Ventilforstærker - Valve amplifier

6N3C strømrør.

En ventilforstærker eller rørforstærker er en type elektronisk forstærker, der bruger vakuumrør til at øge signalets amplitude eller styrke . Ventilforstærkere med lav til medium effekt til frekvenser under mikrobølgerne blev stort set erstattet af solid state- forstærkere i 1960'erne og 1970'erne. Rørforstærker kan bruges til applikationer såsom guitarforstærkere , satellit transpondere såsom DirecTV og GPS , høj kvalitet stereoforstærkere, militære applikationer (såsom radar ) og meget høj effekt radio og UHF -tv- sendere .

Historie

Oprindelse

Indtil opfindelsen af transistoren i 1947 blev de mest praktiske højfrekvente elektroniske forstærkere lavet ved hjælp af termioniske ventiler . Den enkleste ventil (navngivet diode, fordi den havde to elektroder ) blev opfundet af John Ambrose Fleming, mens han arbejdede for Marconi Company i London i 1904. Dioden ledede kun elektricitet i en retning og blev brugt som en radiodetektor og en ensretter .

I 1906 tilføjede Lee De Forest en tredje elektrode og opfandt den første elektroniske forstærker, trioden , som han kaldte Audion . Dette ekstra kontrolgitter modulerer strømmen, der flyder mellem katode og anode . Forholdet mellem strømflow og plade og netspænding er ofte repræsenteret som en række "karakteristiske kurver" på et diagram. Afhængigt af de andre komponenter i kredsløbet kan denne modulerede strømflow bruges til at give strøm eller spændingsforstærkning .

Den første anvendelse af ventilforstærkning var i regenerering af langdistance- telefonisignaler . Senere blev ventilforstærkning anvendt på det ' trådløse ' marked, der begyndte i begyndelsen af trediverne. Med tiden blev der også bygget forstærkere til musik og senere tv ved hjælp af ventiler.

Kredsløbsdiagram over en enkelt-endet triode

Den overvældende dominerende kredsløbstopologi i denne periode var triode- forstærkningstrinnet med en ende , der fungerede i klasse A, hvilket gav meget god lyd (og rimelig målt forvrængningsydelse ) på trods af ekstremt simpelt kredsløb med meget få komponenter: vigtigt på et tidspunkt, hvor komponenter var håndlavet og ekstremt dyrt. Før Anden Verdenskrig var næsten alle ventilforstærkere med lav forstærkning og med linearitet helt afhængig af selve ventilens iboende linearitet, typisk 5% forvrængning ved fuld effekt.

Negativ feedback (NFB) blev opfundet af Harold Stephen Black i 1927, men oprindeligt lidt brugt, da gevinsten på det tidspunkt var på en præmie. Denne teknik giver forstærkere mulighed for at handle gevinst for reducerede forvrængningsniveauer (og gav også andre fordele såsom reduceret outputimpedans). Introduktionen af Williamson-forstærkeren i 1947, som i mange henseender var ekstremt avanceret, herunder meget vellykket brug af NFB, var et vendepunkt i design af lydforstærkerdesign, der betjenede et push-pull-output-kredsløb i klasse AB1 for at give ydeevne, der overgår dets samtid.

Efterkrigsudvikling

Anden Verdenskrig stimulerede dramatiske tekniske fremskridt og produktionsøkonomier i industriel skala. Stigende velstand efter krigen førte til et betydeligt og voksende forbrugermarked. Dette gjorde det muligt for elektronikproducenter at bygge og markedsføre mere avancerede ventilkonstruktioner til overkommelige priser med det resultat, at 1960'erne oplevede den stigende spredning af elektroniske grammofonafspillere og i sidste ende begyndelsen på høj troskab . Hifi var i stand til at køre højfrekvente højttalere (for første gang ofte med flere drivere til forskellige frekvensbånd) til betydelige lydstyrkeniveauer. Dette kombineret med spredningen af tv producerede en 'guldalder' inden for ventil (rør) udvikling og også i udviklingen af designet af ventilforstærker kredsløb.

