真空管
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真空管（英语：Vacuum Tube）是一种在电路中控制电子流动的电子器件。参与工作的电极被封装在一个真空的容器内（管壁大多为玻璃），因而得名[1]。在中国大陆，真空管则会被称为“电子管”。[2][3][4]英式英语称为“热离子阀”（thermionic valve），美式英语中简称为tube。[5]电子工业早期年代，在香港和广东省，真空管会被称作“胆”。一般来说真空管内都是真空。但随着发展也不一定：有充气震荡管、充气稳压管及水银整流管。
真空管外形为一个抽空的玻璃或金属管壳，内部包含电极并通过引脚与外部电路连接。热离子管或热离子阀类型的真空管通过热阴极的热发射来实现基本的电子学功能，例如信号放大和电流的整流。而非热离子类型的真空管，如光电管，则通过光电效应实现电子发射，用于探测光线或测量光强。无论哪种类型，电子均是在管内的电场作用下从阴极加速至阳极。
第一种也是最简单的真空管是二极管，又称弗莱明阀，由约翰·安布罗斯·弗莱明于1904年发明。该器件仅包含一个加热的电子发射阴极与一个阳极，电子只能单向流动（从阴极至阳极），因此得名“阀”（类似于只允许水流单向流动的机械装置）。若在管内加入一个或多个控制栅极，即可构成三极管、四极管等，使得阴阳极之间的电流可由栅极电压控制，从而具备放大和整流电信号的能力。[6]加入更多栅极（例如七极管）可使不同电极间输入的信号实现混频。
这些器件在20世纪上半叶成为电子电路的核心组件，对广播、电视、雷达、声音录制和再现、远程电话通信网络以及模拟和早期数字计算机的发展至关重要。虽然在部分应用中，早期已有诸如火花隙发射器、晶体检波器用于无线电，或机械计算机和机电计算机用于计算，但热离子真空管的发明使这些技术得以普及实用，并开创了电子学这一学科。[7]
在二十世纪中期前，因半导体尚未普及，基本上当时所有的电子器材都使用真空管，形成了当时对真空管的需求。但在半导体技术的发展普及和平民化下，真空管因成本高、不耐用、体积大、效能低等原因，最后被半导体取代了。但是可以在音响扩大机、微波炉及人造卫星的高频发射机看见真空管的身影；许多音响特别使用真空管是因为其特殊音质，在音响界、老旧的真空管常与最新的数字IC共存。另外，像是电视机与电脑阴极射线管显示器内的阴极射线管以及X光机的X射线管等则是属于特殊的真空管。
对于大功率放大（如百万瓦电台）及卫星（微波大功率）而言，大功率真空管及行波管仍是唯一的选择。对于高频电焊机及X射线机，它仍是主流器件。
历史
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真空管的历史可溯自改良灯泡的商人托马斯·爱迪生。1880年某日，他好奇地在灯泡中多放了一个电极，且洒了点箔片，结果发现了奇特的现象：第三极通正电时，箔片毫无反应；但通负电时，箔片随即翻腾漂浮。当时爱迪生不知道此现象的起由，但由于他不经意的发现，这个现象后来被称为爱迪生效应。一直到1901年，欧文·理查森提出定律，说明电子的激发态引起箔片漂浮，后更以此拿到1928年的诺贝尔物理奖。接着约翰·弗莱明在1904年发展出二极管，李·德佛瑞斯特更在1907年作出第一个三极管。
结构
[编辑]真空管具有发射电子的阴极（K）和工作时通常加上高压的阳极或称屏极（P）。灯丝(F)是一种极细的金属丝，而电流通过其中，使金属丝产生光和热，而去激发阴极来放射电子。栅极（G）它一定置于阴极与屏极之间。栅极加电压是抑制电子通过栅极的量，所以能够在阴极和阳极之间对电流起到控制作用。
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三极真空管之主要结构 -
真空管之底座结构
为保持管内的真空状态，真空管中设有一物件，称为除气剂。一般由钡、铝、镁等活泼金属合金制成。在抽出管中空气后，将管中各器件及除气剂加热至红热，这样就可以吸收管内电极所含之气体[8]。利用一围绕管子之高频电磁场而使除气剂迅速升华，除气剂就吸收管子中的气体。在反应过后，玻璃管内壁积存银色的除气剂披覆层。若把管体的玻璃管打破或漏气时，玻璃管内壁积存银色的除气剂便会退色，同时也表示该真空管不能被使用。
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玻璃管内壁除气剂退色之过程 -
除气环
运作原理
[编辑]多极的真空管（如：三、四、五...极管）由二极管演变而来，它们的基本结构和原理是相同的。
二极管
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如图中所示，
- 将加热电压加于真空二极管的灯丝之上，将阴极加热至红热，从而使阴极的电子被激发（因此灯丝和阴极发出红光）。
