电子管

灯丝对阴极加热产生电子云，电子云在屏极高压下向屏极运动，在阴极与屏极间还有栅极，栅极电压的高低就控制了流向屏极电子量的多少。电子管的发明与盘尼西林以及轮胎的发现一样具有戏剧性：在实验室中靠近窗户几个未清洗的实验皿，不经意从窗外飘来一些霉菌落在实验皿上，科学家惊讶的发现某些落入实验皿中的霉菌，可以抑制坏菌的扩散与成长，加以实验分析之後这种霉菌就成为了有效且使用广泛的抗生素之一；同样的情景也发生在研究橡胶的实验中，偶然打破装在玻璃杯里的硫黄，倒入融化的橡胶液体中，凝固後橡胶变成了坚硬且颇富韧性的材质。电子管当然不是无缘无故做几片金属板封装在抽真空的玻璃瓶里进行实验的，它与发明大王爱迪生有著一段故事。当初爱迪生发明灯泡之後，发现他生产的灯泡灯丝老是从正极端烧断，于是进一步实验在灯泡中加入一块小金属板，点灯之後将金属板连接电表，分别施以正电压以及负电压，观察电流的情形。对于当时的科学而言，位于真空状态下且不连接的金属板，不论如何连接是不可能产生电流的，但怪事发生了，爱迪生发现某种物质（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，此发现当然激起更大的实验动机，此现象便称为「爱迪生效应」。这也是科学家首次质疑电流流动的方向，以及自由电子在空间中流动的现象。金属之所以能导电，就是因为金属的自由电子较多，便于电子的相互流动，因此电子材料必须由导电性佳的材质制成。电子还有个特性，带负电的电子容易受到正电压的吸引，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，活跃于质子外围的自由电子容易产生游离现象，温度高导致电子活性增强，此时若空间中有一正电压强力吸引，游离的电子就会在空间中流动。基於这几个当时已被了解的知识，弗来明（J．A.Fleming）于1904年制造出第一支二极电子管，李德科士（DeForestLee）将二极管加以改良，于1907年制造出第一支三极管，既然成功研发了二极管，电子管的应用开始实现，电子管的发展从此一日千里。(详见图1)三极管是最基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动，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基本「极」的数量。电子管拥有三个最基本的极，第一是「阴极」（Cathode,以K代表）：阴极当然是阴性的，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。第二个极是「屏极」（Plate，以P代表），基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」（Gird,以G代表），从构造看来，它犹如一圈圈的细线圈，就如同栅栏一般，固定在阴极与屏极之间，电子流必须通过栅极而到屏极，在栅极之间通电压，可以控制电子的流量，它的作用就如同一个水龙头一般，具有流通与阻挡的功能。最早的电子管由于构造原理简单，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，相较於其他现代化的五极电子管，300B的构造简单，输出功率也低。直热式电子管当然有它天生的优点，但却有一个致命的缺点，那就是阴极容易因灯丝的温度变化而改变特性。当灯丝电压变动时，或以交流电供应灯丝时，阴极呈现在不稳定的状态下。因此有人主张直热式电子管应采用直流供电，也有人强调必须以交流供电以免损伤阴极，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，电子管设计者决定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」。电子管的工作原理现在，我们更进一步来看看最简单的电子管工作原理。将一支电子管拆开之後，绘於附图之中，从图可知，当点亮灯丝，灯丝温度逐渐升高，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达到电子游离的温度时，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，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；反之在栅极上加入负电压，同性相斥的原理电子必须绕道才能到达屏极，若栅极的结构庞大，则电子流有可能全数被阻隔。利用栅极可以轻易控制电子流的流量，将输入讯号连接在栅极上，并且加入适当的偏压，并且在屏极串上一个电阻，藉此即可达到讯号放大的目的。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伸过来的应用），结合不同的电子材料如电阻、电感、变压器以及电容等，就可以创造出千变万化的电子产品。观察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），大部分的电子管必须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然有漏气的机会。玻璃管内的金属蒸镀物（即消气剂），会与气体进行作用，它存在的目的就在于吸收气体，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，所以若打破电子管时，这一层蒸镀物质也会变成白色，因此购买老电子管时，也要注意蒸镀物的情况，像水银一样的为佳，若开始苍白、剥落时，就表示这支电子管已经迈入老年了。近年来在数字音源的感召下，古老的电子管功放又焕发出了青春。电子管放大器谐波丰富、声音醇厚、优美动听，但其也存在着以下一些不尽如人意的地方。