أنبوب الإخراج الاستقرائي

📅 آخر تحديث: ٢٨ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٨ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 1 صور
الموسوعة الحرة
جهاز إنترنت الأشياء لبث التلفزيون UHF ATSC، من إنتاج شركة e2v ، ويظهر جديداً في عبوته الأصلية.

أنبوب الإخراج الحثي ( IOT ) أو الكليسترود هو نوع من أنابيب التفريغ ذات الحزمة الخطية ، يشبه الكليسترون ، ويُستخدم كمضخم طاقة لموجات الراديو عالية التردد . وقد تطور في ثمانينيات القرن الماضي لتلبية متطلبات الكفاءة المتزايدة لمضخمات الترددات الراديوية عالية الطاقة في أجهزة الإرسال اللاسلكية . [ 1 ] يُستخدم أنبوب الإخراج الحثي تجاريًا بشكل أساسي في أجهزة إرسال التلفزيون UHF ، [ 2 ] حيث حلّ محل الكليسترون إلى حد كبير نظرًا لكفاءته العالية (من 35% إلى 40%) وحجمه الأصغر. كما يُستخدم أنبوب الإخراج الحثي في ​​مسرعات الجسيمات . وهو قادر على إنتاج طاقة خرج تصل إلى حوالي 30 كيلوواط بشكل مستمر و7 ميجاواط بشكل نبضي، مع كسب طاقة يتراوح بين 20 و23 ديسيبل عند ترددات تصل إلى حوالي جيجاهرتز واحد . [ 2 ]  

تاريخ

اخترع أندرو ف . هايف أنبوب الإخراج الاستقرائي (IOT) عام 1938. وحصل لاحقًا على براءة اختراع لهذا الأنبوب، ثم نُقلت ملكيته إلى شركة راديو أمريكا (RCA). وخلال معرض نيويورك العالمي عام 1939 ، استُخدم أنبوب الإخراج الاستقرائي في بث أولى الصور التلفزيونية من مبنى إمباير ستيت إلى أرض المعرض. باعت شركة RCA أنبوب إخراج استقرائي صغيرًا تجاريًا لفترة وجيزة، تحت الرقم 825. وسرعان ما أصبح هذا الأنبوب قديمًا نتيجةً للتطورات الحديثة، وظلت هذه التقنية شبه مهجورة لسنوات.

لقد عادت أنابيب الإخراج الاستقرائية للظهور خلال العشرين عامًا الماضية بعد اكتشاف أنها تمتلك خصائص مناسبة بشكل خاص (خطية النطاق العريض) لنقل التلفزيون الرقمي والتلفزيون الرقمي عالي الوضوح .

في بحث أُجري قبل الانتقال من البث التلفزيوني التناظري إلى الرقمي، تبيّن أن التداخل الكهرومغناطيسي الناتج عن البرق، ونقل الطاقة الكهربائية ذات الجهد العالي المتردد ، ومقومات التيار المتردد، والمحولات المستخدمة في الإضاءة الفلورية، يؤثر بشكل كبير على قنوات VHF ذات النطاق المنخفض (في أمريكا الشمالية، القنوات 2 و3 و4 و5 و6)، مما يجعل استخدامها للتلفزيون الرقمي صعبًا أو مستحيلاً. غالبًا ما كانت هذه القنوات ذات الأرقام المنخفضة أولى محطات البث التلفزيوني في المدينة، وكثيرًا ما كانت محطات كبيرة وحيوية لم يكن أمامها خيار سوى الانتقال إلى نطاق UHF. وبذلك، أصبح التلفزيون الرقمي الحديث وسيلة بث UHF في المقام الأول، وأصبحت أنابيب الخرج (IOTs) الخيار الأمثل لقسم خرج الطاقة في أجهزة الإرسال هذه.

إنّ قدرة أجهزة إنترنت الأشياء الحديثة في القرن الحادي والعشرين أعلى بكثير من قدرة أولى أجهزة إنترنت الأشياء التي أنتجتها شركة RCA في الفترة ما بين عامي 1940 و1941، إلا أن مبدأ التشغيل الأساسي لا يزال كما هو. وقد صُممت أجهزة إنترنت الأشياء منذ سبعينيات القرن الماضي باستخدام برامج حاسوبية للنمذجة الكهرومغناطيسية، مما حسّن بشكل كبير من أدائها الكهروديناميكي.

كيف يعمل؟

أنبوب التفريغ ذو الحزمة الخطية (IOT) هو أنبوب تفريغ ذو حزمة خطية. وكما هو الحال في أنبوب أشعة الكاثود الموجود في أجهزة التلفاز القديمة، تُنتَج الإلكترونات بواسطة قطب سالب ساخن ( كاثود) وتُسرَّع بواسطة جهد موجب عالٍ في بنية تُسمى مدفع الإلكترونات في أحد طرفي الأنبوب، مُشكِّلةً حزمة تنتقل عبره. عند الطرف الآخر من الأنبوب، لا تُنتج الحزمة صورةً مُضيئةً على الفوسفور كما في أنبوب أشعة الكاثود، بل تمر عبر تجويف رنيني يستخلص طاقتها، ثم تصطدم بقطب موجب وتُمتص.

