电子管应用入门 电子管的基础知识详细解析

电子管的基础知识详细解析

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”）。

内部结构

1.电子管的阴极

阴极是用来放射电子的部件， 分为氧化物阴极和碳化钍钨阴极。一般来说氧化物阴极是旁热式的， 它是利用专门的灯丝对涂有氧化钡等阴极体加热， 进行热电子放射。寿命一般在1000 ～ 3000 小时。碳化钍钨阴极一般都是直热式的，通过加热即可产生热电子放射， 所以它既是灯丝又是阴极。理论上碳化钍钨阴极比氧化物阴极寿命长得多， 一般在2000 ～ 10000 小时以上。大功率发射管应用最为广泛的是碳化钍钨阴极， 氧化物阴极一般在输出功率为1kW 以下的发射管中应用。

近年来采用网状阴极的大功率发射管较多。网状阴极是用较细的钍钨丝做成圆筒状， 其优点是：

1）由于它用很多根钍钨丝编成， 所以导流系数较大。

2）易于实现较小的阴栅间距， 有利于提高跨导。

3）由于灯丝是网状结构， 单根灯丝的电流较小， 局部磁场较弱， 从而阴极电流所产生的交流声也较小。

2.电子管的栅极

电子管的栅极根据它们在管中所起的作用不同分为一栅、二栅， 有时也称为控制栅、帘栅。第一栅的主要作用是控制阴极电流， 二栅的作用是屏蔽板极对第一栅的影响。栅极结构关系到本身的机械强度和散热效果， 关系到管子可否稳定工作。为了减小电子的渡越时间， 栅阴间距作的很短甚至不到1mm , 因此厂商多采用机械强度高、导热系数高、辐射系数好以及溶点高的材料来做栅极， 以闭免在很小的间距下发生热碰极。一栅和二栅应严格对栅， 这样帘栅对电子截获小， 可减小帘栅耗， 改善电流分配提高性线。

3.电子管的阳极

阳极是收集阴极发射出来的大部分电子的电极。电子管工作时， 由于电子管轰击板极表面， 以及其它电极的热辐射， 在板极产生大量热能， 因其板极的耗散功率密度是每平方厘米几十瓦到几百瓦， 这样大的功率密度采用自然辐射或传导的冷却已不能胜任。故须采用强制冷却方式。常用的有风冷、水冷和蒸发冷却等。

电子管引脚

优缺点

由于电子管体积大、功耗大、发热厉害、寿命短、电源利用效率低、结构脆弱而且需要高压电源的缺点，它的绝大部分用途已经被固体器件晶体管所取代。优点：1、电子管负载能力强2、线性性能优于晶体管3、工作频率高4、高频大功率领域的工作特性要比晶体管更好，所以仍然在一些地方（如大功率无线电发射设备，高频介质加热设备）继续发挥着不可替代的作用。

种类

（一）按用途分类

电子管按其用途的不同可分为电压放大管、功率放大管、充气管、闸流管、引燃管、变频管、整流管、检波管、调谐指示管（电眼）、稳压管等。

（二）按电极数分类

电子管按其电极数的不同可分为电压放大管、三极管、四极管、五极管、六极管、七极管、八极管、九极管和复合管等。三极以上的电管又称为多极管或多栅管。

（三）按外形分类

电子管按其外形及外壳材料可分为瓶形玻璃管（ST管）、“橡实”管、筒形玻璃管（GT管）、大型玻璃管（G式管）、金属瓷管、小型管（也称花生管或指形管、MT管）、塔形管（灯塔管）、超小型管（铅笔形管）等多种。

（四）按内部结构分类

电子管按其内部结构可分为单二极管、二极管、双二极三极管、双二极管极管、单三极管、功率五极管、束射四极管、束射五极管、双一极管、二极——五极复合管、又束射四极管、三极-五极复合管、三极-六极复合管、三极-七极复合管、束射功率各处室等多种类型。

