– avagy, mivel mérgezzük a csövek katódjait
Egyre többen teszik le voksukat az elektroncsöves erősítők mellett. Vannak, akik hajlanak arra, hogy kész terméket vásárolva élvezzék annak hangzását, de akadnak szép számmal olyanok is, akik egészen közel hajolva megépítik maguknak a sajátjukat. Akik készen vásárolják az erősítőt, azok a pénzért kész hangzást kapnak. Akik költséget kímélve építeni szándékoznak egyet, azok számára a hangzás egy szélesebbre tárt zsák, amiben „benn a macska”, ezt be kell vállalni.
Ígérjük egy mukkot nem szólunk a hangminőségről, mert az széles skálán mozoghat mindkét esetben. Ez az írás elsősorban azoknak szól, akik a saját készülékük megépítését fontolgatják, vagy egy meglévő elektroncsöves erősítő átalakításán törik a fejüket. Annyiban érdekes lehet a technológiától elhajlók számára is, hogy megtudják, milyen macerás dolog egy tartós, elektroncsöves erősítőt építeni, ami nem „zabálja” nagy kanállal a csöveket.
A cikk alap ötletéért ezúton szeretnénk köszönetet mondani Jan Didden úrnak, a holland légierő nyugalmazott mérnök-szakírójának, aki az audioXpress honlapján nemrégiben közölt írásával ráébreszt minden erősítő építésen gondolkodót arra, hogy mi mindent nem tudni az elektroncső belső működéséről. Jan Didden komolyan letette névjegyét a csöves erősítő építők asztalára, mert közkinccsé tett egy nagyfeszültségű késleltető áramkört, amelyet többen megépítettek, és azóta megelégedéssel használnak alkatrész áron – mivel az ötlet ingyenes volt. Ugyan nem mindenki fogadja fenntartások nélkül a nézeteit, de a szakértelme megkérdőjelezhetetlen, mindenképpen javasolt a tanácsait figyelembe venni, mert önzetlen jó szándék van mögötte, amivel az elektroncsövek élettartama növelhető. Mi ezeket a saját jó tanácsainkkal egészítjük ki, és hangsúlyozzuk, hogy minden elismerés Jan Diddent illet. A teljes írásából csak kivonatot teszünk közzé, teljes részletezéssel nem vesézünk ki mindent, de gondolat ébresztéshez és a sok befolyásoló tényező megértéséhez nagy segítség lehet. Eszünkbe sem jut senkit lebeszélni a dologról, de figyelmeztetünk, ez a terület minden értelemben „rázós pálya”.
Az építés folyamata a megfelelő kapcsolási rajz kiválasztásával kezdődik. Nem nagy dolog, tele van velük az internet. Dehogynem, hiszen rendkívül fontos, hogy az elektroncső kiszolgálása megfelelő legyen! Az igaz, hogy a tipikus kapcsolástechnika egy adott csőtípus esetében csak egyféle lehet, de a fűtés módja, az anód feszültség időzítése, a katód potenciál beállítása, a rácsáram, és a munkapont-beállítás módja „szabadon választott”. Ezek a tényezők eltérő hatásfokkal, de befolyásolják az elektroncsövek élettartamát. Aki neki áll egy elektroncsöves erősítő fáradságos, de rengeteg élvezetet nyújtó építésének, az repesve várja, hogy a csövek gyönyörűen parázsló fűtése jelezze a sikert. Az ideális esetben a narancsszínű parázslás az első, amit a tartósság, és a jó hang szempontjából is figyelembe kell venni. Beszéljünk tehát először a fűtés módokról. Most nem kerülgetjük óvatosan a szakszavakat, hiszen alapismeretek nélkül senki nem állhat neki az építésnek, de azt is megígérjük, hogy nem bújunk a szavak mögé.
Közismert, hogy az elektroncsövekben kétféle fűtést alkalmaznak. Az talán kevésbé közismert, hogy eltérő energia igényük van a direkt, és indirekt típusoknak. Mindkét rendszer feladata az elektronok emittálása. A direkt fűtéskor a katód a fűtőszállal egy egységet képez. Indirekt fűtés esetén a külön álló fűtőszál egy bevonatos nikkel csövet melegít. A csövön lévő karbonát anyagot relatív kis hőhatással is emisszióra lehet kényszeríteni, igaz a különálló fűtőszál miatt nagyobb az energia igénye. A kibocsátott szabad elektronok száma mindkét rendszer esetében függ a hőmérséklettől, azaz a fűtő feszültségtől, de természetesen vannak korlátai.
Az elektroncső gyár által megadott fűtő-feszültségtől való eltérés drasztikusan befolyásolja a cső élettartamát. Milyen irányba? Az attól függ, hogy kisebb, vagy nagyobb, mint a gyári ajánlás. Általában 6,3 V, vagy duál csövek esetében 12,6 V az ajánlott érték.
