杏彩体育app下载:电子管原理及束射四极管KT88结构研究

　　电子管曾为人类开启了电子时代。跟半导体器件相比，它透明的外壳、肉眼可观的尺寸，为我们普通爱好者探索它的秘密提供了方便。本文以一款型号为KT88的束射四极管为例，记述一些研究结论。

　　本人一台电子管功放，用来推动一对德国产老音箱EL80，中低音醇厚绵延，高音得益于EL80天蚕丝振膜的轻巧，甜脆灵动，丝般柔滑。夜深人静时分，音乐缓缓流淌，橙灯光清幽温润，渐渐的，思绪被沉浸了。

　　基本上，玩电子管功放的，不仅仅于满足音乐，还有一份更为重要的情结，就是技术。如果能弄清一些原理，似乎可以把音乐听得更通透些。

　　该功放用了6个电子管，包括4种型号，从左往右分别是：电压放大管6N9P、稳压管WY2P、整流管5Z3P、功放管KT88。

　　电子管功放，总体上还是小众的。20世纪60年代后，半导体晶体管及集成电路异军突起之后，电子管逐渐成为昨日黄花，在点亮了电子业界半个世纪后，电子管的微弱光芒，渐渐熄灭了。但在音响领域，电子管以古典、醇厚、独特的风格，依然守着三分田地，甚至有发扬光大之趋势。

　　当然，在超高频、大功率领域，真空电子器件如陶瓷发射管、微波三极管和四极管、调频感应加热发射管，以及军事雷达、通信、电子对抗领域中的速调管、行波管、前向微波器件等，仍是不可替代的。

　　KT88是旁热式束射四极管，在电路中起低频（音频）功率放大作用。最早由英国GEC公司于1957年为音响电子专门开发。本人的一对KT88为俄罗斯生产。

　　KT88的参数为：灯丝电压6.3V，灯丝电流1.6A，阳极电压250V，阳极电流145mA。最大阳极电压600V，最大阳极耗散功率42W，最大第二栅极耗散功率8W，最大阴极电流230mA。

　　上图给出了一个小型电子管的结构剖视图，以及KT88的照片。因网上找不到KT88的剖视图和实物拆解照片，我又不舍得敲掉一个管子，所以本文只能通过参照其他资料的示意图以及实物照片来洞悉KT88的内部结构了。

　　如右图b，为表述方便，用三层云母片及底座将结构划分成5层，再旋转不同角度，拍摄照片，然后进行分析。经大致测量，5楼高度约1厘米，4楼约1.5厘米，3楼是主体，层高4厘米，2楼1.2厘米。

　　灯泡：1854年，德国人亨利·戈培尔发明灯泡，这可算是最简单的真空器件了。要让灯丝通电后升温发光，须将灯泡抽成真空，防止灯丝在高温下氧化。

　　阴极射线年，英国科学家克鲁克斯发明了阴极射线管。阴极射线管是一个真空玻璃管，管内二侧安装了阴极和阳极，接上几万伏的高电压后，阴极会发射出一种“射线”，这种射线走直线，但在电场和磁场里会偏转方向，能在玻璃壳上产生荧光。如果改变阳极材料和电压，可以在阳极靶上轰出了X射线。英国人JJ汤姆生系统地研究了这种射线年，他提出阴极射线是一种带电粒子，并取名为“电子”。

　　生效应：1883年，生在改良灯泡的灯丝时，尝试在灯泡中封入一个铜丝，竟然发现灯泡通电后，这根铜丝与灯丝间有微弱的电流。尽管这种现象当时没有任何实用价值，但生为其申请了专利，并称为“生效应”。实际上，这个微弱的电流就是热灯丝发射的电子流。

　　二极管：1904年，英国物理学家弗莱明发明了真空二极管。现在看来，从生效应到二极管，只需在把铜丝做成极片再加上正电压就行，好像很简单。但当时，一些理论未发展起来，也缺少应用需求。后来，交流电的应用，以及无线电的发明，需要用到“整流”和“检波”，二极管就应运而生了。

　　二极管的“整流”和“检波”，实质上是把双向的交流信号变为单向的直流信号，即在信号的正半周时，热阴极向阳极发射电子，二极管导通；在信号的负半周时，电场反向，阳极无法向阴极发射电子，二极管截止。共工作原理参见下面两图：

　　5、三极管：1907年，美国科学家福雷斯特制造出第一支真空三极管。注意，美国人来了！此后，美国一直引领了整个世界！福雷斯特的发明无与伦比，只是当时人们不知道有什么用，以至于申请专利时被当作骗子。

