vacuum tube چیست؟

در الکترونیک، هر یک از عبارات وکیوم تیوب (لامپ خلاء)، الکترون تیوب (آمریکای شمالی)، ترمیونیک والو و یا والو به تنهایی (به خصوص در بریتانیا) دستگاهی است که برای  تقویت، سوییچینگ، اصلاح یا ایجاد یک سیگنال الکتریکی با کنترل  حرکت الکترونها درفضایی با فشار پایین بکار می رود. بعضی از نمونه های خاص وکیوم تیوبها با گازهای فشار پایین پر می شوند که آنها را والو (تیوب) نرم می نامند که از نوع سخت آن که فشار داخلی آن تا حد امکان کاهش یافته است متفاوت هستند. تقریبا تمامی آنها به انتشار حرارتی الکترونها (ترمیونیک) وابسته هستند.

وکیوم تیوبها نقش حیاتی را در گسترش الکترونیک دارا بودند که  توسعه  و تجارتی شدن امواج رادیویی، تلویزیون، رادارها، بازتولید صدا، شبکه های گسترده تلفن، کامپیوترهای آنالوگ و دیجیتال و کنترل صنعتی فرآیند را منجر شدند. برخی از این کاربردها قبل از الکترونیک وجود داشتند اما وکیوم تیوب آنها را گسترش داد و عملی ساخت.

در اکثر موارد ذکر شده در بالا، وکیوم تیوبها با دستگاههایی جامد مانند ترانزیستورها و دیودها جایگزین شده اند که دارای طول عمر بیشتر، ابعاد کمتر، کارآیی بالاتر، قابلیت اطمینان بیشتر و قیمت ارزانتر نسبت وکیوم تیوبها می باشند. اما هنوز این تیوبها در موارد خاصی مورد استفاده قرار می گیرند. بنا به دلایل مهندسی، در فرستنده های فرکانس رادیویی high- power و یا  به دلیل زیبایی آنها در تقویت کننده های صدا. تیوبهای اشعه کاتد همچنان در دستگاههای تصویری از قبیل تلویزیونها، مانیتورها و اسیلسکوپها مورد استفاده قرار می گیرند اگر چه در حال جایگزینی با LCD ها و دیگر صفحات نمایشی فِلَت می باشند. نمونه ای خاص از الکترون تیوب، magnetron ، منبع انرژی مایکرو ویو و برخی سیستمهای رادار می باشد.

ساختمان وکیوم تیوب

وکیوم تیوب از تعدادی الکترود در یک وکیوم (خلاء) در پوششی عایق  و مقاوم  در برابر حرارت (عموما لوله ای شکل ) تشکیل یافته است. بسیاری از تیوبها دارای پوشش شیشه ای و برخی دیگر چون تیوبهای پاور ممکن است دارای پوششهای سرامیک یا فلزی باشند. الکترودها به لیدهایی متصل می شوند که از داخل محفظه خلاء عبور می کنند. در اکثر تیوبها، لیدها به گونه ای طراحی شده اند که به یک سوکت متصل می شوند تا تعویض آنها ساده تر انجام شود.

ساده ترین وکیوم تیوبها به لامپهای نئون شباهت دارند که دارای فیلامنتهایی (سیمهایی نازک که در پاسخ به جریان الکتریکی گرم شده و نور متصاعد می کنند) در محفظه ای شیشه ای و خالی از هوا می باشند. این فیلامنتها در اثر گرما الکترونهایی را در وکیوم منتشر می کنند، فرآیندی که انتشار ترمیونیک نام دارد. این توده منفی الکترونها شارژ محیطی نامیده می شود. چنانچه پلیت (آند) در مقایسه با فیلامنت (کاتد) با بار مثبت شارژ شده باشد این الکترونها به سمت پلیت فلزی (آند) در داخل محفظه هدایت می شوند. نتیجه حاصل جریانی از الکترونها از فیلامنت به سمت پلیت (آند) می باشد. این جریان نمی تواند معکوس باشد چرا که پلیت داغ نشده و الکترونی انتشار نمی دهد. این نمونه ساده شرح داده شده می تواند در عملکرد یک دیود مشاهده شود: دستگاهی که جریان را تنها در یک جهت انتقال می دهد. دیود وکیوم تیوب، جریان قراردادی را از پلیت (آند) به فیلامنت (کاتد) هدایت می کند که در خلاف جهت مسیر الکترونها می باشد.

