電子管 - 歴史、動作原理、設計、応用
電子管（ラジオ管） — 20 世紀初頭の技術革新で、電磁波の使用方法を根本的に変え、無線工学の形成と急速な開花を決定しました。ラジオランプの出現は、後に「エレクトロニクス」として知られるようになったラジオ工学の知識の発展と応用の方向性において重要な段階でもありました。
発見の歴史
すべての真空電子デバイスの動作メカニズム (熱電子放射) の発見は、1883 年にトーマス エジソンによって白熱電球の改良に取り組んでいたときに行われました。熱電子放出効果の詳細については、ここを参照してください —真空中の電流.
熱放射
1905 年、ジョン フレミングはこの発見を利用して、「交流を直流に変換する装置」である最初の電子管を作成しました。この日は、すべてのエレクトロニクスの誕生の始まりと考えられています（—を参照） エレクトロニクスと電気工学の違いは何ですか）。 1935年から1950年までの期間すべての真空管回路の黄金時代と考えられています。
ジョン・フレミングの特許
真空管は、無線工学とエレクトロニクスの発展において非常に重要な役割を果たしました。真空管の助けを借りて、無線電話やテレビに必要な連続発振を生成できることが判明しました。受信した電波信号を増幅することが可能となり、遠方の局も受信できるようになりました。
さらに、電子ランプは、最も完璧で信頼性の高い変調器、つまり、無線電話やテレビに必要な、高周波発振の振幅や位相を低周波に変える装置であることが判明しました。
受信機における可聴周波数振動の分離 (検出) も、電子管を使用することで最も効果的に達成されます。真空管は長期間にわたって交流整流器として動作し、無線送受信装置に電力を供給していました。これらすべてに加えて、真空管が広く使用されました 電気工学の (電圧計、周波数カウンター、オシロスコープなど)、そして最初のコンピューター。
20 世紀の 20 年間に、技術的に適切な電子管が市販され、無線工学に強力な推進力が与えられ、すべての無線工学機器が変革され、減衰振動無線工学では解決できなかった多くの問題を解決できるようになりました。
真空管特許 1928 年
ラジオ工学雑誌のランプの広告 1938 年
真空管の欠点: サイズが大きい、かさばる、多数のランプで構築されたデバイスの信頼性の低さ（最初のコンピュータでは数千個のランプが使用されました）、陰極を加熱するための追加エネルギーの必要性、高い熱放出、多くの場合追加の冷却が必要です。
電子管の動作原理と仕組み
真空管は、熱電子放出のプロセス、つまり真空シリンダー内の加熱された金属からの電子の放出を利用します。残留ガス圧力は無視できるほど小さいため、陽イオン電流は電子電流に比べて無視できるほど小さいため、ランプ内の放電は実際には純粋に電子的であると考えることができます。
真空管の仕組みと動作原理を、真空中の電子電流を利用した最も高い補正率を持つ電子整流器(ケノトロン)を例に見てみましょう。
ケノトロンは、高真空 (約 10-6 mmHg Art.) が生成されるガラスまたは金属の風船で構成されています。電子源 (フィラメント) はバルーン内に配置され、陰極として機能し、補助源からの電流によって加熱されます。電子源は、陽極である大面積の電極 (円筒形または平面) に囲まれています。
カソードから放出された電子は、アノードとカソードの間の電界に落ち、その電位が高い場合にはアノードに転送されます。カソード電位が高い場合、ケノトロンは電流を伝えません。ケノトロンの電流電圧特性はほぼ完璧です。
高電圧ケノトロンは無線送信機の電源回路に使用されました。研究室やアマチュア無線の現場では、小型のケノトロン整流器が広く使用され、250 ～ 500 V で 50 ～ 150 mA の整流電流を得ることができました。 交流電流アノードに電力を供給する変圧器の補助巻線から取り外されます。
整流器 (通常は全波整流器) の設置を簡素化するために、共通のカソードを備えた共通のシリンダー内に 2 つの別々のアノードを備えたダブルアノード ケノトロンが使用されました。適切な設計（この場合はダイオードと呼ばれます）を備えたケノトロンの比較的小さな電極間静電容量とその特性の非線形性により、検出、受信機モードの自動設定など、さまざまな無線工学のニーズにケノトロンを使用することが可能になりました。目的。
