มุมมอง: 222 ผู้แต่ง: Leah เผยแพร่เวลา: 2025-01-01 Origin: เว็บไซต์
เมนูเนื้อหา
การขยายสัญญาณของหลอดสูญญากาศอย่างไร
การใช้แอมพลิฟายเออร์ท่อสูญญากาศ
วิวัฒนาการของการออกแบบเครื่องขยายเสียง
- แอมพลิฟายเออร์ปฏิบัติการ (op-amps)
บริบททางประวัติศาสตร์ของเทคโนโลยีท่อสูญญากาศ
- 1. แอมพลิฟายเออร์สัญญาณที่นำหน้าทรานซิสเตอร์คืออะไร?
- 2. หลอดสูญญากาศขยายสัญญาณอย่างไร?
- 3. แอพพลิเคชั่นของแอมพลิฟายเออร์ท่อสูญญากาศคืออะไร?
- 4. ทำไมทรานซิสเตอร์จึงเปลี่ยนหลอดสูญญากาศ?
- 5. มีการใช้งานที่ทันสมัยสำหรับหลอดสูญญากาศหรือไม่?
การขยายสัญญาณเป็นรากฐานที่สำคัญของวิศวกรรมไฟฟ้าและการสื่อสารโทรคมนาคมตั้งแต่รุ่งอรุณของอายุอิเล็กทรอนิกส์ ก่อนการถือกำเนิดของทรานซิสเตอร์มีการใช้เทคโนโลยีต่าง ๆ เพื่อขยายสัญญาณโดยเฉพาะอย่างยิ่งท่อสูญญากาศ บทความนี้สำรวจวิวัฒนาการของ แอมพลิฟายเออร์สัญญาณ ที่นำหน้าทรานซิสเตอร์รายละเอียดการใช้งานแอปพลิเคชันและความสำคัญในการสร้างอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ทันสมัย
แอมพลิฟายเออร์สัญญาณภาคปฏิบัติเครื่องแรกที่นำหน้าทรานซิสเตอร์คือท่อสูญญากาศโดยเฉพาะท่อสูญญากาศ triode ที่คิดค้นโดย Lee de Forest ในปี 1906 อุปกรณ์นี้ปฏิวัติสาขาอิเล็กทรอนิกส์โดยการขยายสัญญาณไฟฟ้าที่อ่อนแอ
- การประดิษฐ์: หลอดสูญญากาศ Triode ได้รับการพัฒนาเพื่อปรับปรุงอุปกรณ์ก่อนหน้านี้เช่นไดโอดซึ่งสามารถแก้ไขสัญญาณได้ แต่ไม่ขยายพวกเขา
- โครงสร้าง: triode ทั่วไปประกอบด้วยสามองค์ประกอบ:
- แคโทด: ร้อนขึ้นถึงปล่อยอิเล็กตรอน
- ขั้วบวก: ดึงดูดอิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาจากแคโทด
- กริดควบคุม: ตำแหน่งระหว่างแคโทดและขั้วบวกมันควบคุมการไหลของอิเล็กตรอนตามแรงดันไฟฟ้าที่ใช้
- การดำเนินการ: เมื่อแรงดันไฟฟ้าขนาดเล็กถูกนำไปใช้กับกริดควบคุมมันจะมีผลต่อจำนวนอิเล็กตรอนถึงขั้วบวก สิ่งนี้ช่วยให้การขยายสัญญาณอินพุตที่อ่อนแออย่างมีนัยสำคัญ
ท่อสูญญากาศดำเนินการกับหลักการของการปล่อยเทอร์โมนิคและการไหลของอิเล็กตรอน เมื่อความร้อนแคโทดจะปล่อยอิเล็กตรอนเข้าสู่สุญญากาศ ด้วยการใช้แรงดันไฟฟ้าบวกกับขั้วบวกอิเล็กตรอนเหล่านี้จะถูกดึงดูดและสร้างกระแสไฟฟ้า
- กำไร: อัตราส่วนของสัญญาณเอาต์พุตต่อสัญญาณอินพุตซึ่งอาจเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญโดยการปรับแรงดันไฟฟ้ากริด
- กลไกการตอบรับ: การออกแบบก่อนมักใช้ข้อเสนอแนะเชิงบวกเพื่อเพิ่มผลกำไร แต่เสี่ยงต่อความไม่แน่นอน
- ระดับการบิดเบือน: แอมพลิฟายเออร์ท่อสุญญากาศในช่วงต้นมีระดับการบิดเบือนประมาณ 5%ซึ่งดีขึ้นด้วยความก้าวหน้าในเทคนิคการตอบรับเชิงลบที่พัฒนาโดยวิศวกรอย่าง Harold Black ในปี 1934
ก่อนที่ทรานซิสเตอร์จะครอบงำอิเล็กทรอนิกส์แอมพลิฟายเออร์ท่อสูญญากาศพบว่ามีการใช้อย่างแพร่หลายในแอปพลิเคชันต่าง ๆ :
