Вакуумдық түтікшелер күшейткіштерінің тарихы мен қолданылуы

Кіріспе

Электрондық күшейткіштің түрі – клапандық (вакуумдық түтікшелік) күшейткіштер.

Клапандық күшейткіш немесе түтікшелік күшейткіш – сигналдың амплитудасын немесе қуатын арттыру үшін вакуумдық түтікшелерді пайдаланатын электрондық күшейткіштің түрі. Микротолқындардан төмен жиіліктегі төмен және орташа қуатты клапандық күшейткіштер 1960 және 1970 жылдары қатты күйдегі күшейткіштермен көбінесе алмастырылды. Клапандық күшейткіштер гитара күшейткіштері, DirecTV және GPS сияқты спутниктік қайталағыштар, жоғары сапалы стерео күшейткіштер, әскери қолданыс (мысалы, радар) және өте жоғары қуатты радио және КВЧ теледидар таратушылары сияқты қолданулар үшін пайдаланылуы мүмкін.

Шығу тегі

1947 жылы транзистордың ойдағыдай табылуына дейін жоғары жиілікті электрондық күшейткіштердің көпшілігі термоэлектрондық клапандарды қолдану арқылы жасалған. Ең қарапайым клапан (екі электроды болғандықтан диод деп аталды) 1904 жылы Лондондағы «Marconi» компаниясында жұмыс істеген Джон Амброз Флемингтің ойлап табуы болды. Диод электр тоғын тек бір бағытта өткізеді және радиодетектор ретінде, сондай-ақ түзеткіш ретінде қолданылды. 1906 жылы Ли Де Форест үшінші электродты қосып, алғашқы электрондық күшейткіш құрылғыны – триодты ойлап тапты, оған «Аудион» деген ат берді. Бұл қосымша басқару тор катод пен анод арасындағы тоқ ағынын модуляциялайды. Ток ағыны мен пластина және тор кернеуі арасындағы қатынас көбінесе диаграммада «сипаттамалық қисықтар» сериясы түрінде көрсетіледі. Схемадағы басқа компоненттерге байланысты, бұл модуляцияланған тоқ ағыны тоқ немесе кернеуді күшейту үшін пайдаланылуы мүмкін. Клапанды күшейтудің алғашқы қолданылуы – алыс қашықтықтағы телефон сигналдарын жаңарту болды. Кейіннен клапанды күшейту отызыншы жылдардың басында пайда болған «радиобайланыс» нарығына қолданылды. Бірте-бірте музыка және кейін теледидар үшін де клапандарды қолдана отырып күшейткіштер жасалды. Осы кезеңде басым схемалық топология – A класында жұмыс істейтін, өте жақсы дыбыс беретін (және өлшенген бұрмалау көрсеткіштері жақсы болатын) бір ұшты триодтық күшейткіш сатысы болды, бұл өте қарапайым схемалармен және азау компоненттермен қамтамасыз етілді: компоненттер қолмен жасалған және өте қымбат болған кезде бұл маңызды болды. Екінші дүниежүзілік соғысқа дейін барлық клапанды күшейткіштердің күшеюі төмен болды және сызықтығы клапанның өзінің ішкі сызықтығына толығымен тәуелді болды, әдетте толық қуатта 5% бұрмалау байқалды. Теріс кері байланыс (ТКБ) 1927 жылы Гарольд Стивен Блэкпен ойлап табылды, бірақ бастапқыда аз қолданылды, себебі сол кезде күшею бағалы болды. Бұл техника күшейткіштерге бұрмалау деңгейін төмендету үшін күшеюден бас тартуға мүмкіндік береді (сондай-ақ төмен шығыс кедергісі сияқты басқа да артықшылықтарды ұсынады). 1947 жылы Уильямсон күшейткішінің енгізілуі, оның ішінде ТКБ-ны табысты қолдану, көптеген жағынан өте жетілдірілген, AB1 класындағы итермелі-тартымды шығыс схемасын жұмыс істету арқылы аудио қуат күшейткіш дизайнындағы маңызды өзгеріс болды.

