真空管的工作原理

真空管的工作原理

现代的真空管共由4种基本构件组成：极对灯丝(Filament) (加热用)、阴极(Cathode)、栅极(Grid)和阳极(Anode)。当极对灯丝连上电压对阴极加热，激发阴极电子通过栅极打在阳极上。通过这样的电子流，电子管可以将较小的交流电放大成较强的信号，实现信号放大功能。在信号放大的同时，通过控制栅极电压可以控制电子流量，因而获得所需的电子特性.

电子管的发明与盘尼西林以及轮胎的发现一样具有戏剧性：在实验室中靠近窗户几个未清洗的实验皿，不经意从窗外飘来一些霉菌落在实验皿上，科学家惊讶的发现某些落入实验皿中的霉菌，可以抑制坏菌的扩散与成长，加以实验分析之後这种霉菌就成为了有效且使用广泛的抗生素之一；同样的情景也发生在研究橡胶的实验中，偶然打破装在玻璃杯里的硫黄，倒入融化的橡胶液体中，凝固後橡胶变成了坚硬且颇富韧性的材质。电子管当然不是无缘无故做几片金属板封装在抽真空的玻璃瓶里进行实验的，它与发明大王爱迪生有著一段故事。
电流与电子流动的方向恰巧相反
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  在此之前试问一个小问题：电路分析上电流的方向与实际上流动的方向是否相同？答案是否定的，电流与电子流的方向是恰巧相反的。过去的科学家无法观察电子流动的方向，于是统一说法，将电池的某一极设定为正极，其电压为正电压，电流由正极流至负极而形成一个封闭的回路。由於大家统一说法与作法，因此多年来并没有发生任何冲突之事，直到了近代科学家有了更精良的设备，观察之後遂推翻了之前的说法：「原来电子是由电池的负端流出来的」！（换言之，电子是从扩大机的喇叭负端流出，而从喇叭正端回流的）
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  身为使用者并不需要在意何者为真，只要按照科学家的结论行事就可以了。说这一段就是因为当初爱迪生发明灯泡之後，发现他生产的灯泡灯丝老是从正极端烧断，于是进一步实验在灯泡中加入一块小金属板，点灯之後将金属板连接电表，分别施以正电压以及负电压，观察电流的情形。

金属之所以能导电，就是因为金属的自由电子较多，便于电子的相互流动，因此电子材料必须由导电性佳的材质制成。电子还有个特性，带负电的电子容易受到正电压的吸引，所谓同性相斥、异性相吸。又从爱迪生效应中得知，当加热金属物质时，活跃于质子外围的自由电子容易产生游离现象，温度高导致电子活性增强，此时若空间中有一正电压强力吸引，游离的电子就会在空间中流动。基於这几个当时已被了解的知识，弗来明（J．A. Fleming）于1904年制造出第一支二极电子管，李德科士（De Forest Lee）将二极管加以改良，于1907年制造出第一支三极管，既然成功研发了二极管，电子管的应用开始实现，电子管的发展从此一日千里。  

三极管是最基本的电子管7 ]) L+ K, ?; Z
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  电子管又称「真空管」 （Vacuum Tube），代表玻璃瓶内部抽真空，以利于游离电子的流动，也可有效降低灯丝的氧化损耗。二极管、三极管、五极管，从字面意义代表电子管内部基本「极」的数量。电子管拥有三个最基本的极，第一是「阴极」（Cathode,以K代表）：阴极当然是阴性的，它是释放出电子流的地方，它可以是一块金属板或是灯丝本身，当灯丝加热金属板时，电子就会游离而出，散布在小小的真空玻璃瓶里。第二个极是「屏极」（Plate，以P代表），基本上它是电子管最外围的金属板，眼睛见到电子管最外层深灰色或黑色的金属板，通常就是屏极。屏极连接正电压，它负责吸引从阴极散发出来的电子（利用异性相吸的原理），作为电子游离旅行的终点。第三个极为「栅极」（Gird,以G代表），从构造看来，它犹如一圈圈的细线圈，就如同栅栏一般，固定在阴极与屏极之间，电子流必须通过栅极而到屏极，在栅极之间通电压，可以控制电子的流量，它的作用就如同一个水龙头一般，具有流通与阻挡的功能。6 u: F3 i* i" M
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 引擎运转必须要有燃料，电子管的工作动力为电能。电子管的电极当中，最重要的应属阴极，它负责将电子释放出来，作为一切工作的基础。
最早的电子管由于构造原理简单，直接将灯丝充当阴极使用，换句话说，当灯丝点亮时，由于灯丝温度提高,电子就从灯丝释放出来,经过栅极直奔屏极。这种电子管就叫“直热式电子管”。 300B，就是属于这种类型的电子管，相较於其他现代化的五极电子管， 300B 的构造简单，输出功率也低。4 O- c5 G/ I% i) G  Q

