De waarheid over zendbuis vermogen in Class A
Aanleiding voor deze publicatie over Zendbuis vermogen in Class A is de DIY Middengolf Zender. De 807 buis in de eindtrap beloofde in Class A ongeveer 10-12 Watt vermogen op te leveren. En in de praktijk wist ik met veel pijn en moeite 6 watt te realiseren.
Wat deed ik verkeerd?
Een intensieve zoektocht begon en raadpleging van collega’s met boeiende zender zelfbouw ervaringen. Die collega’s bevestigden wel mijn ervaringen dus blijkbaar had ik niets verkeerd gedaan.
Zo meldde Robert me vanuit Oldina (Australië) dat hij maximaal 80 Watt haalde uit een buis die volgens de specificaties in Class C stond voor 330 Watt en in Class A voor maximaal 160 Watt.
En Frits uit Etten-Leur vertelde me dat ARRL de rekenregel voor de belastingweerstand heeft aangepast.
Maar het echte antwoord vond ik pas toen ik het boek ‘Vacuum Tubes Circuits’ in huis kreeg. Ik vond dit boek van professor Lawrance Baker Arguimbau, geschreven in 1948, op Amazon.com. Ik bestelde het in de hoop antwoorden op vraagtekens te vinden.
Zeven weken later wordt dit boek bezorgd. Ja ja, de Post service gaat niet snel maar komt er uiteindelijk wel.
Wat deed ik verkeerd met die 807?
Deze belevenis lijkt wel wat op mijn ervaringen met zin en onzin met vermogen van Audio versterkers. Al is het hier niet marketing die de fout maakt maar de interpretatie die mijn collega amateurs en ik aan buizen specificaties geven.
Lees even met me mee.
Het begint met de buisspecificaties. Ik haal de specs van de 807 er als voorbeeld even bij.
Op deze officiële spec staat toch echt dat deze buis bij 500 V anode spanning en 200 V schermroosterspanning in Class A een vermogen van 11 watt kan leveren. Andere specificatie geven zelfs 12,5 Watt aan bij 600 Volt.
Deze specificatie geeft bij deze Class A configuratie een belasting weerstand 6000 ohm aan.
Zendbuis vermogen in Class A
Een anode spanning van 500V en een stroom van 50 mA geeft een theoretische belasting op de voedingsspanning R=U/I = 500/50 is 10 kΩ. Gedeeld door twee geeft idealiter een belastingweerstand voor de buis van 10/2 =5 kΩ.
Want de hoogste vermogensoverdracht van een spanningsbron vindt plaats als de inwendige weerstand van de spanningsbron (hier de 807 buis) gelijk is aan de uitwendige weerstand (de belasting) aangesloten op de anode.
Collega Frits gebruikt 1,87*I en dat is logisch. Hij werkt voornamelijk SSB en in een Class B eindtrap (A of B is de enige optie in SSB) kom je nooit aan een E-min van nul Volt. Nooit aan 100% modulatie. Frits wees me er op dat recent door ARRL voor de belasting weerstand een hogere waarde wordt aangehouden. De formule is nu R=U/1,8*I.
Ofwel 500/(50*1,8)= 5500 ohm.
En buizen fabrikant RCA ging dus nog iets verder door 6000 Ohm aan te houden. En achteraf bezien is dat ook logisch. Want een Class A eindbuis komt ook nooit op een E-min van nul Volt. RCA houd 80% modulatie aan voor Class A.
Allleen in Class C komt de Anode op nul Volt en is de rekenregel U/I*2 van toepassing.
In mijn zender was ik, zonder er bij na te denken, uit gegaan van die 6000 ohm in de specs, op deze plaatst in het Pi-filter een 390 pF condensator gemonteerd die in de praktijk 392 pF meette.
Dan kom ik uit op een geleverd vermogen van 43 mA* 6000 ohm = 258V spanning over de belasting. P=U*I = 258V * 43mA = 11 Watt.
11 Watt is wat de specificaties opgeven als maximaal vermogen voor deze buis in Class A.
Maar dit alles is klein bier bij wat professor Arguimbau me leert.
Zendbuisvermogen in Class A is
een kwart van het vermogen in Class C
Zendbuis vermogen in Class A is een kwart van het vermogen in Class C betekent dat mijn 807 zendbuis in de DIY Middengolf Zender nooit meer dan 6 watt kan produceren.
Hoe kan dat als de fabrikanten 10-12 watt in hun specificaties opgeven?
Laten we kijken hoe dat kan.
Tot nu toe rekende we vanuit gelijkspanning en gelijkstroom. Dat doen de fabrikanten in hun specs ook. Maar een eindbuis in onze zender moet wisselspanning en wisselstroom produceren.
Hoe ziet dat er uit in Class A?
OP de afbeelding zie je een IA/-VG karakteristiek. In deze afbeelding neem ik een EL84 als voorbeeld omdat ik deze karakteristiek voor een 807 nergens kon vinden. De Anode spanning is in deze grafiek 250V evenals de schermroosterspanning.
Wat je ziet is de relatie tussen een negatieve spanning op het stuurrooster (-Vg) en de anode stroom (Ia).
Lage signaal vervorming
In Class A, klasse A wil je een zo laag mogelijke signaal vervorming realiseren.
Dat kan ook als je werkt in het rechte deel van de karakteristiek. Het deel voor de linkse curve tussen de twee rode pijlen. De schermroosterspanning is bij deze curve ook 250V (in de rechtse curve is de schermroosterspanning 210V maar die curve negeren we nu even).
Wat je ziet is dat tussen de -5V en de -10V op het stuurrooster die rechte lijn voor weergave van de anodestroom niet helemaal recht is maar voor een buis toch redelijk aanwezig is.
