電子管,電子管是怎樣工作的

　　10.內(nèi)阻: kΩ。

電子管的發(fā)明與盤(pán)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(hù)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(ài)迪生有著一段故事。
電流與電子流動(dòng)的方向恰巧相反

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「電子」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(guān)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(méi)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(guān)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」?。〒Q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）

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(ài)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(guān)察電流的情形。

對(duì)于當(dāng)時(shí)的科學(xué)而言，位于真空狀態(tài)下且不連接的金屬板，不論如何連接是不可能產(chǎn)生電流的，但怪事發(fā)生了，愛(ài)迪生發(fā)現(xiàn)某種物質(zhì)（其實(shí)就是電子）會(huì)透過(guò)金屬板，會(huì)從電池的負(fù)極騰空「跳」到正極，此發(fā)現(xiàn)當(dāng)然激起更大的實(shí)驗(yàn)動(dòng)機(jī)，此現(xiàn)象便稱(chēng)為「愛(ài)迪生效應(yīng)」。這也是科學(xué)家首次質(zhì)疑電流流動(dòng)的方向，以及自由電子在空間中流動(dòng)的現(xiàn)象。

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(ài)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(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(kāi)始實(shí)現(xiàn)，電子管的發(fā)展從此一日千里。(詳見(jiàn)圖1)

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三極管是最基本的電子管

電子管又稱(chēng)「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(jiàn)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(xiàn)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。

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(huà)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(lèi)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。

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(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。

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(huà)題。

旁熱式電子管的穩(wěn)定度較高

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(chēng)為「旁熱式電子管」。

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(lài)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(mǎi)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(kāi)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(kāi)機(jī)的脈沖傷了后級(jí)。

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l907年被一位美國(guó)科學(xué)家成功制造，從此便開(kāi)啟了無(wú)線(xiàn)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。

電子管的工作原理

現(xiàn)在，我們更進(jìn)一步來(lái)看看最簡(jiǎn)單的電子管工作原理。

將一支電子管拆開(kāi)之後，繪於附圖之中，從圖可知，當(dāng)點(diǎn)亮燈絲，燈絲溫度逐漸升高，雖然是真空狀態(tài)，但燈絲溫度以輻射熱的方式傳導(dǎo)至陰極金屬板上，等到陰極金屬板溫度達(dá)到電子游離的溫度時(shí)，電子就會(huì)從金屬板飛奔而出。此時(shí)在電子是帶負(fù)電的，在屏極加上正電壓，電子就會(huì)受到吸引而朝屏極金屬板飛過(guò)去，穿過(guò)柵極而形成一電子流。柵極猶如一個(gè)開(kāi)關(guān)，當(dāng)柵極不帶電時(shí)，電子流會(huì)穩(wěn)定的穿過(guò)柵極到達(dá)屏極，當(dāng)在柵極上加入正電壓，對(duì)于電子是吸引作用，可以增強(qiáng)電子流動(dòng)的速度與動(dòng)力；反之在柵極上加入負(fù)電壓，同性相斥的原理電子必須繞道才能到達(dá)屏極，若柵極的結(jié)構(gòu)龐大，則電子流有可能全數(shù)被阻隔。

利用柵極可以輕易控制電子流的流量，將輸入訊號(hào)連接在柵極上，并且加入適當(dāng)?shù)钠珘?，并且在屏極串上一個(gè)電阻，藉此即可達(dá)到訊號(hào)放大的目的。電子管也與晶體管一樣，具有多種放大形式（事實(shí)上，晶體管的放大形式是從電子管延伸過(guò)來(lái)的應(yīng)用），結(jié)合不同的電子材料如電阻、電感、變壓器以及電容等，就可以創(chuàng)造出千變?nèi)f化的電子產(chǎn)品。

觀(guān)察電子管的管壁內(nèi)部可以看到一塊類(lèi)似水銀的薄膜黏附在玻璃壁上，這是延長(zhǎng)電子管壽命的設(shè)計(jì)。除了極少部份低壓電子管外（并非指工作電壓低，而是指電子管內(nèi)部存在低壓氣體），大部分的電子管必須抽真空才能正常工作。電子管的接腳為金屬腳，雖然以玻璃封裝，但玻璃與金屬接腳之間仍然有漏氣的機(jī)會(huì)。玻璃管內(nèi)的金屬蒸鍍物（即消氣劑），會(huì)與氣體進(jìn)行作用，它存在的目的就在于吸收氣體，以維持電子管內(nèi)部的真空度。這一層薄薄的金屬物氧化之後，會(huì)變成白色，表示電子管已經(jīng)漏氣不行了，所以若打破電子管時(shí)，這一層蒸鍍物質(zhì)也會(huì)變成白色，因此購(gòu)買(mǎi)老電子管時(shí)，也要注意蒸鍍物的情況，像水銀一樣的為佳，若開(kāi)始蒼白、剝落時(shí)，就表示這支電子管已經(jīng)邁入老年了。

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