チューブ対半導体

現代の電子工学のテキストの章全体を電子管の設計と機能に捧げることは、半導体技術がほとんどすべてのアプリケーションで廃止された管を除いてどのようになっているのかを見ると、少し奇妙に思えるかもしれません。ただし、歴史的な目的だけでなく、「ほぼ」という修飾句を必要とするニッチなアプリケーションでも、チューブを探索することにはメリットがあります。 半導体の優位性に関するすべてのアプリケーション」。

一部のアプリケーションでは、電子管は実用化され続けるだけでなく、これまでに発明されたどのソリッドステートデバイスよりも優れたそれぞれのタスクを実行します。場合によっては、電子管技術の性能と信頼性ははるかです。 優れています。

高出力、高速回線交換の分野では、水素サイラトロンやクライトロンなどの特殊な管が、これまでに設計されたどの半導体デバイスよりもはるかに高速に、はるかに大量の電流を切り替えることができます。半導体物理学の熱的および時間的制限により、同じ原理で動作しないチューブが免除されるスイッチング能力に制限が課せられます。

高出力マイクロ波送信機のアプリケーションでは、チューブの優れた耐熱性だけで、半導体に対する優位性が確保されます。半導体材料を介した電子伝導は、温度の影響を大きく受けます。真空を介した電子伝導はそうではありません。結果として、半導体デバイスの実際の熱限界は、チューブのそれと比較してかなり低いです。同等の半導体デバイスよりもはるかに高い温度でチューブを操作できるため、チューブは一定量の散逸領域でより多くの熱エネルギーを放散できるため、連続的な高出力アプリケーションでチューブを小型化および軽量化できます。

ハイパワーアプリケーションにおける半導体コンポーネントに対するチューブのもう1つの決定された利点は、それらの再構築可能性です。大きなチューブが故障した場合、新しいチューブの購入価格よりもはるかに低いコストで分解および修理できます。半導体部品が大小を問わず故障した場合、一般的に修理の手段はありません。次の写真は、1960年代のビンテージ5 kWAM無線送信機のフロントパネルを示しています。 2つの「Eimac」ブランドのパワーチューブの1つは、ガラスドアの後ろのくぼんだ領域にあります。施設見学を行った定置機関運転技師によると、このようなチューブの再構築コストはわずか800ドルです。新しいチューブのコストと比較するとかなり安価であり、新しい同等の半導体コンポーネントの価格とは対照的に、それでもかなりリーズナブルです。

チューブは、半導体部品よりも製造が複雑ではないため、製造コストも低くなる可能性がありますが、世界で大量の半導体デバイスを製造することで、この理論上の利点が大幅に相殺されます。半導体の製造は非常に複雑で、多くの危険な化学物質が含まれ、非常にクリーンなアセンブリ環境が必要です。チューブは本質的にガラスと金属に過ぎず、真空シールが付いています。物理的公差は、真空管を手作業で組み立てるのに十分なほど「緩い」ものであり、半導体製造に必要な「クリーンルーム」環境で組み立て作業を行う必要はありません。

電子管が半導体部品よりも優位に立つ現代の分野の1つは、プロおよびハイエンドのオーディオアンプ市場ですが、これは部分的に音楽文化によるものです。たとえば、多くのプロのギタリストは、真空管回路によって生成される特定の歪みのために、トランジスタアンプよりも真空管アンプを好みます。エレクトリックギターアンプは、歪みを生成するように設計されています オーディオ再生アンプの場合のように歪みを回避するのではなく（これが、エレキギターのサウンドがアコースティックギターとは大きく異なる理由です）、アンプによって生成される歪みの種類は、個人的な好みの問題です。技術的な測定。特にロックミュージックはギタリストがチューブアンプを演奏することで生まれたため、ジャンル自体に固有の「チューブアピール」があり、ロックギタリストの間で「チューブ」ギターアンプの需要が続いていることを示しています。

一部のギタリストの態度を示すものとして、真空管アンプのWebサイトの技術用語集ページから引用した次の引用を検討してください。これは無名のままです。

ソリッドステート： ギターアンプの音を悪くするために特別に設計されたコンポーネント。チューブと比較して、これらのデバイスは非常に長い寿命を持つことができます。これにより、アンプがその薄くて活気のない、ざらざらしたサウンドを長期間保持することが保証されます。

オーディオ再生アンプ（ミュージックスタジオアンプやホームエンターテインメントアンプ）の分野では、アンプが音楽信号を少しで再生するのが最適です。 可能な限り歪み。逆説的ですが、歪みが設計目標であるギターアンプ市場とは対照的に、ハイエンドオーディオは真空管アンプが継続的な消費者の需要を享受しているもう1つの分野です。低歪みという客観的で技術的な要件は、オーディオファンの主観的な偏見を排除するだろうと思うかもしれませんが、それは非常に間違っています。ハイエンドの「チューブ型」アンプ機器の市場は非常に不安定であり、オーディオシステムのレビュー担当者や営業担当者からの「魔法の」サウンドの非常に主観的な主張に牽引されて、トレンドや流行に伴って急速に変化しています。エレクトリックギターの世界のように、オーディオファンの世界のいくつかの四分の一の間で、チューブアンプへのカルトのような献身の小さな尺度はありません。この非合理性の例として、チューブのこの物理的露出が明らかにマイクロフォニックの望ましくない効果を高めるとしても、動作中のチューブをオープンに表示するように構築されたシャーシを備えた多くの超ハイエンドアンプの設計を検討してください。 > （音波がチューブ構造を振動させる結果としてのチューブ性能の変化）

