什么是真空管

一切由電子開始談起 江俊德

　　要說在前面的，筆者才疏學(xué)淺，雖然略知電路設(shè)計的基礎(chǔ)與原里，但對於基礎(chǔ)電子學(xué)反而陌生，文中若有疏漏錯誤之處，尚請先進(jìn)不吝指正。電子元件本來就是一項專精的電子物理學(xué)，利用材質(zhì)以及結(jié)構(gòu)上的特性，對電形成不同的反應(yīng)。例如，利用兩片緊貼但不接觸的金屬 薄板，就可以形成電容；利用以矽為主的材質(zhì)，經(jīng)過適當(dāng)?shù)闹瞥蹋涂梢宰兂砂雽?dǎo)體如二極體、電晶體以及IC等；將銅線以絕緣漆封裝形成漆包線，將漆包線卷起來就形成電感、加入鐵芯則成為變壓器、并接在一起就是李玆線。還有其他諸多電子元件，其實(shí)都是架構(gòu)在基礎(chǔ)物理現(xiàn)象上的精巧設(shè)計。

　　真空管的發(fā)明就與盤尼西林以及輪胎的發(fā)現(xiàn)一樣具有戲劇性：在實(shí)驗室中靠近窗戶幾個未清洗的實(shí)驗皿，不經(jīng)意從窗外飄來一些黴菌落在實(shí)驗皿上，科學(xué)家驚訝的發(fā)現(xiàn)某些落入實(shí)驗皿中的黴菌，可以抑制壞菌的擴(kuò)散與成長，加以實(shí)驗分析之后這種黴菌就成為了有效且使用廣泛的抗生素之一；同樣也發(fā)生在實(shí)驗室中的情景，正在研究橡膠的實(shí)驗中，不經(jīng)意打破裝在玻璃杯里的硫黃，倒入融化的橡膠液體中，凝固后橡膠變成了堅硬且頗富韌性的材質(zhì).真空管當(dāng)然不是無緣無故做幾片金屬板封裝在抽真空的玻璃瓶里進(jìn)行實(shí)驗的，它的發(fā)展與發(fā)明大王愛迪生有著一段故事。

電流與電子流動的方向恰巧相反

　　在此之前試問一個小問題：電路分析上「電流」的方向與實(shí)際上「電子」流動的方向是否相同？答案是否定的，電流與電子流的方向是恰巧相反的。過去的科學(xué)家無法觀察電子流動的方向，於是統(tǒng)一說法，將電池的某一極設(shè)定為正極，其電壓為正電壓，電流由正極流至負(fù)極而形成一個封閉的回路。由於大家統(tǒng)一說法與作法，因此多年來并沒有發(fā)生任何沖突之事，直到了近代科學(xué)家有了更精良的設(shè)備，觀察之后遂推翻了之前的說法：「原來電子是由電池的負(fù)端流出來的」！（換言之，電子是從擴(kuò)大機(jī)的喇叭負(fù)端流出，而從喇叭正端回流的）

　　身為使用者并不需要在意何者為真，只要按照科學(xué)家的結(jié)論行事就可以了。說這一段就是因為當(dāng)初愛迪生發(fā)明燈泡之后，發(fā)現(xiàn)他生產(chǎn)的燈泡燈絲老是從正極端燒斷，於是進(jìn)一步實(shí)驗在燈泡中加入一塊小金屬板，點(diǎn)燈之后將金屬板連接電表，分別施以正電壓以及負(fù)電壓，觀察電流的情形。

　　對於當(dāng)時的科學(xué)而言，位於真空狀態(tài)下且不連接的金屬板，不論如何連接是不可能產(chǎn)生電流的，但怪事發(fā)生了，愛迪生發(fā)現(xiàn)某種物質(zhì)（其實(shí)就是電子）會透過金屬板，會從電池的負(fù)極騰空「跳」到正極，此發(fā)現(xiàn)當(dāng)然激起更大的實(shí)驗動機(jī)，此現(xiàn)象便稱為「愛迪生效應(yīng)」。這也是科學(xué)家首次質(zhì)疑電流流動的方向，以及自由電子在空間中流動的現(xiàn)象。

