|
Az elektroncső meghibásodása és zavarójelenségei
Bozó Balázs
Az elektroncsövek sem rendelkeznek korlátlan élettartammal. Általánosságban azt gondolhatnánk, hogy a fűtőszál épsége önmagában elegendő annak eldöntésére, hogy a cső működőképes-e, avagy nem. Annyi bizonyos csak, hogy a kiégett fűtőszálú elektroncső működésképtelen, de sajnos a működő fűtőszál még nem garantálja a működést is. Az elektroncsövekben működés közben is keletkeznek gázok, amik rontják a vákuumot, az üzemidő növekedésével, a katód emittáló képessége csökken, vagy a nem megfelelő szigetelés miatt egy idő után az elektroncsövek használhatatlanná válnak. A nagy emissziójú katódok idővel megsüketülnek, vagyis elvesztik emittáló képességüket. A közvetlen fűtésű elektroncsövek élettartama, megfelelő fűtőfeszültség beállítása esetén, tóriumoskatódnál folyamatos üzemben 1000 - 2000 óra, oxidkatódnál 5000 - 10000 óra. A közvetett fűtésű, kis terhelhetőségű elektroncsövek emisszió képessége általában csak jelentéktelen mértékben csökken, ha a fűtőfeszültség értéke megegyezik az előírásossal. A túlfűtés illetve alúlfűtés egyaránt káros. A nagy terhelhetőségű, de kisméretű "modern" elektroncsövek élettartama általában rövidebb, 1000 - 2000 - 5000 óra. A nagy adócsővek élettartama kb. 6000 óra szokott lenni, de minden esetben a cső adatlapja ad erről részletes információt. Az elektroncsöveknek számos más hibái is lehetnek, úgy mint;
Mechanikus hibák:
A hozzávezetésekben létrejött zárlatok és a rossz érintkezés miatt csökken az erősítés és zajok zörejek keletkeznek. Egyre gyakoribbak az olyan jellegű hibák, amikor a gyári forrasztások öregednek el és a mechanikai hibákat a cső kivezetésének rossz forrasztása okozza. A forrasztásos hibákra természetesen olyan helyeken lehet gyanakodni, ahol a csőfej külön kerül a csőre. Mint például az oktál, szeptár, az európa, az emerikai (UX4 ... UXn) foglalatokat használó csövek esetében. Előfordult már új, most gyártott csöveknél is! Sajnos ilyen esetben legyünk óvatosak, mert a házi forrasztás, gyakran a garancia elvesztését vonja maga után!
Emittálóképesség csökkenés:
Használat közben az elektroncső emittáló képessége folyamatosan csökken, ezt nevezhetjük természetes elhasználódásnak is. Az emittáló képesség csökkenését felgyorsíthatja ha a használatban a katódot alúl, vagy túl fűtik. Az élettartamot kétféleképpen definiálják, a régebbi meghatározás szerint a az élettartam az az idő, ami alatt megszakítás nélküli, rendeltetésszerű használatban a közepes anódáram a kezdeti érték 50%-ára csökken. Újabban a meredekség 30%-os csökkenését tekintik az élettartamnak.
Rossz vákuum:
A nem megfelelő vákuum zavaró zajt és begerjedési hajlamot eredményez. A zaj a katódtól az anódfelé repülő elektronok mozgásában bekövetkező rendellenességek következménye. A vákuum romlását a keletkező gázok okozzák. A csőbe épített getter feladata lenne ezek megkötése, és a jó vákuum fenntartása a cső teljes élettartama alatt. A zajt a gázmolekulákba ütköző elektronok okozzák, mert ez a gázmolekula ionizációját okozza, és így pozitív gázion és negatív elektronok keletkeznek. A gázionok a negatív potencálú rácsra jutnak és ott leadják töltésüket. Ekkor negatív rácsáram folyik, aminek mértéke a csőben lévő gázmolekulák számától függ. Minél nagyobb a rácsáram a teljes anódáramhoz képest, annál nagyobb azoknak az elektronoknak a százalékos aránya, amelyek gázmolekulákkal ütköznek. A rácsáram és emissziós áram viszonyát vákuumteényezőnek nevezik. Értéke: vk=Ig/Ia. A vákuum tényezőt ismert mérési eljárások felhasználják annak jellemzésére, hogy milyen a cső evakuálásának jósága. Közepes minőségű elektroncső vákuumtényezője 10-4, ami kb. 10-6 torr nyomásnak felel meg. Az evakuáció ilyenkor 1:109. Azaz 1cm3 gáztérben még mindig kereken 3·1010 molekula jelenlétét jelenti. A rácsáram karakterisztika sajátos lefutása gázos csöveknél negatív reácsfeszültségeknél, kisfrekvenciás erősítőknél begerjedési hajlamot okoz. A rácsáram kellemetlen hatása továbbá abban is jelentkezhet, hogy a vezérlőjelet terhelve jelentősen lecsökkenti az erősítést. Amikor tehát gázionok érkeznek a rácsra, az pozitív töltésű lesz, kölönösen akkor, ha nagy ellenállás köti össze a rácsot a katóddal. Az ionok ugyanakkor csökkentik a tértöltés értékét, és így fennáll a veszélye, hogy az egyre növekvő anódáram miatt az elektroncső tönkremegy, ami fokozottabban fennállhat magas anódfeszültség esetében. A begázosodott elektroncső katódja hamarabb mérgeződik.