　　三极管原理并不复杂，在二极管的阴极和阳极之间再加增加一个“控制栅极”，就形成了三极管。因为控制栅极十分靠近阴极，栅极与阴极间施加负电场，阴极就不发射电子，栅极施加正电场，阴极就发射电子，而且可以通过控制栅极电压来控制电子束流的大小，从而实现“以小控大”的放大作用。输入信号加在栅极上，放大后的信号从阳极输出。

　　6、四极管：从上图分析可知，三极管的阳极承担了“加速电子”和“信号输出”两个任务，但二者相互矛盾，即：加速电子时希望阳极电压稳定，但输出信号靠的就是阳极电压变化。解决办法就是把这二个功能分开，阳极专门用于输出大信号，加速电子则另请高明：再增加一个叫栅极，即“帘栅极”或“屏栅极”，该栅极设置在控制栅与阳极之间，靠近控制栅。工作时加上固定的正电压，专门负责加速电子。如下图：

　　7、五极管：四极管又有新问题：电子束在屏栅极（帘栅极）的加速下，打到阳极时动能很大，会从阳极中轰出“二次电子”，这些电子在阳极和屏栅极之间，不知道何去何从。当然最终要看周边电极，谁电压高就往谁方向走。

　　在四极管中，阳极和帘栅极都是正电压。区别是：帘栅极电压是固定的，但阳极电压是随输出信号高低变化的。当阳极电压高时，电子仍旧返回阳极；但随着信号变化，阳极电压也可能会低于帘栅极，这时，二次电子毫不犹豫地飞向帘栅极。

　　这就坏了：减小了阳极电流，增加了帘栅极电流。帘栅极目的是加速电子，又不需要收集电子，真正收集电子的是阳极，只能奔赴阳极的电子才能在阳极电路中形成输出电流，起到放大作用。有人可能会说：没事，无非就是费点电嘛。但这种“负阻效应”将在放大信号时引发严重失真及自激振荡，导致四极管根本无法使用。还有可能会让帘栅极过热烧掉。

　　解决办法是：再增加一个栅极！加在帘栅极与阳极之间，叫抑制栅极，并与阴极相接。这样，帘栅极的加速电场，被抑制栅极隔开，二次电子回头一看，首先看见抑制栅极的零电位，没任何吸引力，只得乖乖地再飞回阳极。发明了“五极管”，电子管技术才真正进入实用阶段。

　　除了五极管，人们另辟蹊径，发明了“束射四极管”，也解决了二次电子的问题，主要应用在音频功放领域中。其结构如下图所示：

　　从结构上看，束射四极管没有使用抑制栅极，改用了“集束屏”，集束屏与五极管的抑制栅极相同，连接到阴极上，与阴极同电位。普通电子管外圈阳极、中心阴极的结构，让阴极电子流任何角度都可以飞向阳极。但在束射四极管中，加了集束屏，挡住了大半方向，电子只能通过集束屏的开口处飞向阳极面。造成的效果是电子束流被压缩，从而大幅度提高了空间电子密度，这就是名称“束射四极管”的来历。集束后后，密集的电子束在靠近阳极附近的空间时，依靠本身的空间电荷，形成了超过15V的电压降，一般二次电子能量一般不超过15V。二次电子往阴极方向一看，附近空间中密密麻麻一堆负电子，帘栅极的加速电压根本就看不见，于是被这个空间负电压赶回了阳极。

　　好，了解了束射四极管的工作原理，我们来欣赏一下KT88的内部结构，再分析一下结构及设计上的原理。

　　为方便理解及描述，根据从实物照片中观察到的结构信息，绘制出KT88主体部件（对应3楼）的截面图，并自定义了一些名称。如下图：

　　0度视角：云母片看起来不圆，是因为此处玻璃外壳变小，拍摄时光线折射导致变形。可见阴极的扁平面，对向的AB阳极杆方向。

　　云母片上2道狭长开孔（蓝色箭头），猜测作用可能为：组装时方便工具伸入去微调；热伸缩缝；气体分子通道。（未查到资料，仅作猜测）

　　270度视。所有固定杆都是穿过一个套管，套管固定在云母片上，为防止松动滑动，对套管进行了压焊。4号固定杆处可见压焊痕迹。

　　通电后，阴极被加热呈发红状态。尽管这段阴极很短，但也可发射热电子，后面讲到的管壳上的蓝光，就是这部分阴极惹的祸。

　　3楼主体结构中，控制栅很靠近阴极，易被加热，造成热电子发射。为帮控制栅散热，顶部及底部（4楼、2楼）的控制栅杆上，各焊接了2个散热片。同时，这个散热片也可以挡住阴极打向帘栅杆的电子，减少漏电流。

