ساخت آمپلی فایر صوتی با لامپ خلا EL90 (قسمت اول – معرفی لامپ)

الان اکثر خواننده‌های سایت، سر و کارشون با مدارات میکروکنترلری، آردوینو و میکروپروسسورهاست. بعضی ها با FPGA و GAL و چیپ‌های متنوع و پیشرفته‌تر کار می‌کنن. بعضی‌ها هم سرگرم کار با بردهای توسعه مبتنی بر SoC مثل رزبری‌پای هستن. به طور کلی در سال 2020 کمتر کسی سراغ استفاده از لامپ خلا می‌ره! شاید خیلیاتون اصلا اسمش رو هم نشنیده باشید یا اگر شنیده باشید، فکر می‌کنید که یک تکنولوژی منسوخ شده است و دیگه کاربردی نداره!

جالبه بدونید لامپ‌های خلا هنوز هم در حال ساخت هستن. هر چند ممکنه صرفا از اونا به عنوان تقویت کننده دیگه استفاده نشه ولی لامپ CRT داخل تلویزیون و مانیتور‌های قدیمی و لامپ مگنترون ماکروویو خونه‌های شما همه و همه یک نوع لامپ خلا هستن. در فرستنده‌های برودکست باند SW و MW که توان بسیار بالایی دارن، هنوز از لامپ‌های عظیم‌الجثه ای استفاده می‌شه که 24 ساعته در 7 روز هفته و 365 روز سال در حال کار بوده و انرژی رادیویی زیادی در حد کیلو وات و مگاوات در فرکانس‌های بالا رو تولید می‌کنن و صدا رو به خونه و ماشین شما میارن.

لامپ خلا یا لامپ وکیوم (به انگلیسی: vacuum tube, valve) یک حباب شیشه‌ای مثل یک لامپ رشته‌ای هست که هوای داخل اون خارج شده و یک سری قطعات و صفحات فلزی مثل المنت و پلیت و گرید و… درونش موجوده و اصلی‌ترین و اساسی‌ترین عمل لامپ، کنترل حرکت و شار الکترون‌ها هست. لامپ‌های خلا اوایل قرن 20 ام میلادی معرفی شدند. ساختار داخلی همه لامپ‌ها دارای اجزایی از جمله فیلامت (هیتر)، آنُد (پلیت)، کاتد و گرید (بجز لامپ‌های دیود) هست. لامپ‌ها بر اساس ساختار به چند دسته تقسیم می‌شن. دیود، تریود، تترود و پنتود از انواع لامپ‌های خلا هستن. در ادامه بیشتر از واژه‌های گرید و کاتد و پلیت استفاده می‌کنیم. سعی کنید اینارو همزمان که می‌ریم جلو یاد بگیرید و به خاطر بسپارید که با هم قاطی نکنید! در ضمن جهت تاکید، پلیت همون آند هستش!

اولین قسمت لامپ که می‌خواهیم تشریح کنیم فیلامنت اون هست. فیلامنت لامپ یک رشته هست که وقتی جریان برق از اون عبور می‌کنه داغ می‌شه. درست مثل لامپ‌های قدیمی رشته ای که الان دیگه کمتر اونا رو تو خونه‌هامون می‌بینیم. فیلامنت داخل ساختار داخلی لامپ در مجاورت کاتد قرار داره.

شکل زیر رو ببینید:

وقتی فیلامنت داخل لامپ داغ می‌شه، کاتد هم که نزدیک فیلامنت هست داغ می‌شه یا اصطلاحا می‌گیم برانگیخته می‌شه و چون برانگیخته شده، شروع می‌کنه به پرتاب الکترون. از طرفی قبلا ما یک ولتاژ مثبتی به پلیت متصل کردیم، پس یعنی اختلاف پتانسیل بین پلیت و کاتد یک مقدار مثبت هست. حالا الکترون‌هایی که در سطح کاتد هستند می‌تونند به سمت پلیت حرکت کنن چون که پلیت نسبت به کاتد ولتاژ بیشتری داره. نکته مهم اینجا اینه که الکترون‌ها در جهت عکس قادر به حرکت نیستن بخاطر اینکه پلیت به اندازه کافی داغ نیست. همین خاصیت باعث می‌شه که ما بتونیم با لامپ خلا یک دیود درست کنیم که فقط جریان رو در یک سمت عبور می‌ده. تا اینجا متوجه شدیم که یک دیود لامپی چطور کار می‌کنه.