　　金屬之所以能導(dǎo)電，就是因為金屬的自由電子較多，便於電子的相互流動，因此電子材料必須由導(dǎo)電性佳的材質(zhì)制成。電子還有個特性，帶負(fù)電的電子容易受到正電壓的吸引，所謂同性相斥、異性相吸。又從愛迪生效應(yīng)中得知，當(dāng)加熱金屬物質(zhì)時，活躍於質(zhì)子外圍的自由電子容易產(chǎn)生游離現(xiàn)象，溫度高導(dǎo)致電子活性增強(qiáng)，此時若空間中有一正電壓強(qiáng)力吸引，游離的電子就會在空間中流動?；哆@幾個當(dāng)時已被了解的知識，佛來明（J.A. Fleming）於1904年制造出第一支二極真空管，李德科士（De Forest Lee）將二極管加以改良，於1907年制造出第一支三極管，既然成功研發(fā)了三極管，真空管的應(yīng)用開始實(shí)現(xiàn)，真空管的發(fā)展從此一日千里。

三極管是最基本的真空管

　　「真空管」（Vacuum Tube），代表玻璃瓶內(nèi)部抽真空，以利於游離電子的流動，也可有效降低燈絲的氧化損耗。二極管、三極管、五極管，從字面意義代表真空管內(nèi)部基本「極」的數(shù)量。真空管擁有三個最基本的極，第一是「陰極」（Cathode，以K代表）：陰極當(dāng)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(dāng)燈絲加熱金屬板時，電子就會游離而出，散佈在小小的真空玻璃瓶里.第二個極是「屏極」（Plate，以P代表），基本上它是真空管最外圍的金屬板，眼睛見到真空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(fù)責(zé)吸引從陰極散發(fā)出來的電子（還記得嗎？利用異性相吸的原理），作為電子游離旅行的終點(diǎn).第三個極為「柵極」（Gird，以G代表），從構(gòu)造看來，它猶如一圈圈的細(xì)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。

　　真空管光有三個極當(dāng)然還不算完美，也因此后來的真空管不斷改進(jìn)，在結(jié)構(gòu)上也有了許多的改進(jìn)之道，以配合不同的放大方式（如超線性接法等），但該部份的內(nèi)容已經(jīng)脫離本文，暫不詳述。

　　引擎運(yùn)轉(zhuǎn)必須要有燃料，真空管的動作動力為電能。真空管的電極當(dāng)中，最重要的應(yīng)屬陰極，它負(fù)責(zé)將電子釋放出來，作為一切動作的基本。最早的真空管由於構(gòu)造及理論簡單，直接將燈絲充當(dāng)陰極使用，換句話說，當(dāng)燈絲點(diǎn)亮?xí)r，由於燈絲溫度提高，電子就從燈絲釋放出來，經(jīng)過柵極直奔屏極.這種真空管就叫做「直熱式真空管」，這次專題的主角300B，就是屬於這類型的真空管，相較於其他現(xiàn)代化的五極真空管，300B的構(gòu)造簡單，性能陽春，輸出功率也低。

　　燈絲（Filament）可以使用不同的材質(zhì)制成，由於直熱式三極管直接將燈絲當(dāng)作陰極，因此燈絲的特性直接影響著直熱式真空管的性能。基本上，真空管的燈絲主要可分成三種材質(zhì)構(gòu)成，第一種當(dāng)然是耐高溫的鎢絲.將純度高的鎢絲抽成細(xì)絲，卷繞成狀在真空管的最內(nèi)層，通電之后即可發(fā)出溫度。但鎢絲的必須加溫到兩千余度時，電子才能發(fā)散，因此以鎢絲制成燈絲的真空管點(diǎn)燃時，會發(fā)出光輝耀眼的亮度，同時溫度高得嚇人。別意外，不是真空管要燒掉了，而是它本如此！但將鎢絲點(diǎn)亮需要消耗較大的電力，唯優(yōu)點(diǎn)是鎢絲甚為耐用，普遍運(yùn)用於較大功率或長壽命的真空管上。筆者經(jīng)常聽到人說：「那支真空管點(diǎn)起來那么亮，一定兩三下就掛點(diǎn)了」。其實(shí)并不然，在某些情況下這種真空管的壽命可達(dá)數(shù)萬小時，拿來當(dāng)作家里的燈泡，既耐用又有裝飾的作用，一舉數(shù)得！

