Tubes contre semi-conducteurs

Consacrer un chapitre entier d'un texte d'électronique moderne à la conception et à la fonction des tubes électroniques peut sembler un peu étrange, vu que la technologie des semi-conducteurs a pratiquement des tubes obsolètes dans presque toutes les applications. Cependant, il est intéressant d'explorer les tubes non seulement à des fins historiques, mais aussi pour les applications de niche qui nécessitent la phrase qualificative « presque chaque application » en ce qui concerne la suprématie des semi-conducteurs.

Dans certaines applications, les tubes électroniques continuent non seulement à être utilisés dans la pratique, mais remplissent leurs tâches respectives mieux que tout autre dispositif à semi-conducteurs encore inventé. Dans certains cas, les performances et la fiabilité de la technologie des tubes électroniques sont loin supérieur.

Dans les domaines de la commutation de circuits haute puissance et haute vitesse, des tubes spécialisés tels que les thyratrons à hydrogène et les krytrons sont capables de commuter des quantités de courant bien plus importantes, bien plus rapidement que n'importe quel dispositif semi-conducteur conçu à ce jour. Les limites thermiques et temporelles de la physique des semi-conducteurs imposent des limitations sur la capacité de commutation dont les tubes, qui ne fonctionnent pas sur les mêmes principes, sont exemptés.

Dans les applications d'émetteurs hyperfréquences haute puissance, l'excellente tolérance thermique des tubes assure à elle seule leur domination sur les semi-conducteurs. La conduction électronique à travers les matériaux semi-conducteurs est fortement influencée par la température. La conduction électronique à travers le vide ne l'est pas. En conséquence, les limites thermiques pratiques des dispositifs à semi-conducteurs sont plutôt faibles par rapport à celles des tubes. Être capable de faire fonctionner des tubes à des températures bien plus élevées que les dispositifs à semi-conducteurs équivalents permet aux tubes de dissiper plus d'énergie thermique pour une quantité donnée de zone de dissipation, ce qui les rend plus petits et plus légers dans les applications continues à haute puissance.

Un autre avantage décisif des tubes par rapport aux composants semi-conducteurs dans les applications à haute puissance est leur capacité de reconstruction. Lorsqu'un gros tube tombe en panne, il peut être démonté et réparé à un coût bien inférieur au prix d'achat d'un nouveau tube. Lorsqu'un composant semi-conducteur tombe en panne, grand ou petit, il n'y a généralement aucun moyen de réparation. La photographie suivante montre le panneau avant d'un émetteur radio AM vintage de 5 kW des années 1960. L'un des deux tubes de puissance de la marque "Eimac" est visible dans une zone en retrait, derrière la porte vitrée. Selon l'ingénieur de la station qui a fait visiter les installations, le coût de reconstruction d'un tel tube n'est que de 800 $ :assez bon marché par rapport au coût d'un nouveau tube, et toujours assez raisonnable par rapport au prix d'un nouveau composant semi-conducteur comparable !

Les tubes, étant moins complexes dans leur fabrication que les composants semi-conducteurs, sont également potentiellement moins chers à produire, bien que l'énorme volume de production de dispositifs semi-conducteurs dans le monde compense considérablement cet avantage théorique. La fabrication de semi-conducteurs est assez complexe, impliquant de nombreuses substances chimiques dangereuses et nécessitant des environnements d'assemblage ultra-propres. Les tubes ne sont essentiellement rien de plus que du verre et du métal, avec un joint sous vide. Les tolérances physiques sont suffisamment « relâches » pour permettre l'assemblage à la main des tubes à vide, et le travail d'assemblage n'a pas besoin d'être effectué dans un environnement de « salle blanche » comme cela est nécessaire pour la fabrication de semi-conducteurs.

