Konzol Blog (Hifi és ilyesmi)

A szerző megjegyzése: Mielőtt elkezdeném, szeretném részletezni a cikkhez felhasznált forrásokat. A cikk forrásai között szerepel Noël van Moselvelde, aki az Audio & Techniek [2] által szponzorált Audio Discussions #4 vendége volt. Van Mosselvelde a hollandiai Eindhovenben található Philips elektroncsőgyárában volt felelős a csövek megbízhatóságáért és minőség ellenőrzéséért, a csövek megbízhatóságát és élettartamát illető kérdésekben tekintélynek számított. Morgan Jonesnak, a Valve Amplifiers [3] és a Building Valve Amplifiers [4] szerzőjét nem szükséges bemutatni ezekben a körökben – ae elektroncsöves tervezésről és a csöves erősítőkről szóló könyvei minden érdeklődő számára elérhetőek. Információkat szereztem Robert B. Tomer Getting the Most Out of Vacuum Tubes című könyvéből is[5], egy 1960-as könyv, amelyet az audioXpress anyavállalata, a KCK Media nemrégiben újranyomtatott. A könyvről készült minikritika itt található .

Mindannyian tudjuk, hogy vannak közvetlenül fűtött katódú csövek, és vannak közvetetten fűtött katódok is. A közvetetten fűtött katódok külön fűtő egységgel rendelkeznek a katód fűtésére, gyakran a hengeres katódon belül. A katódot, ami általában egy nikkel cső, számos vegyi anyag, például bárium és stroncium-karbonát borítja. Ezeket a vegyi anyagokat azért választották, mert képesek viszonylag alacsony hőmérsékleten szabad elektronokat kibocsátani, ezzel korlátozva a fűtés teljesítményt (a veszteségeket). A fűtőelem és a katód az összes különféle vegyülettel egy közvetlenül fűtött katód szerkezetben kombinálva végül kevésbé hatékonyan bocsát ki szabad elektronokat, mint egy közvetetten fűtött szerkezet, és nagyobb fűtőteljesítményt igényel. A közvetett fűtés összetett folyamat, kémiai reakciókkal, és a szabad elektronok „számát” a reakciók végtermékei korlátozzák, és ha a reakció "kimerül", a cső élettartama végére ér. A másik mechanizmus itt a katód emissziós felülete és a nikkelszerkezete közötti átmeneti ellenállás növekedése, ami károsítja a csövet.

