튜브 대 반도체

반도체 기술이 거의 모든 응용 분야에서 사용되지 않는 튜브를 제외하고 어떻게 전자 튜브의 설계 및 기능에 대해 현대 전자 제품 텍스트의 전체 장을 할애하는지는 다소 이상하게 보일 수 있습니다. 그러나 역사적 목적뿐만 아니라 "거의 반도체 패권에 관한 모든 응용 프로그램.

일부 응용 분야에서 전자 튜브는 계속해서 실제 사용을 볼 수 있을 뿐만 아니라 아직 발명된 어떤 고체 장치보다 각각의 작업을 더 잘 수행합니다. 어떤 경우에는 전자관 기술의 성능과 신뢰성이 멀리 있습니다. 우수합니다.

고출력, 고속 회로 스위칭 분야에서 수소 사이라트론 및 크라이트론과 같은 특수 튜브는 지금까지 설계된 어떤 반도체 소자보다 훨씬 더 빠른 속도로 훨씬 더 많은 양의 전류를 스위칭할 수 있습니다. 반도체 물리학의 열적 및 시간적 한계는 동일한 원리로 작동하지 않는 튜브가 면제되는 스위칭 능력에 대한 제한을 둡니다.

고출력 마이크로웨이브 트랜스미터 애플리케이션에서 튜브의 우수한 열 내성만으로도 반도체에 대한 우위를 확보할 수 있습니다. 반도체 물질을 통한 전자 전도는 온도의 영향을 크게 받습니다. 진공을 통한 전자 전도는 그렇지 않습니다. 결과적으로 반도체 장치의 실제 열 한계는 튜브의 열 한계에 비해 다소 낮습니다. 동급의 반도체 장치보다 훨씬 더 높은 온도에서 튜브를 작동할 수 있기 때문에 튜브는 주어진 소실 영역에 대해 더 많은 열 에너지를 발산할 수 있으므로 연속적인 고전력 응용 분야에서 튜브를 더 작고 가볍게 만듭니다.

고출력 응용 분야에서 반도체 구성 요소에 비해 튜브의 또 다른 결정적인 이점은 재구성 가능성입니다. 큰 튜브가 고장나면 새 튜브를 구입하는 가격보다 훨씬 저렴한 비용으로 분해 수리할 수 있습니다. 반도체 부품이 크든 작든 고장이 나면 일반적으로 수리할 수 있는 방법이 없습니다. 다음 사진은 1960년대 빈티지 5kW AM 라디오 송신기의 전면 패널을 보여줍니다. 두 개의 "Eimac" 브랜드 전원 튜브 중 하나가 유리문 뒤의 오목한 영역에서 볼 수 있습니다. 시설 견학을 해준 스테이션 엔지니어에 따르면 이러한 튜브의 재구축 비용은 단 800달러에 불과합니다. 새 튜브 비용에 비해 상당히 저렴하고, 비교 가능한 새 반도체 부품 가격과 비교하면 여전히 상당히 합리적입니다!

튜브는 반도체 부품보다 제조 과정이 덜 복잡하기 때문에 잠재적으로 더 저렴하게 생산할 수 있지만 전 세계적으로 엄청난 양의 반도체 장치 생산이 이러한 이론적 이점을 크게 상쇄합니다. 반도체 제조는 많은 위험한 화학 물질을 포함하고 매우 깨끗한 조립 환경을 필요로 하는 매우 복잡합니다. 튜브는 본질적으로 진공 씰이 있는 유리와 금속에 지나지 않습니다. 물리적 허용 오차는 진공관을 손으로 조립할 수 있을 만큼 충분히 "느슨"하며 조립 작업은 반도체 제조에 필요한 "클린룸" 환경에서 수행할 필요가 없습니다.

