真空管特性规格

真空管特性规格名词解释：

    设计一台扩大机时，我们必须要先了解有关真空管的各种特性规格，因为真空管特性规格可以让我们知道所有的有关该真空管的参数与资料，然后根据这些数据来设计电路，真空管特性规格中除了详列该真空管的规格数据之外，并还有动作的实例数据，我们可以选择其中一项动作实例，完全照着做就行了。

    如果您不想依照真空管手册上的实例来设计，那就要仔细研究手册上的各项有关参数来设计一台扩大机。

    不论如何，想要对真空管有较深入的了解，必须对真空管的特性规格有所了解，以下即以WE300B的特性规格来说明：

    灯丝电压与电流

    提供真空管灯丝点灯的电压，可用直流或交流，每一支真空管的灯丝电流是都不相同，我们在实际使用时，要尽量接近这个值，太高、太低都会有负作用的，一般而言，稍稍低于厂方规格的灯丝电压是被允许的，但不要超过厂方，否则会减短真空管的寿命。

    例如300B的的灯丝电压是5V(直流或交流)，电流是1.2A，我们在实际使用时，要尽量接近这个值，太高、太低都会有负作用的。

    屏极电压

    真空管屏极电压，在实际使用时，不得超过这个屏压值。

     例如300B的屏极电压不得超过450V，屏极损耗是40W，一般的惯例，在实际使用时，不要超过值的70~80%，也就是说，300B的屏压不要超过350V，屏极损耗不要超过30W。

     屏极损耗

     电子撞击屏极时，会使屏极发热，这热表示一种功率损失，每一种不同的真空管各有各自不同的屏极损耗，我们使用真空管时，除了电压与电流之外，也要注意不要超过该管的损耗值，实际使用时，屏耗不要超过屏耗的70%~80%，否则真空管很快就会损坏的。

    如何计算屏极损耗呢？

    很简单，即真空管供给屏极的电压与屏极电流的乘积：P=EI

    其中：

    P=屏极损耗

    E=屏极电压

    I=屏极电流

    例如300B屏极损耗40W，假设我们设计300B的屏极电压是350V，电流是80mA，则相乘积是28W，约为300B屏极损耗40W的70%左右，所以是很安全的。

    屏极电流

    另一个项目是屏极电流，如果流经真空管的电流，一旦超过值，真空管就可能在两种情形之下损坏，一是屏极因过多的电子撞击而超热，二是阴极因过量发射而受损。玩真空管的人都有见到真空管的屏极发红的经验，那就是超过屏耗而使得屏极发红的现象。

    在300B的数据中，300B屏极电流有两种不同的规定，亦即使用固定偏压时，屏极电流为70mA，使用自给偏压时，为100mA。因此我们在设计工作点时，不能超过这个数值。

    外型与管座

    接下来我们就要看看300B的外型、内部构造、尺寸，与管座了，300B的外型只要看照片就行了，这种玻璃管中间突出，形状有点像梨形的管子叫做“ST”管(一般直筒管状的玻璃管如EL-34或6550等叫做“GT”管)，300B可说是较大型的ST管。至于各厂牌的300B的内部构造却都不太一样，这将会在各300B的比较试听时会再详细介绍的。

     原厂资料中的FIG 1是WE300B的外部尺寸图，FIG 2是300B的管底接脚尺寸图，由FIG 1中我们可以看到管子的基座部份有一个突出的针状金属栓，这是用于直立式管座时的卡栓，只要将真空管的卡栓对准这种卡栓式的管座插入，然后再向右旋转就可以把真空管卡得牢牢的，像211与845真空管都是使用这种管座插入真空管的，只不过300B的管座比较小一点而已。但是一般300B大多都使用一般四脚的管座。