Until the invention of the transistor in 1947, most practical high frequency electronic amplifiers were made using thermionic valves. The simplest valve (named diode because it had two electrodes) was invented by John Ambrose Fleming while working for the Marconi Company in London in 1904. The diode conducted electricity in one direction only and was used as a radio detector and a rectifier. In 1906 Lee De Forest added a third electrode and invented the first electronic amplifying device, the triode, which he named the Audion. This additional control grid modulates the current that flows between cathode and anode. The relationship between current flow and plate and grid voltage is often represented as a series of "characteristic curves" on a diagram. Depending on the other components in the circuit this modulated current flow can be used to provide current or voltage gain. The first application of valve amplification was in the regeneration of long distance telephony signals. Later, valve amplification was applied to the 'wireless' market that began in the early thirties. In due course amplifiers for music and later television were also built using valves. The overwhelmingly dominant circuit topology during this period was the single ended triode gain stage, operating in class A, which gave very good sound (and reasonable measured distortion performance) despite extremely simple circuitry with very few components: important at a time when components were handmade and extremely expensive. Before World War II, almost all valve amplifiers were of low gain and with linearity dependent entirely on the inherent linearity of the valve itself, typically 5% distortion at full power. Negative feedback (NFB) was invented by Harold Stephen Black in 1927, but initially little used since at that time gain was at a premium. This technique allows amplifiers to trade gain for reduced distortion levels (and also gave other benefits such as reduced output impedance). The introduction of the Williamson amplifier in 1947, which was extremely advanced in many respects including very successful use of NFB, was a turning point in audio power amplifier design, operating a push pull output circuit in class AB1 to give performance surpassing its contemporaries.

Соғыстан кейінгі даму

Екінші дүниежүзілік соғыс айқын техникалық прогреске және өнеркәсіптік масштабтағы өндіріс экономикасына күш берді. Соғыстан кейін байлықтың артуы тұтыну нарығының маңызды және кеңеюіне алып келді. Бұл электрондық құрылғылар өндірушілеріне қолжетімді бағамен одан да жетілдірілген клапан (түтік) дизайндарын жасауға және сатуға мүмкіндік берді, нәтижесінде 1960 жылдары электрондық граммофон ойнатқыштардың таралуы артып, жоғары сапалы дыбыс берудің бастауы болды. Hifi толық жиілік диапазонындағы динамиктерді (алғаш рет, әртүрлі жиілік диапазондары үшін бірнеше драйверлермен) айтарлықтай дыбыс деңгейіне жеткізе алды. Бұл, теледидардың таралуымен бірге, клапан (түтік) технологиясын және клапанды күшейткіш схемаларын жобалаудағы "алтын ғасырды" тудырды. Шамалы өзгерістері бар бірқатар топологиялар (әсіресе фазалық бөлгіштердің әртүрлі схемалары және тетродтар үшін "Ultra Linear" трансформаторлық қосылымы) жылдам тарады. Бұл дизайн отбасы музыка қолдануы үшін бүгінгі күнге дейін басым жоғары қуатты күшейткіш топологиясы болып табылады. Осы кезеңде азаматтық радио дамыды, клапандар хабар таратушылар мен қабылдағыштарда қолданылды.

Құлдырау

1970 жылдан бастап кремний транзисторы кеңінен таралды. Клапан өндірісі күрт азайды, катодты сәулелі құбырларды (CRT) және күшейткіштерде қолданылатын клапандардың шектеулі ассортиментін қоспағанда. Танымал аз қуатты клапандар – қос триодтар (ECCnn, 12Ax7 сериясы) және EF86 пентоды болды, ал қуатты клапандар көбінесе сәулелі тетродтар мен пентодтар (EL84, EL34, KT88 / 6550, 6L6) болды, екеуі де жанама қыздырумен жұмыс істеді. Осы типтердің таңдаулы жиынтығы бүгінгі күнге дейін клапан өндірісінің негізін құрап келеді. Суық соғыс кезінде кеңестік елдер батыс елдеріне қарағанда клапандарды кеңінен қолданды, себебі олардың байланыс және әскери күшейткіш қажеттіліктері үшін клапандардың транзисторларды жоятын кез келген бірден болатын жүктемеге (әсіресе ядролық жарылысқа) төтеп беру қабілеті маңызды болды. Транзисторларға негізделген электрониканың өлшемдерінің, қуат тұтынуының, бұрмалау деңгейінің төмендеуі және, ең бастысы, құнының арзандығы 1970 жылдан бері клапандарды көптеген өнімдерде қолданудан шығарды. Дегенмен, клапандар жоғары қуатты радиожибергіштерде, микротолқынды пештерде, сондай-ақ аудио күшейткіш жабдықтарында, әсіресе электр гитараларында, жазу студияларында және жоғары сапалы үй стерео жүйелерінде қолданыла берді.

