de elektronenstroom naar believen kan worden doorgelaten of "afgeknepen". Groot verschil ten opzichte van de transistor is dat in de stuurelektrode geen stroom loopt. Mede daarom worden buizen kwa werking ook eerder vergeleken met (MOS)FET's dan met bipolaire transistoren.
Nog meer opvallende verschillen tussen buizen en transistoren? Te over! Voor een buis is het bijvoorbeeld doodnormaal dat hij - zelfs in "rust" - al flink warm wordt: een roodgloeiend binnenwerk hoort er zelfs bij, want dat is nodig om de vereiste elektronenwolk op te wekken. Verder is het zo dat de in mechanisch opzicht misschien iets kwetsbaardere buis, in elektrisch opzicht juist opvallend robuust is: hij is nauwelijks kapot te krijgen! Gaat er toch iets mis, dan valt dat al lang voor hij overlijdt aan zijn uiterlijk af te leiden; hij geeft dus niet stiekum plotseling de geest, zoals een transistor!
Goed, tot zover een eerste globale indruk. Hoewel Elektuur tot dusver weinig of niets gedaan heeft op buizen-gebied, beschikken we op de redaktie niettemin wel degelijk over een paar rasechte "oude buizenkenners". En voor een wat diepgaande uitleg lijkt het ons het beste om er daar nu maar eens eentje van aan het woord te laten.
De buis onder de loep
Essentieel bij een gewone elektronenbuis is de beweging van ladingsdragees (elektronen) in een nagenoeg luchtledige ruimte. Een buis bestaat in principe uit een glazen ballon met daarin een min of meer ingewikkeld elektrodensysteem. Tot die elektroden behoren tenminste een kathode en een anode.
Vaak heeft de kathode de vorm van een nikkelbuisje, bedekt met een laagje barium-strontiumoxyde. Door een gloeidraad in het buisje wordt de kathode verwarmd tot een temperatuur van 700 à 800°C. De oppervlakte heeft dan een donkerrode kleur. De gloeidraad is door een laagje aluminiumoxyde elektrisch van de kathode geïsoleerd, maar daarentegen is de warmtegeleiding zeer goed.
Door de verwarming neemt de bewegingssnelheid van de elektronen in de kathode toe. Als gevolg daarvan zal een deel van de elektronen een snelheid krijgen die groter is dan de zogenaamde "uittreedsnelheid" en daardoor de oppervlakte verlaten (thermische emissie, bekend als Edison-effekt). Er ontstaat dan een elektronenwolk, ruimtelading genoemd, om de kathode. Die elektronenwolk heeft een negatieve lading, zodat de kathode dus positief achterblijft. Er vormt zich dan een evenwichtstoestand tussen kathode en elektronenwolk. Deze evenwichtstoestand wordt o.a. bepaald door de kathodetemperatuur en de materiaalsoort. Brengt men nu op enige afstand van de kathode een metalen plaat aan, welke een positieve spanning ten opzichte van de kathode heeft (de anode) dan wordt een deel van de elektronen door de anode aangetrokken. De kathode herstelt de evenwichtstoestand weer door elektronen aan de ruimtelading af te staan. (We zullen in het vervolg alleen maar over "de kathode" spreken.)
Er gaat dus een elektronenstroom van kathode naar anode lopen, de anode-stroom. Ook als de anode geen positieve spanning t.o.v. de kathode heeft, zal er een (zij het kleine) stroom naar de anode lopen. De elektronenwolk is namelijk negatief t.o.v. de anode. De aldus gevormde buis, diode genoemd, heeft dus geen drempelspanning. Daar de anode niet wordt verwarmd, zal er geen stroom door het vacuüm lopen als de anode negatief is t.o.v. de kathode. Er kan dus slechts in een richting stroom lopen, zodat de diode een gelijkrichtende werking heeft.
Triode, pentode, enz.
Door op een bepaalde plaats tussen kathode en anode een derde elektrode aan te brengen, verkrijgt men een drieelektrodenbuis (triode). Deze derde elektrode heeft gewoonlijk de vorm van een spiraal met een tamelijk grote spoed en wordt rooster of stuurrooster genoemd. Wordt op dit stuurrooster een spanning aangesloten die negatief is t.o.v. de kathode, dan zal het elektrische (elektrostatische) veld tussen rooster en kathode het elektrische veld tussen kathode en anode tegenwerken en eventueel opheffen. De spanning op het stuurrooster heeft dus invloed op de anodestroom. Men kan door vergroten van de negatieve stuurroosterspanning de buis zelfs "dichtdrukken". Zet men een wisselspanning op het stuurrooster, dan zal de anodestroom in het ritme van die wisselspanning veranderen.