- โทรคมนาคม: เปิดใช้งานสายโทรศัพท์ทางไกลและการแพร่ภาพวิทยุ
- อุปกรณ์เสียง: ใช้ในระบบที่อยู่สาธารณะและอุปกรณ์บันทึกเสียงก่อน
- คอมพิวเตอร์: คอมพิวเตอร์ยุคแรกเช่น ENIAC ใช้หลอดสูญญากาศสำหรับการประมวลผลข้อมูล
ในขณะที่หลอดสูญญากาศนั้นโดดเด่น แต่เทคโนโลยีอื่น ๆ ก็มีบทบาทในการขยายสัญญาณก่อนทรานซิสเตอร์:
- ใช้สนามแม่เหล็กเพื่อควบคุมการไหลของกระแสและขยายสัญญาณ
- พบแอปพลิเคชันในวงจรควบคุมพลังงานจนกระทั่งทรานซิสเตอร์ประหยัดมากขึ้น
- ใช้ในเครื่องรับวิทยุต้น พวกเขาสามารถตรวจจับสัญญาณวิทยุ แต่มีความสามารถในการขยายที่ จำกัด
- อุปกรณ์เช่นเสียงแตรที่ขยายเสียงอย่างเป็นเสียงก่อนที่การแก้ปัญหาทางอิเล็กทรอนิกส์จะแพร่หลาย
การประดิษฐ์ของทรานซิสเตอร์ในช่วงปลายทศวรรษที่ 1940 เป็นจุดเปลี่ยนที่สำคัญในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ทรานซิสเตอร์เสนอข้อได้เปรียบหลายประการเหนือหลอดสูญญากาศ:
- ขนาดและน้ำหนัก: ทรานซิสเตอร์มีขนาดเล็กและเบากว่าหลอดสุญญากาศอย่างมีนัยสำคัญ
- ประสิทธิภาพการใช้พลังงาน: พวกเขาใช้พลังงานน้อยลงและสร้างความร้อนน้อยลง
- ความทนทาน: ทรานซิสเตอร์มีความแข็งแกร่งและเชื่อถือได้มากกว่าหลอดแก้วที่เปราะบาง
การออกแบบและการประยุกต์ใช้แอมพลิฟายเออร์มีการพัฒนาอย่างมีนัยสำคัญเมื่อเวลาผ่านไป แอมพลิฟายเออร์ในช่วงต้นมีขนาดใหญ่และหิวโหยเนื่องจากการพึ่งพาท่อสูญญากาศ อย่างไรก็ตามในขณะที่เทคโนโลยีขั้นสูงวิศวกรเริ่มพัฒนาการออกแบบที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นซึ่งใช้กลไกการตอบรับเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพประสิทธิภาพ
คำติชมเชิงลบได้รับการแนะนำเป็นวิธีการลดระดับการบิดเบือนในแอมพลิฟายเออร์ ด้วยการให้อาหารส่วนหนึ่งของเอาต์พุตกลับเข้าไปในอินพุตในลักษณะคว่ำวิศวกรสามารถทำให้กำไรและปรับปรุงความเป็นเส้นตรงได้อย่างมีเสถียรภาพ เทคนิคนี้กลายเป็นสิ่งสำคัญในการปรับแต่งอุปกรณ์เสียงและอุปกรณ์การสื่อสาร
การพัฒนาแอมพลิฟายเออร์ปฏิบัติการ (OP-AMPS) ในช่วงสงครามโลกครั้งที่สองเทคโนโลยีเครื่องขยายเสียงขั้นสูงต่อไป อุปกรณ์อเนกประสงค์เหล่านี้สามารถดำเนินการทางคณิตศาสตร์ต่าง ๆ บนสัญญาณอินพุตทำให้จำเป็นสำหรับการคำนวณแบบอะนาล็อกและแอปพลิเคชันการประมวลผลสัญญาณ Op-amps ถูกสร้างขึ้นในขั้นต้นโดยใช้หลอดสูญญากาศก่อนที่จะเปลี่ยนเป็นการออกแบบที่เป็นโซลิดสเตตด้วยการถือกำเนิดของทรานซิสเตอร์
แม้จะถูกแทนที่ด้วยทรานซิสเตอร์ส่วนใหญ่ท่อสูญญากาศยังไม่ได้หายไปจากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ทันสมัย พวกเขายังคงค้นหาแอปพลิเคชันเฉพาะที่ลักษณะเฉพาะของพวกเขามีประโยชน์:
-เครื่องส่งสัญญาณ RF พลังงานสูง: ท่อสูญญากาศสามารถสร้างพลังได้มากกว่าเซมิคอนดักเตอร์ที่ทันสมัยเทียบเท่ากันทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานความถี่สูงเช่นเครื่องส่งสัญญาณวิทยุ
