Měření vnitřního odporu elektronek v pulsním režimu

      15.8.2010 V diskusi s několika lidmi jsme vedli polemiku, jaký asi může být limitní anodový proud u výkonových elektronek dosažitelný při dovoleném maximálním anodovém napětí, avšak nikdo neměl k dispozici konkrétní ověřenou hodnotu. V katalogu obvykle takový údaj nenajdeme (jen u speciálních elektronek pro impulsní použití např. do radarů) a běžně udávaný maximální anodový proud pro trvalý provoz zdaleka nevypovídá o skutečných možnostech lampy. Proto jsem se rozhodl odměřit několik vybraných elektronek z širší výkonové škály.
      Emisní proud katody závisí na použitém materiálu (výstupní práce, koeficient odrazu pro elektrony), ploše a teplotě. Přesný vztah je uveden zde, podrobnější informace o funkci elektronek zde a zde. Např. pro wolframovou katodu žhavenou na teplotu 2500 K vychází emisní proudová hustota na 5000 A/m2, pro thoriovaný wolfram při 2000 K asi 50000 A/m2 a pro oxidové katody při 1100 K až 100000 A/m2. Plochu katody lze jen odhadnout z konstrukce elektronky by woko. Případně se uvádí emisní účinnost katody v mA/W (katodový proud na 1 Watt žhavicího výkonu). Pro katodu z thoriovaného wolframu je to 50 - 100 mA/W, takže např. pro elektronku GU-81M se žhavením 12,6 V, 11A vychází žhavicí příkon 138 W a max. katodový proud 6,9 - 13,8 A, tedy nejméně 10x více než trvalý dovolený anodový proud.
      Pokud je anodové (a taky mřížkové) napětí dostatečně vysoké, že eliminuje vliv prostorového náboje kolem katody, který by jinak zapuzoval nově emitované elektrony zpět, měly by teoreticky všechny elektrony doputovat k anodě (a mřížkám). Při dalším zvyšování anodového napětí se již proud zvyšovat nebude (neuvažujeme-li extrémní hodnoty napětí, schopné vytrhávat elektrony i ze studeného kovu), bylo dosaženo stavu saturace (nasycení), odtud plyne saturační proud. Pokud bychom z elektronky trvale ždímali takto vysoký proud, dojde pochopitelně k výraznému zkrácení životnosti (poklesu emise katody na nepoužitelně nízkou hodnotu). Pokud ale bude elektronka pracovat v pulsním režimu, kdy střední hodnota proudu zůstane pod dovoleným limitem, nemělo by to až tak vadit. Toho se dá využít i ve dvojčinných audio zesilovačích (ve třídě AB a B), kde obvykle zpracováváme hudební signál s nízkým středním efektivním výkonem a přitom je potřeba zachovat dynamické výkonové špičky. Podobně také ve VF zesilovačích nebo oscilátorech ve třídě C, kde je úhel otevření menší než 180°. Je však třeba si uvědomit, že větší anodový proud se obvykle podaří vybudit až kladným napětím na mřížce, kdy začíná téct mřížkový proud a předchozí budící stupeň ho musí umět dodat (buzení napětím vs výkonem). Také se nesmí překročit max. výkonová ztráta mřížky, která nebývá nijak veliká.
      Zde jsou vybraní adepti na měření:

měřené elektronky
1. řada zleva: PL504, 6P45S, 6S33S-V, GMI-83
2. řada zleva: GU-81M, GMI-90

lampa systém Uf [V] If [A] Pf [W] Ua [V] Ia [A] Pa [W] S [mA/V]
PL504 sv. tetroda 27 0,3 8,1 250 / 7kV* 0,44 15 ~20
6P45S sv. tetroda 6,3 2,5 16 900 / 8kV* 0,8 35 18
6S33S-V trioda 12,6 3,3 42 450 0,6 60 40
GMI-83 tetroda 25 2 50 20kV* 15* 65 -
GMI-90 tetroda 50 7 350 33kV* 36* 140 -
GU-81M pentoda 12,6 11 138 3000 0,6 600 6
* pulsní hodnoty pro ton = 18µs, 18µs, 2,5µs, 3µs

