مذبذب دايناترون

مولد إشارة أنبوبي مفرغ من نوع دايناترون ، عام 1931. غطى نطاق تردد من 1.8 إلى 15  ميجاهرتز. استُخدمت هذه الدائرة في مولدات الإشارة نظرًا لاستقرار ترددها، والذي قورن بمذبذبات الكريستال.

كما تم استخدام دائرة مذبذب الديناترون كمذبذب محلي في أجهزة استقبال الراديو ذات الصمامات المفرغة المبكرة ، مثل جهاز الراديو Crosley موديل 122 ذي الصمامات السبعة لعام 1931.

في مجال الإلكترونيات، يُعدّ مذبذب الديناترون ، الذي اخترعه ألبرت هول عام 1918 ^{[ 1 ] [ 2 ]} في شركة جنرال إلكتريك ، دائرة مذبذب إلكترونية قديمة تعتمد على الصمامات المفرغة ، وتستغل خاصية المقاومة السالبة في الصمامات المفرغة رباعية الأقطاب المبكرة ، والناتجة عن عملية تُسمى الانبعاث الثانوي . ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]} وكان أول مذبذب صمام مفرغ ذي مقاومة سالبة. ^{[ 7 ]} استُخدمت دائرة مذبذب الديناترون على نطاق محدود كمذبذبات تردد الخفقان (BFOs) ومذبذبات محلية في أجهزة استقبال الراديو التي تعمل بالصمامات المفرغة ، وكذلك في المعدات العلمية ومعدات الاختبار من عشرينيات إلى أربعينيات القرن العشرين، لكنها أصبحت قديمة الطراز تقريبًا مع اندلاع الحرب العالمية الثانية بسبب تقلبات الانبعاث الثانوي في الصمامات. ^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]}

تُعدّ مذبذبات التوصيلية السالبة، ^{[ 8 ]} مثل مذبذب الترانسترون الذي اخترعه كليتو برونيتي عام 1939، ^{[ 12 ] [ 13 ]} دوائر مذبذبات الصمامات المفرغة ذات المقاومة السالبة، والتي تعتمد على التوصيلية السالبة (انخفاض التيار المار عبر أحد أقطاب الشبكة نتيجةً لزيادة الجهد على شبكة أخرى) في صمام خماسي أو أي صمام مفرغ متعدد الشبكات. ^{[ 5 ] [ 14 ]} وقد حلت هذه المذبذبات محل دائرة الديناترون ^{[ 14 ]} ، واستُخدمت في المعدات الإلكترونية التي تعمل بالصمامات المفرغة حتى سبعينيات القرن العشرين. ^{[ 8 ] [ 10 ] [ 11 ]}

يختلف مذبذبا الدايناترون والترانزترون عن العديد من دوائر المذبذبات الأخرى في أنهما لا يستخدمان التغذية الراجعة لتوليد التذبذبات، بل يعتمدان على المقاومة السالبة . ^{[ 4 ] [ 6 ]} الدائرة الرنانة ، المكونة من ملف حث ومكثف متصلين معًا، تُعتبر "شبه" مذبذب: إذ يمكنها تخزين الطاقة الكهربائية على شكل تيارات متذبذبة، "ترن" بشكل مشابه لشوكة الرنين . ^{[ 15 ]} لو أمكن لدائرة رنانة أن تمتلك مقاومة كهربائية صفرية ، لكانت ستعمل كمذبذب بمجرد بدء التذبذبات ، منتجةً موجة جيبية مستمرة . ولكن نظرًا للمقاومة الحتمية المتأصلة في الدوائر الفعلية، فبدون مصدر طاقة خارجي، تتبدد الطاقة الموجودة في التيار المتذبذب على شكل حرارة في المقاومة، وتتلاشى أي تذبذبات إلى الصفر. ^{[ 15 ]}

في دوائر الديناترون والترانزترون، يُشغَّل أنبوب مفرغ بحيث يكون لأحد أقطابه مقاومة تفاضلية سالبة . ^{[ 4 ] [ 6 ]} وهذا يعني أنه عند زيادة الجهد على القطب بالنسبة للكاثود، ينخفض ​​التيار المار فيه. ^{[ 4 ]} تُوصَّل دائرة رنانة بين القطب والكاثود. تلغي المقاومة السالبة للأنبوب المقاومة الموجبة للدائرة الرنانة، مما يُنشئ فعليًا دائرة رنانة ذات مقاومة تيار متردد صفرية. ^{[ 6 ] [ 15 ]} يتولد جهد متذبذب جيبي مستمر تلقائي بتردد رنين الدائرة الرنانة، ويبدأ هذا الجهد بفعل الضوضاء الكهربائية في الدائرة عند تشغيلها. ^{[ 15 ]}

