진공관

Vacuum tube
이 기사는 전자기기에 관한 것입니다.진공 파이프에 대한 실험은 자유 낙하(Free free fall운송 시스템은 공압 튜브를 참조하십시오.채혈에 대해서는 정맥시술(Venipuncture
최신 열전자 진공관(대부분 미니어처 스타일), 일부는 더 높은 전압을 위한 탑 캡 연결부가 있음

진공관, 전자관,[1][2][3] 밸브(영국 사용) 또는 튜브(북미)[4]는 전위차가 적용된 전극 사이의 고진공 상태에서 전류 흐름을 제어하는 장치이다.

열전자 튜브 또는 열전자 밸브로 알려진 유형은 신호 증폭 및 전류 정류와 같은 기본적인 전자 기능을 위해 뜨거운 음극에서 전자의 열전자 방출을 사용합니다.그러나 진공광전관 등 비열전자형은 광전효과를 통해 전자방사를 실현하고 광강도 검출 등의 목적으로 사용된다.두 유형 모두 전자는 튜브 내의 전계에 의해 음극에서 양극으로 가속된다.

튜브를 사용한 오디오 파워 앰프가 작동 중입니다.적색-주황색 광택은 가열된 필라멘트에서 나옵니다.
원시 3극 진공 튜브와 일반적인 DC 작동 전위의 극성을 나타내는 그림입니다.C 및 B 전압원에 직렬로 포함되는 임피던스(저항 또는 인덕터)는 표시되어 있지 않습니다.

가장 간단한 진공관인 다이오드(즉 플레밍 밸브)는 1904년 John Ambrose Fleming에 의해 발명되었으며 가열된 전자 방출 음극과 양극만 포함되어 있습니다.전자는 소자를 통해 음극에서 양극으로 한 방향으로만 흐를 수 있습니다.튜브 내에 하나 이상의 제어 그리드를 추가하면 음극과 양극 사이의 전류를 그리드 [5]상의 전압으로 제어할 수 있습니다.

이 장치들은 20세기 전반의 전자 회로의 핵심 부품이 되었다.그것들은 라디오, 텔레비전, 레이더, 녹음과 재생, 장거리 전화 네트워크, 아날로그와 초기 디지털 컴퓨터의 발전에 매우 중요했다.일부 어플리케이션에서는 무선용 스파크 갭 송신기나 컴퓨터용 기계 등의 초기 테크놀로지를 사용했지만, 이러한 테크놀로지를 널리 실용화해 전자제품의 [6]분야를 만들어 낸 것은 열전자 진공관의 발명이었다.

1940년대에 반도체 소자의 발명으로 열전자 튜브보다 작고, 효율적이며, 신뢰성이 높고, 내구성이 높고, 안전하며, 경제성이 뛰어난 솔리드 스테이트 소자를 생산하는 것이 가능해졌다.1960년대 중반부터 열전자관은 트랜지스터로 대체되었다.하지만, 브라운관(CRT)은 21세기 초까지 텔레비전 모니터와 오실로스코프의 기초가 되었다.

전자레인지에서 사용되는 마그네트론, 특정 고주파 증폭기, 기타와 같은 전자악기용 증폭기 및 많은 오디오 애호가들이 "따뜻한" 튜브 사운드를 선호하는 하이엔드 오디오 증폭기와 같은 일부 응용 분야에 여전히 열전자 튜브가 사용되고 있습니다.

모든 전자 회로 밸브/전자 튜브가 진공 튜브인 것은 아닙니다.가스가 채워진 튜브는 비슷한 장치이지만 일반적으로 저압의 가스를 포함하고 있으며, 일반적으로 히터 없이 가스의 방전 관련 현상을 이용합니다.

분류

진공관 포함 라디오 방송국 신호 발생기

열전자 진공관의 한 가지 분류는 활성 전극의 수에 의한 것입니다.두 개의 활성 요소가 있는 장치는 보통 정류에 사용되는 다이오드입니다.3개의 요소가 있는 디바이스는 증폭 및 스위칭에 사용되는 트라이오드입니다.추가 전극은 테트로이드, 펜토드 등을 생성하며, 이들 추가 제어 가능한 전극에 의해 가능한 여러 추가 기능을 가진다.

