Tabung versus Semikonduktor

Mengabdikan seluruh bab dalam teks elektronik modern untuk desain dan fungsi tabung elektron mungkin tampak agak aneh, mengingat bagaimana teknologi semikonduktor memiliki semua kecuali tabung usang di hampir setiap aplikasi. Namun, ada manfaat dalam menjelajahi tabung tidak hanya untuk tujuan historis, tetapi juga untuk aplikasi khusus yang memerlukan frasa kualifikasi “hampir setiap aplikasi” sehubungan dengan supremasi semikonduktor.

Dalam beberapa aplikasi, tabung elektron tidak hanya terus melihat penggunaan praktis, tetapi melakukan tugas masing-masing lebih baik daripada perangkat solid-state yang pernah ditemukan. Dalam beberapa kasus, kinerja dan keandalan teknologi tabung elektron jauh unggul.

Di bidang switching sirkuit berkecepatan tinggi dan berdaya tinggi, tabung khusus seperti hidrogen thyratron dan krytron mampu mengalihkan arus dalam jumlah yang jauh lebih besar, jauh lebih cepat daripada perangkat semikonduktor apa pun yang dirancang hingga saat ini. Batas termal dan temporal fisika semikonduktor menempatkan batasan pada kemampuan switching yang dikecualikan dari tabung—yang tidak beroperasi dengan prinsip yang sama.

Dalam aplikasi pemancar gelombang mikro berdaya tinggi, toleransi termal yang sangat baik dari tabung saja mengamankan dominasinya atas semikonduktor. Konduksi elektron melalui bahan semikonduktor sangat dipengaruhi oleh suhu. Konduksi elektron melalui ruang hampa tidak. Akibatnya, batas termal praktis perangkat semikonduktor agak rendah dibandingkan dengan tabung. Mampu mengoperasikan tabung pada suhu yang jauh lebih besar daripada perangkat semikonduktor yang setara memungkinkan tabung membuang lebih banyak energi panas untuk sejumlah area disipasi tertentu, yang membuatnya lebih kecil dan lebih ringan dalam aplikasi daya tinggi yang berkelanjutan.

Keuntungan lain yang diputuskan dari tabung dibandingkan komponen semikonduktor dalam aplikasi daya tinggi adalah kemampuan membangunnya kembali. Ketika tabung besar gagal, itu mungkin dibongkar dan diperbaiki dengan biaya yang jauh lebih rendah daripada harga pembelian tabung baru. Ketika komponen semikonduktor gagal, besar atau kecil, umumnya tidak ada cara untuk memperbaikinya. Foto berikut menunjukkan panel depan pemancar radio 5 kW AM antik tahun 1960-an. Salah satu dari dua tabung listrik merek "Eimac" dapat dilihat di area tersembunyi, di belakang pintu kaca. Menurut teknisi stasiun yang memberikan tur fasilitas, biaya pembangunan kembali untuk tabung semacam itu hanya $800:cukup murah dibandingkan dengan biaya tabung baru, dan masih cukup masuk akal dibandingkan dengan harga komponen semikonduktor baru yang sebanding!

Tabung, karena pembuatannya tidak terlalu rumit dibandingkan komponen semikonduktor, berpotensi lebih murah untuk diproduksi juga, meskipun volume besar produksi perangkat semikonduktor di dunia sangat mengimbangi keunggulan teoretis ini. Pembuatan semikonduktor cukup kompleks, melibatkan banyak zat kimia berbahaya dan memerlukan lingkungan perakitan yang sangat bersih. Tabung pada dasarnya tidak lebih dari kaca dan logam, dengan segel vakum. Toleransi fisik cukup "longgar" untuk memungkinkan perakitan tabung vakum dengan tangan, dan pekerjaan perakitan tidak perlu dilakukan di lingkungan "ruang bersih" seperti yang diperlukan untuk pembuatan semikonduktor.

