Tubos frente a semiconductores
Dedicar un capítulo completo en un texto de electrónica moderna al diseño y la función de los tubos de electrones puede parecer un poco extraño, ya que la tecnología de semiconductores tiene tubos obsoletos en casi todas las aplicaciones. Sin embargo, hay mérito en explorar los tubos no solo con fines históricos, sino también para aquellas aplicaciones de nicho que requieren la frase calificativa “ casi cada aplicación ”con respecto a la supremacía de los semiconductores.
En algunas aplicaciones, los tubos de electrones no solo continúan teniendo un uso práctico, sino que realizan sus respectivas tareas mejor que cualquier dispositivo de estado sólido inventado hasta ahora. En algunos casos, el rendimiento y la confiabilidad de la tecnología del tubo de electrones es lejos superior.
En los campos de la conmutación de circuitos de alta potencia y alta velocidad, los tubos especializados, como los tiratrones de hidrógeno y los krytrones, pueden conmutar cantidades mucho mayores de corriente, mucho más rápido que cualquier dispositivo semiconductor diseñado hasta la fecha. Los límites térmicos y temporales de la física de los semiconductores imponen limitaciones a la capacidad de conmutación de las que están exentos los tubos, que no funcionan con los mismos principios.
En aplicaciones de transmisores de microondas de alta potencia, la excelente tolerancia térmica de los tubos por sí sola asegura su dominio sobre los semiconductores. La conducción de electrones a través de materiales semiconductores se ve muy afectada por la temperatura. La conducción de electrones a través del vacío no lo es. Como consecuencia, los límites térmicos prácticos de los dispositivos semiconductores son bastante bajos en comparación con los de los tubos. Ser capaz de operar tubos a temperaturas mucho mayores que los dispositivos semiconductores equivalentes permite que los tubos disipen más energía térmica para una cantidad determinada de área de disipación, lo que los hace más pequeños y livianos en aplicaciones continuas de alta potencia.
Otra ventaja decidida de los tubos sobre los componentes semiconductores en aplicaciones de alta potencia es su capacidad de reconstrucción. Cuando falla un tubo grande, se puede desmontar y reparar a un costo mucho menor que el precio de compra de un tubo nuevo. Cuando falla un componente semiconductor, grande o pequeño, generalmente no hay forma de repararlo. La siguiente fotografía muestra el panel frontal de un transmisor de radio AM de 5 kW antiguo de 1960. Uno de los dos tubos de alimentación de la marca “Eimac” se puede ver en un área empotrada, detrás de la puerta de vidrio. Según el ingeniero de la estación que realizó el recorrido por las instalaciones, el costo de reconstrucción de un tubo de este tipo es de solo $ 800:bastante económico en comparación con el costo de un tubo nuevo, ¡y aún bastante razonable en contraste con el precio de un componente semiconductor nuevo y comparable!
Los tubos, al ser menos complejos en su fabricación que los componentes semiconductores, también son potencialmente más baratos de producir, aunque el enorme volumen de producción de dispositivos semiconductores en el mundo compensa en gran medida esta ventaja teórica. La fabricación de semiconductores es bastante compleja, involucra muchas sustancias químicas peligrosas y requiere entornos de ensamblaje súper limpios. Los tubos no son más que vidrio y metal, con un sello de vacío. Las tolerancias físicas son lo suficientemente "flexibles" como para permitir el ensamblaje manual de los tubos de vacío, y no es necesario realizar el trabajo de ensamblaje en un entorno de "sala limpia" como es necesario para la fabricación de semiconductores.