Fűtőfeszültségek

A fűtőszálaknak megadják a névleges feszültségét, például 6,3V (vagy a 12,6V-os sorozat) sok kettős triódához. Mennyire kritikus ez a feszültség? Mi történik, ha 6 V-ra kapcsoljuk, vagy 6,5 V-ra? A túl magas fűtőfeszültség első nyilvánvaló hatása az, hogy a katód felforrósodik, és az emissziós anyag gyorsabban reagál és gyorsabban párolog el, ami csökkenti a cső effektív élettartamát. A fűtőfeszültség csökkentése, és így a katód hőmérséklete elmozdítja a cső karakterisztikáját egy alacsonyabb telítési áramú görbe felé, és növeli a torzítást. Lehet, hogy ez nem probléma az alacsony teljesítményű (elő)erősítő csöveknél, de a teljesítménycsövekkel lehet gond. Mindezeken túl az alacsonyabb hőmérsékletű katódok érzékenyebbek a csőben jelenlévő gázionok által okozott és általában „katód mérgezésnek” nevezett jelenségre. A magasabb (névleges) hőmérséklet némi védelmet nyújt a mérgezés ellen, bár növeli a zajt is. Ennek eredménye az, hogy nem tanácsos túlságosan csökkenteni a fűtőfeszültséget, azért hogy meghosszabbítani a csövek élettartamát még alacsony anódáram mellett is. Mindazonáltal a 6.3V névleges fűtőfeszültségég 6,1 V-ra csökkentése állítólag 50%-kal növeli a cső élettartamát (lásd az 1. ábrát). [3,5] Az egyenáramú fűtés könnyen létrehozható modern egyenirányítókkal és integrált feszültségszabályozókkal. Ezt általában azért alkalmaznak, hogy elkerüljék a hálózati búgást és a zajt az erősítőben. Sajnos az egyenáramú fűtés önmagában is káros befolyásolja a cső élettartamára. Bekapcsoláskor a nagy bekapcsolási áramok és a fűtőelem mechanikus spirális felépítése mindig nagyon kis mechanikai mozgást okoz a fűtőszerkezetben a katódon belül. Egyenáramú fűtésnél ezek a mozgások mindig azonos irányúak és hasonló nagyságrendűek, ami egyfajta kopást okoz. Sok bekapcsolási ciklus során ez a kopás a fűtőelem és a katód közötti szigetelés gyengüléséhez vezethet, ami recsegő hangokat és végül meghibásodást okozhat. Ha nincs problémája a búgással, az AC fűtés jobb a cső élettartama szempontjából. Manapság a legtöbb fűtőszál feszültségforrásról működik (6,3 V vagy 12,6 V a legelterjedtebb), de néha soros fűtéssel is lehet találkozni, áramgenerátor szerű táplálálssal. A régebbi Plxx/PCLxx TV-csövek például sorba kapcsolva közvetlenül a hálózatról fűthetők, megspórolva a fűtőtranszformátort. De legyen óvatos: Nem minden fűtőszálnak azonos a hőtehetetlensége és/vagy az ellenállása, ezért különböző sebességgel melegszenek fel. Ha nincs gondosan kiegyensúlyozva a fűtőkör, előfordulhat, hogy az egyik fűtőszál lassabban melegszik fel, mint a másik, ami azt jelenti, hogy az ellenállása kisebb marad, és a gyorsabban felmelegedő feszültsége jelentősen meghaladhatja a tervezett értéket, csökkentve a cső élettartamát. . Végül figyelembe kell venni a hálózati feszültséget. Mind Európában, mind az Egyesült Államokban a hálózati feszültségek folyamatosan emelkedtek az elmúlt néhány évtizedben. Európában 220 V-ról 230 V-ra, sőt 240 V-ra, az USA-ban 110 V-ról 120 V-ra, vagy akár 125 V-ra emelkedtek. Ez azt jelenti, hogy a régi táp- vagy fűtőtranszformátorok használatakor a fűtőfeszültségek kb. rutin kérdése, 5-10%-kal a névérték felett. Mondanunk sem kell, hogy ez jelentősen csökkenti a cső várható élettartamát. Használjon a korszerű hálózati feszültségekhez tervezett transzformátorokat, vagy ha szükséges, tartsa kordában a fűtőfeszültséget kis soros ellenállásokkal. Bár a fűtés meghibásodása messze nem a csőhibák leggyakoribb oka, ez továbbra is lehetséges probléma, és figyelembe kell venni a csöves erősítő tervezésénél.

Disszipáció és hűtés

Azt hihetnénk, hogy ha egy csőnek jelentős az anód disszipációja, például egy A osztályú teljesítménycsőnél, az a katód felmelegedését is elősegíti, így annak kevesebb fűtőteljesítményre van szüksége. Elvileg ez igaz, de az anód hőmérsékletének emelkedése hatása a katód hőmérsékletét alig befolyásolja ( 1/4 hatvány szerinti az összefüggés ). Tehát a 100C°-os anódhőmérséklet-növekedés csak valamivel több, mint 3C°-os emelkedést okoz a katódon. Másrészt a cső hűtése, vagy nem túl magas környezeti hőmérséklet, pozitív hatással van a cső élettartamára. Itt két tényezőt kell figyelembe venni. Az egyik az üvegburkolat hőmérséklete: az üveg mindig gázmolekulákat bocsát ki, amelyek csökkentik a cső belső vákuumát, és növelhetik a katódmérgezést is. Az üveg kigázosodása exponenciálisan nő a hőmérséklettel, így az üvegbura hőmérsékletének korlátozása nagyon pozitív hatással lesz a cső élettartamára. A magasabb üveghőmérséklet magasabb hőmérsékleti gradienst is eredményez a kivezetéseknél illetve a felső anód sapkánál, ami növeli a mikro repedések és a szivárgás kockázatát (lásd 2. ábra). A másik az anód hőmérséklete. A nagyon forró anód a cső szerkezetének csillám alkatrészeiből vízgőz szabadulhat fel, ami a katódot is megmérgezi. Ha gondoskodik arról, hogy a cső körül megfelelően keringjen a levegő, jelentősen megnő a cső élettartama.

Fűtse föl, majd használja!

