Inleiding in de elektronica

Inleiding in de elektronica

Citation for published version (APA):

Steffelaar, M. (1965). Inleiding in de elektronica.

Document status and date: Gepubliceerd: 01/01/1965

Document Version:

Uitgevers PDF, ook bekend als Version of Record

Please check the document version of this publication:

• A submitted manuscript is the version of the article upon submission and before peer-review. There can be important differences between the submitted version and the official published version of record. People interested in the research are advised to contact the author for the final version of the publication, or visit the DOI to the publisher's website.

• The final author version and the galley proof are versions of the publication after peer review.

• The final published version features the final layout of the paper including the volume, issue and page numbers.

Link to publication

General rights

Copyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authors and/or other copyright owners and it is a condition of accessing publications that users recognise and abide by the legal requirements associated with these rights. • Users may download and print one copy of any publication from the public portal for the purpose of private study or research. • You may not further distribute the material or use it for any profit-making activity or commercial gain

• You may freely distribute the URL identifying the publication in the public portal.

If the publication is distributed under the terms of Article 25fa of the Dutch Copyright Act, indicated by the “Taverne” license above, please follow below link for the End User Agreement:

www.tue.nl/taverne Take down policy

If you believe that this document breaches copyright please contact us at: openaccess@tue.nl

providing details and we will investigate your claim.

i

•

..

!

•

I

.

,.

w

•

I \

'

INLEIDING IN DE ELEKTRONICA

'

.

..

_.

• I

•

e '

'

•

.

'

..

·

..

,

• f

.

,

.

'

door

door

Ir.

M. Stettelaa.r

neel I

•

Originele triode ( ,,audion") van Lee de Fore st. 1.1

.;

Alle grafieken van buizen zijn overgenomen uit: Philips Electron Tube Manual

De f i guren ; • 1 , 1 • 2 , 1 •

3 ,

1 •

4 ,

1 •

9 ,

1 • 1 1 , 1 • 1 2 , 1 • 1

3 ,

1 • 1

4 ,

1 • 1

5

en

4 •

20 zijn overgenomen uit he,t

Philips Technisch Tijdschrif~.

Figuur 1.10 is overgenomenuit, het

'

Electronic Application Bulletin.

De figuren 1.

5,

1. 6, 1.1, 1. 8, 1 .16 zijn, overgenomen uit

Grondslagen van de radiobuizentechniek door Ir.

J.

Deketh. Uitgave N.V. Centrex

.l)e schrijver dankt hierbij de N~ V. Centrex voor de toestelllllling om boven!"'

•

vermelde~· figuren op te nemen,. en voor het beschikbaar stellen van de· originele

.foto's. '

Niets uit deze uitgave mag.worden vermenigvuldigd. en/of ope'nbur gemaakt door middel van druk, fotocopie, microfilm.of opwelke andere 'tlijze ook, zon-der vooraf gaande schriftelijke toestemming van de sehri'jver.

0 - 3 Inhoud van. deel I.

§ 1. Constructie van. elektronenbuizen. Histrorie. Vorm en bouw. Dissipatie. Repeti tievragen~ Opgaven.

§ 2. Elektronen emissie. Inleiding. Koude, emissie. Foto emissie~ Secundaire emissie. Thennische emissie. Kathode constructies voor thermische emissie. Repetitievragen. Opgaven.

§ 4.

De diode. Meting der I - U kromme. Het aanloop,-stroomgebied. Het

ruimte-a a

ladingsgebied. Het verzadigingsgebied. De differentiaalweerstand. De maximaal toelaatbare sperspanning. Afkappers. Repetitievragen. Opgaven. Gelijkrichters. Het doel van de gelijkrichting. Enkelfasige. gelijkriah-ting. Dubbelfasige. gelijkrichting. Graetz schakeling. Driefase

gelijk-"

richting. Zesfase. gelijkrichting. Gelijkrichters met smoorspoeluitgang. Greinackerschakeling. Cascade generator. Benodigde sperspanning. Repeti-tievragen.. Opgaven.

§

5

.

Modulatie. Het begrip signaaL Het begrip modulatie. Modulatie systemen. AmpJ_itudo. modulatie. Reptitievragen. Opgaven.

§

6.

Diode detectie. Inleiding. Diode schakelingen •. Het product R

1

c

1• Bron-belasting. R _g - R distorsie. Repetitievragen. Opgaven.

w Appendix •..

A. Selectieve schakelingen •. Inleiding .•. De LCR seriekring. De LCR parallel-kring •. De. LCR. aerie,... parallelkring. Omrekening.van een parallelkring in een serie-parallelkring. Universele resonantie kromme. Meervoudige kringen. Repetitievragen. Opgaven. Herhalingsopgaven.

B. Filters. LC afvlakfilters •. RC afvlakfilters. Ontkoppelfilters. Koppel-filters. Repetitievragen. Opgaven.

9

-1. Construct.Le van eleki;ronent>uizen. Historie.

In 1883 ontdekte Edison dat een metalen p1aatje, dat hij in een kooldraad-lamp had geplaatst, elektrisch werd opgeladen. In die tijd kende men het begrip elektron nag niet, en men kon dit "Edison effect" daardoor niet verklaren. Pas in 1897 toonde J .J. Thoms.on aan dat "elektronen" zich in vacuum kunnen

voortbe-wegen. In 1904 construeerde J. A. Fleming de eerste diode. Deze diode bestond ui t

een gloeidraad;en een geisoleerd opgestelde metalen plaat in een geevacueerde

glazen ballon. In 1907 construeerde Lee de Forest de eerste triode, zie 1.1 op

het titelblad. Eert triode is een diode, waartussen de gloeidraad. en de plaa.t

een rooster is aangebracht. De naam diode betekent twee-elektrodenbuis; de

naam triode betekent drie-elektrodenbuis. Goede triodes konden pas na

1915

gemaakt warden toen men de ballons goed hoogvacuum had leren pompen. In

1916

plaatste Shottky een tweede rooster in de buis. Deze werd nu tetrode genoemd,

hetgeen. vier-elektroden ... buis betekent. In 1929 tonstrueerde Tellegen de eerste

penthode (vijf-elektroden-buis) door nogmaals. een rooster toe. te, voegen. Na

1930 werden allengs. meer roosters toegevoegd en ging men ook ·meerdere buizen

in een ball on onderbrengen. ( Opgave 1~1 )

Vorm en bouw.

Elektronenbuizen bestaan uit. een geevacueerde ballon waarin zicll

geiso-leerd opgestelde elektroden bevinden. De ballon is meestal .van glas,. doch ook

stalen ballons zijn in gebruik. De zeer.moderne miniatuurbuizen "nuvistors" genaamd, hebben een keramische ballon.

De grootte der buizen· hangt samen met de hoeveelheid warmte welke in de buis per tijdseenheid wordt geproduceerd, en welke dus ook moet worden

afge-voerd. Dat men door het idezen van geschikte materialen. en. construe.ties de

afmetingen in de loop der jaren heeft weten te beperken ziet men. uit 1.2, 1.3

en 1.4.

Debuis 1.5 en 1.6 is het type·uit· 1935, de buis 1.7 en 1.8 is uit 1940

en 1.9 - 1.10 uit 1950. Dit laatste type, is nu in 1964 nog in. gebruik. Een

bijzondere buisvorm. tonen: 1.13 en 1.14, de ·schijftriode welke voor zeer hoge

frequenties is geconstrueerd. (4000 MHz).

De constructies blijken zeer voldoendeuit de· tekeningen,. doch. enkele.

toelichtingen dienen te· warden· gegeven •. De, materialen welke. gebruikt worden

in de buizen, staan. ·bijvoorbeeld. niet. vermeld·. Een paar der belangrijkste zijni

Nikkel, voor. kathode, anode en, a.fschermplaatjes

Molybdeen.voor roosters en steunstaven Fernichroom voor de doorvoerpennen

In de loop der jaren werden de afmetingen der radio-ontvangbuizen steeds mcrr gereduceerd. Alie afgebeelde buizen zijn penthodes.

De zendbuis in de loop der jaren. Alie drie afgebeelde typc8 geven een vermogen van ca. 1000 W af. Het jongste type is 14,5 cm hoog.

1·2.

Met water gekoelde zendbuizen. Links voor 42 kW, rechts voor 100 kW afgegeven vermogen.

(type AK 2). 1 = Aansluitdop v. h. vierde roos-ter. 2=Wand v. d. ballon. 3 = Huls van de buis. 4 = Kneep. 5 = Bevestigings-plaatje voor den gasbinder. 6 = Onderste en 7 = bovenste steunplaatje. Tusschen deze beide plaatjes of bordjes is het electroden -systeem opge-steld. 8 = Micaplaatje

voor het cen-treeren van het systeem in den koepelvonnigen

ball on. 9 =

Roostertoe-voerdraad naar den top van

den ballon. 10 = Draagsteun v. h. electroden-systeem. 11 = Doorvoerdraad doordenkneep. 12 = Doorgeknipte anodeplaat. 13 = Kathode. 14 = Draagsteun v. h. zesde roos-ter. 15 = Draagsteun v. h. vljfde roos-ter. 16 = Spiraal v. h. zesde rooster. 1-

5

Overzicht van de verschillende onderdeelen van het clectrodensysteem van de ,,Miniwatt" octode CK 1.