Szigetelési hibák:
Az elektroncsővek gyártásakor gyakran előforduló hiba, hogy a getterlecsapódás következtében vezetőfelületek képződnek. Ezek a szigetelés csökkenését okozzák. A ki nem elégítő szigetelés zörejeket és rácsfeltöltődést okoz.
Termikus rácsemisszió:
A kis rács - katód távolság miatt a rácshuzalok erőssen melegednek és ez, illetve ha bárium is rakódik a rácsra, rácsemissziót okoz. A termikus rácsemissziót úgy akadályozzák meg, hogy a rácsbotokat jól vezető anagyból, mint például rézből készítik, és hűtőfelületeket alakítanak ki rajta, hogy a hőt elvezessék.
Csőzaj:
Nagy erősítéseknél zajt észlelhetünk, ami az elektroncsőben, illetve az ellenállásokban lejátszodó folyamatokra vezethető vissza. A csőzajt a következő tényezzők okozhatják: A sörétzaj oka az, hogy az elektronok minden rendszer nélkül távoznak a katódból, ami anódáram ingadozást von maga utánn. A sörétzaj eléggé széles frekvencia tartományban egyenlő mértékben jelentkezik. A zaj aránylag a tértöltéstartományban a legkisebb. A villodzás valószínűleg a katódfelület kristályátalakulásából származó egyenlőtlenségek eredménye. Az egyes kristályok kilépési munkája más és más. Az aláfűtés elősegíti az átkristályosodási folyamatot. A zajfeszültség maximuma kisfrekvenciákon kb. 50Hz-nél van; itt értéke sokszorosan felülmúlja a sörétzaj feszültséget. A frekvencia növekedésével csökken és néhány kHz-nél már a sörétzajfeszültséget sem éri el. A villódzásnak tehát csak kisfrekvenciák erősítésénél van jelentősége. A szigetelési ellenállás zaját a csőszigetelések okozzák. A sörétzajhoz képest aránylag kicsi. Az ionáram csak a nem kielégítő vákuumban lép fel, és így jóminőségű csöveknél nem kell figyelembe venni.
- Dióda zaj: A sörétzaj által okozott zajáram Iz a telítési tartományban (Schottky szerint): Iz2= 2eIa∆f; ahol e=1,6·10-19C, vagyis az elektron töltése, Ia az anódáram A-ben; ∆f a frekvencia sáv Hz-ben.
Mivel a zajáram igen egyszerűen számítható, a telítési tartományban működő diódát gyakran használják zajgenerátorként mérési célokra. A tértöltéstartományban a zajáram azonos körülmények között kisebb: Iz2= F22eIa∆f; ahol F(<1) a tértöltés gyengítési tényezője. (Rácsvezérlésnél Ua helyett az effektív rácspotenciálnak a tértöltés potenciálküszöbére vonatkoztatott értékével kell számolni.) A zajjelenségek csökkentése azzal magyarázható, hogy a katódból kilépő elektronok tértöltést alkotva akadályozzák a szomszédos elektronok mozgását. Az elektronáram csökkenésének pillanatában csökken ez az akadály, ami az anódáram növekedését vonja maga után. Ezáltal az ingadozási jelenségek némileg kiegyenlítődnek. A tértöltési tartományban Iz2= ((4·k·0,64·Tk) / Rb)·∆f; Tk a katód hőmérséklete, ami oxidkatódnál kb. 1150 K°, Rb= 1/S = ∂Ua/∂Ia a belső ellenállás, k a Boltzmann féle állandó.
