目標導向的復古電路學:以真空管放大線路為例

文/王治平

最近台積電很紅,幾乎榮登年輕人就業的第一選項,這邊當然不是要談台積電,只是破個題要來吸引讀者的注意而已。先前兩篇真空管的文章,算是介紹了現代實用電子學的序幕,電子學後續的蓬勃發展,並且主宰你我的日常生活,個人覺得真空管實在功不可沒,雖然真空管早已退出實用電子學應用的範疇,但其直覺與高容錯的特質,其實是很適合在電子電路教學的現場中使用,以下主要是談真空管為何值得重新回到工程教育的場域。當然筆者必須再次強調,本身只是一位喜歡玩真空管音響的 DIYer,不是電子專業領域的教師,因此有些教育理念或許並不見容於電子科系的教學現場,僅是分享個人從事工程科系教育多年,思考如何將課堂裡跳躍式的課程安排,做一些工程古今發展歷史的連結。

電子學說起來算是門很玄的學科,開始應用於普羅大眾生活中也是20世紀中葉左右的事,遠比機械式器械晚許多。有關電流如何在元件中傳來傳去?它又是走哪條路徑?其實大多數的時候是看不到的,通常只有被電到時會驚叫一聲(如果還可以叫的話)。然而隨著科技迅速發展,現代的電子產品幾乎是由積體電路主導,原本應該是由為數眾多的零件,例如電阻、電容、二極體、電晶體等等組成的線路,都化身成為一個個整合的晶片,拿到手上看到的只是帶有一根根接腳的超小黑盒子,以及晶片的資料說明書(datasheet),實際的電路已經是離大家越來越遠。常用的晶片線路甚至還有所謂的公版電路板,只要提供線路所需的輸入電壓,就可以獲得所需的功能。這些演變對於大量快速生產與實際應用而言,的確是非常方便且符合大眾的需求,絕對是必然的發展結果。

回到電子電路的教學現場,從國中的歐姆定理開始,教學主要是以訓練解題能力為主,介紹完基本理論後,接著就是要精確地計算出電壓、電流的大小,但線路是課本跟老師給的,通常也不知這樣的線路實際上要用於何處?教學過程大多還會配合一些電子學實作,按照菜單式的實驗步驟,一般是會產生可預期的結果,要不然就是接錯線了,如果實在找不到錯誤的地方,那就只好請老師處理。進入高中或是一般非電子科系的大學,電路學只是線路更複雜一些,然後一樣是要求精確的計算,通常跟日常生活所需的連結不多,高職電子科會談到比較多的應用,但主要還是以升學解題為導向。到這邊,求學過程中電子電路學大概就完成了。

從上面的教學過程中,可以看到教學現場大多以解題、升學為主,甚少談到線路的設計發想,也就是依照自己的需求來設計達成目標的電路。菜單式的實驗大多也是較為簡單的線路,進階版或許會使用到晶體放大元件,但整個過程還是很難跟電壓電流產生直接的對談,頂多藉由三用電錶量一量每個點的電壓是否正確。這與原本在物理學所說的電能、能階、熱放電等等,很難在現代的電子元件中有所體現。真空管則不同,完全是依循電子能階的概念,一根真空管大致分為三個部分,燈絲(陰極)、閘極、屏極,作動原理是當容易釋放電子的金屬材質(燈絲或是陰極)被加熱(施予外部能量),電子便被釋放出來,由於屏極是帶正電的板子,所以這些被釋放出來的電子(負電)便會被正電極所吸引,朝著屏極奔去,而位於陰極與屏極中間的閘極,便是可控制奔向屏極電子數量的關卡,一般就是利用閘極的開大開小(直接連接原本的小訊號波形)來達到維持原本訊號的波形下,訊號被被放大的原理(波高變大),進而進行電路的控制。因此原本的物理學的熱放電原理,完全實現在真實生活應用中,想想每當燈絲點亮,電子流湧出,閘極(可類比水龍頭)控制流量,這是多麼直覺的體驗!加上真空管是個不太精確電子元件,反正就是電壓、電流在真實世界中求取一個平衡點,因此容錯率也非常高,頂多是達不到原本的設計值,燒毀的機率不是太高,不像現在的晶片,講求點點精確,稍不小心就是東燒西燒,比較沒有一邊除錯一般修正設計的空間,這對初學電路設計的學生而言,是蠻有挫折感的。

每隻真空管都有其特徵曲線,也就是每隻真空管在設計時在不同的屏極電壓、閘極偏壓情況下有對應的管內電流量,並定義出該真空管的放大倍率以及其他特徵。現在只要在網路瀏覽器輸入管子型號(例如 12AU7 tube data),就可以找到該真空管的特徵曲線,依此特徵曲線,搭配簡單的歐姆定理,功能原理,便可著手設計自己的放大電路或是真空管音響,因此整個過程非常直覺,用到的也只是電學最基本的定理而已,雖然過程依然是計算電壓、電流等電路基本物理量,但卻可實現電路設計的基本訓練,也是現今頗流行的目標導向的學習方式。真空管從二十世紀初被發明以來,即便重要性日益漸減,但目前依然有便宜的真空管持續生產中,因此學習成本並不高,而且真空管只要不刻意破壞,是可非常長久使用的電子元件,也算是相當環保的物件。相信在一盞盞真空管亮起的同時,每個學子的眼睛也能為之一亮,除了內心充滿自我實現的成就感外,也與遠古的電子工程發展史起了奇妙的連結。

涵多路專欄

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