真空管
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真空管（英語：Vacuum Tube）是一種在電路中控制電子流動的電子元件。參與工作的電極被封裝在一個真空的容器內（管壁大多為玻璃），因而得名[1]。在中國大陸，真空管則會被稱為「電子管」。[2][3][4]英式英語稱為「熱離子閥」（thermionic valve），美式英語中簡稱為tube。[5]電子工業早期年代，在香港和廣東省，真空管會被稱作「膽」。一般來說真空管內都是真空。但隨着發展也不一定：有充氣震盪管、充氣穩壓管及水銀整流管。
真空管外形為一個抽空的玻璃或金屬管殼，內部包含電極並通過引腳與外部電路連接。熱離子管或熱離子閥類型的真空管通過熱陰極的熱發射來實現基本的電子學功能，例如訊號放大和電流的整流。而非熱離子類型的真空管，如光電管，則通過光電效應實現電子發射，用於探測光線或測量光強。無論哪種類型，電子均是在管內的電場作用下從陰極加速至陽極。
第一種也是最簡單的真空管是二極管，又稱弗萊明閥，由約翰·安布羅斯·弗萊明於1904年發明。該元件僅包含一個加熱的電子發射陰極與一個陽極，電子只能單向流動（從陰極至陽極），因此得名「閥」（類似於只允許水流單向流動的機械裝置）。若在管內加入一個或多個控制閘極，即可構成三極管、四極管等，使得陰陽極之間的電流可由閘極電壓控制，從而具備放大和整流電訊號的能力。[6]加入更多閘極（例如七極管）可使不同電極間輸入的訊號實現混頻。
這些元件在20世紀上半葉成為電子電路的核心組件，對廣播、電視、雷達、聲音錄製和再現、遠程電話通信網絡以及模擬和早期數碼計算機的發展至關重要。雖然在部分應用中，早期已有諸如火花隙發射器、晶體檢波器用於無線電，或機械計算機和機電計算機用於計算，但熱離子真空管的發明使這些技術得以普及實用，並開創了電子學這一學科。[7]
在二十世紀中期前，因半導體尚未普及，基本上當時所有的電子器材都使用真空管，形成了當時對真空管的需求。但在半導體技術的發展普及和平民化下，真空管因成本高、不耐用、體積大、效能低等原因，最後被半導體取代了。但是可以在音響擴大機、微波爐及人造衛星的高頻發射機看見真空管的身影；許多音響特別使用真空管是因為其特殊音質，在音響界、老舊的真空管常與最新的數碼IC共存。另外，像是電視機與電腦陰極射線管顯示器內的陰極射線管以及X光機的X射線管等則是屬於特殊的真空管。
對於大功率放大（如百萬瓦電台）及衛星（微波大功率）而言，大功率真空管及行波管仍是唯一的選擇。對於高頻電焊機及X射線機，它仍是主流元件。
歷史
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真空管的歷史可溯自改良燈泡的商人湯馬士·愛迪生。1880年某日，他好奇地在燈泡中多放了一個電極，且灑了點箔片，結果發現了奇特的現象：第三極通正電時，箔片毫無反應；但通負電時，箔片隨即翻騰漂浮。當時愛迪生不知道此現象的起由，但由於他不經意的發現，這個現象後來被稱為愛迪生效應。一直到1901年，歐文·李察森提出定律，說明電子的激發態引起箔片漂浮，後更以此拿到1928年的諾貝爾物理獎。接着約翰·弗萊明在1904年發展出二極管，李·德佛瑞斯特更在1907年作出第一個三極管。
結構
[編輯]真空管具有發射電子的陰極（K）和工作時通常加上高壓的陽極或稱屏極（P）。燈絲(F)是一種極細的金屬絲，而電流通過其中，使金屬絲產生光和熱，而去激發陰極來放射電子。柵極（G）它一定置於陰極與屏極之間。柵極加電壓是抑制電子通過柵極的量，所以能夠在陰極和陽極之間對電流起到控制作用。
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三極真空管之主要結構 -
真空管之底座結構
為保持管內的真空狀態，真空管中設有一物件，稱為除氣劑。一般由鋇、鋁、鎂等活潑金屬合金製成。在抽出管中空氣後，將管中各元件及除氣劑加熱至紅熱，這樣就可以吸收管內電極所含之氣體[8]。利用一圍繞管子之高頻電磁場而使除氣劑迅速升華，除氣劑就吸收管子中的氣體。在反應過後，玻璃管內壁積存銀色的除氣劑披覆層。若把管體的玻璃管打破或漏氣時，玻璃管內壁積存銀色的除氣劑便會退色，同時也表示該真空管不能被使用。
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玻璃管內壁除氣劑退色之過程 -
除氣環
運作原理
[編輯]多極的真空管（如：三、四、五...極管）由二極管演變而來，它們的基本結構和原理是相同的。
二極管
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如圖中所示，
- 將加熱電壓加於真空二極管的燈絲之上，將陰極加熱至紅熱，從而使陰極的電子被激發（因此燈絲和陰極發出紅光）。
- 相較於陽極，陰極有更多的電子處於較高能量的激發態。因此，電子更容易被從陰極發射。
- 當陰極接在電源的負極，陽極接在電源的正極時，兩極間的電勢差形成電場，使得陰極的電子跳躍至陽極。與之相反，若電勢差的方向逆轉，電子無法輕易地離開陽極跳躍至陰極。
- 移動的電子形成電流。因為電子只能從陰極移至陽極，所以工作中的真空二極管具有單向導電性。
三極管
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在真空二極管的基礎上，三極管在陰極和陽極之間添加了一個閘極。通過在閘極和陽極間加上閘極電壓，可以使閘極帶上負電荷。由於電荷同性相斥，通過改變閘極的電場強度，就可以改變電子通過閘極的流量，從而起到放大作用。
抽真空
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電子在於其放射過程中，因會與空氣中之組成分子相撞而產生阻力，因此電子經由如空氣之類的介質來移動的話，將會比在真空狀態來的困難，所以若想輕鬆的達成電子放射之移動過程，需將產生電子放射及電子收集之各項元件，也就是燈絲、陰極、柵極、屏極等封裝於玻璃管內，且將其內部成為真空狀態，才能使電子之放射動作達成最高效率。若然真空度不足，會因為被陰極射出的電子擊打管中的空氣，令空氣的原子被激發至激態發出紅光，並嚴重影響真空管之工作表現[8]。另一方面電子打到玻璃也會產生藍光並產生二次電子反射噪音。
分類
