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本帖最后由 第尾才子 于 2016-8-15 11:21 编辑
音响封神榜二十九：电子管整流的前世今生
大神们爰叫人用电子管整流, 实际上是在神化有关之整流技术。本交讨论一下有关整流技术的前世今生:
机电（Electromechanical）方式
早期电力转换系统是纯电机的设计，因当时的电子设备尚不足以用来处理大电力。这种机械整流系统通常依赖某种形式的旋转或振动共振以便有足够快的速度配合输入电源的频率，其操作频率最高只能到几千赫兹。由于机械系统的复杂性，传统上需要高程度的维护，以确保正常运行。因应运动部件的摩擦，需要加以润滑并在磨损时予以置换。运转中，转为开路中的机械接点会发生电弧和火花，因而发热并腐蚀该接点。
- 同步整流器: 在电力机车中，可能会使用同步整流器将交流电流转换成直流电流。机电式同步整流包括一个同步马达以驱动一组重型电气接点。马达的旋转与交流频率同步，并定时在正弦电流经过零的时候，改变连接方向，产生整流作用。该接点在切换瞬间并没有大电流，但持续接触时需要能够承载机车头的直流牵引马达所需的大电流。
- 振动器: 在过去，将电池的电力转为高压直流电源的设备会使用振动器（Vibrator）。振动器内通常包含两组接点，一组产生交流提供升压，另一组则在升压后进行机械式同步整流，把产生的交流高压转为直流。
- 马达与发电机组合: 马达与发电机组合或似的旋转转换器，实际上不会纠正电流方向，意义上不算真正的整流器，但它可以从交流电源生成直流电源。这个组合中其实是交流马达与直流发电机两者的转轴直接以机械方式耦合。交流马达带动直流发电机，电枢（armature）的线圈绕组感应出多相交流，经整流子（commutator，这里的整流子是指用于马达与发电机内的一个机电构造）换向后转换成直流电流输出。如使用同极发电机（homopolar generator），此发电机内就无需整流子。在高功率半导体广泛应用之前，马达与发电机组合使用在供应直流予铁路牵引马达、工业电动机和其他高功率直流用途，例如室外剧院放映机的碳精电弧灯。
电解式
电解整流[3]是1900年代的早期设备，现早已不再使用。当两个不同的金属悬于电解质溶液中时，可以发现某一方向的电流流动比另一方向阻力较小。最常用的是铝阳极和铅或钢铁阴极，悬于正磷酸三铵（triammonium orthophosphate）的溶液中。整流作用的形成是由于铝电极第一次通过大电流时会在表面形成对氢氧化铝的薄层。此种整流过程对温度敏感，若要有最佳效率，不可在86 °F（30 °C）以上运作。此外，它的击穿电压是指会造成电极上的薄层被穿透而发生短路的电压。电化学整流往往比机械的整流方法更脆弱，对相关变异因数很敏感，并可能产生剧幅特性改变或完全破坏。在同一时代，相似的电解设备，例如在正磷酸三铵溶液槽内挂起许多铝锥，用来作为避雷器（lightning arrestor）使用。与当作整流器时的不同点是只有铝电极，并用于交流，没有极化与整流操作，只是化学成分类似。电解电容器是现代大多数整流滤波电路的必要组成部分之一，它正是从电解整流器发展出来的。
等离子（Plasma，又称等离子）形式
1） 水银电弧: 约在1909年到1975年间，高压直流的电源传输系统与工业加工中使用的整流器是水银整流器，或称汞弧管。该设备被包于蒜头型玻璃容器或大金属桶。一个阴极淹没在水银池的底部，多个高纯度石墨电极作为阳极在悬于水银池上。可能还有几个辅助电极以作启动和维持电弧之用。当电弧在阴极池和悬浮的阳极间发生时，电子束将可藉电离化的水银，由阴极流向阳极，但无法反向。[原则上，这是一个高功率型的火焰整流器，与火焰中自然存在的等离子具有的单向电流传输特性相同]。这些设备可用于数百千瓦等级的功率、可处理一至六相的交流。从1970年代中期起，汞弧整流器被硅半导体整流器和大功率晶闸管电路所取代。史上最强大的汞弧整流器安装在加拿大马尼托巴水电局纳尔逊河双高压直流输电系统专案中，额订容量总和超过一百万千瓦，450,000伏特。
