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电子管发展历史(长篇)

发布日期:2024-11-01 16:32 浏览次数:

  说起电子管的发明,我们首先得从“爱迪生效应”谈起。爱迪生这位举世闻名的大发明家,在研究白炽灯的寿命时,在灯泡的碳丝附近焊上一小块金属片。结果,他发现了一个奇怪的现象:金属片虽然没有与灯丝接触,但如果在它们之间加上电压,灯丝就会产生一股电流,趋向附近的金属片。这股神秘的电流是从哪里来的?爱迪生也无法解释,但他不失时机地将这一发明注册了专利,并称之为“爱迪生效应”。后来,有人证明电流的产生是因为炽热的金属能向周围发射电子造成的。但最先预见到这一效应具有实用价值的,则是英国物理学家和电气工程师弗莱明。

  1904年,世界上第一只电子二极管在英国物理学家弗莱明的手下诞生了,这使爱迪生效应具有了实用价值。弗莱明也为此获得了这项发明的专利权。

  1907年,美国发明家德福雷斯特(De Forest Lee),在二极管的灯丝和板极之间巧妙地加了一个栅板,从而发明了第一只线年,美国物理学家肖克利、巴丁和布拉顿三人合作发明了晶体管——一种三个支点的半导体固体元件。

  为了提高电子管的放大系数,在三极管的阳极和控制栅极之间另外加入一个栅极称之为帘栅极,而构成四极管,由于帘栅极具有比阴极高很多的正电压,因此也是一个能力很强的加速电极,它使得电子以更高的速度迅速到达阳极,这样控制栅极的控制作用变得更为显著。因此比三极管具有更大的放大系数。但是由于帘栅极对电子的加速作用,高速运动的电子打到阳极,这些高速电子的动能很大,将从阳极上打出所谓二次电子,这些二次电子有些将被帘栅吸收形成帘栅电流,使帘栅电流上升导致帘栅电压的下降,从而导致阳极电流的下降,为此四极管的放大系数受到一定而限制。

  电子管,是一种最早期的电信号放大器件。被封闭在玻璃容器(一般为玻璃管)中的阴极电子发射部分、控制栅极、加速栅极、阳极(屏极)引线被焊在管基上。利用电场对真空中的控制栅极注入电子调制信号,并在阳极获得对信号放大或反馈振荡后的不同参数信号数据。早期应用于电视机、收音机扩音机等电子产品中,近年来逐渐被半导体材料制作的放大器和集成电路取代,但目前在一些高保真的音响器材中,仍然使用低噪声、稳定系数高的电子管作为音频功率放大器件(香港人称使用电子管功率放大器为“胆机”)。

  1904年英国佛莱明在横越大西洋无线电通信发报机中,才首次利用「艾狄生效应」发明了佛莱明管(二极检波管)。佛莱明出生于英格兰的兰卡斯特,在伦敦大学与皇家化学学院毕业后,1892年到1898年间先后担任了艾狄生、Swan、Ferranti电力公司的工程师与顾问。佛莱明在白热灯、电表、发电机等方面有许多改良,并且发明了佛莱明左手定律。1899年起担任马可尼无线年马可尼首次进行横越大西洋传送,当时所使用的器材大部份都是佛莱明制作的。1904年他寻找一个可靠的无线电侦测器,想到「艾狄生效应」,于是制作了一个在灯丝与真空管四周有金属圆筒的制品,这是真空管的原型。当时的佛莱明管只有检波与整流的功用,而且并不稳定。耶鲁大学毕业后即进入西屋公司WE服务的美国年轻工程师Le de Forest,对「艾狄生效应」同样感兴趣,1899年他的毕业论文是「由并行线终端赫兹波的反射」,而在1900年就开始着手研究线年申请到二极管的专利(使用电池)。同时他提出许多新的构想,例如在灯丝两边加入白金侧翼,灯丝材料指定用白金、钽和碳丝,因为钨丝当时还未上市,他认为佛莱明管可用在整流,而自己的线年底,他在二极管中多加入一个闸极极,让真空管具有放大与振汤的功能,他同时委托灯泡工厂生产,称为Audion。此专利在1908年2月18日透过,但我们通常认定1906年是真空管元年,而Le de Forest就成了「真空管之父」。

  随着科技的发展,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பைடு நூலகம்出现是人类在电子方面一个大的飞跃。

