什么是真空管？

真空管是英国物理学家约翰·安布罗斯·弗莱明于1904年首次开发的一种装置，它包含电极以控制电子流。通常，它在一个密封容器中用于借助真空控制电流。在早期计算机中，它也用作开关或放大器，也被称为阀门或电子管。下图展示了不同类型的真空管。

在20世纪上半叶，它被用于电视、录音、工业自动化复制、雷达设备、收音机和电话网络系统，是现代晶体管的前身，这意味着，就像今天可能使用晶体管一样，真空管被创造性地用作电子控制的整流器、振荡器、开关和放大器。

在旧的电脑显示器和电视机中，CRT（阴极射线管）作为屏幕被广泛使用，它是一种真空管。它最初被发明为电子设备的基本组件，并在20世纪上半叶模拟和数字计算机的演变中得到最广泛的应用。

真空管由阴极和阳极制成，阴极产生电子，阳极收集电子，这被称为二极管。然而，还有其他类型的真空管，它们根据存在的电极数量进行分类。然后，这些电极通常被玻璃包裹在一个外壳中；当被充分激发时，它可以在所有空气被抽离的情况下充当导体。就像闪电穿过空气一样，电子也形成了通路。因此，它通常被称为真空管，因为其内部是真空状态。

此外，真空管产生大量热量，因为它需要大量的电力；因为它需要加热灯丝来产生电子。由于大量的热量，组件会迅速退化；因此，它们会很快烧坏。为了工作，真空管还需要三种不同的电源，这些电源基于容量和额定值。随着真空管技术的进步，功耗和尺寸变得更小。此外，它们具有成本效益，而晶体管仅对低频有效。对于高频，需要将一百个晶体管并联并连接在一起，形成晶体管级联。这导致了对散热器的需求，而散热器会产生巨大的热量。

一个等效的发射器需要显著更少的功率，并且只使用一个真空管。此外，它可以通过强制空气或水冷进行冷却。真空管和固态放大器的扬声器阻尼效应不能重复独特的失真；因此，在声音放大器中，真空管更常见。真空管在20世纪50年代开始被晶体管取代。由于晶体管的尺寸，随着计算设备的尺寸开始变小，它们变得更适合使用。在更小的计算设备中，真空管由于其体积大而无法适应，导致其变得不那么有用。

此外，如今真空管仍用于高端音频设备和大型广播电台，特别是那些使用频率超过50 MHz和能量水平超过10,000 W的设备；因此，真空管技术并未完全过时。

不同类型的真空管

真空管是一种有趣的清洁元件，以各种方式用于多种目的。在真空环境中，这些管子主要包含阴极和阳极。真空管有多种类型，下文将讨论其工作原理。

1. 二极管真空管： 二极管是最简单的真空管形式，它包含两个端子：阳极和阴极。当阴极被充分加热时，由于热电子效应，其电子从表面逸出。如果阴极包含较高的电位并施加到阳极，阴极会发射带负电荷的电子，这些电子被阳极吸引。然后，电流通过对流，沿正电荷方向流动。

2. 因此，电子流总是被认为是S从阴极流向阳极。这背后的主要原因是，沿相同路径流动的负电荷电流等效于沿相反方向流动的正电荷电流。下图是二极管真空管的示例。

与阴极端子相比，当阳极具有更高的电位时，释放的电子会被阳极吸引。

3. 三极管真空管： 它是另一种真空管，其中电流从高电位 V+ 流动。但是，仍然需要一个阀门来控制这种流动。在三极管中，需要一个栅极，它更像是一个第三端子，放置在阴极和阳极之间。

与阴极相比，当栅极的电位较低时，阴极会发射电子，这些电子被排斥，难以到达阳极并阻碍电子在端子之间移动。如果栅极足够负，其电流会被阻断，获得与液压回路中关闭阀门相同的效果。下图是三极管真空管的一个实例。

4. 四极管真空管： 三极管的发明主要与四极管真空管的引入有关。在阳极和栅极之间，四极管包含第四个电极，称为屏蔽栅。这种先进元件的主要目的是减小阳极和栅极产生的电容。在三极管中，栅极和阳极都像一个小型电容器，因为它们彼此非常接近，这可能导致不稳定和振荡。与阴极相比，如果屏蔽栅具有更高的电压，但与阳极相比电压较低，它通过在两者（栅极和阳极）之间充当静电屏蔽来减小栅极和阳极的固有电容。下图是四极管真空管的示例。

