电子管

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电子管(VacuumTube)又称真空管,是一种最早期的电信号放大器件。电子管除应用于电话放大器、海上和空中通讯外,也广泛渗透到家庭娱乐领域。 1883年,发明大王托马斯·爱迪生在一次实验中观察到一个奇怪的现象,当时,他正在进行灯丝(碳丝)的寿命测试,他在真空电灯泡内部碳丝附近安装了一小截铜丝,但铜丝并没有接在任何电极上。也就是说,铜丝没有通电。碳丝正常通电后,开始发光发热。过了一会,爱迪生断开电...

电子管(Vacuum Tube)又称真空管,是一种最早期的电信号放大器件。电子管除应用于电话放大器、海上和空中通讯外,也广泛渗透到家庭娱乐领域。

历史沿革

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1883年,发明大王托马斯·爱迪生在一次实验中观察到一个奇怪的现象,当时,他正在进行灯丝(碳丝)的寿命测试,他在真空电灯泡内部碳丝附近安装了一小截铜丝,但铜丝并没有接在任何电极上。也就是说,铜丝没有通电。碳丝正常通电后,开始发光发热。过了一会,爱迪生断开电源。他无意中发现,铜丝上竟然也产生了电流。当时的他并没有办法解释这种现象,但却给它命名为“爱迪生效应”。1897年,英国物理学家约瑟夫·约翰·汤姆生(Joseph John Thomson)发现了电子,人们才明白爱迪生效应是一种热电子发射现象(Thermionic emission)。

1904年,英国物理学家约翰·安布罗斯·弗莱明(John Ambrose Fleming)利用爱迪生效应发明了电子管(或真空管),结构和爱迪生的灯泡类似,因为有两个电极(涌出电子的灯丝为阴极,接收电子的金属片为阳极)而被称为电子二极管(或真空二极管),这使得爱迪生效应具有了实用技巧,因此弗莱明获得了这项发明的专利权。人类第一只电子管的诞生,标志着世界从此进入了电子时代。

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1906年,美国发明家李·德福雷斯特(Lee de Forest)通过在二极管的灯丝和金属片阴阳两极之间增加一个电极——一根波浪形的金属丝,发明了电子三极管。后来金属丝被改成金属网,故称栅极。栅极的表现与阳极十分类似,其作用取决于它和阴极之间的电压差。当施加在栅极上的电压比阴极低时,从阴极发射的部分电子将受到阻碍而无法到达阳极,栅极上的电压比阴极低得越多,这种阻碍效应就越大,直至完全阻隔;反之,当栅极上的电压比阴极高时,它反而开始吸引电子,助阴极一臂之力将更多电子传到阳极。结果是,稍微改变一下栅极上的电压,就可以对阳极上的电压产生很大影响,因而三极管常用作无线电通信中的信号放大器。

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李·德福雷斯特肖像及其三极管

1945 年,贝尔实验室开始对包括硅和锗在内的几种新材料进行研究,探索其潜在应用前景。一个专门的“半导体小组”成立了,威廉·肖克利 (William Shockley) 担任组长,成员包括约翰·巴丁 (John Bardeen) 和沃尔特·布拉顿 (Walter Brattain)。在1947年,实现了第一个半导体晶体管,也就是基于锗半导体的具有放大功能的点接触式晶体管。

晶体管是电子管的发展与延续随着电子管科技的发展,人们对生产的机械在体积上向体积越来越小的方向发展,由于电子管的体积大,而且在移动过程中容易损坏,越来越多的表现出其的弊端,于是人们开始寻找和开发电子管的可替代产品。随着后来的晶体管的出现,已越来越多的机械不再使用电子管。晶体管的出现是人类在电子方面一个大的飞跃。

时间来到1960年前后,此时西方国家的无线电工业已经能够做到年产10亿只无线电电子管。电子管除应用于电话放大器、海上和空中通讯外,也广泛应用于广播电视领域,将新闻、教育节目、文艺和音乐播送到千家万户。继三极电子管以后,又出现了四极管、五极管、六极管、七极管,更多极的电子管和复合管,形成了包括收信管、发射管、低频管、高频管、微波管和超小型管等系列。

