Ventilforsterker - Valve amplifier

Denne artikkelen handler om ventilforsterkere (vakuumrør) generelt. For en mer detaljert diskusjon om bruk av ventilforsterkere i spesifikke applikasjoner, se Valve audioforsterker , Valve RF forsterker og Valve audioforsterker teknisk spesifikasjon . For rørforsterkere fra Valve-selskapet, se Valve Amplification Company .
Glødende vakuumrør
6N3C kraftrør.

En ventilforsterker eller rørforsterker er en type elektronisk forsterker som bruker vakuumrør for å øke amplituden eller effekten til et signal . Ventilforsterkere med lav til middels effekt for frekvenser under mikrobølgene ble i stor grad erstattet av solid state- forsterkere på 1960- og 1970-tallet. Ventil forsterkere kan brukes for applikasjoner som gitarforsterkere , satellitt transpondere som DirecTV og GPS , høykvalitets stereoforsterkere, militære programmer (for eksempel radar ) og svært høy effekt radio og UHF TV- sendere .

Historie

Opprinnelse

Inntil oppfinnelsen av transistoren i 1947, ble de mest praktiske høyfrekvente elektroniske forsterkerne laget med termioniske ventiler . Den enkleste ventilen (kalt diode fordi den hadde to elektroder ) ble oppfunnet av John Ambrose Fleming mens han jobbet for Marconi Company i London i 1904. Dioden ledet bare strøm i en retning og ble brukt som en radiodetektor og en likeretter .

I 1906 la Lee De Forest til en tredje elektrode og oppfant den første elektroniske forsterkningsenheten, trioden , som han ga navnet Audion . Dette ekstra styringsnettet modulerer strømmen som strømmer mellom katode og anode . Forholdet mellom strømstrøm og plate og nettspenning blir ofte representert som en serie "karakteristiske kurver" på et diagram. Avhengig av de andre komponentene i kretsen, kan denne modulerte strømmen brukes til å gi strøm eller spenningsforsterkning .

Den første anvendelsen av ventil forsterkning var i regenerering av langdistanse telefonisignaler. Senere ble ventilforsterkning brukt på det ' trådløse ' markedet som begynte på begynnelsen av trettiårene. I ettertid ble forsterkere for musikk og senere TV også bygd ved hjelp av ventiler.

Kretsskjema for en triode med en ende

Den overveldende dominerende krets-topologien i denne perioden var triode- forsterkningstrinnet med en ende , som opererte i klasse A, som ga veldig god lyd (og rimelig målt forvrengningsytelse ) til tross for ekstremt enkle kretsløp med svært få komponenter: viktig på et tidspunkt da komponentene var håndlaget og ekstremt dyrt. Før andre verdenskrig var nesten alle ventilforsterkere med lav forsterkning og med linearitet helt avhengig av selve ventilens iboende linearitet, typisk 5% forvrengning ved full effekt.

Negativ tilbakemelding (NFB) ble oppfunnet av Harold Stephen Black i 1927, men i utgangspunktet lite brukt siden den gang var gevinsten til en premie. Denne teknikken gjør at forsterkere kan bytte gevinst for reduserte forvrengningsnivåer (og ga også andre fordeler som redusert utgangsimpedans). Introduksjonen av Williamson-forsterkeren i 1947, som var ekstremt avansert på mange måter, inkludert svært vellykket bruk av NFB, var et vendepunkt i lydeffektforsterkerdesign, og drev en push-pull-utgangskrets i klasse AB1 for å gi ytelse som overgår samtiden.

Utviklingen etter krigen

Andre verdenskrig stimulerte dramatisk teknisk fremgang og produksjonsøkonomier i industriell skala. Økende velstand etter krigen førte til et betydelig og voksende forbrukermarked. Dette gjorde det mulig for elektronikkprodusenter å bygge og markedsføre mer avanserte ventil (rør) design til rimelige priser, med det resultat at 1960-tallet så den økende spredningen av elektroniske grammofonspillere, og til slutt begynnelsen av høy troskap . Hifi var i stand til å kjøre høyttalere med full frekvensområde (for første gang, ofte med flere drivere for forskjellige frekvensbånd) til betydelige volumnivåer. Dette, kombinert med spredningen av TV, produserte en "gullalder" i ventil (rør) utvikling og også i utviklingen av utformingen av ventilforsterkerkretser.

