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13.12: Tubos versus semiconductores

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    Dedicar todo un capítulo en un texto electrónico moderno al diseño y la función de los tubos de electrones puede parecer un poco extraño, ya que la tecnología de semiconductores tiene casi tubos obsoletos en casi todas las aplicaciones. Sin embargo, hay mérito en explorar los tubos no solo con fines históricos, sino también para aquellas aplicaciones de nicho que requieren la frase calificativa “casi todas las aplicaciones” con respecto a la supremacía de semiconductores.

    En algunas aplicaciones, los tubos de electrones no solo continúan viendo un uso práctico, sino que realizan sus respectivas tareas mejor que cualquier dispositivo de estado sólido aún inventado. En algunos casos, el rendimiento y confiabilidad de la tecnología de tubos de electrones es muy superior.

    En los campos de la conmutación de circuitos de alta potencia y alta velocidad, los tubos especializados como los tiratrones de hidrógeno y los kritrones son capaces de cambiar cantidades mucho mayores de corriente, mucho más rápido que cualquier dispositivo semiconductor diseñado hasta la fecha. Los límites térmicos y temporales de la física de semiconductores imponen limitaciones a la capacidad de conmutación de las que están exentos los tubos, que no operan según los mismos principios.

    En aplicaciones de transmisores de microondas de alta potencia, la excelente tolerancia térmica de los tubos por sí solos asegura su dominio sobre los semiconductores. La conducción de electrones a través de materiales semiconductores se ve muy afectada por la temperatura. La conducción de electrones a través de un vacío no lo es. Como consecuencia, los límites térmicos prácticos de los dispositivos semiconductores son bastante bajos en comparación con los de los tubos. Poder operar tubos a temperaturas mucho mayores que los dispositivos semiconductores equivalentes permite que los tubos disipen más energía térmica para una determinada cantidad de área de disipación, lo que los hace más pequeños y livianos en aplicaciones continuas de alta potencia.

    Otra ventaja decidida de los tubos sobre los componentes semiconductores en aplicaciones de alta potencia es su reconstruibilidad. Cuando falla un tubo grande, se puede desmontar y reparar a un costo mucho menor que el precio de compra de un tubo nuevo. Cuando falla un componente semiconductor, grande o pequeño, generalmente no hay medios de reparación.

    La siguiente fotografía muestra el panel frontal de un transmisor de radio AM de 5 kW vintage de la década de 1960. Uno de los dos tubos de potencia de la marca “Eimac” se puede ver en una zona empotrada, detrás de la puerta de cristal. De acuerdo con el ingeniero de estación que dio el recorrido por las instalaciones, el costo de reconstrucción de dicho tubo es de solo 800 dólares: bastante económico en comparación con el costo de un tubo nuevo, ¡y aún bastante razonable en contraste con el precio de un nuevo componente semiconductor comparable!

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    Los tubos, al ser menos complejos en su fabricación que los componentes semiconductores, también son potencialmente más baratos de producir, aunque el enorme volumen de producción de dispositivos semiconductores en el mundo compensa en gran medida esta ventaja teórica. La fabricación de semiconductores es bastante compleja, involucra muchas sustancias químicas peligrosas y requiere entornos de ensamblaje súper limpios. Los tubos son esencialmente nada más que vidrio y metal, con un sello al vacío. Las tolerancias físicas son lo suficientemente “sueltas” como para permitir el ensamblaje manual de los tubos de vacío, y el trabajo de ensamblaje no necesita realizarse en un ambiente de “sala limpia” como es necesario para la fabricación de semiconductores.