Un domaine moderne où les tubes électroniques jouissent de la suprématie sur les composants semi-conducteurs est le marché des amplificateurs audio professionnels et haut de gamme, bien que cela soit en partie dû à la culture musicale. De nombreux guitaristes professionnels, par exemple, préfèrent les amplificateurs à lampes aux amplificateurs à transistors en raison de la distorsion spécifique produite par les circuits à lampes. Un amplificateur de guitare électrique est conçu pour produire une distorsion plutôt que d'éviter la distorsion comme c'est le cas avec les amplificateurs de reproduction audio (c'est pourquoi une guitare électrique sonne tellement différemment d'une guitare acoustique), et le type de distorsion produit par un amplificateur est autant une question de goût personnel que c'est mesure technique. Étant donné que la musique rock en particulier est née avec des guitaristes jouant de l'équipement d'amplification à tubes, il existe un niveau important d'« attrait pour les tubes » inhérent au genre lui-même, et cet attrait se manifeste dans la demande continue d'amplificateurs de guitare « à tubes » parmi les guitaristes de rock.

Comme illustration de l'attitude de certains guitaristes, considérons la citation suivante tirée de la page de glossaire technique d'un site Web d'amplificateurs à lampes qui restera sans nom :

État solide : Un composant spécialement conçu pour donner un mauvais son à un amplificateur de guitare. Par rapport aux tubes, ces appareils peuvent avoir une durée de vie très longue, ce qui garantit que votre amplificateur conservera longtemps son son fin, sans vie et bourdonnant.

Dans le domaine des amplificateurs de reproduction audio (amplificateurs de studio de musique et amplificateurs de divertissement à domicile), il est préférable qu'un amplificateur reproduise le signal musical avec un peu distorsion possible. Paradoxalement, contrairement au marché des amplificateurs de guitare où la distorsion est un objectif de conception, l'audio haut de gamme est un autre domaine où les amplificateurs à lampes bénéficient d'une demande continue des consommateurs. Bien que l'on puisse supposer que l'exigence technique et objective d'une faible distorsion éliminerait tout parti pris subjectif de la part des audiophiles, on aurait tort. Le marché des équipements d'amplification « à tubes » haut de gamme est assez volatil, changeant rapidement avec les tendances et les modes, motivé par les affirmations très subjectives d'un son « magique » de la part des évaluateurs et des vendeurs de systèmes audio. Comme dans le monde de la guitare électrique, il n'y a pas une petite mesure de dévotion culte pour les amplificateurs à lampes parmi certains quarts du monde audiophile. Comme exemple de cette irrationalité, considérons la conception de nombreux amplificateurs ultra-haut de gamme, avec un châssis construit pour afficher les tubes de travail ouvertement, même si cette exposition physique des tubes renforce évidemment l'effet indésirable de la microphonique (modifications des performances du tube dues aux ondes sonores faisant vibrer la structure du tube).

Cela dit, cependant, il existe une abondante littérature technique comparant les tubes aux semi-conducteurs pour l'utilisation d'amplificateurs de puissance audio, en particulier dans le domaine de l'analyse de la distorsion. Plusieurs ingénieurs électriciens compétents préfèrent les conceptions d'amplificateurs à tubes aux transistors et sont capables de produire des preuves expérimentales à l'appui de leur choix. La principale difficulté pour quantifier les performances d'un système audio est la réponse incertaine de l'audition humaine. Tous les amplificateurs déforment leur signal d'entrée dans une certaine mesure, en particulier lorsqu'ils sont surchargés, la question est donc de savoir quel type de conception d'amplificateur déforme le moins. Cependant, comme l'audition humaine est très non linéaire, les gens n'interprètent pas tous les types de distorsion acoustique de la même manière, et donc certains amplificateurs sonneront « meilleur » que d'autres même si une analyse quantitative de la distorsion avec des instruments électroniques indique des niveaux de distorsion similaires. Pour déterminer quel type d'amplificateur audio déformera « le moins » un signal musical, nous devons considérer l'oreille et le cerveau humains comme faisant partie de l'ensemble du système acoustique. Puisqu'il n'existe pas encore de modèle complet pour la réponse auditive humaine, l'évaluation objective est au mieux difficile. Cependant, certaines recherches indiquent que la distorsion caractéristique des circuits amplificateurs à tube (en particulier lorsqu'ils sont surchargés) est moins répréhensible que la distorsion produite par les transistors.

