Elektronenbuis

Diverse buizen uit de audiotechniek met links een triode ECC83, in het midden de diode GZ34S, en rechts een eindpentode van het type EL84.

Een electronicabuis of een radiobuis, ook vaak afgekort tot buis is een actief electronisch component. Het is een vacuüm getrokken buis met daarin electrodes, die gemaakt kan zijn van glas, keramiek of metaal. De simpelste vorm is een diode, met daarin een verhitte kathode en een anode. Buizen zijn geschikt om stroom gelijk mee te richten, signalen te versterken of om als zendbui te fungeren. Ook zijn er vele andere toepassingen zoals magnetronbuizen en beeldbuizen.

Werking en toepassing

Een AMROH uitgangstransformator.

De principewerking is als volgt: uit de verwarmde kathode komen negatief geladen deeltjes vrij die zich door een opgebouwd elektrisch veld richting anode begeven, en met de stuurroosters tussen de kathode en de anode worden deze velden beïnvloed. De anode is aangesloten op een hoge positieve spanning en de kathode op de min pool. Bij diodebuizen zijn deze stuurroosters echter afwezig, en bij andere buizen zoals triodes en pentodes zijn er een of meerdere struurroosters aanwezig.. De kathode, of de gloeidraad als deze als kathode fungeert, is meestal met een chemische stof als bariumoxide bedekt om een goede emissie van de elektronen te bewerkstelligen. Doordat de gloeidraad die de kathode verwarmt eerst op temperatuur moeten komen, heeft buizenapparatuur een opwarmtijd nodig voor dat het apparaat werkt.

Totdat de transistoren hun intrede deden waren electronicabuizen de enige active componenten naast een relais. Deze hadden echter als begrenzing hun traagheid en het feit dat ze slechts de stand aan en uit kennen. Door de zeer lage massa van electronen kunnen buizen echter wel hoge snelheden bereiken en zijn daardoor geschikt voor hoge frequenties. Bij audio toepassingen is echter een uitgangstransformator noodzakelijk. Immers, buizen werken met een hoge spanning en een hoog ohmage en luidsprekers zijn in de regel laagohmig. Om dit verschil op te lossen gebruikt men een transformator die aan de primaire kant hoogohmig is, en aan de secundaire kant laagohmig.

Indertijd heeft Philips enkele series 800 ohm luidsprekers uitgebracht die direct konden worden aangesloten op de eindtrap. Om dit te bereiken werden er twee pentodes in serie gebruikt, en werd de de luidspreker geschakeld tussen het verbindingspunt van de twee buizen en de aarde, en er werd een condensator van 8 μF in serie opgenomen met de luidspreker om het gelijkstroom component uit te filteren. Het voordeel was dat het rendement hoger werd omdat een uitgangstransformator in het gunstigste geval een rendement heeft van 70%, en in het ongunstige geval van 50%. Ook werd op deze manier een dure uitgangstransformator uitgespaard. Toch is dit concept behalve in enkele series radio's van Philips nooit breed omarmd.

Heden ten dagen worden buizen nog steeds gebruikt in magnetrons, als zendbuis en tot voor kort als beeldbuis. Buizen worden ook nog steeds gebruikt in gitaar- en basversterkers vanwege hun robuuste karakter, hun klankeigenschappen en hun vaak karakteristieke klank. Tevens worden in sommige high-end versterkers buizen gebruikt, hoewel een buizenversterker niet per definitie superieur is aan een transistorversterker. Veel van dit soort versterkers worden heden ten dage in China geproduceerd en voor lage prijzen aangeboden via Chinese veilingsites. Hiernaast zijn er ook zeer dure exemplaren op de markt zoals bijvoorbeeld van de firma QUAD.

Buizen worden heden ten dage nog steeds in vele landen geproduceerd zoals Rusland, China en Tsjechië. Hiernaast zijn er nog grote partijen oude ongebruikte buizen in omloop, z.g. New Old Stock (NOS) buizen. Vaak zijn deze van militaire oorsprong.

Geschiedenis

Een van de eerste triodes uit 1906, gefabriceerd door Lee de Forest

.

De eerste die waarnam wat later het Edisoneffect genoemd werd was Frederick Guthrie. Onafhankelijk hiervan nam 1880 William J. Hammer, een assistent van Edison hetzelfde effect waar, wat eerst het Hammer's Phantom Shadow effect werd genoemd. Hij nam namelijk een blauwe emissie waar rond de positieve pool van een experimentele lamp. Toen Edison in 1883 de gloeilamp patenteerde, herbenoemde hij dit effect als het Edison-effect. , De gloeilamp van Edison had namelijk als bijverschijnsel dat de gloeidraad verdampte waardoor het glas zwart werd. Dit kon worden verhinderd door een metalen plaatje tussen de gloeidraad en het glas te plaatsen, waardoor er een stroom ging lopen tussen het los opgestelde plaatje en de positieve pool, wat een gevolg was van de losgeslagen elektronen van de gloeidraad.