2） 氩气真空管: 通用电气公司所推出称为Tungar的整流器，是一个充氩气的电子管（即真空管），内以钨质灯丝作阴极，碳质钮扣型的阳极。从 20年代起，它用于电池充电器和类似的用途，直到金属整流器与低成本的固态半导体整流器取代它为止。Tungar氩气真空管整流器的额定规格一般是电压数百伏特以内、电流几安培以内，某些型式的外观与大小很像一般白炽灯，只是多一个额外电极。
1940~50年代常用于车用真空管收音机中，型号为0Z4的真空管也是一种氩气真空管整流器。如本条目之前所提到的一般真空管全波整流器，0Z4具有二个阳极与一个阴极，但它最特别的一点是没有灯丝（型号中的0代表此意）。由于电极的形状设计，使逆向崩溃电压远大于顺向崩溃电压。当超过崩溃电压时，会转成低阻抗状态，顺向导通时0Z4的压降约为24伏特。
汞整流管( 引燃管 英语：Ignitron）是一种单阳极的汞弧型整流管，主要应用于控制器和大功率整流器。美国西屋电气工程师约瑟夫•斯莱皮恩（Joseph Slepian）在1933年将弧光放电现象应用到开关技术，成功发明了引燃管。引燃管分为阴极、引燃极和阳极三个部分，阴极和阳极分别为汞池和石墨或不锈钢，引燃极是引燃管最重要的部分，以耐高温的、具有高电阻率且不被汞浸润的材料制成，通常为碳化硅或碳化硼等半导体材料。当引燃电流时，汞池表面产生阴极炽点而发射电子，电子在向阳极运动过程中使汞蒸气电离，在阳极与汞池间形成弧光，放电。
这个东西多用于805 B 类推挽的300W扩音机进行1250V的整流，必须严格先预热阴极然后再加高压，特别是环境温度低时更要延长预热时间，否则很容易损坏。普通电子管整流管压降是随电流的增大而增大的,汞气整流管的管压降在额定电流范围内始终维持在15V,就象硅晶体管导通以后管压降是0.6V一样,汞气整流管不能用电容输入是滤波,因为电容的大电流充电会造成管内跳火损坏.新管子或拔下横放和倒置过的管子要预热３０分钟，待管内凝结的水银充分汽化后才能加高压，以后冬天要预热１５分钟，夏天要预热５分钟，才能加高压，使用起来很不方便。就是正常工作，他的寿命也比真空管短多了，一旦水银凝聚在管壁上就不能使用。而且废品自己也无法处理，更不能打破使里面的水银溢出出造成不可收拾的污染。所以家里是不可用这个而改用硅整流。
电子管整流器
自爱迪生效应或称热离子发射发现之后，有多种真空管被开发出来，用以对交流进行整流。其中低功率型用作检波，例如最早的真空管二极管是由弗莱明（John Ambrose Fleming）于1904年发明的弗莱明阀（Fleming valve），它在无线电报接收器中，把收到的讯号整流，以推动检流计并侦测讯号。许多真空管的设备也在他们的电源中使用真空管作整流，例如All American Five收音机。一些特殊的真空整流器也设计予高电压用途，例如供应电视机接收器阴极射线管的高压电源，以及X射线设备高压电源电源中所用的kenotron真空管。然而，因考虑寿命因素，灯丝温度不宜过高，致使最大电流密度受限，因此真空整流器的电流容量通常不大。真空管整流器的另一限制是加热器的电源经常需要特别安排，以便能与所整流的高电压电路有足够的绝缘。
固态整流器
- 晶体检波器: 使用金属细线压在方铅矿晶体上所构成猫须整流器，它是最早的固态二极管。