      Nejprve jsem si cvičně zkusil změřit anodovou a mřížkovou charakteristiku nepřímo žhavené triody 6S33S-V. V baňce lampy jsou umístěny 2 stejné elektrodové systémy, které mají vzájemně propojené katody, mřížky a anody. Žhavicí vlákna jsou vyvedena samostatně, takže je lze zapojit buď sériově nebo paralelně, případně nechat jednu polovinu odpojenou jako zálohu. Dočetl jsem se, že se tato elektronka používala v napěťových regulátorech sovětských stíhaček MiG-25. Pro svůj extrémně nízký vnitřní odpor a dobré vlastnosti se s oblibou také používá v audio zesilovačích OTL (Output Transformer Less - čili bez výstupního trafa). Kdyby mi ti kokoti z Český pošty nerozmlátili druhou lampu, mohl jsem taky vyzkoušet dvojčinné OTL. V GESu lze pro tuto lampu koupit keramickou patici a výstupní transformátor pro jednočinný zesilovač. Zde je naměřená anodová charakteristika:

6S33S-V Ug = 0 V Ug = -10 V Ug = -20 V Ug = -35 V
Ua [V] Ia [mA] Ia [mA] Ia [mA] Ia [mA]
0 0 0 0 0
10 67 0 0 0
20 176 1 0 0
30 313 28 0 0
40 476 88 3 0
50 657 175 24 0
60 864 289 68 1
70 1100 431 139 5
80 - 600 232 20
90 - 799 350 53
100 - 1030 488 100
110 - - 668 168
120 - - 880 260
130 - - 1130 380
140 - - - 533
150 - - - 704

anodová charakteristika 6S33S-V

a mřížková charakteristika:

Ua = 50 V       Ua = 100 V  
Ug [V] Ia [mA] Ig [mA] S [mA/V] Ia [mA] S [mA/V]
-35 0 0 0,5 120 22,3
-25 5 0 2,3 343 32,7
-22 12 0 5,0 441 43,0
-20 22 0 7,0 527 47,0
-18 36 0 14,0 621 59,5
-16 64 0 12,5 740 55,0
-14 89 0 16,5 850 48,0
-12 122 0 29,0 946 42,0
-10 180 0 31,0 1030 -
-8 242 0 34,5 - -
-6 311 0 48,5 - -
-4 408 0 57,0 - -
-2 522 0 72,5 - -
0 667 0 66,5 - -
+2 800 20 65,0 - -
+4 930 62 68,5 - -
+6 1067 111 - - -

mřížková charakteristika 6S33S-V

Z toho je vidět, že největší strmosti a dobré linearity lze dosáhnout při malém anodovém napětí a velkém anodovém proudu blížícím se max. dovolené hodnotě.
      Pro měření max. pulsního katodového proudu jsem si postavil jednoduchý obvod s modulací v katodě pomocí MOSFETu IRF740, ten se však během měření šlehnul a tak jsem ho nahradil silnějším IRFP450 na 500 V. Pro napájení anody jsem použil regulační autotransformátor s usměrněným výstupem a macatým vyhlazovacím elytem 2,2 mF / 400 V. Regulák při vytočení na maximum akorát dával špičkovou hodnotu 400 V. Mřížku g1 jsem pro jistotu připojil k anodě přes odpor (v případě měření elektronky 6S33S-V to bylo 3,9 kΩ a u ostatních lamp 330 Ω) a další mřížky přímo na anodu. Katodový proud jsem snímal digitálním paměťovým osciloskopem jako úbytek napětí na bezindukčním bočníku 30 mΩ, tedy I = U*33 [A; mV].