Un área moderna donde los tubos de electrones disfrutan de la supremacía sobre los componentes semiconductores es en los mercados de amplificadores de audio profesionales y de alta gama, aunque esto se debe en parte a la cultura musical. Muchos guitarristas profesionales, por ejemplo, prefieren los amplificadores de válvulas a los amplificadores de transistores debido a la distorsión específica producida por los circuitos de válvulas. Un amplificador de guitarra eléctrica está diseñado para producir distorsión en lugar de evitar la distorsión como es el caso de los amplificadores de reproducción de audio (esta es la razón por la que una guitarra eléctrica suena tan diferente a una guitarra acústica), y el tipo de distorsión producida por un amplificador es tanto una cuestión de gusto personal como lo es medición técnica. Dado que la música rock en particular nació con guitarristas que tocan equipos amplificadores de válvulas, existe un nivel significativo de "atractivo de válvulas" inherente al género en sí, y este atractivo se muestra en la continua demanda de amplificadores de guitarra "tubulares" entre los guitarristas de rock.
Como ilustración de la actitud de algunos guitarristas, considere la siguiente cita tomada de la página del glosario técnico de un sitio web de amplificadores de válvulas que permanecerá sin nombre:
Estado sólido: Un componente que ha sido diseñado específicamente para hacer que un amplificador de guitarra suene mal. En comparación con los tubos, estos dispositivos pueden tener una vida útil muy larga, lo que garantiza que su amplificador retendrá su sonido delgado, sin vida y zumbido durante mucho tiempo.
En el área de los amplificadores de reproducción de audio (amplificadores de estudio de música y amplificadores de entretenimiento en el hogar), es mejor que un amplificador reproduzca la señal musical con una pequeña distorsión posible. Paradójicamente, en contraste con el mercado de amplificadores de guitarra donde la distorsión es un objetivo de diseño, el audio de alta gama es otra área donde los amplificadores de tubo disfrutan de una demanda continua de los consumidores. Aunque uno podría suponer que el requisito técnico y objetivo de baja distorsión eliminaría cualquier sesgo subjetivo por parte de los audiófilos, uno estaría muy equivocado. El mercado de los equipos de amplificación con tubos de alta gama es bastante volátil, y cambia rápidamente con las tendencias y las modas, impulsado por afirmaciones muy subjetivas de sonido "mágico" de los revisores y vendedores de sistemas de audio. Al igual que en el mundo de la guitarra eléctrica, existe una gran devoción de culto a los amplificadores de válvulas entre algunos sectores del mundo de los audiófilos. Como ejemplo de esta irracionalidad, considere el diseño de muchos amplificadores de gama ultra alta, con chasis construido para mostrar los tubos de trabajo abiertamente, aunque esta exposición física de los tubos obviamente mejora el efecto indeseable de la microfónica (cambios en el rendimiento del tubo como resultado de las ondas sonoras que hacen vibrar la estructura del tubo).
Sin embargo, habiendo dicho esto, existe una gran cantidad de literatura técnica que compara los tubos con los semiconductores para el uso de amplificadores de potencia de audio, especialmente en el área del análisis de distorsión. Más de unos pocos ingenieros eléctricos competentes prefieren diseños de amplificadores de válvulas a transistores, y pueden producir pruebas experimentales que respalden su elección. La principal dificultad para cuantificar el rendimiento del sistema de audio es la respuesta incierta del oído humano. Todos Los amplificadores distorsionan su señal de entrada hasta cierto punto, especialmente cuando están sobrecargados, por lo que la pregunta es qué tipo de diseño de amplificador distorsiona menos. Sin embargo, dado que la audición humana es muy no lineal, las personas no interpretan todos los tipos de distorsión acústica por igual, por lo que algunos amplificadores sonarán "mejor" que otros incluso si un análisis cuantitativo de distorsión con instrumentos electrónicos indica niveles de distorsión similares. Para determinar qué tipo de amplificador de audio distorsionará una señal musical "lo mínimo", debemos considerar el oído y el cerebro humanos como parte de todo el sistema acústico. Dado que todavía no existe un modelo completo para la respuesta auditiva humana, la evaluación objetiva es difícil en el mejor de los casos. Sin embargo, algunas investigaciones indican que la distorsión característica de los circuitos del amplificador de válvulas (especialmente cuando están sobrecargados) es menos objetable que la distorsión producida por los transistores.