En rekke topologier med bare små variasjoner (særlig forskjellige fasedeleren ordningene og " Ultra-lineær " transformator tilkobling for tetrodes) raskt ble utbredt. Denne designfamilien er fremdeles den dominerende topologitopologien til i dag for musikkanvendelse. Denne perioden økte også sivil radio med ventiler som ble brukt til både sendere og mottakere.

Avslå

Fra 1970 silisiumtransistor ble stadig mer utbredt. Ventilproduksjonen ble redusert kraftig, med det bemerkelsesverdige unntaket av katodestrålerør (CRT), og et redusert utvalg av ventiler for forsterkerapplikasjoner. Populære laveffektsrør var doble trioder (ECCnn, 12Ax7-serien) pluss EF86-pentoden, og kraftventiler var for det meste stråletetroder og pentoder (EL84, EL34, KT88 / 6550, 6L6), i begge tilfeller med indirekte oppvarming. Dette reduserte settet er fortsatt kjernen i ventilproduksjonen i dag.

De Sovjetunionen beholdt ventilene til en mye større utstrekning enn det Vesten under kalde krigen , for de fleste av deres kommunikasjon og militære forsterkning krav, delvis på grunn av ventilenes evne til å motstå momentane overbelastninger (særlig på grunn av en kjernefysisk detonasjon ) som ville ødelegge en transistor.

Den dramatiske reduksjonen i størrelse, strømforbruk, reduserte forvrengningsnivåer og fremfor alt kostnadene for elektronikkprodukter basert på transistorer, har gjort ventiler foreldet for vanlige produkter siden 1970-tallet. Ventiler ble værende i visse applikasjoner, for eksempel RF-sendere med høy effekt og mikrobølgeovn , og lydforsterkningsutstyr, spesielt for elektrisk gitar, innspillingsstudioer og avanserte stereoanlegg.

Lydbruk

Et gitarforsterkerchassis i klasse A med ekstra GZ34 ventilretter installert.

I lydapplikasjoner fortsetter ventiler å være svært ønsket av de fleste profesjonelle brukere, spesielt i innspillingsstudioers utstyr og gitarforsterkere. Det er en undergruppe av lydentusiaster som går inn for bruk av rørforsterkere for hjemmelytning. De hevder at rørforsterkere produserer en "varmere" eller mer "naturlig" ventillyd . Bedrifter i Asia og Øst-Europa fortsetter å produsere ventiler for å imøtekomme dette markedet.

Mange profesjonelle gitarspillere bruker 'rørforsterkere' på grunn av sin berømte 'tone'. 'Tone' i denne bruken refererer til klangfarge eller tonefarge, og kan være en veldig subjektiv kvalitet å tallfeste. De fleste lydteknikere og forskere teoretiserer at den 'til og med harmoniske forvrengningen' som produseres av ventilrør, høres mer behagelig ut for øret enn transistorer, uavhengig av stil. Det er tonegenskapene til ventilrørene som har opprettholdt dem som industristandard for gitarer og studiomikrofonforforsterkning.

Rørforsterkere reagerer annerledes enn transistorforsterkere når signalnivåene nærmer seg og når klippingspunktet . I en rørforsterker er overgangen fra lineær forsterkning til begrensning mindre brå enn i en solid state-enhet, noe som resulterer i en mindre gitterform av forvrengning ved begynnelsen av klipping. Av denne grunn foretrekker noen gitarister lyden av en forsterker; De estetiske egenskapene til tube versus solid state-forsterkere er imidlertid et tema i debatten i gitaristsamfunnet.

Kjennetegn

Glødende rørforsterker.
1960-tallet Fender Bandmaster Reverb tube gitarforsterkerchassis.

Effektventiler opererer vanligvis med høyere spenninger og lavere strømmer enn transistorer - selv om driftsspenninger i solid state har økt jevnlig med moderne enhetsteknologier. Høyeffektsendere som er i bruk i dag, opererer i kilovoltområdet, hvor det fremdeles ikke er noen annen sammenlignbar teknologi tilgjengelig. ([effekt = spenning * strømstyrke], så høy effekt krever høy spenning, høy strømstyrke eller begge deler)

Mange kraftventiler har god linearitet, men beskjeden forsterkning eller transkonduktans . Signalforsterkere som bruker rør, har svært høye frekvensresponsområder - opp til radiofrekvens, og mange av de direkte oppvarmede enkeltendede triode (DH-SET) lydforsterkere bruker radiosendende rør designet for å operere i megahertz-området. I praksis vil imidlertid rørforsterkerutforming typisk "parre" trinn enten kapasitivt, begrenser båndbredden i den lave enden, eller induktivt med transformatorer, og begrenser båndbredden i begge ender.