وکیوم تیوبها به اختلاف دمای بالا بین کاتد داغ و آند سرد نیاز دارند. از اینرو، وکیوم تیوبها از نظر توان ذاتا کم بازده می باشند که تیوب را در یک محفظه نگهدارنده دما نگاه داشته و این امکان را به تیوب می دهد که دمایی یکسان را جذب نماید که به انتشار الکترونها از آند که جریان تک مسیر را هدایت می کنند منجر می شود. از آنجا که تیوب نیازمند خلاء برای عملکرد خود می باشد انتقال حرارتی سرمای آند معمولا غیر ممکن می باشد. در عوض، خنک شدن آند اساسا از طریق تششع   black-body( شیئی که تمامی طول موجهای پرتوهای الکترومغناطیس را جذب نموده و کاراترین ساتع کننده امواج می باشد.) و هدایت گرما به لایه بیرونی محفظه شیشه ای و از طریق فریم نگهدارنده آند صورت می گیرد.  تیوبهای آند سرد همچنان وجود دارند اما اساسا در سیستمهای روشنایی به کار می رود که در آنها تنظیم پاور یک سویه هدف اصلی عملکرد تیوب نمی باشد.

اولین سینتی سایزر جهان

عکس رویرو اولین سینتی سایزر(synthesizer) تاریخ است. لوئیس سیدنی با این ماشین عجیب خود موفق شد، صداهای ادوات مختلف موسیقی را یک تنه تولید کند. او با این ساز اختراعی یک کنسرت پر سروصدا در لندن برگزار کرد که هرچند با استقبال مردم روبه رو شد ولی منتقدان و آهنگسازان و نوازندگان به شدت به او حمله کرده و موسیقی او را مایه خواری هنر دانستند. سیدنی هرگز با توجهی که شایسته اش بود روبه رو نشد و به شکل غیرمنصفانه یی به فراموشی سپرده شد.وی هرگز ندانست که اختراع ساز غربی اش به زودی حرف اول را در موسیقی جهان خواهند زد. عکس به سال ۱۹۱۲ مربوط است؛ ۹۹ سال پیش.

Crossover چیست ؟

Crossover یک مدار الکتریکی که ترکیبی از فیلترهای بالاگذر، پایین گذر و میان است و طیف فرکانس های صوتی (20Hz-20KHz) را برای اعمال به بلندگوها به چندین بخش تقسیم می کند. از آنجایی که امواج صوتی طول موجی از50 فوت در فرکانس های پایین (Low) تا یک اینچ در فرکانس ها ی بالا (Hi) دارند، هیچ بلندگویی نمی تواند تمامی محدوده فرکانس های صوتی  را پخش نماید. بنابراین از حداقل، دو بلندگو و اغلب سه یا چندین بلندگو برای پخش تمامی فرکانس ها استفاده می شود. برای مثال یک  بلند گو به نام ووفر (Woofer) برای پخش فرکتنسهای زیر 800Hz و دیگری به نامهای Tweeter با Midrange برای پخش فرکانسهای بالای 800 Hz استفاده می شود. در این صورت به یک فیلتر بالاگذر با فرکانس قطع HZ 800 و یک فیلتر پایین گذر با فرکانس قطع 800 Hz  نیاز است. فیاترهای Crossover براساس باند عبوری به انواع  (Butterworth,Bessel,Riely Linkwitz) تقسیم می شوند.همچنین شیب منحنی فیلترهای Crossover  که مشخص کننده نرخ تضعیف فرکانس ها بر حسبDB/Octave  و یاDB/Decade  است، پارامتر دیگری در تعیین نوع فیلترهای Crossover  می باشد. در نهایت وظیفه کراس اور فیلتر کردن بخشی از دامنه فرکانسی صدا است. به این معنا که دروازه ای وجود دارد که صدا از یک فرکانس به بالا  یا پایین  اجازه عبور کردن ندارد.

دو نوع کراس اور داریم:

HPF که در واقع (High Pass Filter) می باشد که از این کراس اور فقط فرکانس های بالا تر ( به عنوان مثال 100 هرتز) قابلیت عبور رو دارند و فرکانس های پایین تر فیلتر می شوند.

Cut off Frequency : فرکانسی که از این فرکانس به پایین فیلتر می شود را Cut off Frequency می نامند. که از مشخصات کراس اور می باشد. ( در اینجا Cut off Frequency فرکانس 100 هرتز می باشد)

LPF که در واقع (Low Pass Filter) می باشد که از این کراس اور فقط فرکانس های پایین تر ( به عنوان مثال 80 هرتز) قابلیت عبور رو دارند و فرکانس های بالا تر فیلتر می شوند.

