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不知道從何時開始,etracer與utracer這種靠電容短時間放電測試真空管的機器被歸類為脈衝式(pulse type)測管機。而對此類測管機最常聽到的評語就是:這種測管機的測試條件不是真空管的真實工作點,所以測出來會有誤差,不準確。乍聽之下,似乎頗有道理,不過這樣的評語到底正確嗎?誤差是多少1%?10%?多少的誤差算不準確?莊子天下篇有云:一尺之捶,日取其半,萬世不竭。意思是說把一節木杖每天切一半,可以永遠一直切下去。問題是,莊子是哲學家,他用想像來切木杖,如果給工匠或是工程師來切,就不是這麼回事了。對於儀器設計來說,不能量化的評語是沒有意義的,這篇文章要跟大家一起探討這個評語的準確性。

以下的討論,假設不同靜態工作點會有不同的工作溫度,而真空管的特性參數僅與工作溫度有關。

首先,我們先要為脈衝式測管機下個定義:此類測管機平時僅有對燈絲供電,讓燈絲加熱陰極放射電子,測試的時候會在真空管的閘極與與屏極短暫導通電壓,並在此時間內量測通過真空管的電流,以達成參數(互導率,電壓放大率與交流內阻)讀取或是曲線掃描的目的。以etracer來說,測試的脈衝約在500uS到5ms之間。有趣的是,根據這個定義,不只etracer這類測管機是脈衝式測管機,一些常見的的傳統測管機例如Hickkok TV-7, 539x之類也都是脈衝式測管機。這些傳統測管機平時僅有對待測物燈絲供電,測試真空管時必須按下一個按鈕或是扳動一個開關,接通測試電壓,表頭才會顯示測試值。跟etracer唯一不同的是這個量測脈衝是人為提供的,長度比較長。如果這種量測方法有問題的話,測試按鈕壓下時應該會看到表頭指針隨著時間不停變化,不過根據站長的經驗,如果燈絲熱得夠久,按鈕壓十秒跟按壓一分鐘測得的數字是差不了多少的。

其次,讓我們假設真空管在不同工作溫度的參數變化真的非常大,那我們該選擇哪個靜態工作點呢?隨著電路設計的不同,一隻真空管的靜態工作點幾乎是有無限種可能,到底設定在哪一點才對呢?設定在最大屏耗嗎?那對於不是工作在最大屏耗的真空管怎麼辦?這個問題仔細想想其實很複雜,真空管電路有不同的設計偏壓,一般音頻輸出電路簡單的歸類就有A類、AB類與B類,這三種電路只有A類靜態工作點是設計在最大屏耗附近的,B類與AB類的靜態工作點都比最大屏耗小很多,更不用提射頻用的C類放大器靜態工作點是幾乎不導通的。電腦用的真空管例如5687之類是專門設計在脈衝模式下使用,這些真空管的測試點又該如何設定?如果靜態工作點的影響真的很大,那真空管手冊豈不是要提供好幾組曲線,每組曲線僅適合特定靜態工作點?

 接下來讓我們回歸到問題的根本:測試誤差到底有多大?站長利用手邊的資源,做了一個實驗,站長平常使用的50單端擴大機在訊號路徑有三隻真空管,分別是6C4、6C45與50,這三隻真空管都是工作在A類模式,6C4約工作在最大屏耗3.5W的一半,6C45與50的工作點則很接近最大屏耗,我對每隻真空管用etracer分別做兩次曲線掃描,一次是僅對燈絲加熱10分鐘,一次是讓真空管在擴大機上以靜態工作電壓與電流充分加熱,一小時候將真空管取下,立刻放到etracer上測量,透過etracer 2.x版的軟體,兩組曲線可以同時顯示,這兩組曲線之間的差異,就是兩個極端的工作溫度所造成的影響,此三組曲線的比較圖如下:

 
6C4 曲線掃描比較

 


6C45 曲線掃描比較

 


50曲線掃描比較

 

各位有看出來什麼不同嗎?的確有差異,不過在6C4與6C45這兩隻管子上面的差異極小,幾乎可以忽略,而在50則可以看到在功率超過最大額定功率時誤差會稍大。這種差異對站長來說是很可以接受的,以我的經驗來說,這種差異遠小於燈絲電壓的變化所造成的影響。根據這個實驗結果,我推測50真空管差異比較大的原因是因為我手上的50是1930年代的茄子型真空管,內部的構造比較容易受到溫度的影響,而後期的真空管例如ST型或是小九腳這些由於內部支撐與構造的加強,會讓溫度對特性曲線的影響降低很多。Emission Labs的老闆Jac van de Walle認為靜態工作點會因為熱的影響造成屏極到陰極或是閘極之間距離改變,或是屏極溫度與陰極溫度都會影響測試值,影響會有5%(新管)到10%(舊管)。我不清楚Jac是否擁有utracer,他的結論是否來自猜測或是實測,不過可以當作一個worst case參考。當然,由於我手邊的樣品實在不多,如果網友同時擁有真空管擴大機與etracer,歡迎您做類似的實驗,並把結果分享給大家。下面這個連結有Jac對於脈衝式測管機的一些評語:

http://emissionlabs.com/Articles/TECH-BULLETIN/TB-08-Testing-Emissionlabs-Tubes/testing-eml-index.htm

要注意的是,測試真空管要有足夠的時間讓燈絲加熱,對旁熱管來說一分鐘是不夠的,最起碼要五分鐘,若是很久沒使用的真空管需要更久時間,例如30分鐘甚至一小時以上。這是因為這些久放的真空管多少都會有漏氣現象,需要通過對燈絲加熱,讓真空管內的除氣劑產生作用。讀者可以參考Robert B. Tomer著作的 "Getting the Most out of Vacuum Tubes"一書,裡面對於真空管與測管機有詳細的介紹。

另外就是以上實驗僅對於etracer有效,站長對於utracer的燈絲供應設計很不以為然,實際用起來也遇到一些問題,不是自己的設計就不花時間研究了。若網友目前是使用utracer的,強烈建議您使用一組電壓穩定的外接電源。