热离子阀

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May 26, 2022

热离子阀(或真空管)是第一个发明的“有源”电子元件。“有源”是指由于外部能源而输出放大信号的组件。一般操作很简单:阴极通过热电子效应发射电子,即通过加热;电子流,即电流,在阴极和另一个电极(阳极)之间通过,受电压控制,一些金属部件(网格)放置在两个电极之间。由于电流是由电子(而非离子)产生的,因此有人称该设备为热电子阀。

概论

直到 60 年代,各种类型的热电子管被大量用于电子设备,如无线电接收器和发射器、电视以及一般所有类型的电信号放大器。第一台电子计算机也完全由热电子管制成。热离子阀的发明使得从无线电报转向无线电成为可能,因为通过放大电信号,不仅可以传输电报脉冲,还可以传输声音和声音,从而开创了大众媒体时代。尽管今天晶体管以各种形式和类型几乎在所有应用中都取代了电子管,但它们仍然是放大功率和频率非常高的信号的唯一手段,例如千瓦或更高的数量级,以及热衷于该类型的高保真音频设备。在暴露于电离辐射的情况下,可以有利地使用半导体光电探测器代替真空光电二极管,因为它们对其免疫。真空管,即磁控管,仍然存在于每个普通微波炉中。电视和示波器中常用的阴极射线管也是一种特殊类型的热电子管。电视和示波器中常用的阴极射线管也是一种特殊类型的热电子管。电视和示波器中常用的阴极射线管也是一种特殊类型的热电子管。

工作原理

热离子管在结构上类似于非常常见的白炽灯泡,实际上它只不过是一个玻璃外壳(在某些型号中它是金属或陶瓷),在其中制造真空,包含一根金属灯丝,使其变成白炽(在 1,000 至 3,000 °C 之间)通过使电流通过。与灯泡不同,它包含一个或多个金属元素(呈网格或屏幕形状),可以从外部连接。在间接加热的情况下,金属灯丝,或者更确切地说是围绕它的金属管,称为阴极。最外面的金属元素称为阳极。任何中间元素都称为网格。热电子管的工作原理是热电子发射:每一种金属,特别是在高温下,它会发射电子,负号的基本电荷。如果阴极相对于阳极是负极化的,即如果阴极连接到电池的负极,而阳极连接到正极,则将在阴极和电池之间建立电子流,即电流。阳极(因为电子被吸引到阳极)。如果极化相反,则阴极和阳极之间不会有电流通过,因为阳极会排斥电子。结果是一种只能在一个方向上通过电流的设备,称为二极管,主要用作检测器或整流器。在第一类阀门中,阴极被直接加热,即阴极由灯丝本身组成。系统被废弃,考虑到需要使阴极在不同电压下工作的相关问题(参见多阀、双三极管、三极管五极管)。今天,加热阴极的任务委托给类似于低压灯泡的灯丝,插入镍合金管内,镍合金管涂有有利于电子发射的元素(氧化钡、锶、钍等),形成阴极.这种称为间接加热的解决方案还可以为设备的不同阀门的灯丝提供公共电源,通常是变压器的特殊次级绕组。灯丝之间的连接可以串联或并联。如果在阴极和阳极之间放置金属网格,直观地说,如果它相对于阴极是正极化,但小于阳极,则阴极发射的电子将被吸引到它,因此将穿过栅极的网格到达阳极。相反,如果栅极是负极化的,它将排斥来自阴极的电子。因此,通过在阴极和栅极之间施加可变电压,将在阴极和阳极之间获得电流通路,该电流通路将跟随并放大施加到栅极本身的信号的趋势。由此产生的效果是电压放大。这种热电子管称为三极管。在三极管之后,加上其他栅极,构建了电流放大器:四极管、五极管、七极管(这个最后通常用作变频器),因此称为基于控制电极的数量。它们是第一个用于放大电信号的基本电子设备,从电子学的黎明开始,今天几乎完全由晶体管执行这些功能,但是在 HI-FI 和电力电子的某些领域,特别是在高频领域,雷达使用,仍被广泛使用。电力电子尤其在高频、雷达用途方面,仍被广泛应用。电力电子尤其在高频、雷达用途方面,仍被广泛应用。

