Tubos versus semicondutores

Dedicar um capítulo inteiro em um texto de eletrônica moderna ao projeto e à função de tubos de elétrons pode parecer um pouco estranho, visto que a tecnologia de semicondutores tem tubos obsoletos em quase todas as aplicações. No entanto, há mérito em explorar tubos não apenas para fins históricos, mas também para aquelas aplicações de nicho que requerem a frase de qualificação “ quase cada aplicação ”no que diz respeito à supremacia de semicondutores.

Em algumas aplicações, os tubos de elétrons não apenas continuam a ter uso prático, mas desempenham suas respectivas tarefas melhor do que qualquer dispositivo de estado sólido já inventado. Em alguns casos, o desempenho e a confiabilidade da tecnologia de tubo de elétrons é distante superior.

Nos campos de comutação de circuitos de alta potência e alta velocidade, tubos especializados como tiratrons de hidrogênio e krytrons são capazes de comutar quantidades muito maiores de corrente, muito mais rápido do que qualquer dispositivo semicondutor projetado até hoje. Os limites térmicos e temporais da física dos semicondutores colocam limitações na capacidade de comutação das quais os tubos - que não operam nos mesmos princípios - estão isentos.

Em aplicações de transmissores de micro-ondas de alta potência, a excelente tolerância térmica dos tubos por si só garante seu domínio sobre os semicondutores. A condução de elétrons através de materiais semicondutores sofre grande impacto da temperatura. A condução de elétrons através do vácuo, não. Como consequência, os limites térmicos práticos dos dispositivos semicondutores são bastante baixos em comparação com os tubos. Ser capaz de operar tubos em temperaturas muito maiores do que dispositivos semicondutores equivalentes permite que os tubos dissipem mais energia térmica para uma determinada quantidade de área de dissipação, o que os torna menores e mais leves em aplicações contínuas de alta potência.

Outra vantagem decidida dos tubos em relação aos componentes semicondutores em aplicações de alta potência é sua capacidade de reconstrução. Quando um tubo grande falha, ele pode ser desmontado e reparado a um custo muito menor do que o preço de compra de um novo tubo. Quando um componente semicondutor falha, grande ou pequeno, geralmente não há meios de reparo. A fotografia a seguir mostra o painel frontal de um antigo transmissor de rádio AM de 5 kW da década de 1960. Um dos dois tubos de força da marca “Eimac” pode ser visto em uma área recuada, atrás da porta de vidro. De acordo com o engenheiro da estação que fez um tour pelas instalações, o custo de reconstrução desse tubo é de apenas US $ 800:muito barato em comparação com o custo de um novo tubo e ainda bastante razoável em comparação com o preço de um novo componente semicondutor comparável!



Os tubos, por serem menos complexos em sua fabricação do que os componentes semicondutores, são potencialmente mais baratos de produzir também, embora o enorme volume de produção de dispositivos semicondutores no mundo compense muito essa vantagem teórica. A fabricação de semicondutores é bastante complexa, envolvendo muitas substâncias químicas perigosas e exigindo ambientes de montagem superlimpos. Os tubos nada mais são do que vidro e metal, com vedação a vácuo. As tolerâncias físicas são "frouxas" o suficiente para permitir a montagem manual de tubos de vácuo e o trabalho de montagem não precisa ser feito em um ambiente de "sala limpa", como é necessário para a fabricação de semicondutores.

Uma área moderna em que os tubos de elétrons têm supremacia sobre os componentes semicondutores é nos mercados de amplificadores de áudio profissionais e de ponta, embora isso se deva parcialmente à cultura musical. Muitos guitarristas profissionais, por exemplo, preferem amplificadores valvulados a amplificadores transistorizados devido à distorção específica produzida pelos circuitos valvulados. Um amplificador de guitarra elétrica é projetado para produzir distorção em vez de evitar distorções como é o caso dos amplificadores de reprodução de áudio (é por isso que uma guitarra elétrica soa tão diferente do que uma guitarra acústica), e o tipo de distorção produzida por um amplificador é tanto uma questão de gosto pessoal quanto medição técnica. Uma vez que a música rock em particular nasceu com guitarristas tocando equipamento amplificador valvulado, há um nível significativo de "apelo valvulado" inerente ao próprio gênero, e esse apelo se mostra na demanda contínua por amplificadores "valvulados" entre os guitarristas de rock.

Para ilustrar a atitude de alguns guitarristas, considere a seguinte citação tirada da página do glossário técnico de um site de amplificadores valvulados que permanecerá sem nome:

Estado sólido: Um componente que foi projetado especificamente para fazer um amplificador de guitarra soar ruim. Comparados às válvulas, esses dispositivos podem ter uma vida útil muito longa, o que garante que seu amplificador manterá seu som fino, sem vida e zumbido por muito tempo.

Na área de amplificadores de reprodução de áudio (amplificadores de estúdio de música e amplificadores de entretenimento doméstico), é melhor que um amplificador reproduza o sinal musical com pouco distorção possível. Paradoxalmente, em contraste com o mercado de amplificadores de guitarra, onde a distorção é o objetivo do design, o áudio de ponta é outra área onde os amplificadores valvulados desfrutam da demanda contínua do consumidor. Embora se possa supor que a exigência técnica e objetiva de baixa distorção eliminaria qualquer viés subjetivo por parte dos audiófilos, estaria muito errado. O mercado de equipamentos amplificadores “tubulares” de última geração é bastante volátil, mudando rapidamente com as tendências e modismos, impulsionado por afirmações altamente subjetivas de som “mágico” de analistas de sistemas de áudio e vendedores. Como no mundo da guitarra elétrica, não há pequena medida de devoção cult aos amplificadores valvulados entre alguns setores do mundo dos audiófilos. Como um exemplo dessa irracionalidade, considere o design de muitos amplificadores ultra-high-end, com chassis construído para exibir os tubos de trabalho abertamente, embora esta exposição física dos tubos obviamente aumenta o efeito indesejável de microfônicos (mudanças no desempenho do tubo como resultado das ondas sonoras vibrando na estrutura do tubo).

