真空管的基本性质介绍

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)真空技术网整理 作者:剑气书生

真空管-三极管是最基本的真空管

           “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,从字面意义代表真空管内部基本“极”的数量。真空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),基本上它是真空管最外围的金属板,眼睛见到真空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(还记得吗?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。

         真空管光有三个极当然还不算完美,也因此后来的真空管不断改进,在结构上也有了许多的改进之道,以配合不同的放大方式(如超线性接法等),但该部份的内容已经脱离本文,暂不详述。

          引擎运转必须要有燃料,真空管的动作动力为电能。真空管的电极当中,最重要的应属阴极,它负责将电子释放出来,作为一切动作的基本。最早的真空管由于构造及理论简单,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。这种真空管就叫做“直热式真空管”。

         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着直热式真空管的性能。基本上,真空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,卷绕成状在真空管的最内层,通电之后即可发出温度。但钨丝的必须加温到两千余度时,电子才能发散,因此以钨丝制成灯丝的真空管点燃时,会发出光辉耀眼的亮度,同时温度高得吓人。别意外,不是真空管要烧掉了,而是它本如此!但将钨丝点亮需要消耗较大的电力,唯优点是钨丝甚为耐用,普遍运用于较大功率或长寿命的真空管上。笔者经常听到人说:“那支真空管点起来那么亮,一定两三下就挂点了”。其实并不然,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千余度即可工作,相较之下较省电力。最常使用的应为氧化碱土灯丝,它的作法是在灯丝外,涂上一层厚厚的氧化碱土,看起来接近白灰色的物质,它只需要加温至约700度(看起来约暗红色),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。

        直热式真空管当然有它天生的优点,但却有一个致命的缺点,那就是阴极容易受到灯丝的温度而改变特性。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真空管应采用直流供电,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。笔者无意在此引起话题,反正各方坚持各有道理,只要听起来没问题,管子耐用好听就行了。

真空管-傍热式真空管的稳定度较高

         为了解决直热式真空管的灯丝问题,真空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“傍热式真空管”。

         如此,真空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,甚至暂时几秒钟的停止加热,金属板的温度变化改变有限,这也就是为什么某些扩大机关机之后,它还能唱个十几秒钟的主要原因。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,真空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,用家购买真空管时不必意外担心。

         直热式真空管与傍热式真空管使用上的差异呢?对于一般使用者而言是不必在乎直热式真空管与傍热式真空管的不同,但对于设计者而言,傍热式真空管由于间接加热的关系,灯丝电流通常较大,而且傍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,则必须做好延迟设计,以免开机的脉冲伤了后级。

        依据发展的过程来看,最早的真空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体,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,作用如现在的济纳二极体(Zener Diode)。由于真空管的动作原理很简单,因此第一支真空管被成功的制造出来之后,就有许多科学家加入研发的工作。第一支三极管在1907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。

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