背景

1873 年,英国已经发现了由金属引起的白炽电子热电子发射效应,因此英国人欧文·威兰斯·理查森 (Owen Willans Richardson,1879-1959) 对此进行了仔细研究,他因此于 1928 年获得了诺贝尔奖。另一位英国人 John Ambrose Fleming (1849-1945) 于 1904 年发明了二极管,而美国发明家 Lee De Forest 于 1906 年发明了三极管。 Guglielmo Marconi (1874-1937) 是最早认识到二极管的人之一。热电子管的重要性,并在其接收器发射设备中使用它们。在第二次世界大战期间,热电子管被制造用于军事应用,小型化并包含在金属外壳中,更加坚固,可以承受相当大的冲击。使用这种类型的热电子管的无线电收发器和电子仪器,但具有更现代的设计,在越南战争中也被美国使用:新的电子管被称为 Nuvistor,是最终版本的热电子管的最后一个版本一、陈旧。

其他用途

ENIAC 是第一台全电子计算机,它的工作归功于 17468 个热电子管(相当于许多晶体管),并且使用 160 kW 的电力实际上只是为了让它们保持开启状态(相当于 80 个家用电烤箱所需的功率)。现代计算机包含数十亿个晶体管,消耗的功率大约是其千分之一。鉴于不可避免的制造公差,高保真立体声音频放大器和乐器放大器中的最终电子管的更换必须使用由电子管制造商直接选择的成对或四重奏(匹配对,匹配四重奏)的阀门进行,最少附加费。即使在 1960 年代的一些双迹示波器中,通常在双通道测量仪器中,其中待处理的信号是两个,并且都被同等放大,更换管子是成对的,或者用两个选定的管子,由相同的人提供设备制造商或阀门制造商,在某些情况下具有特别适合预期用途的特殊特性。

热离子阀的种类和用途

尽管已经使用了数以千计的不同类型的管子,但它们是根据它们包含的有源电气元件的数量进行分类的。例如,称为二极管的管子有两个电极,称为三极管的管子有三个电极,四极管有四个电极,五极管有五个电极。二极管用作整流器。其他的主要用于放大电信号。

二极管

阳极和阴极通过器件的相应端子被偏置到不同的电位。阴极通常由特殊灯丝加热,加热时会发射电子,这些电子是带负电的粒子。当阳极被偏置到比阴极更正的电位时,阴极发射的电子将被阳极收集,从而产生通过真空的电荷流,即电流。另一方面,如果阳极被极化到比阴极更负的电位,则不会有更多的电荷流,因为阴极发射的电子将被阳极拒绝。因此,该管允许电流仅沿一个方向流动,从而允许对交流电进行整流。在低功率管中,阴极和灯丝是独立且电绝缘的电极;灯丝加热阴极,阴极发射参与传导的电子(见图 1)。它通常被称为整流器,通常用于电子电路中,用于将交流电转换为直流电,直到 1960 年代,第一个用于高压的固态二极管开始供民用。然而,鉴于串联电阻的特殊特性,它被许多高保真音频设备制造商用于乐器放大,并注意到其转换特性对声音结果的重要性。一些制造商提供了使用管式整流器和固态整流器以及由用户操作的简单选择器来操作设备的可能性。最常见和仍在使用的型号是5U4、GZ34、5AR4。

气体二极管

气体二极管与普通真空二极管的区别在于将一定量的低压气体(汞、氩、氖等惰性气体)引入灯泡内;这种添加显着改变了组件的行为:达到某个阳极电压(点火电压)时,与传统的空载二极管没有区别,但是一旦超过该阈值,相似性就会消失,阳极电压会迅速增加观察到电流达到非常高的水平。这种现象是由于来自电离气体的正离子与阴极之间的碰撞而发生的。这种影响增加了阴极本身的排放。气体二极管一般用于功率整流器;它的符号是经典二极管的符号,里面有一个黑点。

