矿石收音机.doc

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1、矿石收音机-建模-爱迪生效应又称热电子发射效应. 爱迪生1883年发现的,加热金属使其中的大量电子克服表面势垒而逸出的现象.与气体分子相似,金属听自由电子作无规则的热运动,其速率有一定的分布.在金属表面存在着阻碍电子逃脱出去的作用力,电子逸需克服阻力作功,称为逸出功.在室温下,只有极少量电子的动能超过逸出功,从金属表面逸出的电子微乎其微.一般当金属温度上升到1000以上时,动能超过逸出功的电了数目争剧增多,大量电子由金属中逸出,这就是热电子发射.若无外电场,逸出的热电子在金属表面附近堆积,成为空间电荷,它将阻止热电子继续发射.通常以发射热电子的金属丝为阴极,另一金属板为阳极,其间加电压,使热电

2、子在电场作用下从阴极到达阳极,这样不断发射,不断流动,形成电流.随着电压的升高,单位时间从阴极发射的电子全部到达阳极,于是电流饱和.许多电真空器件的阴极是靠热电子发射工作的.由于热电子发射取决于材料的逸功及其温度,应选用熔点高而逸出功低的材料来做阴极.除热电子发射外,靠电子流或离子流轰击金属表面产生电子发射的,称为二次电子发射,靠外加强电场引起电子发射的称为场效发射,靠光照射金属表面引起电子发射的称为光电发射.各种电子发射都有其特殊的应用-电子管(真空管)结构、工作原理、分类及常用参数来源： 作者： 时间：2008-02-10内容提要： 电子管是怎样工作的 电子管的发明与盘尼西林以及轮胎的发现

3、一样具有戏剧性：电路分析上电流的方向与实关键词： 分类 常用 参数 原理 工作 真空 结构 电子 电压 电流电子管是怎样工作的电子管的发明与盘尼西林以及轮胎的发现一样具有戏剧性：电路分析上电流的方向与实际上电子流动的方向是否相同？答案是否定的，电流与电子流的方向是恰巧相反的。过去的科学家无法观察电子流动的方向，于是统一说法，将电池的某一极设定为正极，其电压为正电压，电流由正极流至负极而形成一个封闭的回路。由於大家统一说法与作法，因此多年来并没有发生任何冲突之事，直到了近代科学家有了更精良的设备，观察之後遂推翻了之前的说法：原来电子是由电池的负端流出来的！（换言之，电子是从扩大机的喇叭负端流出，

4、而从喇叭正端回流的）身为使用者并不需要在意何者为真，只要按照科学家的结论行事就可以了。说这一段就是因为当初爱迪生发明灯泡之後，发现他生产的灯泡灯丝老是从正极端烧断，于是进一步实验在灯泡中加入一块小金属板，点灯之後将金属板连接电表，分别施以正电压以及负电压，观察电流的情形。对于当时的科学而言，位于真空状态下且不连接的金属板，不论如何连接是不可能产生电流的，但怪事发生了，爱迪生发现某种物质（其实就是电子）会透过金属板，会从电池的负极腾空跳到正极，此发现当然激起更大的实验动机，此现象便称为爱迪生效应。这也是科学家首次质疑电流流动的方向，以及自由电子在空间中流动的现象。金属之所以能导电，就是因为金属的

5、自由电子较多，便于电子的相互流动，因此电子材料必须由导电性佳的材质制成。电子还有个特性，带负电的电子容易受到正电压的吸引，所谓同性相斥、异性相吸。又从爱迪生效应中得知，当加热金属物质时，活跃于质子外围的自由电子容易产生游离现象，温度高导致电子活性增强，此时若空间中有一正电压强力吸引，游离的电子就会在空间中流动。基於这几个当时已被了解的知识，弗来明（JA.Fleming）于1904年制造出第一支二极电子管，李德科士（DeForestLee）将二极管加以改良，于1907年制造出第一支三极管，既然成功研发了二极管，电子管的应用开始实现，电子管的发展从此一日千里。三极管是最基本的电子管电子管又称真空管