Salah satu area modern di mana tabung elektron menikmati supremasi atas komponen semikonduktor adalah di pasar amplifier audio profesional dan kelas atas, meskipun ini sebagian disebabkan oleh budaya musik. Banyak pemain gitar profesional, misalnya, lebih memilih amplifier tabung daripada amplifier transistor karena distorsi spesifik yang dihasilkan oleh sirkuit tabung. Amplifier gitar elektrik dirancang untuk menghasilkan distorsi daripada menghindari distorsi seperti yang terjadi pada amplifier audio-reproduksi (inilah sebabnya suara gitar listrik sangat berbeda dari gitar akustik), dan jenis distorsi yang dihasilkan oleh amplifier adalah masalah selera pribadi. pengukuran teknis. Karena musik rock khususnya lahir dengan gitaris yang memainkan peralatan amplifier tabung, ada tingkat yang signifikan dari "daya tarik tabung" yang melekat pada genre itu sendiri, dan daya tarik ini menunjukkan dirinya dalam permintaan yang berkelanjutan untuk amplifier gitar "tabung" di antara gitaris rock.

Sebagai ilustrasi sikap di antara beberapa gitaris, perhatikan kutipan berikut yang diambil dari halaman glosarium teknis situs web amplifier tabung yang akan tetap tanpa nama:

Kondisi Padat: Komponen yang dirancang khusus untuk membuat amplifier gitar terdengar buruk. Dibandingkan dengan tabung, perangkat ini dapat memiliki masa pakai yang sangat lama, yang menjamin bahwa amplifier Anda akan mempertahankan suaranya yang tipis, tidak bernyawa, dan berdengung untuk waktu yang lama.

Di bidang amplifier reproduksi audio (amplifier studio musik dan amplifier hiburan rumah), yang terbaik adalah amplifier untuk mereproduksi sinyal musik dengan sedikit distorsi mungkin. Secara paradoks, berbeda dengan pasar amplifier gitar di mana distorsi adalah tujuan desain, audio kelas atas adalah area lain di mana amplifier tabung menikmati permintaan konsumen yang berkelanjutan. Meskipun orang mungkin mengira tujuan, persyaratan teknis dari distorsi rendah akan menghilangkan bias subjektif di pihak audiophiles, orang akan sangat salah. Pasar untuk peralatan amplifier "tabung" kelas atas cukup fluktuatif, berubah dengan cepat mengikuti tren dan mode, didorong oleh klaim yang sangat subjektif tentang suara "ajaib" dari peninjau sistem audio dan tenaga penjualan. Seperti di dunia gitar listrik, tidak ada ukuran kecil dari pengabdian seperti kultus untuk amplifier tabung di antara beberapa tempat di dunia audiophile. Sebagai contoh irasionalitas ini, pertimbangkan desain banyak amplifier ultra-tinggi, dengan sasis yang dibuat untuk menampilkan tabung kerja secara terbuka, meskipun paparan fisik tabung ini jelas meningkatkan efek mikrofonik (perubahan performa tabung sebagai akibat gelombang suara menggetarkan struktur tabung).

Meskipun demikian, ada banyak literatur teknis yang membandingkan tabung dengan semikonduktor untuk penggunaan penguat daya audio, terutama di bidang analisis distorsi. Lebih dari beberapa insinyur listrik yang kompeten lebih memilih desain amplifier tabung daripada transistor, dan mampu menghasilkan bukti eksperimental untuk mendukung pilihan mereka. Kesulitan utama dalam mengukur kinerja sistem audio adalah respons yang tidak pasti dari pendengaran manusia. Semua amplifier mendistorsi sinyal input mereka sampai tingkat tertentu, terutama ketika kelebihan beban, jadi pertanyaannya adalah jenis desain amplifier mana yang paling sedikit mendistorsi. Namun, karena pendengaran manusia sangat nonlinier, orang tidak menafsirkan semua jenis distorsi akustik secara merata, sehingga beberapa amplifier akan terdengar "lebih baik" daripada yang lain bahkan jika analisis distorsi kuantitatif dengan instrumen elektronik menunjukkan tingkat distorsi yang serupa. Untuk menentukan jenis penguat audio apa yang akan mendistorsi sinyal musik "paling tidak", kita harus menganggap telinga dan otak manusia sebagai bagian dari keseluruhan sistem akustik. Karena belum ada model lengkap untuk respons pendengaran manusia, penilaian objektif paling sulit dilakukan. Namun, beberapa penelitian menunjukkan bahwa distorsi karakteristik rangkaian penguat tabung (terutama ketika kelebihan beban) kurang dapat diterima dibandingkan distorsi yang dihasilkan oleh transistor.