　　3楼是电子管的主体，高度约为4厘米，提供了足够的空间来容纳阴极、2组栅极、束射屏极、阳极等电子管的主体部件，同时提供了电子束流的发射、控制、成形、抵达等工作空间。

　　外围包了一圈阳极，内部结构看不太清。我们只能通过几个圆孔、阳极板与上下云母片的缝隙、以及4楼2楼露出的部分，来洞悉其内部结构。

　　阳极板和散热片。散热片焊接在阳极板上，阳极板对合后焊接在阳极杆上。照片看不太清楚，绘制了一个示意图如下。

　　两片阳极板叠合后，端部进行了折边，折边宽度约4毫米，角度约160度，可以通过底部的红色A框看清折边的细节。由于折边的缘故，阳极板的内表面外翻，可见内表面与外表面光泽不一样，内表面没有涂层，显得光亮，而外表面涂覆散热涂层，质感明显要粗糙。

　　粉色色块标记的是散热片，该散热片的折边角度，可以通过底部的红色B框判断。散热片上有6个点焊点。

　　阳极板在CD轴线个圆孔，两边对称。如果在一侧打光，另一侧就可以通过圆孔观察到内部结构。理论上，视线会被集束屏遮挡（参见图19），但实际上，集束屏在此处开了竖直的、上下贯通的矩形孔，因此可看到内部的栅极、栅丝。

　　总体上，经过上述分析，3楼内部结构大致理清。主要还是集束屏的结构，无法直接观察到，靠有限信息推算，可能不是很正确。

　　到此，出现了一个问题：这些圆孔的作用是什么？里面集束屏开的矩形孔有什么用？看过其他电子管，也有这些孔。如果说让人们看看里面的阴极栅极，这理由说不通。猜测原因：内部集束屏散热？有网友知道的请留言告知。

　　实际上，还有很一些杂散电子，通过内外两层孔一直打到了玻璃壳上，形成了蓝光。下图是同一张照片，右边照片对蓝光作了强化。仔细观察，可见蓝光是萦绕在玻壳上的，并有一定的形状。正对玻壳的蓝光，形如“花生壳”或“糖葫芦”。

　　上图中，从阳极圆孔往里可以望见阴极，那么，阴极的一些电子也会朝外发射出来。考虑沿途有两重栅杆阻挡，因此不可能形成较大的电子束流

　　阳极圆孔附近的区域，若对阴极来说是直线暴露可见的，那么这些区域会对阴极上的热电子产生电场吸引力。

　　这些电子到达圆孔边缘时，如果靠近阳极板的，则直接打上阳极板，形成阳极电流。还有一部分离圆孔边缘稍远的，则依靠动能惯性，从边缘处飞出打到了玻璃外壳上，激发玻璃产生蓝光。

　　圆孔本身无电场，不会吸引电子。只有掠过圆孔边缘处的电子，才会飞出来。因此，玻壳上蓝光的形状，都与阳极孔洞、缝隙的边缘有关。

　　玻壳发光机理是：电子轰击玻璃，打入材料分子或原子，原子内部电子被激发到较高能级，稍后这些电子跃迁回原能级时，能量转为光子释放出来。发蓝光与玻璃原子内部电子的固有能级有关。

　　花生壳蓝光带中间还有一条竖条状的蓝光带，这里，加速电子的电极是帘栅杆。从图22中可见，黑色的帘栅杆，并未完全遮住阴极，帘栅杆加有250V的加速电压，因此一些电子会受到加速，掠过帘栅杆的边缘，再从圆孔中飞出轰击玻壳形成蓝光。因栅杆是竖条状，蓝光带也是竖条状的。

　　蓝光多见于功率电子管，这些缝隙结构不同，蓝光形状也各不相同。这种蓝光与管子本身的橙光一起，让电子管显得如梦如幻，煞是好看。但蓝光对管子是不利的：一是形成无效电流，造成功耗增加；二是导致玻壳局部区域温度上升。有的电子管采取在玻壳上喷涂碳的方法，来均衡吸收电子能量。

　　上图，主要观察阴极与热子的结构。因为阴极是扁平。