什么是真空管

一切由電子開(kāi)始談起 江俊德

　　要說(shuō)在前面的，筆者才疏學(xué)淺，雖然略知電路設計的基礎與原里，但對於基礎電子學(xué)反而陌生，文中若有疏漏錯誤之處，尚請先進(jìn)不吝指正。電子元件本來(lái)就是一項專(zhuān)精的電子物理學(xué)，利用材質(zhì)以及結構上的特性，對電形成不同的反應。例如，利用兩片緊貼但不接觸的金屬 薄板，就可以形成電容；利用以矽為主的材質(zhì)，經(jīng)過(guò)適當的制程，就可以變成半導體如二極體、電晶體以及IC等；將銅線(xiàn)以絕緣漆封裝形成漆包線(xiàn)，將漆包線(xiàn)卷起來(lái)就形成電感、加入鐵芯則成為變壓器、并接在一起就是李玆線(xiàn)。還有其他諸多電子元件，其實(shí)都是架構在基礎物理現象上的精巧設計。

　　真空管的發(fā)明就與盤(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)一些黴菌落在實(shí)驗皿上，科學(xué)家驚訝的發(fā)現某些落入實(shí)驗皿中的黴菌，可以抑制壞菌的擴散與成長(cháng)，加以實(shí)驗分析之后這種黴菌就成為了有效且使用廣泛的抗生素之一；同樣也發(fā)生在實(shí)驗室中的情景，正在研究橡膠的實(shí)驗中，不經(jīng)意打破裝在玻璃杯里的硫黃，倒入融化的橡膠液體中，凝固后橡膠變成了堅硬且頗富韌性的材質(zhì).真空管當然不是無(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，它的發(fā)展與發(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

　　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，於是統一說(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)察之后遂推翻了之前的說(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）

　　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)明燈泡之后，發(fā)現他生產(chǎn)的燈泡燈絲老是從正極端燒斷，於是進(jìn)一步實(shí)驗在燈泡中加入一塊小金屬板，點(diǎn)燈之后將金屬板連接電表，分別施以正電壓以及負電壓，觀(guān)察電流的情形。

　　對於當時(shí)的科學(xué)而言，位於真空狀態(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 )從電池的負極騰空「跳」到正極，此發(fā)現當然激起更大的實(shí)驗動(dòng)機，此現象便稱(chēng)為「愛(ài)迪生效應」。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)的現象。

　　金屬之所以能導電，就是因為金屬的自由電子較多，便於電子的相互流動(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)，活躍於質(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，佛來(lái)明（J.A. Fleming）於1904年制造出第一支二極真空管，李德科士（De Forest Lee）將二極管加以改良，於1907年制造出第一支三極管，既然成功研發(fā)了三極管，真空管的應用開(kāi)始實(shí)現，真空管的發(fā)展從此一日千里。

三極管是最基本的真空管

　　「真空管」（Vacuum Tube），代表玻璃瓶?jì)炔砍檎婵?，以利於游離電子的流動(dòng)，也可有效降低燈絲的氧化損耗。二極管、三極管、五極管，從字面意義代表真空管內部基本「極」的數量。真空管擁有三個(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，散佈在小小的真空玻璃瓶里.第二個(gè)極是「屏極」（Plate，以P代表），基本上它是真空管最外圍的金屬板，眼睛見(jiàn)到真空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（還記得嗎？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。

　　真空管光有三個(gè)極當然還不算完美，也因此后來(lái)的真空管不斷改進(jìn)，在結構上也有了許多的改進(jìn)之道，以配合不同的放大方式（如超線(xiàn)性接法等），但該部份的內容已經(jīng)脫離本文，暫不詳述。

　　引擎運轉必須要有燃料，真空管的動(dòng)作動(dòng)力為電能。真空管的電極當中，最重要的應屬陰極，它負責將電子釋放出來(lái)，作為一切動(dòng)作的基本。最早的真空管由於構造及理論簡(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)，由於燈絲溫度提高，電子就從燈絲釋放出來(lái)，經(jīng)過(guò)柵極直奔屏極.這種真空管就叫做「直熱式真空管」，這次專(zhuān)題的主角300B，就是屬於這類(lèi)型的真空管，相較於其他現代化的五極真空管，300B的構造簡(jiǎn)單，性能陽(yáng)春，輸出功率也低。