Figuur 1. Ia/Ua-karakteristieken van een diode, een triode, een tetrode en een pentode.
1a. Bij de diode is duidelijk te zien dat de anode-spanning een beetje negatief moet zijn om de anodestroom geheel te onderdrukken. Bij nul volt loopt er reeds een klein beetje anodestroom. Een dergelijk buisje was daardoor zeer geschikt voor bijv. een diodevoltmeter.
1b. De triodekarakteristieken tonen duidelijk dat bij een roosterspanningsverandering van bijv. 2 V een grotere anodespanningsverandering (in dit geval ca. 50 V) nodig is voor gelijkblijvende anode-stroom.
1c. Deze tetrodekarakteristiek vertoont een flinke "deuk" bij anodespanningen lager dan de schermroosterspanning. Deze deuk wordt veroorzaakt door sekundaire elektronen die van anode naar schermrooster gaan.
1d. De pentodekarakteristiek heeft een duidelijk vlakker verloop dan de vorige karakteristieken en vertoont een zekere overeenkomst met de Ic/Uckarakteristiek van een transistor.
Figuur 2. Tekening van een opengewerkte pentode. Links zijn de diverse elektroden afzonderlijk getekend. Rechts is te zien dat de tekensymbolen een duidelijk gestileerd beeld geven van de opbouw van de buizen.
Figuur 3. Schemasymbolen van enkele van de bekendste typen buizen.
Omdat het rooster veel dichter bij de kathode ligt dan de anode, zal de anodespanning (aantrekkende werking) een grotere verandering moeten ondergaan dan de roosterspanning (afstotende werking) om een kleine roosterspanningsverandering te kompenseren, dus de anode-stroom Ia konstant te houden. De verhouding tussen deze beide veranderingen noemt men de versterkingsfaktor (aangeduid met de letter μ of g). De verhouding tussen een kleine roosterspanningsverandering en de daardoor veroorzaakte anodestroomverandering (bij gelijkblijvende anodespanning) noemt men de steilheid (S) van de buis. Door in de anodeleiding van de buis een gelijk- of wisselstroomweerstand op te nemen, kan de buis als versterker worden gebruikt. In een triode vormen anode en stuurrooster een kondensator (kapaciteit). De anodeketen en de roosterketen zijn dus kapacitief met elkaar gekoppeld. De kapacitieve reaktantie wordt kleiner naarmate de frekwentie hoger wordt. Dit geeft bij hogere frekwenties aanleiding tot terugwerking van anodeketen naar roosterketen en daardoor kans op oscilleren van de schakeling. Door tussen stuurrooster en anode een extra rooster aan te brengen, waarvan de spanning t.om de kathode konstant gehouden wordt, kan de terugwerking aanzienlijk worden verminderd. Deze vierde elektrode wordt schermrooster genoemd, terwijl de buis de naam tetrode kreeg. Omdat het schermrooster geen noemenwaardige remmende invloed op de anodestroom mag hebben, wordt het schermrooster aan een voldoend hoge positieve spanning aangesloten.
Door de versnellende invloed die de anode uitoefent op de elektronen die het schermrooster zijn gepasseerd, kan de snelheid zo groot worden dat de botsingsenergie op de anode te groot wordt. Een enkel elektron kan dan meerdere elektronen uit het anodemateriaal losslaan. De elektronen die dan loskomen (sekundaire elektronen) kunnen weer terugkeren naar de anode of naar het schermrooster gaan. In dat laatste geval ontstaat een "deuk" in de anodestroomkarakteristiek. In dat gebied vertoont de schakeling negatieveweerstandeigenschappen, waardoor oscilleerneigingen onstaan.
Om het terugkeren van elektronen van anode naar schermrooster tegen te gaan, kan weer een extra rooster tussen schermrooster en anode worden aangebracht. Dat rooster, het rem- of keerrooster (de naam "vangrooster" is eigenlijk niet juist) wordt gewoonlijk met de kathode verbonden en zorgt er voor dat de snelheid van de sekundaire elektronen zodanig wordt afgeremd dat ze omkeren en weer naar de anode teruggaan. Een dergelijke buis, met vijf elektroden, wordt pentode genoemd.
Verder waren er nog andere buistypen in gebruik, zoals de hexode (6 elektroden), de heptode (7 elektroden) en de octode (met 8 elektroden, dus 6 roosters); bovendien diverse soorten kombinatiebuizen bijv: duodiode-pentode, triode-hexode, triode-heptode, enz.
