Buizen versus halfgeleiders

Een heel hoofdstuk in een moderne elektronicatekst wijden aan het ontwerp en de functie van elektronenbuizen lijkt misschien een beetje vreemd, aangezien de halfgeleidertechnologie in bijna elke toepassing bijna verouderde buizen heeft. Het is echter een verdienste om buizen te onderzoeken, niet alleen voor historische doeleinden, maar ook voor die nichetoepassingen die de kwalificerende uitdrukking "bijna vereisen. elke toepassing” met betrekking tot de suprematie van halfgeleiders.

In sommige toepassingen worden elektronenbuizen niet alleen nog steeds praktisch gebruikt, maar voeren ze hun respectieve taken beter uit dan enig ander solid-state apparaat dat tot nu toe is uitgevonden. In sommige gevallen zijn de prestaties en betrouwbaarheid van elektronenbuistechnologie ver superieur.

Op het gebied van high-power, high-speed circuitschakeling zijn gespecialiseerde buizen zoals waterstofthyratrons en krytrons in staat om veel grotere hoeveelheden stroom te schakelen, veel sneller dan enig halfgeleiderapparaat dat tot nu toe is ontworpen. De thermische en temporele limieten van de halfgeleiderfysica stellen beperkingen aan het schakelvermogen waar buizen - die niet volgens dezelfde principes werken - zijn vrijgesteld van.

In krachtige microgolfzendertoepassingen verzekert de uitstekende thermische tolerantie van buizen alleen hun dominantie over halfgeleiders. Elektronengeleiding door halfgeleidende materialen wordt sterk beïnvloed door temperatuur. Elektronengeleiding door een vacuüm is dat niet. Als gevolg hiervan zijn de praktische thermische limieten van halfgeleiderinrichtingen vrij laag in vergelijking met die van buizen. Doordat buizen bij veel hogere temperaturen kunnen worden gebruikt dan vergelijkbare halfgeleiderapparaten, kunnen buizen meer thermische energie dissiperen voor een bepaalde hoeveelheid dissipatiegebied, waardoor ze kleiner en lichter worden in toepassingen met continu hoog vermogen.

Een ander duidelijk voordeel van buizen ten opzichte van halfgeleidercomponenten in toepassingen met hoog vermogen is hun herbouwbaarheid. Wanneer een grote buis defect raakt, kan deze worden gedemonteerd en gerepareerd tegen veel lagere kosten dan de aankoopprijs van een nieuwe buis. Wanneer een halfgeleidercomponent uitvalt, groot of klein, is er over het algemeen geen reparatiemogelijkheid. De volgende foto toont het voorpaneel van een vintage 5 kW AM-radiozender uit de jaren 60. Een van de twee eindbuizen van het merk "Eimac" is te zien in een verzonken gebied, achter de glazen deur. Volgens de stationsingenieur die de faciliteit rondleidde, bedragen de herbouwkosten voor zo'n buis slechts $ 800:vrij goedkoop in vergelijking met de kosten van een nieuwe buis, en nog steeds redelijk in vergelijking met de prijs van een nieuw, vergelijkbaar halfgeleideronderdeel!

Buizen, die minder complex zijn in hun fabricage dan halfgeleidercomponenten, zijn potentieel ook goedkoper om te produceren, hoewel het enorme volume van de productie van halfgeleiderinrichtingen in de wereld dit theoretische voordeel sterk compenseert. De fabricage van halfgeleiders is vrij complex, er komen veel gevaarlijke chemische stoffen bij kijken en er zijn superschone montageomgevingen nodig. Buizen zijn in wezen niets meer dan glas en metaal, met een vacuümafdichting. Fysieke toleranties zijn "los" genoeg om handmatige assemblage van vacuümbuizen mogelijk te maken, en het assemblagewerk hoeft niet te worden gedaan in een "clean room"-omgeving zoals nodig is voor de fabricage van halfgeleiders.

