一切由電子開(kāi)始談起 。三極管工作原理 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;利用以硅為主的材質(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。
電流與電子流動(dòng)
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,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。由于大家統一說(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)
真空管愛(ài)迪生效應
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,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。
對于當時(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。
真空管真空管的誕生
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
真空管壓的吸引,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)?;谶@幾個(gè)當時(shí)已被了解的知識,佛來(lái)明(J.A. Fleming)于1904年制造出第一支二極真空管,德福雷斯特(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。
真空管真空管編輯
三極管是最基本的真空管
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”(Grid,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。
真空管發(fā)展史編輯
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。最早的真空管由于構造及理論簡(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。這種真空管就叫做“直熱式真空管”,這次專(zhuān)題的主角300B,就是屬于這類(lèi)型的真空管,相較于其他現代化的五極真空管,300B的構造簡(jiǎn)單,性能好,輸出功率也低。
真空管直熱式
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
直熱式真空管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,唯一的優(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!
另一種燈絲采用釷鎢合金,它只需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。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 )于接受。
真空管傍熱式
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”。
真空管進(jìn)一步發(fā)展
如此,真空管似乎就穩定許多了,由于金屬套筒的體積與儲熱量遠大于傳統的燈絲,因此即使燈絲暫時(shí)的溫度變動(dòng),甚至暫時(shí)幾秒鐘的停止加熱,金屬板的溫度變化也有限,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,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,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
真空管工作原理刮痕,用家購買(mǎi)真空管時(shí)不必意外擔心。
電流與電子流動(dòng)
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,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。由于大家統一說(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)
真空管愛(ài)迪生效應
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,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。
對于當時(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。
真空管真空管的誕生
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
真空管壓的吸引,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)?;谶@幾個(gè)當時(shí)已被了解的知識,佛來(lái)明(J.A. Fleming)于1904年制造出第一支二極真空管,德福雷斯特(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。
真空管真空管編輯
三極管是最基本的真空管
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”(Grid,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。
真空管發(fā)展史編輯
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。最早的真空管由于構造及理論簡(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。這種真空管就叫做“直熱式真空管”,這次專(zhuān)題的主角300B,就是屬于這類(lèi)型的真空管,相較于其他現代化的五極真空管,300B的構造簡(jiǎn)單,性能好,輸出功率也低。
真空管直熱式
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
直熱式真空管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,唯一的優(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!
另一種燈絲采用釷鎢合金,它只需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。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 )于接受。
真空管傍熱式
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”。
真空管進(jìn)一步發(fā)展
如此,真空管似乎就穩定許多了,由于金屬套筒的體積與儲熱量遠大于傳統的燈絲,因此即使燈絲暫時(shí)的溫度變動(dòng),甚至暫時(shí)幾秒鐘的停止加熱,金屬板的溫度變化也有限,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,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,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
真空管工作原理刮痕,用家購買(mǎi)真空管時(shí)不必意外擔心。
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