Az könnyen belátható, hogy ha alul fűtünk egy csövet, annak nő az élettartama, és később lesz emisszió szegény, ám más lesz a baj. A kevesebb emittált elektron viszont egy végfokcső esetében durva teljesítmény vesztést jelent, ezért tűrhetetlen. (legyen csak az a getter anyag a lehető legjobban kihasználva!) Hogy mekkora élettartambeli eltérésről beszélünk, a különböző fűtőfeszültségek függvényében, azt az alábbi ábra elég jól szemlélteti. Szándékosan nincs óra, perc, vagy nap beosztás az idő tengelyen, mert a hatás becsült mértékét ez is jól mutatja.
Mi történik, ha alul fűtünk egy csövet annak érdekében, hogy még az unokáink is használni tudják? Ami jót tesz az élettartamnak, nem igazán használ a hangminőségnek, mert azon kívül, hogy a cső meg sem közelíti a gyártó által ígért paramétereket, a torzítás is megnő. Mi okozza? Például a címben szereplő katód mérgezés! Akik még nem hallottak róla, azt hihették, hogy szokásunkhoz híven viccelődünk, de most nem, ez teljesen komoly. Többféle fokozata van, és a cső üveg házán belül, többféle dolog is kiválthatja a jelenséget. Alapvetően arról van szó, hogy mindenki, csak mint az elektron áram forrásaként gondol a katódra, és meg sem fordul a fejében, hogy mi van akkor, ha elektron, ne adj’ Isten ion csapódik a felületébe, ellentétes irányú áramot, vagy fizikai hatást okozva. Márpedig a katód mérgezés ezt jelenti. Az alul-fűtött katódot nem veszi körbe elegendően nagy elektron felhő, amely távol tudná tartani ezeket a részecskéket a felülettől. A túlfűtést meg reméljük, hogy nem kell külön megindokolnunk, mint élettartam csökkentő hatást, hiszen van még más tisztázandó dolog is. Ilyen például az egyenfeszültségű, vagy váltó feszültségű fűtés kérdése, illetve a fűtés kör kialakítás módja.
Elsőként a fűtőkörrel hozzuk a „szívbajt”, aztán foglalkozunk mással. Jópofa megoldásnak tűnhet egy fűtőkört kiépítve minden elektroncsövet egy szuszra ellátni feszültséggel. Az attól függ, miként készül. Mondanunk sem kell, hogy csak egyfajta fűtőfeszültségű csöveket illik felfűzni egy láncba, de mivel ilyenből sok van, szinte minden típus esetében követhető a módszer. Nos, nem! A soros fűtéslánc kialakításon keresztül könnyebb megérteni az ellenkezésünket, ezért így magyarázzuk. A cseles tervező egyszerűen összeadhatja azt, hogy hányszor 6,3 V-ra lesz szüksége, és sokkal kisebb szekunder áram mellett vasmagra tekeri a megfelelő menetszámot, majd mossa kezeit. Korai az öröme! A különböző típusú csövek eltérő idő alatt melegednek be, ami ugyanúgy okoz túlfűtést a hálózatban. Miért? A bemelegedett fűtőszálon kevesebb áram folyik, mint a hidegen, azaz más a feszültség esés mértéke, több, vagy kevesebb a kiszámolt értéknél. Igaz, ez csak percekig fűrészeli a csövek „gigáját”, de egy olyan eszköz esetében, amelynek élettartama órákban meghatározott, hosszú távú hatásának összeadott mértéke jelentős. Érdemes cső-típusonként külön áramkörrel megoldani a fűtést – ha van rá mód.
A következő kérdés az AC- vagy DC-feszültség használata? Ez is jelentősebb, mint gondolnánk. Mindkettőnek van előnye és hátránya is. Míg a DC-fűtés kevésbé zajos – mindjárt tisztázzuk miért – a feszültség bekapcsolásának pillanatában mindig egy irányba „rántja meg” a fűtőszálat, ami az indirekt fűtésű csövek esetében koptatja a katódot és a fűtőszálat elválasztó hőálló szigetelő anyagot, így okozva meghibásodást. Emellett, a szabályzó áramkör működése közben szintén okoz némi zajt, ami a katódra jut. Az AC fűtési mód pedig a hálózati feszültség ritmusában modulálja az emittált elektronok mennyiségét, ami „macit” (brumm) költöztet a rendszerbe. Ennek ellenére, egy csekély brummogás elviselése mellett a váltó feszültségű fűtés az, ami hosszabb élettartamot biztosít az elektroncsőnek. Az ötletadó cikk írója még taglalta az egyenetlen felmelegedés által okozott áramsűrűség-beli problémákat is, de úgy döntöttünk, hogy ebből – mivel nagyon csekély a hatása a cső élettartamára – most nem idézünk, nélküle is van elég dolog, amire gondolni kell.