在阳极处，通过提供部分输出信号，屏蔽栅也设置为在超线性结构中工作。相对于阴极，屏蔽栅在四极管中是正极的。因此，从阴极发射的电子被屏蔽栅吸引，其中一部分会流向阳极。因此，通过屏蔽栅的电流会更小。这种效应在配置真空管以超线性模式或分布式负载工作时使用。这种配置是通过将阳极输出信号的百分比反馈给屏蔽栅而不是向其施加固定电压来获得的。

通过将屏幕连接到输出变压器的一个抽头，可以将所需的阳极输出信号百分比提供给屏幕。通过屏幕的电流提供了一种负反馈，并且在适当的阳极信号百分比下，失真值会最小化，但这会导致功率效率降低。

这个适当的百分比由所使用的特定电子真空管决定。通常，在大多数可用的功率放大器设计中，这个百分比设置为43%左右。

5. 五极管真空管： 五极管的创造主要思想是对四极管真空管的进一步改进。在这类真空管中，当阴极发射的电子到达阳极时，它们有更大的机会拥有足够的能量来刺激阳极本身发射次级电子。然而，当次级发射电子到达栅极时，它们可能会导致不稳定和振荡。五极管使用第五个电极，称为抑制栅，以防止次级发射电子。通常，抑制栅通过相应引脚之间的明确连接或使用真空管内部的连接直接连接到其阴极。下图显示了五极管真空管的外观。

真空管的原理

真空管或电子管包含两个或更多电极，它们通过电离气体或低压真空隔开。它的操作取决于电子的产生和从一个电极到另一个电极的传输。阴极是电子的来源，通常是阴极发射的金属电极。磁场、电场或两者都用于控制阴极发射的电子的运动。磁场可以通过永磁体或管外的电磁体产生。简单来说，正电极（板或阳极）吸引并加速电子，负电极（阴极）排斥并减慢电子。

真空管的历史

真空管是英国电气工程师和物理学家约翰·安布罗斯·弗莱明于1904年首次开发的一种装置，也称为弗莱明阀、真空二极管、热离子阀、热离子管或肯顿。弗莱明不仅以其对电子学的贡献而闻名，还在无线电报、光度学和电测量领域发挥了重要作用。在大学学院，他成为一位著名的教师，并担任爱迪生电灯公司的顾问。

1929年，他因在电气和电子工程领域做出的各种进步而被授予爵士爵位。弗莱明也是一位出色的作家；他撰写了上百本专著和论文；其中一些常见的有：1889年的《交流变压器》，1906年的《电波电报原理》。

此后数十年，弗莱明的二极管一直用于雷达和无线电接收器，直到被固态电子技术取代。真空管促成了20世纪上半叶的许多发展，例如第一批电子数字计算机、长途电话服务、无线电广播和电视。尽管真空管几乎已被晶体管取代，但在某些设备中仍能看到真空管的身影，例如微波炉、计算机和电视机的显示设备以及空间卫星上的高频发射器。

在19世纪80年代，托马斯·爱迪生发现了一种效应，当时并未用于有用的工作。尽管这种现象被称为“汉默的幻影阴影”，但后来在爱迪生于1883年获得灯泡专利后，它被称为“爱迪生效应”。

与热灯丝相比，如果额外的电极带正电荷更多，直流电会通过真空移动。额外的电极也称为“板”或“阳极”。

真空管的优点

虽然真空管是一种较早的技术，但它具有一些优点，如下所述：

• 真空管最大的优点之一是它易于更换。
• 真空管能够在高温下工作而不会出现任何缺陷。
• 它们提供更好的音质。

真空管的缺点

• 尺寸是真空管最大的缺点之一，因为与集成电路、晶体管和二极管等半导体器件相比，它们的尺寸很大。
• 它们产生大量热量，需要高能量才能运行。
• 它们成本更高，功耗更大。
• 与晶体管相比，真空管占用更多空间。
• 真空管的故障率很高。