De elektronenbuis werd op 16 november 1904 gepatenteerd door de Brit Ambrose Fleming. De werking van de elektronenbuis is gebaseerd op dit Edisoneffect. Fleming was een van de onderzoekers die dit verschijnsel bestudeerde, en op basis hiervan de eerste diode construeerde en patenteerde. De Amerikaan Lee de Forest voegde in 1906 aan de diode een derde elektrode toe, waardoor de eerste triode een feit was.

Soorten

Diode

Symbool van een diode met een indirect verhitte kathode.

• Een diode heeft twee elektroden, en wordt voor gelijkrichting gebruikt

Voorbeelden:

• EZ80, EZ81 Dubbel gelijkrichter, indirect verhitte kathode.
• GZ34 Dubbele gelijkrichter, direkt verhitte kathode.

Triode

• Een triode heeft 1 rooster – het stuurrooster – waarmee met een kleine spanningsverandering een relatief grote stroomverandering tussen anode en kathode teweeggebracht kan worden.

Voorbeelden:

• ECC83, ECC85 Gangbare triodes in versterkers.
• 6N2P Russische triode, vergelijkbaar met ECC83.

Tertrode

• Een tetrode heeft 2 roosters, het extra rooster, tussen stuurrooster en anode, dient om de versterkingsfactor van de buis op te voeren. (tetra = 4)

Voorbeelden:

• EL11 Uitgangs tetrode uit uit 1938.
• ECL11 Triode/tetrode uit 1939.

Pentode

• Een pentode heeft 3 roosters: stuurrooster, schermrooster en keerrooster waarmee het aantal actieve aansluitingen 5 bedraagt. (penta = 5)

Voorbeelden:

• EL84 Eindpentode, veel gebruikt in versterkers.
• EL34 Idem, maar ook vaak in gitaarversterkers toegepast.
• EF86 Ruisarme pentode, vaak in de voorversterker gebruikt.

Hextode

• Een hexode, heptode en octode hebben respectievelijk 4, 5 en 6 roosters, en worden o.a. gebruikt als mengbuis in zoals in frequentieomvormers en radioontvangers.

Voorbeelden:

• ACH1 Triode/hexode, radiotoepassingen.
• ECH3 Triode/hexode, radiotoepassingen.
• EK 90 Heptode.
• CV878 Octode.

Er zijn meerdere combinaties mogelijk, er kunnen zich dus meerdere elektrodensystemen in een enkele buis bevinden zoals bij een dubbeldiode, een dubbeltriode, een triodepentode, een triodeheptode of een dubbelpentode. Hiermee kan het aantal buizen beperkt worden en is het mogelijk een betere gelijkheid tussen twee triodes / pentodes te verkrijgen. De dubbelpenthode ELL 80 is hier een voorbeeld van die in z.g push en pull eindversterkers werd toegepast. Een dubbeldiode (vaak met gemeenschappelijke kathode) kan dienen voor dubbelfasige gelijkrichting. Er is dan een voedingstransformator met twee secundaire wikkelingen nodig en soms een aparte wikkeling voor de gloeistroom als het om buis met een direct verhitte kathode gaat.

Naast de bekende buizen zijn er andere soorten buizen zoals de kathodestraalbuis die voor de LCD schermen hun intreden deden werd gebruikt in televisietoestellen, oscilloscopen en als computer beeldscherm. Hiernaast bestaan er indicatorbuizen die gebruikt werden voor weergeven van opnameniveau van een bandrecorder of de signaalsterkte van de draaggolf zoals toegepast in oude radio's. Verder kent men röntgenbuizen, geigerteller-buizen, klystrons, magnetrons, beeldversterkers, vidicons en nixiebuisjes.

Gloeistroom

Electronicabuizen hebben bijna altijd een gloeidraad om de kathode te verhitten en in sommige gevallen is de gloeidraad zelf de kathode, zoals bijvoorbeeld bij sommige diodes die voor gelijkrichting gebruikt worden. Tot 1925 waren de gloeidraden net als bij de gewonen lampen van wolfraam, en daardoor gebruikte deze buizen veel stroom en gaven een wit/geel licht. Deze zogenaamde radiolampen werden daarom dan ook hellicht lampen genoemd, en de gloeistoom was met een externe regelbare weerstand in te stellen om het stroomgebruik te beperken. Er waren controlegaten in de apparatuur om dit visueel te controleren en ook waren de radiolampen vaak bovenop de radio gemonteerd omdat wat extra licht erg welkom was in die tijd. Later kwamen de z.g. miniwattbuizen op de markt waarvan de gloeidraad veel minder stroom verbruikte.