من مزايا هذه المذبذبات أن تأثير المقاومة السالبة كان مستقلاً إلى حد كبير عن التردد، لذا باستخدام قيم مناسبة للحث والسعة في الدائرة الرنانة ، يمكنها العمل ضمن نطاق ترددي واسع، من بضعة هرتزات إلى حوالي 20 ميجاهرتز . ^{[ 6 ] [ 8 ] [ 9 ]} ميزة أخرى هي استخدامها لدائرة رنانة LC بسيطة أحادية بدون نقاط التوصيل أو ملفات "التحفيز" المطلوبة في مذبذبات مثل دوائر هارتلي أو أرمسترونج . ^{[ 16 ]} 

يُستخدم أنبوب رباعي الأقطاب في الديناترون . ^{[ 4 ]} في بعض أنابيب رباعي الأقطاب، تتميز الصفيحة (الأنود) بمقاومة تفاضلية سالبة، نتيجةً لانبعاث الإلكترونات من الصفيحة عند اصطدام الإلكترونات من الكاثود بها، وهو ما يُعرف بالانبعاث الثانوي . ^{[ 4 ] [ 5 ]} يتسبب هذا في انحناء حاد نحو الأسفل في منحنى تيار الصفيحة مقابل جهد الصفيحة (الرسم البياني أدناه، المنطقة الرمادية) عندما يكون جهد شبكة الحماية أعلى من جهد الصفيحة، كما هو موضح أدناه. كانت هذه المقاومة السالبة سمةً مميزةً للأنابيب القديمة، التي يعود تاريخها إلى أربعينيات القرن العشرين أو ما قبلها. ^{[ 4 ]} في معظم أنابيب رباعي الأقطاب الحديثة، ولمنع التذبذبات الطفيلية، تُغطى الصفيحة بطبقة تقلل بشكل كبير من الانبعاث الثانوي غير المرغوب فيه، لذا لا تحتوي هذه الأنابيب عمليًا على أي انحناء حاد في خصائص تيار الصفيحة، ولا يمكن استخدامها في مذبذبات الديناترون. ^{[ 4 ]}

لم يكن الصمام الرباعي الأنبوب الوحيد القادر على توليد تذبذبات الديناترون. فقد كانت الصمامات الثلاثية المبكرة تُصدر انبعاثًا ثانويًا، وبالتالي مقاومة سالبة، وقبل اختراع الصمام الرباعي، استُخدمت في مذبذبات الديناترون عن طريق تحيز شبكة التحكم بجهد موجب أكبر من جهد الصفيحة. ^{[ 1 ] [ 17 ]} استخدم هول في أول مذبذب ديناترون له عام 1918 أنبوبًا مفرغًا خاصًا من نوع "ديناترون" من تصميمه الخاص (كما هو موضح أعلاه) ، وهو صمام ثلاثي كانت شبكته عبارة عن صفيحة سميكة مثقبة بفتحات، وكانت متينة بما يكفي لتحمل تيارات عالية. ^{[ 2 ]} لم يُستخدم هذا الأنبوب كثيرًا كصمام ثلاثي قياسي، إذ كان بإمكان الصمامات الرباعية أن تعمل بكفاءة كمذبذبات ديناترون. وأصبح مصطلح "ديناترون" يُطلق على جميع تذبذبات المقاومة السالبة في الأنابيب المفرغة؛ فعلى سبيل المثال، قيل إن المغنطرون ذو الأنود المنفصل يعمل عن طريق "تذبذب الديناترون".

من مزايا دائرة الديناترون قدرتها على التذبذب ضمن نطاق ترددي واسع جدًا، من بضعة هرتزات إلى 20  ميجاهرتز. ^{[ 6 ] [ 8 ] [ 9 ]} كما تميزت بثبات ترددي ممتاز مقارنةً بمذبذبات LC الأخرى في ذلك الوقت، بل وقورنت بمذبذبات الكريستال . واكتسبت الدائرة شعبية واسعة بعد ظهور أنابيب التترود الرخيصة مثل UY222 وUY224 حوالي عام 1928. ^{[ 9 ] [ 16 ]} واستُخدمت في مذبذبات تردد الخفقان (BFOs) لاستقبال الشفرات، وفي المذبذبات المحلية في أجهزة الاستقبال فائقة التغاير ^{[ 16 ]} ، بالإضافة إلى استخدامها في مولدات الإشارات المختبرية والبحوث العلمية. استخدم جهاز التلفزيون النموذجي لشركة RCA لعام 1931 أنبوبين من نوع UY224 كمذبذبات ديناترون لتوليد إشارات الانحراف الرأسي (28  هرتز) والانحراف الأفقي (2880  هرتز) لملفات الانحراف الخاصة بـ CRT.

