真空管的工作原理
現(xiàn)代的真空管共由4種基本構(gòu)件組成:極對(duì)燈絲(Filament) (加熱用)、陰極(Cathode)、柵極(Grid)和陽(yáng)極(Anode)。當(dāng)極對(duì)燈絲連上電壓對(duì)陰極加熱,激發(fā)陰極電子通過(guò)柵極打在陽(yáng)極上。通過(guò)這樣的電子流,電子管可以將較小的交流電放大成較強(qiáng)的信號(hào),實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大功能。在信號(hào)放大的同時(shí),通過(guò)控制柵極電壓可以控制電子流量,因而獲得所需的電子特性.
電子管的發(fā)明與盤尼西林以及輪胎的發(fā)現(xiàn)一樣具有戲劇性:在實(shí)驗(yàn)室中靠近窗戶幾個(gè)未清洗的實(shí)驗(yàn)皿,不經(jīng)意從窗外飄來(lái)一些霉菌落在實(shí)驗(yàn)皿上,科學(xué)家驚訝的發(fā)現(xiàn)某些落入實(shí)驗(yàn)皿中的霉菌,可以抑制壞菌的擴(kuò)散與成長(zhǎng),加以實(shí)驗(yàn)分析之後這種霉菌就成為了有效且使用廣泛的抗生素之一;同樣的情景也發(fā)生在研究橡膠的實(shí)驗(yàn)中,偶然打破裝在玻璃杯里的硫黃,倒入融化的橡膠液體中,凝固後橡膠變成了堅(jiān)硬且頗富韌性的材質(zhì)。電子管當(dāng)然不是無(wú)緣無(wú)故做幾片金屬板封裝在抽真空的玻璃瓶里進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的,它與發(fā)明大王愛迪生有著一段故事。
電流與電子流動(dòng)的方向恰巧相反
9 p- d
在此之前試問(wèn)一個(gè)小問(wèn)題:電路分析上電流的方向與實(shí)際上流動(dòng)的方向是否相同?答案是否定的,電流與電子流的方向是恰巧相反的。過(guò)去的科學(xué)家無(wú)法觀察電子流動(dòng)的方向,于是統(tǒng)一說(shuō)法,將電池的某一極設(shè)定為正極,其電壓為正電壓,電流由正極流至負(fù)極而形成一個(gè)封閉的回路。由於大家統(tǒng)一說(shuō)法與作法,因此多年來(lái)并沒有發(fā)生任何沖突之事,直到了近代科學(xué)家有了更精良的設(shè)備,觀察之後遂推翻了之前的說(shuō)法:「原來(lái)電子是由電池的負(fù)端流出來(lái)的」!(換言之,電子是從擴(kuò)大機(jī)的喇叭負(fù)端流出,而從喇叭正端回流的)
W
身為使用者并不需要在意何者為真,只要按照科學(xué)家的結(jié)論行事就可以了。說(shuō)這一段就是因?yàn)楫?dāng)初愛迪生發(fā)明燈泡之後,發(fā)現(xiàn)他生產(chǎn)的燈泡燈絲老是從正極端燒斷,于是進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)在燈泡中加入一塊小金屬板,點(diǎn)燈之後將金屬板連接電表,分別施以正電壓以及負(fù)電壓,觀察電流的情形。
金屬之所以能導(dǎo)電,就是因?yàn)榻饘俚淖杂呻娮虞^多,便于電子的相互流動(dòng),因此電子材料必須由導(dǎo)電性佳的材質(zhì)制成。電子還有個(gè)特性,帶負(fù)電的電子容易受到正電壓的吸引,所謂同性相斥、異性相吸。又從愛迪生效應(yīng)中得知,當(dāng)加熱金屬物質(zhì)時(shí),活躍于質(zhì)子外圍的自由電子容易產(chǎn)生游離現(xiàn)象,溫度高導(dǎo)致電子活性增強(qiáng),此時(shí)若空間中有一正電壓強(qiáng)力吸引,游離的電子就會(huì)在空間中流動(dòng)。基於這幾個(gè)當(dāng)時(shí)已被了解的知識(shí),弗來(lái)明(J.A. Fleming)于1904年制造出第一支二極電子管,李德科士(De Forest Lee)將二極管加以改良,于1907年制造出第一支三極管,既然成功研發(fā)了二極管,電子管的應(yīng)用開始實(shí)現(xiàn),電子管的發(fā)展從此一日千里。
