圖1 電子管的電源系統(tǒng)
按陰極加熱的方式區(qū)分電子管有直熱式和旁熱式兩種。直熱式電子管的燈絲即陰極，兩者二位一體。旁熱式電子管的燈絲位于筒狀陰極的中心，燈絲僅作為陰極加熱之用的熱源。直熱式電子管中多數(shù)是早期的電池收音機(jī)的收訊放大管和現(xiàn)在的直熱功率放大管，前者已是昨日黃花，后者卻以迷人的音質(zhì)成為現(xiàn)代電子管隊(duì)伍中的佼佼者——2A3、300B、211、845等，為今天發(fā)燒友們夢(mèng)寐以求的膽之瑰寶。
在電子管放大電路中，A電只是作為燈絲的加熱電能供給，不直接參與電路的工作過(guò)程，但它對(duì)全電路的工作質(zhì)量依然是舉足輕重的。
1．燈絲電壓的影響
一般燈絲電壓Uf的偏離值要求小于±8％，例如按電子管手冊(cè)的規(guī)定，燈絲電壓6．3V的管子的極限值為5．7和6．9V。然而燈絲電壓在這個(gè)范圍內(nèi)偏移時(shí)，電子管的工作表現(xiàn)是否能一如既往呢?
我們先看看描述電子管熱發(fā)射能力的舒曼公式J=AT2ewo“’，式中T是陰極的絕對(duì)溫度，A、K、WO是常數(shù)。我們且不討論此公式，只從公式的文字表達(dá)上就可理解到，陰極溫度的變化(由燈絲電壓變化所導(dǎo)致)對(duì)電子管發(fā)射能力影響是非常大的。
假如一個(gè)氧化物陰極電子管(最常見(jiàn)的普通旁熱管)的燈絲電壓Uf由6．3V降到6．0V，在燈絲電壓變化4％這樣小的允許范圍內(nèi)，可認(rèn)為陰極溫度變化與燈絲電壓變化的平方成正比例關(guān)系。即燈絲電壓為正常值的96％時(shí)， 陰極溫度前后的比率為T1／T2=(U1／U2)’=(6／6．3)’=0．92，由上述舒曼公式計(jì)算出，此時(shí)陰極發(fā)射率急劇降到正常值的 0．3351當(dāng)然決定陰極電流的主要因素還有柵極電壓和陽(yáng)極電壓的加速作用，但從這個(gè)計(jì)算結(jié)果也得知燈絲電壓偏移的影響程度是相當(dāng)嚴(yán)重的。
從實(shí)踐中體會(huì)到，若燈絲電壓升高，陰極溫度隨之升高，陰極溫度的超額使陰極的發(fā)射能力陡然增加。整機(jī)的音質(zhì)表現(xiàn)是生動(dòng)活潑，豐滿和彈性十足，但交流聲明顯增大(前級(jí))c其害處是陰極的發(fā)射物質(zhì)過(guò)量的蒸發(fā)，使電子管透支早衰。
反之，若燈絲電壓降低，陰極溫度下降造成惡音，其表現(xiàn)是音質(zhì)暗淡蒼白和軟弱無(wú)力。不過(guò)也有人以降低少許燈絲電壓來(lái)校音，使音質(zhì)變得松軟些，或交流聲低一些，當(dāng)然這種不規(guī)范的校音手法難以得到大眾認(rèn)同。
燈絲電壓不足對(duì)電子管壽命也是有害無(wú)益的，因?yàn)楫?dāng)陰極加熱不足時(shí)，陰極的各部段受熱不均勻，溫度較高之處被逼承受了大部分的陰極發(fā)射電流，造成此局部區(qū)域的溫度一電流一溫度的惡性循環(huán)上升，使陰極受損，同樣很快造成了電子管的衰老。
在顯示或測(cè)量的放大器中，電源電壓不穩(wěn)使電子管的陽(yáng)極電壓波動(dòng)，會(huì)影響輸出信號(hào)的幅度，其輸出變化的量值在顯示的波形或者數(shù)值上就能直接讀出。而燈絲電壓在允許范圍內(nèi)變化的影響，輸出量值上也許難以覺(jué)察。問(wèn)題的要害在于，在Hi-Fi音響放大器中，燈絲電壓波動(dòng)影響的關(guān)鍵不在乎量(輸出功率)上，而是在質(zhì)(音樂(lè)品質(zhì))上。發(fā)燒友在聆聽(tīng)膽機(jī)音樂(lè)時(shí)，他并非在領(lǐng)會(huì)樂(lè)聲的體積，而是在欣賞音樂(lè)的韻味，用心靈去感受音樂(lè)的真髓。燈絲電壓不足的負(fù)面影響，如同陰影般在音樂(lè)品質(zhì)上纏繞附著，使音質(zhì)黯然失色。遺憾的是，A電的負(fù)作用在經(jīng)典的技術(shù)參數(shù)和電路分析上卻完全被忽略了。