Tabung juga memiliki keuntungan yang berbeda dari "drift" rendah pada berbagai kondisi operasi. Tidak seperti komponen semikonduktor, yang tegangan penghalang, rasio , resistansi curah, dan kapasitansi sambungan dapat berubah secara substansial dengan perubahan suhu perangkat dan/atau kondisi operasi lainnya, karakteristik dasar tabung vakum tetap hampir konstan pada rentang yang luas dalam kondisi operasi, karena karakteristik tersebut ditentukan terutama oleh dimensi fisik elemen struktural tabung (katoda, kisi, dan pelat) daripada interaksi partikel subatomik dalam kisi kristal.

Ini adalah salah satu alasan utama perancang penguat solid-state biasanya merekayasa sirkuit mereka untuk memaksimalkan efisiensi daya bahkan ketika itu membahayakan kinerja distorsi, karena penguat yang tidak efisien daya membuang banyak energi dalam bentuk panas buangan, dan karakteristik transistor cenderung untuk berubah secara substansial dengan suhu. "Drift" yang diinduksi suhu menyulitkan untuk menstabilkan titik "Q" dan ukuran penting terkait kinerja lainnya dalam rangkaian amplifier. Sayangnya, efisiensi daya dan distorsi rendah tampaknya menjadi tujuan desain yang saling eksklusif.

Misalnya, rangkaian penguat audio kelas A biasanya menunjukkan tingkat distorsi yang sangat rendah, tetapi sangat boros daya, yang berarti bahwa akan sulit untuk merekayasa penguat kelas A solid-state dengan peringkat daya yang substansial karena penyimpangan karakteristik transistor yang diakibatkannya. . Dengan demikian, sebagian besar perancang penguat audio solid-state memilih konfigurasi sirkuit kelas B untuk efisiensi yang lebih besar, meskipun desain kelas B terkenal menghasilkan jenis distorsi yang dikenal sebagai distorsi crossover . Namun, dengan tabung, mudah untuk merancang rangkaian penguat audio kelas A yang stabil karena tabung tidak terlalu terpengaruh oleh perubahan suhu yang dialami dalam konfigurasi rangkaian yang tidak efisien daya tersebut.

Parameter kinerja tabung, bagaimanapun, cenderung "melayang" lebih dari perangkat semikonduktor ketika diukur dalam jangka waktu yang lama (tahun). Salah satu mekanisme utama "penuaan" tabung tampaknya adalah kebocoran vakum:ketika udara memasuki bagian dalam tabung vakum, karakteristik listriknya berubah secara permanen. Fenomena yang sama ini adalah penyebab utama kematian tabung, atau mengapa tabung biasanya tidak bertahan selama rekan-rekan solid-state masing-masing. Namun, ketika vakum tabung dipertahankan pada tingkat tinggi, kinerja dan masa pakai yang sangat baik dimungkinkan. Contohnya adalah tabung klystron (digunakan untuk menghasilkan gelombang radio frekuensi tinggi yang digunakan dalam sistem radar) yang bertahan selama 240.000 jam operasi (dikutip oleh Robert S. Symons dari Litton Electron Devices Division dalam makalah informatifnya, “Tubes :Masih penting setelah bertahun-tahun,” dicetak dalam IEEE Spectrum edisi April 1998 majalah).

Jika tidak ada yang lain, ketegangan antara audiophiles melalui tabung versus semikonduktor telah mendorong tingkat eksperimen dan inovasi teknis yang luar biasa, yang berfungsi sebagai sumber daya yang sangat baik bagi mereka yang ingin mendidik diri mereka sendiri tentang teori amplifier. Mengambil pandangan yang lebih luas, keserbagunaan teknologi tabung elektron (konfigurasi fisik yang berbeda, beberapa grid kontrol) mengisyaratkan potensi desain sirkuit dengan variasi yang jauh lebih besar daripada yang dimungkinkan menggunakan semikonduktor. Untuk alasan ini dan lainnya, tabung elektron tidak akan pernah "usang", tetapi akan terus melayani dalam peran khusus, dan untuk mendorong inovasi bagi para insinyur elektronik, penemu, dan penggemar yang tidak mau membiarkan pikiran mereka dibungkam oleh konvensi.