آقای دی فارست وقتی که مشغول ارتقای اختراعش بود، یک صفحه سوم بین کاتد و پلیت اضافه کرد و اسم اونو گرید (شبکه) گذاشت و متوجه شد که ولتاژی که به گرید اعمال می‌کنه، باعث می‌شه که جریان آند تغییر کنه. وقتی که ولتاژ اعمالی به گرید از ولتاژ کاتد کمتر می‌شد و به سمت مقادیر منفی‌تر می‌رفت، جریان پلیت هم کمتر می‌شد. همین کشف ساده باعث به وجود اومدن لامپ تریود شد. لامپ تریود شامل سه صفحه به نام‌های پلیت و کاتد و گرید بود و کاتد به وسیله فیلامنت گرم می‌شد. شکل زیر نماد مداری لامپ تریود رو نشون می‌ده. این لامپ 5 تا پایه داره.

البته لامپ‌ها رو یه جور دیگه هم می‌شه با توجه بع نوع فیلامنت اون‌ها هم طبقه‌بندی کرد. دسته اول داغ شده به شیوه مستقیم و دسته دوم داغ شده به شیوه غیر مستقیم که محبوب‌تر هم هستن. لامپی که عکسشو بالا دیدین داغ شده به شیوه غیر مستقیم هست چون فیلامنت نزدیک کاتد قرار گرفته و از نظر الکتریکی به هم متصل نیستن ولی در لامپ‌هایی که به شیوه مستقیم داغ می‌شن، کاتد مستقیم حرارت می‌بینه و در واقع کاتد و فیلامت در هم ادغام می‌شن.

لامپ‌های تترود و پنتود به وسیله آقای شاتکی در سال 1919 معرفی شدن و مهم‌ترین دلیل ارتقا تریودها به تترود و در نهایت پنتود، بدلیل مشکلات پایداری اون‌ها و گین کم اون‌ها بود. در تترود یک گرید دیگه به نام اسکرین گرید بین گرید اصلی و پلیت قرار گرفت. وقی که یک ولتاژ مثبت و کمی کمتر از ولتاژ پلیت به گرید دوم اعمال بشه و از طرفی با یک خازن هم مولفه‌های غیر DC اون زمین بشن، اثر میلر و میزان ظرفیت خازنی ورودی کمتر شده و ضریب تقویت لامپ ما بالاتر می‌ره.

با این کار آقای شاتکی تونست گین لامپ‌های تریود رو بیشتر کنه. اما با این حال تترودها هم یک مشکل جدید داشتن. در تمامی لامپ‌ها الکترون‌ها با شدت و انرژی زیادی به سطح پلیت برخورد می‌کنن که باعث می‌شه الکترون‌ها از سطح پلیت پخش بشن. مثل وقتی که یک قطره آب با شدت به سطح یک استخر برخورد می‌کنه و آب به همه جا پخش می‌شه و دوباره قطرات آب داخل استخر فرود میان. خود این باعث یک تشعشع ثانویه درون لامپ می‌شه. توی تریودها این یک مشکل نبود چون که بالاخره پلیت ولتاژ زیادی نسبت به گرید و کاتد داشت و الکترون‌ها دوباره جذب اون می‌شدن ولی توی تترود می‌تونستن جذب اسکرین گرید (گرید دوم) بشن. یعنی گرید دوم مثل یک پلیت دیگه عمل می‌کرد و از گین ما کم می‌کرد. البته این به این معنی نیست که تترودها خیلی بد بودن. بعضی وقتا با کمتر کردن ولتاژ پلیت نسبت به اسکرین گرید به جایی می‌رسیدیم که با کمتر کردن ولتاژ پلیت، جریان پلیت بیشتر می‌شد. این یعنی یک رفتار غیر خطی و نمونه بارز یک مقاومت منفی هست. با این کار می‌شد اوسیلاتور ساخت!

برای حل مشکل انتشار ثانویه تترودها، راه‌حل اضافه کردن یک گرید سوم بین اسکرین گرید و پلیت بود. اسم گرید سوم رو گرید سرکوبگر یا suppressor grid گذاشتن که کارش سرکوب کردن انتشار ثانویه بود. ولتاژ این گرید در حد ولتاژ کاتد یا زمین نگه داشته می‌شد. با این کار دیگه الکترون‌ها برگشت نمی‌خوردن و دوباره توسط خود پلیت جذب می‌شدن. و به این صورت لامپ پنتود در سال 1926 توسط آقای تلگن اختراع شد. پنتودها در دو کلاس ساخته می‌شن. اون‌هایی که گرید سرکوبگرشون مستقیما و از داخل به کاتد متصله و اون‌هایی که گرید سرکوبگرشون به شکل یک پین جداگانه در دسترس کاربر هست.