전자관이 반도체 부품보다 우위를 차지하는 현대적인 영역 중 하나는 부분적으로는 음악 문화 때문이지만 전문 및 고급 오디오 증폭기 시장입니다. 예를 들어, 많은 전문 기타 연주자들은 진공관 회로에서 생성되는 특정 왜곡 때문에 트랜지스터 앰프보다 진공관 앰프를 선호합니다. 일렉트릭 기타 앰프는 왜곡을 생성하도록 설계되었습니다. 오디오 재생 증폭기의 경우처럼(일렉트릭 기타가 어쿠스틱 기타와 매우 다른 소리를 내는 이유) 왜곡을 피하기보다는 증폭기에서 생성되는 왜곡의 유형은 개인 취향의 문제입니다. 기술적 측정. 특히 록 음악은 기타리스트가 진공관 앰프 장비를 연주하면서 탄생했기 때문에 장르 자체에 상당한 수준의 "튜브 매력"이 있으며, 이러한 매력은 록 기타리스트 사이에서 "튜브형" 기타 앰프에 대한 지속적인 수요에서 나타납니다.

일부 기타리스트들의 태도를 보여주기 위해 이름이 없는 진공관 앰프 웹사이트의 기술 용어집 페이지에서 가져온 다음 인용문을 고려하십시오.

고체: 기타 앰프의 사운드를 나쁘게 만들기 위해 특별히 설계된 부품입니다. 진공관에 비해 이러한 장치는 수명이 매우 길기 때문에 앰프가 앞으로도 오랫동안 얇고 생기 없고 윙윙거리는 소리를 유지할 수 있습니다.

오디오 재생 증폭기(음악 스튜디오 증폭기 및 홈 엔터테인먼트 증폭기) 영역에서는 증폭기가 음악 신호를 적은 재생하는 것이 가장 좋습니다. 가능한 한 왜곡. 역설적이게도 디스토션이 설계 목표인 기타 앰프 시장과 달리 하이엔드 오디오는 진공관 앰프의 지속적인 소비자 수요를 즐기는 또 다른 영역입니다. 낮은 왜곡의 객관적이고 기술적인 요구 사항이 오디오 애호가의 주관적인 편견을 제거할 것이라고 생각할 수도 있지만, 이는 매우 잘못된 것입니다. 고급 "튜브" 앰프 장비 시장은 오디오 시스템 리뷰어와 판매원의 "마법 같은" 사운드에 대한 매우 주관적인 주장으로 인해 트렌드와 유행에 따라 빠르게 변화하는 매우 변동성이 있습니다. 일렉트릭 기타 세계에서와 마찬가지로 오디오 애호가 세계의 일부 사이에서 진공관 앰프에 대한 숭배 같은 헌신이 적지 않습니다. 이러한 비합리성의 한 예로, 튜브의 물리적인 노출이 마이크의 바람직하지 않은 효과를 분명히 향상시킬지라도 섀시가 작동하는 튜브를 공개적으로 표시하도록 제작된 많은 초고급 앰프의 설계를 생각해 보십시오.> (관 구조를 진동시키는 음파의 결과로 관 성능의 변화).

하지만, 특히 왜곡 분석 분야에서 오디오 전력 증폭기 사용을 위한 반도체와 진공관을 대조하는 기술 문헌이 많이 있습니다. 소수의 유능한 전기 엔지니어는 트랜지스터보다 진공관 증폭기 설계를 선호하며 자신의 선택을 뒷받침하는 실험적 증거를 생성할 수 있습니다. 오디오 시스템 성능을 정량화하는 데 있어 가장 큰 어려움은 사람의 청각에 대한 불확실한 응답입니다. 전체 증폭기는 특히 과부하 시 입력 신호를 어느 정도 왜곡하므로 문제는 어떤 유형의 증폭기 설계가 가장 적게 왜곡하는지입니다. 그러나 사람의 청력은 매우 비선형적이기 때문에 사람들은 모든 유형의 음향 왜곡을 동등하게 해석하지 않으므로 전자 기기를 사용한 정량적 왜곡 분석이 유사한 왜곡 수준을 나타내더라도 일부 증폭기는 다른 증폭기보다 "더 나은" 소리를 냅니다. 어떤 유형의 오디오 증폭기가 음악 신호를 "최소"로 왜곡할지 결정하려면 인간의 귀와 뇌를 전체 음향 시스템의 일부로 간주해야 합니다. 인간의 청각 반응에 대한 완전한 모델이 아직 존재하지 않기 때문에 객관적인 평가가 어렵습니다. 그러나 일부 연구에 따르면 진공관 증폭기 회로의 특성 왜곡(특히 과부하 시)이 트랜지스터에서 발생하는 왜곡보다 덜 불쾌하다고 합니다.