Аудио қолдану

Аудио қолданбаларында, клапандарды көптеген кәсіби пайдаланушылар, әсіресе жазба студияларының жабдықтарында және гитара күшейткіштерінде жоғары бағалайды. Аудио әуесқойларының бір тобы үй жағдайында тыңдау үшін түтікшелі күшейткіштерді қолдануды жақтасады. Олар түтікшелі күшейткіштер "жылырақ" немесе "табиғирақ" клапан дыбысын береді деп санайды. Азия және Шығыс Еуропа компаниялары осы нарыққа қатысты клапандарды өндіруді жалғастыруда. Көптеген кәсіби гитарашылар олардың әйгілі "тоны" үшін "түтікшелі күшейткіштерді" пайдаланады. Мұндағы "тон" – тембрге немесе дыбыстың реңіне сілтеме жасайды, және оны өлшеу өте субъективті болуы мүмкін. Көптеген аудиотехниктер мен ғалымдар клапандық түтікшелердің тудыратын "жұп гармониялық бұрмалауы" стильге қарамастан, транзисторларға қарағанда құлаққа жағымдырақ естіледі деп болжайды. Гитаралар мен студиялық микрофондарды алдын ала күшейтудегі өнеркәсіп стандарты осы клапандық түтікшелердің тональдық ерекшеліктерінің арқасында сақталған. Түтікшелі күшейткіштер сигнал деңгейі кесу нүктесіне жақындағанда және жеткенде транзисторлық күшейткіштерден өзгеше реакция жасайды. Түтікшелі күшейткіште, сызықтық күшейтуден шектеуге өту, қатты күйдегі құрылғыға қарағанда азырақ күрт болады, нәтижесінде кесудің бастапқы кезеңінде азырақ кескілеулі бұрмалау пайда болады. Осы себепті, кейбір гитарашылар толыққанды түтікшелі күшейткіштің дыбысын артық көреді; алайда, түтікшелі және қатты күйдегі күшейткіштердің эстетикалық қасиеттері гитарашылар қауымдастығында талқылау тақырыбы болып табылады.

Сипаттамалары

Қуатты клапандар әдетте транзисторларға қарағанда жоғары кернеумен және төмен токпен жұмыс істейді, бірақ қазіргі заманғы құрылғы технологияларының арқасында қатты күйдегі жұмыс кернеулері үнемі өсіп келеді. Бүгінде қолданылатын жоғары қуатты радио хабар таратушылар киловольт диапазонында жұмыс істейді, онда басқа теңдес технология әлі де қолжетімді емес. ([қуаты = кернеу × ток], сондықтан жоғары қуатқа жоғары кернеу, жоғары ток немесе екеуі де қажет) Көптеген қуатты клапандардың сызықтығы жақсы, бірақ күшейтуі немесе өткізгіштігі шамалы. Лампадарды пайдаланатын сигнал күшейткіштері өте жоғары жиілік диапазонында – радиожиілікке дейін жұмыс істей алады, ал тікелей қыздырылатын бір полюсті триодты (DH SET) аудио күшейткіштердің көпшілігі мегагерц диапазонында жұмыс істеуге арналған радио тарату лампаларын қолданады. Бірақ практикада лампалық күшейткіштердің схемалары әдетте кезеңдерді сыйымдылық арқылы "байлайды", бұл төменгі жиілік диапазонын шектейді, немесе трансформаторлар арқылы индуктивті түрде байланыстырады, бұл екі жиілік диапазонын да шектейді.