　　燈絲（Filament）可以使用不同的材質(zhì)制成，由於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)直熱式真空管的性能?；旧?，真空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，卷繞成狀在真空管的最內層，通電之后即可發(fā)出溫度。但鎢絲的必須加溫到兩千余度時(shí)，電子才能發(fā)散，因此以鎢絲制成燈絲的真空管點(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，不是真空管要燒掉了，而是它本如此！但將鎢絲點(diǎn)亮需要消耗較大的電力，唯優(yōu)點(diǎn)是鎢絲甚為耐用，普遍運用於較大功率或長(cháng)壽命的真空管上。筆者經(jīng)常聽(tīng)到人說(shuō)：「那支真空管點(diǎn)起來(lái)那么亮，一定兩三下就掛點(diǎn)了」。其實(shí)并不然，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！

　　另一種燈絲採用釷鎢合金，它只須將燈絲加溫至千余度即可工作，相較之下較省電力。最常使用的應為氧化堿土燈絲，它的作法是在燈絲外，涂上一層厚厚的氧化堿土，看起來(lái)接近白灰色的物質(zhì)，它只需要加溫至約700度（看起來(lái)約暗紅色），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。

　　直熱式真空管當然有它天生的優(yōu)點(diǎn)，但卻有一個(gè)致命的缺點(diǎn)，那就是陰極容易受到燈絲的溫度而改變特性。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真空管應採用直流供電，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.筆者無(wú)意在此引起話(huà)題，反正各方堅持各有道理，只要聽(tīng)起來(lái)沒(méi)問(wèn)題，管子耐用好聽(tīng)就行了。如果您有研究上的心得，筆者相當樂(lè )於接受。

傍熱式真空管的穩定度較高

　　為了解決直熱式真空管的燈絲問(wèn)題，真空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「傍熱式真空管」。

　　如此，真空管似乎就穩定許多了，由於金屬套筒的體積與儲熱量高高大於傳統的燈絲，因此即使燈絲暫時(shí)的溫度變動(dòng)，甚至暫時(shí)幾秒鐘的停止加熱，金屬板的溫度變化改變有限，這也就是為什么某些擴大機關(guān)機之后，它還能唱個(gè)十幾秒鐘的主要原因。既然陰極與燈絲獨立，陰極板必須由燈絲間接加熱，於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。由於間接加熱效果較差，陰極金屬板上會(huì )涂上釷、鋇或其他有利於電子發(fā)散的物質(zhì).也因此，真空管的金屬極板看起來(lái)總是灰黑色，不像正常的金屬板，也由於制作組裝時(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)真空管時(shí)不必意外擔心。

　　直熱式真空管與傍熱式真空管使用上的差異呢？對於一般使用者而言是不必在乎直熱式真空管與傍熱式真空管的不同，但對於設計者而言，傍熱式真空管由於間接加熱的關(guān)系，燈絲電流通常較大，而且傍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，則必須做好延遲設計，以免開(kāi)機的脈沖傷了后級。

　　依據發(fā)展的過(guò)程來(lái)看，最早的真空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體，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，作用如現在的濟納二極體（Zener Diode）。由於真空管的動(dòng)作原理很簡(jiǎn)單，因此第一支真空管被成功的制造出來(lái)之后，就有許多科學(xué)家加入研發(fā)的工作。第一支三極管在1907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。