例如，它的输出功率不容易做大，特别是那些流行的小功率管或被广为推崇的各类低效率Hi-Fi电路装配的发烧功放胆机的有效频率响应很难做得宽润与平滑，尤其是高频响应不易做好，一般能做到40Hz～16kHZ已经是相当发烧了。电子管功放的输出阻抗RZ比较高，它对扬声器的阻尼因素FD要比晶体管功放的低1～2个数量级。功放的FD反映了它对扬声器振膜的控制能力，FD大则声音清晰、层次分明；FD小则声音模糊、缺乏层次。电子管放大器对电信号的应变能力也较差，即它的转换速度不够敏捷。信号转换速度高的功放瞬态、动态响应较好，声音清晰、亮丽、有力度；速度低的则明显呈现出软、甜、柔的电子管音色。一．胆机及其音箱的特性许多胆迷曾多次被音响展示会或精品店中胆机的风采所倾倒，但当他们聆听自制或所购买的品牌胆机时却总也找不回那份韵味与气势。对此，一些朋友已明智地意识到问题可能出在音箱上。的确如此，就胆机远离Hi-Fi的一些音色个性和弱点来说，除了要从电路技术上下功夫来提高其保真度外，千万不要忽视了与它息息相关的放音系统，音箱对提高胆机音质和电声效率也有着非同凡响的作用。胆机虽好但也要靠靓声音箱相助，这点已渐渐成为了共识。因此，如何正确地为胆机选择扬声器、配置音箱以及充分利用放音系统的特性来校正、弥补胆机的一些缺陷显得尤为重要。对于动手派发烧友来说，最关心的问题是怎样制作出一款适应胆机特性的高效率Hi-Fi音箱。下面我们就来谈谈这方面的问题。1．提高胆机放声效率通常，在面积不太大的居室、客厅中原汁原味地聆听音乐的响度大约为92～94dB，这与原始音源节目制作时的音量基本吻合。而营造AV音响效果的响度至少为96～105dB，这对于那些能轻而易举地做到百瓦级以上的晶体管功放来说，即使配套的音箱灵敏度较低也没有什么问题。不过，一般家用型胆机的情况就不那么乐观了，特别是那些输出为3～15W的单端A类或威廉逊、超线性等功放。尽管电子管功放是效率很高的感性负载输出，还有过荷承受能力强、过载后非线性畸变小、不需要很大的储备功率等优点，但是此类Hi-Fi功放由于输出功率有限，因此很难达到原汁原味的放音效果。如果给它们错配了灵敏度低的音箱则更是雪上加霜，在此情况下不可能经常开足音量、拼足力气去营造那惊心动魄的AV气氛。其实，一台功放所给出的声功率除了与功放的输出大小有关外，还与其配套音箱的灵敏度高低有直接关系。也就是说，在放音响度一定的情况下，随着音箱灵敏度的变化，所需要的电功率也截然不同。灵敏度高的音箱消耗的电功率较小，反之则较大。这方面的事例不胜枚举，如以往用于城乡电影放音的都是清一色的电子管功放和高灵敏度音箱，它们的音响服务于数千观众，但是功放的功率却仅为15～40W。当时如用一台功率为40W的YJ603型电影扩音机来驱动灵敏度达108dB的巨型音箱，其所拥有的震撼力及冲击力足以使2000个座位席的影剧院中的空气振荡起来。有资料表明，在一定的响度级别下，音箱的灵敏度每下降3dB则所需要的音频功率将增大两倍。当一台功放以105dB的响度进行AV放音时，如果它的音箱灵敏度为94dB，那么大约有10W的功率便绰绰有余了。此时分别换上91dB、88dB和85dB几种不同灵敏度的音箱，如果也要达到105dB的响度，那么输入功率将依次上升到20W、40W和80W。由此可见，随着音箱灵敏度的降低，输入功率由10W上升到80W。反之也表明，如果一台10W的功放与94dB的音箱搭配，那么其音量与80W功放配85dB音箱的旗鼓相当，前者的输入功率仅为后者的1/8。通过上面的例子，说明了小功率胆机只要配置了高灵敏度的放声系统，同样也能营造出相当不错的AV效果。2．校正胆机音色无论多么发烧的晶体管功放还是电子管功放的音色都不是中规中矩、自然纯真的，多少都带有一些令人遗憾的个性音色。其中晶体管功放的音色表现是干、硬、噪，电子管功放却是软、甜、柔。功放品质越低下则所呈现的音色个性就越明显。其实，如站在Hi-Fi的立场上看，两者都是一种声染色失真。针对晶体管功放的干、硬、噪，近年来那些由柔顺的橡皮边低频单元和软球顶中、高频单元组成的具有软、甜、柔音色特性的放音系统，可以用来校正令人生厌的晶体管声。晶体管功放与这种特性的音箱联姻虽不是什么天作之合，但却能有效地令功放的狂气和躁气变得服服帖帖，音质和音色也确实变得柔顺耐听多了。对于胆机来说就不能给它配置校正晶体管音色特性的音箱。否则，胆机的个性将于此类音箱的特性不谋而合地叠加在一起，不但达不到补偿或校正电子管声音的目的，相反还会进一步地加强胆机的个性，使声音变得更加软、甜、柔。在这方面，行之有效的办法是给此类胆机配置特性相反的即具有冷、硬、亮音色个性的音箱，以此来校正胆机过分的声染色失真。当然，不能矫枉过正，要恰到好处，否则，也会丧失可爱的胆味。不少胆机都缺乏爆发力和冲击力，中、高频也少了些沁人心脾的穿透力。这正是人们对胆机颇有微词的地方，也是它难以胜任AV的原因。事实上，出现上述情况除了有胆机功率不够大、频响及瞬态响应比较差这些问题外，还有一个重要的因素便是与所配制的放音系统的特性不适应。确实，胆机的瞬态响应赶不上晶体管机。长期以来，在电路方面都是通过尽量减少放大电路耦合级数、采用直流DC放大器以及改进电源品质等办法来提高其转换速率，使功放的瞬态响应得到了明显的好转。后来，人们已经注意到了扬声器辐射速度对瞬态响应的重要性。从扬声器的一些特性上来看，它的振膜、音圈、定心支片等构件的材料、质量、刚性、几何形状以及结构工艺等将直接影响声辐射速度。声速快的振膜反应灵敏，对那些瞬息万变的信号有非常准确的跟随能力，播出的声音明快、有力度。而声速慢的振膜反应迟钝，对信号的分析能力差，声音软弱无力达不到信号应有的高潮和爆发力。明白了电子管功放与晶体管功放转换速率上的差异后，在给它们配置音箱时就应该充分考虑到这一点。由于晶体管功放的转换速率较高，因此在一般的情况下不必对其所配音箱的瞬态响应特性过分挑剔，只要综合电声指标达到上乘的音箱便可。然而，胆机所配的音箱则要选择那些声