- 硒及氧化铜整流器: 在小巧便宜的硅质半导体构成的固态二极管整流器广泛流行之前，常见的是就是硒（Se, Selenium）及氧化铜整流器。这种整流器以不同金属板的交错堆叠，并利用硒与铜氧化物间的半导体属性[7]。若与真空管整流器相比，虽然硒整流器重量轻、消耗电力少，但却有寿命有限、电阻值随着老化而增加、只是适用于低频率等缺点。不过，比起硅整流器，硒及氧化铜整流器对瞬间的电压暂态有更好的耐受性。这些整流器的典型构造是由金属板与垫圈堆叠而成，并由中央的螺栓固定。堆叠的组数由耐压决定；每组单元的额定耐压约为20伏特。汽车电池充电机的整流器可能只需要一组单元：真空管用的高压电源可能需要很多组单元堆叠而成。以空气冷却方式的硒堆叠中的电流密度，约是600 mA/每平方英寸的有效作用区域。（约相当于90 mA/每平方厘米）。
- 硅或锗二极管: 现代所使用的主要是硅二极管。半导体发展早期主要使用锗二极管，但现已极少使用。
- 肖特基二极管
电子管整流器的发展
整流技术在电子管时代一直是难以解决的问题，因此早期的电子管也只可以是一些电池管, 如01A之类, 但由于12F之类半波整流管的出现, 交流收音机才变为可能，自此，收音机的才有平民化的空间。
80 整流管
1927年，在交流收音机广泛应用的大背景下，全波整流管80应运而生。此电子管堪称生产历史最长的电子管之一。不仅数量多、产量大，生产厂家也多。用途广泛就不用多说了，收音机、扩音机、发射机、电子仪器都可以见到它的影子。我国也有大量生产，我国的南京电子管厂就有80生产，后来改名为5Z1P。80的性能完全等同于5Y3GT、5Z2P。
在早期业余无线电试验中，几乎百分之百都是用80整流，80电子管故此也非常深入人心。大家可以看到，早期的280外形非常漂亮，给人一种古朴典雅之美感。从审美角度来看，个人认为图片中的UX280最为好看，因为它的屏极是有字的，虽然早期电子管屏极压字并不少见，可是雷声公司的管子大多是灰色的碳化镍屏极，压的字非常清晰。
从30年代开始，电子管都是改革为ST外形，机械性能比以前好得多，同时，更加适应自动成产设备的生产，故此价格也越来越平民化。80的生产也更加普及开来，以适应更加增长的需求。大概在70年代，80停止生产。40多年的生产历史在电子器件的生产历史中算是非常悠远的。
日本的电子管开发中，改进美国管成为一个传统。日本独自开发的电子管80K，80S,80BK,80HK是对80的改进。80S是大电流的80管，可以提供接近5Z3P的电流。80K是80的全波旁热管，类似于5Z4P。80BK和80HK都是半波整流管。
即便是现在，80, 5Y3, 5U4, 5Z4等也不难买到。大概30元多的样子可以买到一个全新南京或者NEC的产品。不过1N4007的价格实在是太具有竞争力，1A的电流和80那125MA比较，就说明了问题。当然，如果您愿意，这有什么不可以呢？不过一般情况下，还是提倡使用晶体管，尤其是夏天，节约能源是多么重要。
再多说一点，有些朋友装配电子设备，希望用直热管来整流，便四处寻找80。其实，看看一些欧洲的80管，比如英国BRIMAR的产品，可以看到除了管脚和5Z2P不同之外，其他完全相同。所以，如果找不到80而要用直热整流，5Z2P代用没有任何问题，心理上不要有负担。
只是, 此类管子的热噪音太大, 不太适合用于前置放大器中。
电子管：6X5 (国产6Z4)
说起6X5电子管，在为数不多的整流管之中，应该算是常见的一种整流管。在1933年，为了适应日益普及的汽车收音机需要，RCA公司开发了84旁热整流管，成为现代广泛应用的小功率旁热全波整流管的前身。在1936年，RCA公司开发了6X5金属管，1937年有6X5G玻璃管，1938年又有6X5GT金属玻璃管问世。在当时有一个有趣的现像，普通收音机的整流管多数仍然采用80、5Y3等等，却很少有采用6X5，而6X5用于汽车收音机中整流的用途特别多。汽车收音机的震动换流器可以输出200V*2、50MA的高频交流电，用旁热整流管还可以和放大电子管共同使用同一个蓄电池电源。故此，小功率旁热整流管在汽车领域应用很广泛。