Dito isso, entretanto, existe uma grande quantidade de literatura técnica contrastando tubos e semicondutores para uso de amplificadores de potência de áudio, especialmente na área de análise de distorção. Muitos engenheiros elétricos competentes preferem projetos de amplificadores valvulados em vez de transistores e são capazes de produzir evidências experimentais para apoiar sua escolha. A principal dificuldade em quantificar o desempenho do sistema de áudio é a resposta incerta da audição humana. Tudo os amplificadores distorcem seu sinal de entrada em algum grau, especialmente quando sobrecarregados, então a questão é qual tipo de projeto de amplificador distorce menos. No entanto, como a audição humana é muito não linear, as pessoas não interpretam todos os tipos de distorção acústica igualmente e, portanto, alguns amplificadores soarão "melhor" do que outros, mesmo que uma análise de distorção quantitativa com instrumentos eletrônicos indique níveis de distorção semelhantes. Para determinar que tipo de amplificador de áudio distorcerá “o mínimo” um sinal musical, devemos considerar o ouvido e o cérebro humanos como parte de todo o sistema acústico. Uma vez que ainda não existe um modelo completo para a resposta auditiva humana, a avaliação objetiva é, na melhor das hipóteses, difícil. No entanto, algumas pesquisas indicam que a distorção característica dos circuitos amplificadores valvulados (especialmente quando sobrecarregados) é menos questionável do que a distorção produzida por transistores.

Os tubos também possuem a vantagem distinta de baixo “desvio” em uma ampla gama de condições de operação. Ao contrário dos componentes semicondutores, cujas tensões de barreira, razões β, resistências em massa e capacitâncias de junção podem mudar substancialmente com mudanças na temperatura do dispositivo e / ou outras condições operacionais, as características fundamentais de um tubo de vácuo permanecem quase constantes em uma ampla faixa em condições operacionais, porque essas características são determinadas principalmente pelas dimensões físicas dos elementos estruturais do tubo (cátodo, grade (s) e placa) em vez das interações de partículas subatômicas em uma rede cristalina.

Esta é uma das principais razões pelas quais os designers de amplificadores de estado sólido normalmente projetam seus circuitos para maximizar a eficiência de energia, mesmo quando isso compromete o desempenho de distorção, porque um amplificador com eficiência de energia dissipa muita energia na forma de calor residual, e as características do transistor tendem mudar substancialmente com a temperatura. O “desvio” induzido pela temperatura torna difícil estabilizar os pontos “Q” e outras medidas importantes relacionadas ao desempenho em um circuito de amplificador. Infelizmente, eficiência de energia e baixa distorção parecem ser objetivos de design mutuamente exclusivos.

Por exemplo, os circuitos amplificadores de áudio classe A geralmente exibem níveis de distorção muito baixos, mas são muito desperdiçadores de energia, o que significa que seria difícil projetar um amplificador classe A de estado sólido de qualquer classificação de potência substancial devido ao consequente desvio das características do transistor . Assim, a maioria dos designers de amplificadores de áudio de estado sólido escolhe configurações de circuito de classe B para maior eficiência, embora os designs de classe B sejam notórios por produzir um tipo de distorção conhecido como distorção cruzada . No entanto, com válvulas é fácil projetar um circuito amplificador de áudio classe A estável porque as válvulas não são afetadas adversamente pelas mudanças na temperatura experimentadas em uma configuração de circuito com energia ineficiente.

Os parâmetros de desempenho do tubo, entretanto, tendem a “desviar” mais do que os dispositivos semicondutores quando medidos por longos períodos (anos). Um dos principais mecanismos de “envelhecimento” do tubo parece ser o vazamento de vácuo:quando o ar entra no interior de um tubo de vácuo, suas características elétricas tornam-se irreversivelmente alteradas. Este mesmo fenômeno é uma das principais causas de mortalidade do tubo, ou por que os tubos normalmente não duram tanto quanto seus respectivos homólogos de estado sólido. Quando o vácuo do tubo é mantido em um nível alto, porém, excelente desempenho e vida útil são possíveis. Um exemplo disso é um tubo de clístron (usado para produzir as ondas de rádio de alta frequência usadas em um sistema de radar) que durou 240.000 horas de operação (citado por Robert S. Symons da Litton Electron Devices Division em seu artigo informativo, “Tubes :Ainda vital depois de todos esses anos ”, impresso na edição de abril de 1998 da IEEE Spectrum revista).

Se nada mais, a tensão entre audiófilos em tubos versus semicondutores estimulou um notável grau de experimentação e inovação técnica, servindo como um excelente recurso para aqueles que desejam se educar na teoria dos amplificadores. Tendo uma visão mais ampla, a versatilidade da tecnologia de tubo de elétrons (diferentes configurações físicas, múltiplas grades de controle) sugere o potencial para projetos de circuito de uma variedade muito maior do que é possível usando semicondutores. Por esta e outras razões, os tubos de elétrons nunca serão "obsoletos", mas continuarão a servir em papéis de nicho e a promover a inovação para os engenheiros eletrônicos, inventores e amadores que não estão dispostos a deixar suas mentes sufocadas pela convenção.