Továbbra is vita tárgya az, hogy jó-e késleltetni az anódfeszültség bekapcsolását addig, amíg a fűtőszál föl nem melegíti a katódot. Itt számos mechanizmus működik. Normál működés közben a fűtött katód elektronfelhőt bocsát ki, amelyek a katód környezetében összegyűlve elektron felhőt alkotnak. Ezt a felhőt tértöltésnek nevezik. Az anódfeszültség jelenlétekor az elektronok az anódhoz vándorolnak, elhagyva a tértöltést, amelyet a katód új elektronokkal lát el. Hideg katód mellett, a tértöltés minimális, és gyorsan eltűnik, ha van anódfeszültség. Normális esetben egyes elektronok ütköznek kóbor gázmolekulákkal, és ionokat termelnek, amelyeket a katód vonz. Az ionok sokkal nagyobb tömegűek, mint az elektronok. A katódnak ütközve, károsíthatják az emissziós szerkezetet, kis krátereket hozva létra, ami tovább csökkenti az emissziós kapacitást. Normál üzemben a tértöltés taszítja ezeket az ionokat, de mint említettük, hideg katód esetén a tértöltés minimális, és sokkal kevésbé képes korlátozni a katódot érő ionbombázást. Egy másik jelenség, amikor a katód még nem üzemi hőmérsékleten van, az egyenlőtlen katód hőmérséklet. Ahogy a katód felmelegszik, a hőmérséklete nem lesz egyenletes, és a melegebb területek több áramot szolgáltatnak, mint a hidegebbek. Az áramló áram kis meleg területeken koncentrálódik, és ez az áramsűrűséget magasabb értékekre növeli, mint a normál működésnél. Ez a nagyobb áramsűrűség lokálisan károsíthatja a katódot, miniatűr krátereket hozva létre a szerkezetben, ami összességében negatív hatással lesz a várható élettartamra. Mindezek a tényezők arra utalnak, hogy a katódnak az anódfeszültség alkalmazása előtt az üzemi hőmérsékleten kell lennie. [1] Ez különösen fontos, ha a berendezés félvezetős egyenirányítót használ, amikor az anódfeszültség szinte azonnal megjelenik bekapcsoláskor. Bár sok félvezetős egyenirányítóval készült erősítő létezik, amelyek évekig megbízhatóan működnek, használatuk végső soron a csövek megbízhatóságát rontó egyik tényező. A késleltetett nagyfeszültség használata fontos tulajdonság, különösen drágább csöveknél! Néha olvasunk olyan tanácsokat, amelyek azt mondják, hogy a fűtést tartsuk bekapcsolva mondjuk fél teljesítményen, kerüljük a hidegindítást, és kerüljük a hidegindításkor a magas fűtőáramot. Tomer a csövek élettartamának jelentős meghosszabbodását jósolja, bár természetesen felmerül a magasabb készenléti energiafogyasztás kérdése, különösen nagy eszközöknél. [5] Különösen ügyelni kell arra, hogy a cső soha ne működjön anódfeszültséggel és fél fűtőteljesítménnyel – ez biztosan csökkenti a cső élettartamát! A fordított helyzet – fűtött katód, de nincs anódfeszültség – szintén nem tanácsos. Ilyen helyzetben oxid képződik a nikkel katód és az emissziós réteg között (általában bárium- és/vagy stroncium-oxid). Ez az oxid végül nagy ellenállásúvá válik, csökkentve a a katód emisszióját. Ugyanakkor növeli a cső sörét zaját is, ami a bemeneti jellel sorba kapcsolódónak tekinthető. A folyamatot katódmérgezésnek nevezik. A képcsövek korában az ilyen mérgezéseket gyakran úgy távolították el (vagy legalábbis megpróbálták eltávolítani), hogy a csövet a szokásosnál nagyobb fűtőfeszültséggel és a normálnál nagyobb anódárammal működtették egy rövid ideig a fiatalításnak nevezett folyamat során. Az ilyen fiatalítás hatása általában rövid életű. Felületesen azt gondolhatnánk, hogy a közvetlenül fűtött katód lenne a legjobb megoldás, mivel nincs szükség fűtőszálak bonyolult felépítésére, amelyeket egy nikkelcsőbe tekercselnek. Figyelembe kell venni az alábbiakat: A szükségszerűen finom fűtőszálak hőtehetetlensége viszonylag kicsi, és ha váltakozó árammal fűtjük őket, akkor a hőmérsékletüket a fűtés a frekvencia függvényében kis mértékben módosítja. Ez magában hordozza a dupla frekvenciájú búgás kockázatát, mivel a fűtési és hűtési ciklusok a frekvencia duplájával követik egymást . A fűtőszálak a konstrukció részleteitől függően elektromágneses és elektrosztatikus mezőket is létrehozhatnak, amelyek az anód elektronáramát modulálhatják, ami ismét a búgás kockázatát hordozza. A megoldás ezekre a problémákra az, hogy a fűtőszálat egy csőszerű katódszerkezetbe helyezzük, növelve a szerelvény hőtehetetlenségét, csökkentve a hőmérséklet okozta modulációt, egyúttal bizonyos fokú elektrosztatikus és elektromágneses árnyékolást biztosítva. Így megszületik a közvetetten fűtött katód.

