Buizen

In onderstaand artikel beschrijft Dimitri van Hoven als gastauteur, in algemene termen de soorten, werking en de techniek achter "buizen.

Buizen

Type buizen

Type buizen: di-, tri- en penthodes

Er bestaan zeer veel verschillende buizen voor even zovele toepassingen. Toepassingen als magnetrons, radar, radiozenders, medische apparatuur, oscilloscoop allemaal maken ze gebruik van buizen. In de audiowereld komen we voornamelijk drie type’s tegen: dubbeltriodes (voorversterkerbuizen), triodes en penthodes.

Iedere buis bestaat uit een glazen of metalen kolf die met een edelgas is gevuld of vacuüm is gezogen. Een buis heeft binnen deze kolf minimaal twee onderdelen. Een kathode (met gloeidraad) en een anode. Dit noemt men een diode (di staat voor twee, twee onderdelen).

Schematische weergave van een diode buis

Plaatsen we tussen de anode en de kathode een rooster (ook wel grid genoemd) dan hebben we een triode buis (tri van drie onderdelen).

Schematische weergave van een triode buis

Plaatsen we drie roosters dan hebben we een zogenaamde penthode buis met totaal vijf onderdelen

Schematische weergave van een penthode buis

Functie en onderdelen

Functie van een buis

Mooi, maar wat kan een buis dan. Versterken, dat weten we allemaal. Daarnaast kan een buis nog meer. Een buis kan ook spanning gelijkrichten, dat wil zeggen van wisselspanning gelijkspanning maken. Tot slot kan een buis ook nog moduleren. Magnetronbuizen en andere industriële buizen zullen mogelijk andere functie’s vervullen bijvoorbeeld het afgeven van straling.

Binnen in de buis

Elke vacuümbuis is opgebouwd rond een kathode die door verhitting van de gloeidraad elektronen afstaat. Deze elektronen verplaatsen zich door een of meerdere roosters en worden uiteindelijk gevangen door de anode. Ter vergelijking, een transistor maakt gebruik van spanningsvelden in een kristal.

Voor we verder gaan, benoemen we de onderdelen van een buis:

Kathode

De kathode is een holle buis met daarin een gloeidraad die de kathode moet verwarmen. Op de kathode is een oxide (vaak barium- of strontiumoxide) aangebracht. De gloeidraad verhit de kathode tot ongeveer 1000 graden Celsius. Door deze verhitting komen er elektronen vrij uit het oxide. Eindbuizen gebruiken vaak thorium als leverancier van de elektronen. Om thorium elektronen te laten afstaan moet de temperatuur veel hoger zijn. De temperatuur van de gloeidraad kan hier oplopen tot 2200 graden Celsius. De kathode is leverancier van de negatieve elektronen. Daarom ook bepalend voor de levensduur van de buis. Immers als de elektronen op zijn of als de oxide laag beschadigd is door onder meer een te hoge temperatuur, dan “overlijdt” de buis. De kathode kan geen elektronen meer afstaan.

Anode

De anode is het tweede belangrijke onderdeel in een buis en is een niets anders dan een elektrode die uiteindelijk de elektronenstroom opvangt. Omdat bij het opvangen van elektronen hitte vrijkomt, ziet men vaak bij eindbuizen een of meerdere koelribben op de anode zitten om hem af te koelen. Om de hitte te kunnen weerstaan is de anode vaak gevormd uit grafiet.

Koelribben op een EL34 eindbuis. Duidelijk zichtbaar zijn ook beide Getter ringen bovenin

Rooster

Een buis kan een of meerdere roosters bevatten. Door middel van deze roosters kan men de stroom die van de kathode naar de anode loopt beïnvloeden, groter en kleiner. Het materiaal van een rooster is vaak goud of molybdenum om te voorkomen dat het rooster zelf  elektronen gaat afgeven.

Getter

Binnen in een vacuümbuis heerst een vacuüm. De bedoeling is dat de buis ook na vele branduren nog vacuüm blijft. Af en toe ontstaan er, vaak bij de pinnen aan de onderkant, kleine lekkages Het kan ook zijn dat de buis is niet helemaal leeggezogen is in de fabriek, waardoor er nog wat lucht in de buis achter bleef. De getter heeft als doel deze restgassen te verwijderen. Vaak is de getter zichtbaar in een buis in de vorm van een cupje of een cirkel.

