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电子管的原理

电子管在晶体管出现之前在音频应用与功率放大方面一直处于绝对统治的地位。随着技术的进步,出现了性能更为优越的晶体管。在进入上个世纪60年代末,电子管被逐步的淘汰。但电子管并没有就此走下历史的舞台。目前在一些高保真的音响器材中,仍然使用低噪声、稳定系数高的电子管作为音频功率放大器件。在国内外,电子管放大器有时甚至是一种身份的象征。

图 电子管
 
电子管的发展历史
电子管的出现必须从1883年开始说起。1883年发明家爱迪生在发明白炽灯的同时发现了一个奇特的现象,金属片虽然没有与灯丝接触,但如果在它们之间加上电压,灯丝就会产生一股电流,趋向附近的金属片。这股神秘的电流是从哪里来的?爱迪生也无法解释,但他不失时机地将这一发明注册了专利,并称之为“爱迪生效应”。 1904年世界上第一只电子管在英国物理学家弗莱明的手下诞生了。弗莱明为此获得了这项发明的专利权。人类第一只电子管的诞生,标志着世界从此进入了电子时代。1906年,贫困潦倒的美国发明家德福雷斯特,在二极管的灯丝和板极之间巧妙地加了一个栅板,从而发明了第一只真空三极管。这一小小的改动,竟带来了意想不到的结果。它不仅反应更为灵敏、能够发出音乐或声音的振动,而且,集检波、放大和振荡三种功能于一体。
 
 
电子管存在的价值
由于电子管体积大、功耗大、发热厉害、寿命短、电源利用效率低、结构脆弱而且需要高压电源的缺点,它的绝大部分用途已经被固体器件和晶体管所取代。优点:1电子管负载能力强2线性性能优于晶体管3工作频率高4高频大功率领域的工作特性要比晶体管更好。在高保真音频领域,电子管仍有其不可替代的作用。
 
电子管的结构
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。电子管的结构如下图所示。
 

图 电子管的结构
 
电子管的工作原理
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
 
电子管的分类
1按用途分类
按其用途的不同可分为电压放大管、功率放大管、充气管、闸流管、引燃管、变频管、整流管、检波管、调谐指示管(电眼)、稳压管等。
 
2按电极数分类
电子管按其电极数的不同可分为电压放大管、三极管、四极管、五极管、六极管、七极管、八极管、九极管和复合管等。三极以上的电管又称为多极管或多栅管。
 
3按外形分类
电子管按其外形及外壳材料可分为瓶形玻璃管(ST管)、“橡实”管、筒形玻璃管(GT管)、大型玻璃管(G式管)、金属瓷管、小型管(也称花生管或指形管、MT管)、塔形管(灯塔管)、超小型管(铅笔形管)等多种。
 
4按内部结构分类
电子管按其内部结构可分为单二极管、二极管、双二极三极管、双二极管极管、单三极管、功率五极管、束射四极管、束射五极管、双一极管、二极——五极复合管、又束射四极管、三极-五极复合管、三极-六极复合管、三极-七极复合管、束射功率各处室等多种类型。
 
5按阴极的加热方式分类
电子管按阴极的加热方式可分为直热式阴极电子管(电流直接通过阴极使其达到热电子发射状态)和旁热式阴极电子管(通过阴极旁的灯丝加热阴极)。
 
6按屏蔽方式分类
电子管按屏蔽方式可分为锐截止屏蔽电子管和遥截止屏蔽电子管。
 
7按冷却方式分类
电子管按冷却方式可分为水冷式电子管、风冷式电子管和自然冷却式电子管。
 
现今电子管的主要应用领域
晶体管以其优异的性能,逐渐替代了电子管。现今已经基本很难看见电子管的踪迹了。但在音频功放方面,电子管始终占有着一席之地。并且在发烧级的音响设备中,电子管是必不可少的元件。
晶体管功放听起来高频、中高频有偏多感觉,低频感觉偏少,晶体管功放听起来声音较硬,特别是低频声不够柔和,而高频声又显得尖刺、发燥,听起来有时感到高频段存在着交越畸变。电子管放大电路中,信号的偶次谐波失真大,奇次谐波失真小,晶体管正好相反。人耳对于偶次谐波是比较喜欢的,基音的偶次谐波越多,表现出的听觉感受就越“温暖、柔和”也就是人们说的“听感好”。奇次谐波正好相反,听觉感受上表现出“生硬、刺耳”等感觉,实际上就是现在人们常说的“金属声”。当频率增高而音量又很大时,这些现象就更加明显。


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