閃閃動人的貓眼管

我對於裝在亮晶晶的玻璃管內, 會發光的東西, 特別有興趣. Nixie tube 是一例, 而這次要點的貓眼管更是這其中的佼佼者.

貓眼管的前世今生

貓眼管又叫 magic eye tube, 是一種指示用的真空管. 它其實是一種一維的 CRT 顯示管.

在 TFT-LCD 稱霸世界之前, CRT 是使用最廣的顯示裝置, 從最早的黑白超低解析度 CRT 到最終代的全平面高解析度動態聚焦循序掃描 CRT, 它在地球上也存在了近百個年頭, 不過現在年紀輕一點的人可能真的沒看過 CRT, 就像他們沒看過 CD 一樣.

CRT 是熱陰極真空管, 它用燈絲加熱陰極讓電子放射出來, 再利用電場或磁場加速電子及讓電子偏向, 讓電子撞擊管子表面的螢光塗層發光, 顯示出影像.

一般電視或電腦螢幕用的 CRT 是用線圈產生磁場來讓電子偏向, 可以在短距離內獲得比較大的偏向角度, 因此可以做出比較短的管身, 但缺點是線圈有電抗的問題, 沒辦法用很高的頻率驅動. 末代的 HD CRT 水平掃瞄頻率達到 60-70KHz 已經差不多是磁場偏向的極限.

另一個偏向的方法是利用電場, 傳統示波器用的 CRT 大部份是這種類型. 電場偏向的強度沒有磁場好, 所以需要比較長的管身來獲得足夠的偏向幅度. 但電場偏向只需要用到電極板產生高壓電場, 所以可以用很高的頻率驅動, 這也是為什麼傳統 real-time 示波器會用電場偏向的原因, 夠快, 才能看到 real-time 的波形啊.

貓眼管是一種電場偏向的一維 CRT, 它的電子一樣來自熱陰極, 利用電場加速和偏向之後, 射向管身表面的螢光塗層讓它發光.

隨著偏向電極設計的不同, 貓眼管有各式各樣的型式. 早期大概  1940 年代的貓眼管如 6AF6 或 6E5, 它的指示窗是在管子的頂端, 電子束是以扇形的方式射出在圓形的螢光板上, 隨著指示訊號的大小變化, 扇形的開口大小會隨著變化, 看起來就像個眼睛在眨呀眨的, 這就是 “magic eye” 這個名稱的由來.

而隨著真空管跟 CRT 的技術進步, 在 1960 年代出現了像 6E2/EM87 這種線性偏向的貓眼管.

這種貓眼管的螢光塗層在管壁上, 電子束由陰極射向管壁, 可以獲得比較大的指示範圍.

貨源充足的 6E2

這次要點的貓眼管是 6E2, 購自淘寶. 在真空管時代, 很多一樣的管子, 因為來自不同的國家或不同的廠商, 會有不同的編號. 像之前用的 nixie tube, SZ-8 和 QS30 就是一樣的管子. 不過我一直查不到 6E2 的原始資料, 網路上看到的 6E2 照片全部都是中國的曙光電子管廠生產的, 所以它可能是中國製真空管的專屬編號. 大部份的資料都指出它跟 Philips 的 EM87 相容, 所以以下的設計都是參照 EM87 的資料來進行.

這隻管子意外的便宜. eBay 上的 6AF6 一隻要價美金十幾塊, 而且奇貨可居, 但淘寶上的 6E2 一隻只要人民幣五六塊, 而且供貨充足, 要多少有多少, 全新包裝未拆的一大堆. 對於真空管這種用一隻就少一隻的零件來說, 這些貨源充足的大陸管真是宅宅的福音啊.

這是 Philips 的 EM87 原始資料, 文件的日期是 1966 年, 距今 48 年. 看這種文件真會讓人有思古之幽情.

EM87 是一隻複合管, 它除了有貓眼指示管之外, 還附贈三極管, 讓你用來放大訊號. 因此只要把小小的訊號餵給三極管, 讓它放大之後就可以直接去推偏向陽極, 不用另外再做前級的放大電路. 否則偏向陽極需要的訊號位準大概在五六十到一百多伏, 如果要用半導體產生還蠻令人傷腦筋的.