1 = Kneep met pompstengel en ingesmolten door'> rdraden. 2 = Houder voor den gasbinder (getter).

3 = Vangrooster (rooster 6).

4 = Stuurroosterdoorvoerdraad met dwarssteun en glazen kraal voor het aan-smelten op den ballon.

5 = Buitenste schermrooster (rooster 5).

6 = Stuurrooster (rooster 4).

7 = Met isoleerend materiaal bedekte bifilaire gloeidraad.

8 = Bovenste plaatje voorzien van mica.

9 = Kathodebuisje en onderste plaatje voorzien van mica.

10 = Mica plaatje voor het vastzetten van het systeem in den koepelvormlgen ballon.

11 =Anode van het oscillatorgedeelte. Deze bestaat slechts uit twee staafjes.

12 = Binnenste schermrooster (rooster 3) .

13 = Stuurrooster van het oscillatorgedeelte (rooster 1 ).

3 = Verbindingen tusschen de electroden

en de doorvoerpennen (schermrooster

-verbinding in dit geval).

·l = U-vormige steunen van het electrode

n-systeem.

5 = Bodem van de buis van geperst glas.

6 = Gefelsde metaalrand.

7 = Afschermplaat van den glazen bodem. 8 = Doorvoerpennen van 1.1 of 1.27 nm

diameter.

9 = Ronde verhoogingen van den bodem

van geperst glas, voor het vergrooten van den kruipweg tusschen doorvoer-pennen en afschermplaat.

0 = Zoekpen met nokje.

I

=

Dichtgesmolten pompstengel.

2 = Lasch tusschen ballon en bodem van geperst glas.

13

=

Roostertoevoerdraad.

14 = Afschermplaatjc tusschen den rooster-toevoerdraad en de overige draden.

15 = Verlenging van het afschermplaatje 14 voor afscherming van de anode tegen den toevoerdraad van het rooster.

16 = Geperforeerd blik voor de

afscher-ming ( afschcrmkooi) .

i-7

Overzicht vc;n de onderdeelen, waa:·uit de H.F. penthode EF 22 bestaat.

I = Bodem van geperst glas met dcorvoerpennen en pt~mpstengel.

2 =Ballon. 3 = Bifilaire gloeidraad. 4 = Kathode. 5 = Stuurrooster. 6 = Schermrooster. 7 = Vangrooster. 8 =Anode.

9 = Metalen stripjes voor verbinding van de electroden met de pennen van den bodem. 10 = De drie U-vormige steunen van het electrodensysteem.

11 = Metalen plaatje, waarop het materiaal van den gasbinder wordt bevestigd. Dit metalen plaatje voorkomt het neerslaan van het materiaal van den gasbinder op het electrodensysteem.

12 = Gaas voor het bevestigen van het materiaal van den gasbinder op het bovenste metalen plaatje.

13 = Onderste plaatje van isoleerend materiaal.

14 = Bovenste plaatje van isoleerend materiaal. .

15 = Afschermplaatje in het onderste dee! van de buis, voor het verminderen van de anode-roostercapaciteit en de bromspanningen aan het rooster.

16 = Afscherming van het buisvoetje met zoekpen en ronde uitsparingen voor het doorvoeren van de pennen.

17 = Gefelsde rand voor het bevestigen van de afscherming van het buisvoetje. 18 = Afschermkooi.

. Pentode E 80 F, met rnicaplaatjes volgens fig. 6b. Het bovenste rnicaplaatje past klernrnend in een vernauwing van de ballon. 1-9

=

0 0 DO 8

=

0 0 0 0 = 0 DO 8 = 88653

"Oude vorrn (a) en nieuwe vorm (b) van de rnicaplaatjes. Bi} de nieuwe vorrn kornt minder afbladdering voor.

1-11

Radiograph of the EL 84 powc>r pentode, twice full size. The heavy supports of the control grid can be clearly seen. The radiograph also shows the varying pitch of the suppressor grid.

i-10

g

• Een rooster van normale constructic (11) en ee. •1der11 ,,raamrooster" (b ).

Schijftriode, type EC 56. Rooster en anode worden h~ gedragen door metalen schijven, die dwars door de glaz• huiswand been zijn gesmolten en die huiten de huis d1 uitmaken van een afstemkring.

. Indirect verhitte oxydekatode. K nikkelen katode-hni~j~. F wolfraamgloeidraad, omgeven door een isolerende

( " ' : 1

•"':!rti11n1.o'Xvrle 1.

1.15

Microfoto van het rooster van de in fig. 9 afgeheelde schijftriode. De roosterdraden zijn ca. 10 µ dik, dwars over de draden is ter vergelijking een mensenhaar gelegd. V ergroting I 0 X •

JJ4

Doorsncde van een oude uitvoering van de indirect ver-hitte kathode voor hooge gloeispanningen.

a= Dubbele spiraal van den gloeidraad.

b = Buisje van lsoleerend materlaal, dat tegen hitte be-stand is.

c = Kathodebuisje.

d = Doom van tegen hitte bestand materiaal.

e = Centreerstuk met naaldpunt ter bevestiging van de kathode.

f = Metalen strip voor de bevestiging en electrlsche aan-sluitlng van de kathode.

Mica, glas en keramiek als isolatoren.

Koolstof voor het zwarten der anode. Voor zendbuizen: geheel koolstof-anode's.

Speciale aandacht moet men besteden aan de doorvoerpennen .• De glas-metaal-verbinding welke hier wordt toegepast moet luchtdicht zijn. De gekozen mate-rialen mogen daarom niet een te groot verschil in uitzettingscoefficient hebben, daar anders bij temperatuursverandering breuk zou optreden.

Daar elektronenbuizen een levensduur van, slechts .1000 uur hebben, wor-den ze steeds gemakkelijk verwisselbaar. gemonteerd, in buisvoet~:m.

Na montage der elektroden in de ballon wordt deze hoogvacuum gepompt. De. restgassen in de ontvangbuis hebben ongeweer een druk van 10-

5

mm kwik. In zendbuizen, waarin spanningen tot 25 kV voorkomen is de restdruk ongeveer 10-

7

mm kwik. Voor een druk van 10-5mm kwik is de vrije weglengte tussen twee ioniserende botsingen 104cm. Dus wanneer. 10.000 elektronen. 1 cm weglengte

af-.,.,

leggen van kathode naar anode treedt slech'ts een. ionisatie op.

Om het vacuum zo goed te houden, tijdens het bedrijf van de buis, worden de elektroden tijdens het pompen gegloeid, op een temperatuur welke hoger is dan de hoogste bedrijfstemperatuuT van de buis. Alle gassen welke. in. de di-verse onderdelen zijn opgesloten komen· nu vrij en worden· weggepompt. Na het gloeien wordt de gloeidraad op spanning gezet, waardoor bij oxyde kathoden de kathode wordt "geformeerd". Hierna wordt de buis dichtgesmolten.

Nog een extra maatregel om het vacuum tijdens de 1000 bedrijfsuren goed te houden is noodzakelijk gebleken. Ergens wordt in de buis een "getter" aan-gebracht •. Dit getter is een kleine hoeveelheid. magnesium, barium of zirko-nium. Dit metaal wordt nu door hoogfrequent verhitting tot verdampen ge-bracht. Het vormt een :ruw metalen opp~rvlak tegen de ballonwand. Deze me-taalspiegel blijkt gasresten te kunnen binden, zodat het vacuum goed blijft, ook als er later ui t de elektroden nog gasresten vrijkomen. Het getter moet zo zijn geplaatst dat geen metaalspiegel op de mica's terechtkomt. Dan zou kortsluiting tussen de diverse elektroden ontstaan.

Wanneer het vacuum van een elektronenbuis slecht is, kan men dit zien aan het blauw oplichten van het restgas. Dit behoeft echter nog niet te be~

tekenen dat de buis onbruikbaar is. Wanneer men echter ziet dat de metaal-spiegel van het getter wit is, betekent dit dat de buis zoveel lucht bevat dat het getter is geoxydeerd. Dan is de buis onbruikbaar. (Opgave 1₁2).

Dissipatie.

