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建模
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爱迪生效应
,
,金属听自由电子作无规章的热运动,,电子逸需抑制阻力作功,,只有极少量电子的动能超过逸出功,℃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,,逸出的热电子在金属外表四周积存,成为空间电荷,,另一金属板为阳极,其间加电压,使热电子在电场作用下从阴极到达阳极,这样不断放射,不断流淌,,单位时间从阴极放射的电子全部到达阳极,于是电流饱和.
,应选用熔点高而逸出功低的材料来做阴极.
除热电子放射外,靠电子流或离子流轰击金属外表产生电子放射的,称为二次电子放射,靠外加强电场引起电子放射的称为场效放射,
电子管(真空管)构造、工作原理、分类及常用参数来源:时间:2023-02-10
内容提要:电子管是怎样工作的电子管的制造与盘尼西林以及轮胎的觉察一样具有戏剧性: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构造电子电压电流电子管是怎样工作的
电子管的制造与盘尼西林以及轮胎的觉察一样具有戏剧性:电路分析上「电流」的方向与实际上「电子」流淌的方向是否一样?答案是否认的,电流与电子流的方向是恰巧相反的。过去的科学家无法观看电子流淌的方向,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,观看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,而从喇叭正端回流的〕
身为使用者并不需要在意何者为真,只要依据科学家的结论行事就可以了。说这一段就是由于当时爱迪生制造灯泡之後,觉察他生产的灯泡灯丝老是从正极端烧断,于是进一步试验在灯泡中参加一块小金属板,点灯之後将金属板连接电表,分别施以正电压以及负电压,观看电流的情形。
对于当时的科学而言,位于真空状态下且不连接的金属板,不管如何连接是不行能产生电流的,但怪事发生了,爱迪生觉察某种物质〔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,此觉察固然激起更大的试验动机,此现象便称为「爱迪生效应。」这也是科学家首次质疑电流流淌的方向,以及自由电子在空间中流淌的现象。
金属之所以能导电,就是由于金属的自由电子较多,便于电子的相互流淌,因此电子材料必需由导电性佳的材质制成。电子还有个特性,带负电的电子简洁受到正电压的吸引,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,活泼于质子外围的自由电子简洁产生游离现象,温度高导致电子活性增加,此时假设空间中有一正电压强力吸引,游离的电子就会在空间中流淌。基於这几个当时已被了解的学问,弗来明〔〕于1904年制造出第一支二极电子管,李德科士〔DeForestLee〕将二极管加以改进,于1907年制造出第一支三极管,既然成功研发了二极管,电子管的应用开头实现,电子管的进展从今一日千里。
三极管是最根本的电子管
电子管又称真空管〔VacuumTube〕,代表玻璃瓶内部抽真空,以利于游离电子的流淌,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根本「极」的数量。电子管拥有三个最根本的极,第一是「阴极K阴极固然是阴性的,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。其次个极是「屏极P根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,它如同一圈圈的细线圈,就如同栅栏一般,固定在阴极与屏极之间,电子流必需通过栅极而到屏极,在栅极之间通电压,可以掌握电子的流量,它的作用就如同一个水龙头一般,具有流通与阻挡的功能。
引擎运转必需要有燃料,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,作为一切工作的根底。
最早的电子管由于构造原理简洁,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。根本上,电子管的灯丝主要可分成三种材质构成,第一种固然是耐高温的钨丝。将纯度高的钨丝抽成细丝,卷绕在电子管的最内层,通电之後即可上升温度。但钨丝必需加温到两千多度时,电子才能发散,因此以钨丝制成灯丝的电子管点燃时,会发出光辉刺眼的亮度,同时温度高得吓人。别意外,不是电子管要烧掉了,而是它原来如此!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。在某些状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!另一种灯丝承受钍钨合金,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、也最节约电力,,就可以正常工作。
内容提要:电子管是怎样工作的电子管的制造与盘尼西林以及轮胎的觉察一样具有戏剧性: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构造电子电压电流
直热式电子管固然有它天生的优点,但却有一个致命的缺点,那就是阴极简洁因灯丝的温度变化而转变特性。当灯丝电压变动时,或以沟通电供给灯丝时,阴极呈现在不稳定的状态下。
因此有人主见直热式电子管应承受直流供电,也有人强调必需以沟通供电以免损伤阴极,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,电子管设计者打算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,电子管似乎就稳定很多了,由于金属套筒的体积与储热量高高大于传统的灯丝,因此即使灯丝临时的温度变动,甚至临时几秒的停顿加热,金属板的温度变化转变有限,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缘由。既然阴极与灯丝独立,阴极板必需由灯丝间接加热,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需仰赖手工,因此金属板上总会留下很多细小的刮痕,用家购置电子管时不必意外担忧。
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,而且旁热式的构造必需对阴极金属板加温,因此开机后有一段缓慢的加温期,假设是前级,则必需做好延时设计,以免开机的脉冲伤了后级。
依据进展的过程来看,最早的电子管固然是直热式的设计,二极管是首先被进展出来的,二极管的功能如同现在的二极晶体管,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洁,因此第一支电子管被成功的制造出来之後,就有很多科学家参加研发的工作。第一支三极管在l907年被一位美国科学家成功制造,从今便开启了无线电时代的降临,告辞留声机,进入扩大机时代。
电子管的工作原理