- อุปกรณ์เสียง: Audiophiles จำนวนมากชอบแอมพลิฟายเออร์หลอดสำหรับคุณภาพเสียงที่โดดเด่นของพวกเขามักจะอธิบายว่าอบอุ่นและอุดมไปด้วยทางเลือกของโซลิดสเตต
ความสำคัญทางประวัติศาสตร์ของหลอดสุญญากาศไม่สามารถพูดเกินจริงได้ พวกเขามีบทบาทสำคัญในความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีที่หลากหลายตลอดศตวรรษที่ 20:
1. โทรศัพท์: ระบบโทรศัพท์ยุคแรกอาศัยเทคโนโลยีท่อสูญญากาศอย่างมากสำหรับการขยายสัญญาณทำให้สามารถสื่อสารทางไกลได้ชัดเจนขึ้น
2. การออกอากาศ: การแพร่ภาพวิทยุเป็นไปได้เนื่องจากแอมพลิฟายเออร์ท่อสูญญากาศที่สามารถส่งสัญญาณเสียงในระยะทางไกลโดยไม่สูญเสียคุณภาพอย่างมีนัยสำคัญ
3. โทรทัศน์: การพัฒนาเทคโนโลยีโทรทัศน์ก็ขึ้นอยู่กับท่อสูญญากาศสำหรับการส่งและการต้อนรับทำให้การปฏิวัติสื่อภาพ
4. การใช้งานทางทหาร: ในช่วงสงครามโลกครั้งที่สองท่อสูญญากาศเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับระบบเรดาร์และเทคโนโลยีการสื่อสารทางทหารอื่น ๆ
5. ผู้บริโภคอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์: ความต้องการของผู้บริโภคหลังสงครามนำไปสู่การใช้ท่อสูญญากาศอย่างกว้างขวางในวิทยุโทรทัศน์และอุปกรณ์เสียงตลอดช่วงกลางศตวรรษที่ 20
เมื่อความต้องการเพิ่มขึ้นสำหรับการทำซ้ำเสียงที่สูงขึ้นและวิธีการขยายที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นความก้าวหน้าหลายอย่างเกิดขึ้นภายในเทคโนโลยีท่อ:
การแนะนำของ tetrode (องค์ประกอบสี่องค์ประกอบ) และ pentode (ห้าองค์ประกอบ) หลอดปรับปรุงประสิทธิภาพและลดการบิดเบือนเมื่อเทียบกับ triodes การออกแบบเหล่านี้อนุญาตให้มีประสิทธิภาพที่ดีขึ้นในแอพพลิเคชั่นต่างๆ:
- Tetrodes นำเสนอกำลังไฟที่สูงขึ้นด้วยความจุระหว่างอิเล็กโทรดที่ลดลง
- Pentodes ให้ผลกำไรที่ดียิ่งขึ้นในขณะที่ลดการบิดเบือนผ่านกริดควบคุมเพิ่มเติมที่ช่วยจัดการการไหลของอิเล็กตรอนได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น
ความก้าวหน้าเหล่านี้ปูทางไปสู่การออกแบบเครื่องขยายเสียงที่ซับซ้อนมากขึ้นซึ่งสามารถจัดการความถี่ที่สูงขึ้นด้วยความเที่ยงตรงมากขึ้น
พื้นที่หนึ่งที่แอมพลิฟายเออร์ท่อสูญญากาศรักษาความแข็งแกร่งต่อไปนี้มีคุณภาพเสียง นักดนตรีและวิศวกรเสียงหลายคนยืนยันว่าแอมพลิฟายเออร์หลอดสร้างคุณภาพเสียงที่อบอุ่นและสมบูรณ์กว่าทางเลือกของโซลิดสเตตเนื่องจากลักษณะการบิดเบือนที่เป็นเอกลักษณ์ของพวกเขา:
-การบิดเบือนฮาร์มอนิก: แอมพลิฟายเออร์หลอดมีแนวโน้มที่จะผลิตฮาร์มอนิกที่มีลำดับสม่ำเสมอซึ่งโดยทั่วไปจะถูกมองว่าเป็นที่ชื่นชอบทางดนตรีเมื่อเทียบกับฮาร์โมนิกลำดับแปลก ๆ ที่ผลิตโดยอุปกรณ์โซลิดสเตต