Getter ring in een 211 triode eindbuis. Op de achtergrond is de Getterflash duidelijk zichtbaar

Op dit cupje of cirkel zit een metaal dat gemakkelijk met lucht reageert en aan zich bindt. Meestal is dit zuiver barium dat tot bariumoxide vormt als het met lucht oxideert. Bij het vacuüm pompen van de buis in de fabriek moet de getter geactiveerd worden. Dat geschiedt door er kort een spanning op te zetten. Het gevolg is dat er in de omgeving van de getter een zilveren neerslag ontstaat (getterflash).

Getterflash op een 211 eindbuis ("zilveren wolk of neerslag")

Dat geeft aan dat het vacuüm in de buis goed is. Zou dat niet het geval zijn dan zal de neerslag wit worden (bariumoxide) en is de buis onbruikbaar. Soms heeft de getterflash een bruine kleur of is niet mooi egaal. Veel mensen denken dan dat de buis gebruikt is. Dit is niet waar. Optisch kun je de eigenschappen van een buis niet bepalen, de enige manier om een buis te testen is door deze elektrisch te testen met een buizentester.

Wat gebeurt in de buis?

Wat gebeurt er in een buis?

Binnen in de kathode bevindt zich dus een gloeidraad. Deze verhit de kathode waardoor die elektronen gaat afstaan en er een elektronenwolk ontstaat (het Edison effect).

Op de anode wordt een positieve spanning aangebracht welke de vrije elektronen van de kathode aantrekt. Er loopt dan een stroom van kathode naar anode. Plaatsen we in deze elektronenstroom een rooster en geven we dit rooster een negatieve spanning dan kunnen we elektronenstroom vergroten of verkleinen door deze negatieve spanningen te verhogen of te verlagen. Immers twee negatieve ladingen stoten elkaar af. Brengen we nu op het rooster i.p.v. een negatieve spanning een wisselspanning (het muzieksignaal) aan dan zal de elektronenstroom gaan variëren op het ritme van de wisselspanning. Hierdoor zal de positieve spanning op de anode toenemen of afnemen. Positief en negatief trekt elkaar aan. Doordat de stroom elektronen, afkomstig van de kathode, die door het scherm is doorgelaten veel groter kan zijn dan de wisselspanning toegevoerd aan het rooster kunnen we een verhoogde spanning meten aan de anode. Dat is de versterking die optreedt.

Plussen en minnen

Voor en nadelen van een buis in een versterker

Net als ieder elektronisch component heeft een buis zowel voor als nadelen. Binnen de audiowereld zijn er fervente voor en tegenstanders van buizen in versterkers ten opzichte van transistoren. Daarom een aantal voor- en nadelen op een rijtje gezet.

De voordelen van buizenversterkers:
- Eenvoudige configuratie (schema)
- Minder componenten
- Eenvoudige gelijkrichter (fasedraaier)
- Rendement is beter (tot 50%)
- Overbelasting van eindbuizen beschadigt de buis niet
- Kan werken zonder tegenkoppeling
- Aanpassing aan luidsprekers met een trafo

De nadelen van een buizenversterker:
- Grote afmetingen
- Warmteontwikkeling
- Koppelcondensatoren noodzakelijk
- Werkt met hoge spanningen (300 volt)
- Slijtage gevoelig (gloeidraad)
- Uitgangstransformatoren vrijwel altijd noodzakelijk
- Microfonie

De voordelen van transistorversterkers:
- Compacte bouw, kleine afmetingen
- Zeer korte stijgtijden
- Minder warmteontwikkeling (geen gloeidraden)
- Werkt met lage spanningen (60 volt)
- Veroudert nauwelijks (geen slijtage)
- Makkelijke montage

De nadelen van een transistorversterker:
- Eindtransistoren die veel vermogen moeten leveren, worden heet en hebben grote
   koelvlakken nodig.
- Zal vaak thermisch beveiligd zijn
- Meestal niet kortsluitvast

Bij storingen gaan vaak meerdere transistoren tegelijk kapot
- Afahankelijk va de schakeling vaak een laag rendement (ca 25%)
- Heeft in 99% van de versterkers tegenkoppeling nodig
- Zeer gevoelig voor misaanpassing

Pathos buizenversterker

Binnenkant van een buizenversterker

Betrouwbaarhoud en levensduur van buizen

Elektronenbuizen hebben de naam onbetrouwbaar te zijn. Buizen zijn mechanisch inderdaad kwetsbaar. Dat geldt niet alleen voor het glas maar nog meer voor de interne verbindingen, zeker als deze nog warm zijn. Laat daarom een buizenversterker altijd geheel afkoelen alvorens hem te verplaatsen.

