مضخم صمامي

حتى اختراع الترانزستور عام 1947، كانت معظم مضخمات الصوت الإلكترونية عالية التردد العملية تُصنع باستخدام الصمامات الحرارية . ^{[ 1 ]} أبسط صمام (يُسمى ثنائيًا لأنه يحتوي على قطبين كهربائيين ) اخترعه جون أمبروز فليمنج أثناء عمله في شركة ماركوني في لندن عام 1904. كان الثنائي يوصل الكهرباء في اتجاه واحد فقط، وكان يُستخدم ككاشف راديو ومقوم .

في عام ١٩٠٦، أضاف لي دي فورست قطبًا ثالثًا، فاخترع أول جهاز تضخيم إلكتروني، وهو الصمام الثلاثي ، الذي أطلق عليه اسم أوديون . تعمل شبكة التحكم الإضافية هذه على تعديل التيار المتدفق بين المهبط والمصعد . غالبًا ما تُمثَّل العلاقة بين تدفق التيار وجهد الصفيحة والشبكة بسلسلة من "المنحنيات المميزة" على الرسم التخطيطي. اعتمادًا على المكونات الأخرى في الدائرة ، يمكن استخدام تدفق التيار المُعدَّل هذا لتوفير كسب في التيار أو الجهد .

كان أول استخدام لتضخيم الصمامات في إعادة توليد إشارات الاتصالات الهاتفية بعيدة المدى . لاحقًا، طُبّق تضخيم الصمامات في سوق الاتصالات اللاسلكية الذي بدأ في أوائل الثلاثينيات. وفي وقت لاحق، صُنعت مضخمات صوتية للموسيقى، ثم للتلفزيون، باستخدام الصمامات أيضًا.

كانت بنية الدائرة المهيمنة خلال تلك الفترة هي مرحلة تضخيم الصمام الثلاثي أحادي الطرف ، العاملة في الفئة A، والتي قدمت صوتًا ممتازًا (وأداءً معقولًا من حيث التشوه المقاس ) على الرغم من بساطة الدائرة وقلة مكوناتها: وهو أمر بالغ الأهمية في وقت كانت فيه المكونات تُصنع يدويًا وباهظة الثمن. قبل الحرب العالمية الثانية ، كانت جميع مضخمات الصمامات تقريبًا ذات كسب منخفض، وتعتمد خطيتها كليًا على الخطية الذاتية للصمام نفسه، حيث بلغ التشوه عادةً 5% عند الطاقة الكاملة.

اخترع هارولد ستيفن بلاك تقنية التغذية الراجعة السلبية (NFB) عام 1927، لكنها لم تُستخدم على نطاق واسع في البداية نظرًا لأهمية كسب الإشارة آنذاك. تسمح هذه التقنية للمضخمات بموازنة كسب الإشارة مع تقليل مستويات التشويش (كما أنها توفر مزايا أخرى مثل تقليل مقاومة الخرج). شكّل طرح مضخم ويليامسون عام 1947، الذي كان متطورًا للغاية من نواحٍ عديدة، بما في ذلك الاستخدام الناجح جدًا لتقنية التغذية الراجعة السلبية، نقطة تحول في تصميم مضخمات الطاقة الصوتية، حيث يعمل بدائرة خرج دفع-سحب من الفئة AB1 ليقدم أداءً يفوق أداء مثيلاته في ذلك الوقت.

حفّزت الحرب العالمية الثانية تقدماً تقنياً هائلاً ونمواً اقتصادياً على نطاق صناعي واسع. وأدى ازدياد الرخاء بعد الحرب إلى سوق استهلاكية ضخمة ومتنامية. مكّن هذا مصنّعي الإلكترونيات من تصميم وتسويق تصاميم صمامات (أنابيب) أكثر تطوراً بأسعار معقولة، ما أسفر عن انتشار واسع لأجهزة تشغيل الأسطوانات الإلكترونية في ستينيات القرن الماضي، وبداية عصر الصوت عالي الدقة (Hi-Fi ). تمكّنت أنظمة Hi-Fi من تشغيل مكبرات الصوت ذات نطاق التردد الكامل (للمرة الأولى، غالباً باستخدام وحدات تشغيل متعددة لنطاقات تردد مختلفة) بمستويات صوت عالية. هذا، بالإضافة إلى انتشار التلفزيون، أدى إلى عصر ذهبي في تطوير الصمامات (الأنابيب) وتصميم دوائر مضخمات الصمامات.