تا حالا انواع لامپ‌های تقویت‌کننده رو تعریف کردیم و محتویات داخلشونو هم مقایسه کردیم. خلاصه تعریف رو توی عکس زیر می‌تونید ببینید و راحت‌تر متوجه مکان گریدها توی انواع لامپ بشید.

سوال اصلی: آیا واقعا لامپ بهتر از قطعات نیمه هادی است؟ نه خیر!

جواب حقیقتا نه هست. ببینید در مسیری که علم و دانش بشری داره حرکت می‌کنه تمام قطعات به سمت کوچک‌تر شدن، ارزون شدن، مصرف کمتر و افزایش راندمان می‌رن. نمونه بارز اون مقایسه درایوهای SSD و HDD هست. درایو های SSD نسبت به HDD هم جریان کمتری مصرف می‌کنن هم ابعاد کوچکتری دارن و هم وزن سبک‌تری دارن. سرعت کاری بالاتری دارن و عمرشون هم نسبت به HDD ها بیشتره و قطعات مکانیکی ندارن. قطعا تا 10 سال آینده SSD‌ها تماما جای HDDها رو می‌گیرن و بالاخره قیمت اون ها نسبت به HDD ها کمتر خواهد شد و ایرادات اصلی اون‌ها مثل آسیب‌پذیر بودن در برابر ضربه و شوک و … رفع شده و تا 50 سال آینده، بلایی که سر لامپ اومده سر HDD هم خواهد افتاد و به جز در کاربردهای خاص مثل آرشیو اطلاعات و بعضی از سرورها دیگه اثری از اون‌ها نخواهد بود.

ترانزیستورها هم بالاخره جایگزین لامپ‌های خلا شدن. لامپ‌ها حرارت زیادی تولید می‌کردن. بازدهی و راندمان پایینی داشتن. ابعاد خیلی بزرگی داشتن و قابلیت مجتمع شدن در یک چیپ رو نداشتن و ولتاژ کاری بالا در حد کیلو ولت می‌خواستن که همین موضوع، تغذیه اون‌ها رو پیچیده و مشکل می‌کرد مثل پیچیدن ترانس ولتاژ بالا و تهیه خازن ولتاژ بالا و خطرات در کنار اون مثل برق گرفتگی ولتاژ پلیت که برای تعمیر کارای تلویزیون و رادیوهای لامپی زیاد اتفاق افتاده. امپدانس خروجی نسبتا بالایی نسبت به مدارات ترانزیستوری داشتن که حتما بایستی یک شبکه تطبیق امپدانس هم توی خروجی بایستی قرار می‌گرفت. بعضی لامپ‌ها به یک دقیقه یا حتی هم بیشتر زمان نیاز داشتن که به خروجی پایدار برسن در صورتی که ترانزیستور‌ها به صورت آنی شروع به کار می‌کنن. ترانزیستورها هستن که باعث تولید دستگاه‌های قابل حمل شدن و کاهش حجم دستگاه‌ها و وارد عرصه شدن باتری‌ها برای تغذیه وسایل برقی شدن. وجود ترانزیستورها بود الان شما می‌تونید یک گوشی با پردازنده 4 هسته‌ای با فرکانس 1.2 گیگاهرتز و تکنولوژی 12 نانو متری در جیب شلوارتون حمل کنید و از حرارت 300 درجه‌ای اون شاکی نباشید! همه‌ی اینا دلایلی هستن که باعث برتری ترانزیستورها بر لامپ‌ها هستن اما بعضی‌ها هنوز اصرار بر استفاده از لامپ دارن و خب دلایل اونا هم جالب و البته قابل احترام و کاملا هم درست هست.