Fűtés-katód feszültségkülönbség

Egyes áramkörökben, mint például az SRPP vagy kaszkód kapcsolásúakban, nagy potenciálkülönbség lehet a katódok és a fűtés elemei között. Ez mindig negatív tényező, még akkor is, ha nincs felvillanó zárlat. A fűtőszál és a katód közötti szigetelés ellenállása normál működés magas hőmérséklete mellett a legalacsonyabb, és a kettő között mindig lesz bizonyos mértékű szivárgás. A maximális katód-fűtés feszültség specifikációja a megengedett szivárgás mértékéhez kapcsolódik, így ez kissé önkényes. Mindenesetre a magasabb katód-fűtés feszültség és a megnövekvő szivárgás miatt magasabb zajszinthez vezet. Ha DC-vel fűt, fontos a fűtőszál és a katód közötti feszültségkülönbség polaritása. Két (ellentmondó) követelmény létezik. Ha az egyenáramú fűtőszál negatív a katódhoz képest, a fűtés által kibocsátott elektronok (és mindig sok van) a katódra áramlanak, felborítva az anód-katód áram egyensúlyát. Ha a fűtés pozitív a katódhoz képest, a katód által kibocsátott elektronok a katódcső belsejében áramlanak a fűtőszálhoz. Ez egyúttal anyagot szállít katódról a fűtőszálra ami fémes „hídat” hozhat létre a kettő között, és bizonyos esetekben zárlatot is okoz. E hatás nélkül is elmondható, hogy általánosságban növeli a katód-fűtés szivárgst és a cső zaját. Az egyenáramú fűtés lehető legnagyobb megbízhatósága érdekében az általános tanács az, hogy a fűtőszál ne legyen pozitívabb a katódnál; Mindemellett, néhány RCA adatlap azt javasolja, hogy a katódhoz képest pozitív potenciálon legyen a fűtőszál, ideális esetben 40V-tal legyen pozitívabb feszültségen, feltehetően a zaj minimalizálása érdekében. Azaz, mint mindenben az életben, itt is vannak kompromisszumok. Váltóáramú fűtés esetén a fűtőszál és a katód közötti polaritás megfordul a hálózati frekvenciával gyakoriságával, és úgy tűnik, hogy ez csökkenti a korábban említett hatások egy részét. Mindenesetre, hacsak nincsenek megoldhatatlan búgási problémái, a legjobb, ha a fűtést váltakozó áramról üzemelteti. Az említett parazitaáramok elkerülésének vagy korlátozásának egyik módja az, hogy a fűtőszálat egy ellenálláson keresztül a földre, vagy bármely olyan alkalmas pontra kötjük, hogy a kialakuló szivárgási ( esetleges zárlati ) áramhurok impedanciája magas legyen. A régi képcsövek adatlapjai gyakran javasolták a fűtés földelését (vagy előfeszítését) 1M ellenálláson keresztül, de hangfrekvenciás erősítőkben ez az ellenállás (sokkal) kisebb lehet (lásd 3. ábra). Visszatérve a katód és a fűtőelem közötti maximális megengedett feszültséghez. Nyilvánvalóan az adatlapon szereplő érték alatt kell(ene) tartani, hogy elkerülendő a szikrázást vagy rövidzárlatot. Sajnos még 30 V-os feszültségkülönbségek és váltóáramú fűtés esetén is előfordulhat, hogy a csőben megmaradt gázmolekulák ionizálódnak, ami rontja a katód és a fűtőelem közötti szigetelést és ami hosszú távon zárlathoz vezet. Ha az áramkörben elég nagy áram tud folyni, akkor kaphat egy fűtőszálat, amely „ráragadt” a katódra, ami pedig a cső tönkremenetelét eredményezi. Ahogy korábban említettük, a katód és a fűtőelem között megnövekszik a szivárgás, és megnövekszik a csőzaj jóval azelőtt, hogy tényleges rövidzárlat keletkezne. Ez azonban hosszú távú hatás, tehát csak akkor fontos, ha maximális élettartamot szeretne kihozni a csőből. Sok a történet kering arról, hogy egy ilyen cső enyhe mechanikai ütése elválaszthatja a fűtőtestet a katódtól, ezt nem sikerült megerősítenem.