  为了解决上述矛盾在四极管帘栅极外的两侧再加入一对与阴极相连的集射极由于集射极的电位与阴极相同所以对电子有排斥作用使得电子在通过帘栅极之后在集射极的作用下按一定方向前进并形成扁形射束这扁形电子射束的电子密度很大从而形成了一个低压区从阳极上打出来的二次电子受到这个低压区的排斥作用而被推回到阳极从而使帘栅电流大大减少电子管的放大能力得而加强这种电子管我们称为束射四极管

  三条腿的魔术师电子管在电子学研究中曾是得心应手的工具。电子管器件历时40余年一直在电子技术领域里占据统治地位。但是,不可否认,电子管十分笨重,能耗大、寿命短、噪声大,制造工艺也十分复杂。因此,电子管问世不久,人们就在努力寻找新的电子器件。第二次世界大战中,电子管的缺点更加暴露无遗。在雷达工作频段上使用的普通的电子管,效果极不稳定。移动式的军用器械和设备上使用的电子管更加笨拙,易出故障。因此,电子管本身固有的弱点和迫切的战时需要,都促使许多科研单位和广大科学家,集中精力,迅速研制成功能取代电子管的固体元器件。[2]

  为了解决上述矛盾,在四极管帘栅极外的两侧再加入一对与阴极相连的集射极,由于集射极的电位与阴极相同,所以对电子有排斥作用,使得电子在通过帘栅极之后在集射极的作用下按一定方向前进并形成扁形射束,这扁形电子射束的电子密度很大,从而形成了一个低压区,从阳极上打出来的二次电子受到这个低压区的排斥作用而被推回到阳极,从而使帘栅电流大大减少,电子管的放大能力得而加强,这种电子管我们称为束射四极管。b体育注册束射四极管不但放大系数较三极管为高,而且其阳极面积较大,允许通过较大的电流,因此现在的功放机常用到它作为功率放大。

  就音频用管而言,人们公认西欧上世纪五六十年代(凡“年代”均指上世纪,下同)生产的胆管品质超群,无与伦比,一些发烧友更非“西胆”不听。也许有人会问,随着科技的进步,越近期的产品其质量应越好才是。其实不然,胆管的生产工艺在那时已达到了炉火纯青的地步,改进的余地很有限。加上当时正值胆管火红的年代,各品牌之间竞争激烈。在某些领域如国防、仪器仪表也需要高质量的胆管。从七十年代起,胆管需求已逐渐衰落,生产成本能省则省,品质控制也大不如以前。在西欧各胆管生产厂相继关闭后,一些品牌虽还在发行胆管,但产品已非原厂产,而是来自“五湖四海”,难循其踪,质量更是无法保证。这种情况连一些著名品牌也未能幸免。因此,玩胆者在搜罗胆管时,把目光投向早期的产品不无道理。可惜因停产多年,这些NOS管存货日减而价格年复一年不断上涨。某些牌子响、年份早的音频用管已属“古董”,不少拥有者只作收藏而不舍得上机。其“天价”也并非一般胆友所能承受。这也提示胆友,买NOS管时除了留意品牌外,还需看年份和产地。胆管年份迟或产地不正宗,尽管是著名品牌,其价格也低一大截。幸好西欧大部分产品的包装和管身均会标出产地如“Made in West Germany”、“British Made”等字样供辨认。有些同品牌同型号的胆管,虽属早期产品,其内部结构(如屏极、除气环、支撑材料数量等)和外观却不尽相同,价格也有差异。此外,著名品牌常有赝,各位胆友需留意。

  真空管的改良最早的真空管都是采用直流电,只能在业务与及少数业余玩家间流通,因此真空管的第一次改良就是让它省电。不过电池实在不方面,而且价格也高,所以第一次大战后就有人尝试让真空管以交流电来工作。为了解决哼声问题,包括使用钨氩灯管、灯丝DC点火,用大型管如210发射射线以高周波点火等,都被拿出来实验。GE公司为了提升电话线年起着手研究交流线年获得专利。西屋公司也在1921年获得不同样式的专利,并由McCullough在1925年推出第一号成品。之后两年,有许多改良式收音机推出,但基本上还是电池式,只是加上旁热式变压器与线路,方便直接使用AC插头而已。西屋公司早于1913年开始研究旁热管,并在1915年提出申请,不过一直到1927年,RCA才推出旁热管UY-277(成为美国旁热真空管的标准规格);英国MOV也在同年推出Cosmos AC/R(建立世界旁热式真空管的标准制造模式),使交流器材得以普及化。最早GE从事电灯泡制造,藉此之便,他们将钨丝混入少量的二氧化钍。有一次,这个配方被误用在真空管中,结果却使放射能力大增。1921年Irvin Langmuir开发出钍钨灯丝,大大的提升了电子发射能力,但是用了这种灯丝,如果管内有残余氧气,效果立即打折,最后又研究出各种收氧剂来改良真空效果。当时西屋推出的UX-245、250与245,都已经不是球型灯泡管了,而是气泡状的玻璃管,之后再改良才变成后来所看到的可乐瓶型形状ST管。多极管陆续出现另一波改良是多极管的出现。

