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三極電子管

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兩壺居士 發表于 2013-6-12 16:32:35 | 只看該作者 |只看大圖 |閱讀模式 打印 上一主題 下一主題
本帖最后由 兩壺居士 于 2013-6-13 12:01 編輯

三極電子管
作者:沈肇熙

    三極電子管比二極電子管只多了一個電極,但它是技術科學上的巨大成就,有著許多巧妙的用途。如果我們把二極電子管當做一個代替人們工作的自動開關,那末三極電子管就是能夠讓少數電子去管理大量電子自動地為人們工作的工具。在收音機里面的許多活動,都離不開三極管的基本作用。
    三極電子管是怎樣工作的?


    對二極電子管,重點考慮的是管內電阻的變化;而對三極電子管,重點是考慮管內電流的變化。二極電子管里的電阻只能夠陡變;而三極電子管里的電流卻能夠逐漸的由大變小又由小變大。多加一個電極,就是為了達到這個目的。盡管三極管和二極管的用法基本不同,但都不外是對散布在管內的自由電子——空間電荷——的適當運用。




    自由電子在管內的分布由陰極到屏極是很不均勻的。普通電子管中間是陰極,是一個細長的圓筒子,向四圍放射電子;屏極也是一個比較大的圓筒子,它吸引這些電子就成為電流。愈靠近陰極,電子的密度愈大;愈接近屏極,電子密度愈小。所以要改變管內電流的大小,有效的辦法是從貼近陰極的地方著手。在這里一控制就是一大批的電子。所以三極管中多加的一個起控制作用的叫做“柵極”,就恰好放在這里。(注1)但是太貼近了,陰極輻射的熱量就會燒毀柵極或使柵極發高熱也放射電子;柵極的輕微幌動會碰著陰極;此外柵極緊緊地包圍著陰極會形成一個很大的沒有好處的電容器。若不是這些顧慮,無線電工程師們早就想把三極管的柵極更靠攏陰極,做成更靈敏的控制器。柵極的位置是這樣的重要,所以做柵極用的金屬線徑往往要精密到1/1000寸,工作時線徑的變化要不超過9/10000寸。(注2)這種線現在都是用最不怕熱的鎢或鉬做成的。
    為什么這一個電極叫做“柵極”呢,因為它是用細線繞成的一個圓筒子,上面有許多相當大的空隙,像一個欄柵。受柵極控制的電子,就從這些空隙里穿過去再跑向屏極。如果線很粗而中間的空隙很小,那末許多電子不是鉆進柵極去就是撞著柵極又返回來,柵極也起不了控制大批電子從陰極到屏極的作用。
    很顯然的,在柵極上加一些正電荷(例如拿一個電池的負極接陰極,正極接柵極)抵消了陰極附近空間電荷的作用,讓更多的由陰極放射出來的電子可以突破空間電荷的包圍,更均勻的散布開來,使管內電子的密度普遍的增加,所以同樣的屏極電壓而屏極電流就增大了;相反的,在柵極上加一些負電荷(例如拿一個電池的正極接陰極,負極接柵極),便助長了空間電荷的作用,陰極放射出來的電子更不容易突過重圍向管內散布,電子的密度普遍減少,同樣的屏壓而屏流就減少。因此柵極上放上或多或少的正電荷,屏流就有或多或少的增加;柵極上放上或多或少的負電荷,屏流就有或多或少的減少。如果柵極和陰極間接上交流電壓(等于柵極上的電荷忽正忽負,忽多忽少),屏流的變化情況就等于在一個直流電流上又加了一個交流電流。如果不看屏流的直流部分單看它的交流部分,這效應就更明顯:柵極電壓怎樣變化,屏流也跟著怎樣變化。這實際就是柵極上很少的電荷,自動地管理著由屏極流到管外的大量電荷,在巧妙的進行工作。(注3)






    自然,要改變屏流,我們也同樣可以用改變屏壓的辦法來得到。不過屏極隔陰極附近的空間電荷太遠。屏極上增加一些正電荷能夠抵消空間電荷的作用并不大;屏極上減少一些正電荷,也不容易使空間電荷的作用就顯得特別大。因此,往往數十倍甚至數百倍于柵極電壓變化的屏極電壓變化,才可以產生同樣屏流的變化。在控制屏流的效果上,屏壓遠不如柵壓。三極電子管有一個特性常數叫做“放大系數”,簡寫為“μ”,就表示產生同樣屏流的變化,屏壓比柵壓要大的倍數。柵極愈靠近陰極同時屏極隔陰極愈遠,μ就愈大。μ愈大的電子管,柵極的控制作用愈靈敏,愈可以讓小的電壓起巨大的作用。有一種所謂“高μ三極管”,就是根據這樣的原理制成的。
    但是,μ大的電子管,屏極隔得遠,從陰間發射出來的電子要分布到更大的空間,所以管內的電子密度是普遍的減小了。我們比較一個良導電體和絕緣體的內部情形,就知道任何東西所含電子密度大電阻就小,電子密度小電阻就大,可見μ大的電子管內部電阻一般都很大。例如6F5的μ大到100,它的內阻是66000歐;而μ較小的電子管如6c5,它的μ是20,內阻就只有10000歐。μ更小的電子管如45,它的μ是3.5,而內阻只有1700歐。(注4