資深發(fā)燒友都清楚，電源不穩(wěn)的波動(dòng)影響，作用在燈絲電壓上的效果更甚于陽(yáng)極高壓上。電子管的陽(yáng)極電壓可選范圍很大，例如6P3P(6L6G)的幾種典型運(yùn)用值的陽(yáng)壓在250V到400V的大范圍之內(nèi)，音量音質(zhì)都有較佳表現(xiàn)。故此陽(yáng)極電壓在一定范圍內(nèi)波動(dòng)造成的輸出功率和失真的影響很小，不會(huì)使人耳有所覺(jué)察，因?yàn)槿说穆?tīng)覺(jué)服從音量功率的對(duì)數(shù)變化規(guī)律。而燈絲電壓不足對(duì)音質(zhì)的損害，人耳卻能比較敏銳地感受到，而且對(duì)于這種音質(zhì)的劣化，試圖用任何其他改良措施去補(bǔ)償都是無(wú)濟(jì)于事的。
A電的特征是低電壓(5V，6．3V，12．6V)和大電流(后級(jí)電流達(dá)4—20A)，影響燈絲電壓幅值的因素有電源變壓器的內(nèi)阻、饋線電阻、以及電子管管座和接插端子的接觸電阻，如圖2所表示。當(dāng)然還有市電的電壓波動(dòng)的外部因素。
圖2 影響燈絲電壓的線路電阻
燈絲饋線的電阻對(duì)燈絲電壓的影響是決不能掉以輕心的。燈絲的電流很大，百分之幾歐的電阻所造成的電壓損失也不可小覷。下舉一例說(shuō)明。
某膽機(jī)燈絲的電流為4A，通常的做法是：選擇截面0．3mm的軟銅線饋電(標(biāo)稱(chēng)載流量是6A，已留有余量)。在其雙絞線長(zhǎng)0．3m，工作溫度75t時(shí)電阻值為0．051n，實(shí)際的結(jié)果造成了0．21 V的電壓損失，0．8W的功率損耗，使電子管的燈絲電壓由6．3V下降到6．09V，音質(zhì)發(fā)生了可以覺(jué)察的下降。這么一段毫不顯眼的電線也對(duì)燈絲電壓產(chǎn)生了負(fù)影響，其影響程度之大有點(diǎn)出入意料之外。
所以在制作膽機(jī)的第一步——電源變壓器的設(shè)計(jì)制作中，就應(yīng)對(duì)燈絲繞組加以足夠的重視。燈絲繞組的設(shè)計(jì)貌似簡(jiǎn)單，但要真正達(dá)到Hi，Pi的要求也并非容易。燈絲繞組設(shè)計(jì)的主要指標(biāo)是溫升和電壓調(diào)整率ΔU％(ΔU％ ＝Uf空載一Uf額定／Uf空載＝Uf空載—6．3／Uf空載)。溫升指標(biāo)考慮的是導(dǎo)線載流量和散熱條件，比較簡(jiǎn)單直觀。而電壓調(diào)整率則要綜合考慮電源變壓器的內(nèi)阻(包括燈絲線圈的熱電阻、初級(jí)線圈的直流熱電阻及其反射的阻抗，如圖2的Rfi、Roi和Rni’)，此外還要考慮外電路的線路電阻和插座電阻(Rl和剛)等因素，以到達(dá)電子管管腳的燈絲電壓為規(guī)定值為目的。
設(shè)計(jì)精良的電源變壓器是Hi-Fi膽機(jī)的品質(zhì)的保證和可靠性的基礎(chǔ)，遺憾的是鮮見(jiàn)有關(guān)電源變壓器的設(shè)計(jì)資料強(qiáng)調(diào)燈絲電壓準(zhǔn)確穩(wěn)定的重要性，設(shè)計(jì)中有關(guān)A電的部分往往被簡(jiǎn)化處理。不少發(fā)燒友對(duì)A電欠佳的負(fù)面影響也認(rèn)識(shí)不足，相信大部分制作者就從來(lái)沒(méi)有校核過(guò)達(dá)到電子管腳上的燈絲電壓的真實(shí)值。