schema pro měření pulsního katodového proudu

      Bylo potřeba, aby generátor budících impulsů pro MOSFET byl galvanicky oddělený od země a tak jsem použil svoji bastldesku s ATMEL ATmega32 napájenou z 12V olověného akumulátoru. Výstupní port AVRka jsem ještě posílil jedním trandem KC509 s odporem 390 Ω v kolektoru, což dávalo za MOSFETem hranu kolem 250 ns. Procesor při stisku tlačítka vygeneroval 1 impuls dlouhý přesně 10 ms, ale to už moc klesalo napětí na anodě (elytu) a tak jsem impuls zkrátil na 1 ms. Špičková hodnota katodového proudu se tím nijak nezměnila. Zkoumal jsem, zda-li nebude na náběžné hraně náhodou vidět nějaký překmit vyvolaný náhlým odblokováním nahromaděného elektronového mraku kolem katody, ale byly tam pouze nějaké zákmity od parazitních indukčností drátů a elytu. Tento děj zřejmě trvá jen zlomky ns, takže ho prakticky nemůžu zachytit. Katodový proud jsem změřil pro několik hodnot anodového napětí a spočítal vnitřní odpor. Zde je pulsní měření 6S33S-V:

Ug = 0 V     Ug = Ua (3,9 kΩ)
Ua [V] Ik [A] Ri [Ω] Ik [A] Ri [Ω]
50 0,70 71,4 0,90 55,6
100 1,74 57,5 2,16 46,3
150 3,04 49,3 3,63 41,3
200 4,55 44,0 5,35 37,4
250 6,20 40,3 7,26 34,4
300 7,92 37,9 9,24 32,5
350 9,50 36,8 11,09 31,6

max. proudový impuls 10 ms, Ua = 350 V
max. proudový impuls 1 ms při Ug = 0 V, Ua = 350 V
max. proudový impuls 1 ms při Ug = Ua = 350 V přes odpor 3,9 kΩ

vnitřní odpor 6S33S-V

Jak je vidět z grafu, vnitřní odpor monotónně klesá a díky mohutné katodě a malé vzdálenosti mřížky s anodou dosahuje opravdu nízkých hodnot. Absolutní hodnota katodového proudu při takto nízkém anodovém napětí je nejvyšší ze všech měřených elektronek a to jsem se ani nedostal do saturace. Kdybych šel s anodovým napětím ještě výš, dostal bych asi 1,5x až 2x tolik.

      Další měřenou elektronkou je nepřímo žhavená svazková tetroda (někde značená jako pentoda) PL504, která se dříve používala v koncovém stupni řádkového rozkladu černobílých televizorů Tesla. Díky snadné dostupnosti a nízké ceně se také často používá v audio zesilovačích OTL (obvykle tak 4 a více paralelně), ale někteří audiofilové nad těmito "spínacími" elektronkami ohrnují nos.

Ug = Ua (330 Ω) PL504
Ua [V] Ik [A] Ri [Ω]
50 0,49 102,0
100 1,02 98,0
150 1,80 83,3
200 2,60 76,9
250 3,52 71,0
300 4,36 68,8
350 5,54 63,2

max. proudový impuls 1 ms při Ug = Ua = 350 V přes odpor 330 Ω

vnitřní odpor PL504

Vnitřní odpor klesá monotónně po mírně vyvlněné křivce (asi vliv změny napětí na mřížkách). Katodový proud je menší, ale pořád dost velký na to, že jde o nejmenší lampu v testu.

      Další měřenou elektronkou je nepřímo žhavená svazková tetroda 6P45S, která se dříve používala v koncovém stupni řádkového rozkladu barevných sovětských televizorů. Ruská firma Světlana ji vyrábí dodnes. U nás se vyskytovaly obdobné elektronky pod označením PL509 a EL509, ale ta sovětská má robustnější konstrukci. Jsou poměrně dobře dostupné a taktéž se používají v audio zesilovačích OTL.