مع ذلك، كان للدايناترون بعض العيوب. فقد وُجد أن كمية تيار الانبعاث الثانوي من الصفيحة تتفاوت بشكل غير متوقع من أنبوب إلى آخر، وحتى داخل الأنبوب الواحد خلال فترة تشغيله؛ ^{[ 18 ] [ 19 ]} وفي النهاية يتوقف عن التذبذب. عند استبدال الأنبوب، قد يلزم تجربة عدة أنابيب للعثور على واحد يتذبذب في الدائرة. إضافةً إلى ذلك، ولأن تذبذبات الدايناترون كانت مصدرًا لعدم الاستقرار في المضخمات، وهو التطبيق الرئيسي للتيترود، بدأ مصنّعو الأنابيب بتطبيق طلاء من الجرافيت على الصفيحة، مما أدى إلى القضاء شبه التام على الانبعاث الثانوي. ^{[ 4 ]} وبحلول عام 1945، بدأ استخدام دائرة الدايناترون بالتراجع. ^{[ 10 ] [ 11 ] [ 19 ]}

الانبعاثات الثانوية

منحنيات تيار الصفيحة ( I _b ) مقابل جهد الصفيحة للأقطاب الرباعية:

صمام رباعي مبكر، وهو RCA 24-A من عام 1929، يُظهر على الجانب الأيسر "انحناء" المقاومة السالبة في المنحنيات نتيجة للانبعاث الثانوي. عند جهد شاشة V_{_C2} مقداره 90 فولت، تكون مقاومته سالبة بين V _{_p}  =  10 و 60 فولت تقريبًا.

أنبوب رباعي حديث، وهو 6P25. بسبب وجود طبقة طلاء على اللوحة، هناك انبعاث ثانوي ضئيل للغاية، لذلك لا توجد منطقة مقاومة سلبية تقريبًا ("انحناء") في المنحنيات، مما يجعل هذا الأنبوب غير قابل للاستخدام في تشغيل الديناترون.

في أنبوب الإلكترون، عندما تصطدم الإلكترونات المنبعثة من المهبط بالصفيحة ، فإنها قد تُزيح إلكترونات أخرى من سطح المعدن، وهي ظاهرة تُعرف بالانبعاث الثانوي . ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 18 ]} في مضخم رباعي الأقطاب عادي، يُعد هذا تأثيرًا غير مرغوب فيه، حيث تكون شبكة الحماية المجاورة للصفيحة مُتحيزة بجهد أقل من جهد الصفيحة، لذا تتنافر هذه الإلكترونات الثانوية وتعود إلى الصفيحة بسبب شحنتها الموجبة.

مع ذلك، إذا تم تشغيل شبكة الحماية بجهد أعلى من جهد اللوح، فإن الإلكترونات الثانوية ستنجذب إليها، وتعود إلى الأرض عبر مصدر تغذية شبكة الحماية. ^{[ 4 ]} يُمثل هذا تيارًا من الإلكترونات I _{_G2} بعيدًا عن اللوح، مما يُقلل تيار اللوح الصافي I _{_P} إلى ما دون تيار المهبط I _{_C}

${\displaystyle I_{P}=I_{C}-I_{G2}\,}$

يؤدي ارتفاع جهد اللوح إلى اصطدام الإلكترونات الأولية باللوح بطاقة أكبر، مما يُطلق المزيد من الإلكترونات الثانوية. لذا، بدءًا من الجهد الذي تمتلك عنده الإلكترونات الأولية طاقة كافية لإحداث انبعاث ثانوي، أي حوالي 10 فولت ، توجد منطقة تشغيل (مُظللة باللون _{الرمادي} ) حيث يؤدي ارتفاع جهد اللوح إلى مغادرة عدد من الإلكترونات للوح أكثر من عدد الإلكترونات الإضافية التي تصل إليه، وبالتالي انخفاض صافٍ في تيار اللوح.  