Een modern gebied waar elektronenbuizen de overhand hebben op halfgeleidercomponenten, zijn de professionele en hoogwaardige audioversterkermarkten, hoewel dit gedeeltelijk te wijten is aan de muziekcultuur. Veel professionele gitaristen geven bijvoorbeeld de voorkeur aan buizenversterkers boven transistorversterkers vanwege de specifieke vervorming die door buizencircuits wordt veroorzaakt. Een elektrische gitaarversterker is ontworpen om vervorming te produceren in plaats van vervorming te vermijden zoals het geval is met versterkers voor audioweergave (daarom klinkt een elektrische gitaar zo veel anders dan een akoestische gitaar), en het type vervorming dat door een versterker wordt geproduceerd, is evenzeer een kwestie van persoonlijke smaak als het is technische meting. Aangezien rockmuziek in het bijzonder werd geboren met gitaristen die buizenversterkerapparatuur bespeelden, is er een aanzienlijk niveau van "buizenaantrekkingskracht" inherent aan het genre zelf, en deze aantrekkingskracht komt tot uiting in de aanhoudende vraag naar "buisvormige" gitaarversterkers onder rockgitaristen.

Ter illustratie van de houding van sommige gitaristen, beschouw het volgende citaat van de technische woordenlijstpagina van een buizenversterkerwebsite, die naamloos zal blijven:

Vaste toestand: Een component die speciaal is ontworpen om een ​​gitaarversterker slecht te laten klinken. In vergelijking met buizen kunnen deze apparaten een zeer lange levensduur hebben, wat garandeert dat je versterker zijn dunne, levenloze en zoemende geluid lang zal behouden.

Op het gebied van versterkers voor audioweergave (muziekstudio-versterkers en home entertainment-versterkers) kan een versterker het muzikale signaal het beste met weinig weergeven. vervorming mogelijk. Paradoxaal genoeg, in tegenstelling tot de markt voor gitaarversterkers waar vervorming een ontwerpdoel is, is high-end audio een ander gebied waar buizenversterkers een aanhoudende vraag van de consument hebben. Hoewel men zou kunnen veronderstellen dat de objectieve, technische eis van een lage vervorming elke subjectieve vooringenomenheid van audiofielen zou elimineren, zou men het bij het verkeerde eind hebben. De markt voor high-end "tubed" versterkerapparatuur is nogal vluchtig en verandert snel met trends en rages, gedreven door zeer subjectieve claims van "magisch" geluid van audiosysteemrecensenten en verkopers. Net als in de wereld van elektrische gitaren, is er in sommige delen van de audiofiele wereld geen geringe mate van cult-achtige toewijding aan buizenversterkers. Beschouw als een voorbeeld van deze irrationaliteit het ontwerp van veel ultra-high-end versterkers, met een chassis dat is gebouwd om de werkende buizen openlijk weer te geven, hoewel deze fysieke blootstelling van de buizen duidelijk het ongewenste effect van microfoon versterkt.> (veranderingen in buisprestaties als gevolg van geluidsgolven die de buisstructuur doen trillen).

Dit gezegd hebbende, is er echter een schat aan technische literatuur waarin buizen worden vergeleken met halfgeleiders voor gebruik in audio-eindversterkers, vooral op het gebied van vervormingsanalyse. Meer dan een paar competente elektrotechnici geven de voorkeur aan ontwerpen van buizenversterkers boven transistoren en zijn in staat om experimenteel bewijs te leveren ter ondersteuning van hun keuze. De grootste moeilijkheid bij het kwantificeren van de prestaties van het audiosysteem is de onzekere reactie van het menselijk gehoor. Alle versterkers vervormen hun ingangssignaal tot op zekere hoogte, vooral bij overbelasting, dus de vraag is welk type versterkerontwerp het minst vervormt. Omdat het menselijk gehoor echter erg niet-lineair is, interpreteren mensen niet alle soorten akoestische vervorming gelijk, en daarom zullen sommige versterkers "beter" klinken dan andere, zelfs als een kwantitatieve vervormingsanalyse met elektronische instrumenten vergelijkbare vervormingsniveaus aangeeft. Om te bepalen welk type audioversterker een muzikaal signaal "het minst" zal vervormen, moeten we het menselijk oor en de hersenen beschouwen als onderdeel van het hele akoestische systeem. Aangezien er nog geen volledig model bestaat voor de menselijke auditieve respons, is objectieve beoordeling op zijn best moeilijk. Sommige onderzoeken wijzen er echter op dat de karakteristieke vervorming van buizenversterkercircuits (vooral bij overbelasting) minder verwerpelijk is dan vervorming veroorzaakt door transistors.