Cut off Frequency: فرکانسی که از این فرکانس به بالا فیلتر می شود را Cut off Frequency می نامند. که از مشخصات کراس اور می باشد. ( در اینجا Cut off Frequency فرکانس 80 هرتز می باشد)

Band Pass Filter هم ترکیبی از هر دو نوع میباشد. بطوریکه هم HPF و هم LPF با هم در کار باشند. بنابر این 2 تا Cut off Frequency داریم. به این معنا که فرکاس ها از یک حدی از پایین فیلتر میشوند و از یک حدی از بالا.

Attenuation Slope یا شیب کاهش

در نمودار زیر نحوه فیلترینگ یک Crossover بین 3 باند فرکانسی آمده است . همانطور که مشخص شده این نوع  کراس اور در فرکانس های 100Hz و 2KHz باعث افت دامنه صوتی به مقدار 6dB شده است.  یکی از عوامل تفاوت های مانیتورهای حرفه ای صدا نوع کراس اور طراحی شده در آنها است که تاثیر مستقیم در نحوه پخش صدا و عملا نتیجه کار خواهد داشت.

کراس اوری وجود ندارد که کاملا دقیق عمل کرده و از Cut off Frequency به آن طرف بطور کامل فرکانس رو حذف کند. کراس اور فقط فرکانس های بالا یا پایین تر از Cut off Frequency رو تضعیف می کند. حال هر چه از Cut off Frequency فاصله بگیریم این کاهش یا تضعیف بیشتر می شود. به شیب خطی که کراس اور فرکانس های بالا یا پایین تر از Cut off Frequency رو تضعیف می کند Attenuation Slope میگویند.

هیج کراس اوری قادر به فیلتر کردن کامل نیست. و فقط میتواند فرکانس هایی ار که نمیخواهیم عبور کند را تضعیف نماید...

هر چه شیب بیشتر باشد کراس اور مرغوب تر و دارای قدرت فیلترینگ بیشتری میباشد.کراس اور با شیب صفر به معنای فیلتر نشدن هیچ فرکانس و با شیب بی نهایت به معنای فیلتر شدن کامل تمامی فرکانس هایی که بالا یا پایین تر از Cut off Frequency قرار دارند میباشد.

واحد Attenuation Slope دسیبل بر اکتاو میباشد (Db/oct) یعنی به ازای هر یک اکتاوی که از فرکانس Cut off فاصله بگیریم چند دسی بل از قدرت فرکانس های مزاحم کم میشود ...

(توضیح: هر اکتاو به معنای نصف شدن فرکانس میباشد. مثال: فرکانس 160 یک اکتاو از فرکانس 80 بالا تره و فرکانس 80 یک اکتاو از فرکانس 40 هرتز بالا تره و به همین ترتیب)

یک مثال جامع:

فرض کنیم یک دامنه فرکانسی کامل را با قدرت 110 دسی بل داریم (موزیک واقعی). اگر از یک LPF با Cut off Frequency ا 100 هرتز و Attenuation Slope ا 12 Db/oct استفاده کنیم خواهیم داشت:

تمامی فرکانس های زیر 100 هرتز سر جای خود هستن (البته تقریبا) ولی فرکانس های بالای 100 هرتز ضعیف میشوند بطوریکه فرکانس 100 هرتز دارای همان قدرت 110 دسی بل خواهد بود و فرکاس 200 هرتز (یک اکتاو بالا تر از Cut off Frequency) به قدرت 98 دسی بل (12- 110) خواهد رسد و همچنین فرکانس 400 هرتز ( 2 اکتاو بالا تر از Cut off Frequency) به قدرت 86 (12-98) خواهد رسید. بدیهی میباشد قدرت فرکانس 800 هرتز 74 دسی بل خواهد بود.

کراس اور اکتیو و پسیو (Passive & Active Crossover)

به طور کلی 2 نوع کراس اور داریم که روش ساخت و طراحی آنها متفاوت است. اگرچه عملکرد تقریبا یکسانی دارند ولی کاربری های متفاوت میتوانند داشته باشند.

1- کراس اور الکترونیکی یا Crossover  Active

2- کراس اور قدرتی یاCrossover  Passive

از نامشان پیداست که اولی با مدار و قطعات الکترونیکی ساخته می شود و دومی با قطعات قدرتی (مثل خارن ها و سلف ها با ولتاژ تحملی بالا)

کراس اور Active قبل از آمپلی فای کردن فرکانس ها قرار میگیرد و با ولتاژ و آمپراژ پایین (در حد میلی آمپر و ولتاژ در حد 1الی 2 ولت) کار میکند. در حالی که کراس اور Passive قبل از اسپیکر قرار میگیرد. یعنی زمانی که فرکانس ها آمپلی فای شدند و ولتاژ و آمپر خیلی بالاست (ولتاژ حتی در حد 50 ولت و آمپر در حد حتی 10000 میلی آمپر)

