Vakutuba amplifilo

En elektroniko, vakutuba amplifilo estas speco de elektronika amplifilo kiu uzas vakutubojn por pligrandigi la povumon de signalo. Malalte kaj meze povumaj vakutubaj amplifiloj por frekvencoj pli sube la mikroondoj estis grande anstataŭitaj per solidaj stataj (transistoraj) amplifiloj dum la 1960-aj kaj 1970-aj jaroj. Vakutubaj amplifiloj estas uzataj por certaj aplikoj - radaroj, tre alte povumaj radiaj kaj televidaj sendiloj, sonŝatantaj sonaj amplifiloj.

Stereofonia amplifilo

Historio

Fontoj

Ĝis la invento de transistoro en 1947, ĉiuj praktikaj amplifiloj estis faritaj uzante vakutubojn. Iuj solido-stataj aparatoj, inter ili la kupra oksida rektigilo kaj kristala detektila diodo estis sciataj antaŭ la transistoro, sed estas neeble amplifi signalon per ili. La plej simpla vakutubo estis inventita de John Ambrose Fleming en Londono en 1904 kaj nomata kiel la diodo, ĉar ĝi havis du elektrodojn. La diodo konduktis elektran kurenton en nur unu direkto kaj estis uzata kiel detektilo kaj rektigilo.

Unu-takta trioda amplifilo

Lee De Forest aldonis trian elektrodon kaj inventis la unuan elektronikan amplifantan aparaton, la triodon, kiun li nomis kiel Audion. Ĉi tiu aldona rega krado modulas la kurenton kiu fluas inter katodo kaj anodo. La interrilato inter kurento kaj krada tensio estas ofte prezentata kiel serio de karakterizaj kurboj sur diagramo. Kune kun la aliaj komponantoj en la cirkvito, ĉi tiu modulita kurento povas esti uzata por provizi eligan signalon.

La unua apliko de vakutuba amplifo estis en la aliformigo de long-distancaj telefonaj signaloj. Poste, vakutuba amplifo estis uzata en la radia (sendrata) tereno, kiu komenciĝis en komenco de la 1930-aj jaroj. Ankaŭ amplifiloj por muziko kaj poste televido estis konstruitaj uzante vakutubojn.

La domina cirkvita topologio dum ĉi tiu periodo estis la unu-takta trioda amplifa kaskado, operacianta en klaso A, kiu donis bonan sonon kaj moderan mezuratan malformigon de la signalo malgraŭ tre simpla cirkvito kun malmultaj komponantoj, kio estis grava en tempo kiam komponantoj estis permane faritaj kaj multekostaj. Antaŭ dua mondmilito, preskaŭ ĉiuj vakutubaj amplifiloj estis de malalta amplifo kaj kun lineareco dependa tute de la imanenta lineareco de la vakutubo mem, kun tipe 5% de malformiĝo je plena povumo.

Evoluo

Amplifilo de stilo simila al tiu de la amplifilo de Williamson

Teknika progreso plivigligita per la milito, kaj elvolvanta konsumanta merkato alportis pli plibonigitajn dizajnojn de vakutuboj al merkato je permeseblaj prezoj, kun la rezulto ke en la 1960-aj jaroj estis pligrandiĝanta disvastigo de gramofonaj sonigiloj, kaj komenciĝis la nocio de "alta fideleco" de laŭtparoliloj. Ĉi tio kune kun disvastigo de televido donis la oran aĝon de vakutuba evoluo kaj ankaŭ de la evoluo de vakutubaj amplifilaj cirkvitoj.

Negativa retrokuplo estis inventita de Harold Stephen Black en 1927, sed komence ĝi estis malofte uzata ĉar tiam amplifiloj estis je aĝio. Ĉi tiu tekniko permesas al amplifiloj ekhavi pli malgrandan amplifon por ekhavi malpligrandigitajn malformiĝajn nivelojn, kaj ankaŭ donis aliajn beneficojn kiel malpligrandigita eliga impedanco. La enkonduko de la amplifilo de Williamson en 1947, kiu estis ege plibonigita en multaj aspektoj, inkluzivante tre sukcesan uzon de negativa retrokuplo, kun puŝi-tiri eliga cirkvito en klaso AB1, estis turnopunkto en aŭda pova amplifila dizajno, kiu donis efikecon superantan tiun de ĝiaj samtempaĵoj.

Similaj cirkvitoj kun nur malgrandaj variadoj (rimarkinde malsamaj fazaj fendigiloj kaj la ultra-lineara konekto de transformatoro por kvarelektrodaj vakutuboj) rapide iĝis vastaj kaj ĉi tiu familio de cirkvitoj restas la domina alta pova amplifila cirkvito por sona apliko. Ĉi tiu periodo ankaŭ estis de daŭra kreskado de civila radio, kun vakutuboj uzataj en ambaŭ sendiloj kaj riceviloj.

