真空管的工作原理

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)陰極電子通過柵極打在陽極上。通過這樣的電子流，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，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)然不是無緣無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
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  在此之前試問一個(gè)小問題：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。過去的科學(xué)家無法觀察電子流動(dòng)的方向，于是統(tǒng)一說法，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)一說法與作法，因此多年來并沒有發(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法：「原來電子是由電池的負(fù)端流出來的」！（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）
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  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)?；哆@幾個(gè)當(dāng)時(shí)已被了解的知識(shí)，弗來明（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
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  電子管又稱「真空管」 （Vacuum Tube），代表玻璃瓶內(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，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
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 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，作為一切工作的基礎(chǔ)。
最早的電子管由于構(gòu)造原理簡單，直接將燈絲充當(dāng)陰極使用，換句話說，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,經(jīng)過柵極直奔屏極。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)造簡單，輸出功率也低。4 O- c5 G/ I% i) G  Q

 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?，電子管的燈絲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)萬小時(shí)，拿來當(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，看起來接近白灰色的物質(zhì)，它只需要加溫至約70度（看起來約為暗紅色），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，這種爭論過去在音響界早已成為一個(gè)爭論不休的話題。
旁熱式電子管的穩(wěn)定度較高 $ s% J0 `3 b+ Z7 G1 ~) j  ~
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  為了解決直熱式電子管的燈絲問題，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，這種加熱方式就稱為「旁熱式電子管」。

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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)。
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  依據(jù)發(fā)展的過程來看，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單，因此第一支電子管被成功的制造出來之後，就有許多科學(xué)家加入研發(fā)的工作。第一支三極管在907年被一位美國科學(xué)家成功制造，從此便開啟了無線電時(shí)代的來臨，告別留聲機(jī)，進(jìn)入擴(kuò)大機(jī)時(shí)代。.