    我们可以见到300B常用的四脚管座，有两个较大的插孔与两个较小的插孔，其中两个较大的插孔“1”与“4”是灯丝，两个较小的插孔“2”与“3”分别是栅极与屏极。又使用这种管座的真空管叫做“UX-Type”，有很多真空管都用这种UX-Type的管座，像是2A3、26、45、50、71等直热式三极管，或80、83等直热式的整流管都是使用这种UX-Type的管座的。

                                                                          

     极间电容

     在表一中还有一个很重要的参数，就是「极间电容」，也就是真空管极与极之间的电容。

     真空管的各极都是导体，其间也经常有电位差，因此它们有电容的作用，三极管中有「栅─屏」、「栅─阴(丝)」与「屏─阴」三种极间电容，例如WE300B的三个极间电容量，栅与屏之间是15pF，栅与灯丝之间是9pF，屏与灯丝之间是4.3pF，虽然这些极间电容都很小，但是这些小电容却会影响到高频回应，极间电容愈大，高频回应就愈差。这些参数只要代PSPICE就可以了大致让我们估算一下频率响应。

     原厂推荐操作实例

     所有真空管手册都有原厂提供的推荐操作实例表，不同的工作点，不同的负载，会得到不同的输出功率以及不同的失真率。如果您不想自己依照真空管的特性曲线设计时，可径参考原厂推荐操作实例照着装就行了。

    真空管的三参数

    Gm-μ-rp (真空管的动态特性)

    我们知道使用扩大机的目的是放大声音的讯号，而真空管在实际工作时，输入的音乐讯号并不是一个　定的值，而是随着讯号而变化的电压，所以我们必需要知道真空管对这细微的变化所引起的反应，这就是真空管的动态特性(Dynamic Characteristic)，决定真空管动态特性的参数有三，即「跨导」、「放大因素」与「屏极电阻」。

    例如300B的灯丝电压Ef=5.0V，屏极电压Eb=300V，负压Ec=-61V时，此时的屏极电流为60mA，放大因素为3.85，屏极电阻为700W，栅到屏的跨导为5500姆欧。其中放大因素、屏极电阻与跨导是真空管的最重要的三个参数，因此我们必需要先了解这三个参数的意义与相互的关系。

    跨导(Gm)

    Gm=DIp/DEsig

    跨导(Gm)等于屏极电流变化量除以栅极电压变化量(屏极电压固定)。

    其中：

    DIp=屏极电流变化

    DEsig=栅极讯号电压变化

    即真空管在栅极引起的电压变化，相对于屏极电流所产生的变化，这栅极的电压变化量，与屏极电流变化量之比，谓之「跨导」(Transconductance)，又称为「互导」(Mutual Conductance)，符号为"Gm"，跨导的单位是姆欧"mhos"。

    要注意这"mhos"与电阻的"ohms"不一样，我们知道电导是电阻的倒数，等于电流除以电压，单位也是姆欧。

   但在实用上，由于mhos做单位太大，因此通常都用百万分之一姆欧，也就是μmhos。

   放大因素(μ)

   μ=DEp/DEsig

   放大因素(μ)等于屏极电压变化除以栅极电压变化(屏极电流固定)。

   其中：

   DEp=屏极电压变化

    我们知道一个小变化的讯号电压由真空管的栅极输入，由屏极输出就成为大变化的讯号电压，而这小变化的栅极输入电压导至大变化的屏极输出电压之比，就叫做放大因素，以希腊字"μ"来表示，或又称为"mu"。

    三极管的放大因素决定于真空管的机械结构，栅极离阴极愈近时，对射向屏极的电流的影响愈大，因此放大因素μ也愈大；反之，如果栅极的网孔较疏，栅极上电位的影响小，放大因素就愈小。

    例如300B是专为功率放大而设计的管子，功率管的屏极工作电压较高，空间电流大，阴极(或丝极)与屏极都做的比电压放大管粗大，而栅极的网孔也需要大，才能通过大电流，因此放大因素就不会高。

    屏极电阻(rp)

