音響放大線路之三 —— 真空管的原理

Feb 15
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文｜Raymond Wong

在工程技術中，放大是指將一個弱小的物理量變成一個大的物理量，例如什麼壓力、流量、電流、電壓等等，但幾乎所有地球人都知道什麼是質量和能量不滅定理，即熱力學第一定理: 質能守恆定理，所以放大的前提是要有一個強大的源頭，然後用一個“開關”，去根據需要而調節其輸出的大小，這就叫做放大，因此從技術角度說，放大也就是如何去操作一個或者是多個調節開關的遊戲而已。時至今天，工業上的放大過程已經有了很多的類別，有氣動的，液壓的，電子或電機式的，在工廠中要應付這些系統可不是一件簡單的事。但我們這裡要介紹的只是單一類別而已，那就是電子線路中的音樂訊號放大元件和有關線路。音頻放大線路中應用的所謂「調節開關」分為兩大類: 真空管和晶體管，本篇就先說真空管吧。

顧名思義，真空管就是一個裡面抽真空的管子，外殼一般是玻璃，少數型號用金屬等其它的材料。在這個真空管子裡封裝的是兩個以上的電極，用來對電流進行各種各樣的控制。真空管的誕生是來自於愛迪生的一個無厘頭的燈泡實驗，他發現在燈泡裡的一個金屬箔在靠近亮起的燈絲時會有電流產生，這個現象被稱為愛迪生效應，這個現象隨後就被改良應用在實用產品上。

發展歷史和結構

真空管的正式學名應叫電子管，因為真空管有可能會被誤解為抽真空的管道，但語言是約定俗成的遊戲，在香港習慣稱之為真空管，所以我們還是叫它真空管吧。愛迪生效應是1883年發現的，但真空二極管是1904年才出現，然後過了兩三年左右又出現了真空三極管，此後便一發不可收拾，到了我這個年輕老東西出生的六十年代初，光是西方國家的真空管產量就達10億枚，這還不包括前蘇聯和中國的產量在內，而之後呢?之後真空管不就是開始完蛋了嗎，因為它的強敵半導体晶體管誕生了，實際上晶體管是在1947年發明的，但是到六十年代才開始成熟及大規模普及。

真空管的內部結構

真空管在現代科技領域裡屬於電真空器件，其種類由整流二極管至雷達的行波管和磁控管等等，多到數不勝數，記得前幾屆視聽展有一家內地企業參展，帶來的特種真空管性能之強悍令我印象極為深刻，他們参展是想吸引潛在工業客戶，音響不是主要對象，當然本文只限於介紹音響真空管而已。

真空管既是由燈泡實驗而來，最初的產品自然像個燈泡，其中用來發熱從而發射電子的部件就是鎢絲，即陰極，然而鎢絲要加熱至2000度以上才能發射電子，所以這種真空管工作時基本上就是一個亮得耀眼的燈泡，廣東人把燈泡叫做燈膽，膽機之名由此而來。鎢絲的好處是壽命長，但高溫導致耗電量大，於是就有了釷鎢合金做的陰極，溫度只需一千多度，之後又有了塗上氧化鹼土的陰極，溫度只要700度就能發射電子，所以現在的真空管工作時只發出暗紅色的光就是這個道理。陰極本身發熱的設計叫直熱式真空管，優點是線性好，高頻出色，負載表現較佳，但也有一些缺點，其中最要命的是燈絲/陰極對溫度變化非常敏感，燈絲電壓稍有不穩定其電子發射率就有明顯的變化，這也引起了糾纏至今的燈絲要用直流電還是交流電加熱的爭議。直熱管中相對比較流行的型號有300B、845等等。

300B

845

為了解決直熱管的不穩定，旁熱管便應運而生，也就是燈絲只管發熱，陰極則是套在燈絲外的一個金屬筒子。燈絲完全變成了加熱器，和電訊號無關，大大減輕了線路設計顧慮，因此市場中旁熱管的種類遠比直熱管要多，什麼KT88、EL34等都是熱門的音響旁熱管。

真空管中的電子只能由陰極發射至陽極（屏極）作單向流動，只有這兩極的叫真空二極管或整流管，只是負責將交流轉為直流，要用來放大則必須加入一些東西，具體做法是在陰極和陽極之間加入一個金屬網，這個金屬網會接上一個可以變化的負電壓，如果這個負電壓為零的話，電子就會一穿而過，直奔屏極（叫陽極不太嚴謹）。但電壓如果由零開始逐漸變負的話，穿過的電子數量就會随之逐漸變少，一旦負到和陰極電壓一樣的話就沒有電子穿過了，也就是電子會被困在陰極和金屬網之間無路可逃，由於這個金屬網相當於一個攔住人流的柵欄，所以就叫做柵極。陰極、柵極和屏極三者便組成了最基本的真空三極管，作為放大之用，連接在柵極上的就是音樂訊號。

旁熱真空三極管的結構示意圖

由於人們嫌穿過柵極的電子衝刺力道會被削弱，因此在柵極之外又加了一層金屬網，再加上一個正電壓，這樣就可以對剛穿過柵極而筋疲力盡的電子扯上一把，使其能加速向屏極狂奔而去，這個網叫做簾柵極，三極管就變成了四極管，有趣的是，市面上作放大用的純正四極管幾乎是見不到的，有的都是改良後的產品，最著名的就是KT88，叫做束射四極管，其結構就是在陰極兩邊左右各加一塊像屏風一樣的金屬板，叫做集束屏，它會擋住左右亂跑的電子，使其只能向單一個方向衝出去，毫無疑問是衝向屏極，這個玩法誇張一點說就像是把陰極、柵極和簾柵極一齊裝在一條隧道裡，左右和後面都沒出路，只能向前跑，隧道出口就是屏極，這像極了孫子兵法中的圍三闕一戰術，原文叫圍師必闕，每當攻城或包圍敵人時必留一個虛弱的缺口，使敵方下不了魚死網破的拼死決心以及可以瓦解敵方鬥志。又扯遠了，呵呵，筆者的思唯有時真有點發散，各位看官莫怪。

左邊結構示意圖中只畫了束射四極管的半邊，沒畫出來的另外一半在圖的左下方，所以圖中只有一塊集束屏。

在四極管的基礎上，人們又發現了一個現象，燈絲的高溫既加熱了陰極，同時也會使屏極的溫度上升，畢竟大家都装在同一個管子裡，温度高會使屏極上的電子蠢蠢欲動，因此當高速電子打到屏極時，很容易會濺射出一些屏極上的電子，叫做二次電子，這可不是好事，我們必須要把這些電子推回屏極，怎麽辦？有辦法，我們可以再加一個柵極，叫抑制柵極，再將其和陰極連在一起，使其帶負電壓，這樣就可以將二次電子推回屏極，但這樣做會不會同時也把簾柵極跑出來的電子往回推? 放心，不會的，因為簾柵極來的電子是以百米衝刺的勢頭沖向屏極，攔它們不住的，所攔的只是弱雞二次電子而已。加了抑制柵極後，名字自然就變成五極管了，當下典型的音響五極管之一就是EL34。