三极管

通过在阴极和阳极之间添加一个栅极,就像 Lee De Forest 在 1907 年首次做的那样,得到了三极管(见图 2)。栅极通常由螺旋缠绕的线或插入阴极周围空间的网络组成,能够适当极化,以控制阴极和阳极之间的电子流:相对于阴极为负极化,这会阻止电子流动越多,它就越负极化,直到电流为零的截止电压。因此,通过改变栅极电压,可以控制阳极和阴极之间的电流,从零到阀门允许的最大值(饱和点)。栅极上的微小电压变化会导致阳极 - 阴极电流发生相当大的变化,从而获得放大。三极管主要用于低电平音频放大(前置放大器)。由于它们的高寄生电容,尤其是栅极和阳极之间的寄生电容,它们不用于射频。尽管这个电容只有几皮法,但它反映在等于实际电容乘以放大器增益、米勒效应的有效电容中,并被视为输入电容。这种能力大大降低了高频增益。三极管最重要的参数是放大倍数μ,定义为 μ - δ vp δ vgip {\ displaystyle \ mu - {\ frac {\ delta v_ {p}} {\ delta v_ {g}}} _ {i_ {p}}} 其中 δvp 表示阳极的变化由栅极电压的变化 δvg 产生的(或板)电压(蒂 ip 表示阳极电流必须在上述电压变化的对应关系);负号是必要的,因为为了在阳极电压增加后阳极电流保持恒定,栅极电压必须降低。

气体三极管

通常称为闸流管,它是一种特殊类型的三极管,内部不是真空,而是惰性气体或其低压混合物。就功能而言,它位于气体二极管的末端,其电离由控制栅极触发(当阴极相对于该栅极处于正电位时触发)。在电离时刻,控制栅不再能够干预,行为变得与气体二极管相同。鉴于其作为整流器的功能,可以通过作用于电网电位来控制点火时间,它的主要用途是“锯齿”信号发生器,广泛用于 CRT 示波器和 CRT 示波器的时基。它的电路表示是一个内部有一个黑点的三极管。