Ug = Ua (330 Ω) 6P45S
Ua [V] Ik [A] Ri [Ω]
50 0,78 64,1
100 1,50 66,7
150 2,18 68,8
200 2,54 78,7
250 2,84 88,0
300 3,23 92,9
350 3,44 101,7

max. proudový impuls 1 ms při Ug = Ua = 350 V přes odpor 330 Ω

vnitřní odpor 6P45S

Vnitřní odpor s napětím nezvykle narůstá a dosažený max. katodový proud je dost malý. Očekával jsem, že dostanu až 2x tolik oproti PL504. Zajímavý je také zřetelný pokles temene impulsu proudu. Zřejmě už lampa není v nejlepší kondici. Druhý kus dopadl při měření dost podobně. Lampy byly vybrakovány z televizí a možná jsem je ještě kdysi sám trápil nějakými experimenty. Nepoužitou bohužel v zásobě nemám.

      Další měřenou elektronkou je nepřímo žhavená pulsní radarová tetroda GMI-83 o které nemám bližší informace. Katoda je masivní, složená ze 4 nepřímo žhavených elementů.

Ug = Ua (330 Ω) GMI-83
Ua [V] Ik [A] Ri [Ω]
50 0,43 116,3
100 1,08 92,6
150 1,80 83,3
200 2,44 82,0
250 3,17 78,9
300 4,03 74,4
350 5,35 65,4

max. proudový impuls 1 ms při Ug = Ua = 350 V přes odpor 330 Ω

vnitřní odpor GMI-83

Vnitřní odpor klesá monotónně po vyvlněné křivce. Vzhledem k jmenovitým parametrům jsem se při tak nízkém anodovém napětí nemohl k saturaci přiblížit.

      Další měřenou elektronkou je veliká nepřímo žhavená pulsní radarová tetroda GMI-90. Katoda je masivní, složená ze 4 nepřímo žhavených elementů (2 a 2 elementy spojené paralelně a každý pár vyvedený na samostatné kolíky) s největším žhavicím příkonem ze všech testovaných lamp. Kvůli vysokému anodovému napětí má však anodu nejdále od katody.

Ug = Ua (330 Ω) GMI-90
Ua [V] Ik [A] Ri [Ω]
50 0,96 52,1
100 1,03 97,1
150 2,32 64,7
200 3,56 56,2
250 4,42 56,6
300 5,48 54,7
350 7,52 46,5
400 8,32 48,1

max. proudový impuls 1 ms při Ug = Ua = 400 V přes odpor 330 Ω

vnitřní odpor GMI-90

Graf vnitřního odporu má na začátku jedno ostré maximum a pak je přibližně konstantní. Pro takhle velkou lampu to ale bylo jen malé šolichání.

      Poslední měřenou elektronkou je přímo žhavená výkonová pentoda GU-81M s katodou z thoriovaného wolframu. Její pracovní teplota je vysoká, takže za provozu svítí jak žárovka. Používá se pro výkonové oscilátory a VF zesilovače. Je relativně dobře dostupná (z armádních skladů se vyřazovaly tisíce kusů) a tak je oblíbená mezi radioamatéry v koncových stupních vysílačů a mezi teslisty ve VTTC.

Ug = Ua (330 Ω) GU-81M
Ua [V] Ik [A] Ri [Ω]
50 0,30 166,7
100 0,59 169,5
150 1,02 147,1
200 1,37 146,0
250 1,87 133,7
300 2,38 126,1
350 2,71 129,2
400 3,43 116,6
500 4,34 115,2
600 5,20 115,4
700 5,77 121,3
800 5,96 134,2
900 6,27 143,5
1000 6,58 152,0

max. proudový impuls 1 ms při Ug = Ua = 400 V přes odpor 330 Ω
max. proudový impuls 1 ms při Ug = Ua = 1000 V přes odpor 330 Ω

vnitřní odpor GU-81M

Protože má tato lampa díky použité katodě větší vnitřní odpor, rozhodl jsem se nakonec zvýšit testovací anodové napětí. Za regulák jsem zapojil MOT s jednocestným usměrňovačem a dvěma kondenzátory z mikrovlnné trouby o kapacitě 1 µF. Takto malá kapacita už nestíhala vykrýt 1ms impuls a tak je na oscilogramu zřetelně vidět vybíjecí exponenciála. Nicméně zajímavá je špičková hodnota proudu. Spínací MOSFET v katodě jsem vyměnil za vysokonapěťový IGBT. Jak je z grafu vidět, nejnižší vnitřní odpor byl dosažen kolem 500 - 600 V a při dalším zvyšování anodového napětí opět roste. Kolem 1000 V už anodový proud roste velmi málo. Myslím, že zde jsem se už saturaci hodně přiblížil.