Voor- en nadelen
Gewone radiobuizen hadden t.o.v. transistoren natuurlijk enkele nadelen. Zo hebben transistoren geen gloeidraadvermogen nodig, maar buizen zijn tegen veel hogere spanningen en temperaturen bestand. De breekbaarheid van de glazen ballon viel echt wel mee, met transistoren mogen we ook niet smijten. Evenals bij gloeilampen was de levensduur een kom-promis, er bestonden echter ook telefoniebuizen, en SQ- (Special Quality) en LL-buizen (Long Life) met een levensduur van 10.000 uur of meer. Als belangrijkste verschil gelden buiten het gloeidraadvermogen wel de afmetingen. Buizen zijn vele malen groter, zodat de kast ook veel groter moet zijn en bovendien voorzien van koelgaten of -sleuven.
Op de meeste gebieden zijn de buizen tegenwoordig verdrongen door transistoren. Ze worden hoofdzakelijk nog toegepast als zendbuizen voor grotere vermogens en voor hoogfrekwentverhitting in de industrie. In andere vormen komen buizen nog voor als magnetrons in radarzenders en magnetronovens, als klystrons in TV-zenders en bovendien als beeldbuizen in TV-ontvangers.
Praktijktips
Vergeleken met transistoren zijn sommige fouten in een buizenapparaat tamelijk eenvoudig te lokaliseren.
Na inschakelen van de spanningen kan men van onder of van boven aan het dof rode gloeien van gloeidraad en kathode zien dat een buis gloeispanning heeft en dat de gloeidraad niet onderbroken is. Bij een tetrode of pentode mag het schermrooster, dus het tweede rooster van binnenuit, beslist niet gloeien. Een rode gloed binnenin, soms alleen schuin van onder zichtbaar, wijst op overbelasting van het schermrooster. De spanning moet dan direkt worden uitgeschakeld. Zeer waarschijnlijk heeft de buis dan geen anode-spanning, bijv. door een onderbreking in de anodeleiding.
Ook als de anode gaat gloeien, moet de spanning ogenblikkelijk worden uitgeschakeld. In dat geval is er iets goed fout, de anodedissipatie (d.i. de warmteontwikkeling aan de anode) is veel te groot. Hiervoor kunnen diverse oorzaken zijn, zoals:
- het ontwerp is slecht, zodat de buis overbelast wordt;
- verkeerde aanpassing aan de anode-zijde, zodat onvoldoende energie wordt afgegeven;
- de buis heeft geen of te weinig negatieve roosterspanning, waardoor de anodestroom te groot is (bijv. kortsluiting in de kathode-ontkoppelkondensator, veel te grote roosterweerstand, inwendige kortsluiting van stuurrooster tegen kathode enz.).
Een violette gloed binnen de anode kan erop wijzen dat de buis "zacht" is, d.w.z. er zijn te veel gasresten, het vacuüm is niet in orde en de buis nadert het eind van zijn leven. Bij sommige buizen is dat oplichten echter normaal, vooral bij hoge spanningen. Een violette gloed buiten de anode en dan meestal in het verlengde van het elektrodensysteem kan ook optreden. Dat verschijnsel kan normaal genomen geen kwaad.
Twee praktische opmerkingen tot slot. In de eerste plaats hoort een buis in een goede buisvoet - dus niet rechtstreeks op de print solderen en geen goedkope flodderige (pertinax-)voetjes gebruiken! Voorts dient in een buizen-apparaat altijd voor voldoende ventilatie te worden gezorgd. Buizen kunnen veel hebben, maar bij langdurige oververhitting leggen ze op een gegeven moment natuurlijk toch het loodje!
Figuur 4. Bij het bestuderen van de potentiaal-invloeden op de buisstromen werd o.a. gebruik gemaakt van de hier geschetste opstelling (doorsnede). Deze bestond uit een relatief strak gespannen vel rubber, waarbij de potentiaalverschillen werden nagebootst door toppen en dalen in de oppervlakte. Door het midden hoger te maken dan de rand werd de invloed van de diverse spanningen door de zwaartekracht verzorgd.
Vanuit het midden, de kathode, liet men stalen kogeltjes naar de buitenrand rollen. De remmende invloed van een rooster werd nagebootst door met behulp van een metalen ring de rubberoppervlakte plaatselijk omhoog te drukken, zodat een rollende kogel tegen een bepaalde helling 'omhoog" moest en dus een vertraging ondervond. Na de top kreeg de kogel door de 'afdaling" weer een versnelling.