|
| |
Bevezetés: A tértöltés hatása az elektroncsövek működésére: A dióda:
Mint látható, nulla anódfeszültségnél is folyik áram: ezt induló áramnak nevezzük. Ha egy nagy belső ellenállású feszültségmérővel megmérjük az anód-katód feszültséget, azt tapasztaljuk, hogy az anód nagyjából egy volttal negatívabb a katódnál. Az izzó katódból spontán kilépő termikus elektronok feltöltik az anódot. A katód és az anód közötti vákuumtérben lévő elektronfelhőt tértöltésnek nevezzük. Ha a csőre feszültséget kapcsolunk és az elektródák ekvipotenciálisak (saját belső ellenállásuk elhanyagolhatóan kicsi), a csőben kialakuló elektromos térerősség-eloszlást a tértöltés, a belső geometriai jellemzők és a rákapcsolt feszültség nagysága szabja meg. Henger- és síkdiódák esetében az áram-feszültség függvény azonos alakú: IA = P·UAK3/2. Az anódáram, az anód-katód feszültség 3/2-ik hatványával arányosan nő. A "P" arányossági tényező, az úgynevezett perveancia csak a cső geometriájának a függvénye, azaz állandó. Ha figyelmesen megnézzük a 2. ábrát, ránézésre látjuk, hogy a hatványfüggvény jelleg csak a görbe első harmadára lehet igaz: 10V-nál nagyobb anódfeszültségnél az Ia - Ua függvény egyre lineárisabbá válik. Ennek oka az oxidkatód belső ellenállásának növekedése. (Az ábrán nem látható, de meg kell említeni, hogy a feszültséget tovább növelve, az áram egyre lassabban nő, majd állandóvá válik. Ez az úgynevezett telítési szakasz.) Felmerült bennem a kérdés: mennyire követi a valóság az elméletet? Felnagyítottam a 6Х2П karakterisztika ábrát úgy, hogy 1mA áramerősség 2mm hossznak feleljen meg, majd 2, 4, és 6 voltnál vonalzóval lemértem az áramerősség értékeket. Végül ezekre a pontokra - az alapegyenletből - kiszámítottam P értékét és eredményül: 1,59; 1,56 és 1,56 mA/V3/2 értékeket kaptam. Az eredmény meggyőzött arról, hogy ez a dióda valóban henger kivitelű és követi az elméletet, mert P értéke - a csekély szórástól eltekintve - állandónak bizonyult. A trióda: IK = P·(UGK+(UAK/μ+))3/2. P - pervencia csőállandó, amit az adott trióda geometriai paraméterei határoznak meg.
Jól látszik, hogy az Ug-Ia karakterisztika (4. ábra) exponenciális jellegű, és a cső meredekség változása is (5. ábra) erős nemlinaritást mutat. A 4. ábra és a fentiek alapján meghatároztam a csőállandókat: μ+ = 13,3 és P = 1,14 mA/V3/2 A pentóda:
Ránézésre is látszik, hogy az anódáram függése az anód- és rácsfeszültségtől csaknem lineáris. Megfelelően visszacsatolt pentódás fokozatokkal tehát jó lineáris hangerősítők készíthetők: eltűnik a "csöves" hangzás. Nem véletlen, hogy az audiofil csöves erősítőkben mindíg találunk triódát. A kellemes csöves hangzás mértéke és mérése:
A '"kellemesség" mindig szubjektív dolog. Ha egy audiofil erősítőt hallgatunk és a hangzást kellemesnek találjuk, hogy állapítsuk meg ennek a mértékét? Nyilvánvaló, hogy torzítás okozza a hatást. Próbálkozzunk torzításmérővel? Aligha. A hagyományos torzításmérők azt mutatják meg, hogy egy mérési frekvencián hány százalék a felharmonikusok összegzett effektív értékének és az alapharmonikus effektív értékének az aránya. Azt nem fogjuk megtudni, hogy a felharmonikusok amplitúdó eloszlása milyen. Próbálkozhatunk spektrum-analizátorral, de a látott kép kiértékelése nem igazán egyszerű.
Az ellenállásokat egy novál csőfoglalat lábaihoz forrasztottam, majd a teljes áramkört aranyozott tüskékkel csatlakoztattam a csőmérőmhöz. A csőmérőm biztosította a fűtőfeszültséget, a 200V-ot és a bemeneti rácsfeszültséget is. Az Uki feszültséget digitális multiméterrel mértem. Legelőször az SW kapcsoló nyitott állásában megmértem az alsó csőfél munkaponti rácsfeszültségét, ami pontosan -2,50V értékűnek adódott. Majd a kapcsoló zárt állása mellett, a bemeneti feszültséget -1,5V és -3,5V között, tizedvoltos lépésekben változtattam és megmértem a kimeneti feszültségértékeket.
