Vakuumrøyret som brytar

I denne artikkelen vil eg visa korleis ein kan nytta eit vakuumrøyr som ein elektronisk brytar. Me brukar med andre ord røyret i ytterpunkta av karakteristikken, når det leier best og når det sperrar heilt.

Dette er veldig uvanleg å nytta vakuumrøyret som brytar sidan andre komponentar som transistoren og tyristoren er overlegne på nesten alle område. Eg lager derimot denne artikkelen fordi eg meiner den vil vera ein god hjelp til å forså verkemåten til vakuumrøyret, i tillegg synest eg det er kult å kunna bruka vakuumrøyret til noko anna enn dei vanlege røyrforsterkarane ein finn i utallige variantar på nettet.

I tillegg til dei vanlege vakuumrøyra finnest det eit spesielt røyr som vert kalla for Thyratron. Dette røyret er laga for å nyttast som brytar og vert fylt med forskjellige gassar for å kunna leia meir straum. Thyratronen kan på mange måta samanliknast med Thyristoren. Desse røyra vert fortsatt nytta når det er behov for styring av høge spenningar, typisk over 20kV.

Prinsipp

I vakuumrøyret må ein ha ei negativ spenning på styregitteret i forhold til katoden for å hindra straum av elektron til anoden. Dersom me skal nytta røret som ein brytar kan me skru av og på denne spenninga, eller veksla mellom to spenningar på forskjellege nivå. Styregitteret bør ikkje tilførast positiv spenning, sidan det vil medføra at det går straum i gitteret.

Samanlikning

Fordeler og ulemper med vakuumrøyret i forhold til andre elektroniske brytarar:

Fordelar	Ulemper
Tåler høg spenning.	Krevjer forholdsvis høg spenning for å fungera.
Raskare enn relé	Vil alltid ha ein indre motstand og dermed effekttap.
Tåler høgare temperatur enn halvleiarar.	Må ha tid til å varmast opp før det leier optimalt.
	Treigare enn transistoren.
	Tar stor fysisk plass.
	Tåler lite og vert oppbrukte.

 

Praktisk forsøk

Eg har gjort nokre praktiske forsøk med røyret EL34B frå Kinesiske Shuguang, EL34 er ein pentode, men B varianten er ein beam tetrode. Det finnest sikkert mange andre røyr som er betre egna, men det var dette eg hadde liggande.

EL34 er eit vakuumrøyr som er mykje nytta i utgangstrinnet til audioforsterkarar, og i enkelte serieregulatorar i kraftforsyningar.

 

 

 

 

 

 

Spesifikasjonar:

Her følgjer spesifikasjonane for EL34. Noko har eg henta frå databladet til produsenten, men eg har også gjort eigne målingar på enkelte av verdiane.

Teiknesymbol og pinkonfigurasjon:

Teiknesymbolet viser beam platene kopla direkte til katoden, for EL34B er desse kopla til ein eigen pinne og må dersom dei skal nyttast, koplast til katoden eksternt.

Røyret har ein oktal sokkel, dvs 8 tilkoplingar.

1	Beam plater
2, 7	Glødetråd
3	Anode
4	Skjermingsgitter
5	Styregitter
6	Ingen tilkopling
8	Katode

 

Gløding

Oppvarminga av katoden vil fungera med både veksel og likespenning. Eg nyttar vekselspenning sidan det var minst arbeid. Fordelen med likespenning kan vera mindre støy dersom ein skal nytta røyret i ein forsterkar.

Gløding: 6,3 Volt DC eller ACrms
1,5 Ampere.

Maksimalverdiar:

Dette er dei maksimale verdiane røyret er spesifisert for å tåla. I praksis kan det kanskje gå bra å gå enda høgare, men produsenten garanterer ikkje for det.

Anode effektødsling	25W
Anodespenning	800V
Spenning på skjermingsgitter	500V
Spenning på styregitter	-100V
Katodestraum	150mA
Spenningsdifferanse katode-glødetråd	100V

 

Typiske verdiar:

Typiske verdiar brukt i forsterkarkrinsar med EL34.

Anodespenning	250V
Spenning på skjermingsgitter	250V
Spenning på styregitter	-12,2V
Katodestraum	100mA
Transkonduktans(Gm)	11mA/V eller 11mSiemens

 

Nokre viktige parameter

Her følgjer ein forklaring/definering av nokre viktige parameter for vakuumrøyret.