Megjegyzés: Mivel sokan építenek újjá, vagy újra régi elektroncsöves erősítőket öreg transzformátorral kezdve az elektronikai kapcsolást, fontos tudnivaló, hogy a hálózati feszültség értéke változott. Hazánkban a régi 220 Volt előbb 230 V-ra, majd a gyakorlatban inkább 240 Volt környékére fokozódott. Ezt mindenképpen figyelembe kell venni a fűtőkör megépítésekor, ellenkező esetben túlfűtjük(!) a csöveket. Egy elektroncső mindig meleget termel, de az üzemi hőmérséklete a fűtéssel együtt a másik dolog, ami nagy hatással van a tartósságra. Az alábbi grafikon mutatja a becsült összefüggést a hőmérséklet és a várható élettartam között.
Azzal mindenki tisztában van, hogy minden erősítő fokozatban a teljesítmény egy része hővé alakulva elvész. A leginkább látványos veszteség az „A”-osztályú munkapont esetében van, de erre mi fütyülünk, mert imádjuk a hangját. Nem a katód az egyetlen hőt termelő része a csőnek, ezt tudni kell. Az anódon áthaladó áram azt is melegít. Ez azt jelenti, hogy a felforrósodott anód miatt kevesebb energiára lesz szükség a fűtéshez? Nem, és igen érdekes az összefüggés. 100 foknyi anód hőmérséklet növekedés mindössze 3 foknyit emel a katód forróságán, ami „bakfitty”. A hőmérséklet emelkedésnek más az igazán aggasztó hatása. Szintén mérgezi a katódot! Hogyan? A felforrósodott üvegbúra is bocsát ki magából gázmolekulákat, amik a katódba csapódva elég komoly károkozásra képesek. Mivel jelentősen nagyobb a tömegük mint az elektronnak, mini krátereket idéznek elő a getteranyagban. Minél magasabb az üveg hőmérséklete, annál gyorsabban mozognak a molekulák és az okozott kár is annál nagyobb. A jelenség hatását csak megfelelően beállított munkaponttal és jó szellőzéssel lehet csökkenteni, megakadályozni képtelenség.
Most következik az egyik legérdekesebb kérdés! Késleltessük az anód feszültséget bekapcsoláskor, vagy nem? Mivel az ötletadó erről híres, nagy tiszteletlenség lenne részünkről, ha kihagynánk a dologból. Az átlagos felhasználó a dologgal nem is törődik, hiszen kit érdekel, hogy a katód kezd el előbb emittálni, vagy az anód kezdi azonnal vonzani az elektronokat a bekapcsolási csendesítés időtartama alatt? Úgy sem hallunk belőle semmit! A csövet viszont ez komolyan érdekli.
Dióhéjban a következőről van szó. Mindenki úgy gondol az elektroncsőre, ahogy az a tértöltéses szakaszában működik. A tértöltéses szakasz a bemelegedett állapotot jelenti, amikor a katód elektronokat bocsát ki, amiket az anód időről időre elszippant, a katód pedig szorgalmasan utána tölt. Van még két olyan szakasza a működésnek, egyik a szükséges rossz, másik a nagyon rossz. A nagyon rossz a telítési szakasz, ahol a katód már elérte az emittáló képességének maximumát és több áramra már nem képes. Ide ideális esetben senki nem hajszolja el, ha meg igen, a mély-hangokon komoly csorba esik. A szükséges rossz, pedig a bemelegedési szakasz, amikor a katód még nem érte el az emittáló képességének maximumát, alig lézeng elektron a kibocsátott felhőben, és az emittáló réteg egyenetlen melegedése miatt egyes részeken több, míg máshol kevesebb az elektron sűrűség. Jan Didden ezzel a szakasszal foglalkozott és fejlesztette ki az anódfeszültség késleltetés elméletét, meg persze a gyakorlatát.
Nos, ott tartottunk, hogy alig lézeng elektron az egyenetlenül melegedő katód körül. Ám, ezeket semmi nem akadályozza meg abban, hogy a csőben szintén kóricáló gáz-molekulákkal ne ütközzenek, és vissza ne csapódjanak a getterbe, mivel ott még nem alakult ki a megfelelő védelmező felhő. Tulajdonképpen ez is a katód mérgezésének egy módja, csak ezt nem halljuk. Tovább rontja a helyzetet az, hogy ha mondjuk félvezetős tápegységgel állítjuk elő az anód feszültséget, és az már a bekapcsolás pillanatában rendelkezésre áll, még azt a kevés védelmet is tökéletesen megsemmisíti azzal, hogy elszippantja a katód körüli térrészből az elektronokat. A nagy energiájú és nagy tömegű részecskék tehát szabadon randalírozhatnak, és bombázhatják a getter anyagát.