Az Uki=f(-Ube) függvény kissé nemlineáris. Lineárisan legjobban az Uki=83,76+12,5·(-∆Ube) egyenes szakasszal közelíthető. A 11. ábrán látható a mért értékek és a hozzá illeszkedő egyenes ábrája. A piros pöttyök a mért értékeket, a zöld keresztek pedig az egyes pöttyökhöz tartozó egyenes megfelelő pontjait jelölik. 
Tudjuk, hogy a linearitás hibát a tértöltés okozza. Ha a tértöltés hatásának megfelelően úgy görbítjük meg az egyenes szakaszt, hogy a végpontja egybeessen a mért függvény végpontjával, meghatározhatjuk a tértöltés-függésnek az erősítésben betöltött súlyát:
Az egyenes szakasz Uki végpontja: 108,76V
A mért függvény Uki végpontja: 108.31V Tehát a tértöltés okozta kimeneti feszültségváltozás: -0,45V UkiMAX - UkiMIN = 24,55V Az adatokkal felírt egyenlet: w·24,553/2 = 0,45 Ebből a tértöltés súlya: w = 0,0037, azaz 0,37% Tértöltés modulátor: Elméletemre alapozva terveztem és készítettem egy olyan készüléket, amellyel a tértöltés-hatás súlya egy erősítő rendszerben széles határok között beállítható, azaz a "csöves hangzás" az egyéni ízléshez igazítható. Ezt a szerkezetet tértöltés modulátornak (space charge modulator) neveztem el. Nem korrekt az elnevezés, de jobb híján megteszi: tehát nem a tértöltést modulálom, hanem a tértöltés hatással modulálok egy lineáris hangfrekvenciás erősítőt. Kapcsolási rajza a 12. ábrán, fotói pedig a 13. és 14. ábrán láthatók. 
A készülék sztereo erősítő láncba köthető. Kétcsatornás, csatornánkénti erősítése egyszeres, tipikus bemeneti jelszint 0dBV. A tértöltés-moduláció súlya - az előlapi potméterekkel - mint additív tag beállítható, és az így módosított jel kerül a kimenetekre.
Két készüléket készítettem. Az egyiket zenehallgatásra (a tértöltés-hatás súlya 0-2% között változtatható; P1=P2=50kohm, R6=R15=1Mohm), a másikat gitártorzítónak (a tértöltés-hatás súlya 0-20% között változtatható; P1=P2=5kohm, R6=R15=4,7kohm). A készülék két csatornája azonos kapcsolású, a működést a ch1 csatorna alapján mutatom be: a hangfrekvenciás jel "ac" csatoltan kerül az IC1 (3) nem invertáló bemenetére. A bemeneti fokozat egyszeres erősítésű. A bemeneti ellenállás (R1) 47kohm, a fokozat kimeneti ellenállása gyakorlatilag nulla. A kimenet IC1 (1) két ágra oszlik: az egyik ág a T1 tranzisztorból és az R3,R4,R5 ellenállásokból felépített áramgenerátor. Ez nem más , mint egy feszültség-áram konverter: a tranzisztor kollektorárama a bemeneti hangfrekvenciás feszültségváltozással arányosan változik. Ez az áram átfolyik a V1 vákuumdiódán. A dióda anódfeszültsége a tértöltés törvénynek megfelelően változik. Ez a váltófeszültség a C4 kondenzátoron, a P1 potenciométeren és az R6 ellenálláson keresztül, az IC1 második erősítőjének (6) invertáló bemenetére jut, ahol hozzáadódik az R7 ellenálláson keresztül érkező torzítatlan hangfrekvenciás jelhez. Az IC1 (7) kimenetén megjelenő Uout feszültség: Uout = Uin + w·Uin3/2 tértöltés-hatás formulának megfelelő lesz. A dióda jellemzőin túlmenően a w súlytényező értékét a P1 potméter értéke és állása, valamint az R6 értéke határozza meg. Az elektronika alapvetően felületszerelt kivitelben, egy 145x110 mm-es kétoldalasan folirozott panelen (15. ábra) foglal helyet. Néhány furatszerelt alkatrész van csupán: a csőfoglalat, a fűtőfeszültséget szolgáltató 2,4 W-os