    Un área moderna donde los tubos de electrones gozan de supremacía sobre los componentes semiconductores es en los mercados de amplificadores de audio profesionales y de alta gama, aunque esto se debe en parte a la cultura musical. Muchos guitarristas profesionales, por ejemplo, prefieren los amplificadores de tubo sobre los amplificadores de transistor debido a la distorsión específica producida por los circuitos de tubo. Un amplificador de guitarra eléctrica está diseñado para producir distorsión en lugar de evitar la distorsión como es el caso de los amplificadores de reproducción de audio (por eso una guitarra eléctrica suena muy diferente a una guitarra acústica), y el tipo de distorsión producida por un amplificador es tan tanto una cuestión de gusto personal ya que es la medición técnica. Dado que la música rock en particular nació con guitarristas tocando equipos de amplificador de tubo, existe un nivel significativo de “atractivo de tubo” inherente al género en sí, y este atractivo se manifiesta en la continua demanda de amplificadores de guitarra “tubed” entre los guitarristas de rock.

    Como ilustración de la actitud de algunos guitarristas, considere la siguiente cita tomada de la página del glosario técnico de un sitio web de amplificador de tubo que permanecerá sin nombre:

    Estado Sólido: Un componente que ha sido diseñado específicamente para hacer que un amplificador de guitarra suene mal. En comparación con los tubos, estos dispositivos pueden tener una vida útil muy larga, lo que garantiza que su amplificador conservará su sonido delgado, sin vida y zumbido durante mucho tiempo por venir.

    En el área de amplificadores de reproducción de audio (amplificadores de estudio de música y amplificadores de entretenimiento en el hogar), lo mejor es que un amplificador reproduzca la señal musical con la menor distorsión posible. Paradójicamente, en contraste con el mercado de amplificadores de guitarra donde la distorsión es un objetivo de diseño, el audio de alta gama es otra área donde los amplificadores de tubo disfrutan de la continua demanda del consumidor Aunque se podría suponer que el requisito objetivo, técnico de baja distorsión eliminaría cualquier sesgo subjetivo por parte de los audiófilos, uno estaría muy equivocado. El mercado de equipos amplificadores “tubed” de alta gama es bastante volátil, cambiando rápidamente con las tendencias y modas, impulsado por afirmaciones altamente subjetivas de sonido “mágico” de revisores y vendedores de sistemas de audio. Al igual que en el mundo de la guitarra eléctrica, no hay poca medida de devoción de culto a los amplificadores de tubo entre algunos sectores del mundo audiófilo. Como ejemplo de esta irracionalidad, considere el diseño de muchos amplificadores de ultra alta gama, con chasis construido para mostrar los tubos de trabajo abiertamente, aunque esta exposición física de los tubos obviamente mejora el efecto indeseable de la microfonía (cambios en el rendimiento del tubo como resultado de ondas sonoras vibrando la estructura del tubo).

    Dicho esto, sin embargo, existe una gran cantidad de literatura técnica que contrasta tubos contra semiconductores para uso de amplificadores de potencia de audio, especialmente en el área del análisis de distorsión. Más de unos pocos ingenieros eléctricos competentes prefieren los diseños de amplificadores de tubo sobre los transistores, y son capaces de producir evidencia experimental en apoyo de su elección. La principal dificultad para cuantificar el rendimiento del sistema de audio es la respuesta incierta de la audición humana. Todos los amplificadores distorsionan su señal de entrada en cierto grado, especialmente cuando están sobrecargados, por lo que la pregunta es qué tipo de diseño de amplificador distorsiona menos. No obstante, dado que la audición humana es muy no lineal, las personas no interpretan todos los tipos de distorsión acústica por igual, por lo que algunos amplificadores sonarán “mejor” que otros aunque un análisis cuantitativo de distorsión con instrumentos electrónicos indique niveles de distorsión similares. Para determinar qué tipo de amplificador de audio distorsionará una señal musical “lo menos”, debemos considerar el oído y el cerebro humanos como parte de todo el sistema acústico. Dado que aún no existe un modelo completo para la respuesta auditiva humana, la evaluación objetiva es difícil en el mejor de los casos. Sin embargo, algunas investigaciones indican que la distorsión característica de los circuitos amplificadores de tubo (especialmente cuando están sobrecargados) es menos objetable que la distorsión producida por los transistores.

