電子管 - 歷史、工作原理、設計、應用

電子管（無線電管） ——20世紀初的一項技術革新，從根本上改變了電磁波的使用方法，決定了無線電工程的形成和快速開花。無線電燈的出現也是無線電工程知識發展和應用方向的一個重要階段，後來被稱為“電子學”。

發現史

所有真空電子設備（熱電子輻射）的工作機制的發現是托馬斯愛迪生於 1883 年在致力於改進他的白熾燈時發現的。有關熱電子發射效應的更多詳細信息，請參見此處 —真空中的電流.

熱輻射

1905 年，利用這一發現，約翰·弗萊明 (John Fleming) 創造了第一個電子管——“一種將交流電轉換為直流電的裝置”。這個日期被認為是所有電子產品誕生的開始（見 - 電子工程和電氣工程之間有什麼區別). 1935年至1950年期間被認為是所有電子管電路的黃金時代。

約翰·弗萊明的專利

真空管在無線電工程和電子學的發展中發揮了非常重要的作用。事實證明，在真空管的幫助下，可以產生無線電話和電視所必需的連續振盪。可以放大接收到的無線電信號，因此可以接收很遠的電台。

此外，電子燈被證明是最完美和最可靠的調製器，即一種將高頻振蕩的幅度或相位改變為低頻的裝置，這是無線電話和電視所必需的。

接收器（檢測）中音頻振蕩的隔離也最成功地使用電子管實現。真空管長期作為交流整流器工作，為無線電發射和接收設備提供電源。除此之外，真空管也被廣泛使用 在電氣工程 （電壓表、頻率計數器、示波器等），以及第一台計算機。

20 世紀 20 年代商用技術上適用的電子管的出現給無線電工程帶來了強大的推動力，它改變了所有無線電工程設備，並使解決許多阻尼振盪無線電工程無法解決的問題成為可能。

真空管專利 1928

無線電工程雜誌 1938 年的電燈廣告

真空管的缺點： 基於大量燈（第一台計算機中使用了數千個燈）的設備體積大、笨重、可靠性低，需要額外的能量來加熱陰極，高熱釋放，通常需要額外的冷卻。

電子管的工作原理及裝置

真空管使用熱電子發射過程——從真空圓筒中加熱的金屬發射電子。殘餘氣壓可以忽略不計，以至於燈中的放電實際上可以被認為是純電子放電，因為與電子電流相比，正離子電流小得幾乎可以忽略不計。

讓我們以電子整流器（kenotron）為例來了解一下真空管的裝置和工作原理。這些整流器使用真空中的電子電流，具有最高的校正係數。

kenotron 由玻璃或金屬氣球組成，其中產生高真空（約 10-6 mmHg Art.）。電子源（燈絲）放置在氣球內部，用作陰極並由來自輔助源的電流加熱：它被大面積電極（圓柱形或扁平形）包圍，這是陽極。

從陰極發射的電子落入陽極和陰極之間的場，如果陽極的電勢較高，則電子會轉移到陽極。如果陰極電勢較高，則碳電子管不傳輸電流。 kenotron 的電流-電壓特性幾乎是完美的。

高壓整流二極管用於無線電發射機的電源電路。在實驗室和業餘無線電實踐中，小型整流二極管被廣泛使用，可以在 250 — 500 V 下獲得 50 — 150 mA 的整流電流。 交流電從為陽極供電的變壓器的輔助繞組中移除。

為了簡化整流器（通常是全波整流器）的安裝，使用了雙陽極整流二極管，在一個帶有公共陰極的公共圓柱體中包含兩個獨立的陽極。具有適當設計（在這種情況下稱為二極管）的整流二極管相對較小的電極間電容及其特性的非線性使其可以用於各種無線電工程需求：檢測、接收器模式的自動設置等目的。

真空管中使用了兩個陰極結構。陰極直接（直接）燈絲以白熾燈絲或條的形式製成，由電池或變壓器的電流加熱。間接加熱（加熱）的陰極更複雜。

鎢絲 - 加熱器由陶瓷或氧化鋁的耐熱層絕緣，並放置在外部覆蓋有氧化層的鎳圓筒內。氣缸通過與加熱器的熱交換而​​被加熱。

由於圓柱體的熱慣性，其溫度即使在交流電供應下也幾乎恆定。在低溫下產生明顯排放的氧化層是陰極。

氧化物陰極的缺點是當它被加熱或過熱時其操作不穩定。後者可能在陽極電流過高（接近飽和）時發生，因為由於高電阻，陰極會過熱，在這種情況下，氧化物層會失去發射，甚至可能崩潰。

加熱陰極的最大優點是它沒有電壓降（由於直接加熱期間的燈絲電流），並且能夠從一個公共電源為多個燈的加熱器供電，而完全獨立於它們的陰極電位。

加熱器的特殊形狀與減少輝光電流有害磁場的願望有關，當為加熱器提供交流電時，輝光電流會在無線電接收器揚聲器中形成“背景”。

《無線電工藝》雜誌封面，1934 年

帶兩個電極的燈

兩個電極燈用於交流電整流（kenotrons）。射頻檢測中使用的類似燈稱為二極管。

三極燈

在具有兩個電極的技術上合適的燈出現一年後，第三個電極被引入其中 - 以螺旋形式製成的網格，位於陰極和陽極之間。由此產生的三電極燈（三極管）獲得了許多新的有價值的特性並被廣泛使用。這樣的燈現在可以用作放大器。 1913 年，在他的幫助下，第一台自動發電機誕生了。

