De electronenbuis als versterker

Hoe de electronenbuis of "radiolamp" functioneert weten we nu. Daardoor kunnen we nu verder te gaan met een kennismaking van het gebruik van dit onderdeel. Je zal zien dat dit niet erg veel verschilt van het gebruik van transistoren. De algemene aspecten zijn ook hier van toepassing.
We gaan nu de basis-buis wat nader bestuderen. De triode was de eerste radiobuis die kon versterken. We gaan vooral zien hoe de stroom dynamisch doorheen de anode of kathode evolueert in functie van de aangelegde stuurspanning (geregeld door de weerstand en voorspanning van het rooster). We zien tevens de invloed van de weerstand in de anodekring. Volg het schema:
	Voor een bepaalde belastingsweerstand in de anodekring gaan we de karakteristieken opnemen. De sturing wordt, zoals gezien, geregeld door de voorspanning Vg en de regelbare weerstand Rg. Je ziet duidelijk dat de spanning tussen rooster en kathode op gelijk welke waarde kan ingesteld worden. Vervolgens veranderen we de waarde van de weerstand in de anode en stellen we verschillende stuurspanningen Vg in. Voor alle mogelijke gevallen zullen we de anodestroom bepalen en vergelijken. Ziehier het resultaat:
	Elke rode lijn in de figuur links staat voor een andere waarde van de anodeweerstand. Merk de invloed van dit. Hoe kleiner deze waarde, hoe groter de invloed van Vgk (rooster/kathode). Het is alsof de gevoeligheid vergroot. Met andere woorden, de invloed van Vgk op de anodestroom wordt groter met kleinere anodeweerstanden. De steilheid (helling) wordt groter.
Een testschakeling :
We stellen ons voor dat we het schema hiernaast gaan bouwen. We nemen de stromen en spanningen op. Ra staat in de anodekring. Deze weerstand is de belasting van de buis. Aan de ingang zien we de polarisatie met in serie, de generator van een sinusvorming signaal. Dit signaal willen we versterken met de radiobuis. De voorspanning en voeding houden we constant. Om het filament bekommeren we ons niet verder, aangezien dit aan de eigenlijke basiswerking weinig verandert.
Op het rooster Vg plaatsen we een spanning van - 5 V DC ten opzichte van de kathode. Een (laad)weerstand van 50 kΩ sluit de kring kathode/rooster. De voeding is + 300V. Wat gaan we nu zien ?
Opgelet : De tekening werd voor de duidelijkheid vereenvoudigd; de waarden zijn indicatief.
Op welke manier zal deze buis versterken ? :
Met deze instellingen en zonder een ingangssignaal, stellen we vast dat er door de buis een stroom van 2 mA vloeit (zie instelpunt). Deze stroom vloeit natuurlijk ook door weerstand Ra met een spanningsval hierover als gevolg : U = Ra. Ia   =  50 000 x 0.002 = 100V. De spanning op de anode zelf bepalen we als volgt : V = Va - Ra.Ia =  300 - 100 = 200V. Dit is tevens de spanning die we met een spanningsmeter zouden meten: + punt op de anode, - of massa als ander punt ( let op de hoge spanningen en het bereik van je meettoestel !). Een signaal aan de ingang staat bovenop de Vg instelling en alles blijft gelijkaardig (wat makkelijk in te zien is op de fig. hoger). We houden nu rekening met de vermogens : P = Ra . I2  P = 50.000  x 0,0022 = 0,2W.
Wat dieper: leggen nu het wisselsignaal aan in serie met de bestaande Vg. Dit heeft een zwaai van 4V, anders uitgedrukt: de DC instelling heeft een uitwijking van -7V tot -3V ( de rustspanning is -5V; de figuur is niet zeer precies). Laten we nu de stroom door de anode Ia bepalen en dit voor voor de uiterste stuurspanningen -7V et -3V. Deze waarden lezen we op de grafiek af; stel dat dit ons het volgende oplevert : 2,65 mA voor -3V 1,35 mA voor -7V Tot zover gaat het nog ? - het is maar een voorbeeld. Berekenen we nu de spanningsval over de weerstand in de anode. voor Ia = 2,65 mA wat met Vg = -3V overeenstemt hebben we : U= R.Ia = 50.000 x 0.00265 = 132,5V De spanning tussen massa en de anode zelf wordt als volgt bepaald : 300 - 132,5 = 167,5V voor Ia = 1.35 mA wat met Vg = -7V overeen komt, hebben we : U= R.Ia = 50.000 x 0.00135 = 67,5V De spanning tussen massa en de anode zelf wordt als volgt bepaald : 300 - 67,5 = 232,5V
Anders bekeken :
Dus, in rust (enkel met DC op het rooster) is de stroom 2 mA en dit voor Vg = -5V. De spanningsval door Ia over weerstand Ra is 100 V wat de anode ten opzichte van de massa op 200V brengt. Voer nu een signaal toe ter versterking. Wanneer dit zijn maximum bereikt ( + 2 V ) wordt de roosterspanning - 5 V bij rust -5 + 2 = -3V. Dit brengt de anodestroom Ia op 2,65 mA, de spanningsval Ra is 132,5 V en de anode spanning 167,V. ( Wat soepelheid bij het interpreteren van de grafiek, please!) Als dit signaal zijn maximum in de andere polariteit bereikt loopt de instelling van -5V gaat verder naar -5 +(-2) = -7V wat een stroom Ia van 1,35 mA veroorzaakt. De spanningsval over Rais 67,5V en de anode spanning wordt 23,5V.