دلایل برتری لامپ بر ترانزیستور

1. لامپ‌ها به شدت خطی عمل می‌کنن و در خیلی از موارد نیازی به فیدبک منفی ندارن. خصوصا در انواع سیگنال کوچک لامپ.
2. وقتی به اشباع برن و قله‌های موج اصطلاحا برش بخوره، موج لبه‌های تیزی نخواهد داشت (بر خلاف تقویت‌کننده‌های ترانزیستوری) و این ویژگی مهمی در تقویت‌کننده‌های صوتی هست و دیستورشن کمتری ایجاد میکنه. اکثر کسایی که خیلی جدی موسیقی رو دنبال می‌کنن و یا شخصا موزیسین هستن این مورد رو بیشتر می‌پسندن.
3. مقاومت در برابر ولتاژ‌های بالا و اور لود شدن در صورت قطع شدن ناخواسته لود که مهم‌ترین برتری لامپ نسبت به ترانزیستور هست چون ترانزیستور‌ها و ماسفت‌ها به شدت در برابر اور لود شدن حساس هستن و ظرف مدت کوتاهی (حتی در حد 5 ثانیه و کمتر) هم ممکن هست بسوزند! (البته هستند ترانزیستور‌های خاصی که در برابر اور لود شدن مقاومت کنند و منفجر نشن!)
4. مشخصه‌های لامپ در برابر عوامل محیطی به شدت مقاوم هستن و به همین دلیل مدار بایاس و کنترل لامپ رو بسیار ساده‌تر می‌کنن.
5. ظرفیت خازنی ورودی نسبت به ولتاژ تغییر کمتری داره. (اثر میلر)
6. طراحی مدارهای لامپی نسبت به مدارات مشابه ترانزیستوری طراحی ساده‌تر و سبک‌تری دارن.
7. اکثر مدارات لامپی در کلاس A یا AB کار کرده که میزان دیستورشن رو به حد زیادی کاهش می‌دن.
8. لامپ‌ها به سادگی در صورت معیوب شدن توسط کاربر تعویض می‌شن.
9. در زمان یک حمله الکترومغناطیسی، لامپ‌ها بر خلاف قطعات نیمه هادی می‌تونن جون سالم به در ببرن!

 

یک آمپلی فایر لامپی یا یک آمپلی فایر ترانزیستوری؟

خب هر دو! توی تبلیغات بعضی وقتا می‌بینیم که توی مشخصات واسه یه آمپلی فایر 150,000$ ترانزیستوری نوشتن که کیفیت صداش تقریبا با کیفیت یک آمپلی فایر لامپی برابری می‌کنه! چون مردم بنا رو بر این گذاشتن که کیفیت صدای لامپ اصیل‌تره ولی اصل قضیه اینجاست که هر آمپلی فایری فارغ از اینکه لامپی یا یا قطعات نیمه هادی درست شده باشه، اگر طبق اصول طراحی و ساخته بشه کیفیت بسیار عالی خواهد داشت و این حرف که لامپ چون لامپه کیفیت بهتری داره و این دست از صحبت‌ها بیشتر تحت تاثیر تبلیغات و یا باور غلط عموم هستن. اگر بخواهیم کلیت دو تا آمپلی فایر لامپی و ترانزیستوری با مشخصات و کیفیت برابر مقایسه کنیم قطعا آمپلی فایر ترانزیستوری برنده هست چون خیلی از لامپ کوچکتر و کم مصرف‌تر و ارزون‌‎تر هست و ممکنه حتی کیفیت صدای بهتری هم نسبت به لامپ داشته باشه.

(توی پرانتز لازمه عرض کنم که لامپ یک جذابیت بخوصی داره که فقط اونایی که دیدن یا باهاش کار کردن می‌دونن! برای کسی مثل من که لامپ خلا به عمرش ندیده بود، قطعا شنیدن صدای موزیکی که از توی لامپ تقویت می‌شه و میاد بیرون قطعا ده‌ها برابر جذاب‌تر خواهد بود. همین نور سرخ فیلامنت لامپ در شب آنچنان نگاه‌های یک جوان نسل هزاره رو می‌تونه به خودش جذب کنه که باعث بشه برای روزگاری قدیمی عاری از تکنولوژی که هیچ وقت به عمرش ندیده دلش تنگ بشه! همین مساله ممکنه سبب محبوبیت دوباره لامپ‌ها در عصر 10 نانومتری‌ها باشه!)

