电子管 - 历史、工作原理、设计、应用

电子管（无线电管） ——20世纪初的一项技术革新，从根本上改变了电磁波的使用方法，决定了无线电工程的形成和快速开花。无线电灯的出现也是无线电工程知识发展和应用方向的一个重要阶段，后来被称为“电子学”。

发现史

所有真空电子设备（热电子辐射）的工作机制的发现是托马斯爱迪生于 1883 年在致力于改进他的白炽灯时发现的。有关热电子发射效应的更多详细信息，请参见此处 —真空中的电流.

热辐射

1905 年，利用这一发现，约翰·弗莱明 (John Fleming) 创造了第一个电子管——“一种将交流电转换为直流电的装置”。这个日期被认为是所有电子产品诞生的开始（见 - 电子工程和电气工程之间有什么区别). 1935年至1950年期间被认为是所有电子管电路的黄金时代。

约翰·弗莱明的专利

真空管在无线电工程和电子学的发展中发挥了非常重要的作用。事实证明，在真空管的帮助下，可以产生无线电话和电视所必需的连续振荡。可以放大接收到的无线电信号，因此可以接收很远的电台。

此外，电子灯被证明是最完美和最可靠的调制器，即一种将高频振荡的幅度或相位改变为低频的装置，这是无线电话和电视所必需的。

接收器（检测）中音频振荡的隔离也最成功地使用电子管实现。真空管长期作为交流整流器工作，为无线电发射和接收设备提供电源。除此之外，真空管也被广泛使用 在电气工程 （电压表、频率计数器、示波器等），以及第一台计算机。

20 世纪 20 年代商用技术上适用的电子管的出现给无线电工程带来了强大的推动力，它改变了所有无线电工程设备，并使解决许多阻尼振荡无线电工程无法解决的问题成为可能。

真空管专利 1928

无线电工程杂志 1938 年的电灯广告

真空管的缺点： 基于大量灯（第一台计算机中使用了数千个灯）的设备体积大、笨重、可靠性低，需要额外的能量来加热阴极，高热释放，通常需要额外的冷却。

电子管的工作原理及装置

真空管使用热电子发射过程——从真空圆筒中加热的金属发射电子。残余气压可以忽略不计，以至于灯中的放电实际上可以被认为是纯电子放电，因为与电子电流相比，正离子电流小得几乎可以忽略不计。

让我们以电子整流器（kenotron）为例来了解真空管的装置和工作原理。这些整流器使用真空中的电子电流，具有最高的校正系数。

kenotron 由玻璃或金属气球组成，其中产生高真空（约 10-6 mmHg Art.）。电子源（灯丝）放置在气球内部，用作阴极并由来自辅助源的电流加热：它被大面积电极（圆柱形或扁平形）包围，这是阳极。

从阴极发射的电子落入阳极和阴极之间的场，如果阳极的电势较高，则电子会转移到阳极。如果阴极电势较高，则碳电子管不传输电流。 kenotron 的电流-电压特性几乎是完美的。

高压整流二极管用于无线电发射机的电源电路。在实验室和业余无线电实践中，小型整流二极管被广泛使用，可以在 250 — 500 V 下获得 50 — 150 mA 的整流电流。 交流电从为阳极供电的变压器的辅助绕组中移除。

为了简化整流器（通常是全波整流器）的安装，使用了双阳极整流二极管，在一个带有公共阴极的公共圆柱体中包含两个独立的阳极。具有适当设计（在这种情况下称为二极管）的整流二极管相对较小的电极间电容及其特性的非线性使其可以用于各种无线电工程需求：检测、接收器模式的自动设置等目的。

真空管中使用了两个阴极结构。阴极直接（直接）灯丝以白炽灯丝或条的形式制成，由电池或变压器的电流加热。间接加热（加热）的阴极更复杂。

钨丝 - 加热器由陶瓷或氧化铝的耐热层绝缘，并放置在外部覆盖有氧化层的镍圆筒内。气缸通过与加热器的热交换而被加热。

由于圆柱体的热惯性，其温度即使在交流电供应下也几乎恒定。在低温下产生明显排放的氧化层是阴极。

氧化物阴极的缺点是当它被加热或过热时其操作不稳定。后者可能在阳极电流过高（接近饱和）时发生，因为由于高电阻，阴极会过热，在这种情况下，氧化物层会失去发射，甚至可能崩溃。

加热阴极的最大优点是它没有电压降（由于直接加热期间的灯丝电流），并且能够从一个公共电源为几个灯的加热器供电，完全独立于它们的阴极电位。

加热器的特殊形状与减少辉光电流的有害磁场的愿望有关，当为加热器提供交流电时，辉光电流会在无线电接收器扬声器中形成“背景”。

“Radio-craft”杂志封面，1934 年

带两个电极的灯

两个电极灯用于交流电整流（kenotrons）。射频检测中使用的类似灯称为二极管。

三极灯

在具有两个电极的技术上合适的灯出现一年后，第三个电极被引入其中 - 以螺旋形式制成的网格，位于阴极和阳极之间。由此产生的三电极灯（三极管）获得了许多新的有价值的特性并被广泛使用。这样的灯现在可以用作放大器。 1913 年，在他的帮助下，第一台自动发电机诞生了。