'.i£-rekt::rohen: worden· in

de

elektronenbuizen versneld., en bereiken de anode met• aanzienlijke snelheid. De kinetische• energie we·lke de elektronen dan

be-zitten''

wordt

aan de anode· omgez.et in ·:wa-rmte. De anode· moet deze. warmte weer

kw;rft'~keh~; ·be< -energievwelke;

de

Sn:otle· in· warmte. GmZei;-noem•t men. de

anode-dis-sipatie'. ·Daze Hf ·gelijk aan

~

mv2• N' als N he't aan:tal el:ektronen is, met massa

men· snelhei'd

v;

·

dat per· secoride,de anode· 'beTei'kt~ We kunnen·hiervoor echter ook nog eeh• andere :formule·: gevem Deze elektronen hebben immers een potentiaal-veld van kathod~e naar anode doorlopen .. Al•s' U de· potentiaal van de anode is,

a

tew opzibhte va:n de ka:thode ert 'T. is de anode .. stroom, dan is de anocle-dissi-a

patie tr: ~I ·~· wanneef 'de elektrorteti t"enminste. de· kathode met een s~el.heid· nul a a

hehben·'verlat'en. Dit laatsteis niet· geheeli juist doch de fout die gemaakt wordt 'door

de

beginsnelheid nul · te stellen, is meests.l gering.

we.jfieb'beri'.·d.us'! ··

W a

=

N.

~ mv~

=

U a• I a: .. 1 /

..!

:i; ·' 'DEtai' ·net warmte afvoerende; vermogen van de' anode beperkt is, zal elke elektrbnsnbuis; een1 Ilia:x:imaa.l toel'aatbare,mio<h~-diseipatie W bezi tten. Deze

· am ax

wordt;·dlis· bepaald dotir'de hoeveelheid wal:"mte· welke de: a.node per tijdseenheid kan:: ~fvoereri!. 'Deze' hbeveelhei d-ken men: vot>1" elkedmd.s· '.be-pal.en;, en· ,due is

W .' · ::::~~ii·'buiagri>otheid.;' die· niet van. de :aan~iegde~ spanningen en, stromen

af-amax

hankE'lijk is·. De' fabrikanten geven W da:arom ook b i j

de·

ovei"ige' -buisgegevens am ax

op~:"'DezePW~~ax <bangt af van:· de• :t-oeh.atbare" anode-temperatuur;,de grootte van del'Mode:,;: de>wartnteafvoer1 door•' ge'J.eiding van: de aansluitp-en1.wi de· kleur •. Daar

de: z'liarte· kleut de!-gro~o'tste\ stTalingswarmteaf'voer.;geeft:. Zijn· alle1.anode·' s

do!-'

zwart gema8.k:t ·met koolstof~ ·Soma-wordt geforcee:t'de' ilucht• of ·v&terkoeling gebruikt oin: 'W ·: · no'g \rerd'er op 'te voeren, : dan met· bovenst·aande midd.elen moge ...

am ax

lijk:

i

s

k

·'

(

Op'gaveri' 1, 3

t/m

1 , 1) ·• ·' c R·epetitievragen. '··

1, 1 ·'N(:)em'd.e· namen~ Vail''Vier oil'derzoekeiC"S'. die· aan. de; ud.ted.ndeil.ijke, constructie ..

van elektronenibuizen, een• belangri jk1 aandeeil. · hehben· gebad., Noem bovendien.

'1_{'d.~;:'uitvinneri:ffva.n; de· tetrod'e: en·'pen:thode'• Ge~f· aan hoe de. naamgeving der}

1, 2 ··j1

6eih

'

0'tir-ie ina.itei'd.a1en;:;tr.,6o:r _de' bi'l.H~;va.nc _eem.: bui.s,. Noem dt:iie< metaleni ·weJ.ke

:Lih'hie,; 'bi:iizeili.?wbrlier\/i't'oegepa/s-t, ~:Al geef;ia.~n:waarvoor ze'wordeni gebruik;t;~ . '

Noe*1;.a_;b~<1:aaia.t0retF: enf"g~e:f aail \ri~oor ze' woiidenr gebnikt .. Waarvoo:u ge.

-bruikt men kooil.stof? Wat is belangrijk bij doorvoerpennen? Welke. drie maatregelen,worden genomen· om de· buizenvacuum· te· maken en te houden? Wat is formeren? Welke twee verschijnselen treden op bij sleclit en bij zeer slecht vacuum?

1,3 Welke twee formules zijn er voor de anode-dissipatie? Wat is het verschil tussen anode-dissipatie en toelaatbare anode-dissipatie? Waardoor wordt de eerste, waardoor de laatste bepaald? Welke vier grootheden bepalen deze toelaatbare dissipatie? Hoe kan men de toelaatbare dissipatie nog extra opvoeren. (Twee mogelijkheden).

1'4

1

'5

1 '6

1 '7

Opgaven.

Bereken de snelheid van een electron dat een potentiaalveld van 300 Volt heeft doorlopen, en met een beginsnelheid nul begint.

6 -18

e = 0,1 .10 Coulomb

-30 m = 0,9.10 kg.

0

15

Wanneer er 1,8.10 elektronen per seconde op de anode vallen en de

anode-spanning is 80 volt hoe groot is dan W ? a

Wanneer W = 9 Watt, U

am ax ao 250 volt hoeveel elektronen mogen er d.an per

sec. hoogstens op de anode terechtkomen?

Hoe groot is de toelaatbare anodespanning als W

am ax

6.10+1

7

elektronen per seconde?

§ 2. Elektronen emissie.

Inleiding.

Er zijn vier soorten elektronen emissie:

Koude emissie. Photo em is sie. Secundaire emissie. Tbermische emissie. (Opgave 2,1). Koude emissie.

Wanneer aan een metaaloppervla.k een sterke elektrische veldsterkte beerst

(bv.

109

v/m) treden er elektronen uit bet metaal. Metalen zijn geleiders. In

het metaal kan een deel der valentie elektronen vrij rond bewegen ("vrije

elektronen"). Wanneer deze elektronen zicb ecbter uit het metaal naar buiten

willen bewegen, treden bij bet oppervlak sterke tegenwerkende krachten op.

Alleen elektronen welke een grote snelbeid bezitten zullen voldoende energie

bezitten om het metaal te verlaten. De energie welke de elektronen bij 20°c

bezitten is niet voldoende om elektronen buiten het metaal te brengen. Ook

grote veldsterkten kunnen dan geen elektronen uit het metaal trekken, want

deze veldsterkten zijn pas buiten het metaal werkzaam •

. Tocb treedt koude emissie op. Deze emissie kan worden verklaard door bet

"tunneleffect".

Om de naam "tunneleffect" te kunnen begrijpen bezien we 2.1. Vertikaal staa1;

uit de potentiele energie van een elektron. Deze potentiele energie wordt nul

gedacht op oneindig. Om een elektron uit een metaal te halen is energie We

nodig. Men pleegt deze nergie uit te drukken in elektronvolt. Wanneer een

elektron dat zicb aanvankelijk in rust bevindt, zich in een electrisch veld

versnelt, zal bet arbeidsvermogen van beweging krijgen gelijk

1

mv2• Dit

arbeidsvermogen wordt geleverd door het electrische veld. Wanneer een poten-tiaal verschil van U volt wordt doorlopen zal de geleverde energie aan. het

elektron. e.U Joule zijn. Men spreekt dan van een elektron met een energie van

U "elektronvolt". De uittredende arbeid W wordt nu, q> elektronvolt genoemd.

e

Als het elektron dus uittreedt wordt de potentiele energie ecp Joule groter.

Wanneer.het zich daarna. in het veld F dat direct buiten he.t metaal aanwezig

is, versnel t, zal de potentiele energie weer afnemen. Wanneer het veld. klein

is. zal de potentiele energie in A weer dezelfde zijn als in het metaal het

geval was. Om van C naar B te gaan moet het elektron over de "potentiaalberg."

de-zeJ.fde: zijn als binnen het metaal. We zien dat de punten B en C dichter bij elkaar liggen naarmate de veldterkte grater is. Een electron in rust binnen he;t. metaal bij C, en een elektron in rust bij B hebben dezelfde. energie. Men kan het elektron· dus van C naar B overbrengen zonder dat dit energie kost. Wanneer er· elektronen bij C verdwijnen. en bij B tevoorschd.jnkomen, alsof er door de 11_{poten tiaalberg een tunnel was,} 11 _{doen de wet van energie-behoud geen}

geweld aan.

Het blijkt nu dat er inderdaad een aantal elektronen "tunnelen11

, en wel

des te meer. naarmate, de, afstand' CB" ko~ter is, dus naarmate. F groter is. Grote veldsterkten treden op aan geleiders op punten met s.terke krom-ming. Scherpe punten moeten daarom aan elektroden word.en vermeden. Speciaal kromming in :t;wee richtingen levert grote veldsterkten. Dus niet draden, maar naaldpunten "sproeien" elektronen. Koude emissie wordt in elektronen-buizen niet toegepast. Wel moet men zorgdragen dat het niet als ongewenst neveneff'ect optreedt.