(此处所谓的屏极电阻系指真空管的内部电阻，而不是指屏极负荷电阻)

    rp=DEp/DIp

    屏极电阻(rp)等于屏极电压变化除以屏极电流变化(栅极电压固定)。

    真空管的电流，由阴极(直热三极管的灯丝即阴极)发射，经由空间电荷、栅极，到屏极的途中，能量会有损失，转换成热，换句话说，真空管内部由阴极到屏极的通路中对电流的阻力叫做屏极电阻，rp的单位与电阻一样，为奥姆"W"或"ohms"。

    三个参数之关系

    以上的三极管三个参数是非常重要的，其间的关系为：

    μ=rp∩ Gm

    这三个参数并不是一成不变的，我们可以由原厂数据中的FIG 4、FIG 5、FIG 6图中看出其间的相互关系。

　

    WE300B的典故

    我们装300B的扩大机，就必需要先来彻底了解300B的元祖─WE300B的典故。

   是谁发明了300B呢﹖

   是美国的西电公司(Western-Electric简称WE)，要知在次世界大战之前，有许许多多专门制造真空管的厂家，其中有大部份的厂家我们还没听说过的，这将会在以后的文章里会逐步提到的，而西电公司，就是其中一家，而且也是世界上最早制造真空管的厂家之一。

    美国西电公司在很早之前就生产了许多不同类型的真空管，而300B还是较后期的产品呢，其实大多数的真空管都是为了军事或通讯的用途而设计的，很少是专门为了音响用途而设计，西电公司自然也不例外。

    但是300B却是专门为了音响用途而设计，为什么呢？因为在世界大战之后，军事需求的真空管大幅降低，许多真空管制造厂甚至于把厂都收掉了，但是WE却在此时为了「音响用途」而开发真空管。

    为什么呢？因为WE公司早有计划专门为了电影音响用扩大机而开发真空管，于1930年开发出300A的真空管，但是当时并没有马上使用，一直到1934年才把300A使用于他们的扩大机「WE -1068」有声电影放音系统中，系统中的扩大机编号「WE-86」，虽然这台WE-86扩大机的输出功率只有8W，但却是采用推挽放大方式的设计，主要的原因是300A的输出功率太小，必需要用推挽电路才能输出8W的功率。但是到了后来，西电又推出一款「WE-91」的扩大机，就已经改用单管的设计，这台WE-91的扩大机虽然只用了一支300A做单端的输出，但却把屏极电压提高，使得输出能与「WE-86」双管推挽式的8W相同。

     为什么西电公司会提高电压来设计他们的WE-91，而以前的WE-86却不用较高的电压呢﹖

     原因就是刚才提到的，因为西电公司原来是专门设计军事用途的真空管制造公司，所生产的真空管必须要能耐长时间使用而性能不变，稳定性的要求特高。为了达到这个目的，除了制造时要求特别严格之外，使用的屏极电压也比额定电压值要低很多，这样才能经久耐用，直到300A使用好几年之后，他们发现这300A的真空管果然经久耐用，许多年之后的性能都能保持不变，1936年将300A的屏耗由30W加大到40W，这样才在他们的「WE- 91」扩大机中，把300A的屏极电压升高，使其输出功率增大，发现仍然还是很耐用，可见当时的规格是非常保守的。

    到了1937年变更40W屏耗的300A改名为300B，300A最早期设计的原型管，屏极电压值为300V，后经过长期的使用之后发现稳定性没有问题，第次变更为400V，而第三次再加高到450V。

    除了电影用途之外，300B也曾被NASA大量做为军用机的电源稳压之用。

    要知WE公司所开发的300B是WE专为有声电影放音系统而设计的，在当时，WE是美国的电影器材制造商，他们的扩大机只租给电影院，因此市面上也是买不到300B的扩大机，更不要说是300B真空管了，也因此可想现在的人多么的幸福，最早是日本人寻找报废的300B来装扩大机，当然这些报废的300B中不乏一些库存新品，因此300B是可遇不可求的，也因此除了日本的少部份音响玩家之外，世界上很少有人用300B来装扩大机，更不要说是音响厂家用300B来生产他们的扩大机了。