但当前电子管并未完全被淘汰,其在音乐、工业、军事、医疗、航空航天等领域还是有少量应用的。比如用电子管制成的音乐外放,声音温暖耐听,音乐感好,氛围好的特点。在某些型号的战机电子系统的组成中也是重要的组成部分。

组成结构

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常用的电子管有二极管、三极管、束射四极管和五极管等几种主要类型。它们都具有发射电子的阴极和收集电子的阳极,还有一个栅极或几个栅极不等(二极管除外),这些电极常常是圆柱形的结构,安置成同轴系统,阴极位于中心,阳极包围在其他电极之外。除了电极之外,还有许多附属零件。这些共同组成了一个完整的电子管系统。。

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电子管结构图

阴极

阴极是用来放射电子的部件,分为氧化物阴极和碳化钍钨阴极。一般来说氧化物阴极是旁热式的,它是利用专门的灯丝对涂有氧化钡等阴极体加热,进行热电子放射。寿命一般在1000~3000小时。

阳极

阳极是收集阴极发射出来的大部分电子的电极。电子管工作时,由于电子管轰击板极表面,以及其它电极的热辐射,在板极产生大量热能,因其板极的耗散功率密度是每平方厘米几十瓦到几百瓦,这样大的功率密度采用自然辐射或传导的冷却已不能胜任。故须采用强制冷却方式。常用的有风冷、水冷和蒸发冷却等。

栅极

电子管的栅极根据它们在管中所起的作用不同分为一栅、二栅,有时也称为控制栅、帘栅。第一栅的主要作用是控制阴极电流,二栅的作用是屏蔽板极对第一栅的影响。栅极结构关系到本身的机械强度和散热效果,关系到管子可否稳定工作。为了减小电子的渡越时间,栅阴间距做的很短甚至不到1mm,因此厂商多采用机械强度高、导热系数高、辐射系数好以及熔点高的材料来做栅极,以避免在很小的间距下发生热碰极。

管壳和管脚

残留在电子管内的气体必须非常稀薄,达到所谓高真空的程度,高度真空是保证阴极发射能力不受损害和电子在管内正常运动的必要条件,要保持高度真空必须有密封的管壳。 一般电子管都采用玻璃和金属的外壳,电极引线由玻璃芯柱部分引出。小型的电子管采用平底玻璃壳,电极直接从平底引出。

工作原理

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电子管的工作原理大概如下:当灯丝加电后,灯丝温度逐渐升高,虽然是真空状态,但灯丝(旁热式)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升高,表面电子的动能克服了逸出功时,热电子就会从金属板飞奔而出,在金属表面形成一层动态的电子云。因为电子是带负电的,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,而且有一部分电子打在栅极上,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,而且更多的电子打在栅极上被栅极吸收形成栅流,剩余的电子穿过栅极到达屏极形成屏流;反之在栅极上加入负电压,同性相斥的原理,部分电子必须绕道网孔才能到达屏极,若栅极的结构过密或负电压过大,则电子流有可能全数被阻隔。由于栅极和阴极离得更近,利用栅极可以轻易控制电子流的流量,将输入信号连接在栅极上,并且加入适当的偏压,而且在屏极接上一个负载,当栅极电流有一个细小的变化时,在屏极上就会得到一个较大的变化屏流,藉此即可达到信号放大的目的。

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电子管工作电路简图

产品优缺点

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与半导体器件相比电子管既有优点也有缺点。

与半导体器件相比电子管的优缺点

优点缺点
电子管的电压动态范围大,是高电压小电流的电子器件辅助电源多(灯丝和帘栅),耗电大,效率低;
线性性能优越电子管的寿命受到阴极的限制,其寿命比半导体器件短
电子管性能受温度变化的影响小电子管的体积和重量都比半导体器件大得多
电子管的耐过载能力强电子管承受机械振动的能力比半导体器件差
电子管的输入电阻比半导体三极管大得多,在负栅压工作时,低频的栅流等于零电子管结构脆弱且需要高压电源

