电子管的工作原理

2017-11-24 10:05:57 0评
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电子管的工作原理

  电子管的工作原理是什么?

  灯丝对阴极加热产生电子云,电子云在屏极高压下向屏极运动,在阴极与屏极间还有栅极,栅极电压的高低就控制了流向屏极电子量的多少。

  电子管的发明与盘尼西林以及轮胎的发现一样具有戏剧性:在实验室中靠近窗户几个未清洗的实验皿,不经意从窗外飘来一些霉菌落在实验皿上,科学家惊讶的发现某些落入实验皿中的霉菌,可以抑制坏菌的扩散与成长,加以实验分析之後这种霉菌就成为了有效且使用广泛的抗生素之一;同样的情景也发生在研究橡胶的实验中,偶然打破装在玻璃杯里的硫黄,倒入融化的橡胶液体中,凝固後橡胶变成了坚硬且颇富韧性的材质。电子管当然不是无缘无故做几片金属板封装在抽真空的玻璃瓶里进行实验的,它与发明大王爱迪生有著一段故事。当初爱迪生发明灯泡之後,发现他生产的灯泡灯丝老是从正极端烧断,于是进一步实验在灯泡中加入一块小金属板,点灯之後将金属板连接电表,分别施以正电压以及负电压,观察电流的情形。对于当时的科学而言,位于真空状态下且不连接的金属板,不论如何连接是不可能产生电流的,但怪事发生了,爱迪生发现某种物质(其实就是电子)会透过金属板,会从电池的负极腾空「跳」到正极,此发现当然激起更大的实验动机,此现象便称为「爱迪生效应」。这也是科学家首次质疑电流流动的方向,以及自由电子在空间中流动的现象。

  金属之所以能导电,就是因为金属的自由电子较多,便于电子的相互流动,因此电子材料必须由导电性佳的材质制成。电子还有个特性,带负电的电子容易受到正电压的吸引,所谓同性相斥、异性相吸。又从爱迪生效应中得知,当加热金属物质时,活跃于质子外围的自由电子容易产生游离现象,温度高导致电子活性增强,此时若空间中有一正电压强力吸引,游离的电子就会在空间中流动。基於这几个当时已被了解的知识,弗来明(J.A. Fleming)于1904年制造出第一支二极电子管,李德科士(De Forest Lee)将二极管加以改良,于1907年制造出第一支三极管,既然成功研发了二极管,电子管的应用开始实现,电子管的发展从此一日千里。(详见图1)

  电子管的工作原理

  三极管是最基本的电子管

  电子管又称「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,从字面意义代表电子管内部基本「极」的数量。电子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),基本上它是电子管最外围的金属板,眼睛见到电子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(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。

  电子管的工作原理

  最早的电子管由于构造原理简单,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。这种电子管就叫“直热式电子管”。 300B,就是属于这种类型的电子管,相较於其他现代化的五极电子管, 300B 的构造简单,输出功率也低。 直热式电子管当然有它天生的优点,但却有一个致命的缺点,那就是阴极容易因灯丝的温度变化而改变特性。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电子管应采用直流供电,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。

  旁热式电子管的稳定度较高

  为了解决直热式电子管的灯丝问题,电子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「旁热式电子管」。

  电子管的工作原理

  现在,我们更进一步来看看最简单的电子管工作原理。

  将一支电子管拆开之後,绘於附图之中,从图可知,当点亮灯丝,灯丝温度逐渐升高,虽然是真空状态,但灯丝温度以辐射热的方式传导至阴极金属板上,等到阴极金属板温度达到电子游离的温度时,电子就会从金属板飞奔而出。此时在电子是带负电的,在屏极加上正电压,电子就会受到吸引而朝屏极金属板飞过去,穿过栅极而形成一电子流。栅极犹如一个开关,当栅极不带电时,电子流会稳定的穿过栅极到达屏极,当在栅极上加入正电压,对于电子是吸引作用,可以增强电子流动的速度与动力;反之在栅极上加入负电压,同性相斥的原理电子必须绕道才能到达屏极,若栅极的结构庞大,则电子流有可能全数被阻隔。

  利用栅极可以轻易控制电子流的流量,将输入讯号连接在栅极上,并且加入适当的偏压,并且在屏极串上一个电阻,藉此即可达到讯号放大的目的。电子管也与晶体管一样,具有多种放大形式(事实上,晶体管的放大形式是从电子管延伸过来的应用),结合不同的电子材料如电阻、电感、变压器以及电容等,就可以创造出千变万化的电子产品。

  观察电子管的管壁内部可以看到一块类似水银的薄膜黏附在玻璃壁上,这是延长电子管寿命的设计。除了极少部份低压电子管外(并非指工作电压低,而是指电子管内部存在低压气体),大部分的电子管必须抽真空才能正常工作。电子管的接脚为金属脚,虽然以玻璃封装,但玻璃与金属接脚之间仍然有漏气的机会。玻璃管内的金属蒸镀物(即消气剂),会与气体进行作用,它存在的目的就在于吸收气体,以维持电子管内部的真空度。这一层薄薄的金属物氧化之後,会变成白色,表示电子管已经漏气不行了,所以若打破电子管时,这一层蒸镀物质也会变成白色,因此购买老电子管时,也要注意蒸镀物的情况,像水银一样的为佳,若开始苍白、剥落时,就表示这支电子管已经迈入老年了。

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