6、（VacuumTube），代表玻璃瓶内部抽真空，以利于游离电子的流动，也可有效降低灯丝的氧化损耗。二极管、三极管、五极管，从字面意义代表电子管内部基本极的数量。电子管拥有三个最基本的极，第一是阴极K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P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G从构造看来，它犹如一圈圈的细线圈，就如同栅栏一般，

7、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。引擎运转必须要有燃料，电子管的工作动力为电能。电子管的电极当中，最重要的应属阴极，它负责将电子释放出来，作为一切工作的基础。最早的电子管由于构造原理简单，直接将灯丝充当阴极使用，换句话说，当灯丝点亮时，由于灯丝温度提高,电子就从灯丝释放出来,经过栅极直奔屏极。这种电子管就叫“直热式电子管”。300B，就是属于这种类型的电子管.灯丝F可以使用不同的材质制成，由于直热式三极管直接将灯丝当作阴极，因此灯丝的特性直接影响著直热式电子管的性能。基本上，电子管的灯丝主

8、要可分成三种材质构成，第一种当然是耐高温的钨丝。将纯度高的钨丝抽成细丝，卷绕在电子管的最内层，通电之後即可升高温度。但钨丝必须加温到两千多度时，电子才能发散，因此以钨丝制成灯丝的电子管点燃时，会发出光辉耀眼的亮度，同时温度高得吓人。别意外，不是电子管要烧掉了，而是它本来如此！但将钨丝点亮需要消耗较大的电力，优点是钨丝甚为耐用，普遍运用于较大功率或长寿命的电子管上。在某些情况下这种真空管的寿命可达数万小时，拿来当作家里的灯泡，既耐用又有装饰的作用，一举数得！另一种灯丝采用钍钨合金，它只须将灯丝加温至一千多度即可工作，相较之下较省电力。最常使用的应为氧化硷土灯丝，它的作法是在灯丝外，涂上一层厚厚的

9、氧化硷土，看起来接近白灰色的物质，它只需要加温至约70度（看起来约为暗红色），即可获得足量的电子，因此工作温度最低、也最节省电力，一般而言只须供应6.3V左右的直流，就可以正常工作。-内容提要： 电子管是怎样工作的 电子管的发明与盘尼西林以及轮胎的发现一样具有戏剧性：电路分析上电流的方向与实关键词： 分类 常用 参数 原理 工作 真空 结构 电子 电压 电流直热式电子管当然有它天生的优点，但却有一个致命的缺点，那就是阴极容易因灯丝的温度变化而改变特性。当灯丝电压变动时，或以交流电供应灯丝时，阴极呈现在不稳定的状态下。因此有人主张直热式电子管应采用直流供电，也有人强调必须以交流供电以免损伤阴极，

10、这种争论过去在音响界早已成为一个争论不休的话题。旁热式电子管的稳定度较高为了解决直热式电子管的灯丝问题，电子管设计者决定让灯丝与阴极分家独立，在灯丝的旁边套上一圈金属套筒，让灯丝直接对金属板加热，电子从金属板散发出来，这种加热方式就称为旁热式电子管。如此，电子管似乎就稳定许多了，由于金属套筒的体积与储热量高高大于传统的灯丝，因此即使灯丝暂时的温度变动，甚至暂时几秒的停止加热，金属板的温度变化改变有限，这也就是为什么某些电子管机关机之後，它还能唱个十几秒的主要原因。既然阴极与灯丝独立，阴极板必须由灯丝间接加热，于是灯丝再度改成钨丝材质，以求耐久性，并在钨丝外层涂上一层白磁，一方面绝缘，另一方面也