根據規格, 建議的工作電壓是 250V, 三極管的陽極電阻是 100Kohm, 三極管的工作電流是 0.5mA, 貓眼管的工作電流是 1.8mA.

第一個難題來了, 我需要 0.5mA+1.8mA = 2.3mA 的 250V 高壓電源. 如果是做真空管擴大機, 這個電源大概就會直接從市電透過變壓器產生. 但貓眼管用不了多少功率, 搞到要用鐵心變壓器還要插 AC 實在太麻煩了.

我決定來挑戰 USB 供電.

USB 直上 250V

上次在做 nixie clock 時, 我已經用一級 MC34063 做的 boost converter 把 12V 成功打上 180V, 不過當我把輸入降到 5V 的時候, 這組 boost 電路就不行了. 主要的原因是 MC34063 有 on/off duty 的限制, 而這個 duty ratio 直接影響到 boost 的電壓比.

因此, 我決定在 MC34063 的後面再加一級倍壓整流, 讓 MC34063 的電壓增益負擔少一點. 以目標 250V 來說, 加了倍壓整流後, boost converter 只需要打到 125V. 從 5V 打到 125V 對 MC34063 來說應該辦得到吧 ?

先做個電路來試試好了.

這個電路跟之前 nixie clock 用的大同小異, 只差在後面的倍壓整流. 原來選用的零件耐壓就很夠, 所以像 FR107 整流二極體這些零件都不用換.

先用萬用板把這個電路裝起來試試, 順便測量一下特性.

裝好之後, 上電看一下空載的輸出電壓:

空載的電壓可以上到 245V, 因此至少證明 boost converter 加倍壓整流的結構是沒有問題的. 245V 跟 250V 的差距差不多是 2%, 而我用的 feedback 電阻是 5% 的, 因此這個誤差是合理的.

空載沒問題後, 就要上負載來試了.

我找了個 100Kohm 的 DIP 電阻當負載. 250V 加在 100Kohm 上, 會有:

250V / 100K ohm = 0.0025A = 2.5mA

左右的電流. 我們前面算過, 這管子需要 2.3mA 左右的工作電流, 因此這個負載是合理的.

做這測試的時候,  要小心負載電阻上的發熱. 電阻上的功耗可以用電流 (I²R) 或電壓 (V²/R) 求得:

0.0025A * 0.0025A * 100K = 0.625W

一般的 DIP 電阻還耐得住這個功耗, 不過溫度會很高, 要小心燙手. 而 0603 的 SMD 電阻千萬不能拿來這樣用, 0603 電阻只能耐大概 1/10W 的功耗, 如果直接這樣用會超過它的額定功耗 6 倍之多, 除了發燙外還會有安全上的問題.

初試啼聲

搞定高壓電源後, 我就把 6E2 的陽極電阻接上, 看看這電源能不能推得動這隻管子.

電路很簡單:

除了高壓外, 熱陰極的真空管還需要一個燈絲電源, 用來加熱陰極. 因為某些歷史的因素, 大部份的真空管燈絲都是吃 6.3V, 6E2 也不例外. 不過手上只有 USB 的 5V VBUS, 先將就著用用看, 反正只要燈絲會熱, 電子飛得出來, 管子就應該能工作, 所以我就用 5V 去推燈絲.

接好之後供電, 6E2 的燈絲緩緩的亮起來. 燈絲熱了之後, 管子開始導通, 管壁上就出現了漂亮的綠色螢光.

換個角度再看一次:

管子後方橘色的光點就是燈絲, 大部份的真空管燈絲都會發光, 因此管子在工作時都看得到所謂 “溫暖的” 燈絲光.

從側面可以看得很清楚這管子的結構: 陰極在燈絲的附近, 電子由陰極往上飛, 撞擊管壁上的螢光塗層發光.

最後做個有趣的小實驗: 移動中的電子會受到磁場的影響而偏向. 我拿了個磁性超強的稀土釤鈷磁鐵放在管子旁邊:

果然看到螢光塗層上的影像跟著扭曲變形…

管子點亮後, 我要來想想怎麼規劃電路, 以及能用它來幹嘛了.