Электроника:Полупроводники/Электронные лампы/Сравниваем электронные лампы и полупроводники

Поддержать проект

Содержание

Теория

Практика

Проверка знаний

Рецепты

Резерв

Резерв

Резерв

Резерв

Резерв

Перевод: Макаров В. (valemak)

Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.

Сравниваем электронные лампы и полупроводники

Кому-то может показаться немного странным, что в книге по современной электронике целая глава посвящена устройству и функциональности электронных трубок, учитывая, что полупроводниковые технологии вытеснили почти везде (но не везде!) электронные лампы. Однако исследование ламповых технологий имеет смысл проводить не только из антикварного интереса к истории электроники. Это также полезно для понимания тех нишевых приложений, которые требуют уточняющей фразы «почти каждое приложение», когда речь идёт о преимуществах полупроводников.

В некоторых случаях электронные лампы не только до сих пор находят практическое применение, но и даже выполняют свои задачи лучше, чем любые твердотельные устройства, изобретённые на данный момент. В некоторых случаях производительность и надёжность электронных ламп даже на голову выше.

В области высокомощных и высокоскоростных коммутирующих цепей специализированные лампы (водородные тиратроны и критроны) способны переключать гораздо бо́льшие токи, и делают это гораздо быстрее, чем любые самые продвинутые полупроводниковые устройства. На коммутационную способность полупроводников накладывают ограничения их тепловые и временны́е физические пределы, которые при этом нехарактерны для электронных ламп, принципы работы которых совершенно иные.

В мощных микроволновых передатчиках только превосходная термостойкость ламп обеспечивает их преимущество над полупроводниками. На электронную проводимость через полупроводниковые материалы сильно влияет температура. Электронная проводимость в вакууме отсутствует. Как следствие, практические тепловые пределы полупроводниковых устройств довольно низки по сравнению с лампами. Возможность работать с лампами при гораздо более высоких температурах, чем с эквивалентными полупроводниковыми устройствами, позволяет электронным трубкам рассеивать больше тепловой энергии для заданного количества рассеиваемой площади, что делает их меньше и легче, там где речь о высоких мощностях.

Ещё одно неоспоримое преимущество ламп перед полупроводниковыми компонентами в приложениях с высокой мощностью – это возможность быстрой замены. Когда крупная трубка выходит из строя, её можно разобрать и починить с гораздо меньшими затратами, чем если тратиться на новую. Когда выходит из строя полупроводниковый компонент, большой или маленький, как правило, возможности его отремонтировать нет. На фотографии ниже показана передняя панель AM-радиопередатчика мощностью 5 кВт производства 1960-х годов. Одна из двух ламп накаливания марки «Эймак» видна в углублении за стеклянной дверцей (сверху). Если верить инженеру станции, проводившему экскурсию по объекту, стоимость восстановления такой лампы составляет всего-то 800 долларов: это довольно недорого по сравнению со стоимостью новой лампы и всё же вполне разумно по сравнению с ценой нового сопоставимого полупроводникового компонента!

Рис. 1. Ремонт лампы «Эймак» в AM-радиопередатчике (за стеклянной дверцей находится в углублении сверху) обойдётся заметно дешевле, чем покупать новую или заменять на эквивалентный полупроводниковый компонент.

Лампы, будучи менее сложными, чем полупроводниковые элементы, потенциально также дешевле в производстве, хотя огромные объёмы производства полупроводниковых устройств в мире значительно нивелируют это возможное 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 стеклянная вакуумная колба + детали из металла. Физические допуски достаточно «лояльные», что позволяет собирать электронные лампы вручную, и сборочные манипуляции не обязательно должны выполняться в стерильных условиях, как это необходимо при производстве полупроводников.

Ещё одна современная область, где электронные лампы дадут сто очков форы полупроводникам – рынок профессиональных и высококачественных аудиоусилителей, хотя это в какой-то степени является музыкальной традицией. Многие профессиональные гитаристы, к примеру, предпочитают ламповые усилители транзисторным из-за специфических искажений, создаваемых ламповыми цепями. Усилитель электрогитары предназначен именно для создания искажений (а не для их избежания), как и в случае с усилителями при воспроизведении звука (вот почему электрогитара звучит так сильно, как и акустическая гитара), а тип выбранного искажения, производимого усилителем, в такой же степени зависит от личного вкуса музыканта, как и от технических характеристик. Поскольку рок-музыка, в частности, зародилась благодаря гитаристам, играющими именно на ламповых усилителях, существует значительный уровень «лампового шарма», присущий жанру, и эта привлекательность проявляется в продолжающемся спросе на «ламповые» гитарные усилители среди тру-рок-гитаристов.

В качестве иллюстрации подобного отношения приведём цитату, взятую со страницы технического глоссария веб-сайта ламповых усилителей, который называть не будем:

«	Твердотельный элемент в электронике: компонент, специально разработанный для паршивого звучания гитарного усилителя. По сравнению с электронными лампами, эти устройства имеют очень большой срок службы, что гарантирует, что ваш усилитель очень долго будет выдавать писклявый, безжизненный и жужжащий звук.	»
— Неназванный сайт, посвящённый ламповым усилителям

Если говорить о усилителях для воспроизведения звука (как для профессиональных студий, так и для тех, что любители используют на дому) лучше всего, чтобы усилитель воспроизводил музыкальный сигнал по возможности с минимальными затратами на создание искажений. Парадоксально, но в отличие от рынка гитарных усилителей, где искажение является целью, высококачественный звук – это ещё одна область, где ламповые усилители стабильно пользуются повышенным потребительским спросом. Можно предположить, что объективные технические требования к низкому уровню затрат на создание искажений перевесят любые субъективные предубеждения со стороны аудиофилов, но это будет ошибочное мнение. Рынок высококачественного «лампового» усилительного оборудования довольно нестабилен, быстро меняется в соответствии с модными тенденциями (со стороны не всегда кажущимися логичными), и держится на субъективных заявлениях обозревателей аудиосистем и продавцов о «волшебном» звуке. Как и в мире электрогитар, в сообществе аудиофилов наблюдается культ ламповых усилителей. В качестве примера этой иррациональной преданности можно привести конструкции многих ультравысококачественных усилителей, в которых рабочие лампы не скрыты в корпусе, а специально выставлены напоказ. И это невзирая на то, что подобное физическое обнажение явно усиливает такой нежелательный эффект как микрофонизм (т.е. изменение характеристик лампы в результате воздействия звуковых волн на конструкцию).