  早在30年代,人们已经尝试着制造固体电子元件。但是,当时人们多数是直接用模仿制造真空三极管的方法来制造固体三极管。因此这些尝试毫无例外都失败了。

  1904年,英国人弗莱明发明的具有划时代历史意义的电子二极管标志着人类进入了无线电时代。在半导体器件未得到广泛应用之前的半个多世纪中,胆管在无线电广播通讯、音频放大、仪器仪表和其他工业自动化控制方面扮演着“独一无二”的角色,为人类的文明进步立下了“赫赫战功”。许多人可能不知,1946年美国人发明的世界上第一台电子计算机ENIAC就是由18000多个胆管构成的。今天,用着摆在桌面上的电脑,不禁浮想联翩。恰巧今年是胆管诞辰一百周年的日子,理应庆贺一番才是。

  弗莱明的二极管是一项崭新的发明。它在实验室中工作得非常好。可是,不知为什么,它在实际用于检波器上却很不成功,还不如同时发明的矿石检波器可靠。因此,对当时无线电的发展没有产生什么冲击。

  此后不久,贫困潦倒的美国发明家德福雷斯特,在二极管的灯丝和板极之间巧妙地加了一个栅板,从而发明了第一只真空三极管。这一小小的改动,竟带来了意想不到的结果。b体育注册它不仅反应更为灵敏、能够发出音乐或声音的振动,而且,集检波、放大和振荡三种功能于一体。因此,许多人都将三极管的发明看作电子工业真正的诞生起点。德福雷斯特自己也非常惊喜,认为“我发现了一个看不见的空中帝国”。电子管的问世,推动了无线电电子学的蓬勃发展。到1960年前后,西方国家的无线亿只无线电电子管。电子管除应用于电话放大器、海上和空中通讯外,也广泛渗透到家庭娱乐领域,将新闻、教育节目、文艺和音乐播送到千家万户。就连飞机、雷达、火箭的发明和进一步发展,也有电子管的一臂之力。

  基本电子管一般有三个极,一个阴极 (K) 用来发射电子,一个阳极(A)用来吸收阴极所发射的电子,一个栅极(G)用来控制流到阳极的电子流量。阴极发射电子的基本条件是:阴极本身必须具有相当的热量,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发射电子;另一种称旁热式阴极,其结构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发射电子,现在日常用的多半是这种电子管(如图所示)。由阴极发射出来的电子穿过栅极金属丝间的空隙而达到阳极,由于栅极比阳极离阴极近得多,因而改变栅极电位对阳极电流的影响比改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控制作用。我们用一个参数称跨导(S)来表示.另外还有一个参数μ来描述电子管的放大系数,它的意义是说明了栅极电压控制阳流的能力比阳极电压对阳流的作用大多少倍。

  1883年,发明大王托马斯·爱迪生正在为寻找电灯泡最佳灯丝材料,曾做过一个小小的实验。他在真空电灯泡内部碳丝附近安装了一小截铜丝,希望铜丝能阻止碳丝蒸发。但是他失败了,他无意中发现,没有连接在电路里的铜丝,却因接收到碳丝发射的热电子产生了微弱的电流。当时爱迪生正潜心研究城市电力系统,没重视这个现象。但他为这一发现申请了专利,并命名为“爱迪生效应”。

  西欧是胆管的发源地之一,也是世界上生产胆管最集中的地方。据不完全统计,鼎盛时期的西欧胆管品牌过百,每年生产的各类胆管遍及世界各地,多不胜数。随着半导体器件的广泛应用,西欧的胆管生产厂早在二十多年前已陆续停产。众多的著名胆管品牌也因此或改弦易辙,或随之消失。幸好如今还能在NOS管上一见其昔日的风采。胆管逐渐淡出绝大部分应用领域后,一般的人只能在音频这块“绿洲”中还能见到胆管的“靓影”。

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