（五）按阴极的加热方式分类

电子管按阴极的加热方式可分为直热式阴极电子管（电流直接通过阴极使其达到热电子发射状态）和旁热式阴极电子管（通过阴极旁的灯丝加热阴极）。

（六）按屏蔽方式分类

电子管按屏蔽方式可分为锐截止屏蔽电子管和遥截止屏蔽电子管。

（七）按冷却方式分类

电子管按冷却方式可分为水冷式电子管、风冷式电子管和自然冷却式电子管。

选用

1.按用途合理选择电子管的类型

电子管的种类繁多，功能各异。选用时，应根据应用的电路的具体要求（例如，是电压放大管还是功率放大管）来选择合适的类型及型号。在功率放大器中，电压放大管可选用*、6N8P、6N11.12AX7.6922、6DJ8等型号；电压驱动管可选用12AU7.12AT7、6SN7.6DJ6.6CG7.6NP8.ECC82.6N6等型号；功率输出管可选用KT88.EL34、300B、6650C等型号。

2.根据电路要求选用电子管的主要参数

电子管在使用时应严格遵照产品手册中规定的各极电压值（包括灯丝电压、屏极电压和帘栅极电压等）。选用哪种型号的电子管，还应根据应用电路的工作电压值、电流值等参数而定。所选电子管的各极电压值应与应用电路的工作电压值相同或相近，否则会缩短电子管的使用寿命。

使用中应注意的问题

1.电子管各极的电压应严格按顺序进行接入

即：灯丝-偏压-阳压-帘栅压-激励信号， 关机时按相反的顺序进行。电子管的灯丝特别是碳化钍钨灯丝是很脆弱的， 频繁的开关机对灯丝的影响是致命的， 灯丝的冷态、热态电阻值差异较大， 会产生一定的电磁引力， 大多数电子管都是在频繁开、关机时碰极。因此在给灯丝加电压最好是逐渐和分档加， 对延长管子的使用寿命是很有好处的。

2.灯丝电压应在额定值的允许误差范围内使用

通常允许范围为5 %, 若能保持在±1%内对延长寿命是有利的。氧化物阴极电子管灯丝电压偏高时， 会加速氧化钡的分解而缩短阴极寿命；灯丝电压偏低时， 钡原子不能迅速地扩散到阴极表面， 会使阴极“中毒” 也就是电子管的发射能力不能再恢复。碳化钍钨灯丝阴极的电子管灯丝电压偏高时灯丝中的钍原子会很快蒸发掉， 缩短阴极寿命， 灯丝电压偏低时， 也会使阴极受正离子轰击而失效。实践证明使用直流灯丝电源的发射管， 在工作一段时间后把灯丝正负极性变换一次， 以使整个阴极能够均匀损耗， 同时把灯丝输入端对地接的电解电容极性也随之改变， 有助于延长管子寿命。对于使用寿命已知的管子， 因阴极发射量不足而功率下降，可适当提高灯丝电压， 加大其灯丝电流来延长使用寿命。

3.贮存电子管的库房要求干燥无尘、防潮、防震、通风良好

不得放有易挥发性腐蚀物品。室温在+5℃ ～ +35 ℃之间， 相对湿度不大于80%。电子管应垂直放置， 阳极向下，管上不得承受重量。贮存期一般不超过3 年， 以防真空度下降。长期存放的电子管， 内部会放出一些气体， 使管内真空度下降， 因此在使用时应老炼。将电子管加50 %灯丝电压保持10min～ 15min , 然后加额定灯丝电压保持30min , 然后加偏压， 再加50%额定阳极电压保持20min～ 30min , 再将阳极电压加到额定值。此老炼过程可延长管子的使用寿命。一般老炼可将电子管加上灯丝额定工作电压保持2h 以上，但此法不如上面灯丝、阳压分档加压老炼效果好。

4.电子管安装前应检查外观不应有汽泡、油污、裂缝和任

何机械性损伤， 金属件不得有锈蚀陶瓷上的污迹可用酒精擦除；金属件上的锈蚀先用沙纸擦除， 再用酒精擦净。检查绝缘电阻时应用万用表R×10K档检查即可， 用于1KW 以上的管子可用500VMΩ表检查，用于10KW 的大功率管子用1000VMΩ表检查。安装时要小心缓慢地进行， 避免受力振动而损坏， 要轴向垂直放置， 保持阳极的垂直同心度。各极与腔体簧片要接触良好， 否则易出现高压打火或管子工作不稳定。

5.工作当中发射管各极都要保持良好的通风和其他冷却

温度过高会降低电子管的寿命， 甚至损坏， 对于风冷要注意风道畅通防尘；对于水冷系统、蒸发冷却要注意一定要采用软化水或蒸馏水， 水量要充足。不允许有堵塞、漏风、漏水、漏气现象。经常检查发射机工作状态， 不允许发射机出现高频打火、机器失谐、寄生振荡等现象， 尽量避免栅流过大， 短时间的栅流过大也可能损坏管子。