以上信息来源于

产品分类

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按用途分:可分为电压放大管、功率放大管、充气管、闸流管、引燃管、混频或变频管、整流管、振荡管、检波管、调谐指示管、稳压管等。其中,整流管是将交变电流变换成单向电流的电子管,一般来说,整流管都是二极管;检波管则是从高频交变信号中检出低频调制信号的电子管,通常是由二极管或三极管完成此功能;功率放大管是在功率放大设备中作放大低频信号的电子管,通常采用功率三极管。

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检波管

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功率放大管

按电极数分:分为二极管、三极管、四极管、五极管、六极管、七极管、八极管、九极管和复合管等。三极以上的电子管又称为多极管或多栅管。多极电子管与二极管的区别是在阴极和阳极之间增加了若干个栅极,最多甚至可增加到7个栅极,成为9极管,但极少应用,以具有3个栅极的五极管最为普遍。其中,最简单的是二极管,它是由一个阴极和一个阳极(屏极)装在真空度很高的玻璃壳内构成的。由于二极管具有单向导电性,所以常用作整流和检波;在二极管的阴极和阳极之间加上一个栅极,则构成三极管,它—般作放大管用;五极管:在四极管阳极与帘栅极之间加一个抑制栅极,用来抑制二次电子的交换,则构成五极管。

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五极管

按内部结构分:有单二极管、双二极管、单三极管、双三极管、束射四极管、五极管、功率五极管、二极-五极复合管、三极-五极复合管、三极-六极复合管、三极-七极复合管。其中,单二极管内部只有一只二极管,通常用于大功率的整流电路,而二极管内部复合有两只功能相同的二极管,输出电流比单二极管要大。此外,通常在一只玻壳内封装两个特性相同的三极管,称为双三极管。

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双二极管

按阴极加热方式分:有直热式阴极管和旁热式阴极管。其中,直热式阴极管是电流直接通过阴极使其达到热电子发射状态,而旁热式阴极管则是通过阴极旁的灯丝加热阴极。

按冷却方式分:有水冷式电子管、风冷式电子管和自然冷却式电子管。其中,风冷是一种比较简单的冷却方式,强制风冷是利用风机产生的高压快速气流将电子管和其他大型射频元件散发的热量带走。强制风冷在大功率发射机中一般是与蒸发冷却或水冷却共用。发射机水冷电子管的板极均做成外露形式,安装在一个铜制的水套内,冷却水高速流过板极和水套内壁之间的间隙,使板极外壁和湍流水进行热交换,并将热量带走。

应用领域

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音乐

电子管功放由于体积大、制作工艺复杂、使用寿命短等问题逐渐被晶体管功放取代,但电子管功放又具有声音温暖耐听,音乐感好,氛围好的特点。晶体管功与电子管功放相比在音质方面显得有些尖刺发燥,听起来比较硬朗,不够柔和。因此电子管功放仍受到一些音乐爱好者的喜爱。

军事

电子管在军事领域主要用来制造行波管(TWT)及某些型号飞机的电子系统上。军事部门非常需要小型TWT。微型TWT在1980年代问世后不久,就被用于飞机和舰船的电子战系统中,以防御雷达制导导弹。在1990年代初期,设备设计人员开始将微型TWT与紧凑的高压电源集成在一起以为设备供电,并使用固态放大器来驱动设备。组合创建了所谓的微波功率模块或MPM。由于其体积小,重量轻和效率高,MPM放大器可立即用于诸如“捕食者”和“全球鹰”之类的军用无人机的雷达和通信发射器中,以及电子对策中。据forecastinternational网站2020年8月18日报道,美国海军供应系统/武器系统指挥部授予Teledyne防务电子公司一份2360万美元固定价格合同(N00383-20-D-XU01),旨在对EA-18G“咆哮者”电子战飞机的ALQ-99电子战系统电子管进行维修维护,合同期五年,预计2025年8月完成。

