R: Valvole o transistor?

From: Maurizio Bonfanti <maurizio.bonfanti_at_tin.it>
Date: 1999/11/10

Alberto Scagliola chede:
> Quali sono le sostanziali differenze tra un tipo di amplificazione a
> valvole e una a transistor?

A parte le differenze fisiche che riporto pi� sotto, la concezione
dell'amplificatore � (oggi), dal punto di vista sistemistico generale, non
molto diversa. Una differenza � che le valvole possono avere pi�
elettrodi di controllo che non i normali transistori, e questo aspetto pu�
consentire in via di principio di ottenere un controllo pi� raffinato del
sistema (pensa alla "valvola" costituita dal "tubo a raggi catodici" o CRT
di un oscilloscopio, che ha diverse coppie di elettrodi di
controllo). Solo semiconduttori per applicazioni speciali hanno pi� di tre
elettrodi (l'elettrodo di substrato dei transistori a effetto di campo non �
un vero elettrodo di controllo). Tuttavia, quello che non si riesce a fare
con la qualit� intrinseca del componente si riesce a fare con la quantit�
dei componenti mediante tecniche che consentono di costruire unit� dotate di
molteplici controlli in quanto unit� (se vuoi, black box). Infine le
tecniche di fabbricazione dei transistori, la loro estrema miniaturizzazione
e l'integrazione, possono far pensare a sistemi multielettrodo, anche se in
principio non � vero. Altre differenze riguardano i comportamenti alle
diverse frequenze e le impedenze d'ingresso e d'uscita, ma di nuovo la
quantit� di componenti usati e le tecniche di controllo riescono a
ovviare alla differenza. In sostanza un circuito a transistori riesce sempre
a riprodurre le caratteristiche esterne di una valvola.
Perci� la risposta � che � sempre possibile ottenere amplificatori
equivalenti, ma anche che, mediante i transistori, � possibile realizzare
funzioni molto complesse difficilmente realizzabili mediante valvole.
A svantaggio dei transistori � l'estrema dispersione delle loro
caratteristiche, che si risolve per� ancora con tecniche specifiche e
quindi con la quantit�; non si risolve bene, invece, il problema del
rumore elettrico, che � una caratteristica tipica del loro modo di
funzionare, ma la transizione alle tecniche digitali ha risolto almeno
in parte questo problema.

> Ho sentito dire che per gli impianti ad "alta fedelt�" vengono ancora
> utilizzare le valvole termoioniche (� esatto??);

vero

> quali vantaggi comportano,

dipende molto dal progetto. In molti casi nessun vantaggio, se non
l'immagine di sofisticazione, il consumo e l'ingombro (e il prezzo) molto
elevati per potenze anche modeste. Se invece il progetto � accurato e
sfrutta in pieno le propriet� delle valvole, allora il risultato, perlomeno
dal punto di vista strumentale, pu� essere eccellente; in particolare
per quanto concerne il rumore. Per�, alla fine, i sistemi elettroacustici
sono soggetti a tali distorsioni e rumorosit� intrinseca, checch� ne
dica la pubblicit�, che queste si rivelano essere solo finezze di
laboratorio.
Spesso si dice che il suono degli amplificatori a valvole � "pi� morbido" o
amenit� simili, ma questo � solo dovuto a un progetto stranamente imprudente
di non pochi amplificatori a transistori, che introduce fenomeni di
instabilit� transitoria nel tentativo di migliorare la linearit�, ossia
un comportamento pessimo con segnali a fronte ripido malgrado
un eccellente comportamento con segnale sinusoidale o
comunque di banda molto limitata superiormente.
Il transistore si rivela pi� decisivo, almeno in termini di qualit�
apparente del risultato, nei sistemi audio digitali, i quali per� hanno
risolto solo in parte il problema della codifica del segnale sonoro (ma
l'orecchio, contrariamente agli strumenti, si accontenta) e hanno risolto
abbastanza bene il problema del rumore prodotto dall'amplificatore, ma non
hanno ancora risolto, neppure lontanamente, il problema cruciale della parte
finale che ricostruisce il suono, che � di fatto ancora quella di oltre 50
anni fa (� migliorata la tecnologia ma non la tecnica) e che � quella che fa
precipitare la qualit� complessiva del sistema.

> e quali sono i motivi che hanno portato ad una loro progressiva sostizione
> a favore dei transistor negli elettrodomestici di largo consuno??

Non solo nei prodotti di consumo. Molto prima nei prodotti professionali e
militari. La ragione � molto semplice: a parit� di prestazioni, l'ingombro e
il consumo di energia (e i costi) si riducono di ordini di grandezza. Pensa
che il microprocessore (o i vari microprocessori) del tuo PC contiene
milioni di transistori (e costa poche decine di migliaia di lire). Se fosse
costruito a valvole, cosa in principio possibile, sarebbe grande come una
citt� (lo spazio occupato da un bit di memoria, che vuole due valvole, pu�
contenere oggi centinaia di megabit) e avrebbe bisogno di una robusta
centrale elettrica per essere alimentato. Ulteriore vantaggio � la
possibilit� del transistore di lavorare a tensioni di polarizzazione molto
basse, dell'ordine dei volt, (pensa al tuo riproduttore a cassette o a CD
portatile), contro le centinaia di volt delle valvole; quindi il sistema
nel suo complesso � di dimensioni di ordini di grandezza pi� piccole
anche per ragioni di isolamento. I transistori delle prossime
generazioni avranno dimensioni di poche molecole di materiale
base e ridurranno probabilmente ancora le tensioni di lavoro.
Questa tecnologia � quindi vicina al suo limite fisico.
La valvola termoionica � molto costosa da produrre e la sua vita �
limitata trattandosi di un tubo sotto vuoto ma in un vetro, sia pure
speciale, che non � totalmente impenetrabile ai gas. La tecnologia
� molto migliorata al riguardo (un monitor non subisce
deterioramenti apprezzabili in molti anni), tuttavia il transistore
ha una vita, rispetto alla valvola, illimitata, anche perch� molto
meno soggetto a temperature elevate (max 150 gradi circa in
condizioni estreme, contro il paio di migliaia di gradi del
filamento in tungsteno incandescente delle valvole).
Non ultima la fragilit� della valvola e il suo soffrire
le vibrazioni (gli elettrodi sono lamine sottilissime fissate a barrette
di lunghezza di qualche centimetro), problemi praticamente inesistenti
per i transistori, specie se integrati in un unico chip.
Anche le dimensioni delle valvole si sono via via ridotte, ma
non sono confrontabili con quelle dei transistori (centimetri contro
centesimi e millesimi di millimetro per i transistori di segnale o per
applicazioni digitali).
La tecnologia termoionica o pi� esattamente termoelettronica
continuer� probabilmente ad avere un ruolo in applicazioni
speciali, specie per trattare con precisione "chirurgica"
(geometrica, senza le rumorose indecisioni quantistiche dei
semiconduttori) frequenze molto elevate associate a potenze elevate.

ciao
Received on Wed Nov 10 1999 - 00:00:00 CET