Rács áram

A tápcsöveket gyakran pozitív V_gk-val üzemeltetik, ami rács áramot okoz. Amíg a csövet erre tervezték és a meghajtó áramkör alacsony impedanciájú, addig ez rendben is van. (Ha a meghajtó áramkör nem alacsony impedanciájú, a rácsáram torzítja a meghajtó jelet). Néha érdemes lehet kis jelű csöveket (pl. a mindenütt jelenlévő kettős triódákat) használni, nagyon alacsony tápfeszültséggel- 50 V vagy kevesebb - és ennek következtében nagyon alacsony Vak. Ilyenkor a V_gk is nagyon lecsökken, és még akkor is, ha nem lesz pozitív, a rács áram V_gk-n -1 V-nál pozitívabban kezd el folyni. Ezt megteheti, ha alacsonyan tartja a rács áramát, de ehhez kondicionálni kell a csövet. A rács felületén mindenféle idegen anyag van, és amikor a rácsáram elkezd folyni, ez az anyag úgymond „leég”. Ez azt jelenti, hogy a jellemzők a rács áramos üzem kezdetének időszakában megváltoznak. Ez az egyik eset, amikor a beégetés hasznos!

Fix és Automatikus előfeszítés

Úgy tűnik, hogy önmagában nincs hatása a cső élettartamára, az előfeszítési módszernek ennek ellenére hatással van a cső meghibásodásának valószínűségére. Ha egy fix előfeszítésű áramkörben áramköri hiba lép fel, a cső árama ellenőrizetlenül elszaladhat, ami a cső tönkremeneteléhez vezethet. Az automatikus előfeszítésnél mindig ott van a katódellenállás, amely bizonyos mennyiségű negatív visszacsatolást biztosít a cső áramát korlátozása érdekében. Hasonló probléma merülhet fel rögzített segédrács feszültség esetén. Ha egy ilyen áramkörben az anódfeszültség valamilyen meghibásodás miatt megszűnik, akkor a segédrács valószínűleg vörösen izzani kezd, ami pusztító gázképződést, az elemek vetemedését, végül a cső meghibásodást okozza.

Összefoglalás

Szerző köszönetnyilvánítása: Szeretnék köszönetet mondani Stuart Yanigernek, aki cső rajongó és az audioXpress termékeny közreműködője és Morgan Jonesnak, minden a csövekről szóló remek könyv szállítójának, a tanácsaiért, és amiért egyenesen és vízszintesen tartottak. Értékes tippekkel és információkkal szolgált Menno Vanderveen is, az ír. Burea Vanderveen, valamint Guido Tent of Tentlabs and Grimm Audio . Köszönöm Guido Tentnek, hogy elérhetővé tette a 4. számú Audio Discussion (2. hivatkozás). A cikkben maradt hibák leginkább az én makacsságomnak tudhatók be. Ez a cikk eredetileg az audioXpressben jelent meg, 2020. augusztusában. A szerzőről Jan Didden az audioXpress számára írt Az 1970-es évek óta a magazin műszaki szerkesztője. Nyugdíjba vonult a holland légierőnél és a NATO-nál végzett karrierje után. Logisztikával, légvédelemmel és informatikával foglalkozott. A nyugdíjba vonulás időt biztosított számára, hogy befejezze az évtizedek óta felhalmozódott audioprojekteket. Néha ír róluk a lineaaudio.nl weboldalán . Didden az évente kétszer megjelenő Linear Audio könyvújság kiadójaként és vezető szerkesztőjeként is ismert . Ezt a cikket eredetileg az audioXpressben tették közzé, 2020. augusztusában. Hivatkozások [1] J. Didden, „Tube High-Voltage Delay”, audioXpress, 2019. október [2] „Audio Discussions #4, Audio & Techniek, Rotterdam, Hollandia, 1991 [Az Audio & Techniek folyóirat már nem létezik, de a beszélgetés néhány résztvevője még mindig aktív hangzásban: Guido Tent, of Tentlabs és Grimm Hang; Eelco Grimm (Grimm Audio); és Peter van Willenswaard az Audio Magic-től, hogy néhányat említsünk. Engedéllyel idézve. [3] M. Jones, Valve Amplifiers, 4. kiadás, Newnes 2012. [4] M. Jones, Building Valve Amplifiers, 2. kiadás, Newnes, 2014. [5] RB Tomer, A legtöbbet kihozni a vákuumcsövekből , Howard W. Sams & Co., 1960, újranyomtatta a KCK Media Corp., 2019, elérhető a www.cc-webshop.com webhelyen .