延长方法

自70年代电子管放大器复出重登音响舞台以来，已占有一定市场，但在电子管音响产品中，电子管引起的故障－－包括欧美电子管在内，并不少见，使人产生一种电子管寿命短的看法，然而这却往往并非电子管本身的问题，而是电路设计存在缺陷和使用上的问题。须知品质良好的电子管，还得有正确设计的电路，充分的散热，周到的避震。

在使用上，电子管要有良好的通风散热，温度的过热必然缩短电子管寿命，所以要尽可能使电子管保持较低的温度。电子管怕振动，所以采取防震措施尽量避免振动也是很重要的。若做到这两点，电子管的使用寿命至少可提高一倍。为此，电子管设备的周围要有适当的空间，尤其是它的上方，以便有良好的对流通风，可能的话可用风扇帮助散热。

电子管阴极在尚未达到要求温度即加上高压电源时，它的阴极将受到损害，同样会缩短电子管寿命。所以电子管设备若有预热装置的话，一定要使用，例如先开灯丝低压电源预热，后开缓慢施加高压电源。假如没有预热装置，那你不要急着将输入信号接入，可将音量关到最小，待先开机20～30分钟进行温机再使用。如果使用旁热式整流管供给整机高压，那正好提供了简单又有效的高压延时。另外，在正常使用时，不要频繁开关电源。

当然，如果对电子管电路进行正确的设计，避免错误运用，就能使电子管不致“英年早逝”，电子管使用数以千计的聆听时数应是正常的。电路设计中最常见的错误有电子管灯丝与阴极间的电位差过高、电子管屏极或帘栅极电压运用至最大值、电子管控制栅极悬空，电子管灯丝电压过低或过高、电子管安装位置不当造成电极过热及高压电源没有延时装置等。

检测

外观检查

1.观察电子管顶部的颜色 正常的电子管，其顶部的颜色是银色或黑色。若顶部已变成乳白色或浅黑色，则说明该电子管已漏气或老化。

2.观察管内是否有杂物 轻轻摇动或用手指轻弹电子管玻壳，再上下颠倒几下仔细观察内是否有碎片、白色氧化物、碎云母片等杂物。若电子管内有杂物，则说明该管经过居中烈振动，其内部极间短路的可能性较大。

用万用表检测

1.测量灯丝电压 用万用表R×1档，测量电子管的两个灯丝引脚的电阻值，正常值只有几欧姆。若测得阻值为无穷大，则说明该电子管的灯丝已断。

2.检测电子管是否衰老 通过用万用表测量电子管阴极的发射能力，即可判断出电子管是否衰老。检测时，可单独为电子管的灯丝提供工作电压（其余各极电压均不加），预热2min左右，用万用表R×100档，红表笔接电子管极阴，黑表笔接栅极（表内1.5V电池相当于给电子管加上正偏栅压），测量栅、阴极之间的电阻值。正常的电子管，栅、阴极之间的电阻值应小于3kΩ。若测得电子管栅、阴极之间的阻值大于3 kΩ，则说明该电子管已衰老。该电阻值越大，电子管的衰老程度越严重。

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到底什么是电子管（真空管）？

1883年，著名发明家托马斯·爱迪生（Thomas Edison） 在一次实验中，观察到一种奇怪现象。

当时，他正在进行灯丝（碳丝）的寿命测试。在灯丝旁边，他放置了一根铜丝，但铜丝并没有接在任何电极上。也就是说，铜丝没有通电。

碳丝正常通电后，开始发光发热。过了一会，爱迪生断开电源。他无意中发现，铜丝上竟然也产生了电流。

爱迪生没有办法解释出现这种现象的原因，但是，作为一个精明的“商人”，他想到的第一件事，就是给这个发现申请专利。他还将这种现象，命名为“爱迪生效应” 。

爱迪生

现在我们知道，爱迪生效应的本质，是热电子发射。也就是说，灯丝被加热后，表面的电子变得活跃，“逃”了出去，结果被金属铜丝捕获，从而产生了电流。

爱迪生申请专利之后，并没有想到这个效应有什么用途，于是将其束之高阁。

1884年，爱迪生电光公司的技术顾问、英国物理学家约翰·安布罗斯·弗莱明 （John Ambrose Fleming）访问美国，与爱迪生进行会面。爱迪生向弗莱明展示了自己发现的爱迪生效应，给弗莱明留下了深刻的印象。