Операция

Барлық күшейткіш тізбектері "жұмыс класы" бойынша A, B, AB және C және т.б. болып жіктеледі. Қуат күшейткіш кластарын қараңыз. Транзисторлық конструкцияларға қарағанда едәуір өзгеше тізбек топологиялары бар. Тор (кіріс сигналы берілетін жер) катодқа қатысты айтарлықтай теріс зарядталған болуы керек. Бұл транзисторлық конструкциялардағыдай бір клапанның шығысын келесі клапанның кірісіне тікелей қосуды өте қиын етеді. Клапан сатылары бірнеше жүз вольтқа төтеп беруге қабілетті компоненттермен, әдетте конденсатормен, кейде байланыс трансформаторымен жалғастырылады. Байланыс желілері енгізетін фазалық өзгерістер кері байланысы бар тізбектерде мәселе тудыруы мүмкін. Кремнийлік тізбектерде кеңінен қолданылатын қосымша құрылғылардың клапанға аналогы жоқ, олар "тотемдік полюс" шығыс сатыларында қолданылады. Сондықтан, иіріп-тартып клапан тізбектеріне фазалық бөлігіш қажет. Клапандардың өте жоғары шығыс кедергісі (транзисторлармен салыстырғанда) әдетте динамиктер немесе кескіш бас машиналары сияқты төмен кедергілі жүктемелерді басқару үшін сәйкес келетін трансформаторларды қажет етеді. Трансформатор жүктеме ретінде қолданылады, әдетте кішкентай сигнал және драйвер сатыларында қолданылатын резистордың орнына. Трансформатордың біріншілік кедергісі пайдаланылатын жиіліктерде орамалардың тұрақты ток кедергісінен әлдеқайда жоғары, көбінесе килоомдармен өлшенді. Дегенмен, жоғары өнімді трансформаторлар инженерлік тұрғыдан күрделі, қымбат және жұмыс істегенде идеалды емес. Шығару трансформаторлары клапан күшейткіш тізбегінің құнын тікелей байланыстырылған транзисторлық баламаға қарағанда айтарлықтай арттырады. Алайда, түтікшелі және қатты күйдегі күшейткіштерде көпшілікке арналған қолдануларда, төмен шығынды, жоғары кедергілі/жоғары кернеулі желілерді пайдаланып, бірнеше алыс динамиктерді қосу үшін сәйкес келетін шығару трансформаторлары қажет. Клапандардың, әсіресе триодтардың ашық циклдік сызықтығы, тізбектерде аз немесе мүлдем теріс кері байланыс қолдануға мүмкіндік береді, бұл қабылданатын немесе тіпті тамаша бұрмалау көрсеткіштерін сақтайды (әсіресе кішкентай сигнал тізбектері үшін).

All amplifier circuits are classified by "class of operation" as A, B, AB and C etc. See power amplifier classes. Some significantly different circuit topologies exist compared to transistor designs. The grid (where the input signal is presented) needs to be biased substantially negative with respect to the cathode. This makes it extremely difficult to directly couple the output of one valve to the input of a following valve as is normally done in transistor designs. Valve stages are coupled with components rated to withstand several hundred volts, typically a capacitor, occasionally a coupling transformer. The phase shifts introduced by coupling networks can become problematic in circuits that have feedback. There is no valve analog of the complementary devices widely used in "totem pole" output stages of silicon circuits. Push pull valve topologies therefore require a phase splitter. The very high output impedance of valves (compared with transistors) usually requires matching transformers to drive low impedance loads such as loudspeakers or cutting lathe heads. The transformer is used as the load, in place of the resistor usually used in small signal and driver stages. The reflected impedance of the transformer primary at the frequencies in use is much higher than the DC resistance of the windings, often kilohms. High performance transformers are, however, severe engineering compromises, are expensive and, in operation, are far from ideal. Output transformers dramatically increase the cost of a valve amplifier circuit compared to a direct coupled transistor alternative. However, in both tube and solid state amps, matching output transformers are required for public address applications where low loss high impedance/high voltage lines are used to connect multiple distant loudspeakers. The open loop linearity of valves, especially triodes, makes it possible to use little or no negative feedback in circuits whilst retaining acceptable or even excellent distortion performance (especially for small signal circuits).