- 相较于阳极，阴极有更多的电子处于较高能量的激发态。因此，电子更容易被从阴极发射。
- 当阴极接在电源的负极，阳极接在电源的正极时，两极间的电势差形成电场，使得阴极的电子跳跃至阳极。与之相反，若电势差的方向逆转，电子无法轻易地离开阳极跳跃至阴极。
- 移动的电子形成电流。因为电子只能从阴极移至阳极，所以工作中的真空二极管具有单向导电性。
三极管
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在真空二极管的基础上，三极管在阴极和阳极之间添加了一个栅极。通过在栅极和阳极间加上栅极电压，可以使栅极带上负电荷。由于电荷同性相斥，通过改变栅极的电场强度，就可以改变电子通过栅极的流量，从而起到放大作用。
抽真空
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电子在于其放射过程中，因会与空气中之组成分子相撞而产生阻力，因此电子经由如空气之类的介质来移动的话，将会比在真空状态来的困难，所以若想轻松的达成电子放射之移动过程，需将产生电子放射及电子收集之各项器件，也就是灯丝、阴极、栅极、屏极等封装于玻璃管内，且将其内部成为真空状态，才能使电子之放射动作达成最高效率。若然真空度不足，会因为被阴极射出的电子击打管中的空气，令空气的原子被激发至激态发出红光，并严重影响真空管之工作表现[8]。另一方面电子打到玻璃也会产生蓝光并产生二次电子反射噪音。
分类
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依加热方式
[编辑]真空管可被分为2大类别，分别是直热式和旁热式。直热式真空管是较早诞生的。它有一个致命的缺点，就是阴极容易受到灯丝的温度而改变特性。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。旁热式真空管作工相对较稳定。由于金属套筒的体积与储热量远远大于传统的灯丝，因此即使灯丝暂时的温度变动，甚至暂时几秒钟的停止加热，金属板的温度变化改变有限，这也就是为什么某些扩大机关机之后，它还能唱十多秒的主要原因，是因为灯丝未冷却且电源供应部分有大容量电容器内部余电未放完[9]。
依容器结构分类
[编辑]大部分市售的真空管，其管壁为玻璃制。而军用等特殊型式则为金属制及为超高频而制的瓷质金属壳的大空电子管。 按玻璃形态可分为S管（大茄子）、ST管、G形管（大葫芦）、GT管（直棒子）、自锁管、MT管（花生管）、米型管、灯塔管、橡实管等。
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同外型的玻璃真空管 -
铁壳军规6Ж4真空管
依结构及用途区分
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五极管 -
复合管
真空管可被分为二极管、三极管、四极管、束射四极管、五极管及复合管等很多种类别。依用途区分及常见的型号：
- 整流用二极管：12F、81、35W4、25M-K15、5MK9
- 整流用双二极管：80、5Z3、5AR4、5U4、6X4、5Y3、83、82
- 水银蒸汽整流管。
- 冷阴极充气稳压管: WY-1
- 检波用二极管：6AL5、EAA91、6H6
- 调谐指示管：6E1、6E2、6E5、1E2、EM80、EM81
- 电视显像管
- 静电显示管
- 盖革计数管
- 光电管
- 星光倍加显像管
- 摄像管
- 磁控管（微波炉及雷达用）
- 行波管（雷达及卫星用）21111
- 电压放大用三极管：6C4
- 双二极三极检波放大管：6AV6、6SQ7
- 电压放大用双三极管：12AX7、12AU7、12AT7、12BH7A、6DJ8、6SN7
- 功率放大用三极管：45、WE300B、2A3、211、845、8045G
- 功率放大用双三极管：6336A、6080
- 功率放大用集射四极管：UY-807、KT88、6L6、6V6
- 遥截止电压放大用五极管：6BA6、6BD6、6267、6SK7
- 锐截止电压放大用五极管：6AU6、6SJ7、6AK5
- 双二极五极检波放大管：6B8
- 功率放大用五极管：47、6F6、6CA7、6BQ5、6550、6AR5、42、30A5、50C5
- 变频用七极管：6SA7、6BE6
- 六极变频管：6L7
- 变频用三极六极管：6U1
- 八极变频管：AK2
- 九极比例检波管：6BE9
- 发射用三极管：3-500Z、3-1000Z
- 发射用四极管：4CX250B
- 发射用五极管：6146B、S2001A
- 旁热式双三极小信号管：6922、ECC88、6DJ8
- 直热式三极功率管