- ช่วงไดนามิก: ลักษณะการบีบอัดตามธรรมชาติของแอมพลิฟายเออร์หลอดสามารถเพิ่มความดังที่รับรู้ได้โดยไม่รุนแรงทำให้พวกเขาต้องการการแสดงดนตรีที่มีความอบอุ่น
การอภิปรายนี้ยังคงดำเนินต่อไปในหมู่ออดิโอไฟล์ที่ชื่นชมเทคโนโลยีทั้งสองสำหรับคุณสมบัติที่เป็นเอกลักษณ์ของพวกเขา แต่มักจะชอบเทคโนโลยีท่อสำหรับการใช้งานเฉพาะเช่นการขยายกีตาร์ไฟฟ้าหรือระบบการเล่นเสียงที่มีความเที่ยงตรงสูง
วิวัฒนาการของแอมพลิฟายเออร์สัญญาณจากหลอดสุญญากาศไปยังทรานซิสเตอร์แสดงให้เห็นถึงการเดินทางที่น่าทึ่งในวิศวกรรมอิเล็กทรอนิกส์ ท่อสูญญากาศวางรากฐานสำหรับเทคนิคการขยายที่ทันสมัยทำให้เทคโนโลยีที่เราพึ่งพาในวันนี้ ในขณะที่ทรานซิสเตอร์ส่วนใหญ่แทนที่หลอดสุญญากาศเนื่องจากข้อได้เปรียบมากมายของพวกเขาเข้าใจว่าแอมพลิฟายเออร์รุ่นแรกเหล่านี้ทำงานได้อย่างไรให้ข้อมูลเชิงลึกที่มีคุณค่าเกี่ยวกับการพัฒนาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ มรดกของหลอดสุญญากาศไม่เพียง แต่อยู่ในแอพพลิเคชั่นเฉพาะทางเท่านั้น แต่ยังอยู่ในบริบททางวัฒนธรรมที่มีการเฉลิมฉลองลักษณะเสียงที่เป็นเอกลักษณ์ของพวกเขาโดยนักดนตรีและผู้ที่ชื่นชอบ
แอมพลิฟายเออร์สัญญาณที่นำหน้าทรานซิสเตอร์ส่วนใหญ่จะแสดงโดยหลอดสูญญากาศโดยเฉพาะอย่างยิ่งทริบูส์ซึ่งถูกใช้อย่างกว้างขวางสำหรับการขยายสัญญาณไฟฟ้าก่อนที่ทรานซิสเตอร์จะแพร่หลาย
ท่อสูญญากาศขยายสัญญาณผ่านการปล่อยเทอร์โมนิคซึ่งอิเล็กตรอนถูกปล่อยออกมาจากแคโทดที่ร้อนจัดควบคุมโดยกริดที่ปรับการไหลของพวกเขาไปยังขั้วบวก
แอมพลิฟายเออร์ท่อสูญญากาศถูกนำมาใช้ในการสื่อสารโทรคมนาคมสำหรับการโทรทางไกลอุปกรณ์เสียงสำหรับระบบที่อยู่สาธารณะและคอมพิวเตอร์ยุคแรกสำหรับงานประมวลผลข้อมูล
ทรานซิสเตอร์แทนที่หลอดสูญญากาศเนื่องจากขนาดที่เล็กลงการใช้พลังงานลดลงการสร้างความร้อนลดลงและความน่าเชื่อถือที่มากขึ้นเมื่อเทียบกับหลอดแก้วที่เปราะบาง
ใช่หลอดสูญญากาศยังคงใช้ในแอพพลิเคชั่นพลังงานสูงเช่นเครื่องส่งสัญญาณวิทยุและอุปกรณ์เสียงระดับสูงที่ได้รับการสนับสนุนจากออดิโอไฟล์สำหรับลักษณะเสียงที่เป็นเอกลักษณ์ของพวกเขา
[1] https://www.smoothsamples.com/resources/vacuum-tube-amplifiers-a-brief-history
[2] https://en.wikipedia.org/wiki/valve_amplifier
[3] https://www.youtube.com/watch?v=OU-VPZHBUDM
[4] https://www.sciencing.com/about-4899502-history-audio-amplifier/
[5] https://www.analog.com/media/en/training-seminars/design-handbooks/op-amp-applications/sectionh.pdf
[6] https://www.psaudio.com/blogs/copper/vacuum-tubes-a-brief-history
[7] http://www.foxaudioresearch.ca/tubeampliers.htm
[8] https://audiokarma.org/forums/index.php
[9] http://proaudioencyclopedia.com/multichannel-power-amplifiers-the-evolution-of-heavy-metal/
[10] https://americantubeamp.com/history/history-of-tube-amps/