    直到1989年大陆开始生产300B，这是英国PM公司的Peter跑到大陆向大陆订做的，后来大陆也自己生产300B的真空管贩卖，自此之后，世界各真空管厂家纷纷采用300B来设计扩大机，到现在为止，生产300B的厂牌至少超过十家以上。

　
     超级电压放大管5842/WE417A

     几十年的音响生涯，我自己装过不计其数的扩大机，而听过与看过的扩大机，不论是进口的或是原装的(国产品才能称为「原装」不是吗﹖)更是不计其数，可能比世上任何一位扩大机设计者都还要多，当然经验比他们都丰富多了。

     从经验中，我觉得一台扩大机不管电路设计有多好，或是使用的真空管特性有多好，但最重要的却是真空管的厂牌，虽然在理论上，同样编号的真空管特性都一样，但是实际上的声音却是不一样，而且差别却是极大的。所以我除了要挑选真空管之外，还要挑选真空管的厂牌，这是我设计扩大机与其它设计者不同之处。

     当然，要设计一台无负回授的扩大机，还是先要挑选频率响应够宽的真空管，因为无负回授扩大机的频率响应不是靠负回授来获得的，而是要挑选本身频率响应就够宽的真空管。

     因此我设计这台扩大机的驱动级与输入级，要件就是要挑选屏内阻低的真空管，因为屏内阻愈低，频率响应就愈宽。

    要挑那一型真空管呢﹖

    且让我们先来分析一下音响界最常用的电压放大管，以及它们的屏内阻：

    真空管最常用的电压放大三极管是ECC83/12AX7，这支管子的屏内阻高达62,500Ω(裸特性的频率响应非常窄)，如果不用大量负回授的话，简直无法用于无负回授式的扩大机上。

    与ECC83/12AX7类似的中型电压放大管是6SL7，屏内阻44,000Ω，裸特性的频宽也不高。

    ECC81/12AT7的屏内阻比较低，约10,000Ω左右，裸特性的频宽尚可。

    ECC82/12AU7也常拿来当做驱动管用，屏内阻较低，为6,700Ω，裸特性的频宽还不错。

    与ECC82/12AU7类似的真空管有6FQ7、6CG7、12BH7等，前两者屏内阻为7,700Ω，后者的屏内阻较低一点，约5,300Ω。另一支与ECC82/12AU7相当的中型电压放大管是6SN7，屏内阻是7,700Ω，裸特性的频宽都还不错。

    还有更低的吗﹖有，最近期较为流行的ECC88/6DJ8，屏内阻就低多了，约2,640Ω左右(这也是为什么近期真空管扩大机将ECC83/12AX7都改用ECC88/6DJ8的原因)。

    还有一支真空管就是日本最近在业余界常用的6463，屏内阻3,850Ω。

    另外一支真空管不可不提，就是5687这支双三极管，最近也有一些厂牌的扩大机使用，屏内阻只有2,000Ω左右。

    还有更低的吗﹖有，我就翻遍RCA与GE的真空管手册，把所有可用的电压放大管的规格都看了一遍，并列表记录下来，结果找到一支的真空管内阻更低，只有1,800Ω，就是5842。

    另外二支真空管的屏内阻也非常低，一支是E188CC/7119/7004的 1,750Ω与E288CC/8223的1,400Ω。

    把所有真空管都查遍后，就要来决定我要用那一型真空管了，屏内阻的是E288CC/8223，与E188CC/7119/7004。

    看了上面各真空管的特性之后，我选中了5842的真空管，原因有二：一是5842是单三极管，而其它的都是双三极管，要知两支三极管装在同一个玻璃管内的双三极管，一定会有相互干扰作用的，今天既然找到单三极管，就当然用单三极管了。二是5842还有WE的管子，就是WE417A，WE真空管的声音当然好听。