Installaties voor zeer hoge spanningen word.en steeds zo gemaakt dat scherpe1 randen1 worden vermeden. (Zie

4.20)

(Opgave

2,2).

Foto emd.ssie. ,

Wanneer, op de oppervlakte van·. een vaate, stof licht valt kunnen door,

dit licht, uit. die stof. elektronen worden vrijgemaakt. Deze foto.-emissie.

blijkt ui tslui tend op te treden, indien de frequentie van het licht. hoger is dan een zekere "grensfrequentief' f • Men heeft nu. kunnen, meten. dat er

gr

tussen deze, grensf-requentie en de uittredepotentiaal der elektronen een vast verband bestaat:

f gr=

r

211

De evenredigheidsconstante h heet de constante van. Planck. h ...

0,6625.10-33

licht, .een natuurconstante.

· Foto-emissie kan. in elektronenbuizen als storend neveneffect optreden. Sommige buizen moeten daarom in het doriker worden geplaatst (elektrometer-buizen). In opneembuizen voor televisie-kamera's wordt er een nuttig ge-bruik van gemaakt. (Opgave 2,) en 2,7).

Secundaire emissie.

V/anneer op het oppervlak vari een stof elektronen vallen, kunnen ui t di t oppervlak elektronen worden vrijgemaakt •. Natimrlijk moet de khletische ener-gie van·het invallende .elektrondaartoe grater, en liefst veel grater zijn dan de uittrede-arbeid voor elektronen uit die stof. Het blijkt dat door elektronen

,, .

,,

welke voldoende snel zijn sorns meer dan een elektron kan warden vrijgemaakt. (Zie 2,2 en

2,3

)

.

Deze vrijkomende elektronen hebben meestal maar weinig energie, bijv. 1 elektronvolt. Het aantal elektro:rien dat per invallend dek-tron wordt vrijgeinaakt noemt men de secundaire emissie coefficient