Anoderesistansen ra
Den indre motstanden i røyret vert ofte referert til som anoderesistans(ra), eller i amerikansk litteratur plate resistance(rp). Den er avhengig av spenninga på styregitteret og tilført anodespenning.

Me kan ved hjelp av anodekarakteristikken til røyret avgjera kva resistans røyret vil ha i forskjellige situasjonar.

Forsterkningsfaktor

Forsterkingsfaktoren er definert som forholdet mellom ei endring i anodespenning og ein endring i gitterspenning som er nødvendig for å skapa ei lik endring i anodestraum.

Dersom du auker gitterspenninga vil dette medføra ei auke i anodestraum. Det same gjeld dersom du auker anodespenninga, anodespenninga må derimot aukast mykje meir for å skapa den same auka i anodestraum.

Forholdet mellom desse seier noko om kor godt egna røyret er til å forsterka.

Transkonduktans

Transkonduktansen er forholdet mellom anodestraum og gitterspenning ved konstant anodespenning. Den er med andre ord eit mål på kor mykje anodestraumen endrar seg ved ei endring i gitterspenning.

Transkonduktansen ver målt i mA/V eller milli Siemens. Tidlegare vart også mho brukt (ohm baklengs).

 

Karakteristikken for røyret:

Dei følgjande karakteristikkane har eg tatt opp basert på eigne målingar. Ein vil også finna dei i databladet produsenten har for røyret. Mine målingar kan vera unøyaktige, eg anbefaler derfor at du nyttar databladet dersom du har behov for nøyaktige verdiar.

Anodestraum ved varierande gitterspenning. Anodespenninga er konstant 250V, eg har kopla anoden direkte til B+ utan noko lastmotstand. Eg valgte å kalla denne grafen for transkonduktanskarakteristikken sidan den viser samanhengen mellom gitterspenning og anodestraum, men eg veit ikkje om den har eit anna offisielt namn.

 

Anodestraum ved varierande anodespenning. Målingane er gjort ved forskjellige gitterspenningar, men for kvar enkelt måling er gitterspenninga konstant. Spenninga på skjermgitteret er konstant 250V.

Ekvivalentskjema og berekningar:

Eit av dei største problema med å nytta eit vakuumrøyr som brytar er at det alltid vil ha ein forholdsvis stor indre motstand. Ved bruk av relé eller transistorar som brytar vil ein vanlegvis kunna sjå vekk frå den indre motstanden i brytaren, sidan den er så liten at nesten all tilført spenning legg seg over lasta. Ved bruk av vakuumrøyr vil ein relativt stor del av den tilførte spenninga legga seg over røyret.

Problemet kjem av at det er ei grense for kor mange elektron katoden kan avgi. Dersom ein auker spenninga på styregitteret, kanskje til og med tilfører positiv spenning, kjem ein til slutt til eit punkt der vidare auke i spenning ikkje medfører auke i straumen gjennom røyret. Dette fenomenet vert kalla metting.

Praktiske problem

Eg ville forsøka å styra ei glødepære med vakuumrøyret, men støtte på følgjande problem:

Ei glødepære har motstand i området 2 til 3 kΩ når den gløder, men derimot ned imot 200Ω eller lavare når den er kald. Det er derfor vanskeleg å styra ein glødepære med ein vakuumrøyr sidan pæra ikkje får nok spenning til å «tenna». Eg har vurdert å legga inn ein vendebrytar mellom fast spenning og spenning frå røyret slik at pæra vert kopla i serie med røyret etter at den har varma seg opp. Eg har derimot ikkje prøvd dette enda.

Praktiske berekningar

Eg har ein lastmotstand med merkeverdi 33W og merkespenning 230V som eg ynskjer å styra med røyret. Eg måler motstanden i lasta til å vera 1,39kΩ når motstanden er kald, eg er usikker på i kor stor grad den vil endra seg dersom den blir oppvarma.

Merkeverdien tilseier derimot ein litt mindre straum:

Den maksimale katodestraumen for EL34 er oppgitt til 150mA, det er derfor ingen problem å køyra belastninga opp til merkeverdien på 33W.

For å oppnå dette må derimot den indre motstanden i røyret bli så lav, og tilført spenning må vera så høg, at det legg seg 230V over lasta.