220V市電也是個(gè)不穩(wěn)定的因素。在市電變化正負(fù)百分之十時(shí)，6．3V的燈絲電壓變化在6．93到5．67之間。電壓低時(shí)音質(zhì)惡化，電壓高時(shí)聲音“情緒激昂”，更危險(xiǎn)的隱患是過(guò)壓可能會(huì)造成功率電子管陽(yáng)柵電壓系統(tǒng)崩潰而燒壞。因此在市電起伏大的地方，無(wú)論從音質(zhì)或安全的角度看都應(yīng)該附加電源電壓調(diào)整的功能電路。
2．交流噪聲的影響
一臺(tái)合并式膽機(jī)竣工時(shí)，我們滿懷美好的愿望去試機(jī)，但一開(kāi)機(jī)的聲音表現(xiàn)卻令人大為沮喪：信號(hào)的背景上浸淫著交流哼聲，音質(zhì)渾濁無(wú)層次——這幾乎是每一位膽式發(fā)燒初哥都必然經(jīng)受過(guò)的痛苦歷程。為什么精密的電路謀劃和苦心的工藝炮制，卻仍遭遇交流聲的糾纏?答案是忽視了A電噪聲干擾的后果。
A電是電子管放大器噪聲的主要來(lái)源。交流噪聲由電源工頻50Hz或100Hz的基波及其高次諧波組成�；ǔ煞致�(tīng)起來(lái)比較低沉，稱(chēng)為哼聲。而高次諧波交流聲的頻率較高，其滋聲干擾比較尖噪，干擾的穿透力比哼聲強(qiáng)。高次諧波來(lái)自電源的污染，可控硅、整流子交流電機(jī)、開(kāi)關(guān)電源等變流裝置會(huì)向電源回饋高次諧波，在電源正弦波的波形上附加了畸變，這種高次諧波造成的交流噪音在工業(yè)地區(qū)比較明顯。
在低電平高增益的放大器中，例如話筒、動(dòng)圈唱頭放大和一些儀器的高輸入阻抗的測(cè)量電路等，抑制交流噪聲的干擾往往成了電路制作的第一難題。即使我們一絲不茍地實(shí)施了各種技術(shù)措施，殘余的交流聲仍然超過(guò)諸如電子管內(nèi)部熱發(fā)射噪音、電阻熱噪音等等影響。要成功地抑制交流噪聲，制作出品質(zhì)卓越的膽前級(jí)放大器，除了精選優(yōu)良的電路圖外還需要爐火純青的工藝手法，這就難倒了不少發(fā)燒友制作者，也使電子管電路長(zhǎng)期蒙受“非低噪音放大器”的不白之冤。
圖3 交流噪聲的平衡抵消方法
電子管的燈絲與柵極存在著分布電容CfS及漏電阻Rfg，(主要由管座不潔造成)。用交流電點(diǎn)燃燈絲的電子管，其電壓Uf會(huì)在燈絲兩端產(chǎn)生一個(gè)峰一峰值為(2”’)Uf的交流電場(chǎng)。由于電子管的信號(hào)柵極(第一柵1)的輸入阻抗很高達(dá)數(shù)百千歐，很容易受到此電場(chǎng)的感染，使輸出信號(hào)中混入交流聲的背景噪音，如果燈絲不接地電位，燈絲的交流電壓就全部通過(guò)Ckf和Rkf耦合到陰極上，造成強(qiáng)大的哼聲干擾。即使是燈絲接了地，其干擾也不會(huì)完全消除。
為了消除這種影響，有效的方法是在變壓器的燈絲線圈設(shè)置一中心抽頭，抽頭接地，從而把電子管燈絲上對(duì)地的電壓從(2”’)Uf分裂為±(2”’)Uf／2，每一瞬時(shí)都等量而反相，結(jié)果使作用在電子管輸入柵極上的噪聲干擾電流就可以抵消，見(jiàn)圖3(a)所示。
如果變壓器燈絲線圈無(wú)中心插頭，可以用電阻組成平衡橋路，也有異曲同工之效，見(jiàn)圖3(b)所示。若用電位器代替電阻，能精密地找出電橋的平衡點(diǎn)，使交流聲影響最小，圖3(c)所示。
以上交流哼聲平衡抵消的做法，只須在前置放大的電子管上施行。功率放大級(jí)的電路中因?yàn)樾盘?hào)電壓已足夠強(qiáng)，交流哼聲的干擾影響已無(wú)能為力。