기타 분류는 다음과 같습니다.

  • 주파수 범위별(오디오, 라디오, VHF, UHF, 마이크로파)
  • 전력 정격별(소형 주파수, 오디오 전력, 고출력 무선 전송)
  • 캐소드/캐소드 타입(가열, 직접 가열) 및 워밍업 시간('밝기 이미터' 또는 '크립토 이미터' 포함)에 의한
  • 특성 곡선 설계(예: 일부 펜토드에서 샤프 대 원격 조정)
  • 응용 프로그램별(증폭관, 송신관, 증폭 또는 전환, 정류, 혼합)
  • 특수 파라미터(긴 수명, 매우 낮은 마이크로폰 감도 및 저소음 오디오 증폭, 견고한 버전 또는 군사 버전)
  • 특수 기능(빛 또는 방사선 검출기, 비디오 이미징 튜브)
  • 정보 표시에 사용되는 튜브("매직 아이" 튜브, 진공 형광 디스플레이, CRT)

튜브는 전자현미경 및 전자빔 리소그래피와 같은 보다 전문적인 기능 외에 표시 목적으로 전자빔을 생성하는 음극선 튜브와 같은 다양한 기능을 가지고 있다.X선 튜브도 진공관이다.광튜브와 광전자 증배관은 진공 상태의 전자 흐름에 의존하지만, 이러한 경우 음극으로부터의 전자 방출은 열전자 방출이 아닌 광자의 에너지에 의존합니다.이러한 종류의 "진공 튜브"는 전자 증폭 및 정류 이외의 기능이 있기 때문에 다른 곳에 설명되어 있습니다.

묘사

다이오드: 열음극에서 양극으로 전자가 흐르지만 그 반대는 아니다.
3극: 그리드 컨트롤 플레이트(아노드) 전류에 인가되는 전압.

진공관은 밀폐된 엔벨로프 내의 진공에 2개 이상의 전극으로 구성된다.대부분의 튜브에는 코바르 봉인 가능한 붕규산염 유리에 기반한 유리-금속 씰이 있는 유리 엔벨로프가 있지만 세라믹 및 금속 엔벨로프(아탑 절연 베이스)가 사용되었습니다.전극은 밀폐 씰을 통해 엔벨로프를 통과하는 리드에 부착됩니다.대부분의 진공 튜브는 필라멘트 또는 히터 연소 또는 기타 고장 모드로 인해 수명이 제한되므로 교체 가능한 장치로 제작됩니다. 전극 리드는 튜브 소켓에 연결되는 튜브 베이스의 핀에 연결됩니다.튜브는 전자 기기의 잦은 고장 원인이었고, 소비자가 튜브를 직접 교체할 수 있을 것으로 기대되었다.베이스 단자 외에 일부 튜브에는 상단 캡에서 종단되는 전극이 있었습니다.이렇게 하는 주된 이유는 특히 고임피던스 그리드 [7]: 580 [8]입력의 경우 튜브 베이스를 통한 누출 저항을 방지하기 위함이었다.베이스는 일반적으로 페놀계 단열재로 제작되어 습한 환경에서 절연체로서 성능이 떨어집니다.탑 캡을 사용하는 다른 이유로는 그리드-아노드 [9]캐패시턴스 감소, 고주파 성능 향상, 매우 높은 플레이트 전압의 저전압 유지, 베이스가 허용하는 것보다 많은 전극의 수용이 있습니다.심지어 2개의 탑 캡 연결부가 있는 디자인도 있었습니다.