Fordeler

  • Egentlig egnet for høyspenningskretser.
  • Kan konstrueres på en skala som kan avgi store mengder varme (noen ekstreme enheter til og med vannkjølet). Av denne grunn forble ventiler den eneste levedyktige teknologien for applikasjoner med veldig høy effekt som radio- og TV-sendere langt inn i en tid da transistorer hadde fortrengt ventiler i de fleste andre applikasjoner.
  • Elektrisk veldig robust, de tåler overbelastning i minutter, noe som vil ødelegge bipolare transistorsystemer i millisekunder
  • Tåler svært høye forbigående toppspenninger uten skade, og passer dem til visse militære og industrielle applikasjoner
  • Bruk vanligvis med påførte spenninger godt under deres maksimale kapasitet, og gir lang levetid og pålitelighet
  • Mykere klipping ved overbelastning av kretsen, som mange lydfiler og musikere subjektivt mener gir en mer behagelig og mer musikalsk tilfredsstillende lyd.

Ulemper

  • Dårlig linearitet, spesielt med beskjedne tilbakemeldingsfaktorer.
  • Rør krever katodevarmer . Varmekraft representerer et betydelig varmetap og energiforbruk.
  • Rør krever høyere spenninger for anodene sammenlignet med solid state forsterkere med tilsvarende effekt.
  • Rørene er betydelig større enn tilsvarende solid state-enheter
  • Høy impedans og lav strømutgang er uegnet for direkte kjøring av mange virkelige belastninger, særlig forskjellige former for elektriske motorer .
  • Ventiler har kortere levetid enn deler i fast tilstand på grunn av forskjellige sviktmekanismer (som varme, katodeforgiftning , brudd eller interne kortslutninger).
  • Rør er bare tilgjengelig i en enkelt polaritet, mens transistorer er tilgjengelige i komplementære polariteter (f.eks. NPN / PNP), noe som muliggjør mange kretskonfigurasjoner som ikke kan realiseres direkte.
  • Ventilkretsløp må unngå innføring av støy fra strømforsyningen til varmeovnen.
  • Mikrofonikk - ventiler kan noen ganger være følsomme for lyd eller vibrasjon, og utilsiktet fungere som en mikrofon .

Operasjon

Alle forsterkerkretser er klassifisert etter "driftsklasse" som A, B, AB og C etc. Se effektforsterkerklasser . Noen signifikant forskjellige krets topologier eksisterer sammenlignet med transistordesign.

  • Rutenettet (der inngangssignalet blir presentert) må være forspent vesentlig negativt med hensyn til katoden. Dette gjør det ekstremt vanskelig å koble utgangen fra en ventil direkte til inngangen til en følgende ventil, slik det vanligvis gjøres i transistordesign.
  • Ventiltrinn er koblet til komponenter som er klassifisert for å tåle flere hundre volt, vanligvis en kondensator, noen ganger en koblingstransformator. Faseskiftene som innføres av koblingsnettverk kan bli problematiske i kretser som har tilbakemelding.
  • Det er ingen ventilanalog av de komplementære enhetene som er mye brukt i "totempol" -utgangstrinn av silisiumkretser. Push-pull-ventiltopologier krever derfor en fasesplitter .
  • Den meget høye utgangsimpedansen til ventiler (sammenlignet med transistorer) krever vanligvis matchende transformatorer for å drive lave impedansbelastninger som høyttalere eller kutte dreiebenkhoder. Transformatoren brukes som last, i stedet for motstanden som vanligvis brukes i små signal- og drivfaser. Den reflekterte impedansen til transformatoren primær ved frekvensene i bruk er mye høyere enn DC-motstanden til viklingene, ofte kilohms. Transformatorer med høy ytelse er imidlertid alvorlige tekniske kompromisser, de er dyre og i drift langt fra ideelle. Utgangstransformatorer øker kostnadene for en ventilforsterkerkrets dramatisk sammenlignet med et direktekoblet transistoralternativ. Imidlertid, i både rør- og solid state-forsterkere, kreves samsvarende utgangstransformatorer for offentlige adresser der lavt tap med høy impedans / høyspenning brukes til å koble til flere høyttalere.
  • Den åpne sløyfelineariteten til ventiler, spesielt trioder, gjør det mulig å bruke liten eller ingen negativ tilbakemelding i kretser, mens man beholder akseptabel eller til og med utmerket forvrengningsytelse (spesielt for kretser med lite signal).

