認識真空管

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一切由電子開始談起 江俊德

要說在前面的，筆者才疏學淺，雖然略知電路設計的基礎與原裡，但對於基礎電子學反而陌生，文中若有疏漏錯誤之處，尚請先進不吝指 正。電子元件本來就是一項專精的電子物理學，利用材質以及結構上的特性，對電形成不同的反應。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，經過適當的製程，就可以變成半導體如二極體、電晶體以及IC等；將銅線以絕緣漆封裝 形成漆包線，將漆包線捲起來就形成電感、加入鐵芯則成為變壓器、併接在一起就是李玆線。還有其他諸多電子元件，其實都是架構在基 礎物理現象上的精巧設計。
真空管的發明就與盤尼西林以及輪胎的發現一樣具有戲劇性：在實驗室中靠近窗戶幾個未清洗的實驗皿，不經意從窗外飄來一些黴菌落在 實驗皿上，科學家驚訝的發現某些落入實驗皿中的黴菌，可以抑制壞菌的擴散與成長，加以實驗分析之後這種黴菌就成為了有效且使用廣 泛的抗生素之一；同樣也發生在實驗室中的情景，正在研究橡膠的實驗中，不經意打破裝在玻璃杯裡的硫黃，倒入融化的橡膠液體中，凝 固後橡膠變成了堅硬且頗富韌性的材質。真空管當然不是無緣無故做幾片金屬板封裝在抽真空的玻璃瓶裡進行實驗的，它的發展與發明大 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。過去的科學家無法觀察電子流動的方向，於是統一說法，將電池的某一極設定為正極，其電壓為正電壓，電流由正極流至負極 而形成一個封閉的迴路。由於大家統一說法與作法，因此多年來並沒有發生任何衝突之事，直到了近代科學家有了更精良的設備，觀察之 後遂推翻了之前的說法：「原來電子是由電池的負端流出來的」！（換言之，電子是從擴大機的喇叭負端流出，而從喇叭正端回流的）

身為使用者並不需要在意何者為真，只要按照科學家的結論行事就可以了。說這一段就是因為當初愛迪生發明燈泡之後，發現他生產的燈 泡燈絲老是從正極端燒斷，於是進一步實驗在燈泡中加入一塊小金屬板，點燈之後將金屬板連接電表，分別施以正電壓以及負電壓，觀察 電流的情形。

對於當時的科學而言，位於真空狀態下且不連接的金屬板，不論如何連接是不可能產生電流的，但怪事發生了，愛迪生發現某種物質（其 實就是電子）會透過金屬板，會從電池的負極騰空「跳」到正極，此發現當然激起更大的實驗動機，此現象便稱為「愛迪生效應」。這也 是科學家首次質疑電流流動的方向，以及自由電子在空間中流動的現象。

金屬之所以能導電，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電性佳的材質製成。電子還有個特性， 帶負電的電子容易受到正電壓的吸引，所謂同性相斥、異性相吸。又從愛迪生效應中得知，當加熱金屬物質時，活躍於質子外圍的自由電 子容易產生游離現象，溫度高導致電子活性增強，此時若空間中有一正電壓強力吸引，游離的電子就會在空間中流動。基於這幾個當時已 被了解的知識，佛來明（J.A. Fleming）於1904年製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年製造出第一支三極管，既然成功研發了三極管，真空管的應用開始實現，真空管的發展從此一 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）：陰極當然是陰性的，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裡。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，它負責吸引從陰極散發出來的電子（還記得嗎？利用異性相吸的原理），作為電子游離旅行的終點。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。

真空管光有三個極當然還不算完美，也因此後來的真空管不斷改進，在結構上也有了許多的改進之道，以配合不同的放大方式（如超線性 接法等），但該部份的內容已經脫離本文，暫不詳述。

引擎運轉必須要有燃料，真空管的動作動力為電能。真空管的電極當中，最重要的應屬陰極，它負責將電子釋放出來，作為一切動作的基 本。最早的真空管由於構造及理論簡單，直接將燈絲充當陰極使用，換句話說，當燈絲點亮時，由於燈絲溫度提高，電子就從燈絲釋放出 來，經過柵極直奔屏極。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，相較於其他現代化 的五極真空管，300B的構造簡單，性能陽春，輸出功率也低。