三极管的发明者 Lee de Forest（给电子管加了控制栅）

Lee Forrest 三极管，1906 年。

在二极管中，阳极电流仅是阳极电压的函数。在三极管中，栅极电压也控制着阳极电流。在无线电电路中，三极管（和多电极管）通常与称为“控制电压”的交流电源电压一起使用。

多电极灯

多电极管旨在提高增益并降低管的输入电容。额外的网格无论如何都会保护阳极免受其他电极的影响，这就是它被称为屏蔽（屏幕）网格的原因。屏蔽灯中阳极和控制栅之间的电容减少到百分之一皮法。

在屏蔽灯中，阳极电压的变化对阳极电流的影响远小于三极管，因此灯的增益和内阻急剧增加，而斜率与三极管斜率的差异相对较小。

但是屏蔽灯的操作因所谓的三极管效应而变得复杂：在足够高的速度下，到达阳极的电子会导致其表面产生二次电子发射。

为了消除它，在网格和阳极之间引入了另一个称为保护（反发电机）网络的网络。它连接到阴极（有时在灯内）。由于电位为零，该栅格会减慢二次电子的速度，而不会显着影响一次电子流的运动。这消除了阳极电流特性的下降。

这种五电极灯——五极管——已经变得普遍，因为根据设计和操作模式，它们可以获得不同的特性。

飞利浦五极管的古董广告

高频五极管的内阻为兆欧量级，斜率为每伏几毫安，增益为几千。低频输出五极管的特点是内阻显着降低（几十千欧），且具有相同数量级的陡度。

在所谓的光束灯中，三极管效应不是通过第三栅极消除的，而是通过第二栅极和阳极之间电子束的集中消除的。它是通过对称布置两个栅格的匝数和阳极距它们的距离来实现的。

电子以集中的“平束”形式离开网格。零电位保护板进一步限制了光束发散。集中的电子束在阳极上产生空间电荷。在阳极附近形成一个最小电位，足以使二次电子减速。

在某些灯中，控制栅制成螺距可变的螺旋形。由于光栅密度决定了特性的增益和斜率，因此在该灯中斜率是可变的。

在略微负的网络电位下，整个网络都可以工作，陡度变得很重要。但是如果栅极电势是强负的，那么栅极的密集部分实际上将不允许电子通过，灯的运行将由螺旋的稀疏缠绕部分的特性决定，因此，增益和陡度明显降低。

五格灯用于变频。其中两个网络是控制网络——它们被提供不同频率的电压，其他三个网络执行辅助功能。

1947 年的电子真空管杂志广告。

装饰灯和标记灯

有大量不同类型的真空管。除了玻璃灯泡灯，金属或金属化玻璃灯泡灯也被广泛使用。它保护灯免受外部场的影响并增加其机械强度。

电极（或其中的大部分）通向灯座上的引脚。最常见的八脚底座。

小型“手指”、“橡子”型灯和气球直径为 4-10 毫米（而不是通常直径 40-60 毫米）的微型灯没有底座：电极线通过灯座制成气球 - 这会减少输入之间的电容。小电极还具有低电容，因此此类灯可以在比传统灯更高的频率下工作：高达 500 MHz 数量级的频率。

信标灯用于在更高频率（高达 5000 MHz）下运行。它们在阳极和网格设计上有所不同。盘状网格位于圆柱体的平坦底部，以十分之一毫米的距离焊接到玻璃（阳极）中。在大功率灯中，气球由特殊陶瓷制成（陶瓷灯）。其他灯可用于非常高的频率。

在非常高功率的电子管中，有必要增加阳极面积，甚至诉诸强制风冷或水冷。

灯具的标记和印刷非常多样化。此外，标记系统也发生了数次变化。在苏联，采用了四个元素的名称：

1. 表示灯丝电压的数字，四舍五入到最接近的伏特（最常见的电压为 1.2、2.0 和 6.3 V）。

2. 表示灯型的字母。因此，二极管用字母 D 表示，三极管 C，具有短特性的五极管 Zh，长度为 K，输出五极管 P，双三极管 H，整流二极管 Ts。

3. 表示出厂设计序号的数字。

4. 表征灯具设计的字母。所以现在金属灯根本没有最后的名称，玻璃灯用字母C表示，手指P，橡子F，微型B。

有关灯的标记、引脚和尺寸的详细信息，最好在 40 年代到 60 年代的专业文献中寻找。二十世纪。

灯在我们这个时代的使用

在 20 世纪 70 年代，所有真空管都被半导体器件所取代：二极管、晶体管、晶闸管等。在某些领域，真空管仍在使用，例如在微波炉中。 磁控管, kenotrons 用于变电所中高压（数十和数百千伏）的整流和快速切换 用于直流电传输.

有大量白手起家的人，所谓«tube sound»，如今在电子真空管上构建业余声音设备。