~

.•

I sec I pr - ~..--.--._,..-.-r~-.--.-.--,-r-,

oa~J~·~~~

_{.,,, , M"' .. _ ....}

·

~~~~

_{_~ - ~} .. ,~_,·~· ·r'

0

I\

0

''

.

"

' .

'

11

DO

Up

2/£

-~

~

-+

-

r

. , .. ~

0

,

5 0

1000

·

1500Up

In 2 ,2 en 2, 3 is 6·ge:r'E>Y'efr.a1s funct .e van de energie der invallende elektronen iri elektronyolt. In tabef

·

2.4

is voor een aantal materialen de maxi male waarde opgegeven <"!elke

o

ooit bereikt, alsme:ie de grootte der spanning Upmax waarbij deze ~ opt~;e·edt. '.1e spanningen upl en up

2 zijn de laagste en hoogste spanningen

w

~$.

~y

oor

b

·

""

·

1 is.

In 2. 5 is te zien. dat een1 ruw oppervlak een

klein~re ~

.

zal hebben dan een: glad oppervlak. Vele reeds ontstane secundaire elektronen botsen tegen·

uitstekende delen van he:t oppervlak en gaan. zo. verloren.

Om

.

~

klein te maken karnmen de oppervlakken beroeten. Berdette oppervlakken zijn zeer ruw. Dan wordt

b

rvO

~

5.

Secundaire emissie treedt in elektronenbuizen onder andere als storend neveneffect op.· In e1ektronenstraa1buizen, kamerabuizen en andere bijzondere buizen wordt er een nuttig gebruik van gemaakt. (Opgave 2,4).

~ up1

u

I up2 max pmax Au 1,46 150 800 Be 0,53 200 Ni _{1 '3} 150 550

w

1 '4 1200 700 Bao 4,0 20 400 Cs 20 op Ag 2,3-11 10 800 Glas _{1' 9-3' 1 60} 350 900-5000 Mica 2,4 30 380 3300 BaO-SrO 8 60 1500 3500 Willemiet 3000-20000 L_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ ._J Thermische emissie.

Bij 20°c zal praktisch geen vrij elektron in, staat zijn een metaal te verlaten., omdat daartoe een veel grotere uittrede~arbeid nodig is., dan. het arbeidsvermogen van beweging dat de elektronem bezi:tten. Wanneer echter. de temperatuur wordt opgevoerd·, zal een deel der vrije elektronen" grotere energieen gaan bezitten dan bij 20°c het geval is. Wanneer de kinetische energie van een elektron· grater is dan de uittree-arbeid za.l. het, bij het metaaloppervlak gekomen, kunnen• ui ttreden:, mi ts. de richting, der. snelheid loodrecht op het. metaaloppervlak gericht· is •. Het aantal. der elektronen dat voldoende, snelheid bezit om uit te kunnen treden neemt zeer snel met de temp.eratuur toe.

Wanneer alle. elektronen.welke uittreden, door een, elektrisch, veld van.

de emitter worden weggetrokken,, zal de stroom. die dan, vloeit. alleen, afhangen. van. de aard. van. de. emitter. en, de. temperatuur .• Richardson en. Dushman bereken-de dat bereken-deze "verzadigingsstrpom~clichtheid.11 I gelijk is aan:

2 e 2 s

waarin:

I

A een materiaalconstante is zie tabel 2.6 -18

e lading van het elektron 0,16.10 Coulomb k = Bolzman-constante 1,38.10-23 Joule/°Kelvin

~ uittrede potentiaal T absolute temperatuur

In tabel 2.6 zijn voor de vier gebruikelijke typen kathode enkele gege-vens verzameld. De werktemperatuur der kathoden wordt bepaald door de verdam-pingssnelheid der emitter~stoffen. De verdamping mag niet zo snel plaatsvinden dat de kathode. binnen 1000 uur defect is. Bij die maximaal toe1aatbarewerk-temperatuur is de verzadigingsemissie opgegeven in A/cm2 en de geleverde stroom per Watt verbruikt gloeistroomvermogen. In rij

4

is de uittrede-potentiaal genoteerd, en in rij

5

de waarde van de constante A in de formule van Dushman. De theoretische waarde voor A is 120; de gemeten waarden uit tabel 2.4 wijken hiervan dus duidelijk af.

Wolfram W-Thoriurn BaO-SrO L kathode 1 werktemperatuur Kelvin 2500 1900 1000-1200 1200-1600 2 emissie A/cm 2 max 2 2 ( 50) 10 (100) 3 rendement mA/W max. 6 70 10-200 10-100 4 uittrede-potentiaal volt 4,5 2,7 1 '2 2 5 A (Dushman) A/cm2 °K2 20-200 3-15 0,01-5 1-100

2.6

De; tussen haakjes. geplaatste getallen gelden voor pulsbedrijf. Voor kleine buizen is de oxyde-kathode het meest geschikt. De spanningen. in deze buizen mogen niet hoger. dan dan 550 Volt zijn, bij stroomdoorgang. Voor zendbuizen welke anodespanningen. van vele kV hebben, gebruikt men wolfram en wolfram-thorium. kathode' s. De L kathode is alleen voor speciale buizen in gebruik; zie 1.13. De hoge prijs van de L kathode maakt meer algemene toepassing

on-mogelijk.

De figuren 2.7 en 2.8 tonen. I _s als funktie van de. temperatuur. Deze gra-fieken volgen dus. uit de formule 2/3 en de gegevens der diverse emitter-materialen. uit tabel 2.6. (Opgave, 2,5 en 2,8).

Kathode constructies voor thermische emissie.

In alle. elektronenbuizen. komen1 thermische kathoden voor. Men. kan hierbij twee functies onderscheiden: verwarming. en. emissie. Als verwarmingselement wordt steeds een elektrische spiraal (Wolfram) of band (nikkel) gebruikt. De eerste kathoden waren W gloeidraden. zoals uit een verlichtingslamp. Voor emissie diende het wolfram zelf. Later is. men. thorium gaan. toevoegen. Ook heeft men de gloeidr.aden met oxyden ( BaO-SrO) be sp oten waardoor de be nodi gde

""

_WOLFRAAM

rf.

t -;:-,::.r··~. { f~ ~-·

10

~Js

m

·

rrf

I i

10x1

5x1

rt-7

10

"'

I ~ .... f I'< N

~

...

-,.€

N

'

~

_$

i-~~

-

_E

.

oq I 6 • r1 I I I

r

I

10

'

,__ j . t ' ·' ~·

..

' . ~ .. Olli

"''

10

,

,

~ 1 .... '

,r-

c... ._

"

2000

_BODO

_T°K

1000

1500

2000

z: 0

2.8

temperatuur lager en dus de stook-energie kleiner kon warden. Deze vorm is nog voor batterijbuizen in gebruik. Voor gelijkrichtbuizen gebruikt men in plaats van wolfram, een nikkelband met oxyde bespoten. Deze drie typen gloeidraden dienen alle tevens als kathode. Men noemt dit "direct verhitte kathoden".

Sr bestaan oak indirect verhitte kathoden. De figuren 1.15 en 1.16

tonen de constructie. Het stookelement is een wolfram spiraal, welke met aluminium-oxyde is geisoleerd van het nikl{elen kathodebuisje. Dit kathode-buisje is bespoten met oxyde ~mitter materialen.

De dispenser of L kathode, zie 2.9 bestaat uit een verwarmingslichaa.rn met een kamertje b, waarin zich een weinig BaSrco

5 c bevindt. Het kamertje is met een poreus wolfram plaatje afgedekt. Wanneer de gloeidraad d wordt aangesloten op een geschikte spanning zal het BaSrco

3 door de hoge tempe-ratuur ontleden. Sr ontstaat dan bovenop het poreuse wolfram een dun bariu~ laagje dat de uittrede-potentiaal verlaagt.

·-··

w

w

- Th· Oxyde L

direct verhit grate zendb. kleine zendb. batterij en niet

&eli.ikrichtb.

'

indirect verhit niet fabriceer- niet fabriceer- 'o;.1tvangb. speciale

baar baar

-- -·

-2.1Q

In 2.10 is aangegeven wanneer directe, en wanneer indirecte verhitting wordt toegepast. De direct verhitte kathode is goedkoop in gebruik en fabri-cage. De indirecte verhitte kathode heeft elektrisch gezien echter een aantal voordelen:

a. De kathode is een equipotentiaalvlak.

b. Voor het verhi tten kan wisselstroom worden gebruikt.

c. Tussen kathode en gloeidraad mag een groot potentiaalverschil bestaan. a. De kathode is een equipotentiaalvlak. Daardoor is de spanning van elk van de punten der kathode en diverse roosters en anode gelijk. Steeds doet de gehele kathode dus gelijkelijk aan de emissie mee.

b. Voor het verhitten van een indirect verhitte kathode kan men

50

Hz wisselstroom toepassen. De warmte-capaciteit der kathode-constructie is zo groot dat de fluctuaties der toegevoerde warmte niet meer teruggevonden worden in de elektronen-emissie. Wisselstroomvoeding uit het lichtnet via een trans-formator is veel gemakkelijker dan het toepassen van batterijen of accu's zo-als men in de begintijd der radiotechniek deed.

c .. Tussen de kathode en de gloeidraad mag een groot, eventueel sterk wisselend, potentiaalverschil aanzwezig zijn. Door de goede isolatie van

gloeidraad en kathode is het mogelijk de gloeidraden der buizen allen in serie te plaatsen en op het 220 V net aan te sluiten, terwijl de kathoden allen op omstreeks aardpotentiaal staan. Bij diverse schakelingen is op de kathode een signaalspanning aanwezig. Dergelijke schakelingen. kan men alleen goed en goed-koop uitvoeren met indirect verhitte kathoden. (Opgave 2,6).

Repetitievragen.

2, 1 Noem vier soorten emissie mogelijkheden.

2,2 Wat zijn valentie-elektronen, wat zijn vrije elektronen? Hoeveel Joule is de energie van een 180 Volts elektron? Wat is uittrede-potentiaal? Wat is uittrede-arbeid? Teken het W-x diagram van een metaal-vacuum overgang. Wat is 11_tunnelen11

, waardoor kan het, en wanneer treedt het op? Welke maatregelen neemt men tegen sproeien?

2,3 Wat is foto-emissie? Welk licht kan foto-emissie leveren? Welke formule.

bestaat hiervoor? Wat betekenen al de symbolen in. deze formule? Stoort foto-emissie wel eens de goede werking van elektronenbuizen? Waar wordt er een nuttig gebruik van gemaakt?

2,4 Wanneer treedt secundaire emissie op? Waarvan hangt de secundaire emissie af, en hoe kan men dit in grafiek brengen? Geef aan. welke grootheden

langs de assen zijn uitgezet. Wat weet U omtrent de secundaire elektronen, als deze uit het oppervlak zijn geemiteerd? Wat is de invloed van

ruw-maken van het oppervlak? Hoe kan men secundaire emissie tegengaan? Waar wordt het nuttig gebruikt?

2,5 Wanneer treedt. thermische emissie op? Waardoor treedt dit op? Hoe is de formula van Richardson en Dushman, waarvoor geld t deze, en wat stellen al de symbolen voor? Noem vier soorten kathoden? Noem van ieder iets speci-fieks op. Waardoor wordt de werktemperatuur beperkt? Wanneer gebruikt men de genoemde vier kathoden typen?

2, 6 Van welke twee material en' wordt het verwarmingslichaanr gemaakt? Geef in een tab el aan voor welke toepassingen de vier kai;hoden direct. of indirect verhit warden toegepast? Noem drie voordelen van indirecte verhitting, en licht deze toe.

2,7

2,8

Opgaven.

Bereken f voor W (<p

=

4,5),

voor W-Th (<p = 2, 7) -en Bao (cp = 1,2).

gr

Bereken de verzadigin~stroomdichtheid I voor

s

W bij 2800°K (A= 50), W-Th bij 2000°K

Ck

= 8)' Bao bij 1000°c (A= 1). Gebruik hiertoe formula 2/3.

§

3.

De diode.

Meting der I -U kromme. _a

De diode heeft twee elektroden: de kathode en de anode. De naam diode ontstond toen de kathoden steeds direct verhit waren. Er waren toen dus slechts twee elektroden. Bij indirect verhitte buizen is men van dioden blijven spre-ken. De gloeidraadspiraal wordt dus niet als elektrode gerekend. Schema.tisch wordt de diode aangegeven zoals 3.1 toont voor een indirect verhitte buis.

a k

3.1

a a k,f f

3

.

2

Vaak wordt de gloeidraad uit dit figuur weggelaten zie 3.2. Direct

ver-hitte buizen tekent men zoals in

3.3

is getekend.

+

u

_a

3·A

+

Om de eigenschappen. der diode te bestuderen wordt deze opgenomen in de

schakeling

3.4

en hiermede wordt het verband tussen anodestroom en spanning

bepaald.

In

3

.5

is de aard der grafieken we~ke worden gevonden grafisch uitgezet.

Het eerste gebied 1 heet het aanloopstroomgebied. De stroom is hier in

dezelf-de richting als in dezelf-de gebiedezelf-den 2 en

3,

de spanning op de anode is echter

nega-tief. Dit betekent dat. de buis vermogen levert. Dit vermogen is afkomstig. uit

ox I W-Tb a

_w

1

o:x: ) W-Th

w

1 2 3 3.2_

van de· anodespanning. Dit gebied woTdt het ruimteladingsgebied genoemd. Elek-tronenbuizen in versterkers werken• bijna s.teed•s in di t gebied; dus de strome:n welke triode's, tetrode's en. penthodes in versterkers voe:ren liggen steeds in· het ruimteladingsgebied .• Het gebied 3 beet het verzadigingsgeb;ied. Voor wolfram kathodes is de stroom hier constant, voor de· andere, kathod~'s neemt de stroom nog wel iets met de spanning toe, echter veel minder dan in het ruimte-ladingsgebied het geval is. Alleen de wolfram kathode mag in di t gebied' worden.

gebruikt. De W-Th en Oxyde kathodes raken spoedig defect als de verzadigings-stroom langer dan enkele. millisec·onden· wordt gevoerd.

Wa.nneer: de. kathod~;..temperatuur wordt opgevoerd van T

1 tot T2 graden.Kelvin

neem·t de stroom. in het a.8.nloopstroomgebied toe, in het ruimteladingsgebie.d ver-andert de stroom niet, echter de verzadiging wordt eerst bij hogere stromen bereikt.

Voor de drie gebieden gelden de formules: ( eU ')

<

I I exp ~ voor Ua o a o kT Ia I a B

u3/

2 voor U '\. U ) , o a av./ a 2 I F = A.T • exp

s

~

kT • F voor Ua../ Uav

"

3

/

1

De formule 3/3 is weer de formule 2/3 van Dushman. De, be.tekenis. der diverse ..

symbolen is. bij 2/ 3 aangegeven. 1

0, B en F zij,i buisconstanten, •. F is. de

opper-vlakte van de kathode. We zullen deze drie formules nader beschouwen. (Opgave 3' 1 ) •

Het aanloopstroomgebied.

In het aanloopstroomgebied neemt de stroom exponentieel met de ai:wu.e~,,'1ll11inr;­

toe. De elektronen welke uit de kathode komen hebben niet alle dezelfde snel-heid. Voor een gegeven, negatieve waarde van Ua kinnen alleen die elektronen de anode bereiken waarvoor de beginsnelheid tenminste een waarde heeft gelijk aan