三極管是最基本的電子管7 ]) L+ K, ?; Z
" `$ ^" u3 O. T6 J[# x( u( x
電子管又稱「真空管」 (Vacuum Tube),代表玻璃瓶?jī)?nèi)部抽真空,以利于游離電子的流動(dòng),也可有效降低燈絲的氧化損耗。二極管、三極管、五極管,從字面意義代表電子管內(nèi)部基本「極」的數(shù)量。電子管擁有三個(gè)最基本的極,第一是「陰極」(Cathode,以K代表):陰極當(dāng)然是陰性的,它是釋放出電子流的地方,它可以是一塊金屬板或是燈絲本身,當(dāng)燈絲加熱金屬板時(shí),電子就會(huì)游離而出,散布在小小的真空玻璃瓶里。第二個(gè)極是「屏極」(Plate,以P代表),基本上它是電子管最外圍的金屬板,眼睛見到電子管最外層深灰色或黑色的金屬板,通常就是屏極。屏極連接正電壓,它負(fù)責(zé)吸引從陰極散發(fā)出來(lái)的電子(利用異性相吸的原理),作為電子游離旅行的終點(diǎn)。第三個(gè)極為「柵極」(Gird,以G代表),從構(gòu)造看來(lái),它猶如一圈圈的細(xì)線圈,就如同柵欄一般,固定在陰極與屏極之間,電子流必須通過(guò)柵極而到屏極,在柵極之間通電壓,可以控制電子的流量,它的作用就如同一個(gè)水龍頭一般,具有流通與阻擋的功能。6 u: F3 i* i" M
" j3 M9 T* b: K5 a
* o$ J/ J* P- _) n3 I
引擎運(yùn)轉(zhuǎn)必須要有燃料,電子管的工作動(dòng)力為電能。電子管的電極當(dāng)中,最重要的應(yīng)屬陰極,它負(fù)責(zé)將電子釋放出來(lái),作為一切工作的基礎(chǔ)。
最早的電子管由于構(gòu)造原理簡(jiǎn)單,直接將燈絲充當(dāng)陰極使用,換句話說(shuō),當(dāng)燈絲點(diǎn)亮?xí)r,由于燈絲溫度提高,電子就從燈絲釋放出來(lái),經(jīng)過(guò)柵極直奔屏極。這種電子管就叫“直熱式電子管”。 300B,就是屬于這種類型的電子管,相較於其他現(xiàn)代化的五極電子管, 300B 的構(gòu)造簡(jiǎn)單,輸出功率也低。4 O- c5 G/ I% i) GQ
燈絲(Filament)可以使用不同的材質(zhì)制成,由于直熱式三極管直接將燈絲當(dāng)作陰極,因此燈絲的特性直接影響著直熱式電子管的性能?;旧希娮庸艿臒艚z主要可分成三種材質(zhì)構(gòu)成,第一種當(dāng)然是耐高溫的鎢絲。將純度高的鎢絲抽成細(xì)絲,卷繞在電子管的最內(nèi)層,通電之後即可升高溫度。但鎢絲必須加溫到兩千多度時(shí),電子才能發(fā)散,因此以鎢絲制成燈絲的電子管點(diǎn)燃時(shí),會(huì)發(fā)出光輝耀眼的亮度,同時(shí)溫度高得嚇人。別意外,不是電子管要燒掉了,而是它本來(lái)如此!但將鎢絲點(diǎn)亮需要消耗較大的電力,優(yōu)點(diǎn)是鎢絲甚為耐用,普遍運(yùn)用于較大功率或長(zhǎng)壽命的電子管上。在某些情況下這種真空管的壽命可達(dá)數(shù)萬(wàn)小時(shí),拿來(lái)當(dāng)作家里的燈泡,既耐用又有裝飾的作用,一舉數(shù)得! 另一種燈絲采用釷鎢合金,它只須將燈絲加溫至一千多度即可工作,相較之下較省電力。最常使用的應(yīng)為氧化鹼土燈絲,它的作法是在燈絲外,涂上一層厚厚的氧化鹼土,看起來(lái)接近白灰色的物質(zhì),它只需要加溫至約70度(看起來(lái)約為暗紅色),即可獲得足量的電子,因此工作溫度最低、也最節(jié)省電力,一般而言只須供應(yīng)6.3V左右的直流,就可以正常工作。/ t* `" D, d* P+ V E* Y+ U! G