Топологиялар

Сызықтық шағын сигнал тізбектері, әдетте, шығу сатысын қоса алғанда, бір аяқты күшейту сатысы топологиясында (А класында) триодты қолданады. Кең жолақты ламповый күшейткіштер әдетте А1 немесе AB1 класын пайдаланады. Қазіргі заманғы жоғары қуатты шығу сатылары көбінесе итермелеу-тарту схемасымен жасалады, бұл үшін бір аяқты кірістен дифференциалдық/теңгерімді сигнал алуға фазалық бөлгіш қажет болады, одан кейін шығу лампаларына дейін қосымша күшейту сатысы ("драйвер") орналасады. Мысалы, шунтпен реттелген итермелеу-тарту күшейткіші. Өте үлкен лампаларды қолданатын бір аяқты қуат сатылары бар және олар радио хабар тарату құрылғыларында кеңінен қолданылады. Сонымен қатар, кейбір аудиофилдер ұнататын "DH SET" топологиясы өте қарапайым және әдетте радио хабар таратушыларда пайдалану үшін бастапқыда жасалған лампа түрлерін пайдаланып құрастырылады. Күрделірек топологиялар (әсіресе активті жүктемелерді қолдану) сызықтылықты және жиілік жауабын жақсарта алады (Миллер сыйымдылығының әсерін жою арқылы).

Шығу кедергісі

Құбырлы пластиналық тізбектердің жоғары шығыс кедергісі динамиктер немесе антенналар сияқты төмен кедергілі жүктемелермен жақсы үйлесім таппайды. Тиімді қуат беру үшін сәйкестендіру желісі қажет; бұл аудио жиіліктерінде трансформатор, ал радио жиіліктерінде әртүрлі резонаторлық желілер болуы мүмкін. Катодтық бағынышты немесе ортақ пластиналық конфигурацияда шығыс катодтың кедергісінен алынады. Теріс кері байланыс (катодтың жерге қосылған кернеуі тордың жерге қосылған кернеуін бекітеді) болғандықтан, кернеудің күшейтілуі бірлікке жуық, ал шығыс кернеуі тордың кернеуін қайталайды. Катодтық резистордың кедергісі бірнеше килоомға жете алады (бұрыштау талаптарына байланысты), бірақ кішкентай сигналдың шығыс кедергісі өте төмен (қолданыстағы күшейткішке қараңыз).

Аудио жиіліктері (AF) және кең жолақты күшейткіштер

Клапандар гитарада және жоғары сапалы аудио күшейткіштерде олардың беретін дыбыс сапасының артықшылығынан кеңінен қолданылып келеді. Дегенмен, басқа салаларда олар транзисторлармен салыстырғанда жоғары қуат тұтыну, бұрмалау, құны, сенімсіздігі және салмағы себепті қолданыстан шығып қалған.

Телефония

Телефония – бастапқы және көп жылдар бойы аудио күшейтудің басты қолданысы болды. Телекоммуникация саласы үшін ерекше мәселе – әртүрлі жиіліктерде көптеген (мыңға дейін) дауыс желілерін бір кабельге мультиплекстеу әдісі еді. Бұл әдістің артықшылығы – бір "қайталаушы" күшейткіш бір мезгілде көптеген қоңырауларды күшейте алады, бұл өте үнемді. Бірақ күшейткіштердің өте сызықты болуы қажет, әйтпесе "интермодуляциялық бұрмалау" (IMD) мультиплекстелген арналар арасында "өзара әсерді" тудырады. Осы мәселе төмен бұрмалауға баса назар аударуға, жалғыз дауыс арнасының қажеттілігінен асып түсуге себеп болды.

Аудио

Бүгін клапандардың негізгі қолданысы – жоғары сапалы аудио күшейткіштер, олар электр гитаралар, электр бас гитаралар және Hammond органдарымен музыкалық орындауларда қолданылады. Бірақ бұл қолданыстардың бұрмалауға қатысты әртүрлі талаптары бар, нәтижесінде әртүрлі дизайндық шешімдер қабылданады. Дегенмен, бірдей негізгі дизайн әдістері барлық кең жолақты күшейту қолданыстарына, тек аудио ғана емес, жалпы және кеңінен қолданылады. Екінші дүниежүзілік соғыстан кейін клапандық қуат күшейткіштерінің көпшілігі AB 1 класының "итеру-тарту" ультралинейлік топологиясын немесе төмен бағалы, яғни 6BQ5/EL84 қуат түтікшелерін қолданады. Бірақ DH SET және тіпті OTL топологияларын пайдаланатын арнайы өнімдер де әлі де аз санда кездеседі.