Deklinacio

De la 1970-aj jaroj la silicia transistoro iĝis pligrandiĝante penetranta kaj disvastiĝanta. Vakutuba produktado estis akre malpligrandigita, kun la rimarkinda escepto de katodaj radiaj tuboj, kaj malpligrandigita aro de vakutuboj por amplifilaj aplikoj.

La malpligrandiĝo de amplekso, malpligrandiĝo de konsumado de povumo, malpligrandiĝo de malformiĝaj niveloj kaj precipe malpligrandiĝo de kosto de elektroniko bazita sur transistoroj igis vakutubojn malmodernajn por dominaj produktoj ekde la 1970-aj jaroj. Vakutuboj restis en certaj aplikoj kiel alte povumaj radio-sendiloj kaj mikroondiloj.

Karakterizoj

Vakutuboj estas alte tensiaj kaj malalte kurentaj aparatoj en kontrasto al transistoroj, kiu tipe operacias je pli malgrandaj tensioj kaj pli altaj kurentoj por la sama povuma nivelo. La alta laboranta elektra tensio faras vakutuboj bone konvenajn por iuj specifaj aplikoj. Tamen, por plejparto de aplikoj postulantaj sufiĉe grandan eligan kurenton, kongruiga transformatoro estas postulata. La transformatoro estas grava komponanto kaj multe influas la efikeco kaj koston de la amplifilo.

Ankaŭ, vakutuboj kapablas al granda povumo je relative altaj frekvencoj, pro kio ili konvenas por radiaj sendiloj, kaj vakutuboj restas en uzo hodiaŭ por tre altaj povaj radiaj sendiloj, kaj ankoraŭ ne estas alia la teknologio por ĉi tiu tasko.

Multaj povaj vakutuboj havis bonan linearecon sed modestan amplifon aŭ transkonduktivon. Signalaj amplifiloj uzantaj vakutuboj estas kapablaj al funkciado je altaj frekvencoj, kvankam nur en mallarĝaj bendoj. Tipa maksimuma operacia frekvenco de vakutubo estas 100 ... 1000 MHz.

Avantaĝoj

• Tre linearaj (aparte triodoj), kio ebligas uzi ilin en malalte malformigaj linearaj cirkvitoj kun malgranda aŭ foresta negativa retrokuplo.
• Imanente taŭgaj por alte tensiaj cirkvitoj.
• Povas esti konstruitaj en skalo kiu povas disipi grandajn kvantojn de varmo, iuj aparatoj estas akve malvarmigitaj. Por ĉi tiuj kaŭzaj vakutuboj restis la nura vivipova teknologio por tre altaj povumaj aplikoj kiel radiaj kaj televidaj sendiloj longa enen la aĝo kiam transistoroj havis relokigitaj vakutuboj en plej aliaj aplikoj.
• Elektre tre fortikaj, ili povas toleri plipezoj por minutoj, dum kiam transistoroj toleras nur dum milisekundoj.
• Facile forpreneblaj por testado aŭ anstataŭo, estas multe pli malfacile anstataŭi damaĝitan transistoron.
• Pli mola tondado de tro grandaj signaloj.

Malavantaĝoj

• Filamentilo de malgranda elektra tensio estas kutime postulata por la katodoj, kaj granda elektra tensio estas kutime postulata por la anodo. Tiel kutime bezonatas du malsamaj elektraj tensioj.
• Konsumado de povumo pro la filamentilo.
• Ili estas grave pli grandaj ol ekvivalentaj solido-stataj aparatoj
• Granda impedanco kaj malalta kurento eligi estas maltaŭga por direkto uzo en multaj okazoj, rimarkinde ĉe diversaj de elektromotoroj.
• Vakutuboj povas havi pli mallongan laboran vivdaŭron ol solido-stataj aparatoj pro diversaj kaŭzoj, inter ili venenado de katodo, disŝiroj, enaj mallongajcirkvitoj.
• Ili estadas nur en sola poluseco, dum transistoroj estadas en komplementaj polusecoj (ekzemple, n-p-n / p-n-p), farante eblajn multajn cirkvitajn konfigurojn kiu ne povas esti faritaj rekte kun vakutuboj.
• Vakutubaj cirkvitoj havas aldonan bruon de alterna kurenta filamentilo.
• Mikrofona efiko - vakutuboj povas iam esti sencemaj al sono aŭ vibrado, agante kiel mikrofono, kaj aldonante signalon respektivan al sono aŭ vibrado ĉirkaŭ la vakutubo.