v1 '

als

1 2

2

_{mv 1}

=

-e U a U a ( o

3/4

waarin m de massa van een elektron is.

-30 -18

m 0,9,10 kg. e + 0,16.10 Coulomb

Nu is het aantal elektronen dat grate snelheid beeft veel geringer dan bet

aantal elektronen met kleinere snelheden. Daardoor zal bet aantal elektronen dat

per seconde de anode kan bereiken snel afnemen, naarmate de anode negatiever

wordt. I a

u

1

r

R _D

3.1

In de scbakeling

3.6

stellen de spanning U en de stroom

a

in een punt P van

3,7,p

is bet snijpunt van de lijn OD met de

I a

1

0 ~u a I zich in, a I -U grafiek a a van de diode. De ljjn cotga

=

R

OD is een lijn door de oorsprong zodanig dat

3/5

Men ziet deze regel gemakkelijk in. Immers P is een punt der I ~U kromme,

a a

dus bij de daar afgelezen spanning

u

1 over de diode loopt een stroom

r

1• Bij

deze stroom 1₁ door ~e weerstand onts~aat over de weerstand een spflning 1₁.R

=

r,

cotgo: =

u,

zodat inderdaa.d de stroom

r,

door de diode stand houdt.

Hieruit zien we dat de anode-spanning afbankelijk is van de grootte van de weerstand naar de katbode. Wanneer deze weerstand zeer groat wordt gaan een aantal neveneffecten een rol spelen, waardoor de spanning der anode minder

goed bepaald is. Speciaal in bui~en met ~~n of meerdere roosters treden storende

effecten op, wanneer bet eerste rooster met een te grate weerstand met de kathode is verbonden, Hierbij spelen de restgassen, isolatie-lek en

rooster-emissie een rol. Daarom is voor alle buizen steeds een maximaal toelaa.tbare roosterweerstand opgegeven. ·

Bij batterij-buizen wordt wel een nuttig gebruik gemaakt van dit aanloop-stroomeffect. Men verbindt dan het rooster via een grote weerstand met de nega-tteve pool der direct verhitte kathode. De spanningsval welke nu over de weer-stand ontstaat is door· de. juiste keuze deir:roosterweerstand op de gewenste waarde in te, stellen1_• (Opgave· 3,2 en 3,8) •.

u

I

Het ruimteladingsgebied. _ _ __ ..,x d

u

_a 0 a ~-·-;,.. F

'.,.•J----"-1 ' --~-- x a 0 k 3 • .1.Q

u

_a 0

We beschouwen· een vlakke· ka:thod"e· k tegenover een.vlakke anode A'" (zie 3.a).

Wanneer de afstand d klein is ten opzichte van· de afmetingen· van de anode· en,

kathode zal het potentiaalverloop tussen deze twee elektroden, lineair met x

toenemen, mits tussen kathode. en anode geen ruimtelading aanwezig is. Deze toe .. stand is in 3.a geschetst. Om na te gaan welk gevolg een negatieve ruimtelading heeft beschouwen we 3. 9. Hier is een negatieve lading getekend., met het. veld.

dait deze lading om zich. heeft. Wanneer we nu de veldsterkte F nagaan gaande. van k naar a zien· we dat F

1 en he·t veld der lading elkaar tegenwerken van k tot e.

F is daar dus kleiner, omdat F de som is van twee elkaar. tegengestelde veld-sterkten. Tussen e en a werken· de veldsterkten echter in dezelfde richting. F

is. daar dus groter dan in

3.e

het geval was; Nu is F gelijk aan de spannings-daling per centimeter:.

-L\U

F =

-L\x 3/6

zodat we uit deze regel U kunnen bepalen £ls functie van x. In 3.10 zien we dat

I -

~Uk

₀

I

voor e kleiner, enna e grater. is. dan· in

3.s

.

Hieruit blijkt dat een negatieve ruimtelading deU•x grafiek doet "doorhangen".

We tonen, nm allereerst aan. dat de. totale. ruimtelading. evenredig. zal zijn met de anodespanning

Ua"

als deze. ruimtelading ~o groo.t g!!!dach,t mag, wo;rden· dat.

alle. krachtlijnen1 welke van de anode· uii.tgaan, op de ruimtelading, terecht komen .•.

Bij de kathode is dus

L:iU _{nul: de U-x grafiek loopt daar evenwijdig met de x as. We maken deze}

ver-L:ix

onderstelling omdat alleen deze toestand, of de aanwezigheid van een remmende veldsterkte, een stroom kleiner dan de verzadigingsstroom mogelijk maakt. Voor

een condensator geldt q. = CU dus de lading en potentiaal zijn evenredig. Dit is

voor de elektronenwolk in de diode ook het geval. We mogen ook schrijven dat de

ladingsdichtheid

r

evenredig is met

u

a.

We tonen nu aan. dat de snelheid v, met welke de elektronen de anode treffen

evenredig is met VU • Daartoe bezien we een vlak even voor de anode. Daar is

a

voor de elektronen het doorlopen potentiaalverschil U • Dus geldt:

1 2 a

e.Ua

-2

rn\.-

,

als we de beginsnelheid bij de kathode nul veronderstellen, zodat

dus inderdaad v evenredig is met VU • _a

dukt

Tenslotte moeten we aantonen dat de anodestroom evenredig is met het

pro-_,

v I I

J--

---,, v.6 F 0

u

t

/ "' / / / / / / min / / / / / / / / / 0

Daartoe beschouwen we 3.11. Het oppervlak der linker- en rechter zijvlakken

zij F, de afstand tussen deze: vlakken is v.L:it. In dit lichaam bevinden zich

elektronen welke met een. snelheid v van links naar rechts ga.an. De ruimtelading

is

~

Coulomb per m3• In de tijd lit is de gehele

~ading,

welke zich binnen de

figuur. bevindt het rechter: zijvlak gepf:!.SSeerd. Deze lading is

f .

F. v. L:i t. De

stroom welke. er dan. dus. loopt. is I

=

r

.F.v. Hiermede, is het gestelde bewezen.

. Daar Ia " \ ,v. en \ " Ua e: v :: V'Ua is du.s Ia ::

U~

2

•

(Formule van Child) •.

Wordt aan deze fonnule, en aan bet. gestelde in de bewijsvoering. voldaan?

Zonder hier verder op in, te gaan. zij. vermeldJ dat. de. formule redelijk goed

op-gaa t, dat echter het mechl:U'lisme der. aanwezige ruimtelading. anders. is •.

Een. aspect hiervan is de eindige snelheid waarmede elektronen de kathode.

verlaten •. Daardoor wordt de ruimtelading\ groter dan boven is wrondersteld. Da.ar ...

ka-thode aanwezig zijn. De U-x grafiek krijgt een minimum, zie 3.12. Ook dan zal de. kathode. niet de verzadigin~stroom ·leveren., hetgeen. bij een versnellende. veldsterkte we1 het geva.l zou zijn. Het bestaan van di t poten.tiaal-minimum is. dus voor elektronenbuizen. van bepalend belang., want daardoor gaat de· aanloop-stroom niet. plotseling. in. de. verzadigingsstroom over. (Opgave·3,3 en 3,9).

Het verzadigingsgebied.

In 3.

5

ziet men dat het begrip verzadiging alleen. redelijk opgaat. voor wolfram kathoden. Er zijn twee oorzaken welke de stroom in dit gebied nog doen

toenemen bij toenemende' anode-spanning .. De eerste, het Shottky-effect, is voor alJ..e drie kathodem-typen; van belang. In di t. verzadigingsgebied kunnen aan de ka;thode grote,veldsterkten optreden,, als U. maar voldoende.wordt opgevoerd. Nu

a.

blijj:d de elektronen,..emissie toch nog iets van deze veldsterkte afhankelijl<:. te. zi\jn. De tweede oorzaak van het omhooglopen d·er I -U . grafiek in het.

verzadi-a a

gingsgebied. is gelegen in het opwarmeno der emitter door de anodestroom. Deze stroom loopt immers ook door de kathode en de emitter heen. Vooral oxyde kathoden. hebben di t effect sterk. Zodanig zelfs dat de oxyde. kathode· niet in ziijn verzadigingsgebied mag werken gedurende langer dan enkele milliseconden. ( Opgave. 3, 4•) • De differentiaalweerstand. I

f

0 3.13 A 2I w

---u

_a

De kromme, c. in 3.13 is de. I -U. grafiek. van een diode. In. het punt P is. de. a a

verbindingslijn g met de oorsprong 0 getrokken, en de raaklijn d. Men noemt nu .. R

=

cotga g de gelijkstroomweerstand in P en Rw = cotg~ .. de differentiaalweerstand in P.

3/1

3/~

+ +

3·.14.

Dei di ode in 3 .14 is aangesloten op de serieschakeling van twee spanningen.

U

fr

.cos11Jt enU is een constante spanning,U .~~ •. (zie ook Inleiding

w w

a

a--?'

w

Appendix A). De a.nodespanning slingert tussen U +U

=

U

1 en U -U = u2, en de

a w a w

stroom slingert tussen 1

₁

en 1

2, zoals in

3.13

is aangegeven.

Uit de tekening zien we nu dat U = R 1 "'a g a U = R

!°

w w w

3/9

en

3/10

formule

3/9

moet

Voor de dus

R

worden toegepast en voor formule

3/10:R •

(Op-g w

gave 3, 5).

De maximaal toelaatbare sperspanning.

Diodes worden toegepast in schakelingen waar een element nodig is dat

stroom slechts in e~n richting geleid. Het ideaal zou zijn een weerstand nul in

de geleidende richting en een weerstand oneindig in de sperrichting. 1

r

- - • U _a 1

r

- - •U a

----u

a

3·11

De 1-U grafiek is da.n zoals 3.15 toont. Ook een grafiek als 3.16 is bruikbaar,

echter minder ideaal. De werkelijke grafiek van de. diode wijkt van dit ideaal op

verschillende punten. af. Een zeer belangrijke afwijking. is dat als Ua zeer

waar-door de kathode defect raakt. Deze maximum toelaatbare sperspanning (U _a,. · ~s

JJ,i;J.A

een belangrijke beperking voor een buis; deze spanning wordt daarom in :le

b11izenboeken opgegeven. (Opgave 3,6).

Afkapp_@_rs. a c a c R

~-U;

~

-It;-u·

D Uu .

v

D Uu I . . b od bo

11anneer aa.n de klemmen a en b van 3.18 een sinusvormige spanning wordt

gelegd, zal op de klemmen c en d een niet sinusvormige spanning komen te st~1an.

1v'anneer de anode der diode posi tief gaat zal de diode geleiden, ·m zal de ui

t-gangsspannin~ gelijk zijn aan

u

u 100 U .

~

'T . • 1 0

-4

10

6

+ 100 l l

waarin Rd = 100 nde diode weerstand voorst~!l t. De uitgan°·sspanning is dus voor

positieve U. praktisch nul. Voor negatieve waarden van U; is

J.

u

_u

=

u.

l

want dan is de diode weerstand praktisch oneindig, Het uitgangssignaal is dus

een halve sinus, zoals in ).18 is getekend.

Wanneer de diode wordt omgekeerd )ntst3.at een positief gaande halve sinus.

'v/anneer een batterij in deze circuits ~wrdt opgenomen kan men ook een ander dee

der sinusvormige spanning "afkappen." ( Zie 3.19 ; 3.20 en 3.21 )

~---'----0 c

·u

·

( \

! .

·

u"Y"'

·~u,

.

•

.

tk~

.·

boo~~~~~"""--~~-~~~od R D "I 3.21

verschillende niveau's worden ai;'gekapt. In 3.22 is dit getekend.

1*}-u;

.c R

0,

.

Uu

[

·

₁

\

_l

f

2 Ua + ~~ b

.

od 3.22

Op deze wijze kan uit een sinusvormige spanning een "kanteelspanning" worden gemaakt. In oscilloscopen worc;lt deze schakeling gebruikt voor bet verkrijgen van een ijkspanning. De niveau's U en Ub zijn gema.kkelijk vast te _{. a} leggen. De amplitude der kanteel is zodoende nauwkeurig bepaald. (Opgave

3,1).

3'

1

3,2

Repetitievragen.

Hoe is het schema voor een meetopstelling ter bepaling va.n een I -U _{a a} grafiek van een diode? Hoe verlopen deze grafieken; noem de drie gebieden bij naam. Wanneer wordt er door de diode vermogen geleverd en wanneer gedissipeerd? Waar komen deze vermogens vandaan? Welk gebied is het be-langrijkste. werkgebied der diode? VJelke verschillen in grafiek bestaan er tussen de drie kathode-typen? Welke veranderingen ondergaan de grafieken indien de kathode-temperatuur wordt verhoogd? Schrijf voor elk gebied een formule op, en geef aan wat al de symbolen voorstellen.

Welk mechanisme beheerst de I -U grafiek in het aanloopstroomgebei.d. B~­

a a

handel de I -U grafiek met weerstand. lijn R. Welke neveneffecten beheersen a a

de maximaal toelaatbare roosterweerstand? Waar wordt van deze getekende weerstandlijn een nuttig gebruik gemaakt?

3,3 Hoe is de U-x grafiek zonder en met ruimtelading? Verklaar deze laatste. Hoe is de F-x grafiek in beide gevallen? Toon aan dat:

I : : p.v, dat

p:

:U en v : :VU zodat dus

a 312 a a

I :: U i • In hoeverre klopt dit allemaal? Vlaardoor ontstaat het

poten-a .a

tiaal minimum?

) ,4

Welke kathoden mag men langere tijd i·,1 het verzadigingsgebied gebruiken? daardoor neemt I in het verzadigingsgebied toch nog toe? Bespreek

hier-a omtrent twee effecten.

3,5

Maak een grafiek waarui t het verschil tussen R en R blijkt. Maa.k met een

g w

schema het gebruik van R en R duidelijk.

g w

3,6

Wat.verstaat men. onder de maximaal toelaatbare sperspanning? Teken de grafiek van een ideal e diode, een iredelijke diode en een reeele diode.

3,7

Beschrijf afkappers, welke zijn uitgerust met een diode. Hoe kan hiermede

3,8

een.kanteelspanning worden gemaakt? Waar wordt de schakeling toegepast? Opgaven.

Als T

=

2000°K en I

=

10-

3

A hoe groot is dan I als U

=

-5,

.4, -3,

-2,

o a a

en -1 volt?

Als B

=

10-

4

en U

§

4.

Gelijkrichters.

Het doel van gelijkrichting.

Voor elektronische schakelingen is steeds een gelijkspanning als voedings-spanning nodig. De meeste elektronische toestellen warden gevoed u;i.t het licht-net. Daar het lichtnet meestal 220 Volt 50 Hz wisselspanning levert (zie ook Inleiding Appendix A), moet deze wisselspanning omgezet warden in bijvoorbeeld 250 Volt gelijkspanning. De toestellen waarmede dit gebeurt noemt men gelijk-richters. In deze gelijkrichters warden vaak ~~n of meerdere diode's gebruikt. Na· de gelijkrichter moet veelal nog een afvlakfil ter warden geplaatst om sto-rende wisselspanningen, te onderdrukken. In de appendix B warden deze afvlak-fil ters, besproken. ( Opgave

4,

1).

Enkelfase gelijkrichting. p s s

[J

i a i a ~