En række topologier med kun mindre variationer (især forskellige fase splitter ordninger og " Ultra-Linear " transformer tilslutning for tetrodes) hurtigt blev udbredt. Denne familie af designs er stadig den dominerende topeffektforstærker topologi til denne dag til musikanvendelse. Denne periode oplevede også fortsat vækst i civil radio, hvor ventiler blev brugt til både sendere og modtagere.

Nedgang

Fra 1970'erne silicium transistor blev mere og mere omsiggribende. Ventilproduktionen blev reduceret kraftigt med den bemærkelsesværdige undtagelse af katodestrålerør (CRT'er) og et reduceret udvalg af ventiler til forstærkerapplikationer. Populære laveffektrør var dobbelt trioder plus EF86 pentoden, og effektventiler var for det meste stråletetrode og pentoder (EL84, EL34, KT88 / 6550, 6L6), i begge tilfælde med indirekte opvarmning. Dette reducerede sæt typer er fortsat kernen i ventilproduktionen i dag.

De sovjetiske beholdt ventiler i langt højere grad end Vesten under den kolde krig , for de fleste af deres kommunikation og militære forstærkning krav, delvis på grund af ventiler evne til at modstå øjeblikkelige overbelastninger (især på grund af en nuklear detonation ), som ville ødelægge en transistor.

Den dramatiske reduktion i størrelse, strømforbrug, reducerede forvrængningsniveauer og frem for alt prisen på elektronikprodukter baseret på transistorer har gjort ventiler forældede for mainstream-produkter siden 1970'erne. Ventiler forblev i visse applikationer såsom højeffektive RF-sendere og mikrobølgeovnen og lydforstærkningsudstyr, især til den elektriske guitar, optagestudier og avancerede hjemmestereoanlæg.

Brug af lyd

Et single-ended klasse 'A' guitarforstærkerchassis med ekstra GZ34 ventil ensretter installeret.

I lydapplikationer er ventiler fortsat meget efterspurgte af de fleste professionelle brugere, især i optagestudios udstyr og guitarforstærkere. Der er en undergruppe af lydentusiaster, der går ind for brugen af rørforstærkere til hjemmelytning. De hævder, at rørforstærkere producerer en "varmere" eller mere "naturlig" ventillyd . Virksomheder i Asien og Østeuropa producerer fortsat ventiler for at imødekomme dette marked.

Mange professionelle guitarister bruger 'rørforstærkere' på grund af deres berømte 'tone'. 'Tone' i denne brug henviser til klangfarve eller tonehøjde og kan være en meget subjektiv kvalitet at kvantificere. De fleste lydteknikere og forskere teoretiserer, at den 'endda harmoniske forvrængning', der produceres af ventilrør, lyder mere behageligt for øret end transistorer, uanset stil. Det er de tonale egenskaber ved ventilrør, der har opretholdt dem som industristandard for guitarer og studiemikrofonforforstærkning.

Rørforstærkere reagerer forskelligt fra transistorforstærkere, når signalniveauer nærmer sig og når klipningspunktet . I en rørforstærker er overgangen fra lineær forstærkning til begrænsning mindre brat end i en solid state-enhed, hvilket resulterer i en mindre gitterform af forvrængning ved begyndelsen af klipning. Af denne grund foretrækker nogle guitarister lyden af en forstærker med alle rør; de æstetiske egenskaber ved tube versus solid state-forstærkere er dog et emne, der diskuteres i guitaristsamfundet.

Egenskaber

1960'erne Fender Bandmaster Reverb tube guitar forstærker chassis.

Effektventiler fungerer typisk ved højere spændinger og lavere strømme end transistorer - skønt solid state-driftsspændinger er steget støt med moderne enhedsteknologier. Højeffektive radiosendere, der er i brug i dag, fungerer inden for kilovoltområdet, hvor der stadig ikke er nogen anden sammenlignelig teknologi tilgængelig. ([effekt = spænding * strømstyrke], så høj effekt kræver høj spænding, høj strømstyrke eller begge dele)

Mange effektventiler har god linearitet, men beskeden forstærkning eller transkonduktans . Signalforstærkere, der bruger rør, er i stand til meget høje frekvensresponsområder - op til radiofrekvens, og mange af de direkte opvarmede single-ended triode (DH-SET) lydforstærkere bruger radiosendende rør designet til at fungere i megahertz-området. I praksis "udformer rørforstærkerdesign imidlertid typisk" trin "enten kapacitivt, hvilket begrænser båndbredden i den lave ende eller induktivt med transformere, hvilket begrænser båndbredden i begge ender.