Operaciado

Ekzemplo de karakterizo de dependo de anoda kurento de krada tensio de vakutubo, kun montritaj mezaj laboraj punktoj por la klasoj A, AB, B

Ĉiuj amplifilaj cirkvitoj estas klasifikitaj per klaso de operacio kiel A, B, AB, C kaj D. Estas iuj grave malsamaj konsideraĵoj en vakutubaj cirkvitaj kompare al transistoraj cirkvitoj.

• La krado, kie la eniga signali estas algvidata, devas esti je negativa tensio kun respekto al la katodo. Ĉi tiu faras malfacilan direktan konekton de eligo de unu vakutubo al la enigo de sekva vakutubo kiel estas normale farate en transistoraj cirkvitoj.
• Vakutuboj estas uzataj kune kun kuplilaj kondensatoroj kaj transformatoroj, kiuj aldonas fazajn ŝovojn. La faza ŝovoj povas igi problemajn en cirkvitoj kiuj havas retrokuplojn.
• Dutaktaj (puŝi-tiri) vakutubaj cirkvitoj pro tio tipe postulas transformatoron ĉar ne ekzistas vakutuba analogo de la komplementaj transistoroj.
• La alta eliga impedanco de vakutubaj cirkvitoj ne estas bone kongrua al malalto-impedancaj ŝarĝoj kiel laŭtparoliloj aŭ antenoj. Kongruiga cirkvito estas bezonata por kompetenta tradono de povumo. Ĉi tiu povas esti transformatoro je aŭdaj frekvencoj, aŭ diversaj agordaj retoj je radiaj frekvencoj. La transformatoro estas uzata kiel la ŝarĝo de eliga kaskado, anstataŭ la rezistiloj ofte uzataj en malgrando-signalaj kaskadoj. La impedanco de la transformatora unua bobeno je la frekvencoj en uzo estas multe pli granda ol la oma rezisto de la unua bobeno. Atingo de alta efikeco de transformatoro estas tamen afero de severaj inĝenieradaj kompromisoj, estas multekosta, kaj en operacio estas malproksima de idealo. Transformatoroj ege pligrandigas la koston de vakutuba amplifilo kompare al senpere konektita transistora alternativo.
• La malfermita cikla (sen retrokuplo) lineareco de vakutuboj, aparte triodoj, faras eblan uzi malgrandan aŭ neniun negativan retrokuplon en cirkvitoj retenante akcepteblan aŭ eĉ bonegan malformigon, aparte por malgrando-signalaj cirkvitoj.

Aplikoj

Aŭdo-frekvencaj kaj larĝbendaj amplifiloj

Telefonio

Telefonio estis la originala, kaj por multaj jaroj estis promenanta apliko por aŭda amplifado. Specifa tasko por la telekomunikada industrio estis la tekniko de multipleksorado de multaj (supren ĝis mil) voĉaj linioj en sola kablo, je malsamaj frekvencoj.

La avantaĝo de ĉi tio estas ke sola vakutuba amplifilo povas amplifi multajn voĉojn, ĉi tio estas tre koste efika. La problemo estas ke la amplifiloj devas esti ege linearaj, alie "intermodulada malformiĝo" rezultos en krucoparolo inter la multipleksoritaj kanaloj. Ĉi tiu plivigligis evoluon kun emfazo je malgranda malformigo multe pli ol necesas por sola voĉa kanalo.

Instrumentaj amplifiloj

La simpla elektromagneta movanta bobena voltmetro prenas malgrandan kurenton por sia funkciado kaj tial ŝarĝas la cirkviton al kiu ĝi estas konektita. Ĉi tio povas grave aliigi la operaciajn kondiĉojn en la cirkvito kiu estas mezurata. La vakutuba voltmetro uzas la altan enigan impedancon de vakutubo por protekti la mezuratan cirkviton de la kurento prenata de la elektromagneta voltmetro.

Ankaŭ vakutubaj oscilografoj havas ĉi tiun tre altan enigan impedancon kaj tial povas esti uzataj por mezuri elektrajn tensiojn eĉ en tre alte impedancaj cirkvitoj. Tie povas tipe esti 3 aŭ 4 kaskadoj de amplifo por elmontra kanalo. En postaj oscilografoj, specifa amplifilo uzantan serion de vakutuboj konektitaj je egalaj distancoj laŭ tradonilaj linioj, sciata kiel distribuita amplifilo, estis uzata por amplifi pli larĝbendajn signalojn. Vakutubaj oscilografoj estas nun arkaikaj.