 灯丝（Filament）可以使用不同的材质制成，由于直热式三极管直接将灯丝当作阴极，因此灯丝的特性直接影响著直热式电子管的性能。基本上，电子管的灯丝主要可分成三种材质构成，第一种当然是耐高温的钨丝。将纯度高的钨丝抽成细丝，卷绕在电子管的最内层，通电之後即可升高温度。但钨丝必须加温到两千多度时，电子才能发散，因此以钨丝制成灯丝的电子管点燃时，会发出光辉耀眼的亮度，同时温度高得吓人。别意外，不是电子管要烧掉了，而是它本来如此！但将钨丝点亮需要消耗较大的电力，优点是钨丝甚为耐用，普遍运用于较大功率或长寿命的电子管上。在某些情况下这种真空管的寿命可达数万小时，拿来当作家里的灯泡，既耐用又有装饰的作用，一举数得！ 另一种灯丝采用钍钨合金，它只须将灯丝加温至一千多度即可工作，相较之下较省电力。最常使用的应为氧化硷土灯丝，它的作法是在灯丝外，涂上一层厚厚的氧化硷土，看起来接近白灰色的物质，它只需要加温至约70度（看起来约为暗红色），即可获得足量的电子，因此工作温度最低、也最节省电力，一般而言只须供应6.3V左右的直流，就可以正常工作。/ t* `" D, d* P+ V& E* Y+ U! G
直热式电子管当然有它天生的优点，但却有一个致命的缺点，那就是阴极容易因灯丝的温度变化而改变特性。当灯丝电压变动时，或以交流电供应灯丝时，阴极呈现在不稳定的状态下。因此有人主张直热式电子管应采用直流供电，也有人强调必须以交流供电以免损伤阴极，这种争论过去在音响界早已成为一个争论不休的话题。
旁热式电子管的稳定度较高 $ s% J0 `3 b+ Z7 G1 ~) j  ~
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  为了解决直热式电子管的灯丝问题，电子管设计者决定让灯丝与阴极分家独立，在灯丝的旁边套上一圈金属套筒，让灯丝直接对金属板加热，电子从金属板散发出来，这种加热方式就称为「旁热式电子管」。

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如此，电子管似乎就稳定许多了，由于金属套筒的体积与储热量高高大于传统的灯丝，因此即使灯丝暂时的温度变动，甚至暂时几秒的停止加热，金属板的温度变化改变有限，这也就是为什么某些电子管机关机之後，它还能唱个十几秒的主要原因。既然阴极与灯丝独立，阴极板必须由灯丝间接加热，于是灯丝再度改成钨丝材质，以求耐久性，并在钨丝外层涂上一层白磁，一方面绝缘，另一方面也有定型的效果。由于间接加热效果较差，阴极金属板上会涂上钍、钡或其他有利于电子发散的物质。也因此，电子管的金属极板看起来总是灰黑色，不像正常的金属板，也由于制作组装时必须仰赖手工，因此金属板上总会留下许多细小的刮痕，用家购买电子管时不必意外担心。
 直热式电子管与旁热式电子管使用上的差异呢？对于一般使用者而言是不必在乎直热式电子管与旁热式电子管的不同，但对于设计者而言，旁热式电子管由于间接加热的关系，灯丝电流通常较大，而且旁热式的结构必须对阴极金属板加温，因此开机后有一段缓慢的加温期，如果是前级，则必须做好延时设计，以免开机的脉冲伤了后级。
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  依据发展的过程来看，最早的电子管当然是直热式的设计，二极管是首先被发展出来的，二极管的功能犹如现在的二极晶体管，具有整流以及收音机内部检波的功能，二极管经过适当的设计，也可以成为稳压管。由于电子管的工作原理很简单，因此第一支电子管被成功的制造出来之後，就有许多科学家加入研发的工作。第一支三极管在907年被一位美国科学家成功制造，从此便开启了无线电时代的来临，告别留声机，进入扩大机时代。.