Лампы против полупроводников

Посвящение целой главы в современной электронике конструкции и функции электронных ламп может показаться немного странным, учитывая, что полупроводниковые технологии почти во всех сферах применения имеют практически устаревшие лампы. Тем не менее, изучение трубок имеет смысл не только для исторических целей, но и для тех нишевых приложений, которые требуют уточняющей фразы « почти каждое приложение »в отношении превосходства полупроводников.

В некоторых приложениях электронные лампы не только продолжают находить практическое применение, но и выполняют свои задачи лучше, чем любые твердотельные устройства, которые были изобретены. В некоторых случаях производительность и надежность технологии электронных ламп далека высший.

В области высокомощного и высокоскоростного переключения цепей специализированные лампы, такие как водородные тиратроны и критроны, могут переключать гораздо большие токи, намного быстрее, чем любые полупроводниковые устройства, разработанные на сегодняшний день. Тепловые и временные ограничения физики полупроводников накладывают ограничения на коммутационную способность, от которых освобождаются лампы, работающие по разным принципам.

В мощных микроволновых передатчиках только превосходная термостойкость ламп обеспечивает их превосходство над полупроводниками. На электронную проводимость через полупроводниковые материалы сильно влияет температура. Электронной проводимости через вакуум нет. Как следствие, практические тепловые пределы полупроводниковых устройств довольно низки по сравнению с лампами. Возможность работать с лампами при гораздо более высоких температурах, чем эквивалентные полупроводниковые устройства, позволяет лампам рассеивать больше тепловой энергии для заданного количества рассеиваемой площади, что делает их меньше и легче в непрерывных применениях с высокой мощностью.

Еще одно неоспоримое преимущество ламп перед полупроводниковыми компонентами в приложениях с высокой мощностью - их возможность восстановления. Когда большая трубка выходит из строя, ее можно разобрать и отремонтировать с гораздо меньшими затратами, чем закупочная цена новой трубки. Когда выходит из строя полупроводниковый компонент, большой или маленький, как правило, нет никаких средств для ремонта. На следующей фотографии показана передняя панель AM-радиопередатчика мощностью 5 кВт производства 1960-х годов. Одна из двух ламп накаливания марки «Eimac» видна в углублении за стеклянной дверью. По словам инженера станции, который проводил экскурсию по объекту, стоимость восстановления такой лампы составляет всего 800 долларов:довольно недорого по сравнению со стоимостью новой лампы и все же вполне разумно по сравнению с ценой нового сопоставимого полупроводникового компонента!

Лампы, которые менее сложны в производстве, чем полупроводниковые компоненты, также потенциально дешевле в производстве, хотя огромные объемы производства полупроводниковых устройств в мире значительно нивелируют это теоретическое преимущество. Производство полупроводников является довольно сложным процессом, в котором задействовано множество опасных химических веществ и требуется сверхчистая среда для сборки. Трубки, по сути, представляют собой не что иное, как стекло и металл с вакуумным уплотнением. Физические допуски достаточно «слабы», чтобы позволить ручную сборку электронных ламп, и сборочные работы не обязательно должны выполняться в «чистой комнате», как это необходимо для производства полупроводников.

Одна из современных областей, где электронные лампы имеют превосходство над полупроводниковыми компонентами, - это рынок профессиональных и высококачественных аудиоусилителей, хотя это частично связано с музыкальной культурой. Многие профессиональные гитаристы, например, предпочитают ламповые усилители транзисторным усилителям из-за специфических искажений, создаваемых ламповыми цепями. Усилитель электрогитары предназначен для искажения вместо того, чтобы избегать искажений, как в случае с усилителями воспроизведения звука (вот почему электрогитара звучит так сильно по-другому, чем акустическая гитара), а тип искажения, производимого усилителем, в такой же степени зависит от личного вкуса, как и технические измерения. Поскольку рок-музыка, в частности, родилась с гитаристами, играющими на ламповых усилителях, существует значительный уровень «ламповой привлекательности», присущий самому жанру, и эта привлекательность проявляется в постоянном спросе на «ламповые» гитарные усилители среди рок-гитаристов.

В качестве иллюстрации отношения некоторых гитаристов рассмотрим следующую цитату, взятую со страницы технического глоссария веб-сайта ламповых усилителей, который останется безымянным:

Твердотельное состояние: Компонент, специально разработанный для плохого звучания гитарного усилителя. По сравнению с лампами, эти устройства могут иметь очень долгий срок службы, что гарантирует, что ваш усилитель надолго сохранит тонкий, безжизненный и жужжащий звук.

Что касается усилителей воспроизведения звука (музыкальные студийные усилители и усилители для домашних развлечений), лучше всего, чтобы усилитель воспроизводил музыкальный сигнал с небольшим искажение по возможности. Как это ни парадоксально, в отличие от рынка гитарных усилителей, где искажение является целью дизайна, высококачественное аудио - это еще одна область, где ламповые усилители пользуются постоянным потребительским спросом. Хотя можно было бы предположить, что объективные технические требования низкого уровня искажений устранят любые субъективные предубеждения со стороны аудиофилов, было бы очень ошибочно. Рынок высококачественного «лампового» усилительного оборудования довольно нестабилен, быстро меняется в соответствии с тенденциями и причудами, движимыми весьма субъективными заявлениями обозревателей аудиосистем и продавцов о «волшебном» звуке. Как и в мире электрогитары, в некоторых кругах мира аудиофилов наблюдается немалая культовая преданность ламповым усилителям. В качестве примера этой иррациональности рассмотрим конструкцию многих усилителей сверхвысокого класса с шасси, построенным так, чтобы открыто отображать рабочие лампы, даже несмотря на то, что это физическое обнажение ламп явно усиливает нежелательный эффект микрофоники (изменение характеристик лампы в результате воздействия звуковых волн на конструкцию трубки).