- Trióda zaj: Az egyrácsos csöveknél 1/R helyére S/σ lép, ahol a σ a vezérlőmeredekség, értéke 0,6 és 0,85 között van. Ha Rab, akkor a zajáramot úgy is tekinthetjük, mintha az Ugz= Iz/S = √(((4·k·0,64·Tk) / σ)·(∆f/S)) nagyságú rácsfeszültség, az úgynevezett ekvivalens zajfeszültség hatására keletkezett volna. Oxidcsövekre közelítőleg: Ugz= 0,2√(∆f/S) [µV], ha ∆f-t kHz-ben; S-t mA/V-ban helyettesítjük. Az egyenletek ugyanolyan frekvencia függőséget mutatnak, mint az ellenállásokon fellépő zajfeszültségeket megadó egyenlet. Ezeknek az egyenleteknek az egyenlővé tétele útján a rácskörben egy járulékos ellenállást kapunk, amelynek az elektroncső által felerősített zaja éppen a csőzaj. Ezt az ellenállást ekvivalens zajellenállásnak (Rz) nevezzük. Rz= (0,64/σS)·(Tk/T) ≈ 2,5/σS (oxidcsövekre). Rz-t kΩ-ban kapjuk, ha S-t mA/V-ban helyettesítjük. Az egyenletek kb. 108 Hz-ig használhatóak.
- Árnyékoltrácsú cső zaja: A rendszertelenűl az árnyékolórácsba ütköző elektronok járulékos Izg22 zajáramot okoznak (eloszlási zaj): Izg22= 2e(Ig2⊗Ia)∆f, ahol Ig2 az árnyékolórácsáram; Ia pedig az anódáram. Az eredő zajáram Iz2= Ikz2(Ia/(Ia+Ig2))2 + 2e(Ig2⊗Ia)∆f, ahol az Ikz a katód zajáram. Behelyettesítve tehát; Iz2= 4k0,64Tk(S/σ)·(Ia/(Ia+Ig2))2∆f + 2e(Ig2⊗Ia)∆f. Ezek alapján az ekvivalens zajfeszültség Ugz= Iz/S = √(4kTRz∆f), amiből az ekvivalens zajellenállás Rz= Iz2/(S24kT∆f). Egyszerűsödik a képlet ha figyelembe vesszük, hogy Tk≈4T és Ia >> Ig2: Rz=(2,5/(S·σ))+20(Ig2/S2). A rácson elképzelt zajfeszültség Ugz= 1,13√(Rz∆f). Például az EF13 ekvivalens zajellenállása 2,5kΩ, az EF14-é 0,9kΩ. Az ekvivalens zaj ellenállást Req-nak is jelölik.
- A keverőcső zaja: A hexódák és októdák zajellenállása: Rz= 20((Iössz-Ia)/Iössz·(Ia/Sk2), ahol Sk a konverziós meredekség mA/V-ban; Ia az anódáram és Iössz az eredő elektronáram mA-ben. A legtöbb keverőcsőre Rz= 40 ... 80kΩ. Keverő triódára és keverődiódára: Rz= α/Sköz, ahol Sköz a közepes merekség, α =1...4 állandó; Rz többnyire 50 ... 100kΩ.
- Szekunderemissziós cső zaja: Az elektronsokszorozók éppen olyan zajt okoznak, mint a primer-rendszerűek. Az induló áramtartományban Rz=Rz1·α, ahol Rz1 a primer-rendszer ekvivalens zajellenállása és α≈1,25.
- Bemenőkör zaja: Az elektroncső bemenetén nem csak a bemenőkör Rz' ohmos, paralell kapcsolódó komponense miatt keletkezik zajfeszültség, hanem az elektron repülési ideje miatt létrejövő Rbe rep paralell-ellenállás is zajfeszültséget okoz, ami a katódhőmérséklet 1,4-szeresének felel meg: Tbe rep= 1,4·Tk≈1500K°. A rácson létrehozott zajfeszültség tehát Ugz= √(4k1,4Tk·Rbe rep∆f) = 0,29√(Rbe rep∆f).