Los tubos también poseen la clara ventaja de una baja "deriva" en una amplia gama de condiciones de funcionamiento. A diferencia de los componentes semiconductores, cuyos voltajes de barrera, relaciones β, resistencias generales y capacitancias de unión pueden cambiar sustancialmente con cambios en la temperatura del dispositivo y / u otras condiciones de operación, las características fundamentales de un tubo de vacío permanecen casi constantes en un amplio rango de condiciones de operación. porque esas características están determinadas principalmente por las dimensiones físicas de los elementos estructurales del tubo (cátodo, rejilla (s) y placa) en lugar de las interacciones de las partículas subatómicas en una red cristalina.
Ésta es una de las principales razones por las que los diseñadores de amplificadores de estado sólido suelen diseñar sus circuitos para maximizar la eficiencia energética incluso cuando compromete el rendimiento de la distorsión, porque un amplificador de energía ineficiente disipa una gran cantidad de energía en forma de calor residual, y las características del transistor tienden para cambiar sustancialmente con la temperatura. La "deriva" inducida por la temperatura dificulta la estabilización de los puntos "Q" y otras medidas importantes relacionadas con el rendimiento en un circuito amplificador. Desafortunadamente, la eficiencia energética y la baja distorsión parecen ser objetivos de diseño mutuamente excluyentes.
Por ejemplo, los circuitos de amplificador de audio de clase A generalmente exhiben niveles de distorsión muy bajos, pero desperdician mucho energía, lo que significa que sería difícil diseñar un amplificador de clase A de estado sólido de cualquier potencia nominal sustancial debido a la consiguiente deriva de las características del transistor. . Por lo tanto, la mayoría de los diseñadores de amplificadores de audio de estado sólido eligen configuraciones de circuitos de clase B para una mayor eficiencia, aunque los diseños de clase B son conocidos por producir un tipo de distorsión conocida como distorsión de cruce . Sin embargo, con los tubos es fácil diseñar un circuito amplificador de audio de clase A estable porque los tubos no se ven afectados negativamente por los cambios de temperatura experimentados en una configuración de circuito tan ineficiente en energía.
Sin embargo, los parámetros de rendimiento de los tubos tienden a “desviarse” más que los dispositivos semiconductores cuando se miden durante largos períodos de tiempo (años). Uno de los principales mecanismos del "envejecimiento" de los tubos parece ser las fugas de vacío:cuando el aire entra en el interior de un tubo de vacío, sus características eléctricas se alteran de forma irreversible. Este mismo fenómeno es una de las principales causas de mortalidad de los tubos, o por qué los tubos no suelen durar tanto como sus respectivos homólogos de estado sólido. Sin embargo, cuando el vacío del tubo se mantiene en un nivel alto, es posible un rendimiento y una vida útil excelentes. Un ejemplo de esto es un tubo de klystron (utilizado para producir las ondas de radio de alta frecuencia utilizadas en un sistema de radar) que duró 240.000 horas de funcionamiento (citado por Robert S. Symons de Litton Electron Devices Division en su artículo informativo, “Tubes :Sigue siendo vital después de todos estos años ”, impreso en la edición de abril de 1998 de IEEE Spectrum revista).
Al menos, la tensión entre los audiófilos por los tubos y los semiconductores ha estimulado un grado notable de experimentación e innovación técnica, lo que sirve como un excelente recurso para aquellos que desean educarse sobre la teoría de los amplificadores. Desde una perspectiva más amplia, la versatilidad de la tecnología de tubos de electrones (diferentes configuraciones físicas, múltiples rejillas de control) apunta al potencial de diseños de circuitos de una variedad mucho mayor de la que es posible usando semiconductores. Por esta y otras razones, los tubos de electrones nunca serán "obsoletos", pero continuarán sirviendo en roles de nicho y fomentando la innovación para aquellos ingenieros electrónicos, inventores y aficionados que no están dispuestos a dejar que sus mentes sean sofocadas por las convenciones.
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