جعبه های کوچیکی که قبل از اسپیکر ها قرار دارند باکس کراس اور Passive هستند. حتی اگه بلندگوی ضبط خانگی را باز کنید احتمالا کراس اور آن را میبینید (یک یا دو2 خازن یا سلف بسته به درجه فیلتریگ و نوع فیلتر)

کراس اور ها از لحاظ قدرت فیلتر کردن درجه های مختلفی دارند: (چه Passive و چه Active )

درجه 1 (1 Order): کراس اور ضعیف ، دارای شیب فیلترینگ 6 دسیبل در هر اکتاو.

درجه 2 (2 Order): کراس اور متوسط، دارای شیب فیلترینگ 12دسیبل در هر اکتاو.

درجه 4 (4 Order): کراس اور قدرتمند با شیب فیلترینگ 24 دسیبل در هر اکتاو.

کراس اوور بینابینی مثلا 18 دسیبل در هر اکتاو یا بالاتر مثلا 36 دسیبل در هر اکتاو هم وجود دارد...

حتی بسته به اینکه از چه مداری استفاده شود نوع یا اسم تخصصی کراس اور تغییر میکند.

جالب توجه که از خود باکس ساب ها هم به عنوان یک کراس اور مکانیکی نام میبرند چراکه یک سری فرکانس بالا تر یا پایین تر را روی  یک شیب تضعیف میکنند.

درکراس اوور Passive از خازن بای پلار ( Bipolar Capacitor) و سلف (Inductor) استفاده می شود.

قبل از نوشتن روابط و توضیح مدار، مختصری راجع به رفتار خارن وسلف میپردازیم تا فلسفه استفاده از خازن و سلف مشخص شود:

سلف:

از یک کویل و سیم پیچ (به دور کویل) تشکیل شده است. اگه به دو سر سیم پیچ ولتاژ DC وصل کنیم، کویل به آهنربا تبدیل میشود و حول خود یک میدان مغناطیسی ایجاد میکند. حال اگه جای مثبت و منفی ولتاژ را عوض کنیم جای قطبهای آهنربا و میدان مغناطیسی عوض میشود. میدانیم که ورودی اسپیکر ولتاژ متغیر می باشد و (بسته به نوع فرکانس ورودی) در هرثانیه بارها جهت ولتاژ عوض می شود. (مثال: به ازای فرکانس 1000 هرتز، در هرثانیه 1000 بار جهت ولتاژ عوض می شود)با عوض شدن ولتاژ میدان مغناطیسی هم مجبور به تغییر جهت می باشد. میدان مغناطیسی نسبت به این تغییر جهت کمی تنبل است و زیاد از تغییر جهت خوشش نمی آید. (چرا که در لحظه ای که ولتاژ تغییر جهت داده، هنوز میدان مغناطیسی از ولتاژ قبلی وجود دارد، بنابراین با ولتاژ جدید عوض شده ،مبارزه می کند.)به عبارت دیگه اگه یک سلف داشته باشیم و میدان مغناطیسی متناوب به آن اعمال کنیم، سلف برق تولید می کند. این برق تولید شده از تناوب میدان مغناطیسی با برق موجود در سیم پیچ در تضاد می باشد و سعی بر خنثی کردن آن دارد.هر چه فرکانس این تغییرجهت بیشترباشد، سلف مقاومت بیشتری نشان می دهد و هر چه فرکانس پایین تر باشد رفتار سلف از این تغییر جهت بی تفاوت تر می شود و مقاومت ظاهری اش کمتر.

بنابر این از سلف به عنوان یک المان فیلتر کننده فرکانس بالا LPF استفاده می شود چراکه فرکانس های پایین راحت ازآن عبورمی کنند ولی در مقابل فرکانس های بالا مقاومت زیادی از خود نشان می دهد (مثل یک مقاومت متغییرعمل می کند که حساسیت مقاومت ظاهر شده به فرکانس ورودی مرتبط می شود)

خازن:

خازن یک ذخیره کننده بار الکتریکی محسوب می شود. در نوع ساده از دو صفحه تشکیل شده که بین دوصفحه یک ماده از جنس دی الکتریک وجود دارد. بار های الکتریکی بر روی این دو صفحه ذخبره می شوند.میدانیم که از خازن هیچ جریانی نمیتواند عبور کند، فقط شارژ و دشارژ شدنش باعث ایجاد جریان در مدار می شود.اگه خازن را به یک ولتاژ DC وصل کنیم، بعد از زمان کوتاهی شارژ می شود و جریان قطع می شود و به قول معروف مدار باز می شود.حال اگر جهت جریان را عوض کنیم دوباره جریان در مدار ایجاد می شود تا خازن دشارژ شده  و در جهت دیگر شارژ شود.به عبارت دیگه خازن در مقابل ولتاژ DC بعد از شارژ شدن به عنوان کلید باز عمل می کند (مقاومت بینهایت)ولی با عوض شدن جهت ولتاژ دوباره جریان ایجاد می شود. هر چه تعداد تغییر جهت های ولتاژ بیشتر باشد خازن از خودش مقاومت کمتری نشان میدهد و بلعکس.بنابر این خازن در مقابل فرکانس های پایین مقاومت بیشتر و درمقابل فرکانس بالا مقاومت کمتر از خودش نشان می دهد. پس به عنوان یک HPF استفاده می شود.

کراس اور Passive درجه یک (1st Order):

در این نوع کراس اور یک خازن به تیوتر به عنوان HPF و یک سلف به ووفر به عنوان LPF سری می شود.

رابطه محاسبه سلف و خازن:

L=159.15*Z/f

(C=159155/(Z*f

Z: مقاومت الکتریکی اسپیکر (تیوتر یا ووفر) به واحد اهم

F: فرکانس Cut-off

واحد :L میلی هانری

واحد :C میکرو فاراد

کراس اوور Passive درجه دو (2th Order):

در این نوع کراس اور از یک خازن بصورت سری و یک سلف بصورت موازی با تیوتربه عنوان HPF استفاده می شود. و همچنین یک سلف بصورت سری و یک خازن به صورت موازی با ووفر به عنوان LPF استفاده می شود.

فلسفه این طریقه فیلتر بدین صورت است که در تیوتر خازن سری شده در مقابل فرکانس های پایین مقاومت زیادی از خود نشان می دهد و تا حدی(به مانند کراس اوور درجه 1) فرکانس های پایین را حذف می کند و سلف موازی شده (چون در مقابل فرکانس پایین مقاومت خیلی کمی دارد)، فرکانس های پایین را به جای عبور از تیوتر از خود عبور می دهد. توضیح اینکه در دو قطعه موازی، جریان از قطعه ای بیشتر عبور می کند که مقاومت کمتری دارد. (سلف و تیوتر موازی هستند). به عبارت دیگر 2 بار فرکانس ها فیلتر می شوند.

برای ووفر نیز همین توجیح قابل بیان است که سلف سری شده ، فرکانس های بالا را فیلتر می کند و خازن موازی شده فرکانس های بالا را (به علت پایین بودن مقاومت در فرکانس بالا) جذب خود می کند تا ووفر بهره کمتری ازفرکانس بالا ببرد.

رابطه محاسبه سلف و خازن کراس اور  از درجه 2:

L1=225.08*Z/f

L2=112.54*Z/f

(C1=225079/(Z*f

(C2=112539/(Z*f

Z: مقاومت الکتریکی اسپیکر (تیوتر یا ووفر) به واحد اهم

F: فرکانس Cut-off

واحد :L میلی هانری

واحد :C میکرو فاراد

بزرگترین مزیت پسیو کراس اور هزینه کمتر ( بدلیل نیاز به تعداد کمتر آمپلی فایر ) و نصب آسان تر هست . اما عیب پسیو کراس اور این است که باعث افت کیفیت می شود و دقت کمتری نسبت به اکتیو دارد. همچنین حجم صدا در حالت پسیو پایین تر هم است .

اما مزیت اکتیو کراس اور دقت بالا . حجم بیشتر و قدرت کات بالاتر می باشد و بزرگترین ایراد آن هزینه بسیار زیاد تر نسبت به پسیو است چرا که برای اعمال اکتیو کراس اور نیاز به یک پخش قدرتمند داریم ( چرا که همه پخش ها قابلیت ساپروت اکتیو کراس اور را ندارند ) در صورت داشتن پخش ضعیف باید یک پروسسور خرید که این قطعه هم قیمت بسیار بالایی دارد . همچنین برای اکتیو کراس اور باید 2 برابر آمپ خرید مثلا برای بستن یک ست کامپوننت 2way نیاز به 1 آمپ 4 کاناله یا 2 آمپ 2 کاناله است . اما اگر همین ست کامپوننت رو بخواهیم پسیو ببندیم فقط نیاز به 1 آمپ 2 کاناله داریم

در مورد کراس اور مطالب تخصصی بسیاری وجود دارد که فعلا تا به همین جا بسنده می کنیم.