Me ser av karakteristikken til røyret at dersom me har 0 volt på styregitteret vil me måtta ha litt over 20V på anoden for å driva ein straum på 150mA. Me treng derfor å tilføra ei spenning på minimum 250 volt for å vera sikker på at lasta får merkespenning.

Anoderesistansen blir:

Det blir omsett ein effekt i røyret på:

Dette er «bortkasta» effekt og ein av grunnane til at vakuumrøyret ikkje egnar seg som brytar. Til samanlikning har ein transistor typisk eit spenningsfall i området 0,7V når den leier maksimalt.

Gitterspenning

Spenninga på styregitteret skal vera negativ i forhold til katoden. Dette kan gjennomførast på fleire forskjellige måtar. Eit alternativ er å ha ei separat kraftforsyning som forsyner gitteret. Sjølv om denne kraftforsyninga vanlegvis ikkje treng levera mykje straum er det ein stor fordel å unngå behovet for to kraftforsyningar.

Eit anna alternativ er i staden for å gjera gitteret negativt i forhold til katoden, å gjera katoden positiv i forhold til gitteret. Dette kan me gjera ved å setta inn ein motstand mellom katoden og jord. Når det går straum i røyret vil det også gå straum i motstanden, spenningsfallet over motstanden fører til høgare spenning på katoden enn jord. Denne måten å sørga for negativ forspenning er mykje brukt i forsterkarkrinsar, men kan vera upraktisk når me bruker røyret som brytar i system med lav spenning, sidan ein stor del av spenninga går tapt i katodemotstanden.

Me bestemmer katodemotstanden ved hjelp av ohm’s lov

Uk skal vera lika mange volt positivt som gitteret skal vera negativt. Anodestraumen Ia vert bestemt av lasta. Karakteristikken tilseier at røyret vil sperra heilt ved ca -40V på styregitteret når me har 300V anodespenning, og me har bestemt oss for ein last som trekk 150mA.

Dersom me skal bruka denne metoden må me auka tilført spenning frå 250V til 290V. Motstanden må tåla minimum 6W.

Koplingsskjema

Her følgjer koplingsskjema for dei krinsane eg har nytta for å testa EL34 sin evne til å fungera som brytar.

Kraftforsyning

Eg har bygd ei enkel uregulert kraftforsyning for å forsyna røyra under eksperimentet. Trafoen i kraftforsyninga har uttak for fleire forskjellige spenningar på sekundærsida slik at ein kan gjera forsøk med forskjellige anodespenningar. Spenninga vert likeretta av ei bru beståande av fira 1N4007 diodar. To kondensatorar og ein spole sørgjer for å glatta spenninga og straumen. Motstanden mellom likerettaren og glattefilteret fungerer som ein sikring, den brenn opp dersom straumen overstig merkeverdien til trafoen.

Sidan kraftforsyninga er uregulert egner den seg ikkje for målingar i samband med bestemming av karakteristikken for røyret.

Trafoen forsyner røyret direkte med 6,3V AC glødespenning.

Røyrkrins

Røyrkrinsen har ein brytar for å velga mellom gitterspenning på 0V og -40V. Ved 0V leier røyret maksimalt og ved -40V sperrar det heilt. Som anodelast har eg forsøkt med forskjellige einingar, skjemaet viser ei glødepære.

Motstanden R1 sørgjer for å holda gitteret på jordpotensial når røyret skal sperra.

Oppsummering

Eg håpar denne artikkelen kan vera nyttig for andre som interesserer seg for røyrteknikk. Eg håper og eg får tid til å koma med ei oppfølging, der eg skriv litt om digitalteknikk med vakuumrøyr.

Kom gjerne med kommentarar dersom det er noko som er uklart, eller dersom du finn feil i artikkelen.

Eksterne lenkjer/kjelder:

Nokre lenkjer til andre nettstader med meir informasjon om det artikkelen har omhandla. Dessverre er det vanskeleg å finna informasjon på norsk så desse lenkjene er til sider på engelsk.

Wikipedia:

http://en.wikipedia.org/wiki/EL34
http://en.wikipedia.org/wiki/Beam_tetrode
http://en.wikipedia.org/wiki/Thyratron
http://en.wikipedia.org/wiki/Krytron
http://en.wikipedia.org/wiki/Thyristor

Andre:

http://www.jogis-roehrenbude.de/Leserbriefe/Bruegmann-Digital-Roehren-Clock/Digital-Roehrenuhr.htm
http://www.die-wuestens.de/