真空管では 2 つのカソード構造が使用されました。陰極直接（直接）フィラメントは、バッテリーまたは変圧器からの電流によって加熱される白熱線またはストリップの形で作られます。間接的に加熱された (加熱された) カソードはより複雑です。
タングステン フィラメント - ヒーターはセラミックまたは酸化アルミニウムの耐熱層で絶縁されており、外側が酸化層で覆われたニッケル シリンダーの内側に配置されています。シリンダーはヒーターとの熱交換により加熱されます。
シリンダの熱慣性により、交流電流が供給されている場合でも、シリンダの温度は実質的に一定です。低温で顕著な放出をもたらす酸化物層は陰極です。
酸化物陰極の欠点は、加熱または過熱した場合に動作が不安定になることです。後者は、アノード電流が高すぎる（飽和に近い）場合に発生する可能性があります。これは、抵抗が高いためにカソードが過熱し、この場合、酸化物層が発光を失い、さらには崩壊する可能性があるためです。
加熱陰極の大きな利点は、(直接加熱中のフィラメント電流による) 陰極両端の電圧降下がないことと、陰極の電位に完全に依存せずに共通電源から複数のランプのヒーターに電力を供給できることです。
ヒーターの特殊な形状は、ヒーターに交流電流が供給されると、ラジオ受信機のスピーカーに「バックグラウンド」を生成するグロー電流の有害な磁場を軽減するという目的に関連しています。
雑誌「ラジオクラフト」の表紙、1934年
2つの電極を備えたランプ
交流整流（ケノトロン）には 2 つの電極ランプが使用されました。高周波検出に使用される同様のランプはダイオードと呼ばれます。
三極ランプ
2つの電極を備えた技術的に適切なランプの出現から1年後、陰極と陽極の間に配置されたスパイラルの形で作られたグリッドである3番目の電極が導入されました。結果として得られた 3 電極ランプ (トライオード) は、多くの新たな価値のある特性を獲得し、広く使用されています。このようなランプは増幅器として機能することができます。 1913 年に彼の助けにより、最初の自動発電機が作成されました。
三極管リー・デ・フォレストの発明者（電子管に制御グリッドを追加）
リー・フォレスト・トライオード、1906年。
ダイオードでは、アノード電流はアノード電圧のみの関数ですが、三極管では、グリッド電圧もアノード電流を制御します。無線回路では、通常、三極管 (および多電極管) が「制御電圧」と呼ばれる交流主電圧で使用されます。
多電極ランプ
多電極管は、利得を高め、管の入力容量を減らすように設計されています。いずれにせよ、追加のグリッドはアノードを他の電極から保護するため、シールド (スクリーン) グリッドと呼ばれます。シールドされたランプのアノードと制御グリッド間の静電容量は、ピコファラッドの 100 分の 1 に減少します。
シールドランプでは、陽極電圧の変化が陽極電流に与える影響は三極管よりもはるかに少ないため、ランプの利得と内部抵抗は急激に増加しますが、傾きは三極管の傾きと比較的わずかしか異なりません。
しかし、シールドされたランプの動作は、いわゆるダイナトロン効果によって複雑になります。十分な速度で陽極に到達した電子は、その表面から電子の二次放出を引き起こします。
これを排除するために、保護 (アンチダイナトロン) ネットワークと呼ばれる別のネットワークがグリッドとアノードの間に導入されます。これは陰極（場合によってはランプ内部）に接続されます。このグリッドは電位がゼロであるため、一次電子の流れの動きに大きな影響を与えることなく、二次電子の速度を低下させます。これにより、アノード電流特性のディップが解消されます。
このような 5 電極ランプ (五極管) は、設計や動作モードに応じて異なる特性を得ることができるため、広く普及しています。
フィリップス五極管のアンティーク広告
高周波五極管の内部抵抗は 1 メグオーム程度、傾きは 1 ボルトあたり数ミリアンペア、利得は数千です。低周波出力五極管は、同程度の急峻さを持つ大幅に低い内部抵抗 (数十キロオーム) を特徴としています。