Fordele

Iboende velegnet til højspændingskredsløb.
Kan konstrueres på en skala, der kan sprede store mængder varme (nogle ekstreme enheder, selv vandkølet). Af denne grund forblev ventiler den eneste levedygtige teknologi til applikationer med meget høj effekt, såsom radio- og tv-sendere langt ind i den tid, hvor transistorer havde fortrængt ventiler i de fleste andre applikationer.
Elektrisk meget robust, de tåler overbelastning i minutter, hvilket ødelægger bipolære transistorsystemer i millisekunder
Modstå meget høje forbigående spændinger uden beskadigelse og passer dem til visse militære og industrielle anvendelser
Kør generelt ved påførte spændinger langt under deres maksimale kapacitet, hvilket giver lang levetid og pålidelighed
Blødere klipning ved overbelastning af kredsløbet, som mange audiofiler og musikere subjektivt mener giver en mere behagelig og mere musikalsk tilfredsstillende lyd.

Ulemper

Dårlig linearitet, især med beskedne feedbackfaktorer.
Rør kræver en katodevarmer . Varmekraft repræsenterer et betydeligt varmetab og energiforbrug.
Rør kræver højere spændinger for anoderne sammenlignet med solid state forstærkere med lignende effekt.
Rørene er betydeligt større end tilsvarende solid-state-enheder
Høj impedans og lav strømudgang er uegnet til direkte drev af mange virkelige belastninger, især forskellige former for elektriske motorer .
Ventiler har en kortere levetid end dele i fast tilstand på grund af forskellige svigtmekanismer (såsom varme, katodeforgiftning , brud eller interne kortslutninger).
Rør er kun tilgængelige i en enkelt polaritet, mens transistorer er tilgængelige i komplementære polariteter (f.eks. NPN / PNP), hvilket muliggør mange kredsløbskonfigurationer, der ikke kan realiseres direkte.
Ventilkredsløb skal undgå indføring af støj fra AC-varmeforsyning.
Mikrofonik - ventiler kan undertiden være følsomme over for lyd eller vibrationer og fungerer utilsigtet som en mikrofon .

Operation

Alle forstærkerkredsløb er klassificeret efter "driftsklasse" som A, B, AB og C osv. Se effektforstærkerklasser . Der findes nogle markant forskellige kredsløbstopologier sammenlignet med transistordesign.

Gitteret (hvor indgangssignalet præsenteres) skal være forspændt i det væsentlige negativt i forhold til katoden. Dette gør det ekstremt vanskeligt direkte at koble udgangen fra en ventil til indgangen på en efterfølgende ventil, som det normalt gøres i transistordesign.
Ventiltrin er koblet med komponenter, der er klassificeret til at modstå flere hundrede volt, typisk en kondensator, lejlighedsvis en koblingstransformator. Faseskift, der er introduceret af koblingsnetværk, kan blive problematiske i kredsløb, der har feedback.
Der er ingen ventilanalog af de komplementære enheder, der er meget anvendte i "totempol" -udgangstrin af siliciumkredsløb. Push-pull-ventiltopologier kræver derfor en fasedeling .
Den meget høje outputimpedans af ventiler (sammenlignet med transistorer) kræver normalt matchende transformere til at drive lave impedansbelastninger såsom højttalere eller skærebænkehoveder. Transformatoren bruges som belastning i stedet for modstanden, der normalt bruges i små signal- og driverfaser. Transformatorens primære reflekterede impedans ved de anvendte frekvenser er meget højere end viklingernes DC-modstand, ofte kilohms. Transformatorer med høj ydeevne er dog alvorlige tekniske kompromiser, er dyre og er i drift langt fra ideelle. Outputtransformatorer øger dramatisk omkostningerne ved et ventilforstærkerkredsløb sammenlignet med et direkte koblet transistoralternativ. Imidlertid kræves der i både rør- og solid state-forstærkere matchende udgangstransformatorer til public address-applikationer, hvor lavt tab med højimpedans / højspændingsledninger bruges til at forbinde flere fjernhøjttalere.
Ventilernes åbne sløjfe-linearitet, især trioder, gør det muligt at bruge ringe eller ingen negativ feedback i kredsløb, mens man bibeholder acceptabel eller endog fremragende forvrængningsydelse (især for kredsløb med små signaler).