燈絲與陰極存在二極管效應(yīng)：高溫的燈絲成為類(lèi)二極管的陰極發(fā)射電子，而陰極成為類(lèi)二極管的陽(yáng)極，吸收的電子形成50Hz的整流脈動(dòng)電流，混進(jìn)放大電路造成交流哼聲干擾。如果陰極的電位比燈絲高，形成一個(gè)正向的加速電場(chǎng)，二極管效應(yīng)就更顯著。因此在前置放大電路的設(shè)計(jì)中，我們必須使陰極的電位比燈絲的負(fù)，制造一個(gè)負(fù)電場(chǎng)封鎖消除二極管效應(yīng)。具體的做法就是給燈絲一個(gè)對(duì)地的正電壓Uf(DC)，使UrlDc，>(2”’)Uf+Uk=(2’／／’)X6．3+Uk=8．8十Uk窩11Vo式中Uk是前置電子管的陰極電壓，Uf(DC)的數(shù)值又不能高過(guò)電子管的“最大燈絲與陰極間電壓Ufkmax”(一般Ufkmax≤100V)o
在A類(lèi)單端或推挽輸出的后級(jí)電路中，功率放大管的陰極的電壓達(dá)十幾伏以上，同時(shí)并接有大容量的旁路電容器使陰極為交流的地電位。因此這個(gè)陰極電壓正好被借助作為前置電子管的Uf(DC)，見(jiàn)圖4(a)所示。
SRPP電路中Uf(DC)的獲得見(jiàn)圖4(b)，有陰極輸出器或陰極倒相電路的前置電子管Uf(DC)的獲得見(jiàn)圖4(c)所示。直熱功率管膽機(jī)的前置電子管Uf(DC)獲得見(jiàn)圖4(d)所示。
功能完善的通用電路如圖4e。Uf(DC)由B電分壓而得，并接人燈絲交流電壓的中點(diǎn)。這個(gè)電路成功地應(yīng)用在信噪比達(dá)70dB以上的低噪音放大器中。
圖4 燈絲正電位的獲得
在安裝工藝過(guò)程中抑制交流聲干擾也是非常重要的。
燈絲饋線作為電力的輸送者直達(dá)電子管的管腳，在放大電路內(nèi)縱橫交錯(cuò)，大達(dá)數(shù)安計(jì)的燈絲電流會(huì)在饋線上產(chǎn)生交流電場(chǎng)。為此交流燈絲饋線必須雙絞，使此交流電場(chǎng)互相抵消，有的電路甚至用金屬屏蔽的芯線作燈絲饋線，以隔離燈絲饋線交流噪聲對(duì)放大電路的感染。
燈絲電流如果混進(jìn)了放大器的地母線，洪大的交流電流勢(shì)必干擾著微小的信號(hào)電流，對(duì)高增益的前級(jí)放大電路造成明顯的噪聲影響。為此不應(yīng)采用借用地線(一線一地)的方式為此電子管燈絲饋電，而必須用雙絞線獨(dú)立饋電，并有選擇合適之處一點(diǎn)接地。使燈絲電流與地電流分道揚(yáng)鑣，井水不犯河水。
按前面所舉的種種方法，我們可以在相當(dāng)大的程度上解決燈絲交流聲干擾的問(wèn)題，但要根本治理還是要把燈絲電源直流化。
3．燈絲電壓的直流化
把前級(jí)放大器的電子管的燈絲電源改為直流，就把交流噪音電場(chǎng)的根源去掉了，是個(gè)釜底抽薪的辦法。圖5(a)是常用的燈絲交流改直流的電路，電阻R*的數(shù)值可以微調(diào)輸出電壓至標(biāo)準(zhǔn)值6．3V。此電路比較簡(jiǎn)易和省電，可作摩機(jī)之用，不過(guò)仍然未能擺脫燈絲電壓隨市電起伏而變化的不良影響。
圖5(b)是三端穩(wěn)壓比的燈絲直流電路，穩(wěn)壓IC 7812的接地端串聯(lián)了一普通硅二極管，把穩(wěn)壓輸出抬高到12．6V，以供兩只電子管6．3的燈絲串聯(lián)，或12．6V的兩只電子管燈絲并聯(lián)使用07812的電源輸入端和輸出端要有2—3V以上的壓差才能工作正常，故此6．3V的電子管宜串聯(lián)不宜并聯(lián)，否則電流加倍使IC的功率損耗要增大一倍。此電路采用倍壓整流，是為了能直接利用原來(lái)的單個(gè)6．3V燈絲繞組。如果變壓器有12．6V的電壓，就應(yīng)該改為性能更好的橋式整流。