최초의 진공관은 백열등에서 진화하여 진공 유리 봉투에 밀봉된 필라멘트를 포함하고 있습니다.뜨거울 때, 필라멘트는 원래 에디슨 효과로 알려진 열전자 방출이라고 불리는 과정인 진공으로 전자를 방출합니다.두 번째 전극인 양극 또는 판이 더 양의 전압일 경우 이러한 전자를 끌어당깁니다.그 결과 필라멘트에서 플레이트로 전자가 순유동합니다.그러나 전자는 플레이트가 가열되지 않고 전자를 방출하지 않기 때문에 역방향으로 흐를 수 없다.필라멘트(음극)는 가열하면 전자를 방출하고 플레이트와 함께 전위차로 인해 전계를 발생시키는 이중 기능을 가지고 있다.전극이 2개뿐인 관을 다이오드라고 하며 정류에 사용됩니다.전류는 한 방향으로만 통과할 수 있으므로 이러한 다이오드(또는 정류기)는 교류(AC)를 펄스 DC로 변환합니다.따라서 다이오드는 진폭 변조(AM) 무선 신호의 복조기로 DC 전원장치에서 사용할 수 있으며 이와 유사한 기능에도 사용할 수 있습니다.

초기 튜브는 필라멘트를 음극으로 사용했는데, 이것은 "직접 가열된" 튜브라고 불립니다.대부분의 현대식 튜브는 음극인 금속 튜브 내부의 "히터" 요소에 의해 "간접 가열"됩니다.히터는 주변 음극으로부터 전기적으로 격리되어 전자의 열전자 방출을 위해 음극을 충분히 가열하는 역할을 합니다.전기적 절연 기능을 통해 모든 튜브의 히터가 공통 회로(험을 유도하지 않고 AC일 수 있음)로부터 공급되며, 서로 다른 튜브의 캐소드가 서로 다른 전압에서 작동할 수 있습니다.H. J. Round는 [10]1913년경 간접 가열된 튜브를 발명했다.

필라멘트는 마이크로와트 수준에서 신호를 증폭하는 경우에도 일정하고 많은 경우 상당한 전력을 필요로 합니다.음극의 전자가 양극(플레이트)에 충돌하여 열을 가할 때도 전력이 소산됩니다. 이는 선형성 및 낮은 왜곡을 보장하는 데 필요한 대기 전류로 인해 유휴 앰프에서도 발생할 수 있습니다.파워앰프에서 이 가열은 상당할 수 있으며 안전 한계를 초과하여 구동될 경우 튜브를 파괴할 수 있습니다.튜브에는 진공이 포함되어 있기 때문에 대부분의 중소 전력 튜브의 양극은 유리 엔벨로프를 통한 방사선에 의해 냉각됩니다.일부 특수 고출력 애플리케이션에서는 양극이 진공 엔벨로프의 일부를 형성하여 외부 히트 싱크로 열을 전달합니다.이 히트 싱크는 보통 송풍기 또는 워터 잭킷으로 냉각됩니다.

클라이스트론과 마그네트론은 종종 양극(크라이스트론에서는 수집기라고 함)을 접지 전위로 작동시켜 고압 절연 없이 특히 물을 사용하여 냉각을 용이하게 한다.대신 이러한 튜브는 필라멘트와 음극에 높은 음전압으로 작동합니다.

다이오드를 제외하고 음극과 플레이트(아노드) 사이에 추가 전극이 배치됩니다.이러한 전극은 고체 전극이 아니라 전자가 플레이트로 이동하는 과정에서 통과할 수 있는 희박한 요소이기 때문에 그리드라고 합니다.그러면 진공관은 그리드 수에 따라 3극, 4극, 5극 등으로 알려져 있습니다.3극에는 양극, 음극, 그리드 등 3개의 전극이 있습니다.제어 그리드로 알려진 첫 번째 그리드(및 다른 그리드)는 다이오드를 전압 제어 장치로 변환합니다. 제어 그리드에 인가되는 전압이 음극과 플레이트 사이의 전류에 영향을 줍니다.음극에 대해 음으로 유지되면 제어 그리드는 음극에서 방출되는 전자를 밀어내는 전계를 생성하여 음극과 양극 사이의 전류를 줄이거나 정지시킵니다.컨트롤 그리드가 음극에 대해 음의 값을 갖는 한 기본적으로 전류가 음극으로 흐르지 않지만 컨트롤 그리드에서 몇 볼트만 변경해도 플레이트 전류가 크게 달라져 출력이 수백 볼트(회로에 따라 다름)씩 변경될 수 있습니다.펜토드 튜브와 가장 비슷하게 작동하는 솔리드 스테이트 소자는 접합 전계 효과 트랜지스터(JFET)입니다. 그러나 진공 튜브는 대부분의 응용 분야에서 반도체와 달리 일반적으로 100V 이상에서 작동합니다.

