真空管的工作原理

現代的真空管共由4種基本構件組成：極對燈絲(Filament) (加熱用)、陰極(Cathode)、柵極(Grid)和陽(yáng)極(Anode)。當極對燈絲連上電壓對陰極加熱，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的信號，實(shí)現信號放大功能。在信號放大的同時(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(pán)尼西林以及輪胎的發(fā)現一樣具有戲劇性：在實(shí)驗室中靠近窗戶(hù)幾個(gè)未清洗的實(shí)驗皿，不經(jīng)意從窗外飄來(lái)一些霉菌落在實(shí)驗皿上，科學(xué)家驚訝的發(fā)現某些落入實(shí)驗皿中的霉菌，可以抑制壞菌的擴散與成長(cháng)，加以實(shí)驗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硬且頗富韌性的材質(zhì)。電子管當然不是無(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)驗的，它與發(fā)明大王愛(ài)迪生有著(zhù)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(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(guān)察電子流動(dòng)的方向，于是統一說(shuō)法，將電池的某一極設定為正極，其電壓為正電壓，電流由正極流至負極而形成一個(gè)封閉的回路。由於大家統一說(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)電子是由電池的負端流出來(lái)的」?。〒Q言之，電子是從擴大機的喇叭負端流出，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)家的結論行事就可以了。說(shuō)這一段就是因為當初愛(ài)迪生發(fā)明燈泡之後，發(fā)現他生產(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電壓，觀(guān)察電流的情形。

金屬之所以能導電，就是因為金屬的自由電子較多，便于電子的相互流動(dòng)，因此電子材料必須由導電性佳的材質(zhì)制成。電子還有個(gè)特性，帶負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)迪生效應中得知，當加熱金屬物質(zhì)時(shí)，活躍于質(zhì)子外圍的自由電子容易產(chǎn)生游離現象，溫度高導致電子活性增強，此時(shí)若空間中有一正電壓強力吸引，游離的電子就會(huì )在空間中流動(dòng)?；哆@幾個(gè)當時(shí)已被了解的知識，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，電子管的應用開(kāi)始實(shí)現，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(chēng)「真空管」 （Vacuum Tube），代表玻璃瓶?jì)炔砍檎婵?，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部基本「極」的數量。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，它負責吸引從陰極散發(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），從構造看來(lái)，它猶如一圈圈的細線(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。6 u: F3 i* i" M
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引擎運轉必須要有燃料，電子管的工作動(dòng)力為電能。電子管的電極當中，最重要的應屬陰極，它負責將電子釋放出來(lái)，作為一切工作的基礎。
最早的電子管由于構造原理簡(jiǎn)單，直接將燈絲充當陰極使用，換句話(huà)說(shuō)，當燈絲點(diǎn)亮時(shí)，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，相較於其他現代化的五極電子管， 300B 的構造簡(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作陰極，因此燈絲的特性直接影響著(zhù)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)構成，第一種當然是耐高溫的鎢絲。將純度高的鎢絲抽成細絲，卷繞在電子管的最內層，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，普遍運用于較大功率或長(cháng)壽命的電子管上。在某些情況下這種真空管的壽命可達數萬(wàn)小時(shí)，拿來(lái)當作家里的燈泡，既耐用又有裝飾的作用，一舉數得！ 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、也最節省電力，一般而言只須供應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。當燈絲電壓變動(dòng)時(shí)，或以交流電供應燈絲時(shí)，陰極呈現在不穩定的狀態(tài)下。因此有人主張直熱式電子管應采用直流供電，也有人強調必須以交流供電以免損傷陰極，這種爭論過(guò)去在音響界早已成為一個(gè)爭論不休的話(huà)題。
旁熱式電子管的穩定度較高 $ 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(wèn)題，電子管設計者決定讓燈絲與陰極分家獨立，在燈絲的旁邊套上一圈金屬套筒，讓燈絲直接對金屬板加熱，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」。

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如此，電子管似乎就穩定許多了，由于金屬套筒的體積與儲熱量高高大于傳統的燈絲，因此即使燈絲暫時(shí)的溫度變動(dòng)，甚至暫時(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關(guān)機之後，它還能唱個(gè)十幾秒的主要原因。既然陰極與燈絲獨立，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 )留下許多細小的刮痕，用家購買(mǎi)電子管時(shí)不必意外擔心。
直熱式電子管與旁熱式電子管使用上的差異呢？對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，但對于設計者而言，旁熱式電子管由于間接加熱的關(guān)系，燈絲電流通常較大，而且旁熱式的結構必須對陰極金屬板加溫，因此開(kāi)機后有一段緩慢的加溫期，如果是前級，則必須做好延時(shí)設計，以免開(kāi)機的脈沖傷了后級。
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依據發(fā)展的過(guò)程來(lái)看，最早的電子管當然是直熱式的設計，二極管是首先被發(fā)展出來(lái)的，二極管的功能猶如現在的二極晶體管，具有整流以及收音機內部檢波的功能，二極管經(jīng)過(guò)適當的設計，也可以成為穩壓管。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，進(jìn)入擴大機時(shí)代。.