    那用5842/WE417A来做驱动管好呢﹖还是做输入电压放大管好﹖

    看了看5842/WE417A的特性，我决定驱动级与输入级都用5842/WE417A，而且我还决定只用放大，也就是驱动级与输入级都在内。

    5842的特性规格

    5842的特性规格与WE417A很类似，其中数据最齐全的是Raytheon的5842WA，因此我们即以Raytheon的5842WA说明之。

    5842是一支较小型的"MT"管，所谓的MT管就是"Miniature Tube"的意思，像ECC81、ECC82、ECC83、12BH7、6FQ7.....等都属之，但5842的管子更小，不是体形的小，而是这支5842/WE417A的管子特别短，短就代表了里面的材料小，振动当然也就小，站在「音响卫生学」的立场而言，是很「卫生」的，5842/WE417A玻璃管的高度只有3.8公分左右，真是小巧可爱。

    其接脚图如图一，由图种我们可以见到5842是一支9脚的管子，灯丝是3, 9脚，阴极6脚，栅极4,5,7,8都相连，屏极是1脚。

    这支真空管的栅极非常接近阴极，因此Gm值高达25,000 mhos，是三极管中者，而μ值更高达45，屏内阻也只有1.8KΩ。屏内阻低，Gm值高，就表示这支真空管的输出阻抗极低，因此频率响应特别宽。

    由表一中我们知道5842的缢丝电压是6.35V，电流是0.3A，屏极电压不得超过200V，屏极损耗高达4.5W。

    再看5842的极间电容，屏极到阴极与灯丝的电容是0.55pf，阴极到栅极与灯丝是9.0pf，屏极到栅极与灯丝是1.75pf。

     我们可以不管这支管子的极间电容问题，因为它是摆在级放大，前面的讯号源不是前级扩大机就是CD唱盘，要不就是电子分音器，这些讯源的输出阻抗都非常低，根本就起不了作用，更何况Cascode电路的极间电容只有一般放大的一半左右，就更不要管它什么极间电容了。

    表中的典型的操作实例为屏压150V，阴极电阻60Ω，屏流23mA，此时的屏阻是1,800Ω，Gm值25,000 mhos ，μ值是45。

    我们可以计算一下此时的屏耗：

    P=EI

    150×0.023=3.45W

     图二是5842特性曲线图，我们可以见到栅压由0V开始，一直到+6V的曲线间隔都很平均，因此我们取由-0.5V￣-3V的偏压都可以，如果要偷懒，例如我们直接用表中典型的原厂操作实例，即屏压150V，阴极电阻60Ω，屏流23mA来工作，此时的偏压为：

    Ec=R ×I=60×0.023=1.38V

   也就是偏压为-1.38V。

　

　

    5U4系列整流管的比较

    整流管我也准备了不少，虽然不同的整流管整流出来的电压都不相同，但也不会相差太大，像是5AR4、CV378之类的傍热式整流管，整出的电压会比较高些，像5U4、5R4、5Z3等直热式的整流管，电压会比较低些，不同厂牌与不同新旧的管子也会有差别，各种整流管整出来的电压约在420V￣450V之间。

    但据我所知，比较特殊的整流管如83等汞蒸气管，整出来的电压会特别高；另一类整流管如81、281、381之类的古典整流管，整出来的电压会特别低，而且这两类整流管的灯丝、管座也都不相同，更换比较麻烦，因此我们这次不比较这两类的整流管，而只比较可以直接插换的整流管，虽然如此，也花了不少的时间，因为每换一支整流管就要花些时间等到电压升到稳定，这些整流管的声音差别如下：