transzformátor, a ±12 V-os tápfeszültséget biztosító 1,8 W-os transzformátorok és az elektrolit puffer-kondenzátorok. Az áramkört egy P16C típusú dobozba helyeztem el. A doboz oldalára szerelt potméterek, be-kimeneti RCA csatlakozók és a hálózati kábel is bontható módon csatlakozik a panelhez. Néhány mért adat (jellemző értékek): Bemenő jel nélkül: V1 anódáram: 12,4-13mA V1 anódfeszültség: 4,16-4,4V Uout offset feszültség < ±1mV Uin = 1kHz 2Vpp négyszögjel esetén: V1 anódfeszültség váltó komponense: 215-230 mVpp 
Ha valaki szeretné e készüléket kipróbálni, szívesen kölcsönadom. Ha netán megépíteni szeretné, a panelgyártáshoz szükséges GERBER fájlokat díjmentesen megküldöm. A hangok spektruma: Szerettem volna tudni, milyen hatást gyakorol egy hangfrekvenciás jelre a tértöltés moduláció. Összeállítottam egy mérést. A gitártorzítónak szánt tértöltés modulátorom egyik csatorna-bemenetére 300Hz-es, 0dB nagyságú háromszög jelet adtam, és megmértem a kimenet frekvenciaspektrumát moduláció nélkül és maximális tértöltés modulációnál (w ≈ 0,2) is. A méréshez a Velleman cég által gyártott PCSU200 típusú PC oszcilloszkópot használtam. Ez a készülék több funkcióval rendelkezik, többek között spektrum-analizátorként is használható. Nagy előnye, hogy az ernyőképek grafikus fájlként is tárolhatók, így e cikkbe is könnyű beilleszteni ezeket. A 300Hz-es jel oszcilloszkópos képe a 16. ábrán látható. Nincs értelme erről két képet feltennem, mert a modulálatlan és a modulált jel első ránézésre azonosnak tűnik. Csak figyelmesen megnézve látunk némi különbséget. 
A vízszintes tengelyen az idő (1ms/osztás), a függőleges tengelyen a feszültség (0,3V/osztás) A 17. ábrán ennek a jelnek a frekvenciaspektrumát látjuk, a 18. ábrán pedig a tértöltés modulált jel spektrumát. A vízszintes tengelyen a frekvencia: 0-3,9kHz (300Hz/osztás), a függőleges tengelyen a feszültség logaritmikus értéke (10dBV/osztás) 
18_ábra A vízszintes tengelyen a frekvencia: 0-3,9kHz (300Hz/osztás), a függőleges tengelyen a feszültség logaritmikus értéke (10dBV/osztás) 
Egy ideális háromszög jel Fourier spektruma csak páratlan felharmonikusokat tartalmaz. Ha az alapharmonikus amplitúdóját egynek vesszük, a felharmonikusok egymást követő amplitúdó értékei: f(3) = 1/ 32, f(5) = 1/52, f(7) = 1/72 nagyságúak, és így tovább... A 17. ábrán látszik, hogy van egy kis torzulás: megjelentek páros felharmonikusok is. A második felharmonikus amplitúdója: -56,94dBV. A -60dB-nél kisebb amplitúdójú jeleket célszerű figyelmen kívül hagynunk, mert a zaj hatása jelentős. A két ábrát összehasonlítva látjuk, hogy a tértöltés moduláció létrehozza, illetve jelentősen megnöveli a páros felharmonikus tartalmat, ugyanakkor csökkentve a páratlan felharmonikusok nagyságát. Összegezve; a frekvenciaspektrumot páros felharmonikusokban gazdaggá teszi, és ezt "bársonyosabb", "melegebb" hangzásként szoktuk értékelni. |
| [1] Simonyi Károly: | ELEKTRONFIZIKA (Tankönyvkiadó, Budapest, 1965.) |
| [2] Meinke - Gundlach: | RÁDIÓTECHNIKAI KÉZIKÖNYV (Műszaki Könyvkiadó Budapest, 1961.) |
| [3] Dr. Valkó Iván Péter: | ELEKTRONCSÖVEK ÉS FÉLVEZETŐK I.(KÉZIRAT, Tankönyvkiadó Budapest, 1967 |
| [4] Mikolajczyk - Paszkowski: | ELECTRONIC UNIVERSAL VADE-MECUM (WIDAWNICTWA NAUKOVO-TECHNICZNE Warszawa, 1964.) |