11、有定型的效果。由于间接加热效果较差，阴极金属板上会涂上钍、钡或其他有利于电子发散的物质。也因此，电子管的金属极板看起来总是灰黑色，不像正常的金属板，也由于制作组装时必须仰赖手工，因此金属板上总会留下许多细小的刮痕，用家购买电子管时不必意外担心。直热式电子管与旁热式电子管使用上的差异呢？对于一般使用者而言是不必在乎直热式电子管与旁热式电子管的不同，但对于设计者而言，旁热式电子管由于间接加热的关系，灯丝电流通常较大，而且旁热式的结构必须对阴极金属板加温，因此开机后有一段缓慢的加温期，如果是前级，则必须做好延时设计，以免开机的脉冲伤了后级。依据发展的过程来看，最早的电子管当然是直热式的设计，二极管是

12、首先被发展出来的，二极管的功能犹如现在的二极晶体管，具有整流以及收音机内部检波的功能，二极管经过适当的设计，也可以成为稳压管。由于电子管的工作原理很简单，因此第一支电子管被成功的制造出来之後，就有许多科学家加入研发的工作。第一支三极管在l907年被一位美国科学家成功制造，从此便开启了无线电时代的来临，告别留声机，进入扩大机时代。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

13、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（事实上，晶体管的放大形式是从电子管延伸过来的应用），结合不同的电子材料如电阻、电感、变压器以及电容等，就可以创造出千变万化的电子产品。观察电子管的管壁内部可以看到一块类似水银的薄膜

14、黏附在玻璃壁上，这是延长电子管寿命的设计。除了极少部份低压电子管外（并非指工作电压低，而是指电子管内部存在低压气体），大部分的电子管必须抽真空才能正常工作。电子管的接脚为金属脚，虽然以玻璃封装，但玻璃与金属接脚之间仍然有漏气的机会。玻璃管内的金属蒸镀物（即消气剂），会与气体进行作用，它存在的目的就在于吸收气体，以维持电子管内部的真空度。这一层薄薄的金属物氧化之後，会变成白色，表示电子管已经漏气不行了，所以若打破电子管时，这一层蒸镀物质也会变成白色，因此购买老电子管时，也要注意蒸镀物的情况，像水银一样的为佳，若开始苍白、剥落时，就表示这支电子管已经迈入老年了-电子管的结构及性能特点大多数的电子管

15、均为玻璃外壳的真空管（俗称“胆”管），体积较大，图1是其外形。 （一）二级电子管二极电子管分为整流二极管、阻尼二极管和充气二极管等，其内部由阴极K、屏极A和灯丝F等组成.二极电子管有直热式和间热式之分。直热式二极电子管的灯丝F与阴极K为一体，称为丝极。间热式二极电子管的灯丝F与阴极K之间是隔离.图2是二极电子管的电路图形符号.（二）三级电子管三极电子管由外壳、灯丝F、屏极（也称板极或阳极）A、栅极G、阴极K及管脚等组成。其中，灯丝用来加热阴极。阴极k（类似于半导体三极管的发射极和场效应管的源极）在温度升高到一定值时开始发射电子。栅极G（也称控制栅极。类似于半导体三极管的基极和场效应管的栅极）用

16、来控制阴极发射电子的数量，即控制阴极电流的大小。屏极A（类似于半导体三极管的集电极和场效应晶体管的漏极）用来收集阴极所发射的电子。阴极发射电子的基本条件是：阴极本身必须具有相当的热量，阴极又分两种,一种是直热式，它是由电流直接通过阴极使阴极发热而发射电子；另一种称旁热式阴极，其结构一般是一个空心金属管，管内装有绕成螺线形的灯丝，加上灯丝电压使灯丝发热从而使阴极发热而发射电子，现在日常用的多半是这种电子管(如图所示)。由阴极发射出来的电子穿过栅极金属丝间的空隙而达到阳极，由于栅极比阳极离阴极近得多，因而改变栅极电位对阳极电流的影响比改变阳极电压时大得多，这就是三极管的放大作用。换句话说就是栅极电