~~~~Ru

220V '\/ p' s' a' s' a' -:;:"

...

4·1.

Wanneer men een gelijkspanning van 250 Volt wenst te verkrijgen, met een 220 V 50 Hz wisselspanningsnet als voeding, moet eerst de 220 V warden ge-transformeerd op een geschikte waarde. Deze moet enkele volts hoger liggen dan 250.

~

y2. volt effectief. We beschouwen de· schakeling 4.1. De weerstand R

u

is de weerstand van de. schakeling welke gevoed· moet. warden, •. Wanneer we. R op. de

u

gelijkrichtschakeling. aansluiten. zal er een pulserende gelij~stroom. door gaan lopen. Immers: de diode geleidt dee stroom maar. in een rich ting, dus ook slechts in die richting kan er stroom door de weerstand R •

u,i

1

u,i ' _'

l

.. t

_,

I

4·1

In

4.3

is een.u-t en een i-t diagram getekend voor de schakeling

4.1,

wanneer deze op R is aangesloten. Daar voor R de wet van ohm geldt is

u u

t

u

=

R .i, zodat

u in

4.3

de diagrammen voor u en i ook kunnen samenvallen, als de schaalwaarden voor u en voor i maar goed worden gekozen.

Wanneer de diode andersom wordt geplaatst, zoals in

4.2

is gedaan, zal' de richting waarin de stroom vloeit ook om.Keren. Zowel i, als

u

keren dus van teken om, zoals

4,4

toont. In beide schakelingen is de s'klem der transformator geaard. De uitgangsspanning van

4.1

veranaert ook van teken als men a en a' ver-wisselt. Dan komt echter a aan aarde. De transformator heeft dan geen der klemmen

s of s' geaard. Vaak is dit ongewenst.