　　另一種燈絲採用釷鎢合金，它只須將燈絲加溫至千余度即可工作，相較之下較省電力。最常使用的應(yīng)為氧化堿土燈絲，它的作法是在燈絲外，涂上一層厚厚的氧化堿土，看起來接近白灰色的物質(zhì)，它只需要加溫至約700度（看起來約暗紅色），即可獲得足量的電子，因此工作溫度最低、也最節(jié)省電力，一般而言只須供應(yīng)6.3V左右的直流，就可以正常工作。

　　直熱式真空管當(dāng)然有它天生的優(yōu)點(diǎn)，但卻有一個致命的缺點(diǎn)，那就是陰極容易受到燈絲的溫度而改變特性。當(dāng)燈絲電壓變動時，或以交流電供應(yīng)燈絲時，陰極呈現(xiàn)在不穩(wěn)定的狀態(tài)下。因此有人主張直熱式真空管應(yīng)採用直流供電，也有人強(qiáng)調(diào)必須以交流供電以免損傷陰極，這種爭論過去在音響界早已成為一個爭論不休的話題.筆者無意在此引起話題，反正各方堅持各有道理，只要聽起來沒問題，管子耐用好聽就行了。如果您有研究上的心得，筆者相當(dāng)樂於接受。

傍熱式真空管的穩(wěn)定度較高

　　為了解決直熱式真空管的燈絲問題，真空管設(shè)計者決定讓燈絲與陰極分家獨(dú)立，在燈絲的旁邊套上一圈金屬套筒，讓燈絲直接對金屬板加熱，電子從金屬板散發(fā)出來，這種加熱方式就稱為「傍熱式真空管」。

　　如此，真空管似乎就穩(wěn)定許多了，由於金屬套筒的體積與儲熱量高高大於傳統(tǒng)的燈絲，因此即使燈絲暫時的溫度變動，甚至?xí)簳r幾秒鐘的停止加熱，金屬板的溫度變化改變有限，這也就是為什么某些擴(kuò)大機(jī)關(guān)機(jī)之后，它還能唱個十幾秒鐘的主要原因。既然陰極與燈絲獨(dú)立，陰極板必須由燈絲間接加熱，於是燈絲再度改成鎢絲材質(zhì)，以求耐久性，并在鎢絲外層涂上一層白磁，一方面絕緣，另一方面也有定型的效果。由於間接加熱效果較差，陰極金屬板上會涂上釷、鋇或其他有利於電子發(fā)散的物質(zhì).也因此，真空管的金屬極板看起來總是灰黑色，不像正常的金屬板，也由於制作組裝時必須仰賴手工，因此金屬板上總會留下許多細(xì)小的刮痕，用家購買真空管時不必意外擔(dān)心。

　　直熱式真空管與傍熱式真空管使用上的差異呢？對於一般使用者而言是不必在乎直熱式真空管與傍熱式真空管的不同，但對於設(shè)計者而言，傍熱式真空管由於間接加熱的關(guān)系，燈絲電流通常較大，而且傍熱式的結(jié)構(gòu)必須對陰極金屬板加溫，因此開機(jī)后有一段緩慢的加溫期，如果是前級，則必須做好延遲設(shè)計，以免開機(jī)的脈沖傷了后級。

　　依據(jù)發(fā)展的過程來看，最早的真空管當(dāng)然是直熱式的設(shè)計，二極管是首先被發(fā)展出來的，二極管的功能猶如現(xiàn)在的二極體，具有整流以及收音機(jī)內(nèi)部檢波的功能，二極管經(jīng)過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計，也可以成為穩(wěn)壓管，作用如現(xiàn)在的濟(jì)納二極體（Zener Diode）。由於真空管的動作原理很簡單，因此第一支真空管被成功的制造出來之后，就有許多科學(xué)家加入研發(fā)的工作。第一支三極管在1907年被一位美國科學(xué)家成功制造，從此便開啟了無線電時代的來臨，告別留聲機(jī)，進(jìn)入擴(kuò)大機(jī)時代。