انتشرت بسرعة مجموعة من التصاميم ذات الاختلافات الطفيفة (لا سيما ترتيبات مقسمات الطور المختلفة وتوصيلة المحول " الخطية للغاية " للصمامات الرباعية). ولا تزال هذه المجموعة من التصاميم هي التصميم السائد لمضخمات الطاقة العالية في التطبيقات الموسيقية حتى يومنا هذا. وشهدت هذه الفترة أيضًا نموًا متواصلًا في مجال الراديو المدني، حيث استُخدمت الصمامات في كل من أجهزة الإرسال والاستقبال.

منذ سبعينيات القرن العشرين، ازداد استخدام ترانزستور السيليكون بشكل ملحوظ. وانخفض إنتاج الصمامات الإلكترونية انخفاضًا حادًا، باستثناء أنابيب أشعة الكاثود (CRTs)، وانحصر نطاق الصمامات المستخدمة في تطبيقات التضخيم. وكانت الصمامات منخفضة الطاقة الشائعة هي الصمامات الثلاثية المزدوجة (ECCnn، سلسلة 12Ax7) بالإضافة إلى صمام EF86 الخماسي، بينما كانت صمامات الطاقة في الغالب من نوع الصمامات الرباعية والخماسية الشعاعية (EL84، EL34، KT88 / 6550، 6L6)، وكلاهما يعمل بالتسخين غير المباشر. ولا تزال هذه المجموعة المحدودة من الأنواع تشكل جوهر إنتاج الصمامات الإلكترونية حتى اليوم.

احتفظ السوفيت بالصمامات على نطاق أوسع بكثير من الغرب خلال الحرب الباردة ، وذلك لتلبية معظم متطلبات الاتصالات والتضخيم العسكري، ويعود ذلك جزئياً إلى قدرة الصمامات على تحمل الأحمال الزائدة الفورية (لا سيما بسبب الانفجار النووي ) التي من شأنها أن تدمر الترانزستور. ^{[ 2 ]}

أدى الانخفاض الكبير في حجم واستهلاك الطاقة ومستويات التشويش ، وقبل كل شيء انخفاض تكلفة المنتجات الإلكترونية القائمة على الترانزستورات، إلى جعل الصمامات الإلكترونية عتيقة بالنسبة للمنتجات الشائعة منذ سبعينيات القرن الماضي. ومع ذلك، ظلت الصمامات الإلكترونية مستخدمة في تطبيقات معينة مثل أجهزة إرسال الترددات اللاسلكية عالية الطاقة وأفران الميكروويف ، ومعدات تضخيم الصوت، وخاصةً للغيتار الكهربائي واستوديوهات التسجيل وأجهزة الاستريو المنزلية عالية الجودة.

في تطبيقات الصوت، لا تزال الصمامات الإلكترونية مطلوبة بشدة من قبل معظم المستخدمين المحترفين، لا سيما في معدات استوديوهات التسجيل ومضخمات الغيتار. وهناك فئة من هواة الصوت يؤيدون استخدام مضخمات الصمامات للاستماع المنزلي، بحجة أنها تُنتج صوتًا أكثر دفئًا أو طبيعية . وتواصل الشركات في آسيا وأوروبا الشرقية إنتاج الصمامات لتلبية احتياجات هذا السوق.

يستخدم العديد من عازفي الغيتار المحترفين مضخمات الصمامات الإلكترونية نظرًا لجودتها الصوتية المميزة. ويُقصد بالجودة الصوتية هنا جودة الصوت أو لونه، وهي صفة يصعب تحديدها بدقة. ويرى معظم فنيي وعلماء الصوت أن التشويه التوافقي المتساوي الناتج عن الصمامات الإلكترونية يُضفي على الصوت طابعًا أكثر استساغة من الترانزستورات، بغض النظر عن نوع الموسيقى. وقد ساهمت خصائصها الصوتية في جعلها المعيار الصناعي في تضخيم صوت الغيتارات وميكروفونات الاستوديو.

تختلف استجابة مضخمات الصمامات عن مضخمات الترانزستور عندما تقترب مستويات الإشارة من نقطة التشويش . ففي مضخم الصمامات، يكون الانتقال من التضخيم الخطي إلى التحديد أقل حدةً منه في وحدة الحالة الصلبة، مما ينتج عنه تشويه أقل حدةً عند بداية التشويش. لهذا السبب، يفضل بعض عازفي الغيتار صوت مضخم الصمامات بالكامل؛ إلا أن الخصائص الجمالية لمضخمات الصمامات مقابل مضخمات الحالة الصلبة لا تزال موضع نقاش في أوساط عازفي الغيتار. ^{[ 3 ]}