燈絲（Filament）可以使用不同的材質製成，由於直熱式三極管直接將燈絲當作陰極，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構成，第一種當然是耐高溫的鎢絲。將純度高的鎢絲抽成細絲，捲繞成狀在真空管的 最內層，通電之後即可發出溫度。但鎢絲的必須加溫到兩千餘度時，電子才能發散，因此以鎢絲製成燈絲的真空管點燃時，會發出光輝耀 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！但將鎢絲點亮需要消耗較大的電力，唯優點是鎢絲甚為耐 用，普遍運用於較大功率或長壽命的真空管上。筆者經常聽到人說：「那支真空管點起來那麼亮，一定兩三下就掛點了」。其實並不然， 在某些情況下這種真空管的壽命可達數萬小時，拿來當作家裡的燈泡，既耐用又有裝飾的作用，一舉數得！

另一種燈絲採用釷鎢合金，它只須將燈絲加溫至千餘度即可工作，相較之下較省電力。最常使用的應為氧化鹼土燈絲，它的作法是在燈絲 外，塗上一層厚厚的氧化鹼土，看起來接近白灰色的物質，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、也最節省電力，一般而言只須供應6.3V左右的直流，就可以正常工作。

直熱式真空管當然有它天生的優點，但卻有一個致命的缺點，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。因此有人主張直熱式真空管應採用直流供電，也有人強調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，筆者相當樂於接受。

傍熱式真空管的穩定度較高

為了解決直熱式真空管的燈絲問題，真空管設計者決定讓燈絲與陰極分家獨立，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，真空管似乎就穩定許多了，由於金屬套筒的體積與儲熱量高高大於傳統的燈絲，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，它還能唱個十幾秒鐘的主要原因。既然陰極與燈絲獨立， 陰極板必須由燈絲間接加熱，於是燈絲再度改成鎢絲材質，以求耐久性，並在鎢絲外層塗上一層白磁，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，陰極金屬板上會塗上釷、鋇或其他有利於電子發散的物質。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，也由於製作組裝時必須仰賴手工，因此金屬板上總會留下許多細小的刮痕，用家購買真空管時不必意外擔心。

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，但對於設計者而言 ，傍熱式真空管由於間接加熱的關係，燈絲電流通常較大，而且傍熱式的結構必須對陰極金屬板加溫，因此開機後有一段緩慢的加溫期， 如果是前級，則必須做好延遲設計，以免開機的脈衝傷了後級。

依據發展的過程來看，最早的真空管當然是直熱式的設計，二極管是首先被發展出來的，二極管的功能猶如現在的二極體，具有整流以及 收音機內部檢波的功能，二極管經過適當的設計，也可以成為穩壓管，作用如現在的濟納二極體（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製造出來之後，就有許多科學家加入研發的工作。第一支三極 管在1907年被一位美國科學家成功製造，從此便開啟了無線電時代的來臨，告別留聲機，進入擴大機時代。

真空管的工作原理

現在，我們更進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，繪於附圖之中， 從圖可知，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，具有多種放大組態（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。

至此，真空管的基本工作原理已經報告完畢，還缺少了什麼？請觀察一下真空管的管壁內部，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。

使用300B真空管的用家一定有一個經驗，將擴大機電源打開，室內燈光熄滅，此時300B的燈絲會發出昏黃的光線，同時在真空管 的頂端，有時候會出現像極光一樣的神秘藍光。藍光看起來是綿細的、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 無的在真空管內發亮。第一次見到藍光的人不免對它產生好奇，有人說它無所謂，也有人說它是不正常的現象，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，不過筆者並不確定是否對人體有傷害。藍光的出現也與真空管廠牌 有極大的關係，大陸管以及蘇聯管Sovtek出現藍光的機會大於其他，而我自己使用的三部300B擴大機，使用四支大陸管與兩支 WE300B，只有大陸管會發出藍光，久了也就視為正常了。

1916年為有線電話用途製作的三極管，它是構造最簡單的直熱式三極管，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。