    以后我們討論電子管的放大作用時,還要說明任何一級用電子管做的放大器,它放大電壓的倍數絕不會超過電子管本身的放大系數μ,所以專作為一個電壓放大管,μ是愈大愈好。但我們時常需要用電子管來做功率放大管,要求這電子管有效地輸出電功率來推動其他東西工作。例如收音機里最末一個推動揚聲器的電子管就必須是功率電子管。功率放大管很像一個發電機,它的內阻愈小,工作效率就愈高。所以我們絕不能用高μ電子管做功率電子管。有一類電子管,叫做“通用管”,勉強可以放大電壓又能夠輸出電功率。如像56型三極管,它的μ是13.8,比起上面說過的功率放大管45型來。μ的值大了約4倍;而比起高μ管6F5來,μ的值已經小了7倍。

    發信機里所用的電子管多數是功率放大管,μ的值大約是10—35。以后我們還要談到四極和五極電子管,它們的μ值一般都相當高,所以和低μ三極管比較起來,它們并不能做成理想的功率放大管。
    談到電子管的內阻,應當注意到實際上有兩種不同的內阻存在,這和電子管的屏流有交流和直流兩部分是對應的。把直流電壓加到屏、陰極上,管內的電流無論是多大或多小,只要有電流,總可以用這電流除電壓得出一個電阻的數值來,這是直流電阻,也叫做“靜態電阻”;但當我們把交流電壓加到屏、陰極上時,相應于交流電壓的變化我們得到屏流的變化,例如屏壓變化1O伏,屏流變化1毫安,那末對交流電流來說,電阻就是10/0.001=10000歐。這個電阻又叫做“動態電阻”,普通簡稱為“屏阻”。“屏阻”是電子管的另一個特性常數。
    當屏極的電壓已經很高,能夠把陰極放射的電子全部吸引過去時,再增加屏壓并不能增加屏流。這時候直流電阻盡管有一定數值,但屏阻是無窮大,所以這兩種電阻是有很大區別的。一般和μ連系起來所談的內阻,都是指對電流變化的“屏阻”。簡寫為γp。
    三極電子管還有一個特性常數叫做“互導”,簡寫為Gm,它代表微小的柵壓變化所產生屏流變化的關系。例如柵壓增加1伏,屏流增加1毫安,那末Gm就等于0.0011=1000微漠。求Gm和求電阻不同,求電阻是用電流除電壓,而求Gm是用電壓除電流。電阻的單位從前是用歐姆,現在簡寫為“歐”;互導的單位從前是“姆歐”,現在簡寫為“漠”。(注5)
    同樣號碼的兩個電子管相比,主要是比較柵極電壓對屏流的影響,所以就看它們的Gm數值的大小,Gm大的那一個性能就好些;但不同型的兩個電子管,功用不同,不能這樣比較。許多電子管測驗器可以直接讀出電子管的Gm值來。普通三極管的Gm大約是2000到200微漠。Gm往往有很大的變化,電子管的工作仍舊良好。
怎樣使用三極電子管的問題,我們準備結合著分析各種電子管的特性曲線來談,這里所介紹的,還只是一些三極管的基本知識。

(藍色粗體字為樓主所加)
注釋與說明:
1. 我認為作者這種用電子密度來解釋柵極控制效率的說法雖然很形象,但并不很科學。我們之所以把柵極做得很靠近陰極,關鍵是要使相同的控制電壓產生更大的電場強度,場強越大,控制效果就越好。
2. 這里好像有點問題,9/100001/1000很接近,我是從光盤版的“無線電”上復制的,上面有很多輸入錯誤,原文如何就不知道了。另外線徑的單位也應該不是“寸”而是“英寸”。
3. 這里起實質作用的還是柵極電壓產生的場強和空間電荷的場強對電子的共同作用力。作者這樣解釋可能是想敘述得更通俗易懂點。
4. 文中舉例用的電子管4556(還有2730等)都是很老的型號,大概是30年代的產品,性能參數比較落后,質量遠不及60年代國產的雙三極管6N16N2等“花生管”。
5. 互導:它是電阻的倒數,文中說它的單位是“姆歐”(漠),現在的國際單位制稱它為“西門子”,用英文字母“S”表示,mA/V即“毫西門子”用mS表示。文中說的“微漠”即“微西門子”,用μS表示。
6. 放大因數μ、內阻γp(現在用Ri表示)和互導gm(現在稱跨導,用S表示)電子管的三種重要的參數,請各位務必弄懂它們的含義,三者之間的關系是:μ= gm×Ri 。其中最能說明電子管質量高低的就是互導。老式電子管的互導一般都在2mA/V,而60年代以后生產的電子管的互導可達10mA/V以上。如國產6C16的跨導達24mA/V,雙三極管6N6的跨導也達11mA/V左右,連最常用的雙三極管的跨導也有4.35mA/V。當然,我們在選擇使用電子管是也不是把跨導當作唯一的標準。比如,6N2的跨導就不大,只有2mA/V,但它的μ很高(接近100)我們常用它作前置低放。