Тем не менее, существует огромное количество технической литературы, в которой сравниваются лампы и полупроводники в контексте использования в усилителях мощности звука, особенно часто приводится подробный анализ искажений. Немало компетентных инженеров-электронщиков предпочитают ламповых усилители транзисторам и могут экспериментально обосновать свой выбор. Основная трудность при количественной оценке характеристик аудиосистемы – неопределённость в оценке реакции человеческого слуха. Все усилители в некоторой степени искажают входной сигнал, особенно при перегрузках, поэтому остаётся открытым вопрос, какой тип усилителя искажает меньше всего. Однако, человеческий слух очень нелинеен, разные люди по-разному интерпретируют разные типы акустических искажений, так что по чьему-то частному мнению какие-то усилители будут звучать «явно лучше», чем другие, даже если количественный анализ искажений с помощью измерительной аппаратуры показывает, что и там и там уровни искажений практически одинаковые. Чтобы определить, какой тип аудиоусилителя будет «меньше всего» искажать музыкальный сигнал, следует рассматривать человеческое ухо и анализирующий аудиоинформацию мозг как часть всей акустической системы. Поскольку исчерпывающей научной модели слуховой реакции человека пока нет, объективная оценка в лучшем случае затруднена. Тем не менее, некоторые исследования действительно показывают, что характерные искажения схем ламповых усилителей (особенно при перегрузках) менее нежелательны, чем искажения, создаваемые транзисторами.

Явным плюсом трубки также является низкий «дрейф» в широком диапазоне рабочих условий. У полупроводниковых компонентов барьерные напряжения (β-коэффициент), объёмные сопротивления и ёмкости перехода могут существенно изменяться при изменении температуры и/или иных рабочих условий (например, влажности воздуха). А вот основные характеристики вакуумной лампы остаются почти постоянными в широком диапазоне рабочих условий, потому что эти параметры определяются в первую очередь физическими размерами структурных элементов трубки (катода, сеток, пластины), а не взаимодействием субатомных частиц в кристаллической решётке.

Это одна из основных причин, по которой разработчики твердотельных усилителей обычно проектируют свои схемы так, чтобы максимизировать энергоэффективность, даже когда это чревато характеристическими искажениями – это то, что неэффективный усилитель рассеивает чересчур много энергии в виде избыточного тепла, а характеристики транзистора могут сильно варьироваться из-за температуры. «Дрейф», вызванный температурными колебаниями, затрудняет стабилизацию рабочих точек и других важных показателей, связанных с характеристиками схемы усилителя. Увы, но энергоэффективность и низкий уровень искажений – это взаимоисключающие цели.

Например, схемы аудиоусилителей класса A обычно демонстрируют очень низкие уровни искажений, но очень расточительны по мощности, а это значит, что 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 так называемые перекрёстные искажения. Однако с помощью электронных ламп легко спроектировать стабильную схему аудиоусилителя класса A, потому что на трубки не так сильно влияют изменения температуры, возникающие в подобной конфигурации с низким энергопотреблением.

И всё же рабочие параметры ламп «дрейфуют» существеннее, чем у полупроводниковых устройств, если измерять в течение длительных (речь о годах) промежутков времени. По всей видимости, одна из основных причин «состаривания» электронной трубки является утечка вакуума: когда отдельные атомы воздуха всё в большем количестве приникает внутрь, электрические характеристики деградируют. Это же явление является и основной причиной выхода из строя ламп. А также это главный ответ на вопрос, почему электронные лампы служат не так долго, как их твердотельные аналоги. Однако, когда вакуум в трубке поддерживается на высоком уровне, то наблюдаются отличные характеристики и вполне продолжительный срок службы. Примером этого является клистронная трубка (используемая для генерации высокочастотных радиоволн, используемых в радиолокационной системе), которая проработала 240 тысяч часов, а это, на минуточку, более 27 лет. Во всяком случае об этом пишет (в своей статье «Электронные лампы: всё также актуальны по прошествии стольких лет», напечатанной в апрельском номере журнала «IEEE Spectrum» от 1998 года) Роберт С. Саймонс из компании «Литтон Индастриз», работающий в подразделении перспективных электронных разработок.

По крайней мере, разногласия в среде аудиофилов по поводу ламп и полупроводников в значительной степени стимулировали множество экспериментов и технических инноваций, что в итоге идёт только на пользу для тех, кто изучает теорию усилителей. Если взглянуть шире, то универсальность технологии электронных ламп (различные физические конфигурации, возможность использования нескольких управляющих сеток) намекает на возможность создания гораздо более разнообразных схемных решений, чем это возможно при использовании только полупроводников. По этой и по другим причинам электронные лампы никогда не станут реликтом, но будут всё также выполнять свои нишевые роли и способствовать инновациям для тех инженеров-электронщиков, изобретателей и любителей, которые не желают, чтобы их творческие натуры увязли в болоте условностей.