    Los tubos también poseen la clara ventaja de una baja “deriva” en una amplia gama de condiciones de operación. A diferencia de los componentes semiconductores, cuyos voltajes de barrera, relaciones β, resistencias de masa y capacitancias de unión pueden cambiar sustancialmente con los cambios en la temperatura del dispositivo y/u otras condiciones de funcionamiento, las características fundamentales de un tubo de vacío permanecen casi constantes en un amplio rango de funcionamiento , ya que esas características están determinadas principalmente por las dimensiones físicas de los elementos estructurales del tubo (cátodo, rejilla (s) y placa) en lugar de las interacciones de partículas subatómicas en una red cristalina.

    Esta es una de las principales razones por las que los diseñadores de amplificadores de estado sólido suelen diseñar sus circuitos para maximizar la eficiencia energética incluso cuando compromete el rendimiento de distorsión, porque un amplificador ineficiente de energía disipa mucha energía en forma de calor residual, y las características del transistor tienden a cambiar sustancialmente con la temperatura. La “deriva” inducida por la temperatura dificulta la estabilización de los puntos “Q” y otras medidas importantes relacionadas con el rendimiento en un circuito amplificador. Desafortunadamente, la eficiencia energética y la baja distorsión parecen ser objetivos de diseño mutuamente excluyentes.

    Por ejemplo, los circuitos amplificadores de audio de clase A suelen exhibir niveles de distorsión muy bajos, pero son muy derrochadores de potencia, lo que significa que sería difícil diseñar un amplificador de clase A de estado sólido de cualquier potencia nominal sustancial debido a la consiguiente deriva de las características del transistor. Por lo tanto, la mayoría de los diseñadores de amplificadores de audio de estado sólido eligen configuraciones de circuito de clase B para una mayor eficiencia, a pesar de que los diseños de clase B son conocidos por producir un tipo de distorsión conocida como distorsión de cruce. Sin embargo, con los tubos es fácil diseñar un circuito amplificador de audio estable de clase A porque los tubos no se ven tan afectados negativamente por los cambios de temperatura experimentados en una configuración de circuito tan ineficiente de energía.

    Sin embargo, los parámetros de rendimiento del tubo tienden a “derivar” más que los dispositivos semiconductores cuando se miden durante largos períodos de tiempo (años). Un mecanismo importante de “envejecimiento” del tubo parece ser las fugas de vacío: cuando el aire entra en el interior de un tubo de vacío, sus características eléctricas se alteran irreversiblemente. Este mismo fenómeno es una causa importante de mortalidad por tubos, o por qué los tubos no suelen durar tanto como sus respectivas contrapartes en estado sólido. Sin embargo, cuando el vacío del tubo se mantiene a un nivel alto, es posible un excelente rendimiento y vida útil. Un ejemplo de ello es un tubo klystron (utilizado para producir las ondas de radio de alta frecuencia utilizadas en un sistema de radar) que duró 240.000 horas de operación (citado por Robert S. Symons de Litton Electron Devices Division en su artículo informativo, “Tubos: Still vital after all these years”, impreso en abril de 1998 número de la revista IEEE Spectrum).

    Si nada más, la tensión entre audiófilos sobre tubos versus semiconductores ha estimulado un notable grado de experimentación e innovación técnica, sirviendo como un excelente recurso para quienes deseen educarse sobre la teoría de amplificadores. Tomando una visión más amplia, la versatilidad de la tecnología de tubos de electrones (diferentes configuraciones físicas, múltiples rejillas de control) sugiere el potencial de diseños de circuitos de mucha mayor variedad de lo que es posible usando semiconductores. Por esta y otras razones, los tubos de electrones nunca serán “obsoletos”, sino que continuarán sirviendo en roles de nicho, y fomentando la innovación para aquellos ingenieros electrónicos, inventores y aficionados que no están dispuestos a dejar sus mentes sofocados por la convención.


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