En la finaj jaroj de la vakutuba epoko, vakutuboj estis uzata por operaciaj amplifiloj. Operacia amplifilo tipe havas diferencialan enigan kaskadon kaj eligon kapablan al ambaŭ signumoj. La cirkvito kutime havas minimume kvin aktivajn aparatojn. Pluraj ĉi tiaj amplifiloj , kune kun interligantaj kaj retrokulpaj rezistiloj kaj kondensatoroj, estas dis uzataj kune en pli grandaj cirkvitoj kiel analogaj komputiloj. Ĉi tiaj vakutubaj operaciaj amplifiloj estis tre malproksimaj de idealo kaj rapide iĝis arkaikajn, estante anstataŭitaj per solido-stataj.

Sono-ŝatantulaj amplifiloj

Sono-ŝatantula amplifilo

En aŭdaj aplikoj, vakutuboj daŭre estas alte dezirataj per iuj uzantoj. Inter amatoroj, estas subgrupo de kiuj protektas la uzon de vakutubaj amplifiloj por hejma aŭskultado; ili argumentas ke vakutubaj amplifiloj produktas pli varman aŭ pli naturan vakutuban sonon.

Estas sugesto ke la subjektiva plaĉeco de sono de vakutuba amplifo povas esti pro la specifa nelineareco kiu estas produktata de vakutuboj.

Vakutubaj amplifiloj reagas malsame de transistoraj amplifiloj kiam signala nivelo proksimiĝas kaj atingas la punkton de tondado. En vakutuba amplifilo, la trairo de lineara amplifo al limiganta estas malpli abrupta ol en solido-stata amplifilo, rezultante en malpli knaranta formo de malformigo je la komenco de tondado.

Pro tio ke la amplifiloj estas farataj por ŝatantoj, kiuj ofte volas ke la vakutubo-enhaveco estu videbla, la vakutuboj ofte estas muntataj ekstere, kio ne estas vere necesa por funkciado.

Mallarĝo-bendaj radio-frekvencaj agorditaj amplifiloj

Amplifilo kun du agordaj kondensatoroj, ĉe enigo kaj eligo

Historie, radiaj elsendaj vakutuboj estis inter la plej povumaj vakutuboj haveblaj. Ĉi tiuj kutime havis rekte filamentitajn toriiziitajn katodojn. Iuj vakutuboj povas operacii tiel ke la anodo varmiĝas ĝis ĉerize ruĝa koloro; la anodoj estis farataj el solida materialo, anstataŭ maldika folio, por kontraŭstari la varmon sen malformiĝo.

Radio-frekvencaj cirkvitoj estas grave malsamaj de larĝbendaj amplifilaj cirkvitoj. La anteno aŭ sekva cirkvito tipe enhavas unu aŭ plurajn pliprecizigeblajn kapacitancajn aŭ induktajn komponantojn, permesantaj agordon tiel ke la resonanco de la kaskado estas precize kongruigita kun frekvenco de la signalo, por optimumigi amplifon kaj povuman tradonon. Ĉi tio estas la agordita cirkvito.

Larĝbendaj cirkvitoj postulas platan karakterizon en larĝa limigo de frekvencoj. Radiaj cirkvitoj por kontrasto estas tipe postulataj al operacii je altaj frekvencoj sed ofte en mallarĝa frekvenca limigo. Ekzemple, radia aparato povas operacii je centra frekvenco 105 MHz kun larĝo de bendo 300 kHz, kio estas proksimume 0,3%.

Vidu ankaŭ

• Klistrono
• Vojaĝanta onda tubo

Eksteraj ligiloj

• Tubeopedia - Vikio de elektronikaj vakutuboj kaj rilatantaj temoj
• La Vakua Tuba Respondaro Arkivigite je 2008-10-14 per la retarkivo Wayback Machine de Henry Pasternack
• La Aŭda Cirkvito Arkivigite je 2010-08-04 per la retarkivo Wayback Machine – preskaŭ plena listo de fabrikantoj, memfaradaj garnituroj, materialoj kaj partoj kaj priskribaj sekcioj pri vakutubaj amplifiloj
• Konvertiĝa kalkulilo de malformiĝo
• AX84.com Arkivigite je 2010-09-17 per la retarkivo Wayback Machine - libera cirkvitika kaj teoria dokumento.
• Tuba Datuma Arkivo Arkivigite je 2011-07-02 per la retarkivo Wayback Machine – Peza kolekto (7GB+) de vakutubaj datumaj folioj kaj informo.
• Komparo de trajtoj de vakutuboj kaj transistoroj
• Tuboj kontraŭ transistoroj – ĉu estas tie aŭdebla diferenco?