三極管的發明者 Lee de Forest（給電子管加了控制柵）

Lee Forrest 三極管，1906 年。

在二極管中，陽極電流僅是陽極電壓的函數。在三極管中，柵極電壓也控制著陽極電流。在無線電電路中，三極管（和多電極管）通常與稱為“控制電壓”的交流電源電壓一起使用。

多電極燈

多電極管旨在提高增益並降低管的輸入電容。額外的網格無論如何都會保護陽極免受其他電極的影響，這就是它被稱為屏蔽（屏幕）網格的原因。屏蔽燈中陽極和控制柵之間的電容減少到百分之一皮法。

在屏蔽燈中，陽極電壓的變化對陽極電流的影響遠小於三極管，因此燈的增益和內阻急劇增加，而斜率與三極管斜率的差異相對較小。

但是屏蔽燈的操作因所謂的三極管效應而變得複雜：在足夠高的速度下，到達陽極的電子會導致其表面產生二次電子發射。

為了消除它，在網格和陽極之間引入了另一個稱為保護（反發電機）網絡的網絡。它連接到陰極（有時在燈內）。由於電位為零，該柵格會減慢二次電子的速度，而不會顯著影響一次電子流的運動。這消除了陽極電流特性的下降。

這種五電極燈——五極管——已經變得普遍，因為根據設計和操作模式，它們可以獲得不同的特性。

飛利浦五極管的古董廣告

高頻五極管的內阻為兆歐量級，斜率為每伏幾毫安，增益為幾千。低頻輸出五極管的特點是內阻顯著降低（幾十千歐），且具有相同數量級的陡度。

在所謂的光束燈中，三極管效應不是通過第三柵極消除的，而是通過第二柵極和陽極之間電子束的集中消除的。它是通過對稱佈置兩個柵格的匝數和陽極距它們的距離來實現的。

電子以集中的“平束”形式離開網格。零電位保護板進一步限制了光束髮散。集中的電子束在陽極上產生空間電荷。在陽極附近形成一個最小電位，足以使二次電子減速。

在某些燈中，控制柵製成螺距可變的螺旋形。由於光柵密度決定了特性的增益和斜率，因此在該燈中斜率是可變的。

在略微負的網絡電位下，整個網絡都可以工作，陡度變得很重要。但是如果柵極電勢是強負的，那麼柵極的密集部分實際上將不允許電子通過，燈的運行將由螺旋的稀疏纏繞部分的特性決定，因此，增益和陡度明顯降低。

五格燈用於變頻。其中兩個網絡是控製網絡——它們被提供不同頻率的電壓，其他三個網絡執行輔助功能。

1947 年的電子真空管雜誌廣告。

裝飾燈和標記燈

有大量不同類型的真空管。除了玻璃燈泡燈，金屬或金屬化玻璃燈泡燈也被廣泛使用。它保護燈免受外部場的影響並增加其機械強度。

電極（或其中的大部分）通向燈座上的引腳。最常見的八腳底座。

小型“手指”、“橡子”型燈和氣球直徑為 4-10 毫米（而不是通常直徑 40-60 毫米）的微型燈沒有底座：電極線穿過底座製成氣球 - 這會減少輸入之間的電容。小電極還具有低電容，因此此類燈可以在比傳統燈更高的頻率下工作：高達 500 MHz 數量級的頻率。

信標燈用於在更高頻率（高達 5000 MHz）下運行。它們在陽極和網格設計上有所不同。盤狀網格位於圓柱體的平坦底部，以十分之一毫米的距離焊接到玻璃（陽極）中。在大功率燈中，氣球由特殊陶瓷製成（陶瓷燈）。其他燈可用於非常高的頻率。

在非常高功率的電子管中，有必要增加陽極面積，甚至訴諸強制風冷或水冷。

燈具的標記和印刷非常多樣化。此外，標記系統也發生了數次變化。在蘇聯，採用了四個元素的名稱：

1. 表示燈絲電壓的數字，四捨五入到最接近的伏特（最常見的電壓為 1.2、2.0 和 6.3 V）。

2. 表示燈型的字母。因此，二極管由字母 D、三極管 C、具有短特性的五極管 Zh、長度 K、輸出五極管 P、雙三極管 H、整流二極管 Ts 指定。

3. 表示出廠設計序號的數字。

4. 表徵燈具設計的字母。所以現在金屬燈根本沒有最後的名稱，玻璃燈用字母C表示，手指P，橡子F，微型B。

有關燈的標記、引腳和尺寸的詳細信息，最好在 40 年代到 60 年代的專業文獻中尋找。二十世紀。

燈在我們這個時代的使用

在 20 世紀 70 年代，所有真空管都被半導體器件所取代：二極管、晶體管、晶閘管等。在某些領域，真空管仍在使用，例如在微波爐中。 磁控管, kenotrons 用於變電所中高壓（數十和數百千伏）的整流和快速切換 用於直流電傳輸.

有大量白手起家的人，所謂«tube sound»，如今在電子真空管上構建業餘聲音設備。