튜브는 또한 광범위한 작동 조건에서 낮은 "드리프트"라는 뚜렷한 이점을 가지고 있습니다. 장벽 전압, β 비율, 벌크 저항 및 접합 정전 용량이 장치 온도 및/또는 기타 작동 조건의 변화에 ​​따라 크게 변할 수 있는 반도체 부품과 달리 진공관의 기본 특성은 광범위한 작동 조건에서 거의 일정하게 유지됩니다. 이러한 특성은 결정 격자에서 아원자 입자의 상호 작용보다는 튜브의 구조적 요소(음극, 격자 및 판)의 물리적 치수에 의해 주로 결정되기 때문입니다.

이것은 솔리드 스테이트 증폭기 설계자가 일반적으로 왜곡 성능이 저하된 경우에도 전력 효율성을 최대화하도록 회로를 설계하는 주요 이유 중 하나입니다. 온도에 따라 크게 변합니다. 온도 유도 "드리프트"는 증폭기 회로에서 "Q" 포인트 및 기타 중요한 성능 관련 측정을 안정화하기 어렵게 만듭니다. 불행히도 전력 효율성과 낮은 왜곡은 상호 배타적인 설계 목표인 것 같습니다.

예를 들어, 클래스 A 오디오 증폭기 회로는 일반적으로 매우 낮은 왜곡 수준을 나타내지만 전력이 매우 낭비됩니다. 즉, 결과적으로 트랜지스터 특성의 드리프트로 인해 상당한 전력 정격의 솔리드 스테이트 클래스 A 증폭기를 설계하는 것이 어려울 수 있습니다. . 따라서 대부분의 솔리드 스테이트 오디오 증폭기 설계자는 클래스 B 설계가 크로스오버 왜곡으로 알려진 일종의 왜곡을 생성하는 것으로 악명이 높더라도 효율성을 높이기 위해 클래스 B 회로 구성을 선택합니다. . 그러나 진공관을 사용하면 이러한 전력 비효율적인 회로 구성에서 경험하는 온도 변화에 의해 진공관이 부정적인 영향을 받지 않기 때문에 안정적인 클래스 A 오디오 증폭기 회로를 설계하기 쉽습니다.

그러나 튜브 성능 매개변수는 장기간(수년)에 걸쳐 측정할 때 반도체 장치보다 더 "드리프트"하는 경향이 있습니다. 튜브 "노화"의 주요 메커니즘 중 하나는 진공 누출인 것으로 보입니다. 공기가 진공관 내부로 들어갈 때 전기 특성이 돌이킬 수 없게 변경됩니다. 이 동일한 현상이 튜브 사망의 주요 원인이거나 튜브가 일반적으로 각각의 솔리드 스테이트 대응물만큼 오래 지속되지 않는 이유입니다. 그러나 진공관을 높은 수준으로 유지하면 우수한 성능과 수명이 가능합니다. 이것의 예는 240,000시간 동안 작동하는 클라이스트론 튜브(레이더 시스템에 사용되는 고주파 전파를 생성하는 데 사용됨)입니다(Litton Electron Devices Division의 Robert S. Symons가 유익한 논문 "Tubes"에서 인용). :세월이 흘러도 여전히 중요합니다." IEEE Spectrum 1998년 4월호에 인쇄됨 잡지).

진공관 대 반도체에 대한 오디오 애호가 사이의 긴장은 앰프 이론에 대해 스스로 교육하고자 하는 사람들에게 훌륭한 리소스 역할을 하는 놀라운 수준의 실험과 기술 혁신에 박차를 가했습니다. 더 넓은 관점에서 보면 전자관 기술의 다양성(다른 물리적 구성, 다중 제어 그리드)은 반도체를 사용하여 가능한 것보다 훨씬 더 다양한 회로 설계의 가능성을 암시합니다. 이러한 이유로 전자관은 결코 "구식"이 되지 않고 틈새 역할을 계속 수행하고 관습에 얽매여 마음을 억누르는 것을 꺼리는 전자 엔지니어, 발명가 및 취미 애호가를 위한 혁신을 촉진할 것입니다.