Topologier

  • Lineære små signalkretser bruker nesten alltid en triode i topologien med en endet gevinst (i klasse A), inkludert utgangstrinnet.
  • Bredbåndsventilforsterkere bruker vanligvis klasse A1 eller AB1.
  • Moderne høyeffektsutgangstrinn er vanligvis push pull, ofte nødvendiggjør en eller annen form for fasesplitter for å utlede et differensial / balansert drivsignal fra en inngang med en ende, vanligvis etterfulgt av et ytterligere forsterkningstrinn ("driveren") før utgangsrørene. For eksempel en shuntregulert push-pull-forsterker )
  • enkle sluttstrømstrinn med svært store ventiler eksisterer og dominerer i radiosenderapplikasjoner. Et sidefelt er observasjonen om at nisje "DH-SET" -topologien som favoriseres av noen lydfiler, er ekstremt enkel og vanligvis konstruert ved hjelp av ventiltyper som opprinnelig var designet for bruk i radiosendere.
  • mer komplekse topologier (spesielt bruk av aktive belastninger) kan forbedre linearitet og frekvensrespons (ved å fjerne Miller kapasitanseffekter).

Utgangsimpedans

Den høye utgangsimpedansen til rørplatekretsene samsvarer ikke godt med lavimpedansbelastninger som høyttalere eller antenner. Et samsvarende nettverk kreves for effektiv kraftoverføring; dette kan være en transformator ved lydfrekvenser, eller forskjellige innstilte nettverk ved radiofrekvenser.

I en katodefølger eller felles plate- konfigurasjon, blir utgangen tatt fra katodemotstanden. På grunn av negativ tilbakemelding (katodejordspenningen avbryter nettjordingsspenningen) er spenningsforsterkningen nær enhet, og utgangsspenningen følger nettspenningen. Selv om katodemotstanden kan være mange kilohm (avhengig av forspenningskrav), er liten signalutgangsimpedans veldig lav (se driftsforsterker ).

applikasjoner

Lydfrekvens (AF) og bredbåndsforsterkere

Ventiler forblir i utstrakt bruk i gitar og high-end lydforsterkere på grunn av den opplevde lydkvaliteten de produserer. De er stort sett foreldet andre steder på grunn av høyere strømforbruk, forvrengning, kostnader, pålitelighet og vekt sammenlignet med transistorer.

Telefoni

Telefoni var originalen, og var i mange år en drivende applikasjon for lydforsterkning. Et spesifikt spørsmål for telekommunikasjonsindustrien var teknikken med å multipleksere mange (opptil tusen) talelinjer på en enkelt kabel, med forskjellige frekvenser.

Fordelen med dette er at en enkeltventil "repeater" forsterker kan forsterke mange samtaler samtidig, dette er veldig kostnadseffektivt. Problemet er at forsterkerne må være ekstremt lineære, ellers vil " intermodulasjonsforvrengning " (IMD) resultere i "krysstale" mellom de multipleksede kanalene. Dette stimulerte utviklingsvekt mot lav forvrengning langt utover de nominelle behovene til en enkelt stemmekanal.

Lyd

Hovedartikkel: Valve lydforsterkere

I dag er hovedapplikasjonen for ventiler lydforsterkere for avansert bruk av hi-fi og musikalsk ytelse med elektriske gitarer , elektriske basser og Hammond-organer , selv om disse applikasjonene har forskjellige krav til forvrengning, noe som resulterer i forskjellige designkompromisser, selv om det samme grunnleggende designteknikker er generiske og gjeldende gjeldende for alle bredbåndsforsterkningsapplikasjoner, ikke bare lyd.

Etter andre verdenskrig er flertallet av ventileffektforsterkere i klasse AB-1 "push pull" ultralinær topologi, eller billigere enkeltslutt, dvs. 6BQ5 / EL84 kraftrør, men nisjeprodukter som bruker DH-SET og til og med OTL-topologier fortsatt eksisterer i lite antall.