いわゆるビームランプでは、ダイナトロン効果は 3 番目のグリッドによってではなく、2 番目のグリッドとアノードの間の電子ビームの集中によって除去されます。これは、2 つのグリッドのターンとそれらからのアノードの距離を対称的に配置することによって実現されます。
電子は、集中した「フラットビーム」としてグリッドから出ます。ビームの発散は、ゼロ電位保護プレートによってさらに制限されます。集中した電子ビームはアノードに空間電荷を生成します。二次電子の速度を低下させるのに十分な最小電位がアノード付近に形成されます。
一部のランプでは、制御グリッドが可変ピッチの螺旋の形で作られています。格子密度が特性のゲインと傾きを決定するため、このランプでは傾きが可変であることがわかります。
わずかに負のネットワーク電位では、ネットワーク全体が機能し、急峻さが顕著になることがわかります。しかし、グリッドの電位が非常に負である場合、グリッドの密な部分は実際には電子の通過を許可せず、ランプの動作はスパイラルのまばらに巻かれた部分の特性によって決定されるため、ゲインはと急峻さが大幅に軽減されます。
周波数変換には 5 つのグリッド ランプが使用されます。ネットワークのうち 2 つは制御ネットワークであり、異なる周波数の電圧が供給され、他の 3 つのネットワークは補助機能を実行します。
1947 年の電子真空管の雑誌広告。
装飾およびマーキングランプ
真空管には膨大な数の種類がありました。ガラス電球ランプとともに、金属または金属化ガラス電球ランプが広く使用されています。ランプを外界から保護し、機械的強度を高めます。
電極 (またはそのほとんど) はランプのベースのピンにつながっています。最も一般的な 8 ピン ベース。
小さな「指」、「どんぐり」タイプのランプ、およびバルーンの直径が (通常の直径 40 ～ 60 mm ではなく) 4 ～ 10 mm のミニチュア ランプには口金がありません。電極ワイヤは口金の口を通して作られています。バルーン - これにより、入力間の静電容量が減少します。小さな電極は静電容量も低いため、このようなランプは従来のものよりも高い周波数、つまり最大 500 MHz 程度の周波数で動作できます。
ビーコン ランプは、より高い周波数 (最大 5000 MHz) での動作に使用されました。それらはアノードとグリッドの設計が異なります。円盤状のグリッドはシリンダーの平らな底面に配置され、10 分の 1 ミリメートルの距離でガラス (陽極) にはんだ付けされています。強力なランプでは、風船は特殊なセラミックで作られています（セラミックランプ）。他のランプは非常に高い周波数に使用できます。
非常に高出力の電子管では、アノードの面積を増やし、さらには強制空冷または水冷に頼る必要がありました。
ランプのマーキングと印刷は非常に多様です。また、マーキングシステムも何度か変更されています。ソ連では、次の 4 つの要素の指定が採用されました。
1. フィラメント電圧を示す数値。最も近いボルトに四捨五入されます (最も一般的な電圧は 1.2、2.0、および 6.3 V)。
2. ランプの種類を示す文字。したがって、ダイオードは文字 D、三極管 C、長さ K の短い特性 Zh の五極管、出力五極管 P、二三極管 H、ケノトロン Ts で指定されます。
3. 工場出荷時の設計のシリアル番号を示す番号。
4. ランプのデザインを特徴づける文字。したがって、現在、金属製のランプには最後の指定がまったくなく、ガラス製のランプは文字C、指P、ドングリF、ミニチュアBで示されます。
ランプのマーク、ピン、寸法に関する詳細情報は、40 年代から 60 年代の専門文献を参照するのが最適です。 XX世紀。
現代におけるランプの使用
1970 年代に、すべての真空管はダイオード、トランジスタ、サイリスタなどの半導体デバイスに置き換えられました。電子レンジなど、一部の地域では今でも真空管が使用されています。 マグネトロン、およびケノトロンは、変電所の高電圧 (数十および数百キロボルト) の整流と高速スイッチングに使用されます。 直流による送電用.
いわゆる自作自演の人がたくさんいます。最近では電子真空管を使ってアマチュア向けのサウンドデバイスを構築する「チューブサウンド」。