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依加熱方式
[編輯]真空管可被分為2大類別，分別是直熱式和旁熱式。直熱式真空管是較早誕生的。它有一個致命的缺點，就是陰極容易受到燈絲的溫度而改變特性。當燈絲電壓變動時，或以交流電供應燈絲時，陰極呈現在不穩定的狀態下。旁熱式真空管作工相對較穩定。由於金屬套筒的體積與儲熱量遠遠大於傳統的燈絲，因此即使燈絲暫時的溫度變動，甚至暫時幾秒鐘的停止加熱，金屬板的溫度變化改變有限，這也就是為什麼某些擴大機關機之後，它還能唱十多秒的主要原因，是因為燈絲未冷卻且電源供應部分有大容量電容器內部餘電未放完[9]。
依容器結構分類
[編輯]大部份市售的真空管，其管壁為玻璃製。而軍用等特殊型式則為金屬製及為超高頻而制的瓷質金屬殼的大空電子管。 按玻璃形態可分為S管（大茄子）、ST管、G形管（大葫蘆）、GT管（直棒子）、自鎖管、MT管（花生管）、米型管、燈塔管、橡實管等。
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同外型的玻璃真空管 -
鐵殼軍規6Ж4真空管
依結構及用途區分
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五極管 -
複合管
真空管可被分為二極管、三極管、四極管、束射四極管、五極管及複合管等很多種類別。依用途區分及常見的型號：
- 整流用二極管：12F、81、35W4、25M-K15、5MK9
- 整流用雙二極管：80、5Z3、5AR4、5U4、6X4、5Y3、83、82
- 水銀蒸汽整流管。
- 冷陰極充氣穩壓管: WY-1
- 檢波用二極管：6AL5、EAA91、6H6
- 調諧指示管：6E1、6E2、6E5、1E2、EM80、EM81
- 電視顯像管
- 靜電顯示管
- 蓋革計數管
- 光電管
- 星光倍加顯像管
- 攝像管
- 磁控管（微波爐及雷達用）
- 行波管（雷達及衛星用）21111
- 電壓放大用三極管：6C4
- 雙二極三極檢波放大管：6AV6、6SQ7
- 電壓放大用雙三極管：12AX7、12AU7、12AT7、12BH7A、6DJ8、6SN7
- 功率放大用三極管：45、WE300B、2A3、211、845、8045G
- 功率放大用雙三極管：6336A、6080
- 功率放大用集射四極管：UY-807、KT88、6L6、6V6
- 遙截止電壓放大用五極管：6BA6、6BD6、6267、6SK7
- 銳截止電壓放大用五極管：6AU6、6SJ7、6AK5
- 雙二極五極檢波放大管：6B8
- 功率放大用五極管：47、6F6、6CA7、6BQ5、6550、6AR5、42、30A5、50C5
- 變頻用七極管：6SA7、6BE6
- 六極變頻管：6L7
- 變頻用三極六極管：6U1
- 八極變頻管：AK2
- 九極比例檢波管：6BE9
- 發射用三極管：3-500Z、3-1000Z
- 發射用四極管：4CX250B
- 發射用五極管：6146B、S2001A
- 旁熱式雙三極小信號管：6922、ECC88、6DJ8
- 直熱式三極功率管
參見
[編輯]參考文獻
[編輯]- ^ 徐松森 徐柏華編著，高保真膽機製作詳解，p.1
- ^ Reich, Herbert J. Principles of Electron Tubes (PDF). Literary Licensing, LLC. 2013. ISBN 978-1258664060. （原始內容存檔 (PDF)於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]. （原始內容存檔於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]. （原始內容存檔於2011-06-07）.
- ^ 存档副本. [2007-07-22]. （原始內容存檔於2007-08-04）.
外部連結
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- Réalisation 3 : un lampemètre (part 1) （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館） - (FR) How to build a vacuum tube tester.
- Shuguang and Psvane Vacuum Tubes | Psvane & Shuguang audio tubes - 當前在線生產的中國管
- How vacuum tubes really work （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館） - Thermionic emission and vacuum tube theory, using introductory college-level mathematics.
- The Vacuum Tube FAQ （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館） - FAQ from rec.audio
- The invention of the thermionic valve. Fleming discovers the thermionic (or oscillation) valve, or 'diode'.
- Tubes Vs. Transistors （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館） : Is There An Audible Difference? - 1972 AES paper on audible differences in sound quality between vacuum tubes and transistors.
- The Virtual Valve Museum （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
- 輔助設計軟件及真空管線性資料軟件