真空管的工作原理

　　現(xiàn)在，我們更進(jìn)一步來看看最簡單的真空管工作原理。

　　整理一下剛剛所述，真空管具有幾個極，由最內(nèi)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后，繪於附圖之中，從圖可知，當(dāng)點(diǎn)亮燈絲，燈絲溫度逐漸升高，雖然是真空狀態(tài)，但燈絲溫度以輻射熱的方式傳導(dǎo)至陰極金屬板上，等到陰極金屬板溫度達(dá)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(fù)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(guān)，當(dāng)柵極不帶電時，電子流會穩(wěn)定的穿過柵極到達(dá)屏極，當(dāng)在柵極上加入正電壓，對於電子是吸引作用，可以增強(qiáng)電子流動的速度與動力；反之在柵極上加入負(fù)電壓，同性相斥的原理電子必須繞道才能到達(dá)屏極，若柵極的結(jié)構(gòu)龐大，則電子流有可能全數(shù)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(dāng)?shù)钠珘海⑶以谄翗O串上一個電阻，藉此即可達(dá)到訊號放大的目的。真空管也與電晶體一樣，具有多種放大組態(tài)（事實(shí)上，電晶體的放大組態(tài)是從真空管延伸過來的應(yīng)用），結(jié)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(chuàng)造出千變?nèi)f化的電子產(chǎn)品。別忘了，第一部電腦可是使用真空管制成的，當(dāng)然，它只能做簡單的加減運(yùn)算。

　　至此，真空管的基本工作原理已經(jīng)報告完畢，還缺少了什么？請觀察一下真空管的管壁內(nèi)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(shè)計。除了極少部份低壓真空管外（并非指工作電壓低，而是指真空管內(nèi)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(jī)會。玻璃管內(nèi)的金屬蒸鍍物（即消氣劑），會與氣體進(jìn)行作用，它存在的目的就在於吸收氣體，以維持真空管內(nèi)部的真空度。這一層薄薄的金屬物氧化之后，會變成白色，表示真空管已經(jīng)漏氣不行了，所以若打破真空管時，這一層蒸鍍物質(zhì)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(jīng)邁入老年了。

　　使用300B真空管的用家一定有一個經(jīng)驗，將擴(kuò)大機(jī)電源打開，室內(nèi)燈光熄滅，此時300B的燈絲會發(fā)出昏黃的光線，同時在真空管的頂端，有時候會出現(xiàn)像極光一樣的神秘藍(lán)光。藍(lán)光看起來是綿細(xì)的、柔軟的，略帶一些神秘。它像極光一樣，有時會扭曲飄動，似有若無的在真空管內(nèi)發(fā)亮。第一次見到藍(lán)光的人不免對它產(chǎn)生好奇，有人說它無所謂，也有人說它是不正常的現(xiàn)象，基本上藍(lán)光的產(chǎn)生基於幾個因素。1.內(nèi)部有低壓氣體.2.真空管設(shè)計或制造不良。3.屏極電壓過高。

　　藍(lán)光的主要來源仍然是電子，當(dāng)屏極的設(shè)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(lán)光就是電子在真空管內(nèi)流竄的結(jié)果。藍(lán)光看起來美麗，卻有可能產(chǎn)生輻射，不過筆者并不確定是否對人體有傷害。藍(lán)光的出現(xiàn)也與真空管廠牌有極大的關(guān)系，大陸管以及蘇聯(lián)管Sovtek出現(xiàn)藍(lán)光的機(jī)會大於其他，而我自己使用的三部300B擴(kuò)大機(jī)，使用四支大陸管與兩支WE300B，只有大陸管會發(fā)出藍(lán)光，久了也就視為正常了。

　　1916年為有線電話用途制作的三極管，它是構(gòu)造最簡單的直熱式三極管，一根發(fā)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。