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電子管的原理

電子管在晶體管出現之前在音頻應用與功率放大方面一直處于絕對統治的地位。隨著技術的進步,出現了性能更為優越的晶體管。在進入上個世紀60年代末,電子管被逐步的淘汰。但電子管并沒有就此走下歷史的舞臺。目前在一些高保真的音響器材中,仍然使用低噪聲、穩定系數高的電子管作為音頻功率放大器件。在國內外,電子管放大器有時甚至是一種身份的象征。

圖 電子管
 
電子管的發展歷史
電子管的出現必須從1883年開始說起。1883年發明家愛迪生在發明白熾燈的同時發現了一個奇特的現象,金屬片雖然沒有與燈絲接觸,但如果在它們之間加上電壓,燈絲就會產生一股電流,趨向附近的金屬片。這股神秘的電流是從哪里來的?愛迪生也無法解釋,但他不失時機地將這一發明注冊了專利,并稱之為“愛迪生效應”。 1904年世界上第一只電子管在英國物理學家弗萊明的手下誕生了。弗萊明為此獲得了這項發明的專利權。人類第一只電子管的誕生,標志著世界從此進入了電子時代。1906年,貧困潦倒的美國發明家德福雷斯特,在二極管的燈絲和板極之間巧妙地加了一個柵板,從而發明了第一只真空三極管。這一小小的改動,竟帶來了意想不到的結果。它不僅反應更為靈敏、能夠發出音樂或聲音的振動,而且,集檢波、放大和振蕩三種功能于一體。
 
 
電子管存在的價值
由于電子管體積大、功耗大、發熱厲害、壽命短、電源利用效率低、結構脆弱而且需要高壓電源的缺點,它的絕大部分用途已經被固體器件和晶體管所取代。優點:1電子管負載能力強2線性性能優于晶體管3工作頻率高4高頻大功率領域的工作特性要比晶體管更好。在高保真音頻領域,電子管仍有其不可替代的作用。
 
電子管的結構
電子管擁有三個最基本的極,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,電子就會游離而出,散布在小小的真空玻璃瓶里。第二個極是「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出來的電子(利用異性相吸的原理),作為電子游離旅行的終點。第三個極為「柵極」(Gird,以G代表),從構造看來,它猶如一圈圈的細線圈,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水龍頭一般,具有流通與阻擋的功能。電子管的結構如下圖所示。
 

圖 電子管的結構
 
電子管的工作原理
當點亮燈絲,燈絲溫度逐漸升高,雖然是真空狀態,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,電子就會從金屬板飛奔而出。此時在電子是帶負電的,在屏極加上正電壓,電子就會受到吸引而朝屏極金屬板飛過去,穿過柵極而形成一電子流。柵極猶如一個開關,當柵極不帶電時,電子流會穩定的穿過柵極到達屏極,當在柵極上加入正電壓,對于電子是吸引作用,可以增強電子流動的速度與動力;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電阻,藉此即可達到訊號放大的目的。電子管也與晶體管一樣,具有多種放大形式
 
電子管的分類
1按用途分類
按其用途的不同可分為電壓放大管、功率放大管、充氣管、閘流管、引燃管、變頻管、整流管、檢波管、調諧指示管(電眼)、穩壓管等。
 
2按電極數分類
電子管按其電極數的不同可分為電壓放大管、三極管、四極管、五極管、六極管、七極管、八極管、九極管和復合管等。三極以上的電管又稱為多極管或多柵管。
 
3按外形分類
電子管按其外形及外殼材料可分為瓶形玻璃管(ST管)、“橡實”管、筒形玻璃管(GT管)、大型玻璃管(G式管)、金屬瓷管、小型管(也稱花生管或指形管、MT管)、塔形管(燈塔管)、超小型管(鉛筆形管)等多種。
 
4按內部結構分類
電子管按其內部結構可分為單二極管、二極管、雙二極三極管、雙二極管極管、單三極管、功率五極管、束射四極管、束射五極管、雙一極管、二極——五極復合管、又束射四極管、三極-五極復合管、三極-六極復合管、三極-七極復合管、束射功率各處室等多種類型。
 
5按陰極的加熱方式分類
電子管按陰極的加熱方式可分為直熱式陰極電子管(電流直接通過陰極使其達到熱電子發射狀態)和旁熱式陰極電子管(通過陰極旁的燈絲加熱陰極)。
 
6按屏蔽方式分類
電子管按屏蔽方式可分為銳截止屏蔽電子管和遙截止屏蔽電子管。
 
7按冷卻方式分類
電子管按冷卻方式可分為水冷式電子管、風冷式電子管和自然冷卻式電子管。
 
現今電子管的主要應用領域
晶體管以其優異的性能,逐漸替代了電子管?,F今已經基本很難看見電子管的蹤跡了。但在音頻功放方面,電子管始終占有著一席之地。并且在發燒級的音響設備中,電子管是必不可少的元件。
晶體管功放聽起來高頻、中高頻有偏多感覺,低頻感覺偏少,晶體管功放聽起來聲音較硬,特別是低頻聲不夠柔和,而高頻聲又顯得尖刺、發燥,聽起來有時感到高頻段存在著交越畸變。電子管放大電路中,信號的偶次諧波失真大,奇次諧波失真小,晶體管正好相反。人耳對于偶次諧波是比較喜歡的,基音的偶次諧波越多,表現出的聽覺感受就越“溫暖、柔和”也就是人們說的“聽感好”。奇次諧波正好相反,聽覺感受上表現出“生硬、刺耳”等感覺,實際上就是現在人們常說的“金屬聲”。當頻率增高而音量又很大時,這些現象就更加明顯。


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