Még tovább rontja a helyzetet az, hogy az egyenetlenül emittáló katód foltok megpróbálják pótolni az elektronokat, és a vonzás hatására kis felületen nagy áram kibocsátására kényszerítik a getter anyagát, ami ettől jelentősen veszíteni kezdi az élettartamát. Mr. Diggen okossága abban rejlik, hogy addig nem ad anód feszültséget a rendszernek, amíg a katód tutira be nem melegedett, így sokkal kevesebb nagy energiájú részecske rombolhat, valamint a getter sem veszíti el foltokban az emittáló képességét.
Ahogy azt a cikk elején említettük, többen megépítették ezt a késleltetett rendszert, és elégedetten használják. Ők nyugodtan alszanak. A felhasználók zöme viszont azért alszik nyugodtan, mert soha életében nem hallott erről a dologról, sőt ha hallott volna, akkor sem építette volna be az erősítőjébe, mert mondjuk nincs meg hozzá a szakértelme. Ezzel együtt az erősítőik vidáman működnek rettenetes tartóssággal, immár évek óta. Szóval hogy úgy mondjuk, igazi vita nincs a dologról, de annyi bizonyos, hogy eggyel több védelem nem árthat az érzékeny lelkű csöveinek.
A következő dolog a sorban amit érdemes figyelembe venni, az a fűtés és a katód közötti feszültség különbség. Ez a direkt fűtésű csövek esetében kiesik, de ki épít manapság muzeális alkatrészekből erősítőt? Az indirekt fűtéskor viszont zaj forrása lesz, ez garantált. Miért? Mert a fűtés mindig negatívabb potenciálon van, mint a katód. Az elektroncsövek adatlapján szerepel az, hogy mekkora lehet a maximális feszültség különbség értéke, amit melegen érdemes figyelembe venni. Még 30 Volt körüli feszültség különbség is képes ionizálni a csőben rekedt gázmolekulákat, amik beépülhetnek a fűtőszál és a katód közötti szigetelő anyagba, és idővel akár rövidzárlatot is okozhatnak. Amíg viszont a helyzet ennyire nem hatalmasodik el, a fűtőszálból kilépő elektronok átvándorolnak a hozzájuk legközelebb eső katódba, mivel az pozitívabb feszültségen van. Nos, ez okozhat zajt, ami folyamatosan egyre nő a cső meghibásodásáig.
Hiányos lenne a felsorolás, ha nem ejtünk szót a munkapont beállítás módjáról. Az auto-bias funkció kényelmesebb lehet, mivel követi a cső paraméter változásait. Amíg egy csőtípushoz ragaszkodik, annak anód áramához jól be lehet lőni, és hatékony. Hátránya az, hogy nem ad tájékoztatást. Ez csak akkor lehet probléma, ha várható, hogy csöveket fogunk cserélgetni az ideális cső gyártmány megtalálása érdekében. Ha az auto bias hatás körzetén kívül eső csövet használunk, látványos „virítás” a jutalom, amit hosszan nem szabad csodálni, mert tönkre megy a cső. A fix beállítás esetén a gondos gazda időről időre ellenőrzi, és korrigál.
Még egy utolsó ötlet, amit csak akkor kell figyelembe venni, ha nagyon komolyan gondoljuk a dolgot. Biztosan feltűnt, hogy a legtöbb élettartam csökkentő behatás a bekapcsolás során éri a csövet, amíg az hideg állapotból eléri az üzemi hőmérsékletet. Mi van akkor, ha soha nem hagyjuk teljesen kihűlni? Vannak olyan szakmai hangok is, amelyek javasolják, hogy a használaton kívül lévő erősítőnkben felezzük meg a fűtőfeszültség értékét, és ne vegyük el teljesen. Naná, hogy sok lesz a készenléti fogyasztás. Itt kell döntést hozni, hogy melyik a drágább: a villanyszámla, vagy a csőcsere? Természetesen az anód feszültséget gyökeresen ki kell irtani készenlétben, ez a cikkből egyértelműen kiderül. Aztán, hogy bekapcsoláskor azonnal, vagy késleltetve csatolja az anód feszültséget a csőre, az egyéni döntés eredménye.
Jan Didden cikke nyomán. Az ábrákért köszönet az audioXpress-nek.
Aki a teljes részletességében kíváncsi a cikkre, a lenti linken olvashatja. Ügyeljen arra, hogy guglizva értelmetlen zagyvalékká fajul. Csak akkor szaladjon neki, ha megy a műszaki angol. https://audioxpress.com/article/the-internal-life-of-vacuum-tubes