Omdat veel buizenapparatuur in de beginjaren op accu's werkte is vaak gloeispanning hierop aangepast. De E serie heeft daarom als spanning 6.3 volt, dit omdat vooral autoaccu's in die tijd 6 volt waren. De noodzakelijke hoogspanning werd met een z.g. trilomvormer in combinatie met een transformator opgewekt. De E serie werd later veel toegepast in apparatuur met een voedingstransformator die een aparte wikkeling had om de benodigde 6,3 volt te leveren. Bij deze buizen staan dan ook in de regel de gloeidraden parallel geschakeld. Een voorbeeld van zo een buis is de eindpentode EL84.

Bij de buizen waarbij de aanduiding met een U begint en een P wordt niet de voedingsspanning van de gloeidraad aangegeven, maar het stroomgebruik. Dit omdat deze meestal in serie geschakeld worden. De buizen met de buizencodes beginnend met een U werden in de regel in radio's zonder voedingstransformatoren gebruikt, en de buizen beginnend met een P in televisie toestellen. Voorbeelden hiervan zijn de UL84 en de PL84. Behalve de andere stroom en spanning om de gloeidraad te voeden zijn de EL84, UL84 en PL84 op details na gelijk. Het zijn alle drie eind pentodes, doch vaak is bij de U en P serie de maximale anode spanning lager. Bij de P serie gebruikt de gloeidraad 300 Ma, en bij de U serie 100 Ma.

Omdat de voedingstransformatoren erg prijzig waren was er apparatuur, meestal radio's,en pick up's die waren gebouwd zonder deze transformator om kosten te besparen. Hierin werden de buizen van het U type gebruikt. De gloeidraden van de buizen werden in serie gezet en op de netspanning aangesloten die tevens na gelijkrichting als hoogspanning werd gebruikt en de stroom door de gloeidraden met een zware weerstand geregeld. Een bijkomend voordeel was dat deze radio's ook op gelijkspanning werkte. In het Nederland van voor en vlak na de tweede wereldoorlog waren er namelijk enkele gelijkstroom netten zoals in delen van Rotterdam en op de waddeneilanden. Soms echter werden de gloeidraden van U buizen toch met een aparte wikkeling op de transformator gevoed.

Ook in televisies met buizen stonden de gloeidraden is serie; hier werd ook de gloeistroom door een weerstand geregeld maar werd ook vaak een NTC in het circuit opgenomen omdat het stroomverbruik van een koude gloeidraad vele malen hoger is. Er zijn echter buizen uit de E serie die hetzelfde stroomgebruik hebben en dus in combinatie met P buizen kunnen worden gebruikt.

Typeaanduiding

Diverse buizen van verschillende types.

De buizen hebben een typenummer bestaande uit letters en cijfers. De Amerikaanse aanduiding begint met een cijfer, de Europese met een letter. In het laatste geval bestaat de aanduiding uit twee tot vier letters, gevolgd door een tot drie cijfers. De cijfers achter de letters specificeren de uitvoering. Rusland heeft zijn eigen systeem van codering met cyrillische letters, de buistypes zijn echter op Amerikaanse buizen gebaseerd.

eerste letter: spanning of stroom en type van de gloeidraad		volgende letter(s): buistype		cijfer(s): soort voet, volgnummer
A	4 V direct of indirect	A	diode	1 - 9	buitenkontakten, 5- en 8-polig
B	180 mA direct uit batterij	B	dubbeldiode met één kathode	10 - 19	stalen buis, 8-polig
C	200 mA indirect	C	triode	20 - 29	loctal
D	1,4 V direct uit batterij	D	vermogenstriode	30 - 39	octal
E	6,3 V indirect	E	tetrode	40 - 49	rimlock
F	12,6 V indirect	F	pentode	70 - 79	miniatuurbuis
G	5 V indirect	H	hexode of heptode	80 - 89	noval
H	150 mA indirect	K	octode	90 - 99	pico 7
I	(20 V indirect)	L	vermogenstetrode of -pentode	150 - 159	stalen buis, 10-polig
K	2 V direct voor loodaccu	M	kathodestraalbuis, afstemoog	180 - 189	noval
L	450 mA indirect	Q	enneode	280 - 289	noval
O	zonder gloeidraad (gasgevulde buizen en halfgeleiders)	T	telbuis	500 - 599	magnoval
Q	vermogen- en zendbuizen
P	300 mA indirect	W	gasgevulde vermogensdiode	800 - 899	noval
U	100 mA indirect	X	gasgevulde dubbele vermogensdiode	900 - 999	pico 7
V	50 mA indirect	Y	vermogensdiode
X	600 mA indirekt	Z	dubbele vermogensdiode
Y	450 mA indirect
Z	zonder gloeidraad (gasgevulde buizen)

Bronnen, noten en/of referenties

Bronnen, noten en/of referenties   Vrije mediabestanden over Vacuum tubes op Wikimedia Commons