Wat betekent dit voor het uitgangsvermogen van die EL84?
Wat betekent dat voor het zendbuisvermogen in Class A van die EL84?
Stel dat de anode belasting weerstand 5000 ohm is. Het stuurrooster staat vooringesteld op -7,5 V en er wordt een wisselspanning signaal van 2,5 V aangesloten.
Je ziet in de grafiek dat de anodestroom gaat wisselen tussen 20 en 80 mA. De spanning over 5000 ohm belasting gaat wisselen tussen 20 mA * 5000 ohm is 100 V en 80 mA * 5000 ohm is 400 V.
Dat is een verschil van 300 V top spanning – minimale spanning. Ofwel E-maximaal – E-minimaal.
Dat verschil van 300 VPP deel je door 2 en dan heb je een wisselspanning van 150 V. (pp= piek tot piek).
Het signaalvermogen (piekvermogen) dat over de belasting weerstand wordt afgegeven zou dan zijn I*U is 50mA * 150V = 7,5 Watt. Dat is ruim 5 Watt effectief vermogen. Geen gekke waarde voor deze buis.
Helaas Mis!
We zullen verderop zien dat het werkelijke uitgangsvermogen hier slechts 1,75 Watt is. Wat klopt er niet in onze redenering?
De praktijk is anders
De spanningen die we in voorgaande berekeningen gebruikten kun je in een laboratorium situatie nabootsen maar in onze Zenders werkt het heel anders!
In werkelijkheid is die anodespanning bij 20mA al met 100V gezakt en is dus nog maar 150V. En de stroom van 80 mA wordt nooit gehaald want bij 50 mA zou het spanningsverlies over de belasting weerstand al 250 V zijn! Dat is gelijk aan de voedingsspanning.
De Anodespanning is dynamisch
Bijgaande afbeelding laat de anode -spanning en -stroom zien bij een buis met Class A instelling.
Je ziet hoe bij een stijgende anodestroom de anodespanning fors zakt. Dit is het gevolg van de spanningsval die de stroom over de belasting weerstand veroorzaakt.
De voornaamste taak van een Zendbuis
Nu is het de taak van een Zendbuis om gelijkstroom vermogen geleverd door een voedingsapparaat om te zetten in wisselstroomvermogen dat aan een antenne kan worden geleverd.
Die vermogensomzetting van een Zendbuis in Class A kunnen we in een formule vatten zoals onderstaand plaatje laat zien.
Uit de voorgaande figuur begrepen we al dat rekenen vanuit gelijkstroom begrippen tot onjuiste conclusies leidt. Maar dat is precies wat de fabrikanten met hun buiskarakteristieken doen!
Die karakteristieken kloppen natuurlijk wel in laboratorium condities maar in de praktijk hebben we daar niet heel veel aan. Wat voor ons vooral interesseert is het wisselstroom vermogen dat onze schakeling oplevert.
Conclusie: Zendbuis vermogens in Class A
(Professor Lawrence Baker Arguimbau blz. 241)
Zelfs als de E-min daalt naar nul Volt is het maximale rendement van een Zendbuis in Class A 25 % van het geïnvesteerde gelijkstroomvermogen.
Plakken we die conclusie op het hiervoor berekende uitgangsvermogen voor de EL84 schakeling dan is het werkelijke uitgangsvermogen daar 7,5/4 = 1,75 Watt.
In Jip en Janneke Taal
Van het geleverde gelijkstroom vermogen gaat globaal 50% op in de zendbuis en 50% in de belasting.
Bij de omzetting van gelijkstroom naar wisselstroom in Class A halveert (50%) de wisselstroomspanning ten opzichte van het gelijkstroomspanningsverschil.
Het geleverde uitgangsvermogen is daarom 50% van 50% is 25% van het geleverde gelijkstroomvermogen.
Conclusie overall
Onze DIY Middengolf Zender werkt prima. 6 Watt antennevermogen is het maximum dat een 807 buis in Class A kan leveren. Die 6 Watt is 50% van het gelijkstroom vermogen dat de grafiek en specificatie van de buizenfabrikant vermeldt.
Nawoord, hoe zit dat dan bij een Class C instelling?
Kort door de bocht en zonder af te dwalen in abstracte theorie.
Bij een Class A instelling in de Zendbuis die een gemoduleerd signaal verwerkt verzwakt het audio signaal de amplitude van het ongemoduleerde de RF signalen (zie afbeelding links).
Bij een zendbuis met Class C instelling en Anode modulatie versterkt het audio signaal het RF signaal.
Het audiosignaal wordt hierbij in serie geplaatst met gelijkspanning voor de Anode van de Zendbuis. Dit audio signaal zal afwisselend optellen en aftrekken van de gelijkspanning.
De audio versterker die dit audio signaal levert moet dan voldoende vermogen leveren om de anodestroom van de Zendbuis te volgen en daarbij 50% van de anodespanning toe te voegen.
Als het audiosignaal met voldoende vermogen de juiste amplitude (spanning) levert, kan dit veroorzaken dat de totale Anode spanning beweegt tussen Nul Volt en twee maal de door de voeding aangeboden gelijkspanning. Als deze conditie optreedt spreken we van 100% modulatie.
Als we een twee maal zo hoge spanning aanbieden op het Antenne circuit zal de stroom ook twee maal zo hoog worden. Het geleverde vermogen wordt dus 2*2 is 4, vier maal zo hoog als gevolg van modulatie.
Een 807 Zendbuis die in Class A maximaal 6 Watt levert kan in Class C wel 20-25 Watt leveren.
-
Koos
Terug van De waarheid over Zendbuis vermogen in Class A naar de Radio Amateur Diverse