弗莱明

这个弗莱明，大家应该也比较熟悉。他是一个电学专家，也是一个电机工程师，我们中学经常使用的右手定则，就是他发明的。

除了传统电学之外，弗莱明其实还有一个强项，那就是无线电磁学。他年轻的时候，曾经师从麦克斯韦，专门学习无线电磁理论。麦克斯韦临终前上课，只有两个学生来听，其中一个，就是弗莱明。

弗莱明观摩了爱迪生效应的演示后，也没有想到这个效应到底能用来干啥。事实上，等到他真正用到它，已经是十几年后。

1896年，意大利人伽利尔摩·马可尼（Guglielmo Marconi） 成功取得了世界上第一个无线电报系统专利，从而将人类带入无线通信时代。

马可尼

1899年，马可尼决定尝试横跨大西洋的远程无线电通信。为了完成这个壮举，他找来了弗莱明，和他签约，请他帮忙改进自己的无线电发射机和接收机。

弗莱明也确实没有辜负马可尼的期望，大幅改进了马可尼的设计，帮助实现了跨大西洋无线通信实验。（可惜，马可尼刻意对外隐瞒了弗莱明的贡献，还“忘记”了自己承诺要给弗莱明的500股股票奖励，把弗莱明气得半死。）

弗莱明在改进无线通信系统的时候，遇到了很多技术挑战。其中，最大的挑战，就是无线信号的接收。

简单来说，就是在接收端，如何检波信号 ，放大信号 ，让信号能够被完美解读。

放大信号大家都懂，那什么是检波信号呢？

所谓信号检波，其实就是信号筛选。天线接收到的信号，是非常杂乱的，什么信号都有。我们真正需要的信号（指定频率的信号），需要从这些杂乱信号中“过滤”出来，这就是检波。

想要实现检波，单向导通性（单向导电）是关键。

大家都知道，无线电磁波是高频振荡，每秒高达几十万次的频率。无线电磁波产生的感应电流，也随着“正、负、正、负”不断变化，如果我们用这个电流去驱动耳机，一正一负就是零，耳机就没办法反应出信号。

采用单向导电性，正弦波的负半周 就没有了，全部是正的，电流方向一致，把高频过滤掉之后，耳机就能够轻松体现出电流的变化。

去掉负半周，电流方向变成一致的，容易解读

在这里，我要先给大家介绍一样东西——矿石检波器 。

1874年，德国科学家卡尔·布劳恩 （Karl Ferdinand Braun）发现，有一些天然矿石（金属硫化物）具有电流单向导通的特性，可以用于整流（将交流电变成直流电）。

1894年，英属印度物理学家贾格迪什·钱德拉·博斯 （Jagadish Chandra Bose）基于卡尔·布劳恩的发现，利用方铅矿（硫化铅）的单向导电性，制成了世界上第一个检波器——矿石检波器 。

1900年，美国人格林里夫·惠特勒·皮卡德 （Greenleaf Whittier Pickard），基于矿石检波器，成功制造了世界上第一个矿石收音机。这为后来无线电广播的迅速普及奠定了基础。

弗莱明在研究如何改进无线电接收机的时候，采用了矿石检波器。但是，他想起了之前的爱迪生效应，他想到——是不是可以基于爱迪生效应的电子流动，设计一个新型的检波器呢？

就这样，1904年，世界上第一只真空电子二极管 ，在弗莱明的手下诞生了。当时，这个二极管也叫做“弗莱明阀”。（真空管，vacuum tube，也就是电子管，有时候也叫“胆管”。）