Buizen hebben ook het duidelijke voordeel van een lage "drift" onder een breed scala aan bedrijfsomstandigheden. In tegenstelling tot halfgeleidercomponenten, waarvan de barrièrespanningen, β-verhoudingen, bulkweerstanden en junctiecapaciteiten aanzienlijk kunnen veranderen met veranderingen in de temperatuur van het apparaat en/of andere bedrijfsomstandigheden, blijven de fundamentele kenmerken van een vacuümbuis vrijwel constant over een breed bereik in bedrijfsomstandigheden, omdat die kenmerken voornamelijk worden bepaald door de fysieke afmetingen van de structurele elementen van de buis (kathode, rooster(s) en plaat) in plaats van de interacties van subatomaire deeltjes in een kristallijn rooster.

Dit is een van de belangrijkste redenen waarom ontwerpers van solid-state versterkers hun circuits doorgaans zo ontwerpen dat ze de energie-efficiëntie maximaliseren, zelfs als dit ten koste gaat van de vervormingsprestaties, omdat een stroominefficiënte versterker veel energie dissipeert in de vorm van afvalwarmte, en transistorkarakteristieken de neiging hebben aanzienlijk veranderen met de temperatuur. Door temperatuur veroorzaakte "drift" maakt het moeilijk om "Q" -punten en andere belangrijke prestatiegerelateerde maatregelen in een versterkercircuit te stabiliseren. Helaas lijken energie-efficiëntie en lage vervorming elkaar uitsluitende ontwerpdoelen te zijn.

Klasse A-audioversterkerschakelingen vertonen bijvoorbeeld doorgaans zeer lage vervormingsniveaus, maar zijn zeer energieverslindend, wat betekent dat het moeilijk zou zijn om een ​​solid-state klasse A-versterker met een aanzienlijk vermogen te bouwen vanwege de daaruit voortvloeiende drift van transistorkarakteristieken . Daarom kiezen de meeste ontwerpers van solid-state audioversterkers voor klasse B-circuitconfiguraties voor meer efficiëntie, hoewel klasse B-ontwerpen berucht zijn voor het produceren van een soort vervorming die bekend staat als crossover-vervorming . Met buizen is het echter gemakkelijk om een ​​stabiel klasse A audioversterkercircuit te ontwerpen, omdat buizen niet zo nadelig worden beïnvloed door de temperatuurveranderingen die optreden in een dergelijke stroominefficiënte circuitconfiguratie.

Prestatieparameters van buizen hebben echter de neiging om meer te "drijven" dan halfgeleiderapparaten wanneer ze over lange tijdsperioden (jaren) worden gemeten. Een belangrijk mechanisme van het "verouderen" van buizen lijkt vacuümlekken te zijn:wanneer lucht de binnenkant van een vacuümbuis binnendringt, worden de elektrische kenmerken ervan onomkeerbaar gewijzigd. Ditzelfde fenomeen is een belangrijke oorzaak van buissterfte, of waarom buizen doorgaans niet zo lang meegaan als hun respectievelijke tegenhangers in vaste toestand. Wanneer het buisvacuüm echter op een hoog niveau wordt gehouden, zijn uitstekende prestaties en een lange levensduur mogelijk. Een voorbeeld hiervan is een klystron-buis (gebruikt om de hoogfrequente radiogolven te produceren die in een radarsysteem worden gebruikt) die 240.000 bedrijfsuren meeging (geciteerd door Robert S. Symons van Litton Electron Devices Division in zijn informatieve paper, "Tubes :Nog steeds van vitaal belang na al die jaren”, gedrukt in het aprilnummer van IEEE Spectrum tijdschrift).

Als er niets anders is, heeft de spanning tussen audiofielen over buizen en halfgeleiders geleid tot een opmerkelijke mate van experimenten en technische innovatie, wat een uitstekende bron is voor diegenen die zichzelf willen onderwijzen over versterkertheorie. Als we het breder bekijken, duidt de veelzijdigheid van elektronenbuistechnologie (verschillende fysieke configuraties, meerdere stuurroosters) op het potentieel voor circuitontwerpen met een veel grotere variëteit dan mogelijk is met halfgeleiders. Om deze en andere redenen zullen elektronenbuizen nooit "verouderd" zijn, maar zullen ze in nicherollen blijven dienen en innovatie bevorderen voor die elektronica-ingenieurs, uitvinders en hobbyisten die niet bereid zijn hun geest te laten verstikken door conventie.