• مناسب بطبيعته للدوائر ذات الجهد العالي.
• يمكن تصنيعها على نطاق واسع يسمح بتبديد كميات كبيرة من الحرارة (حتى أن بعض الأجهزة المتطورة للغاية تُبرّد بالماء). لهذا السبب، ظلت الصمامات التقنية الوحيدة المجدية لتطبيقات الطاقة العالية جدًا، مثل أجهزة إرسال الراديو والتلفزيون، لفترة طويلة بعد أن حلت الترانزستورات محل الصمامات في معظم التطبيقات الأخرى.
• متينة للغاية من الناحية الكهربائية، وتتحمل الأحمال الزائدة التي من شأنها أن تدمر أنظمة الترانزستور ثنائي القطب في أجزاء من الثانية ، ولمدة دقائق.
• تتحمل هذه المنتجات ذروات جهد عالية جدًا عابرة دون أن تتضرر، مما يجعلها مناسبة لبعض التطبيقات العسكرية والصناعية.
• تعمل هذه الأجهزة عمومًا بفولتيات مطبقة أقل بكثير من قدرتها القصوى، مما يوفر عمرًا طويلًا وموثوقية عالية.
• تقليل التشويش عند زيادة الحمل على الدائرة، وهو ما يعتقد العديد من عشاق الصوت والموسيقيين أنه يعطي صوتًا أكثر متعة وإرضاءً موسيقيًا.

• خطية سيئة، خاصة مع عوامل التغذية الراجعة المتواضعة. ^{[ 4 ]}
• تتطلب الأنابيب سخانًا للكاثود . تمثل طاقة السخان فقدًا كبيرًا للحرارة واستهلاكًا كبيرًا للطاقة.
• تتطلب الصمامات الإلكترونية جهدًا كهربائيًا أعلى للأنودات مقارنة بمضخمات الحالة الصلبة ذات القدرة المماثلة.
• تُعد الأنابيب أكبر بكثير من الأجهزة الصلبة المكافئة لها.
• إن المعاوقة العالية والتيار المنخفض الناتج غير مناسبين للتشغيل المباشر للعديد من الأحمال في العالم الحقيقي، ولا سيما الأشكال المختلفة للمحركات الكهربائية .
• تتمتع الصمامات بعمر تشغيلي أقصر من الأجزاء الصلبة بسبب آليات الفشل المختلفة (مثل الحرارة، وتسمم الكاثود ، والكسر، أو الدوائر القصيرة الداخلية).
• تتوفر الأنابيب بقطبية واحدة فقط، بينما تتوفر الترانزستورات بقطبيات تكميلية (مثل NPN/PNP)، مما يجعل من الممكن تكوين العديد من تكوينات الدوائر التي لا يمكن تحقيقها بشكل مباشر.
• يجب أن تتجنب دوائر الصمامات إدخال الضوضاء من مصادر سخانات التيار المتردد.
• الميكروفونية الصوتية - قد تكون الصمامات حساسة للصوت أو الاهتزاز في بعض الأحيان، مما يؤدي إلى عملها كميكروفون دون قصد .

• تستخدم دوائر الإشارة الصغيرة الخطية دائمًا تقريبًا صمامًا ثلاثيًا في طوبولوجيا مرحلة الكسب أحادية الطرف (في الفئة A)، بما في ذلك مرحلة الإخراج.
• تستخدم مضخمات الصمامات ذات النطاق العريض عادةً الفئة A1 أو AB1.
• تعتمد مراحل الخرج الحديثة عالية القدرة عادةً على تقنية الدفع والسحب، مما يستلزم في كثير من الأحيان استخدام نوع من مُقسِّم الطور لاستخلاص إشارة قيادة تفاضلية/متوازنة من مدخل أحادي الطرف، ويتبعها عادةً مرحلة تضخيم إضافية (مرحلة "القيادة") قبل أنابيب الخرج. على سبيل المثال، مُضخِّم الدفع والسحب المُنظَّم بالتوازي .
• توجد مراحل طاقة أحادية الطرف تستخدم صمامات كبيرة جدًا، وهي سائدة في تطبيقات أجهزة الإرسال اللاسلكي. ومن الجدير بالذكر أن تصميم "DH-SET" المتخصص، الذي يفضله بعض عشاق الصوت، بسيط للغاية، وعادةً ما يُصنع باستخدام أنواع من الصمامات صُممت في الأصل للاستخدام في أجهزة الإرسال اللاسلكي.
• يمكن للطوبولوجيات الأكثر تعقيدًا (ولا سيما استخدام الأحمال النشطة) تحسين الخطية واستجابة التردد (عن طريق إزالة تأثيرات سعة ميلر).

لا تتناسب مقاومة الخرج العالية لدوائر لوحة الصمامات بشكل جيد مع الأحمال ذات المقاومة المنخفضة مثل مكبرات الصوت أو الهوائيات. لذا، يلزم وجود شبكة مطابقة لنقل الطاقة بكفاءة؛ وقد تكون هذه الشبكة عبارة عن محول عند الترددات الصوتية، أو شبكات رنانة مختلفة عند الترددات الراديوية.