مذبذب الترانسترون، الذي اخترعه كليدو برونيتي عام 1939، ^{[ 12 ]} (مع أن تأثيرًا مشابهًا لوحظ في الصمامات الرباعية بواسطة بالتازار فان دير بول عام 1926، ^{[ 20 ]} ووصف إدوارد هيرولد مذبذبًا مشابهًا عام 1935 ^{[ 21 ]} )، هو دائرة مذبذب مقاومة سالبة تستخدم صمامًا خماسيًا مفرغًا ، حيث تكون مقاومة شبكة الحماية سالبة بدلًا من مقاومة الصفيحة نظرًا لارتباطها بشبكة الكبح . ^{[ 5 ] [ 14 ] [ 18 ]} انظر الدائرة على اليمين. في الترانسترون، تُحيز شبكة الحماية بجهد موجب (البطارية B1) أعلى من جهد الصفيحة، بينما تُحيز شبكة الكبح بجهد سالب (البطارية B2) ، عند جهد الكاثود أو دونه. لذلك، تنعكس جميع الإلكترونات بواسطة شبكة الكبح السالبة، ولا يصل أي منها إلى الصفيحة. بدلاً من ذلك، ستنجذب الإلكترونات المنعكسة إلى شبكة الحماية، لذا سيكون تيار الحماية مرتفعًا بينما سيكون تيار اللوح صفرًا. مع ذلك، إذا زاد جهد شبكة الكبح، فعندما يقترب من الصفر (جهد المهبط)، ستبدأ الإلكترونات بالمرور عبرها والوصول إلى اللوح، وبالتالي سينخفض ​​عدد الإلكترونات المحولة إلى شبكة الحماية، ومن ثم تيار الحماية. وبما أن الشبكات الأخرى لا تستهلك تيارًا كبيرًا، فإن تيار المهبط${\displaystyle \scriptstyle I_{\text{C}}}$ينقسم بين الطبق${\displaystyle \scriptstyle I_{\text{P}}}$وشبكة الشاشة${\displaystyle \scriptstyle I_{\text{G2}}}$:

${\displaystyle I_{\text{G2}}=I_{\text{C}}-I_{\text{P}}\,}$

يتم التحكم في توزيع التيار بين شبكة الحماية واللوحة بواسطة جهد الكابت. وتُشير هذه العلاقة العكسية إلى أن الموصلية بين شبكة الحماية وشبكة الكابت (التغير في تيار الحماية ΔIG2 مقسومًا على التغير في جهد الكابت _{ΔVG3 )} سالبة .

بما أن جهد شبكة الكبح، وليس جهد شبكة الحماية، هو الذي يتحكم في تيار الحماية، فإذا تم توصيل شبكة الكبح وشبكة الحماية بمكثف ( C2 ) بحيث يكون هناك فرق جهد ثابت بينهما، فإن زيادة جهد شبكة الحماية ستؤدي إلى زيادة جهد شبكة الكبح، مما ينتج عنه انخفاض في تيار الحماية. هذا يعني أن شبكة الحماية لها مقاومة تفاضلية سالبة بالنسبة للكاثود، ويمكن استخدامها لتوليد التذبذبات.

في دائرة الترانزترون، تُقترن شبكتا الحماية والكبح بمكثف جانبي ( C2 ) ذي مقاومة منخفضة عند تردد التذبذب، مما يُبقي فرق الجهد بينهما ثابتًا. تُوصل دائرة الرنين المتوازية ( C1-L ) بين شبكة الحماية والكاثود (عبر البطارية B1 ). تُلغي المقاومة السالبة لشبكة الحماية المقاومة الموجبة لدائرة الرنين، مما يُسبب التذبذبات. وكما هو الحال في مذبذب الدايناترون، يُمكن استخدام شبكة التحكم لضبط المقاومة السالبة.

نظرًا لأن مذبذب الترانسترون لا يعتمد على الانبعاث الثانوي، فقد كان أكثر موثوقية بكثير من مذبذب الدايناترون. مع ذلك، ولأن شبكة الحماية غير مصممة لتحمل طاقة عالية، فإن قدرة خرج المذبذب محدودة. وقد استُخدمت أنابيب أخرى ذات شبكات متعددة إلى جانب البنتود، مثل أنبوب الهيكسود وأنبوب محول الشبكة الخماسية ، لصنع مذبذبات مماثلة ذات ناقلية سالبة. تتميز أنابيب البنتود المستخدمة في هذه الدائرة بناقلية سالبة تبلغ حوالي -250 ميكروسيمنز فقط، مما يعطي مقاومة سالبة قدرها -4000 أوم. ويمكن استخدام أنابيب ذات شبكات أكثر، مثل محول الشبكة الخماسية ، لصنع مذبذبات ترانسترون ذات ناقلية أعلى، مما ينتج عنه مقاومة سالبة أصغر.