Statické měření emise katody

      3.6.2011 V téže diskusi prezentoval jeden pán jednoduchý a údajně zaručený postup na statické měření emise katody elektronky, zde cituji: "Můžete udělat zajímavý výzkum, že vždy budete zapisovat dobu provozu, a takzvanou emisi. Při ní se elektronka jen žhaví, a mezi katodu a anodu se bez napětí připojí jen mikroampérmetr (asi 100 µA). Uvidíte, že po každém provozu bude emise pronikavě menší." Tento postup jsem už dříve v rychlosti zkoušel, ale dával výsledky s velikým rozptylem při měření elektronek stejného typu a navíc byly hodnoty proudu i časově nestabilní, proto jsem k tomuto způsobu měření skeptický. Dnes jsem si večer udělal čas a spolu s jedním kolegou ze Slovenska (byli jsme ve spojení přes ICQ) jsme udělali podrobnější měření.

schema zapojení měření emise bez napětí

      První přišla na řadu sovětská svazková tetroda 6P45S. Protože mezi katodou a anodou, g3 ani g2 jsme nezjistili žádný rozumně měřitelný proud (mám na digitálním multimetru rozlišení na desetiny  µA), rozhodli jsme se měřit proud mezi katodou a g1. U jedné lampy jsem naměřil 133 µA (měla za sebou i nějaký provoz ve VTTC) a u další pouhých 1,1 µA. Zatímco kolega naměřil dokonce 2,6 mA. Další kolega naměřil 133 µA a 160 µA. Dále jsme měřili svazkovou tetrodu PL504 od Tesly, já naměřil 183 µA a kolega 1 mA. Pak kolega měřil 3 kousky koncové pentody PL82, kde u dvou nových naměřil 800 µA a 753 µA a u viditelně použité 350 µA. Pak přišly na řadu koncové pentody EL34, kterých jsem změřil asi 10. 3 z nich byly v origo krabičkách zabalené do papíru, zřejmě nepoužité a zde se proud pohyboval 330 - 410 µA, zatímco u těch použitých (nijak to nekorelovalo se začouzením baňky) to bylo v rozsahu 110 - 230 µA. Kolega naměřil u dvou nových kousků 350 µA a 380 µA a u další, která byla asi 10 h v provozu v zesilovači naměřil 300 µA. Tak alespoň zde jsme se shodli. Další kolega naměřil u dvou použitých kousků 12 µA a 100 µA. Nakonec jsem změřil dvě dederonský triody EC360, jedna dávala 230 µA a druhá 610 µA. Také jsem během měření zjistil, že proud je závislý na okolním osvětlení - když jsem zhasnul, poklesl klidně o 30 µA. Možná závisí i na křivém pohledu :)
      Touto metodou lze zřejmě rozeznat nové elektronky od použitých, ale poměry takto naměřených proudů nemají žádnou vypovídací hodnotu o tom, jak si elektronka povede v reálném zapojení s pracovním napětím a proudem. Provedl jsem tedy další měření, kdy jsem nejprve mřížku triody připojil na zdroj Ug = +5 V a měřil mřížkový proud Ig a dále jsem spojil mřížku s katodou a připojil zdroj anodového napětí Ua = +35 V (pak +70 V) a měřil katodový proud Ik. U pentody bylo ještě nutno přivést napětí na g2, kde jsem použil stejné napětí jako na anodě Ug2 = Ua. Do g2 teklo asi 9 mA.