前一篇文章:二極電子管的故事
http://www.abrapl.com/thread-18808-1-1.html
后一篇文章:多極電子管
http://www.abrapl.com/thread-18887-1-1.html



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精彩評論17

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2#
數碼之家 發表于 2013-6-12 17:21:41 | 只看該作者
  很喜歡的文章,謝謝樓主分享!
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3#
goodays 發表于 2013-6-12 17:23:13 | 只看該作者
例如柵壓增加1伏,屏流增加1毫安,那末Gm就等于0.0011=1000微漠。

這個0.0011貌似有點兒問題,居士請再看下。這個“漠”是不是姆歐的音譯啊?
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4#
龍蝦 發表于 2013-6-12 18:48:37 | 只看該作者
又完完整整地看了一遍。琢磨起來其實電子管有些東西真不容易理解。假如電子三極管里充著的不是熱電子,而是鹽水,它還可以放大嗎?看來是不行的了。但為什么不行,區別到底在哪里?這好像是個很復雜的問題。
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5#
★電子流氓★ 發表于 2013-6-12 19:07:48 | 只看該作者
前來學習了、、、、、
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6#
 樓主| 兩壺居士 發表于 2013-6-12 19:19:44 | 只看該作者
本帖最后由 兩壺居士 于 2013-6-12 19:26 編輯
龍蝦 發表于 2013-6-12 18:48
又完完整整地看了一遍。琢磨起來其實電子管有些東西真不容易理解。假如電子三極管里充著的不是熱電子,而是 ...


雖然工作中的電子管里"充滿"了熱電子,實際上電子與電子之間是有相當大的空隙的.所以別說充水,就是空氣沒有抽干凈,電子管也是不能很好的工作的.
電子管中要求的真空必需達到0.07mm水銀柱左右.兩個空氣分子的距離相當于兩顆罌粟籽住在50平米的房間里的情況.
我倒覺得電子管的工作原理比晶體管的容易理解得多,要說清晶體三極管的工作原理,首先得講清電子,空穴,P型N型,還有復合等等一系列艱深難懂的概念.反正我是看了N遍才慢慢理解的.
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7#
龍蝦 發表于 2013-6-12 19:39:24 | 只看該作者
負柵壓的抑制作用是比較好理解的,它把電子云壓縮在陰極附近,而單向導電性也不至于引起太大的柵極電流。

但正柵壓就不好理解了。它把電子云吸引過來,卻不落在柵極而從旁邊溜過去,好象是講不通。

晶體管的原理我知道,發射極注入載流子到基區,載流子的復合需要時間,趁載流子還未復合,就從集電極抽走。電子管不同,電子進入柵極形成柵流并不需要復合時間,感覺電子都會被柵極所私吞,又怎么能加大屏流?柵極網能吸引電子卻又讓它們從旁邊飛走,這大概要用量子力學的勢阱來解釋吧?
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8#
goodays 發表于 2013-6-12 19:49:43 | 只看該作者
龍蝦 發表于 2013-6-12 19:39
負柵壓的抑制作用是比較好理解的,它把電子云壓縮在陰極附近,而單向導電性也不至于引起太大的柵極電流。
...

正柵壓是,我想應當是柵壓對陰極發射電子有一個吸引加速作用,被加速的電子應該能有較大機率沖過柵網,況且柵網也很稀疏。而且柵網的形狀也決定了電場的作用范圍和強度,并不是所有向屏極跑過去的電子都被柵網吸收了。
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9#
龍蝦 發表于 2013-6-12 20:16:39 | 只看該作者
goodays 發表于 2013-6-12 19:49
正柵壓是,我想應當是柵壓對陰極發射電子有一個吸引加速作用,被加速的電子應該能有較大機率沖過柵網,況 ...

用相對負柵壓來解釋不知道行不行。譬如屏極電壓100伏,柵極在1/2的位置上,這樣柵極懸空也會有50伏的電壓。如果柵極加40伏電壓,實際上就已經是負電壓了。
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10#
 樓主| 兩壺居士 發表于 2013-6-12 21:11:05 | 只看該作者
goodays 發表于 2013-6-12 19:49
正柵壓是,我想應當是柵壓對陰極發射電子有一個吸引加速作用,被加速的電子應該能有較大機率沖過柵網,況 ...

正解!這有點像基極對載流子的作用一樣,從發射極來的載流子有一部分與基極的少子復合,但絕大多數都沒有復合的機會,最后到集電極去了.
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