En forforsterkerdesign som bruker alle kraftrør i stedet for små signalrør
En 300B forforsterker / solid state-utgang 70Wrms / ch hybridforsterker

Instrumentasjonsforsterkere

Det grunnleggende bevegelige spolens voltmeter og amperemeteret tar en liten strøm og laster dermed kretsen som den er festet til. Dette kan endre driftsforholdene i kretsen som måles betydelig. Vakuumrørs voltmeteret (VTVM) bruker den høye inngangsimpedansen til en ventil for å buffer kretsen som måles fra belastningen til amperemeteret.

Ventil oscilloskop dele denne meget høy inngangsimpedans og kan således anvendes for å måle spenninger, selv i meget høye impedans kretser. Det kan vanligvis være 3 eller 4 stadier av forsterkning per skjermkanal. I senere oscilloskoper ble en type forsterker som brukte en serie rør forbundet med like avstand langs overføringslinjer , kjent som en distribuert forsterker, brukt for å forsterke meget høyfrekvente vertikale signaler før påføring på displayrøret. Ventiloscilloskoper er nå foreldet.

I de siste årene av ventiltiden ble ventiler til og med brukt til å lage " operasjonsforsterkere " - byggesteinene til mye moderne lineær elektronikk. En op-amp har vanligvis et differensialinngangstrinn og en totempolutgang, kretsen har vanligvis minst fem aktive enheter. Det ble produsert et antall "pakker" som integrerte slike kretser (vanligvis ved bruk av to eller flere glasskonvolutter) i en enkelt modul som kunne kobles til en større krets (for eksempel en analog datamaskin). Slike ventilforsterkere var veldig langt fra ideelle og ble raskt foreldet, og ble erstattet med solid state-typer.

Smale bånd og radiofrekvensinnstilte forsterkere

Hovedartikkel: RF-forsterker

Historisk sett var "overføringsrør" før andre verdenskrig blant de kraftigste rørene som var tilgjengelige. Disse hadde vanligvis direkte oppvarmede toriske filamentkatoder som glødet som lyspærer. Noen rør kunne kjøres så hardt at selve anoden ville lyse kirsebærrød; anodene ble bearbeidet av solidt materiale (i stedet for å være produsert av tynt ark) for å motstå varme uten å forvrenge. Merkbare rør av denne typen er 845 og 211. Senere tetroder og pentoder som 817 og (direkte oppvarmet) 813 ble også brukt i stort antall i (spesielt militære) radiosendere.

RF-kretser er vesentlig forskjellige fra bredbåndsforsterkerkretser. Antennen eller det følgende kretstrinnet inneholder vanligvis en eller flere justerbare kapasitive eller induktive komponenter som tillater resonansen til scenen å bli nøyaktig matchet med bærerfrekvensen i bruk, for å optimalisere kraftoverføring fra og belastning på ventilen, en såkalt "tunet circuit" ".

Bredbåndskretser krever flat respons over et bredt spekter av frekvenser. RF-kretser er derimot vanligvis nødvendige for å operere ved høye frekvenser, men ofte over et veldig smalt frekvensområde. For eksempel kan det kreves at en RF-enhet opererer i området 144 til 146 MHz (bare 1,4%)

I dag er radiosendere overveldende silisiumbasert, selv ved mikrobølgefrekvenser. Imidlertid fortsetter et stadig synkende mindretall av radiofrekvente forsterkere med høy effekt ventilkonstruksjon.

Merknader

Se også

Referanser

  • Håndbok for radiokommunikasjon (5. utgave), Radio Society of Great Britain , 1976, ISBN  0-900612-28-2

Eksterne linker

  • The Vacuum Tube FAQ - Henry Pasternack FAQ fra rec.audio
  • Audio Circuit - En nesten komplett liste over produsenter, byggesett, materialer og deler og "hvordan de fungerer" seksjoner på ventilforsterkere
  • Konverteringskalkulator - forvrengningsfaktor til forvrengningsdemping og THD
  • AX84.com - Selv om det er orientert mot ventilgitarforsterkere, gjelder AX84s gratis skjema- og teoridokument godt for ethvert rør / ventilprosjekt
  • Tube Data Archive - Massiv samling (7 GB +) av rørdataark og informasjon.