Triple M audio Vertelt over de Electronen BUIS door Henk Huitema Elke week een update

Naar aanleiding van de reacties op ons (Triple M Audio) artikel over de kwikdampgelijkrichter van vorige week

De buis deel 1

In de vroege ontwikkeling van elektronenbuizen heeft het onderzoek een tijd parallel gelopen met de ontwikkeling van de gloeilamp, vooral de gloeidraad. o.a. Edison deed  tijdens zijn onderzoek naar de gloeilamp veel proeven met verschillende materialen voor de gloeidraad. In de vroege experimenten brandden deze allemaal door, maar nadat hij alle lucht uit de lamp verwijderde ging het een stuk beter; de lampen konden nu vele uren achtereen branden.

Door de hitte gaan de atomen in een gloeidraad zo snel trillen/draaien dat je dit waarneemt als licht. Doordat de atomen in de gloeidraad zeer snel trillen, ontsnappen er elektronen uit deze atomen.

De ontwikkeling van de gloeidraad ging verder totdat men op een gegeven moment ontdekte dat Wolfraam met enig thorium (Thoriated Tungsten) erdoor een zeer hoog smeltpunt had (>3000 graden Celsius) en daarbij veel elektronen uitzond.

Een gloeidraad die elektronen uitzendt noemt men een kathode, het nadeel van een gloeidraad als kathode is dat je deze zeer heet moet stoken voordat er genoeg  elektronen worden geproduceerd. Dit zie je terug in vroege buizen, de zgn. 'helgloeiers' waarbij de gloeidraad letterlijk witheet gestookt werd. In de loop der tijd werden materialen ontdekt die in staat waren om bij veel lagere temperaturen  veel meer elektronen uit te zenden. De gloeidraad werd hierbij bespoten met een mix van o.a. strontium en barium-oxide.

Nog weer later ontwikkelde men de indirect verhitte kathode. De fragiele, breekbare gloeidraad verhit daarbij een met oxide bekleed buisje van binnenuit, hetgeen betrouwbaarder is en veel meer elektronen per toegevoerd vermogen oplevert. Toch blijft  het opwekken van elektronen één van de grootste nadelen van de buis; alleen de kathode heet houden kost al gauw 6-10 Watt, per buis! Energie die je verder niet nuttig kunt gebruiken.

De door de kathode uitgezonden elektronen zijn elektrisch negatief en vormen uiteindelijk een wolk die om de kathode hangt. Hoe groot deze wolk wordt is van diverse factoren afhankelijk o.a. omdat de kathode door het uitzenden van elektronen geleidelijk aan steeds meer positief wordt en haar eigen elektronen gaat aantrekken (+ trekt - aan, net als bij een magneet). Op een gegeven moment is er een punt van balans waarbij er evenveel elektronen geleverd worden als weer opgenomen door de kathode. De ontstane elektronenwolk wordt de ruimtelading genoemd.  Door Henk Huitema Triple M audio

Volgende week een uitleg wat je met de geproduceerde elektronenwolk kunt doen...    http://www.triplemaudioshop.nl/componenten/tubes/

De buis deel 2

De buis - Diodes
Vorige week zijn we begonnen met het beschrijven van de elektronenbuis. Tot nu toe een vacuüm glazen buis met daarin een gloeidraad/kathode. De gloeidraad is voorzien van stroom en de kathode genereert nu een wolk van elektronen om zich heen.

In de buis brengen we vervolgens een 2e elektrode (metalen plaatje) aan, op enige afstand van de kathode. De bedoeling is dat er stroom loopt, ofwel de elektronen moeten zich gaan verplaatsen. Lui als ze zijn doen ze dit niet vanzelf. En zelfs nadat ze enige snelheid hebben meegekregen door de kathode uitgeslingerd te zijn zullen ze het metalen plaatje niet bereiken omdat de ruimtelading ze rond de kathode houdt.

Door nu op de 2e elektrode een positieve spanning aan te brengen onstaat er een elektrisch veld (spanning) tussen het metalen plaatje en de kathode. De elektronen worden nu aangetrokken vanuit de ruimtelading  en reizen draadloos door het vacuüm naar de Anode (zo noemt men de positieve elektrode in een buis). Omdat de buis nu 2 elektrisch actieve onderdelen bevat; de kathode en de anode word ze een diode genoemd.

Volgende week behandelen we buizen met 3 onderdelen, dat zijn trioden en de week daarna de tetroden (4) en de penthoden (5).

In vergelijking met moderne silicium-diodes is de weerstand van een buis-diode hoog; je verliest behoorlijk wat spanning. De stroom in een elektronenbuis kan maar 1 richting op; van kathode naar anode. Probeer je de stroom andersom te leiden dan zal de buis 'sperren' oftewel de negatieve elektronen proberen van anode naar kathode te reizen maar ontmoeten daar de negatieve kathode en worden afgestoten. (min stoot min af, net als bij een magneet)
Dat is dan ook meteen de belangrijkste eigenschap van de diode; het doorlaten van stroom in slechts 1 richting; Daarmee kunnen we van wisselspanning gelijkspanning maken.

Ondanks dat een buis technisch gezien de mindere is van een halfgeleider diode dwingt ze je juist daardoor bij het bouwen van voedingen bepaalde keuzes te maken waardoor de buis-diode vaak beter klinkt.

De Buis deel 3

- triode
De elektronen in de ruimtelading rond de kathode worden aangetrokken door het positieve veld van de anode, deze stroom van elektronen kun je beïnvloeden door tussen de kathode en de anode een gewonden draad te plaatsen. Deze draad vormt een rooster waar de elektronen gemakkelijk doorheen kunnen.

Een buis, opgebouwd met deze 3 onderdelen noemen we een Triode.
Zolang er geen spanning op het rooster staat vliegen de elektronen ongehinderd tussen de mazen van het rooster naar de anode, maar als je een negatief voltage op het rooster zet zullen de elektronen worden af gestoten. Kortom het rooster fungeert als een regelaar om van het doorlaten van alle elektronen terug te regelen naar niets doorlaten (en alle waardes ertussen, al naar gelang hoe negatief het rooster is).
Ten opzichte van de diodes heeft de triode een groot voordeel dat je zelf kunt bepalen hoeveel stroom er loopt i.p.v. alleen de keus open of dicht.

In de zendtechniek wordt het rooster ook wel positief gebruikt, hierdoor kunnen o.a. grotere uitgangsvermogens behaald worden. Voor normaal audio gebruik mag het rooster niet positief worden, het rooster gaat dan deels als anode dienst doen en elektronen opvangen. Het rooster kan smelten en de stroom die er dan via het rooster gaat lopen kan een hele nare vervorming veroorzaken. Van alle typen buizen zijn de kenmerken beschikbaar in zgn. datasheets. Je kunt daarin precies uitzoeken welke combinatie van anodespanning en negatief roostervoltage welke stroom door de buis veroorzaakt.

Hoe een triode nu precies versterkt vereist toch enige basiskennis van de elektronica en dat wordt voor deze serie artikelen iets te technisch. Wellicht dat we daar nog een serie artikelen aan wijden en anders bent u van harte welkom bij Triple M audio shop in Rhenen waar we het graag inzichtelijk voor u maken.