Daar de spanning over de belasting R nog met de tijd varieert, is de u

gelijkrichter in deze vorm niet geschikt voor het voeden vari elektronische schakelingen. Men kan er echter wel een accubatterij mee opladen.

u,i.

t

220V 50Hz

In 4. 5 is weer de schakeling 4. 1 getekend, nu echter met een accu als belasting. In

4.6

is allereerst de uitgangsspanning u aangegeven. Deze is nu constant, en gelijk aan de accuspanning. 1·/e nemen hierbij aan dat de accu-spanning niet verandert als deze wordt opgeladen, doch onder alle omstandig-heden constant blijft. Een loodaccu voldoet vrij aardig aan deze regel. In

4.6

is tevens de transformatorspanning u ten opzichte van aarde getekend. _s Daar de diode met de kathode met u, en met de anode met u is verbonden, zal

s

deze alleen geleiden als us> u. Di t is dus in 4. 6 als t ligt tussen t₁ en t 2• De accu wordt geladen met stroompulsen. De grootte van de maximum stroom welke er loopt, hangt af van de spanning u

0 welke over de diode komt te staa.n,

en van de u -i grafiek der diode. Om de maximum waarde der stroornpulsen ook a a

bij netspanningsvariaties binnen redelijke grenzen te houden, wordt in serie met de diode vaak een extra weerstand geplaatst. De ligging der punten t₁ en t

2 verandert hierdoor niet, wel word.t i max beinvloed.;. Door regeling van deze serieweerstand kan een geschikte laadstroom warden ingesteld.

Voor voeding van elektronische apparatuur is deze schakeling, dus met de accu. parallel, in principe wel geschikt. De loodaccu's zijn echter groot,

duur en onhandig. In plac.ts van de accu wordt daarom een condensator gekozen.

r-~<

u s s p

;~]

R u _t' p' 2 ~ s' "T

4·1

In 4. 7 is deze schakeling getekend. In 4. 8 zijn u , i_{s 1}, u en i _u getekend als functie van de tijd. Daar u en i met elkaar evenredig zijn, is voor deze

. u

twee grootheden slechts een lijn getekend. '.-Jeer is gedurende de periode t

1-t2

t

dus slechts gedurende die periode stroom door de diode. Gedurende de periode

t

2 - t1, is i1

=

o. De condensator C ontlaadt u

1 volt. De afgestane lading .".1q is dan:

q2

=

Cu2 q1

=

Cu1

zodat .t..\q = q

2-q1 = C _(u2-u1):

zich dan over R , van u 2 tot u .

4

/

1-Per tijdseenheid wordt afgevoera i

2. Coulam~ dus gedurende de tijd t2 tot t~ :

6q = iu (t1 - t

2)

4/2

Hierbij is i gedurende die tija consta.~t gedacht, hetgeen met redelijke

be-u

nadering geldt. Uit 4/1en 4/2 volgt:

i,~ ( t

1' - t2)

=

c

(u2-u1)

4/3

we noemen nu u2 -u1 , de rimpel van de ui tgangsspanning u. Wanneer we

6u

=

-2

t1' - i:

2

=

T stellen, iets wat ook redelijk klopt vinden we:

i .T = C.6u.2

u

Wanneer dus de benodigde stroom i , en

u de toelaatbare rimpel 6u bekend zijn

kan C uit'·

4/4

warden bepaald, daar T s 0,02 sec. is.

4

/

4

Uit·4.8 zien we dat de gemiddelde uitgaande spanning u ongeveer gelijk gem

ii? aan

u _gem

=

u

-

11u.

De maximum-waarde die deze bij zeer kleine rimpel dus kan bereiken is U.. Voor de schai<elin·g z:onder condensator, 4.1 is

u

gem it

u :

gem

Door de toevoegini' van een grote condensator g-c:1.at dus de gemiddelde waarde der ui tgangsspannin~ ruim e,;n factor 3 omhoog.

4

/

5

4

/

6

Om nog kleinere rimpelspanning te. krijgen, zonder een grotere condensator toe te passen, wordt veel gebruik gemaakt van dubbelfasige gelijkrichting. (Opgave

4,2

en 4,~1 t/m

4,

1

3).

Dubbelfasige gelijkrichting.

Volgens

4/3

is de rimpelspanning evenredig met (t₁' - t₂). Wanneer het gelukt (t

1• - t2) te verkleinen zal 6u ook kleiner warden. Voor dubbelfasige gelijkrichting is ( t₁' - t

2) gelijk

~'

dus de helft van de waarde welke voor enkelfasige gelijkrichting wordt gevonden.

~

::J

s1 s2 i s' i4. i1

-

.,..

t

u' .

~-~J

I

,

_.

~2

' ' . ' I ' .

c

_j_]

R.

'1

.

t 1 t-2--+--u 1 I \ ,s2 I \ I \ I \~ I f i u + R u u - -... ·~ t I I \ I

In

4.9

is de schakeling voor dubbelfasige gelijkrichting getekend. De transformator bezit nu twee identieke wikkelingen, welke ieder dezelfde span-ning leveren als in het enkelfase systeem het geval was. De spanspan-ningen s₁ en s

2 zijn ten opzichte van s' in tegenfase. In 4.11 zijn deze spanningen s1 en s₂ als functie van de tijd uitgezet. Ook de uitgaande spanning u is getekend.

'

Gedurende t₁ tot t

2 geleidt diode 1, gedurende t1' - t21 diode 2. Om beurten laden dus deze twee diodes de condensator C op. Uit de figuur zien we dat voor dubbele gelijkrichting geld t in plaats van

4/ 4

T

i

4 - 6

In plaats van twee afzonderlijke diode's kunnen ook twee diode's in een ballon, zoals 4.10 toont, Worden gebruikt.

Uit 4.11 zien we dat de frequentie der rimpelspanning ~u bij dubbele gelijkrichting 100 Hz is. Deze hogere frequentie is een voordeel, wanneer men de rimpel door filters verder wil verkleinen (zie Appendix B).

De schakeling 4.10 heeft het bezwaar dat men over een symetrische voedingstransformator moet beschikken. Het is niet mogelijk met deze schake-ling direct de 220V netspanning dubbelfasig gelijk te richten. De schakeling van G-raetz maakt di t wel mogelijk ( Opgave 4, 3 en 4, 14).

Graetz-schakeling. 220V 50Hz

+

---u + R u ---~---~· +

Daar hier vier diode's nodig zijn, met gloeidraden op drie verschil-lende potentialen wordt deze schakeling weinig toegepast voor voedingsge-lijkrichters.

Wanneer andere gelijkrichte!ementen dan diode's worden toegepast b.v. seleencellen vervalt dit bezwaar. Op plaatsen waar dit economisch is wordt daarom deze schakeling met gelijkrichtcellen wel toegepast.

Een merkwaardigheid der schakeling is dat, of een der wisselspannings-punten of een der gelijkspanningswisselspannings-punten mag warden geaard, maar niet beiden.

Soms is men niet in staat, oak niet met dubbele gelij.la'ichters een voldoend kleine rimpel te krijgen. Dan wordt, speciaal bij gelijkrichters voor groat vermogen, overgegaan tot driefase en zesfase gelijkrichting (Opga.ve

4,4).

R T

u

f

+ u

4.·

~~~

· ... ·. ·. r .L\u

f

'

'

'

.

'

'

' ' ' ' . ' ' ' ' - t

4.J!

R u

In 4.13 is een driefase gelijkrichter getekend. Op het draaistroomnet HST is een transformator aangesloten. De secundaire wikkelingen leveren ook weer draaistroom. De spanningen zijn in

.

4.14 grafi~ch getekend. wanneer de spanning van r op een bepaald moment grater is lan de spanning van s en t zal de diode r geleiden. De uitgaande spanning u is gedurende de ti,id dat r geleidt gelijk aan de spanning van fase r. 'tlanne~r echter, a.ls t=b de spanning van fase ~ grater wordt dan de spanning van fase r, zal de diode s gaan geleiden, en aiode r gaan isoleren. Imme rs de anodespanning van diode r is als b< t

<

c lager dan de kathode-spanning. De di ode met. de hoogste anode-spanning geleidt. Men ziet au1 4.14 dat !;:r nu maar een rimpel optreedt van

1 A 1 .p l ' •) , 1 A • ct•

i.\u

=

4

u., terwij bij dubbeLastee ge lJKr1chting ~u =

2

IA. .LS, 1n ien er geen.uitgangscondensator wordt gebruikt. De frequentie der rimpel is nu 150 Hz. f~en nog beter resul taat wordt bereikt wanneer elk der winding-en r, s

R

s

T

ut

Zesfase geli.ikrichting. + u

R

u

4.

'!!'

_,

I

In 4.14 is het schema van 6 fase gelijkrichting gegeven. In 4.15 zijn weer de anodespanningen als functie van de tijd getekend. De rimpel wordt nu flu

=

~ (

1 -

~

V 3)

~=

0,07 U., dus zeer veel kleiner dan bij al de andere schakelingen. De rimpelfrequende is 300 Hz. Speciaal bij gelijkrichters voor grote vermogens wordt deze schakeling :oegepast. In die gevallen kan 1nen namelijk niet voldoende grota ca.pacitei teri geb1·uiken om de rimpel klein te

hotide~. Bij tractie gelijkrichters, zoals voor de spoorwegen past men daarom ui tslu i tend di t genre schakel ingen toe. ( Opga.ve

4,

6).