Vacuum tube construction and amplification principle


 

科技的進步愈來愈迅速,每天都有新穎的電子產品不斷出新,然而設備零件也是一直研發,取代了許多老舊的設備與元件,可是唯有部分元件是目前科技技術所無法完全取代的,真空管就是一個例子。只要是對音樂有一定喜好的人都會知道,真空管音響和一般音響的音感一聽就會知道。

 

真空管的歷史

1904年,英國的弗萊明(John Fleming)發明了真空二極管,開啟應用電子的大門。1907年,德佛瑞斯特(Lee de Forest)發明真空三極管,可以控制電子的活動,從此電子技術一日千里,今天電子產品五花八門,帶來生活便利,真空管的貢獻功不可沒。1939年,美國阿坦那索夫(John. V. Atanasoff)博士和他的學生貝瑞(Clifford Berry),利用真空管完成了一台16位的加法器,這是第一台真空管計算機。1946年,美國賓州大學教授艾克特 (J. Presper Echert) 和馬其里 (Dr. John W. Mauchly),完成了第一部以真空管為零件的電腦 ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer),稱為電子數值計算機,是世界上第一部重要的數位電腦。它共用了18000個真空管,重約30噸、長30公尺,大約要兩間教室才擺得下,卻從未發揮全部的潛能,因為真空管老是在運算過程中燒壞。真空管因為體積龐大、耗電量大、散熱不易、可靠性低,在使用上相當不方便,而且價格昂貴普及性低,至1970年以後逐漸被電晶體取代。現今真空管僅剩運用在音響器材及大功率高頻通訊系統上。

 

真空管工作原理

真空管的原理是陰極金屬板放射出電子,由另一端的陽極金屬板接收。一般來說,兩者之間會有一個柵極,用作控制真空管內的電流流動。以陰極電壓為0 V作參考,陽極的電壓一般是數百個伏特正電壓 (+V),而柵極(鐵絲網)的電極正常來說是帶負電壓 (-V)。真空管可以分為直接加熱和間接加熱兩種。在加熱後,真空管的陰極會放射出電子。因為真空管需要時間加熱,才能運作,所以使用真空管的音響需要一段較長時間才能啟動。

 

真空多極管

常見真空管可分為二極管、三極管、四極管、五極管,從字面意義代表真空管內部基本「極」的數量。真空管擁有三個最基本的極,第一是「陰極」(Cathode,以K代表):是釋放出電子流的地方,是一塊金屬板或是燈絲本身,當燈絲加熱金屬板時,電子就會游離而出,散佈在真空玻璃瓶裡。第二個極是「屏極」(Plate,以P代表),基本上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,它負責吸引從陰極散發出來的電子,利用異性相吸的原理,作為電子游離旅行的終點。第三個極為「柵極」(Gird,以G代表),從構造看來,它猶如一圈圈的細線圈,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,然而三極管、四極管與五極管都具有相同的基本放大作用的功能。

 

真空管的功能與比較

真空管和電晶體都是電子開關,都可用來控制電的流通,或用以增強或放大電訊號。

 

真空管優缺點

優點:
1. 增益頻寬(GBW)乘積大
2. 輸出功率大

缺點:
1. 體積大
2. 壽命短於晶體管
3. 易產生高熱
4. 消耗大量功率
5. 價格昂貴

 

放大特性理想

假設屏壓一定,逐漸改變柵極的電壓,(因為真空管的輸入阻抗非常的高),可以很明顯的發現,當偏壓由0V升高到5V的時候,每增加1V偏壓,流過屏極的電流不會呈現線性增加,但是由0V降低到-5V的時候,每降低1V的偏壓,電流會降低2ma,直到沒有電流為止,這就說明了為何真空管大部分操作在負偏壓的狀態下。

雖然有許多原件已經漸漸取代了真空管,但是唯有少部分產品沒有被取代。然而,目前市面上常見的真空管產品就是屬於真空管音響為最多。真空管音響的音質比其它元件所組成的音響來的優美。雖然真空管與電晶體各有優缺點。但是,如果將真空管的優點與電晶體的優點相結合的話,那麼對於設計高級音響產品就有莫大的裨益。