弗莱明发明的二极管

弗莱明的二极管，结构其实非常简单，就是真空玻璃灯泡里，塞了两个极：一个阴极（Cathode），加热后可以发射电子；一个阳极（Anode），接收电子。

旁热式二极管

玻璃管里之所以要抽成真空，是为了防止发生气体电离 ，对正常的电子流动造成影响，破坏特性曲线。（抽成真空，还可以有效降低灯丝的氧化损耗。）

二极管的出现，解决了检波和整流需求。但是，它还有改进的空间。

1899年，马可尼应邀到美国做无线电通讯表演。他的表演，吸引了一个年轻人的关注。这个年轻人，就是刚刚获得博士学位的德福雷斯特 （De Forest Lee）。

德福雷斯特

德福雷斯特为马可尼的无线电感到着迷。于是，他投递简历，想要加入马可尼的公司。结果，遭到拒绝。

被拒绝之后，德福雷斯特没有放弃，而是继续研究无线电通信。他的目光，放在了弗莱明的二极管上。

1906年，德·福雷斯特在真空二极电子管里，巧妙地加了一个栅板（“栅极”），发明了真空三极电子管 。

德·福雷斯特发明的三极管

栅板的主要作用，是控制电流。

栅极上很小的电流变化，能引起阳极很大的电流变化，而且，变化波形与栅极电流完全一致。所以， 三极管有信号放大的作用 。

现在看来，真空三极管的发明，是电子工业领域的里程碑事件。

这个小小的元件，集检波、放大和振荡三种功能于一体，为电子技术的发展奠定了基础。

一开始的三极管是单栅，后来变成了两个板子夹在一起的双栅，再后来，干脆变成了整个包起来的围栅

真空管

真空三极管是那一时期电子工业的心脏。基于它，我们才有了性能越来越强大的广播电台、收音机、留声机、电影、电台、雷达、无线电对讲等。

真空管收音机的内部构造（可以看到很多个真空管）

德·福雷斯特发明了三极管之后，很快陷入与弗莱明以及马可尼公司的专利官司。

双方互相起诉，弗莱明认为德·福雷斯特侵犯了自己的二极管专利，而德·福雷斯特则认为自己的改进很大，足以形成新的专利。官司打了很久，最终，双方达成和解，相互授权对方生产二极管（三极管）。

三极管诞生后，因为能放大信号，所以受到了美国通信巨头AT&T公司的关注。

当时，AT&T公司打算建造一条连接美国东西海岸的跨大陆电话线，急需解决信号放大问题。在没有三极管之前，放大信号只能用中继器，但是中继器的效果不好，且成本较高。

三极管的出现，给AT&T公司带来了新的选项。

1913年7月，经过一番讨价还价，AT&T公司以39万美元的价格，买下了德·福雷斯特的三极管专利。

再后来，AT&T认识到电子管这类基础研究对于产业发展的重要作用，于1925年正式成立了“贝尔电话实验室公司”。这个公司，就是后来大名鼎鼎的贝尔实验室。

1912—1920年，美国西电公司（Western Electric，简称WE）研制出具有实用性的球形电子三极管，发烧友称之为“洋葱头”电子管。

1924年，美国RCA公司（Radio Corporation of America）研制出效率较高的三极真空电子管。这种古典管在第一次世界大战中得到广泛应用。

1919年，德国的肖特基提出在栅极和正极间加一个帘栅极的想法。这个想法被英国的朗德在1926年实现。这就是后来的四极管。再后来，荷兰的霍尔斯特和泰莱根又发明了五极管。

到了20世纪40年代，计算机技术研究进入高潮。人们发现，电子管的单向导通特性，可以用于设计一些逻辑电路（例如与门电路、或门电路）。于是，他们开始将电子管引入计算机领域。

1946年，宾夕法尼亚大学的工程师埃克特和物理学家毛希利等人，共同研制出了真正意义上的第一台通用型电子计算机——埃尼阿克（ENIAC） 。

大家应该都知道埃尼阿克。这台钢铁巨兽，使用了18000多只电子管，重130多吨，占地面积170多平方米，每秒钟可作5000多次加法运算。之前的计算机需要2小时完成的计算任务，ENIAC只需要3秒钟，在当时堪称奇迹。

上世纪40-50年代，电子管的发展达到了高潮。但是，随着技术的进步，人们发现，电子管已经无法满足产品设计的需求。

一方面，电子管容易破损，故障率高，另一方面，电子管需要加热使用，很多能量都浪费在发热上，也带来了极高的功耗。

所以，人们开始思考——是否有更好的方式，可以实现电路的检波、整流和信号放大呢？

答案是肯定的，于是人们开启了晶体管的新纪元。

参考文献：

1、Leo的微电子学习笔记，黎翱白Leobai，B站；

2、从上海发迹的中国收音机百年史，戴辉；

3、从电子管到晶体管，解码科技史，央视；

4、真空二极管的工作原理，IC先生；

5、第一块晶体管背后的故事，中科大胡不归；

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来源： 鲜枣课堂

编辑：老头

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