Topologier

Lineære små signalkredsløb bruger næsten altid en triode i topologien med en enkelt gevinststrin (i klasse A), inklusive outputtrinnet.
Bredbåndsventilforstærkere bruger typisk klasse A1 eller AB1.
Moderne høje effektudgangstrin er normalt push pull, hvilket ofte nødvendiggør en eller anden form for fasedeling for at udlede et differentielt / afbalanceret drevsignal fra en enkelt endeindgang, typisk efterfulgt af et yderligere forstærkningstrin ("driveren") før udgangsrørene. For eksempel en shuntreguleret push-pull-forstærker )
enkelt sluttede effekttrin, der bruger meget store ventiler, findes og dominerer i radiosenderapplikationer. Et sidebjælke er observationen af, at niche "DH-SET" -topologien, der foretrækkes af nogle audiofiler, er ekstremt enkel og typisk konstrueret ved hjælp af ventiltyper, der oprindeligt var designet til brug i radiosendere.
mere komplekse topologier (især brugen af aktive belastninger) kan forbedre linearitet og frekvensrespons (ved at fjerne Miller kapacitanseffekter).

Udgangsimpedans

Den høje outputimpedans af rørpladekredsløb er ikke godt tilpasset til lavimpedansbelastninger såsom højttalere eller antenner. Et matchende netværk kræves til effektiv strømoverførsel; dette kan være en transformer ved lydfrekvenser eller forskellige tunede netværk ved radiofrekvenser.

I en katodefølger eller fælles pladekonfiguration tages output fra katodemodstanden. På grund af negativ feedback (katode-jord spænding annullerer net-jord spænding) er spændingsgevinsten tæt på enhed, og udgangsspændingen følger netspændingen. Selvom katodemodstanden kan være mange kilohm (afhængigt af forspændingskrav), er den lille signaludgangsimpedans meget lav (se driftsforstærker ).

Ansøgninger

Lydfrekvens (AF) og bredbåndsforstærkere

Ventiler forbliver udbredt i guitar og high-end lydforstærkere på grund af den opfattede lydkvalitet, de producerer. De er stort set forældede andre steder på grund af højere strømforbrug, forvrængning, omkostninger, pålidelighed og vægt sammenlignet med transistorer.

Telefoni

Telefoni var originalen og var i mange år en drivende applikation til lydforstærkning. Et specifikt emne for telekommunikationsindustrien var teknikken til at multiplexere mange (op til tusind) stemmelinjer på et enkelt kabel ved forskellige frekvenser.

Fordelen ved dette er, at en enkeltventil "repeater" forstærker kan forstærke mange opkald på én gang, hvilket er meget omkostningseffektivt. Problemet er, at forstærkerne skal være ekstremt lineære, ellers vil " intermodulationsforvrængning " (IMD) resultere i "krydstale" mellem de multipleksede kanaler. Dette stimulerede udviklingsfokus mod lav forvrængning langt ud over de nominelle behov for en enkelt stemmekanal.

Lyd

I dag er hovedapplikationen til ventiler lydforstærkere til avanceret hi-fi og musikalsk brug med elektriske guitarer , elektriske basser og Hammond-organer , selvom disse applikationer har forskellige krav til forvrængning, hvilket resulterer i forskellige designkompromiser, skønt det samme grundlæggende designteknikker er generiske og bredt anvendelige til alle bredbåndsforstærkningsapplikationer, ikke kun lyd.

Efter 2. verdenskrig er størstedelen af ventileffektforstærkere i klasse AB-1 "push pull" ultralinær topologi eller billigere single-ended, dvs. 6BQ5 / EL84 power-rør, men nicheprodukter, der bruger DH-SET og endda OTL-topologier stadig findes i mindre antal.