لامپ EL90 یا 6AQ5

بریم سراغ اون لامپی که می‌خواهیم باهاش کار کنیم. این لامپ یک لامپ پنتود کم توان مناسب برای تقویت سیگنال‌های صوتی در گیرنده‌های تلویزیونی و رادیویی هست. ولتاژ و جریان مورد نیاز فیلامنت این لامپ 6.3 ولت و 0.45 آمپر هست که مستقیما به پین های 3 و 4 اعمال می‌شه و طبق گفته دیتاشیت حداقل به 11 ثانیه زمان نیاز داره تا به اندازه کافی گرم بشه. اگر ولتاژ بیشتری به فیلامنت اعمال بشه ممکنه فیلامنت بسوزه و اگر ولتاژ کم باشه ممکنه اصلا لامپ کار نکنه پس باید حواستون به این ولتاژ باشه. البته حساسیت لامپ در حد ترانزیستورها نیست و همونطوری که قبلا هم گفتم، لامپ در برابر این تغییرات مقاوم‌تر هست. حتی فیلامنت لامپ ممکنه تا 10 ولت رو هم تحمل کنه (بر اساس حدس و گمان) ولی خب به مرور زمان از عمر مفید لامپ کم می‌شه. چون همه لامپ‌ها یک عمر مفید دارن که بر اساس ساعت اعلام می‌شه و بعد از اون لامپ ممکنه کار نکنه یا فیلامنتش بسوزه یا گین کافی رو نداشته باشه که این ضعف لامپ هم نمایانگر یکی از دلایل برتری ترانزیستورها بر لامپ هست. جریانی که برای فیلامنت در دیتاشیت قید شده مخصوص زمانی هست که لامپ به وضعیت کاملا پایدار رسیده باشه. یعنی وقتی جریان فیلامنت در لامپی که کاملا سرد هست برقرار می‌شه، مقدار جریان خیلی بیشتر از مقدار قید شده هست ولی با عبور جریان کم کم فیلامنت داغ شده و مقاومت اون بالا رفته و جریان به مقدار ثابت 0.45 امپر می‌رسه. ولتاژ فیلامنت فرقی نداره که AC باشه یا DC. در خیلی از مدارات برای سادگی کار در ترانس تغذیه یک سیم پیچ ثانویه مخصوص فیلامنت درست می‌کنن و مستقیما ولتاژ AC رو به فیلامنت وصل می‌کنن ولی در مدارات صوتی معمولا پیشنهاد می‌شه برای اینکه در خروجی صدای هوم فرکانس 50 هرتز برق شهر شنیده نشه، اول ولتاژ فیلامنت تبدیل به DC بشه و بعد برای تغذیه فیلامنت بره. البته خود فیلامنت به خودی خود تاثیری در تقویت سیگنال نداره و فقط بدلیل مجاورتش با بقیه المان‌های لامپ هست که ممکنه صدای هوم 50 هرتز بهشون القا بشه که این هم یکی دیگه از معایب لامپ هست. جنس بدنه لامپ از شیشه هست تا بتونه حرارت‌های بالا رو تحمل کنه که البته این مورد هم یک عیب بزرگ داره و اون هم اثر microphonics هست. اگر به یکی از لامپ‌های یک آمپلی فایر لامپی در حال کار با نوک پیچ گوشتی به آرومی ضربه بزنید صدای اونو می‌تونید توی بلندگو ها بشنوید! خب این اصلا چیز خوبی نیست و می‌تونه باعث ایجاد فیدبک مثبت و خود نوسانی مخصوصا در آمپلی فایرهای صوتی بشه. یعنی وقتی شما صحبت می‌کنید ممکنه ارتعاشات بلندگو که نزدیک آمپلی فایر هست روی بدنه لامپ تاثیر بزاره و فیدبک ایجاد بشه.

یک سری از مشخصات این لامپ و حداکثر مقادیر ولتاژ مجاز برخی قسمت‌های اون رو می‌تونید در عکس زیر ببینید. همینطور که می‌بینید حرارت این لامپ در داغ‌ترین نقطه ممکنه به 250 درجه هم برسه! دمایی که هیچ قطعه نیمه هادی توی اون نمی‌تونه دووم بیاره! ولی لامپ تازه توی اون دما راه میوفته و حتی می‌تونه بهتر کار کنه!

این لامپ EL90 ماست که قراره باهاش یک آمپلی فایر درست کنیم. این لامپ رو جناب اقای عبدالحق (EP5ABD/EP2MRD) از اساتید و پیشکسوتان رادیوآماتوری ایران مدت‌ها پیش به رسم هدیه برای من فرستادند. حقیقتا تا به اون روز حتی یک دونه لامپ خلا هم به چشم ندیده بودم و اصلا با طرز کار رادیو و تلویزیون یا گرام لامپی هم آشنا نبودم ولی خب خیلی دوست داشتم بدونم حال و هوای کارکرد این وسایل چطوریه. من به ایشون قول دادم که با این لامپ یه آمپلی فایر بسازم و امروز هم همون روزی خواهد بود که اون آمپلی فایر رو می‌سازم. توجه داشته باشید اون فندک صرفا برای مقایسه ابعاد بوده و هیچ کاربرد دیگری ندارد! (!fingers crossed)

 

تا قسمت بعدی ما رو با نظراتتون زیر همین پست مستفیض کنید! ?

منبع:سیسوگ