参见
[编辑]参考文献
[编辑]- ^ 徐松森 徐柏华编著，高保真胆机制作详解，p.1
- ^ Reich, Herbert J. Principles of Electron Tubes (PDF). Literary Licensing, LLC. 2013. ISBN 978-1258664060. （原始内容存档 (PDF)于2 April 2017）.
- ^ Fundamental Amplifier Techniques with Electron Tubes: Theory and Practice with Design Methods for Self Construction. Elektor Electronics. 2011. ISBN 978-0905705934.
- ^ RCA Electron Tube 6BN6/6KS6. Amazon. [2015-04-13]. （原始内容存档于2022-12-06）.
- ^ John Algeo, "Types of English heteronyms", p. 23 in, Edgar Werner Schneider (ed), Englishes Around the World: General studies, British Isles, North America, John Benjamins Publishing, 1997 ISBN 9027248761.
- ^ Hoddeson L., Riordan M. (1997). Crystal Fire. New York: W. W. Norton & Co. Inc. p. 58. Retrieved Oct 2021
- ^ Macksey, Kenneth; Woodhouse, William. Electronics. The Penguin Encyclopedia of Modern Warfare: 1850 to the present day. Viking. 1991: 110. ISBN 978-0-670-82698-8.
The electronics age may be said to have been ushered in with the invention of the vacuum diode valve in 1902 by the Briton John Fleming (himself coining the word 'electronics'), the immediate application being in the field of radio.
- ^ 8.0 8.1 存档副本. [2007-07-20]. （原始内容存档于2011-06-07）.
- ^ 存档副本. [2007-07-22]. （原始内容存档于2007-08-04）.
外部链接
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- Réalisation 3 : un lampemètre (part 1) （页面存档备份，存于互联网档案馆） - (FR) How to build a vacuum tube tester.
- Shuguang and Psvane Vacuum Tubes | Psvane & Shuguang audio tubes - 当前在线生产的中国管
- How vacuum tubes really work （页面存档备份，存于互联网档案馆） - Thermionic emission and vacuum tube theory, using introductory college-level mathematics.
- The Vacuum Tube FAQ （页面存档备份，存于互联网档案馆） - FAQ from rec.audio
- The invention of the thermionic valve. Fleming discovers the thermionic (or oscillation) valve, or 'diode'.
- Tubes Vs. Transistors （页面存档备份，存于互联网档案馆） : Is There An Audible Difference? - 1972 AES paper on audible differences in sound quality between vacuum tubes and transistors.
- The Virtual Valve Museum （页面存档备份，存于互联网档案馆）
- 辅助设计软件及真空管线性资料软件