Et forforstærkerdesign, der bruger alle strømrør i stedet for små signalrør

En 300B forforstærker / solid state output 70Wrms / ch hybridforstærker

Instrumentationsforstærkere

Det grundlæggende bevægelige spoles voltmeter og selve amperemeteret tager en lille strøm og belastes således det kredsløb, som det er fastgjort til. Dette kan ændre driftsbetingelserne i det kredsløb, der måles væsentligt. Vakuumrør voltmeter (VTVM) bruger den høje indgangsimpedans af en ventil til at buffere det kredsløb, der måles ud fra belastningen på amperemeteret.

Valve oscilloskoper deler denne meget høj indgangsimpedans og kan således anvendes til at måle spændinger, selv i meget høje impedans kredsløb. Der kan typisk være 3 eller 4 forstærkningstrin pr. Displaykanal. I senere oscilloskoper blev der anvendt en type forstærker, der bruger en række rør, der er forbundet i lige store afstande langs transmissionslinjer , kendt som en distribueret forstærker, til at forstærke meget højfrekvente lodrette signaler inden påføring på displayrøret. Ventiloscilloskoper er nu forældede.

I de sidste år af ventilens æra blev ventiler endda brugt til at fremstille " operationelle forstærkere " - byggestenene til meget moderne lineær elektronik. En op-amp har typisk et differentielt indgangstrin og en totempoloutput, kredsløbet har normalt mindst fem aktive enheder. Der blev produceret et antal "pakker", der integrerede sådanne kredsløb (typisk ved hjælp af to eller flere glaskonvolutter) i et enkelt modul, der kunne tilsluttes et større kredsløb (såsom en analog computer). Sådanne ventilop-forstærkere var meget langt fra ideelle og blev hurtigt forældede og blev erstattet med solid state-typer.

Smalle bånd og radiofrekvente tunede forstærkere

Historisk set var "transmitterende rør" før WWII blandt de mest kraftfulde rør, der var tilgængelige. Disse havde normalt direkte opvarmede thoriumfilamentkatoder, der glødede som pærer. Nogle rør var i stand til at blive drevet så hårdt, at selve anoden ville lyse kirsebærrød; anoderne blev bearbejdet af fast materiale (snarere end fremstillet af tyndt ark) for at modstå varme uden at forvrænge. Bemærkelsesværdige rør af denne type er 845 og 211. Senere tetroder og pentoder som 817 og (direkte opvarmet) 813 blev også brugt i stort antal i (især militære) radiosendere.

RF-kredsløb adskiller sig markant fra bredbåndsforstærkerkredsløb. Antennen eller det efterfølgende kredsløbstrin indeholder typisk en eller flere justerbare kapacitive eller induktive komponenter, der tillader resonans af scenen nøjagtigt at matche med bærerfrekvensen i brug for at optimere strømoverførsel fra og belastning på ventilen, et såkaldt "tunet kredsløb ".

Bredbåndskredsløb kræver flad respons over en lang række frekvenser. Derimod kræves typisk RF-kredsløb for at fungere ved høje frekvenser, men ofte over et meget snævert frekvensområde. For eksempel kan det kræves, at en RF-enhed fungerer i området 144 til 146 MHz (kun 1,4%)

I dag er radiosendere overvældende siliciumbaserede, selv ved mikrobølgefrekvenser. Imidlertid har et stadigt faldende mindretal af radiofrekvente forstærkere med høj effekt fortsat ventilkonstruktion.

Bemærkninger

Se også

Referencer

Radiokommunikationshåndbog (5. udgave), Radio Society of Great Britain , 1976, ISBN 0-900612-28-2

eksterne links

Ofte stillede spørgsmål om vakuumrøret - Henry Pasternacks FAQ fra rec.audio
Audio Circuit - En næsten komplet liste over producenter, byggesæt, materialer og dele og 'hvordan de fungerer' sektioner på ventilforstærkere
Konverteringsberegner - forvrængningsfaktor til forvrængningsdæmpning og THD
AX84.com - Selvom det er orienteret mod ventilgitarrforstærkere, gælder AX84s gratis skema- og teoridokument godt for ethvert rør / ventilprojekt
Tube Data Archive - Massiv indsamling (7 GB +) af rørdataark og information.

Languages

In other projects