特罗多

为了拥有能够放大高频信号的电子管,四极管建于 1927 年。通过在控制栅极和阳极之间放置第二个栅极(屏蔽栅极),可以获得静电屏蔽,这降低了阳极和控制栅极之间的电容。然而,屏蔽栅必须连接到通过电阻分压器从阳极导出的电压,而不是接地,否则它将充当第二控制栅,通常通过旁路电容器连接到信号源。这样,四极管也允许射频放大,但由于二次发射现象,即从阳极发射的电子从四极管中提取出来的现象,会在信号中引入一定的失真。那些加速的冲击来自阴极。这种效应存在于所有阀门中,但仅存在于四极管中,屏幕栅极非常靠近阳极,处于正电位,这是一个问题,因为二次发射导致的屏幕栅极电流的增加是有害的阳极电流的减少,减少了阳极特性曲线的线性部分,失真是由该线性部分决定的。一种可能的解决方案是使用聚焦电枢来集中阳极电子并防止它们撞击屏幕网格:这些管被称为束四极管,直到 1960 年代才广泛用于音频放大器的输出级。广泛使用的光束四极管 807 和 6V6 是最有效的例子。来自阴极。这种效应存在于所有阀门中,但仅存在于四极管中,屏幕栅极非常靠近阳极,处于正电位,这是一个问题,因为二次发射导致的屏幕栅极电流的增加是有害的阳极电流的减少,减少了阳极特性曲线的线性部分,失真是由该线性部分决定的。一种可能的解决方案是使用聚焦电枢来集中阳极电子并防止它们撞击屏幕网格:这些管被称为束四极管,直到 1960 年代才广泛用于音频放大器的输出级。广泛使用的光束四极管 807 和 6V6 是最有效的例子。来自阴极。这种效应存在于所有阀门中,但仅存在于四极管中,屏幕栅极非常靠近阳极,处于正电位,这是一个问题,因为二次发射导致的屏幕栅极电流的增加是有害的阳极电流的减少,减少了阳极特性曲线的线性部分,失真是由该线性部分决定的。一种可能的解决方案是使用聚焦电枢来集中阳极电子并防止它们撞击屏幕网格:这些管被称为束四极管,直到 1960 年代才广泛用于音频放大器的输出级。广泛使用的光束四极管 807 和 6V6 是最有效的例子。这种效应存在于所有阀门中,但仅存在于四极管中,屏幕栅极非常靠近阳极,处于正电位,这是一个问题,因为二次发射导致的屏幕栅极电流的增加是有害的阳极电流的减少,减少了阳极特性曲线的线性部分,失真是由该线性部分决定的。一种可能的解决方案是使用聚焦电枢来集中阳极电子并防止它们撞击屏幕网格:这些管被称为束四极管,直到 1960 年代才广泛用于音频放大器的输出级。广泛使用的光束四极管 807 和 6V6 是最有效的例子。这种效应存在于所有阀门中,但仅存在于四极管中,屏幕栅极非常靠近阳极,处于正电位,这是一个问题,因为二次发射导致的屏幕栅极电流的增加是有害的阳极电流的减少,减少了阳极特性曲线的线性部分,失真是由该线性部分决定的。一种可能的解决方案是使用聚焦电枢来集中阳极电子并防止它们撞击屏幕网格:这些管被称为束四极管,直到 1960 年代才广泛用于音频放大器的输出级。广泛使用的光束四极管 807 和 6V6 是最有效的例子。阳极处于正电位,这构成了一个问题,因为屏幕栅极电流的增加,由于二次发射,是以阳极电流为代价的,阳极电流的减少减少了阳极特性曲线的线性部分,失真决定了阳极特性曲线的线性部分。一种可能的解决方案是使用聚焦电枢来集中阳极电子并防止它们撞击屏幕网格:这些管被称为束四极管,直到 1960 年代才广泛用于音频放大器的输出级。广泛使用的光束四极管 807 和 6V6 是最有效的例子。阳极处于正电位,这构成了一个问题,因为屏幕栅极电流的增加,由于二次发射,是以阳极电流为代价的,阳极电流的减少减少了阳极特性曲线的线性部分,失真决定了阳极特性曲线的线性部分。一种可能的解决方案是使用聚焦电枢来集中阳极电子并防止它们撞击屏幕网格:这些管被称为束四极管,直到 1960 年代才广泛用于音频放大器的输出级。广泛使用的光束四极管 807 和 6V6 是最有效的例子。是对阳极电流不利,阳极电流的减少减少了阳极特性曲线的线性部分,失真决定了该部分。一种可能的解决方案是使用聚焦电枢来集中阳极电子并防止它们撞击屏幕网格:这些管被称为束四极管,直到 1960 年代才广泛用于音频放大器的输出级。广泛使用的光束四极管 807 和 6V6 是最有效的例子。是对阳极电流不利,阳极电流的减少减少了阳极特性曲线的线性部分,失真决定了该部分。一种可能的解决方案是使用聚焦电枢来集中阳极电子并防止它们撞击屏幕网格:这些管被称为束四极管,直到 1960 年代才广泛用于音频放大器的输出级。广泛使用的光束四极管 807 和 6V6 是最有效的例子。这些电子管被称为光束四极管,直到 1960 年代才广泛用于音频放大器的输出级。广泛使用的光束四极管 807 和 6V6 是最有效的例子。这些电子管被称为光束四极管,直到 1960 年代才广泛用于音频放大器的输出级。广泛使用的光束四极管 807 和 6V6 是最有效的例子。

彭托多

五极管本质上是一个带有额外网格的四极管,即抑制网格;这样做的目的是减少二次发射和随之而来的失真。第三个栅极通常连接到阴极,通常内部连接到阀门,因此通常与四极管具有相同数量的腿。五极管是电子管发展的真正起点:高放大率、宽带、低失真、良好的线性度。五极管可以在接收器的射频和中频级中找到,也可以在输出放大器中找到。五极管的主要缺陷是在输出信号中引入了更高级别的噪声,这使其不适用于第一级放大或需要非常高的放大率时。出于这个原因,它前面通常是一个电压放大器级,通常由三极管组成。最常见的型号是 EL34 型号(美式符号为 6CA7)