في دائرة تابع الكاثود أو دائرة اللوحة المشتركة ، يُؤخذ خرج الدائرة من مقاومة الكاثود. وبسبب التغذية الراجعة السالبة (حيث يُلغي جهد الكاثود-الأرض جهد الشبكة-الأرض)، يكون كسب الجهد قريبًا من الواحد، ويتبع جهد الخرج جهد الشبكة. وعلى الرغم من أن مقاومة الكاثود قد تصل إلى عدة كيلو أوم (بحسب متطلبات الانحياز)، فإن معاوقة الخرج للإشارة الصغيرة تكون منخفضة جدًا (انظر مكبر العمليات ).

لا تزال الصمامات الإلكترونية مستخدمة على نطاق واسع في الغيتارات ومضخمات الصوت عالية الجودة نظرًا لجودة الصوت الملحوظة التي تنتجها. إلا أنها أصبحت متقادمة إلى حد كبير في أماكن أخرى بسبب استهلاكها العالي للطاقة، والتشويه، والتكلفة، والموثوقية، والوزن مقارنةً بالترانزستورات.

صوتي

اليوم، يتمثل التطبيق الرئيسي للصمامات في مضخمات الصوت للاستخدام في أنظمة الصوت عالية الجودة والأداء الموسيقي مع الغيتارات الكهربائية ، والباس الكهربائي ، وأورغن هاموند ، على الرغم من أن هذه التطبيقات لها متطلبات مختلفة فيما يتعلق بالتشويه مما يؤدي إلى تنازلات تصميمية مختلفة، على الرغم من أن تقنيات التصميم الأساسية نفسها عامة وقابلة للتطبيق على نطاق واسع على جميع تطبيقات التضخيم واسعة النطاق، وليس الصوت فقط.

بعد الحرب العالمية الثانية، كانت غالبية مضخمات الطاقة الصمامية من النوع AB-1 "دفع وسحب" فائق الخطية، أو من النوع أحادي الطرف منخفض التكلفة مثل أنابيب الطاقة 6BQ5/EL84، ولكن لا تزال هناك منتجات متخصصة تستخدم تقنية DH-SET وحتى تقنيات بدون محول خرج بأعداد قليلة.

تاريخيًا، كانت "أنابيب الإرسال" قبل الحرب العالمية الثانية من بين أقوى الأنابيب المتاحة. كانت هذه الأنابيب تحتوي عادةً على مهابط من خيوط الثوريوم المسخنة مباشرةً والتي كانت تتوهج مثل المصابيح الكهربائية. بعض الأنابيب كانت قادرة على العمل بجهد عالٍ لدرجة أن المصعد نفسه كان يتوهج بلون أحمر كرزي؛ كانت المصاعد تُصنع من مادة صلبة (بدلاً من تصنيعها من صفائح رقيقة) لتحمل الحرارة دون تشوه. من أبرز الأنابيب من هذا النوع 845 و211. كما استُخدمت أنابيب رباعية وخماسية لاحقة مثل 817 و813 (المسخنة مباشرةً) بأعداد كبيرة في أجهزة الإرسال اللاسلكي (وخاصةً العسكرية).

تختلف دوائر الترددات الراديوية اختلافًا كبيرًا عن دوائر مكبرات الصوت ذات النطاق العريض. تحتوي مرحلة الهوائي أو دائرة المتابعة عادةً على عنصر سعوي أو حثي قابل للتعديل واحد أو أكثر، مما يسمح بمطابقة رنين المرحلة بدقة مع تردد الموجة الحاملة المستخدمة، لتحسين نقل الطاقة من الصمام وتحميلها عليه، وهو ما يسمى "الدائرة المضبوطة".

تتطلب دوائر النطاق العريض استجابة ترددية ثابتة عبر نطاق واسع من الترددات. في المقابل، تتطلب دوائر الترددات الراديوية عادةً العمل بترددات عالية، ولكن غالبًا ضمن نطاق ترددي ضيق جدًا. على سبيل المثال، قد يُطلب من جهاز ترددات راديوية العمل ضمن النطاق من 144 إلى 146  ميجاهرتز (1.4% فقط).

تعتمد معظم أجهزة الإرسال اللاسلكي اليوم على السيليكون، حتى عند ترددات الميكروويف. ومع ذلك، لا تزال نسبة ضئيلة متناقصة باستمرار من مضخمات الترددات اللاسلكية عالية الطاقة تعتمد على الصمامات الإلكترونية.