Elektrisch zijn buizen zeer sterk en kunnen hogere stromen of spanningen veel gemakkelijker aan dan transistoren die in foutsituaties binnen enkele milliseconden sneuvelen. Buizen zijn vaak tientallen minuten en niet zelden uren bestand tegen overbelasting. Hierbij waarschuwen ze middels een brom of duidelijk hoorbare vervorming. Transistoren waarschuwen niet als er iets fout gaat, ze overlijden.

Buizenversterker van Consonance

Slijtage

Het mag bekend zijn dat buizen slijten. Overigens doen transistoren dat ook maar in veel mindere mate.

Het is heel moeilijk aan te geven hoe lang een buis meegaat of wanneer hij vervangen moet worden. Het ene type buis of merk slijt harder dan het andere omdat er verschillende materialen toegepast zijn voor bijvoorbeeld de gloeidraad.
Daarnaast is de slijtage sterk afhankelijk van het ontwerp van de versterker en de daarbij behorende instelling van de buis. Werkt de buis op 40% van zijn specificatie’s dan zal deze veel minder hard slijten dan dat hij op 85% staat ingesteld.
Ook het aantal power-up cycles is van belang omdat een buis het meeste slijt door uitzetting en krimpen van de interne verbindingen, veroorzaakt door de warmte. Een buisschakeling vaak aan- en uitzetten is schadelijk.

De mate van slijtage aan een buis is slecht hoorbaar omdat het slijten zeer geleidelijk gaat. De degradatie van de klank valt niet direct op. Het beste kunt u een ongebruikt reserve paar aanschaffen en die één of twee keer per jaar vergelijken met uw huidige buizen. Het is dan aan u of het klankverschil, als dat er al is, nog acceptabel is of niet.

Het echte feitelijke doorbranden van de gloeidraad gebeurt zelden, omdat de versterker dan allang zijn dynamiek verloren heeft (eindbuizen) en mat gaat klinken (voorversterkerbuizen). Eindbuizen gaan over het algemeen minder lang mee dan voorversterkerbuisjes.

Er bestaan een hoop fabeltjes over hoe je aan je buis kan zien of die versleten is. De enige manier om te controleren of buizen versleten zijn is METEN!

N.O.S.

N.O.S. buizen

Wellicht bent u deze term wel eens tegen gekomen. N.O.S. is in buizenland de afkorting voor New Old Stock. Dat betekent dat het buizen zijn van voor de tachtiger jaren maar nooit gebruikt. Over het algemeen zijn het buizen die tussen de jaren 30 & 60 gemaakt werden. Veel buizen waren bestemd voor militaire doeleinden en zijn daarom door o.a. de US Navy & US Army in groten getale opgeslagen als voorraad. Langzaamaan is deze voorraad niet meer nodig en komen de buizen op de markt, ongebruikt en dus als nieuw.

U zult denken waarom oude buizen gebruiken terwijl men nieuwe productie van Sovtek, Svetlana of anderen gewoon in de winkel kan kopen? Klankmatig zijn deze N.O.S. buizen vaak superieur aan de buizen die men tegenwoordig maakt. Merken die bekend staan om hun goede klank zijn o.a: Tung Sol, Telefunken, RCA, Mullard, Amperex, Brimar en General Electric.

Het klankverschil tussen een N.O.S. Telefunken ECC-83 en een huidige productie van Sovtek is ongelofelijk groot, vaak zelfs groter dan bijvoorbeeld het verwisselen van een interlink. Omdat deze buizen niet meer gemaakt worden en dus schaars raken moet er flink voor betaald worden. Het klankverschil is dat extra geld vaak wel waard.