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真空管(Vacuum tube),是一種電子元件(或作:電子零件)。因為參與工作的電極被封裝在一個真空的(主流是玻璃)容器內,所以被稱為真空管。在中國大陸,真空管則會被稱為電子管。在香港和中國廣東地區,真空管有時又會被稱作「膽」。1904年11月16日,約翰·安布羅斯·弗萊明發明真空管。

1 真空管 -簡介

真空管真空管

在二十世紀中期前,因半導體(如:晶體管)尚未普及,基本上當時所有的電子器材均使用真空管,形成了當時對真空管的需求。所以當時有各式各樣的真空管面世。它們不單止功能不同,連外觀也很不同。不過,我們也可以把它的功能歸納為在電路中控制電子的流動。

可是,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,我們還可以在音響,電視機與電腦的顯示器(陰極射線管),還有微波爐及太空衛星的高頻發射機看見真空管的身影。另外,像是陽極射線管,X射線管等等則是屬於特殊的真空管。

2 真空管 -歷史

真空管真空管

真空管的歷史需要從愛迪生講起。1880年,他有天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,理查森(Owen Willans Richardson)才提出定律,說明電子的激發態引起箔片漂浮,后更以此拿到1928年的諾貝爾物理獎。接著佛萊明(John Ambrose Fleming)在1904年發展出二極體,德佛瑞斯特(Lee De Forest)更在1907年作出第一個三極體。

3 真空管 -結構和功能

真空管真空管

其實,真空管的類型有很多。現就以現代較常用的三極體和五極管來講解真空管之結構。

真空管具有發射電子的陰極(K)(旁熱式是由燈絲(F)加熱,直熱式則燈絲就是陰極)和工作時通常加上高壓的陽極(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。

除氣劑

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。在抽出管中空氣后,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,

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。 若把一枝真管體的玻璃管打破或一枝真空管漏氣時,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。

4 真空管 -工作原理

真空管真空管

由最內層到最外層分別為:燈絲,陰極,柵極,屏極。將一支真空管拆開之後,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遊離的溫度時,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。剛剛說到柵極猶如一個開關,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,對於電子是吸引作用,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,並且加入適當的偏壓,並且在屏極串上一個電阻,藉此即可達到訊號放大的目的。真空管也與電晶體一樣,具有多种放大組態(事實上,電晶體的放大組態是從真空管延伸過來的應用),結合不同的電子材料如電阻、電感、變壓器以及電容等,就可以創造出千變萬化的電子產品。別忘了,第一部電腦可是使用真空管製成的,當然,它只能做簡單的加減運算。真空管的管壁內部,有一塊類似水銀的薄膜黏附在玻璃壁上,這是延長真空管壽命的設計。除了極少部份低壓真空管外(並非指工作電壓低,而是指真空管內部存在低壓氣體),大部分的真空管必須抽真空才能正常工作。真空管的接腳為金屬腳,雖然以玻璃封裝,但玻璃與金屬接腳之間仍然有漏氣的機會。玻璃管內的金屬蒸鍍物(即消氣劑),會與氣體進行作用,它存在的目的就在於吸收氣體,以維持真空管內部的真空度。這一層薄薄的金屬物氧化之後,會變成白色,表示真空管已經漏氣不行了,所以若打破真空管時,這一層蒸鍍物質也會變成白色。因此購買老真空管時,也要注意蒸鍍物的情況,像水銀一樣的為佳,若開始蒼白、剝落時,就表示這支真空管已經邁入老年了。

真空管真空管

基本上藍光的產生基於幾個因素。1.內部有低壓氣體。2.真空管設計或製造不良。3.屏極電壓過高。

藍光的主要來源仍然是電子,當屏極的設計包覆不良,無法吸引電子流吸附在屏極金屬板上,就會讓電子到處流竄,真空管見到的藍光就是電子在真空管內流竄的結果。藍光看起來美麗,卻有可能產生輻射。

1916年為有線電話用途製作的三極體,它是構造最簡單的直熱式三極體,一根發亮的燈絲,如柵欄狀的柵極介於燈絲與屏極之間,而屏極位於最下方,就是一塊金屬片。

5 真空管 -真空管內需要被抽真空之原因

真空管真空管

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,而此玻璃管也就是所謂的真空管。若然真空度不足,更會發出藍光和嚴重影響真空管之工作表現。 發出藍光的原因是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。

6 真空管 -真空管之分類及演變

真空管真空管

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,那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,是因為電源供應部分有大容量電容器內部余電未放完。

可用內部結構分類

真空管可被分為真空二極體,三極體,四極管,四極管束射管,五極管....複合管等很多種類別。

7 真空管 -代表

真空管真空管放大器

整流用二極體:12F,81,35W4,25M-K15,5MK9

整流用雙二極體:80,5Z3,5AR4,5U4,6X4,5Y3,83,82

検波用二極體:6AL5,EAA91,6H6

調諧指示管:6E5,EM80

電圧放大用三極體:6C4

電圧放大用雙三極體:12AX7,12AU7,12AT7,12BH7A,6DJ8,6SN7

功率放大用三極體:45,WE300B,2A3,211,845,8045G

功率放大用雙三極體:6336A,6080

功率放大用集射四極管:UY-807,KT88,6L6,6V6

電圧放大用五極管:6AU6,6BA6,6BD6,6267,6SJ7

功率放大用五極管:6F6,6CA7,6BQ5,6550,6AR5,42,30A5,50C5

變頻用七極管:6SA7,6BE6

發射用三極體:3-500Z,3-1000Z

發射用四極管:4CX250B

發射用五極管:6146B,S2001A

6922

旁熱式雙三極小信號管

現主要用在音響的前級/前置音頻放大器,作電壓放大。

代用管為ECC88,6DJ8...

300B

直熱式三極功率管

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