6X5G/GT整流管有三种典型的管芯结构。在不同的厂家和不同的年代被分别使用，从电子管结构设计学的角度考虑三种结构性能有所差异，不过一般使用上却不必考虑这些差别。
其一是上下两个同向的二极管垂直分配，这是早期的84电子管所采用的构造，这个结构的特点是中间需要一层云母片、并且电极的机械构造并不牢固、有效空间内电极不能将尺寸设计的较大。采用这一构造的电子管有WESTINGHOUSE的6X5G、Sylvania的6X5G/GT、CBS-Hytron的6X5G/GT等等电子管。
其二构造是两个半圆筒屏极平分一个阴极，这样结构的好处是可以节省中间的云母片、电极机械构造也较牢固。不过因为是水平平分阴极，所以屏极只能达到半个管芯宽度。Raytheon、Bendix、RCA的6X5G/GT电子管多数用这种结构。
其三结构类似于我们常见的6Z4，我国的6Z5P和苏联的同等产品多数采用此种结构，这也是最先进的全波旁热整流管构造。欧美的EZ80、6X4等等整流管也都是这个结构。
在6X5以后，小功率旁热整流管越来越流行，50年代以后，欧洲生产的收音机中大部分都采用旁热管整流。我国在60年代以后的收音机中基本上全部采用6Z4整流。曾经制作的唱头/话筒线路放大器中，采用的就是6Z4整流管，使用了两个20UF的电解和一个10H的密封电感滤波（负载电流15MA），没有任何交流声或者直热管常见的噪音。
电子管之常见阻尼管
介绍完几种常见的整流管以后，我先说一下阻尼管。主要是考虑到阻尼管仍然属于高真空二极管的范畴，并且我们常常能够接触到这种管子。而且在某种程度而言还是有一定作用。
阻尼管和常见的整流管既有联系又有区别。首先，阻尼管工作在脉冲电路之中，在瞬间会有高电压和大电流流经电子管，同时阻尼管的内阻也要很小。
在电视机发展的早期，并没有专用的阻尼管，也没有专用的行输出管。最常用的行输出管是807，最常用的阻尼管是5V4。5V4是大电流的全波整流管，在作为行输出管使用的时候是两个屏极并联运用，和其他整流管比较，5V4是最合适的型号。5Y3、80、5W4等等电子管的耐压不够高，作为阻尼管有打火的可能。5Z3、5R4电子管虽然耐压比较高，但是因为内阻比较大，故此并不合用。5V4作为阻尼管要比其他整流管合适。
随着电视机技术的进步，为了让电视机获得更加优异的性能，许许多多新型的电视机用电子管被开发出来，807不再是电视机中用得最多的行输出电子管，5V4也不再作为阻尼管来使用。美国在二战以后开发了6U4GT和6W4GT是率先作为阻尼管用于电视机之中，随后又有6AX4等电子管问世，作为早期电视机中用的很多的阻尼管。同时荷兰 飞利浦公司开发的是EY81、PY81、EY88等型阻尼管也得到非常广泛的应用。我国的产品有6Z18和6Z19，也是属于类似的管子。
观察这些管子，有几个非常显着的特征。
首先，这些管子都是旁热管，因为电视机之中常常是串联运用灯丝、并且阻尼管需要有非常高的发射效率，这些原因导致阻尼管都是旁热管。并且阻尼管的灯丝都是属于特殊品种，对于阴极的耐压要比其它旁热管高很多。
其次，阻尼管的阴极很大，灯丝电流也大，并且屏极也很大、屏极都采用敷铝铁屏极。这样阻尼管可以容许更大脉冲电流，而不会产生过热。
此外，有些阻尼管为了可以允许更高的脉冲电压，采用栅帽引出阴极。这是为了防止管座上面容易产生的打火现像。
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发表于 2016-8-15 11:08:25
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