17、压对阳极电流的控制作用。我们用一个参数称跨导S来表示.另外还有一个参数u来描述电子管的放大系数，它的意义是说明了栅极电压控制阳流的能力比阳极电压对阳流的作用大多少倍。三极电子管一般用于放大电路中，它按阴极的加热方式可分为直热式阴极三极电子管和间热式阴极三极电子管。图11-3是三极电子管的电路图形符号。常用的中、小功率三极电子管有6N16N4、6N6、6N8P、6N9P、6N11、6DJ8、12AX7、12AU7、12AT7、6C36C5等型号。常用的大功率三极电子管有211、845、WE300B、6N5P、6N13P等型号-不论如何，想要对真空管有较深入的瞭解，必需对真空管的特性规格有所瞭解，

18、以下即以WE300B的特性规格来说明：灯丝电压于电流提供真空管灯丝点灯的电压，可用直流或交流，每一支真空管的灯丝电流是都不相同，我们在实际使用时，要尽量接近这个值，太高、太低都會有负作用的，一般而言，稍稍低於厂方规格的灯丝电压是被允许的，但最好不要超过厂方，否则會减短真空管的寿命。例如300B的的灯丝电压是5V(直流或交流)，电流是1.2A，我们在实际使用时，要尽量接近这个值，太高、太低都會有负作用的。最高屏极电压 ,真空管最高屏极电压，在实际使用时，不得超过这个屏压值.例如300B的最高屏极电压不得超过450V，最大屏极损耗是40W，一般的惯例，在实际使用时，不要超过最大值的7080%，也就

19、是说，300B的屏压不要超过350V，屏极损耗不要超过30W。最高屏极损耗电子撞击屏极时，會使屏极发热，这热表示一种功率损失，每一种不同的真空管各有各自不同的屏极损耗，我们使用真空管时，除了电压与电流之外，也要注意不要超过该管的最大损耗值，实际使用时，屏耗最好不要超过最大屏耗的70% 80%，否则真空管很快就會损坏的。如何计算屏级损耗 很简单，即真空管供给屏级的电压与屏级的电流的乘积： P=EXI其中： P=屏极损耗 E=屏极电压 I=屏极电流例如300B最大屏极损耗40W，假设我们设计300B的屏极电压是350V，电流是80mA，则相乘积是28W，约为300B最大屏极损耗40W的70%左右，

20、所以是很安全的。最大屏极电流另一个项目是最大屏极电流，如果流经真空管的电流，一旦超过最大值，真空管就可能在两种情形之下损坏，一是屏极因过多的电子撞击而超热，二是阴极因过量发射而受损。玩真空管的人都有见到真空管的屏极发红的经验，那就是超过屏耗而使得屏极发红的现象。 在300B的资料中，300B最大屏极电流有两种不同的规定，亦即使用固定偏压时，最大屏极电流为70mA，使用自给偏压时，为100mA。因此我们在设计工作点时，不能超过这个数值。 Y= b2极间电容在表一中还有一个很重要的参数，就是极间电容，也就是真空管极与极之间的电容。 真空管的各极都是导体，其间也经常有电位差，因此它们有电容的作用，三

21、极管中有栅屏、栅阴(丝)与屏阴三种极间电容，例如WE300B的三个极间电容量，栅与屏之间是15pF，栅与灯丝之间是9pF，屏与灯丝之间是4.3pF，虽然这些极间电容都很小，但是这些小电容却會影响到高频响应极间电容越大,高频响应也越差.。这些参数只要代PSPICE就可以了大致让我们估算一下频率响应。-外型与管座接下来我们就要看看300B的外型、内部构造、尺寸，与管座了，300B的外型只要看照片就行了，这种玻离管中间突出，形状有点像梨形的管子叫做ST管 (一般直筒管状的玻离管如EL-34或6550等叫做GT管)，300B可说是较大型的ST管。各厂牌的300B的内部构造却都不太一样.原厂资料中的FI

22、G 1是WE300B的外部尺寸图，FIG 2是300B的管底接脚尺寸图，由FIG 1中我们可以看到管子的基座部份有一个突出的针状金属栓，这是用於直立式管座时的卡栓，只要将真空管的卡栓对准这种卡栓式的管座插入，然後再向右旋转就可以把真空管卡得牢牢的，像211与845真空管都是使用这种管座插入真空管的，只不过300B的管座比较小一点而已。但是一般300B大多都使用一般四脚的管座。我们可以见到300B常用的四脚管座，有两个较大的插孔与两个较小的插孔，其中两个较大的插孔1与4是灯丝，两个较小的插孔2与 3分别是栅极与屏极。又使用这种管座的真空管叫做UX-Type，有很多真空管都用这种UX-Type的管