    美国RCA 5U4G：

    声音雄壮、开阔、透明、有劲，频率响应够宽。

    英国Mullard 5AR4/CV1377：

    声音清楚，细节较多，频率响应够宽，但是声音较薄，韵味较少。

    英国Mullard CV378：

    声音清楚、有韵，频率响应够宽，但是没有RCA 5U4G的声音雄厚。

    英国GEC CV378：

    比Mullard CV378声音清楚、频率响应更宽、更有韵、而且声音也较厚。

    英国EMI Trade 5U4G/U52：

    比Mullard的5AR4有韵，但分辨率没有Mullard高，低音较松。

    英国Brimar U52：

    比Mullard CV378还要有韵，清晰度也不错，高、低两端的延伸略输给GEC的CV378。

    美国Ken Rad 5U4G：

    频率响应宽，清楚、透明，音色较淡。

    美国Tunsol 274：

    频率响应宽、透明，开阔、有劲，比上述整流管的音响性与音乐性都好。

    美国WE 274B：

    是本次试过比较整流管中的一支，而且比Tunsol 274的声音还好上一大节，声音最开扩，音场规模，最透明，最有劲，并且还有韵，声音又厚，频率响应也最宽，可说是全面性都好，只可惜我只有两支，而且再也找不到第三支了。

    300B当整流管？

    声音真是好得没有话说，我们俩兴奋了好一阵子，听了许多唱片，发现细节多很多，频率响应也宽很多，最，最重要的是把低频的共振问题解决了。

    这时我忽然想到，这种正负都加抗流圈滤波的方法电压会不会有什么变化，于是赶紧来测量一下，这一量，嘿！可不得了了，电压一下子掉了40V左右，滤波后的电压只有400V！

    这种滤波方式的声音虽好，但是电压却掉了太多，可见输出功率也会降低不少，而我的变压器的次级线圈已经用到的380V了，再也高不上去了，怎么办？想了一想，对了！不同的整流管整出的电压都不一样，何不换换整流管试试电压会升高多少呢？ 马上把RCA的5U4G拔下来，换上GEC的CV378整流管，再开机，果然电压升上来了，但是滤波后的电压只到420V左右，还是不够。

    怎么办，GEC的378整流管整流出来的电压已经很高了，如果换5AR4的话，也高不到那里去。我忽然灵机一动，想到300B的内阻只有700~90井，如果用来当整流管用的话，不知电压会不会再提高一些，顺便也可以试试用300B来整流的声音怎么样，300B是三极管，当整流管原用也很简单，只要把屏极与栅极连接起来成为二极管就行了，但是300B是单屏的三极管，因此必需用两支来做全波整流，这到不难，反正我现成的300B多的很。

    翻了翻真空管的300B纸盒，同一厂牌的都只有两支，只有大陆石墨屏300C有四支之多，就用这四支300C来当整流管来用吧。

    但是问题又来了，300B的管座是四支脚的，要换300B的话就要换管座，而且整台机器的零件位置都要大搬动，但这到是难不倒我们，我俩一起动手，一人一台，没多久就改装好了，马上插上四支石墨屏的300C试试看整流出来的电压值。果然用300C整流出来的电压再经过抗流圈滤波之后的电压升高到440V左右，电压刚刚好，再听声音，嘿！实在是太好了，声音更厚，密度更高，更有肉，更温暖，而且又更透明，更清楚，玩音响最难求的就是清晰与温暖很难兼得，可是用300C当整流管，鱼与熊掌都能兼得，我俩都很乐。

     再插上其它的300B管只试一台，看看电压一不一样，结果是换了好几种300B，，整流出来的电压都差不多。

    用300C当整流管用，声音直逼WE274的整流管，真是好极了，要知大陆的石墨屏300C一支才不过三千多元而已，比我的WE274B要便宜太多了，而且WE274B不止是价格奇昂，而且还一管难求呢，更何况整流出来的电压比WE274B高，符合平衡式抗流圈滤波电路的要求，将来有机会，还可以换换WE300B当整流管的声音又如何。