圖5 燈絲的直流電路
穩(wěn)壓后燈絲電源的殘留交流紋波只有十?dāng)?shù)毫伏，所造成的噪聲影響已微乎其微。同時(shí)燈絲電源是穩(wěn)壓的，在市電電壓變化±15％內(nèi)時(shí)能保持直流6．3V燈絲電壓的穩(wěn)定，保證了放大電路的音質(zhì)不受市電電壓起伏的影響。一般的前級(jí)放大多用雙三極電子管，故全機(jī)雙聲道只需這樣的一路整流穩(wěn)壓就夠用了。
一個(gè)有爭(zhēng)議的問(wèn)題是直流后燈絲電壓如何選取。有看法是電壓值只能用到原交流電壓值的1／(2”’)，即6．3V的電子管的直流燈絲電壓只能取4．5V。其實(shí)電工技術(shù)上的交流電的數(shù)值都是指它的有效值。交流電有效值的定義是：“在兩個(gè)相同的電阻器中，分別通過(guò)直流電和交流電。如果經(jīng)過(guò)同一時(shí)間它們發(fā)出的熱量相等，那末就把此直流電的大小定為此交流電的有效值�！彪娮庸艿臒艚z是純電阻負(fù)載， 由定義可知直流6．3V與交流6．3V作用于電子管燈絲的熱功率是等效的，我們只需觀察陰極燈絲的亮度顏色便可以為之輔證。當(dāng)把標(biāo)稱(chēng)的交流電壓誤認(rèn)成它的最大值(峰值)電壓時(shí)，就會(huì)得出直流電壓等效于0．7倍交流電壓值的錯(cuò)誤結(jié)論。
必須指出，直流燈絲電壓的不正確實(shí)施會(huì)造成音質(zhì)的惡化和電子管的早衰。
前置電壓放大的燈絲電源直流化的好處如此多，但如果欲罷不能更將后級(jí)功放膽的燈絲也改為直流供電，那就是矯枉過(guò)正了。基于以下諸原因：
功率放大級(jí)處于大輸入信號(hào)電壓的工作狀態(tài)，交流燈絲電壓的干擾影響已微乎其微，若為降低交流哼聲而改直流供電，實(shí)為畫(huà)蛇添足，即使是直熱功放管2A3、300B亦如此。
功率放大電子管的燈絲電流很大，假如再加入整流穩(wěn)壓等手段，會(huì)顯著增加A電的損耗，對(duì)于電能效率已經(jīng)相對(duì)低的膽機(jī)來(lái)說(shuō)，無(wú)疑是雪上加霜。
在用交流供電時(shí)，直熱式功率電子管的陰極(燈絲)是一等電位體。而在直流供電后陰極兩端的電位就不同了，相差為Uf伏，亦即陰極兩端的柵偏壓相差Uf伏，造成陰極兩端的電流發(fā)射量大小不同。例如300B的燈絲直流供電后，陰極兩端電壓(即柵負(fù)壓值)分別是正65V和60V，長(zhǎng)期工作下去會(huì)造成60V一端陰極的早衰。這現(xiàn)象也正是解釋直熱電子管的燈絲·用直流供電后音質(zhì)變差的原因之一。
直熱式電子管燈絲改為直流供電后，石(硅整流二極管)的成分融人的陰極電流之中，純潔的膽味遭到了摻雜，音質(zhì)有轉(zhuǎn)硬的感覺(jué)，這是純膽派發(fā)燒友所不容許的，認(rèn)為音質(zhì)受到玷污而“石化”；不同的金屬的化學(xué)電極勢(shì)各自不同，直流大電流通過(guò)兩種不同金屬材料的連接處時(shí)會(huì)產(chǎn)生電化學(xué)效應(yīng)，造成電腐蝕。功率電子管的燈絲電流相當(dāng)大，改為直流供電后燈絲和管腳引線的焊接處可能因直流電腐蝕而燒斷，令電子管損壞，必須三思而行。
A電雖然其貌不揚(yáng)，也是膽機(jī)音響博大精深內(nèi)容中的不可缺少的一頁(yè)，而在浩瀚的電路圖紙和技術(shù)文章中，A電的精彩卻少見(jiàn)經(jīng)傳，默默無(wú)聞地被冷落。因此我們認(rèn)識(shí)A電是正本清源，善待A電必會(huì)收益菲淺。