Тем не менее, существует множество технической литературы, в которой сравниваются лампы и полупроводники для использования в усилителях мощности звука, особенно в области анализа искажений. Более чем несколько компетентных инженеров-электриков предпочитают конструкции ламповых усилителей транзисторам и могут предоставить экспериментальные данные в поддержку своего выбора. Основная трудность при количественной оценке характеристик аудиосистемы - это неопределенная реакция человеческого слуха. Все усилители в некоторой степени искажают свой входной сигнал, особенно при перегрузке, поэтому вопрос в том, какой тип конструкции усилителя искажает меньше всего. Однако, поскольку человеческий слух очень нелинейный, люди не интерпретируют все типы акустических искажений одинаково, и поэтому некоторые усилители будут звучать «лучше», чем другие, даже если количественный анализ искажений с помощью электронных инструментов показывает аналогичные уровни искажений. Чтобы определить, какой тип аудиоусилителя будет «в наименьшей степени» искажать музыкальный сигнал, мы должны рассматривать человеческое ухо и мозг как часть всей акустической системы. Поскольку полной модели слуховой реакции человека еще не существует, объективная оценка в лучшем случае затруднена. Однако некоторые исследования показывают, что характерные искажения схем ламповых усилителей (особенно при перегрузке) менее нежелательны, чем искажения, создаваемые транзисторами.

Трубки также обладают явным преимуществом низкого «дрейфа» в широком диапазоне рабочих условий. В отличие от полупроводниковых компонентов, чьи барьерные напряжения, отношения β, объемные сопротивления и емкости переходов могут существенно изменяться при изменении температуры устройства и / или других рабочих условий, основные характеристики вакуумной лампы остаются почти постоянными в широком диапазоне рабочих условий. потому что эти характеристики определяются в первую очередь физическими размерами структурных элементов трубки (катода, решетки (сеток) и пластины), а не взаимодействием субатомных частиц в кристаллической решетке.

Это одна из основных причин, по которой разработчики полупроводниковых усилителей обычно проектируют свои схемы так, чтобы обеспечить максимальную энергоэффективность, даже когда это ставит под угрозу характеристики искажений, потому что неэффективный усилитель рассеивает много энергии в виде избыточного тепла, а характеристики транзистора имеют тенденцию существенно изменяться с температурой. Температурный «дрейф» затрудняет стабилизацию точек «Q» и других важных показателей, связанных с характеристиками в цепи усилителя. К сожалению, энергоэффективность и низкий уровень искажений кажутся взаимоисключающими целями дизайна.

Например, схемы аудиоусилителя класса A обычно демонстрируют очень низкие уровни искажений, но очень расточительны по мощности, а это означает, что было бы трудно спроектировать твердотельный усилитель класса A с любой значительной номинальной мощностью из-за последующего дрейфа характеристик транзистора. . Таким образом, большинство разработчиков твердотельных аудиоусилителей выбирают конфигурации схем класса B для большей эффективности, даже несмотря на то, что конструкции класса B печально известны тем, что создают искажения, известные как кроссоверные искажения . . Однако с помощью ламп легко спроектировать стабильную схему аудиоусилителя класса A, потому что на лампы не так сильно влияют изменения температуры, возникающие в такой конфигурации схемы с низким энергопотреблением.

Однако рабочие параметры ламп имеют тенденцию «дрейфовать» больше, чем полупроводниковые устройства, если их измерять в течение длительных периодов времени (лет). Одним из основных механизмов «старения» трубки, по-видимому, является утечка вакуума:когда воздух попадает внутрь вакуумной трубки, ее электрические характеристики необратимо изменяются. Это же явление является основной причиной гибели трубок или того, почему трубки обычно не служат так долго, как их соответствующие твердотельные аналоги. Однако, когда вакуум в трубке поддерживается на высоком уровне, возможны отличные характеристики и срок службы. Примером этого является клистронная трубка (используемая для генерации высокочастотных радиоволн, используемых в радиолокационной системе), которая прослужила 240 000 часов работы (цитируется Робертом С. Саймонсом из Litton Electron Devices Division в его информационной статье «Tubes :Все еще жизненно важно после всех этих лет », напечатано в апрельском выпуске журнала IEEE Spectrum за 1998 год. журнал).

По крайней мере, напряженность между аудиофилами по поводу ламп и полупроводников стимулировала значительную степень экспериментов и технических инноваций, что послужило отличным ресурсом для тех, кто хочет изучить теорию усилителей. Если взглянуть шире, то универсальность технологии электронных ламп (различные физические конфигурации, несколько управляющих сеток) намекает на возможность создания гораздо более разнообразных схемных решений, чем это возможно при использовании полупроводников. По этой и другим причинам электронные лампы никогда не станут «устаревшими», но будут продолжать выполнять свои нишевые роли и способствовать инновациям для тех инженеров-электронщиков, изобретателей и любителей, которые не желают позволять своим умам ограничиваться условностями.