- A csőzaj csökkentésének módjai: A fenti képletekből az szűrhető le, hogy az ekvivalens zajellenállás értéke akkor lehet kicsi, ha a cső meredeksége nagy, ugyanakkor az induló áram kicsi. Minél jobban vezérelhető az elektronáram, a vezérlőjel segítségével, annál kisebb az ekvivalens zajellenállás. A sörétzaj és a villódzás által okozott zaj ellencsatolással is csökkenthető. A katód hozzávezetésbe induktív ellenállást kapcsolunk. Az ellenállás az árameloszlászajt szinte teljesen megszünteti.
Falfeltöltődési effektus:
Amikor az elektronok az üvegbura belső falába ütköznek, a falfelületet feltöltik, ami jelentékeny hatást gyakorolhat a tértöltésre. Például vételkor lökésszerű hangerősség változások lépnek fel. A falfeltöltődési folyamat megakadályozható az üvegbura belső oldalának grafitozásával, vagy ha az elektróda rendszert zárttá képezzük ki.
Mikrofónia (csengés):
A mikrofónia az elektródarészek lengőmozgásának eredménye. Az elektródák könnyen rezgésbe jönnek, ha az elektroncsövet mechanikai behatás vagy rázkodás éri ( megkocogtatjuk az üveget). Különösen a katód és a rácsok érzékenyek ilyetén féle behatásra. A rezgés frekvenciája rendszerint a hangfekvenciás tartományba esik, vagyis hallható.
Az önrezgés ütemében változnak a cső jellemzői, így az anódáram is. A közvetett fűtésű csövek álltalában kevésbé érzékenyek. A nagyfrekvenciás erősítőkben a mikrofónia modulációs torzításokat is okoz. A csengés szilárd felépítéssel csökkenthető. Célszerű nagy átmérőjű fütőszálat és közvetett fűtést alkalmazni az elkerülésére. A készülék mechanikai szigetelése jelentősen csökkentheti a mikrofóniát - puha gumitalpak, fém tüskés lábak, illetve újabban légpárnás készülék láb kivitelek. Ugyanakkor a mikrofóniára való hajlam megnő az öreg elhasználódott elektroncsöveknél is, amin gyakorlatilag csak a csere javít.
Váltakozóáramú fűtésnél fellépő búgás:
A váltakozóáramú fűtésnél keletkező búgás jelenségeknek több oka is lehetséges, amelyek;
- A fűtőszál hőmérséklet ingadozás. A fűtőszál hőmérséklet ingadozásainak következtében az emisszió a fűtőáram kétszeres frekvenciájával modulált, vagyis változik. Mivel sin2ωt=½-½cos ωt; a keletkező búgás közvetett fűtésnél a katódrendszer nagy hőtehetetlensége miatt elhanyagolható.
- A fűtőszálon létrejövő váltakozófeszütség esés. A fűtőszálon létrejövő váltakozófeszültségesés a váltakozófeszültség frekvenciájával azonos frekvenciájú emisszióingadozást okoz de, mindazonáltal kétszeres frekvenciájú emisszióingadozások is keletkeznek. Ez a hatás azonban elhanyagolható, de kapacitív úton könnyen áttevődhet a rácsra, illetve az anódra (sztatikus anód- és rácsbúgás). Ezért írják elő, hogy a fűtőszál és a rács közötti kapacitás 0,015 pF-nál kisebb legyen.
- A fűtőszál és a katód közötti elégtelen szigetelés. A fűtőszál és a katód közötti rossz szigetelés következtében a fűtőáram ütemében változik a katód töltése.
- A fűtőszál és a hozzávezetéseinek mágneses tere. A mágneses tér indukált feszültséget hoz létre a hozzávezetésekben (indukált búgás), ugyan akkor az elektronok oldalírányú eltérítése által emisszió ingadozás lép fel, ami anódáram ingadozást von maga után. Az anódáram ingadozás a váltakozóáramú fűtés frekvenciájának kétszerese.
Közvetett fűtéssel és árnyékolással a búgásjelenségek nagy része csökkenthető. A jó minőségű előerősítő csövekben a búgási feszültség néhány µV. Az adócsöveknél azonban nehézségek vannak. Kétfázisú fűtés alkalmazásával a legtöbb búgászavar csökkenthető, mivel a fűtőáram 90°-os fázistolással a kétszeres frekvenicájú anódáramingadozásoknál 180°-os fázis eltolódást eredményez.
|