其他类型的阀门

除了五极管之外,还开发了许多其他类型的阀门,其网格数量不断增加,专用于最多样化的应用。这些阀一般称为多栅阀(hexodes、heptodes、octodes 等):它们常用于超外差电器的变频器中。此外,随着使用中的一些阀门设计,制造商生产了多种型号的多个阀门,在同一玻璃体中具有两个不同的阀门,以节省空间和复杂性。特别成功的是三极管和五极管之间的组合,如上所示,可以从两个元素中获得最佳效果,每个元素都在自己的领域;最重要的一个例子是广泛使用的 ECL 系列,这使得使用单个设备获得完整的音频放大器成为可能。另一类阀门是螺旋阀门,其操作不是控制电子通过栅极,而是基于电子束中的电子与缠绕在其周围的螺旋线中的电压的平行行程,用于放大微波范围内的信号无线电。所有微波炉中使用的磁控管也是一个阀门。与其尺寸相比,它的特殊功能使其能够以固定频率(在微波范围内)振荡并提供相当大的功率。这种阀门是二战初期英国人研究开发的,事实上,随着磁控管的发展,第一批雷达被开发出来,其瞄准链代号为“Chain home”,帮助赢得了英格兰的战斗。其操作取决于灯泡中所含气体的管,例如稳压管和闸流管,特别用于工业电子产品。然而,它们不是热离子阀,即使它们经常被称为电子管,就像真空管一样。具有光学指示器功能的电子管是数码管显示器和魔眼,后者在旧收音机中用作调谐指示器。真空管的另一个用途是无线电台的发射机。其中一些阀门,考虑到释放的功率,它们需要持续制冷以避免过热。

高保真使用

应该为热离子阀的这种应用专门留出一个特定的空间。今天,在音乐音频再现领域,虽然电子管已被半导体电路所取代,但仍生产用于高级音乐再现的电子管放大器。虽然在鼎盛时期,电子管必须用于所有音频设备,但如今电子管仅用于高级放大器。一些发烧友认为这种选择是合理的,他们欣赏电子管放大器所具有的更大“音乐性”。这些设备通常既昂贵又笨重(大约 15 公斤或更多),但其特点是甜美、空间感和声音清晰度高;例如,除了整体上非常精细的声学渲染外,它们还能够掩盖现代数字录音中有时出现的刺耳声音,使它们更令人愉悦。电子管的广泛使用也进入了吉他和贝斯电子管放大器市场。事实上,虽然晶体管更舒适,因为晶体管放大器更轻、更便宜、更耐用,但电子管仍然是吉他手的首选,因为它可以利用电子管的非常愉快的饱和度并享受给定的音调声音。从最终电子管完全失真(削波)的操作开始。它使它们能够掩盖现代数字录音中有时存在的刺耳感,使它们更令人愉悦。电子管的广泛使用也进入了吉他和贝斯电子管放大器市场。事实上,虽然晶体管更舒适,因为晶体管放大器更轻、更便宜、更耐用,但电子管仍然是吉他手的首选,因为它可以利用电子管的非常愉快的饱和度并享受给定的音调声音。从最终电子管完全失真(削波)的操作开始。它使它们能够掩盖现代数字录音中有时存在的刺耳感,使它们更令人愉悦。电子管的广泛使用也进入了吉他和贝斯电子管放大器市场。事实上,虽然晶体管更舒适,因为晶体管放大器更轻、更便宜、更耐用,但电子管仍然是吉他手的首选,因为它可以利用电子管的非常愉快的饱和度并享受给定的音调声音。从最终电子管完全失真(削波)的操作开始。虽然晶体管更舒适,因为晶体管放大器更轻、更便宜、也更耐用,但电子管仍然是吉他手的首选,因为它可以利用电子管的非常愉快的饱和度并享受操作给出的音调在最终管的完全失真(剪裁)中。虽然晶体管更舒适,因为晶体管放大器更轻、更便宜、也更耐用,但电子管仍然是吉他手的首选,因为它可以利用电子管的非常愉快的饱和度并享受操作给出的音调在最终管的完全失真(剪裁)中。

参考书目

Jago Bossi,热离子阀,Il Rostro,1936 年。

相关项目

晶体管 磁控管 Dekatron 魔眼速调管 行波管 X 射线管 热电子阀编码

其他项目

维基共享资源包含有关热离子阀的图像或其他文件

外部链接

阀门类型,在 audiovalvole.it 上。Sophie 的收音机 - Tecnica,在 leradiodisophie.it 上。(EN) Carter M. Armstrong,The Quest for the Ultimate Vacuum Tube,IEEE Spectrum,2015 年 11 月 24 日。2016 年 4 月 15 日检索。