直熱式電子管當(dāng)然有它天生的優(yōu)點(diǎn),但卻有一個(gè)致命的缺點(diǎn),那就是陰極容易因燈絲的溫度變化而改變特性。當(dāng)燈絲電壓變動(dòng)時(shí),或以交流電供應(yīng)燈絲時(shí),陰極呈現(xiàn)在不穩(wěn)定的狀態(tài)下。因此有人主張直熱式電子管應(yīng)采用直流供電,也有人強(qiáng)調(diào)必須以交流供電以免損傷陰極,這種爭(zhēng)論過(guò)去在音響界早已成為一個(gè)爭(zhēng)論不休的話題。
旁熱式電子管的穩(wěn)定度較高 $ s% J0 `3 b+ Z7 G1 ~) j~
5 s2 Z5 `: A5 D; n* ]t8 }1 ~
為了解決直熱式電子管的燈絲問(wèn)題,電子管設(shè)計(jì)者決定讓燈絲與陰極分家獨(dú)立,在燈絲的旁邊套上一圈金屬套筒,讓燈絲直接對(duì)金屬板加熱,電子從金屬板散發(fā)出來(lái),這種加熱方式就稱為「旁熱式電子管」。
E4 E# a( I4 v8 e" H% D
如此,電子管似乎就穩(wěn)定許多了,由于金屬套筒的體積與儲(chǔ)熱量高高大于傳統(tǒng)的燈絲,因此即使燈絲暫時(shí)的溫度變動(dòng),甚至?xí)簳r(shí)幾秒的停止加熱,金屬板的溫度變化改變有限,這也就是為什么某些電子管機(jī)關(guān)機(jī)之後,它還能唱個(gè)十幾秒的主要原因。既然陰極與燈絲獨(dú)立,陰極板必須由燈絲間接加熱,于是燈絲再度改成鎢絲材質(zhì),以求耐久性,并在鎢絲外層涂上一層白磁,一方面絕緣,另一方面也有定型的效果。由于間接加熱效果較差,陰極金屬板上會(huì)涂上釷、鋇或其他有利于電子發(fā)散的物質(zhì)。也因此,電子管的金屬極板看起來(lái)總是灰黑色,不像正常的金屬板,也由于制作組裝時(shí)必須仰賴手工,因此金屬板上總會(huì)留下許多細(xì)小的刮痕,用家購(gòu)買電子管時(shí)不必意外擔(dān)心。
直熱式電子管與旁熱式電子管使用上的差異呢?對(duì)于一般使用者而言是不必在乎直熱式電子管與旁熱式電子管的不同,但對(duì)于設(shè)計(jì)者而言,旁熱式電子管由于間接加熱的關(guān)系,燈絲電流通常較大,而且旁熱式的結(jié)構(gòu)必須對(duì)陰極金屬板加溫,因此開機(jī)后有一段緩慢的加溫期,如果是前級(jí),則必須做好延時(shí)設(shè)計(jì),以免開機(jī)的脈沖傷了后級(jí)。
$ y
依據(jù)發(fā)展的過(guò)程來(lái)看,最早的電子管當(dāng)然是直熱式的設(shè)計(jì),二極管是首先被發(fā)展出來(lái)的,二極管的功能猶如現(xiàn)在的二極晶體管,具有整流以及收音機(jī)內(nèi)部檢波的功能,二極管經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì),也可以成為穩(wěn)壓管。由于電子管的工作原理很簡(jiǎn)單,因此第一支電子管被成功的制造出來(lái)之後,就有許多科學(xué)家加入研發(fā)的工作。第一支三極管在907年被一位美國(guó)科學(xué)家成功制造,從此便開啟了無(wú)線電時(shí)代的來(lái)臨,告別留聲機(jī),進(jìn)入擴(kuò)大機(jī)時(shí)代。.
評(píng)論