Les tubes possèdent également l'avantage distinct d'une faible « dérive » dans une large gamme de conditions de fonctionnement. Contrairement aux composants semi-conducteurs, dont les tensions de barrière, les rapports β, les résistances apparentes et les capacités de jonction peuvent changer considérablement avec les changements de température de l'appareil et/ou d'autres conditions de fonctionnement, les caractéristiques fondamentales d'un tube à vide restent presque constantes sur une large plage de conditions de fonctionnement, parce que ces caractéristiques sont déterminées principalement par les dimensions physiques des éléments structurels du tube (cathode, grille(s) et plaque) plutôt que par les interactions des particules subatomiques dans un réseau cristallin.

C'est l'une des principales raisons pour lesquelles les concepteurs d'amplificateurs à semi-conducteurs conçoivent généralement leurs circuits pour maximiser l'efficacité énergétique même lorsque cela compromet les performances de distorsion, car un amplificateur inefficace en énergie dissipe beaucoup d'énergie sous forme de chaleur perdue, et les caractéristiques des transistors ont tendance à changer sensiblement avec la température. La « dérive » induite par la température rend difficile la stabilisation des points « Q » et d'autres mesures importantes liées aux performances dans un circuit amplificateur. Malheureusement, l'efficacité énergétique et la faible distorsion semblent être des objectifs de conception mutuellement exclusifs.

Par exemple, les circuits d'amplificateur audio de classe A présentent généralement des niveaux de distorsion très faibles, mais gaspillent beaucoup d'énergie, ce qui signifie qu'il serait difficile de concevoir un amplificateur de classe A à semi-conducteurs d'une puissance nominale substantielle en raison de la dérive des caractéristiques des transistors qui en résulte. . Ainsi, la plupart des concepteurs d'amplificateurs audio à semi-conducteurs choisissent des configurations de circuits de classe B pour une plus grande efficacité, même si les conceptions de classe B sont connues pour produire un type de distorsion connu sous le nom de distorsion de croisement . Cependant, avec les tubes, il est facile de concevoir un circuit amplificateur audio de classe A stable, car les tubes ne sont pas aussi affectés par les changements de température rencontrés dans une configuration de circuit à faible consommation d'énergie.

Les paramètres de performance des tubes, cependant, ont tendance à « dériver » davantage que les dispositifs à semi-conducteurs lorsqu'ils sont mesurés sur de longues périodes (années). L'un des principaux mécanismes de « vieillissement » des tubes semble être les fuites de vide :lorsque de l'air pénètre à l'intérieur d'un tube à vide, ses caractéristiques électriques sont modifiées de manière irréversible. Ce même phénomène est une cause majeure de mortalité des tubes, ou pourquoi les tubes ne durent généralement pas aussi longtemps que leurs homologues à semi-conducteurs respectifs. Cependant, lorsque le vide du tube est maintenu à un niveau élevé, d'excellentes performances et durée de vie sont possibles. Un exemple de ceci est un tube klystron (utilisé pour produire les ondes radio à haute fréquence utilisées dans un système radar) qui a duré 240 000 heures de fonctionnement (cité par Robert S. Symons de Litton Electron Devices Division dans son article informatif, "Tubes :Toujours vital après toutes ces années », imprimé dans le numéro d'avril 1998 de IEEE Spectrum revue).

À tout le moins, la tension entre les audiophiles sur les tubes et les semi-conducteurs a stimulé un degré remarquable d'expérimentation et d'innovation technique, constituant une excellente ressource pour ceux qui souhaitent se renseigner sur la théorie des amplificateurs. Dans une perspective plus large, la polyvalence de la technologie des tubes électroniques (différentes configurations physiques, grilles de contrôle multiples) laisse entrevoir le potentiel de conceptions de circuits d'une bien plus grande variété que ce qui est possible avec des semi-conducteurs. Pour cette raison et pour d'autres, les tubes électroniques ne seront jamais « obsolètes », mais continueront à remplir des rôles de niche et à favoriser l'innovation pour les ingénieurs en électronique, les inventeurs et les amateurs qui ne veulent pas laisser leur esprit étouffé par les conventions.