真空管的工作原理

　　現在，我們更進(jìn)一步來(lái)看看最簡(jiǎn)單的真空管工作原理。

　　整理一下剛剛所述，真空管具有幾個(gè)極，由最內層到最外層分別為：燈絲，陰極，柵極，屏極.將一支真空管拆開(kāi)之后，繪於附圖之中，從圖可知，當點(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至陰極金屬板上，等到陰極金屬板溫度達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。剛剛說(shuō)到柵極猶如一個(gè)開(kāi)關(guān)，當柵極不帶電時(shí)，電子流會(huì )穩定的穿過(guò)柵極到達屏極，當在柵極上加入正電壓，對於電子是吸引作用，可以增強電子流動(dòng)的速度與動(dòng)力；反之在柵極上加入負電壓，同性相斥的原理電子必須繞道才能到達屏極，若柵極的結構龐大，則電子流有可能全數被阻隔。

　　利用柵極可以輕易控制電子流的流量，將輸入訊號連接在柵極上，并且加入適當的偏壓，并且在屏極串上一個(gè)電阻，藉此即可達到訊號放大的目的。真空管也與電晶體一樣，具有多種放大組態(tài)（事實(shí)上，電晶體的放大組態(tài)是從真空管延伸過(guò)來(lái)的應用），結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 )造出千變萬(wàn)化的電子產(chǎn)品。別忘了，第一部電腦可是使用真空管制成的，當然，它只能做簡(jiǎn)單的加減運算。

　　至此，真空管的基本工作原理已經(jīng)報告完畢，還缺少了什么？請觀(guān)察一下真空管的管壁內部，有一塊類(lèi)似水銀的薄膜黏附在玻璃壁上，這是延長(cháng)真空管壽命的設計。除了極少部份低壓真空管外（并非指工作電壓低，而是指真空管內部存在低壓氣體），大部分的真空管必須抽真空才能正常工作。真空管的接腳為金屬腳，雖然以玻璃封裝，但玻璃與金屬接腳之間仍然有漏氣的機會(huì )。玻璃管內的金屬蒸鍍物（即消氣劑），會(huì )與氣體進(jìn)行作用，它存在的目的就在於吸收氣體，以維持真空管內部的真空度。這一層薄薄的金屬物氧化之后，會(huì )變成白色，表示真空管已經(jīng)漏氣不行了，所以若打破真空管時(shí)，這一層蒸鍍物質(zhì)也會(huì )變成白色。因此購買(mǎi)老真空管時(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)，就表示這支真空管已經(jīng)邁入老年了。

　　使用300B真空管的用家一定有一個(gè)經(jīng)驗，將擴大機電源打開(kāi)，室內燈光熄滅，此時(shí)300B的燈絲會(huì )發(fā)出昏黃的光線(xiàn)，同時(shí)在真空管的頂端，有時(shí)候會(huì )出現像極光一樣的神秘藍光。藍光看起來(lái)是綿細的、柔軟的，略帶一些神秘。它像極光一樣，有時(shí)會(huì )扭曲飄動(dòng)，似有若無(wú)的在真空管內發(fā)亮。第一次見(jiàn)到藍光的人不免對它產(chǎn)生好奇，有人說(shuō)它無(wú)所謂，也有人說(shuō)它是不正常的現象，基本上藍光的產(chǎn)生基於幾個(gè)因素。1.內部有低壓氣體.2.真空管設計或制造不良。3.屏極電壓過(guò)高。

　　藍光的主要來(lái)源仍然是電子，當屏極的設計包覆不良，無(wú)法吸引電子流吸附在屏極金屬板上，就會(huì )讓電子到處流竄，真空管見(jiàn)到的藍光就是電子在真空管內流竄的結果。藍光看起來(lái)美麗，卻有可能產(chǎn)生輻射，不過(guò)筆者并不確定是否對人體有傷害。藍光的出現也與真空管廠(chǎng)牌有極大的關(guān)系，大陸管以及蘇聯(lián)管Sovtek出現藍光的機會(huì )大於其他，而我自己使用的三部300B擴大機，使用四支大陸管與兩支WE300B，只有大陸管會(huì )發(fā)出藍光，久了也就視為正常了。

　　1916年為有線(xiàn)電話(huà)用途制作的三極管，它是構造最簡(jiǎn)單的直熱式三極管，一根發(fā)亮的燈絲，如柵欄狀的柵極介於燈絲與屏極之間，而屏極位於最下方，就是一塊金屬片。