Rohre versus Halbleiter

Dem Design und der Funktion von Elektronenröhren in einem modernen Elektroniktext ein ganzes Kapitel zu widmen, mag etwas seltsam erscheinen, wenn man bedenkt, dass die Halbleitertechnologie in fast allen Anwendungen nahezu veraltete Röhren hat. Es lohnt sich jedoch, Rohre nicht nur für historische Zwecke zu erforschen, sondern auch für Nischenanwendungen, die den qualifizierenden Ausdruck „fast . erfordern jede Anwendung“ in Bezug auf die Vormachtstellung von Halbleitern.

In einigen Anwendungen finden Elektronenröhren nicht nur weiterhin praktische Anwendung, sondern erfüllen ihre jeweiligen Aufgaben besser als alle bisher erfundenen Festkörperbauelemente. In einigen Fällen ist die Leistung und Zuverlässigkeit der Elektronenröhrentechnologie weit überlegen.

Auf dem Gebiet der Hochleistungs- und Hochgeschwindigkeitsschaltung können spezialisierte Röhren wie Wasserstoffthyratrons und Krytrons weitaus größere Strommengen schalten, viel schneller als alle bisher entwickelten Halbleiterbauelemente. Die thermischen und zeitlichen Grenzen der Halbleiterphysik setzen der Schaltfähigkeit Grenzen, von denen Röhren – die nicht nach denselben Prinzipien funktionieren – ausgenommen sind.

Bei Hochleistungs-Mikrowellensenderanwendungen sichert allein die ausgezeichnete thermische Toleranz von Röhren ihre Dominanz gegenüber Halbleitern. Die Elektronenleitung durch halbleitende Materialien wird stark von der Temperatur beeinflusst. Elektronenleitung durch ein Vakuum ist es nicht. Folglich sind die praktischen thermischen Grenzen von Halbleiterbauelementen im Vergleich zu Röhren eher niedrig. Da Röhren bei weit höheren Temperaturen als vergleichbare Halbleiterbauelemente betrieben werden können, können Röhren bei einer gegebenen Verlustfläche mehr Wärmeenergie ableiten, was sie bei kontinuierlichen Hochleistungsanwendungen kleiner und leichter macht.

Ein weiterer entscheidender Vorteil von Röhren gegenüber Halbleiterbauelementen in Hochleistungsanwendungen ist ihre Wiederherstellbarkeit. Wenn ein großes Rohr ausfällt, kann es zu weitaus geringeren Kosten als dem Kaufpreis eines neuen Rohrs zerlegt und repariert werden. Wenn ein Halbleiterbauelement, groß oder klein, ausfällt, gibt es in der Regel keine Reparaturmöglichkeit. Das folgende Foto zeigt die Frontplatte eines Vintage 5-kW-AM-Radiosenders aus den 1960er Jahren. In einer Vertiefung hinter der Glastür ist eine von zwei Endstufenröhren der Marke „Eimac“ zu sehen. Laut dem Stationsingenieur, der die Werksbesichtigung leitete, betragen die Umbaukosten für eine solche Röhre nur 800 US-Dollar:recht günstig im Vergleich zu den Kosten einer neuen Röhre und immer noch angemessen im Vergleich zum Preis eines neuen, vergleichbaren Halbleiterbauelements!

Röhren, die in ihrer Herstellung weniger komplex sind als Halbleiterkomponenten, sind potenziell auch billiger in der Herstellung, obwohl das riesige Produktionsvolumen von Halbleiterbauelementen in der Welt diesen theoretischen Vorteil stark ausgleicht. Die Halbleiterherstellung ist ziemlich komplex, beinhaltet viele gefährliche chemische Substanzen und erfordert supersaubere Montageumgebungen. Röhren sind im Wesentlichen nichts anderes als Glas und Metall, mit einer Vakuumdichtung. Physikalische Toleranzen sind „locker“ genug, um die Montage von Vakuumröhren von Hand zu ermöglichen, und die Montagearbeit muss nicht in einer „Reinraum“-Umgebung durchgeführt werden, wie es für die Halbleiterfertigung erforderlich ist.