وُصفت أجهزة IOT بأنها مزيج بين الكليسترون والتترود ، ومن هنا جاء الاسم التجاري الذي أطلقته عليها شركة Eimac ، وهو "كليسترود" . تحتوي هذه الأجهزة على مدفع إلكتروني يشبه الكليسترون، ولكن مع شبكة تحكم أمامه تشبه شبكة التحكم في التريود، بمسافة تقارب 0.1  مم. يسمح جهد الترددات الراديوية العالي على الشبكة بمرور الإلكترونات على شكل حزم. يعمل جهد التيار المستمر العالي على مصعد أسطواني على تسريع حزمة الإلكترونات المُعدّلة عبر أنبوب انجراف صغير يشبه أنبوب انجراف الكليسترون . يمنع أنبوب الانجراف هذا ارتداد الإشعاع الكهرومغناطيسي . تمر حزمة الإلكترونات عبر المصعد المجوف إلى تجويف رنيني ، مشابه لتجويف خرج الكليسترون، وتصطدم بقطب جامع. وكما هو الحال في الكليسترون، تمر كل حزمة إلى التجويف في الوقت الذي يُبطئه فيه المجال الكهربائي، محولًا الطاقة الحركية للحزمة إلى طاقة كامنة في مجال الترددات الراديوية، مما يُضخّم الإشارة. تُستخلص الطاقة الكهرومغناطيسية المتذبذبة في التجويف بواسطة خط نقل محوري. ويمنع مجال مغناطيسي محوري انتشار الشحنة الفضائية للشعاع. ويكون قطب التجميع عند جهد أقل من المصعد (مجمع منخفض الجهد)، مما يؤدي إلى استعادة جزء من طاقة الشعاع، وبالتالي زيادة الكفاءة. [ 1 ] [ 2 ]

هناك فرقان عن الكليسترون يمنحانه تكلفة أقل وكفاءة أعلى.

  1. يستخدم الكليسترون تعديل السرعة لتوليد التجميع؛ ويكون تيار شعاعه ثابتًا. ويتطلب أنبوب انجراف بطول عدة أقدام للسماح بتجميع الإلكترونات. في المقابل، يستخدم أنبوب IOT تعديل التيار مثل الصمام الثلاثي العادي؛ ويتم معظم التجميع بواسطة الشبكة، لذا يمكن أن يكون الأنبوب أقصر بكثير، مما يجعله أقل تكلفة في التصنيع والتركيب، وأقل حجمًا.
  2. بما أن الكليسترون يُمرر تيار الحزمة طوال دورة الترددات الراديوية، فإنه يعمل فقط كمضخم من الفئة A غير فعال، بينما تسمح شبكة مضخم IOT بأوضاع تشغيل أكثر تنوعًا. يمكن تحيز الشبكة بحيث يمكن قطع تيار الحزمة خلال جزء من الدورة، مما يُمكّنها من العمل في وضع الفئة B أو AB الأكثر كفاءة . [ 1 ] [ 2 ]

يُحدَّد أعلى تردد يمكن تحقيقه في جهاز IOT بالمسافة بين الشبكة والكاثود. يجب تسريع الإلكترونات من الكاثود ومرورها عبر الشبكة قبل أن ينعكس اتجاه المجال الكهربائي بترددات الراديو. الحد الأعلى للتردد هو 1300 ميجاهرتز تقريبًا . يبلغ كسب جهاز IOT من 20 إلى 23  ديسيبل، مقابل 35 إلى 40  ديسيبل للكليسترون. عادةً لا يُمثِّل انخفاض الكسب مشكلة، لأن  متطلبات طاقة التشغيل (1% من طاقة الخرج) عند 20 ديسيبل تقع ضمن قدرات مُضخِّمات UHF الاقتصادية ذات الحالة الصلبة. [ 1 ]

العيوب

يؤدي الإشعاع الحراري المنبعث من المهبط إلى تسخين الشبكة. ونتيجةً لذلك، يتبخر ويتكثف مادة المهبط ذات دالة الشغل المنخفضة على الشبكة. ويؤدي هذا في النهاية إلى حدوث تماس كهربائي بين المهبط والشبكة، حيث تُضيّق المادة المتراكمة على الشبكة الفجوة بينهما. إضافةً إلى ذلك، تتسبب مادة المهبط الباعثة للضوء على الشبكة في تيار عكسي (تدفق عكسي للإلكترونات من الشبكة إلى المهبط). وقد يؤدي هذا إلى إغراق مصدر طاقة الشبكة إذا ارتفع هذا التيار العكسي بشكل كبير، مما يُغير جهد الشبكة (جهد الانحياز)، وبالتالي نقطة تشغيل الأنبوب. أما أنابيب إنترنت الأشياء الحديثة، فهي مُجهزة بمهابط مطلية تعمل عند درجات حرارة تشغيل منخفضة نسبيًا، وبالتالي تتميز بمعدلات تبخر أبطأ، مما يقلل من هذا التأثير.

كغيرها من أنابيب الشعاع الخطي ذات تجاويف الضبط الخارجية، فإن أنابيب IOT عرضة للشرارة الكهربائية ، ولذا يجب حمايتها بكاشفات شرارة موجودة في تجاويف الإخراج، والتي تُفعّل دائرة حماية تعتمد على ثايراترون هيدروجيني أو فجوة شرارة مُفعّلة في مصدر الجهد العالي. [ 1 ] تتمثل وظيفة دائرة الحماية في تفريغ الشحنة الكهربائية الهائلة المخزنة في مصدر شعاع الجهد العالي فورًا قبل أن تتسبب هذه الطاقة في إتلاف مجموعة الأنبوب أثناء حدوث شرارة غير مُتحكم بها في التجويف أو المُجمّع أو المهبط. [ 1 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. 1 2 3 4 5 6 ويتاكر، جيري سي. (2005). دليل الإلكترونيات، الطبعة الثانية . مطبعة سي آر سي. الصفحات 488-489 . ISBN  1420036661.
  2. 1 2 3 4 سيسوديا، إم إل (2006). الأجهزة النشطة بالميكروويف : الفراغ والحالة الصلبة . نيو إيج إنترناشونال. ص 3.47 – 3.49 . ISBN   8122414478.