역사와 발전

에디슨의 실험 전구 중 하나

19세기에는 가이스러와 크룩스 튜브와 같은 진공 튜브에 대한 연구가 증가했다.그러한 튜브로 실험한 많은 과학자들과 발명가들로는 토마스 에디슨, 유진 골드스타인, 니콜라 테슬라, 그리고 요한 빌헬름 히토프가 있다.초기 전구를 제외하고, 그러한 튜브는 과학 연구나 신기한 용도로만 사용되었다.그러나 이 과학자들과 발명가들이 만든 토대는 후속 진공관 기술의 발전에 매우 중요했다.

열전자 방출은 1873년 프레드릭 거스리에 [11]의해 처음 보고되었지만, 잘 알려진 것은 1883년 토마스 에디슨의 독립적인 발견이었다.에디슨은 필라멘트와 양극 사이의 전류 흐름의 단방향 특성을 알고 있었지만, 그의 관심(특허)은 필라멘트를 통한 전류에 대한 양극 전류의 감도(따라서[12] 필라멘트 온도)에 초점을 맞췄다.존 앰브로스 플레밍이 자기 [13]검출기보다 개선된 무선 신호 검출에 에디슨 효과의 정류 특성을 적용한 것은 수년 후였다.

진공관에 의한 증폭은 1907년 리 드 포레스트가 3극이 [14]될 조악한 형태인 3단자 "오디오" 튜브를 발명하면서 비로소 실용화 되었다.본질적으로 최초의 전자 [15]증폭기였던 그러한 튜브는 장거리 전화(미국 최초의 해안 간 전화 회선 등)와 공공 주소 시스템에 중요한 역할을 했으며, 무선 송신기와 수신기에 사용하기 위한 훨씬 우수하고 다용도적인 기술을 도입했습니다.20세기의 전자제품 혁명은 거의 틀림없이 3극 진공관의 발명과 함께 시작되었다.

다이오드

주요 기사:다이오드
플레밍의 첫 번째 다이오드

19세기 말, 무선 기술은 발전의 초기 단계에 있었고 마르코니 회사는 무선 통신 시스템의 개발과 건설에 종사했다.굴리엘모 마르코니는 1899년 영국의 물리학자 존 암브로즈 플레밍을 과학 고문으로 임명했다.플레밍은 Edison Telephone(1879년)의 과학 고문, Edison Electric Light(1882년)의 과학 고문,[16] Edison-Swan의 기술 고문으로 고용되었다.마르코니의 요구 중 하나는 검출기의 개선이었다.마르코니는 자기 검출기를 개발했는데, 자기 검출기는 무선 주파수 간섭의 자연 소스에 대한 반응성이 코헤러보다 낮았지만, 자기 검출기는 전화 수신기에 오디오 주파수 신호만 제공했다.인쇄 기기를 구동할 수 있는 신뢰할 수 있는 검출기가 필요했다.에디슨 효과 [13]전구에 대해 수행된 실험의 결과, 플레밍은 진공관이 [17]한 방향으로만 전류를 통과시키기 때문에 그가 발진 밸브라고 불렀던 진공관을 개발했다.음극은 전류를 통과시켜 가열되는 탄소 램프 필라멘트로 전자의 열전자 방출을 생성했습니다.음극에서 방출된 전자는 플레이트가 음극에 대해 양전압일 때 플레이트(아노드)에 끌렸다.판이 가열되지 않았고 전자의 열전자 방출이 불가능했기 때문에 전자는 역방향으로 통과할 수 없었다.플레밍은 1904년 11월 마르코니 회사에 할당된 이 튜브에 대한 특허를 영국에 제출했고 이 특허는 1905년 [18]9월에 발행되었다.나중에 플레밍 밸브로 알려진 발진 밸브는 무선 수신기 [13][19]회로의 검출기 구성 요소로서 무선 주파수 전류를 정류하기 위해 개발되었습니다.