23、座，像是2A3、26、45、50、 71等直热式三极管，或80、83等直热式的整流管都是使用这种UX-Type的管座的。所有真空管手册都有原厂提供的推薦作实例表，不同的工作点，不同的负载，會得到不同的输出功率以及不同的失真率。如果您不想自己依照真空管的特性曲线设计时，可径参考原厂推薦作实例照著装就行了。电子管三参数.GM-rp (真空管的动态特性)我们知道使用扩大机的目的是放大声音的讯号，而真空管在实际工作时，输入的音乐讯号并不是一个定的值，而是随著讯号而变化的电压，所以我们必需要知道真空管对这细微的变化所引起的反应，这就是真空管的动态特性(Dynamic Characteristic)，决定

24、真空管动态特性的参数有三，即跨导、放大因素与屏级电阻。例如300B的灯丝电压Ef=5.0V，屏极电压Eb=300V，负压Ec=-61V时，此时的屏极电流为60mA，放大因素为3.85，屏极电阻为 700W，栅到屏的跨导为5500姆欧。其中放大因素、屏极电阻与跨导是真空管的最重要的三个参数，因此我们必需要先瞭解这三个参数的意义与相互的关系。跨导(Gm) Gm=DIp/DEsig 跨导(Gm)等於屏级电流变化量除以栅级电压变化量(屏极电压固定)。 其中： DIp=屏极电流变化 DEsig=栅极讯号电压变化即真空管在栅极引起的电压变化，相对於屏极电流所产生的变化，这栅极的电压变化量，与屏极电流变化量

25、之比，谓之跨导(Transconductance)，又称为互导(Mutual Conductance)，符号为Gm，跨导的单位是姆欧mhos。 要注意这mhos与电阻的ohms不一样，我们知道电导是电阻的倒数，等於电流除以电压，单位也是姆欧。但在实用上，由於mhos做单位太大，因此通常都用百万分之一姆欧，也就是mhos-放大因素()=DEp/DEsig 放大因素()等於屏极电压变化除以栅极电压变化(屏极电流固定)。其中： DEp=屏极电压变化我们知道一个小变化的讯号电压由真空管的栅极输入，由屏极输出就成为大变化的讯号电压，而这小变化的栅极输入电压导至大变化的屏极输出电压之比，就叫做放大因素，以

26、希腊字来表示，或又称为mu。三极管的放大因素决定於真空管的机械结构，栅极离阴极愈近时，对射向屏极的电流的影响愈大，因此放大因素也愈大；反之，如果栅极的网孔较疏，栅极上电位的影响小，放大因素就愈小。例如300B是专为功率放大而设计的管子，功率管的屏极工作电压较高，空间电流大，阴极(或丝极)与屏极都做的比电压放大管粗大，而栅极的网孔也需要大，才能通过大电流，因此放大因素就不會高。屏级电阻(rp) rp=DEp/DIp(此处所谓的屏极电阻系指真空管的内部电阻，而不是指屏极负荷电阻) 屏极电阻(rp)等於屏极电压变化除以屏极电流变化(栅极电压固定)。rp=DEp/DIp真空管的电流，由阴极(直热三极管的灯丝即阴极)发射，经由空间电荷、栅极，到屏极的途中，能量會有损失，转换成热，换句话说，真空管内部由阴极到屏极的通路中对电流的阻力叫做屏极电阻，rp的单位与电阻一样，为欧姆W或ohms。三个参数之关系以上的三极管三个参数是非常重要的，其间的关系为： =rp Gm这三个参数并不是一成不变的，我们可以由原厂资料中的FIG 4、FIG 5、FIG 6图中看出其间的相互关系。