とはいえ、特に歪み解析の分野では、オーディオパワーアンプ用の半導体とチューブを対比する技術文献が豊富にあります。有能な電気技師の多くは、トランジスタよりも真空管増幅器の設計を好み、その選択を裏付ける実験的証拠を生み出すことができます。オーディオシステムのパフォーマンスを定量化する際の主な問題は、人間の聴覚の不確実な応答です。 すべて アンプは、特に過負荷の場合に入力信号をある程度歪ませます。そのため、問題は、どのタイプのアンプ設計が最も歪みが少ないかということです。ただし、人間の可聴は非常に非線形であるため、すべてのタイプの音響歪みを等しく解釈するわけではありません。そのため、電子楽器を使用した定量的な歪み分析で同様の歪みレベルが示された場合でも、一部のアンプは他のアンプよりも「良い」音になります。どのタイプのオーディオアンプが音楽信号を「最小」に歪めるかを判断するには、人間の耳と脳を音響システム全体の一部と見なす必要があります。人間の聴覚反応の完全なモデルはまだ存在しないため、客観的な評価はせいぜい困難です。ただし、一部の研究では、真空管アンプ回路の特徴的な歪み（特に過負荷時）は、トランジスタによって生成される歪みよりも不快ではないことが示されています。

チューブには、幅広い動作条件で「ドリフト」が少ないという明確な利点もあります。バリア電圧、β比、バルク抵抗、接合容量がデバイス温度やその他の動作条件の変化に伴って大幅に変化する可能性がある半導体コンポーネントとは異なり、真空管の基本特性は、動作条件の広い範囲でほぼ一定のままです。これらの特性は、結晶格子内の素粒子の相互作用ではなく、主に管の構造要素（カソード、グリッド、プレート）の物理的寸法によって決定されるためです。

これは、ソリッドステートアンプの設計者が通常、歪み性能を損なう場合でも電力効率を最大化するように回路を設計する主な理由の1つです。これは、電力効率の悪いアンプが排熱の形で多くのエネルギーを放散し、トランジスタの特性が低下する傾向があるためです。温度によって大幅に変化します。温度に起因する「ドリフト」により、アンプ回路の「Q」ポイントやその他の重要なパフォーマンス関連の測定値を安定させることが困難になります。残念ながら、電力効率と低歪みは相互に排他的な設計目標のようです。

たとえば、クラスAオーディオアンプ回路は通常、非常に低い歪みレベルを示しますが、電力を非常に浪費します。つまり、トランジスタ特性のドリフトが原因で、実質的な電力定格のソリッドステートクラスAアンプを設計することは困難です。 。したがって、ほとんどのソリッドステートオーディオアンプの設計者は、効率を高めるためにクラスBの回路構成を選択しますが、クラスBの設計は、クロスオーバー歪みとして知られるタイプの歪みを生成することで有名です。 。ただし、チューブを使用すると、このような電力効率の悪い回路構成で発生する温度変化による悪影響がチューブに与えられないため、安定したクラスAオーディオアンプ回路を簡単に設計できます。

ただし、チューブの性能パラメータは、長期間（数年）にわたって測定した場合、半導体デバイスよりも「ドリフト」する傾向があります。管の「老化」の主なメカニズムの1つは、真空漏れであるように見えます。空気が真空管の内部に入ると、その電気的特性が不可逆的に変化します。この同じ現象は、チューブの死亡率の主な原因であり、チューブが通常、それぞれの固体状態の対応物ほど長くは続かない理由です。ただし、真空管の真空度を高く維持すると、優れた性能と寿命が得られます。この例は、24万時間の動作に耐えたクライストロン管（レーダーシステムで使用される高周波電波を生成するために使用）です（Litton Electron DevicesDivisionのRobertS。Symonsが、彼の有益な論文「Tubes ：これらすべての年月を経ても依然として重要です」と、 IEEE Spectrum の1998年4月号に掲載されました。 マガジン）。

何といっても、チューブと半導体をめぐるオーディオファン間の緊張は、驚くべき程度の実験と技術革新に拍車をかけ、アンプ理論について学びたい人にとって優れたリソースとして機能しています。より広い視野で見ると、電子管技術の多様性（さまざまな物理的構成、複数の制御グリッド）は、半導体を使用して可能であるよりもはるかに多様な回路設計の可能性を示唆しています。このような理由から、電子管は決して「時代遅れ」になることはありませんが、ニッチな役割を果たし続け、慣習にとらわれて頭を悩ませたくない電子技術者、発明家、愛好家のための革新を促進します。