Fleming 밸브는 결정 [20]검출기의 전기적 감도보다 장점이 없지만, 특히 선상 사용에서는 결정 검출기의 조정 어려움과 진동 또는 [21]범핑에 의한 조정에서 벗어날 수 있는 결정 검출기의 민감성보다 장점이 있습니다.

General [22][23]Electric의 Saul Dushman이 1915년 4월에 전력 공급 회로에 정류기를 적용하기 위해 설계된 최초의 진공관 다이오드를 도입했습니다.

트라이오데스

주요 기사:트라이오데
1906년에 발명된 최초의 삼극장 드 포레스트 오디온은
1918년 RE16에서 1960년대 미니어처 튜브까지 40년 동안 튜브 제조 과정에서 발전한 트라이오드
삼극기호위에서 아래로 : 플레이트(아노드), 제어 그리드, 음극, 히터(필라멘트)

원래, 라디오 회로에서 튜브의 유일한 용도는 증폭이 아닌 정류였습니다.1906년 로버트 폰 리벤은 자기편향을 포함한 음극선관에 대한 특허를[24] 출원했다.이는 오디오 신호를 증폭하기 위해 사용할 수 있으며 텔레포니 기기에서 사용하기 위한 것입니다.그는 나중에 3극 진공관을 정제하는 것을 도왔다.

그러나, 리 드 포레스트는 1907년 그의 오리지널 다이오드(다이오드)를 개량하는 실험을 하면서 삼극관을 발명한 공로를 인정받고 있다오디오[25]필라멘트(음극)와 플레이트(음극) 사이에 추가 전극을 배치함으로써 그는 결과 장치의 신호 증폭 능력을 발견했다.제어 그리드(또는 단순히 "그리드")에 인가되는 전압이 음극 전압에서 다소 더 음전압으로 낮아짐에 따라 필라멘트에서 플레이트로의 전류량이 감소합니다.음극 근처에 있는 그리드에 의해 생성된 음의 정전장은 방출된 전자의 통과를 방해하고 플레이트로의 전류를 감소시킵니다.그리드 전압이 음극 전압보다 낮으면 음극에서 그리드로 직류 전류가 흐르지 않습니다.

따라서 그리드에 인가되는 전압의 변화는 그리드에 전력 입력이 거의 필요하지 않으므로 플레이트 전류에 변화가 생길 수 있으며 플레이트의 전압 변화로 이어질 수 있습니다. 그 결과 전압과 전력 증폭이 이루어졌습니다.1908년 드 포레스트는 라디오 통신에서 전자 증폭기로 사용할 수 있도록 원래 오디오의 3전극 버전에 대한 특허(미국 특허 879,532)를 받았습니다.이것은 결국 3극으로 알려지게 되었다.

General Electric Company Pliotron, 과학사연구소

드포레스트의 원래 장치는 전통적인 진공 기술로 만들어졌다.진공은 "하드 진공"이 아니라 매우 적은 양의 잔류 가스를 남겼습니다.이 장치의 작동에 대한 물리적인 사실도 밝혀지지 않았다.잔류 가스는 플레이트 전압이 높을 때(약 60V 이상) 파란색 빛을 발합니다.1912년, 드 포레스트는 AT&T의 엔지니어링 부서의 해롤드 아놀드에게 오디오온을 가져다 주었다.아놀드는 AT&T에게 특허를 구입하라고 권했고 AT&T는 그의 권고를 따랐다.아놀드는 1913년 여름 AT&T의 장거리 네트워크에서 [26]테스트된 고진공 튜브를 개발했다.고진공 튜브는 청색 광선 없이 높은 플레이트 전압에서 작동할 수 있습니다.