航空航天

在航空电子设备中得到广泛使用的只有两种类型的微波管——大功率脉冲磁控管和微波三极管:前者用于气象雷达;后者用于测距设备和空中交通管制应答器。因为固态器件还不能在C或X波段产生气象雷达所要求的功率,因此即使在晶体管纵横的时代,这些管子都不可能被完全取代。如果并联几个固体器件,固态器件工艺水平正好能达到测距设备和空中交通管制应答器所要求的1千兆赫1千瓦或更低的功率。但是能满足这些要求的固体设备,在造价、牢固或可靠性方面都不可能与微波管型的设备相比。

无线通讯

超高频电子管用于方向性极高的接收装备和无线电信号的发射装备,这样的无线电通讯装备被用来避免外来的干扰。发射站的信号在不太远的地方被中转站所接收,中转站将接收来的信号放大后又发射到接下去的一站,这样一直传到线路末端的最后—‘个接收站。

医疗

电子管在医疗领域中应用非常广泛,例如在理疗仪器中,中波、短波、超短波、微波、超声波等治疗机、手术电刀、电灼仪;医疗仪器配用的交流电子稳压器等,都大量使用各类型号的电子管,作为检波,整流、放大、高频振荡等之用。它具有性能稳定,输出功率大等特点。在这方面使用中还离不开电子管。另外,一些特殊的电子管如示波器上的示波管,产生X线的X射线管更是医学领域不可缺少的。

技术参数

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电子管的参数是一个非常重要的指标,其主要参数有:灯丝电压、灯丝电流、屏极电流、屏极内阻、屏极电阻、帘栅极电压、极间电容、放大系数、跨导、输出功率等。

灯丝电压(Vf):电子管灯丝的额定工作电压。不同结构和规格的电子管,其灯丝电压也不相同。通常,电子二极管的灯丝电压为:1.2V或2.4V(双二极管),三极以上电子管的灯丝电压为:6.3V、12.6V(复合管),部分直热式电子管、低内阻管、束射管等的灯丝电压还有:2.5V、5V、6V、7.5V、10V、26.5V等多种规格。

灯丝电流(If):电子管灯丝的工作电流。不同结构和规格的电子管,其灯丝电流也不同。例如:同样是束射四极管,FU—7的灯丝电流为0.9mA,而FU—13的灯丝电流却为5A。

屏极内阻(Ri):在栅极电压Ug不变时,屏极电压Ua的变化量与其对应的屏极电流Ia变化量的比值。

放大系数(μ):在电子管阴极K的表面上,由栅极电压Ug和屏极电压Ua所形成的两个电场的有效值之比,或指在屏极电流Ia变化时,栅极电压Ug的变化与其对应的屏极电压Ua变化的比值。放大系数用来反映电子管的放大能力。通常将放大系数值大于40的三极电子管称为高放大系数管,将放大系数低于40、高于10的三极电子管称为中放大系数管,将放大系数低于10的三极管称为低放大系数管。

跨导:屏极电压Ua为定值时,栅极电压Ug的变化量与因Ug变化引起屏极电流Ia变化量的比值。跨导用来反应电子管的栅极电压对屏极电流控制能力。

极间电容:电子管各电极之间分布电容。另外,在上述参数的基础上还设有极限参数,极限参数是绝对不允许超值使用的。否则,轻则缩短电子管寿命,重则导致电子管报废甚至酿成事故。

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常用电子管的主要参数

参考资料

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词条目录
  1. 历史沿革
  2. 组成结构
  3. 阴极
  4. 阳极
  5. 栅极
  6. 管壳和管脚
  7. 工作原理
  8. 产品优缺点
  9. 产品分类
  10. 应用领域
  11. 音乐
  12. 军事
  13. 航空航天
  14. 无线通讯
  15. 医疗
  16. 技术参数
  17. 参考资料

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