Құрал-саймандар күшейткіштері

Бастапқы қозғалатын катушкалық вольтметр мен амперметрдің өзі аз ток тұтынады, соның салдарынан оларға қосылған тізбекті жүктейді. Бұл өлшеніп жатқан тізбектегі жұмыс жағдайларын айтарлықтай өзгерте алады. Вакуумдық түтік вольтметрі (VTVM) амперметрдің жүктемесінен өлшеніп жатқан тізбекті қорғау үшін түтіктің жоғары кіріс кедергісін пайдаланады. Түтік осциллоскоптары да осы өте жоғары кіріс кедергісіне ие, сондықтан оларды тіпті өте жоғары кедергілі тізбектерде де кернеуді өлшеу үшін қолдануға болады. Көрсететін арнаға әдетте 3 немесе 4 күшейткіш сатысы орналастырылады. Кейінгі осциллоскоптарда дисплей түтігіне қолдану алдында өте жоғары жиілікті тік сигналдарды күшейту үшін, бір-бірінен тең қашықтықта орналасқан түтіктер тізбегінен құралған, таратылған күшейткіш деп аталатын күшейткіш түрі қолданылды. Түтік осциллоскоптары қазір қолданылмайды. Түтік дәуірінің соңғы жылдарында түтіктер тіпті "операциялық күшейткіштерді" жасау үшін де қолданылды – көптеген заманауи сызықтық электрониканың құрылыс бөліктері. Операциялық күшейткіште әдетте дифференциалдық кіріс сатысы және тотемдік шығысы болады, тізбекте әдетте кемінде бес активті құрылғы болады. Мұндай тізбектерді (әдетте екі немесе одан да көп шыны корпусты пайдалана отырып) үлкен тізбекке (мысалы, аналогтық компьютерге) қосылатын бір модульге біріктіретін бірнеше "жинақтар" шығарылды. Мұндай түтік операциялық күшейткіштері идеалға жақын болмады және тез арада ескірді, олардың орнына жартылай өткішгіш типтер келді.

Тар жолақты және радиожиілікті тоналған күшейткіштер

Тарихи тұрғыдан алғанда, Екінші дүниежүзілік соғысқа дейінгі "өткізгіш түтіктер" қол жетімді ең қуатты түтіктердің қатарында болды. Бұлардың көбінесе тікелей қыздырылатын ториатталған жіпше катодтары болды, олар шамдар сияқты жарқырады. Кейбір түтіктерді соншалықты қатты жүктеуге болатын, анодтың өзі қызыл түске дейін ысып кететін; анодтар қатты материалдан (жіңішке парақтан емес) өңделген, олар ыстыққа төзуге және деформацияланбауға қабілетті. Бұл типтегі ерекше түтіктер – 845 және 211. Кейінірек 817 және (тікелей қыздырылатын) 813 сияқты тетродтар мен пентодтар да (әсіресе әскери) радио хабар таратушыларда кеңінен қолданылды.

Радиожиілік (RF) тізбектері кең жолақты күшейткіш тізбектерден едәуір өзгеше. Антенна немесе келесі тізбек сатысы әдетте бір немесе бірнеше реттелетін сыйымдылық немесе индуктивтік компоненттерді қамтиды, бұл сатының резонансын қолданылып жатқан тасымалдаушы жиілігімен дәл сәйкестендіруге мүмкіндік береді, түтіктерден қуат беруді және жүктемені оңтайландыру үшін, оны "реттелген тізбек" деп атайды. Кең жолақты тізбектер жиіліктердің кең диапазонында тегіс жауап беруді қажет етеді. RF тізбектері керісінше, әдетте жоғары жиіліктерде жұмыс істеуі керек, бірақ көбінесе өте тар жиілік диапазонында. Мысалы, радиоқұрылғы 144-ден 146 МГц дейін (бар болғаны 1,4%) диапазонда жұмыс істеуі керек.

Қазіргі таңда радио хабар таратушылардың басым бөлігі кремнийге негізделген, тіпті микротолқынды жиіліктерде де. Дегенмен, жоғары қуатты радиожиілік күшейткіштерінің азайып бара жатқан аз бөлігі түтіктерден жасалған конструкцияны сақтап келеді.