当点亮灯丝,灯丝温度渐渐上升,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到达电子游离的温度时,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流。栅极如同一个开关,当栅极不带电时,电子流会稳定的穿过栅极到达屏极,当在栅极上参加正电压,对于电子是吸引作用,可以增加电子流淌的速度与动力;反之在栅极上参加负电压,同性相斥的原理电子必需绕道才能到达屏极,假设栅极的构造浩大,则电子流有可能全数被阻隔。
利用栅极可以轻易掌握电子流的流量,将输入讯号连接在栅极上,并且参加适当的偏压,并且在屏极串上一个电阻,藉此即可到达讯号放大的目的。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长过来的应用〕,结合不同的电子材料如电阻、电感、变压器以及电容等,就可以制造出千变万化的电子产品。
观看电子管的管壁内部可以看到一块类似水银的薄膜黏附在玻璃壁上,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〕,大局部的电子管必需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旧有漏气的时机。玻璃管内的金属蒸镀物〔即消气剂〕,会与气体进展作用,它存在的目的就在于吸取气体,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,所以假设打破电子管时,这一层蒸镀物质也会变成白色,因此购置老电子管时,也要留意蒸镀物的状况,像水银一样的为佳,假设开头苍白、剥落时,就表示这支电子管已经迈入老年了
电子管的构造及性能特点
大多数的电子管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放射极和场效应管的源极〕在温度上升到肯定值时开头放射电子。栅极G〔也称掌握栅极。类似于半导体三极管的基极和场效应管的栅极〕用来掌握阴极放射电子的数量,即掌握阴极电流的大小。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〕用来收集阴极所放射的电子。阴极放射电子的根本条件是:阴极本身必需具有相当的热量,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放射电子;另一种称旁热式阴极,其构造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放射电子,现在日常用的多半是这种电子管(如下图)。由阴极放射出来的电子穿过栅极金属丝间的空隙而到达阳极,由于栅极比阳极离阴极近得多,因而转变栅极电位对阳极电流的影响比转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压对阳极电流的掌握作用。,它的意义是说明白栅极电压掌握阳流的力量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6N1~6N4、6N6、6N8P、6N9P、6N11、6DJ8、12AX7、12AU7、12AT7、6C3~6C5等型号。常用的大功率三极电子管有211、845、WE300B、6N5P、6N13P等型号
不管如何,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,以下即以
WE300B的特性规格来说明:灯丝电压于电流
供给真空管灯丝点灯的电压,可用直流或沟通,每一支真空管的灯丝电流是都不一样,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(直流或沟通),,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70~~80%,也就是说,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,也要留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
很简洁,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,所以是很安全的。
最大屏极电流
另一个工程是最大屏极电流,假设流经真空管的电流,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,二是阴极因过量放射而受损。玩真空管的人都有见到真空管的屏极发红的阅历,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,其间也常常有电位差,因此它们有电容的作用,三极管中有「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,,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,外形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FIG1是WE300B的外部尺寸图,FIG2是300B的管底接脚尺寸图,由FIG1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。
全部真空管手册都有原厂供给的推薦#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。假设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-μ-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微小的变化所引起的反响,这就是真空管的动态特性(DynamicCharacteristic),打算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=,屏极电压Eb=300V,负压Ec=-61V时,此时的屏极电流为60mA,,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,与屏极电流变化量之比,谓之「跨导」(Transconductance),又称为「互导」(MutualConductance),符号为“Gm“,跨导的单位是姆欧“mhos“。
要留意这“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。
但在有用上,由於mhos做单位太大,因此通常都用百万分之一姆欧,也就是μmhos
放大因素(μ)
μ=DEp/DEsig
放大因素(μ)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,以希腊字“μ“来表示,或又称为“mu“。
三极管的放大因素打算於真空管的机械构造,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μ也愈大;反之,假设栅极的网孔较疏,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)放射,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格外重要的,其间的关系为:μ=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FIG4、FIG5、FIG6图中看出其间的相互关系。