We stellen vast dat een kleine verandering van het te versterken signaal ( 4 V peak to peak) en spanningsverandering op de anode van 65V (232,5 - 167,5V) veroorzaakt. We hebben dus duidelijk het signaal versterkt, wat toch de doelstelling was, of niet ?
Andere vaststelling :
Als het te versterken signaal naar de positieve kant gaat vb: -3V zal de stroom Ia vergroten .	De spanningsval over Ra volgt, maar laat de spanning op het knooppunt anode/weerstand dalen.
Elke stijging op de ingang heeft een daling op de uitgang als gevolg. Anders uitgedrukt: er is een faseverschuiving van 180°.
Zie hierboven wat er gebeurt als alles goed ingesteld werd. Men noemt deze versterker "lineair" ingesteld want het ingangssignaal wordt nauwkeurig naar de uitgang vertaald ( - 180 ° !).	Daar tegenover staat dat als we dat niet doen, één en ander mis gaat. Het stuursignaal wordt te groot wat de buis zowel in verzadiging als in cutt off kan brengen. Verder zal, als het rooster positief wordt, er Ig of roosterstroom vloeien. Deze stroom kan zo groot zijn dat de buis er door stuk gaat.
Versterkingsfaktor en transconductantie :
We hebben gezien dat een kleine verandering aan de ingang, een verandering op de uitgang tot gevolg heeft. Dit duidt op een versterkingseffect waarvoor we een factor kunnen bepalen (formuletje ). Daarmee kunnen we dan buizen onderling vergelijken.
De letter µ ( "mu" ) werd als versterkings- faktor van de buis gekozen. De verhouding UITGANGS- op INGANGSspanning bepaalt deze waarde.	Δ Ua µ = __________           Δ Vg
De belastingsweerstand bepaalt de versterkingsfactor van de radiobuis. Deze invloed is groot en hangt af van de keuze van Ra. Daarom is deze manier om de versterking te waarderen niet optimaal. Door bijv. de Ra-waarde te verkleinen, krijgen we een daling van de versterkingsfactor. De factor bepaalt eerder de waarde van de "schakeling" dan van de buis zelf. Daarom heeft men het begrip "transconductantie" ingevoerd. NB: Dit is niet onbekend, vergelijk met de FET-transistor.
Door de transconductantie gm, de verhouding tussen de verandering van Ia en de verandering van Vg die Ia veroorzaakt, te onderzoeken, bepalen we een nieuwe parameter. De transconductantie wordt meestal uitgedrukt in mho ( of Siemens, een andere eenheid die ook wordt gebruikt bij buizen). Let op de schrijfwijze van mho en ohm.	Δ Ia gm = __________           Δ Vg
Polarisatie :
Aan de polarisatie of instelling van de radiobuis werd tot nu toe maar weinig aandacht besteed. Voor de eenvoud regelden we dit door het gebruik van een batterij. Dit is natuurlijk niet praktisch. Zoals bij transistoren gaan we zien hoe we dit op een vrij eenvoudige manier automatisch kunnen realiseren. We noemen dit: polarisatie via of van de kathode.
	Hiernaast zie je het principe. We weten dat er normaal er geen roosterstroom vloeit. Via Rg brengen we het rooster op massapotentiaal "nul", of de referentie. Gezien de stroom nul is, mag de waardoor van RG groot zijn (1 MΩ). De stroom Ia zorgt voor een spanningsval over Rk, volgens de aangeduide polariteit (rood). Een oordeelkundige keuze van Rk zal maken dat deze spanning precies de gewenste voorspanning is. De negatieve kant ligt via Rg aan het rooster, de kring is compleet.
Het potentiaal op de kathode is groter dan die van de massa (referentiepunt). Daar het rooster aan massa ligt via RG (stroom nul), is dit hetzelfde als wanneer het rooster negatief is ten opzichte van de kathode. Dit is toch wat we zochten? Waartoe dient nu die condensator. ? Zonder die condensator zou de signaalspanningsval een soort wisselstroompolarisatie betekenen. Het effect van het ingangsignaal wordt tegengewerkt en bijgevolg ook de versterking. De ontkoppelcondensator moet voor dat signaal als een soort buffer dienen en deze spanningsval annuleren. Merk op dat je eigenlijk een tegenkoppeling inbouwt als je de condensator onvoldoende groot neemt. Soms kan dit gewenst zijn, bijv. om oscillaties tegen te gaan of bij specifieke toepassingen. Merk ook hier de overeenkomst met de transistor- schakeling.
Instellingsklassen van versterkers:
Dezelfde principes als voor transistoren zijn hier van toepassing. We gaan hier niet verder in detail. Door het aanpassen van de naam van de elektrodes komen we al dicht bij de uitleg. Verder kan je een en ander ook nalezen in specifieke boeken. Toch dit : de gemeenschappelijke emitter is met de gemeenschappelijke kathodeschakeling te vergelijken. Ook de andere schakelingen zijn gedeeltelijk analoog.
Dit hoofdstuk is zeker niet volledig, maar het is vooral de bedoeling je verder warm te maken om aan wat zelfstudie te doen. Buizen worden tegenwoordig wel minder gebruikt, maar voor sommige toepassingen kan je moeilijk andere betaalbare middelen vinden. Recuperatie en wat handigheid kunnen in het HF-domein voor betrekkelijk weinig geld, mooie eindversterkers opleveren. Er bestaan hierover voldoende handboeken om je op weg te helpen, en in een goede radioclub zoals RCL vind je amateurs die hier veel ervaring mee hebben.