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(jì)的基礎(chǔ)與原里，但對(duì)於基礎(chǔ)電子學(xué)反而陌生，文中若有疏漏錯(cuò)誤之處，尚請(qǐng)先進(jìn)不吝指正。電子元件本來就是一項(xiàng)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(duì)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?，就可以變成半?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(jì)。

　　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(yàn)室中靠近窗戶幾個(gè)未清洗的實(shí)驗(yàn)皿，不經(jīng)意從窗外飄來一些黴菌落在實(shí)驗(yàn)皿上，科學(xué)家驚訝的發(fā)現(xiàn)某些落入實(shí)驗(yàn)皿中的黴菌，可以抑制壞菌的擴(kuò)散與成長，加以實(shí)驗(yàn)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(yàn)室中的情景，正在研究橡膠的實(shí)驗(yàn)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(jiān)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(yàn)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(dòng)的方向恰巧相反

　　在此之前試問一個(gè)小問題：電路分析上「電流」的方向與實(shí)際上「電子」流動(dòng)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(dòng)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(gè)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」?。〒Q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?yàn)楫?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(yàn)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(duì)於當(dāng)時(shí)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(huì)透過金屬板，會(huì)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(yàn)動(dòng)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(dòng)的方向，以及自由電子在空間中流動(dòng)的現(xiàn)象。

　　金屬之所以能導(dǎo)電，就是因?yàn)榻饘俚淖杂呻娮虞^多，便於電子的相互流動(dòng)，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(gè)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(shí)，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(shí)若空間中有一正電壓強(qiáng)力吸引，游離的電子就會(huì)在空間中流動(dòng)?；哆@幾個(gè)當(dāng)時(shí)已被了解的知識(shí)，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?jī)?nèi)部抽真空，以利於游離電子的流動(dòng)，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(gè)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(shí)，電子就會(huì)游離而出，散佈在小小的真空玻璃瓶里.第二個(gè)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(gè)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(gè)水龍頭一般，具有流通與阻擋的功能。

　　真空管光有三個(gè)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(dòng)作動(dòng)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(dòng)作的基本。最早的真空管由於構(gòu)造及理論簡(jiǎn)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(jiǎn)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(shí)，電子才能發(fā)散，因此以鎢絲制成燈絲的真空管點(diǎn)燃時(shí)，會(huì)發(fā)出光輝耀眼的亮度，同時(shí)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(shí)，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(gè)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(dòng)時(shí)，或以交流電供應(yīng)燈絲時(shí)，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(zhēng)論過去在音響界早已成為一個(gè)爭(zhēng)論不休的話題.筆者無意在此引起話題，反正各方堅(jiān)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(jì)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(duì)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(chǔ)熱量高高大於傳統(tǒng)的燈絲，因此即使燈絲暫時(shí)的溫度變動(dòng)，甚至?xí)簳r(shí)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(gè)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(huì)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(shí)必須仰賴手工，因此金屬板上總會(huì)留下許多細(xì)小的刮痕，用家購買真空管時(shí)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(duì)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(duì)於設(shè)計(jì)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(duì)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(jí)，則必須做好延遲設(shè)計(jì)，以免開機(jī)的脈沖傷了后級(jí)。

　　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(jì)，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(jì)，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(dòng)作原理很簡(jiǎn)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(shí)代的來臨，告別留聲機(jī)，進(jìn)入擴(kuò)大機(jī)時(shí)代。

真空管的工作原理

　　現(xiàn)在，我們更進(jìn)一步來看看最簡(jiǎn)單的真空管工作原理。

　　整理一下剛剛所述，真空管具有幾個(gè)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(shí)，電子就會(huì)從金屬板飛奔而出。此時(shí)在電子是帶負(fù)電的，在屏極加上正電壓，電子就會(huì)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(gè)開關(guān)，當(dāng)柵極不帶電時(shí)，電子流會(huì)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(duì)於電子是吸引作用，可以增強(qiáng)電子流動(dòng)的速度與動(dòng)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(hào)連接在柵極上，并且加入適當(dāng)?shù)钠珘?，并且在屏極串上一個(gè)電阻，藉此即可達(dá)到訊號(hào)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(jiǎn)單的加減運(yùn)算。

　　至此，真空管的基本工作原理已經(jīng)報(bào)告完畢，還缺少了什么？請(qǐng)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(jì)。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(huì)。玻璃管內(nèi)的金屬蒸鍍物（即消氣劑），會(huì)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(huì)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(shí)，這一層蒸鍍物質(zhì)也會(huì)變成白色。因此購買老真空管時(shí)，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(shí)，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(gè)經(jīng)驗(yàn)，將擴(kuò)大機(jī)電源打開，室內(nèi)燈光熄滅，此時(shí)300B的燈絲會(huì)發(fā)出昏黃的光線，同時(shí)在真空管的頂端，有時(shí)候會(huì)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(shí)會(huì)扭曲飄動(dòng)，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(duì)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(gè)因素。1.內(nèi)部有低壓氣體.2.真空管設(shè)計(jì)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(jì)包覆不良，無法吸引電子流吸附在屏極金屬板上，就會(huì)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(duì)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(huì)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(huì)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(jiǎn)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。