Ein moderner Bereich, in dem Elektronenröhren gegenüber Halbleiterkomponenten Vorrang haben, ist der Markt für professionelle und High-End-Audioverstärker, obwohl dies teilweise auf die Musikkultur zurückzuführen ist. Viele professionelle Gitarristen bevorzugen beispielsweise Röhrenverstärker gegenüber Transistorverstärkern aufgrund der spezifischen Verzerrungen, die von Röhrenschaltungen erzeugt werden. Ein E-Gitarrenverstärker ist darauf ausgelegt, Verzerrung zu erzeugen anstatt Verzerrungen zu vermeiden, wie dies bei Audiowiedergabeverstärkern der Fall ist (deshalb klingt eine E-Gitarre so anders als eine Akustikgitarre), und die Art der Verzerrung, die ein Verstärker erzeugt, ist ebenso eine Frage des persönlichen Geschmacks wie sie ist technische Messung. Da insbesondere Rockmusik mit Gitarristen geboren wurde, die Röhrenverstärker-Equipment spielten, ist dem Genre selbst ein erheblicher "Röhren-Appeal" innewohnt, der sich in der anhaltenden Nachfrage nach "Röhren"-Gitarrenverstärkern unter Rockgitarristen zeigt.

Um die Haltung einiger Gitarristen zu veranschaulichen, betrachten Sie das folgende Zitat aus der technischen Glossarseite einer Röhrenverstärker-Website, die namenlos bleiben wird:

Festkörper: Eine Komponente, die speziell entwickelt wurde, um einen schlechten Klang eines Gitarrenverstärkers zu erzeugen. Im Vergleich zu Röhren können diese Geräte eine sehr lange Lebensdauer haben, was garantiert, dass Ihr Verstärker lange Zeit seinen dünnen, leblosen und brummenden Klang behält.

Im Bereich der Audiowiedergabeverstärker (Musikstudioverstärker und Home-Entertainment-Verstärker) ist es am besten, wenn ein Verstärker das Musiksignal mit wenig . wiedergibt Verzerrung wie möglich. Paradoxerweise ist High-End-Audio im Gegensatz zum Gitarrenverstärkermarkt, wo Verzerrung ein Designziel ist, ein weiterer Bereich, in dem Röhrenverstärker eine anhaltende Nachfrage der Verbraucher genießen. Obwohl man annehmen könnte, dass die objektive, technische Forderung nach geringer Verzerrung jegliche subjektive Voreingenommenheit von Audiophilen beseitigen würde, irrt man sich sehr. Der Markt für High-End-„Röhren“-Verstärkergeräte ist ziemlich volatil und ändert sich schnell mit Trends und Modeerscheinungen, angetrieben von sehr subjektiven Behauptungen über „magischen“ Klang von Audiosystem-Rezensenten und Verkäufern. Wie in der E-Gitarren-Welt gibt es auch in manchen Kreisen der audiophilen Welt keine geringe kultige Hingabe an Röhrenverstärker. Betrachten Sie als Beispiel für diese Irrationalität das Design vieler Ultra-High-End-Verstärker mit Chassis, die so gebaut sind, dass sie die Arbeitsröhren offen darstellen, obwohl diese physische Exposition der Röhren offensichtlich die unerwünschte Wirkung von Mikrofonen (Änderungen der Röhrenleistung aufgrund von Schallwellen, die die Röhrenstruktur vibrieren).

Trotzdem gibt es eine Fülle von Fachliteratur, die Röhren für den Einsatz in Audio-Leistungsverstärkern gegen Halbleiter kontrastiert, insbesondere im Bereich der Verzerrungsanalyse. Nicht wenige kompetente Elektroingenieure bevorzugen Röhrenverstärker-Designs gegenüber Transistoren und sind in der Lage, experimentelle Beweise für ihre Wahl vorzulegen. Die Hauptschwierigkeit bei der Quantifizierung der Audiosystemleistung ist die unsichere Reaktion des menschlichen Gehörs. Alle Verstärker verzerren ihr Eingangssignal bis zu einem gewissen Grad, insbesondere bei Überlastung, sodass die Frage ist, welche Art von Verstärkerdesign am wenigsten verzerrt. Da das menschliche Gehör jedoch sehr nichtlinear ist, werden nicht alle Arten von akustischen Verzerrungen gleich interpretiert, sodass einige Verstärker „besser“ klingen als andere, selbst wenn eine quantitative Verzerrungsanalyse mit elektronischen Instrumenten ähnliche Verzerrungspegel anzeigt. Um zu bestimmen, welche Art von Audioverstärker ein Musiksignal „am wenigsten“ verzerrt, müssen wir das menschliche Ohr und Gehirn als Teil des gesamten akustischen Systems betrachten. Da noch kein vollständiges Modell für die menschliche Hörreaktion existiert, ist eine objektive Bewertung bestenfalls schwierig. Einige Untersuchungen zeigen jedoch, dass die charakteristische Verzerrung von Röhrenverstärkerschaltungen (insbesondere bei Überlastung) weniger störend ist als die von Transistoren erzeugte Verzerrung.