schema zapojení měření emise při provozním napětí

měření 1. EC360 2. EC360 poměr
Ig, @Ug = 0, Ua = 0 230 µA 610 µA 1 : 2,65
Ig, @Ug = +5 V, Ua = 0 54 mA 63 mA 1 : 1,17
Ik, @Ug = 0, Ua = +35 V 164 mA 193 mA 1 : 1,18
Ik, @Ug = 0, Ua = +70 V 413 mA 483 mA 1 : 1,17

      Jak je vidět, poměr proudů při provozním napětí je mnohem vyrovnanější než bez napětí (i když každá elektronka má od výroby trochu jinou charakteristiku) a se změnou napětí zůstávají proudy obou elektronek v proporci. Při měření 6P45S dokonce došlo k paradoxu, kdy lampa s výrazně menším proudem bez napětí měla po připojení napětí větší katodový proud.

měření 1. 6P45S 2. 6P45S poměr
Ig, @Ug = 0, Ua = Ug2 = 0 před 1,1 µA 133 µA 1 : 121
Ik, @Ug = 0, Ua = Ug2 = +70 V 411 mA 291 mA 1,41 : 1
Ig, @Ug = 0, Ua = Ug2 = 0 po 1,3 µA 164 µA 1 : 126

      10.10.2011 Dnes se mi ozval na mail pan Matúš Ivanoc a reportoval mi své zkušenosti s touto metodou 'měření' emise. Porovnával použité elektronky EL34 od Tesly a RFT s novými od JJ. Přestože Tesla dávala proud 320 µA a RFT dokonce 410 µA, vykazovaly podle měřiče elektronek malou strmost a slabý anodový proud oproti katalogovým hodnotám. Do zesilovače už byly nepoužitelné. Naproti tomu úplně nové EL34 od JJ dávaly proudy v rozmezí jen 250 - 290 µA. Další ukázka toho, že se tato metoda moc nehodí na vzájemné porovnávání, max. tak možná na relativní porovnání při stárnutí 1 kusu.

      24.1.2014 Radek napsal do diskuse výsledky měření proudu mřížka - katoda (bez napětí na dalších elektrodách) 20 kusů EL34 ze svých zásob (byly zakrabičkované, pravděpodobně nepoužité). Naměřené hodnoty se pohybují v rozsahu 273 - 578 µA, průměrná hodnota je 405 µA a směrodatná odchylka 84, což se blíží předchozím měřením. Bohužel však neprovedl žádné statické měření v konkrétním pracovním bodě, takže těžko z těchto čísel něco vyvozovat.

EL34 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Ig [µA] 354 434 489 547 375 390 366 578 310 388 289 422 325 478 515 360 273 320 470 422

EL34 Ig histogram 20 kusů

      25.1.2014 Kolega ze Slovenska, s kterým jsme kdysi měřili, napsal do diskuse čerstvé výsledky měření proudu mřížka - katoda (bez napětí na dalších elektrodách) 6 kusů ruských pentod 6P14P-EV. Tyto elektronky byly nepoužité, z jedné výrobní šarže č.15, vyrobeny v prosinci 1977. Přípona EV značí nízkotoleranční provedení s dlouhou životností. Elektronky byly žhaveny součastně ze společného napájecího zdroje 6,3 V a měřeny ve 3 časových odstupech (po 0,5 h, 14 h a 20 h). Proudy se pohybovaly v rozsahu 3 - 265 µA a měnily se i výrazně v čase u jednotlivých kusů. Největší změna nastala u vzorku č. 5 a to o celý jeden řád. Na závěr bylo ještě provedeno standardní statické měření v pracovním bodě Ua = Ug2 = 130 V, Ug1 = Ug3 = 0 V, kde se anodové proudy pohybovaly v poměrně úzkém rozsahu 52,8 - 56,8 mA (jeden pár kolem 52 mA a zbylá čtveřice kolem 56 mA). Opět se zde neprokázala žádná korelace s měřením 'emise' bez napětí, více už o tom asi nemá smysl psát...

měření Ig 6ks 6P14P-EV



Zpět

Aktualizováno 27.1.2014 v 11:15

Sportovní potřeby a vybavení pro sportovce