Rohre besitzen auch den entscheidenden Vorteil einer geringen „Drift“ über einen weiten Bereich von Betriebsbedingungen. Im Gegensatz zu Halbleiterkomponenten, deren Sperrspannungen, β-Verhältnisse, Bulk-Widerstände und Sperrschichtkapazitäten sich mit Änderungen der Gerätetemperatur und/oder anderen Betriebsbedingungen erheblich ändern können, bleiben die grundlegenden Eigenschaften einer Vakuumröhre über einen weiten Bereich der Betriebsbedingungen nahezu konstant. weil diese Eigenschaften hauptsächlich durch die physikalischen Abmessungen der Strukturelemente der Röhre (Kathode, Gitter(e) und Platte) bestimmt werden und nicht durch die Wechselwirkungen der subatomaren Partikel in einem kristallinen Gitter.

Dies ist einer der Hauptgründe, warum Entwickler von Halbleiterverstärkern ihre Schaltungen in der Regel so konstruieren, dass die Energieeffizienz selbst dann maximiert wird, wenn die Verzerrungsleistung beeinträchtigt wird, da ein leistungsineffizienter Verstärker viel Energie in Form von Abwärme ableitet und die Transistoreigenschaften dazu neigen sich mit der Temperatur wesentlich ändern. Temperaturbedingter „Drift“ erschwert die Stabilisierung von „Q“-Punkten und anderen wichtigen leistungsbezogenen Maßnahmen in einer Verstärkerschaltung. Leider scheinen Energieeffizienz und geringe Verzerrung sich gegenseitig ausschließende Designziele zu sein.

Audioverstärkerschaltungen der Klasse A weisen beispielsweise normalerweise sehr niedrige Verzerrungspegel auf, sind jedoch sehr energieverschwendend, was bedeutet, dass es aufgrund der daraus resultierenden Drift der Transistoreigenschaften schwierig wäre, einen Halbleiter-Klasse-A-Verstärker mit einer nennenswerten Nennleistung zu entwickeln . Daher wählen die meisten Entwickler von Halbleiter-Audioverstärkern Schaltungskonfigurationen der Klasse B, um eine höhere Effizienz zu erzielen, obwohl Klasse-B-Designs dafür bekannt sind, eine Art von Verzerrung zu erzeugen, die als Übergangsverzerrung bekannt ist . Mit Röhren ist es jedoch einfach, eine stabile Klasse-A-Audioverstärkerschaltung zu entwerfen, da Röhren durch die Temperaturänderungen, die in einer so leistungsineffizienten Schaltungskonfiguration auftreten, nicht so nachteilig beeinflusst werden.

Röhrenleistungsparameter neigen jedoch dazu, stärker zu „driften“ als Halbleiterbauelemente, wenn sie über lange Zeiträume (Jahre) gemessen werden. Ein Hauptmechanismus der „Alterung“ von Röhren scheinen Vakuumlecks zu sein:Wenn Luft in das Innere einer Vakuumröhre eindringt, werden ihre elektrischen Eigenschaften irreversibel verändert. Das gleiche Phänomen ist eine der Hauptursachen für die Sterblichkeit von Sonden oder warum Sonden normalerweise nicht so lange halten wie ihre jeweiligen Festkörper-Gegenstücke. Wenn das Röhrenvakuum jedoch auf einem hohen Niveau gehalten wird, ist eine hervorragende Leistung und Lebensdauer möglich. Ein Beispiel dafür ist eine Klystron-Röhre (zur Erzeugung der in einem Radarsystem verwendeten Hochfrequenz-Radiowellen), die 240.000 Betriebsstunden hielt (zitiert von Robert S. Symons von der Litton Electron Devices Division in seinem informativen Artikel „Tubes“. :Nach all den Jahren immer noch lebenswichtig“, gedruckt in der April-Ausgabe 1998 von IEEE Spectrum Zeitschrift).

Nicht zuletzt hat die Spannung zwischen Audiophilen über Röhren und Halbleitern zu einem bemerkenswerten Maß an Experimentierfreude und technischer Innovation geführt und dient als ausgezeichnete Quelle für diejenigen, die sich in der Verstärkertheorie weiterbilden möchten. Im weiteren Sinne weist die Vielseitigkeit der Elektronenröhrentechnologie (verschiedene physikalische Konfigurationen, mehrere Steuergitter) auf das Potenzial für Schaltungsdesigns hin, die weitaus vielfältiger sind, als dies bei Verwendung von Halbleitern möglich ist. Aus diesem und anderen Gründen werden Elektronenröhren niemals „obsolet“ sein, sondern weiterhin Nischenrollen einnehmen und Innovationen für Elektronikingenieure, Erfinder und Bastler fördern, die sich nicht durch Konventionen ersticken lassen wollen.