핀란드 발명가 에릭 티거스테트는 1914년 독일 베를린에서 사운드 온 필름 공정을 연구하면서 원래의 3중극 디자인을 크게 개선했습니다.Tigerstedt의 혁신은 음극이 중심에 있는 전극 실린더를 동심원으로 만들어 양극에서 [27]방출되는 전자의 수집을 크게 증가시키는 것이었습니다.

미국 제너럴 일렉트릭 연구소(뉴욕주 쉐넥타디)의 어빙 랭뮤어는 볼프강 가데의 고진공 확산 펌프를 개량하여 진공에서의 열전자 방출과 전도 문제를 해결하기 위해 이를 사용했다.결과적으로,[28] General Electric은 1915년에 단단한 진공 삼각대를 생산하기 시작했습니다.랭뮤어는 하드 진공 3극에 특허를 냈지만 드포레스트와 AT&T가 우선권을 주장해 특허를 무효화했다.

플리오트론은 1916년까지 연합군에 의해 널리 사용되었던 프랑스형 'TM'과 후에 영어형 'R'이 뒤를 바짝 따랐다.지금까지 생산용 진공 튜브의 진공 수준은 일반적으로 10µPa에서 10nPa(8×10Torr에서−8 8×10Torr−11)[29]까지 다양했습니다.

3극 및 그 유도체(테트로드 및 펜토드)는 그리드에 인가되는 제어신호는 전압이고, 그 결과 양극에 나타나는 증폭신호는 [30]전류인 트랜스컨덕턴스 소자이를 제어 신호가 전류이고 출력도 전류인 바이폴라 정션 트랜지스터의 동작과 비교해 보십시오.

진공관의 경우, 트랜스컨덕턴스 또는 상호컨덕턴스(gm)는 플레이트(애노드)/캐소드 전류의 변화를 그리드 전압에서 음극 전압으로 대응하는 변화로 나눈 것으로 정의되며, 플레이트(애노드)에서 음극 전압으로 일정하게 된다.작은 신호 진공관의 일반적인 g 값은m 1 ~10 밀리세멘입니다.이는 진공 튜브의 세 가지 '상수' 중 하나이며, 나머지 두 가지는 게인 μ 및 플레이트 저항p R 또는a R입니다.Van der Bijl 방정식은 이들의 관계를 다음과 같이 한다. Rp { g _ { m } =μ mu R _ { } }

트라이오드의 비선형 작동 특성으로 인해 초기 튜브 오디오 앰프가 저음량에서 고조파 왜곡을 나타냈습니다.인가된 그리드 전압의 함수로 플레이트 전류를 표시하면 전송 특성이 거의 선형인 그리드 전압의 범위가 있음을 알 수 있었다.

이 범위를 사용하려면 DC 작동 지점을 선형 영역에 배치하기 위해 그리드에 음의 바이어스 전압을 적용해야 했습니다.이를 유휴 상태라고 하며, 이 시점에서의 플레이트 전류는 "유휴 전류"라고 합니다.제어전압은 바이어스전압에 중첩되어 그 지점 주변의 입력전압의 양의 변동과 음의 변동에 반응하여 플레이트전류의 선형변화가 발생하였습니다.

이 개념을 그리드 바이어스라고 합니다.많은 초기 라디오 세트에는 "C 배터리"라고 불리는 세 번째 배터리가 있었습니다(문자가 크기와 모양을 나타내는 오늘날의 C 셀과는 관련이 없습니다).C 배터리의 양극 단자는 튜브의 음극(또는 대부분의 회로에서는 "접지")에 연결되었고 음극 단자는 튜브의 그리드에 바이어스 전압을 공급했습니다.

이후 회로는 음극에서 분리된 히터를 사용하여 튜브를 만든 후 음극 바이어싱을 사용하여 별도의 음극 전원 공급이 필요하지 않게 되었습니다.음극 바이어싱의 경우 상대적으로 낮은 값의 저항이 음극과 접지 사이에 연결됩니다.이것에 의해, DC의 접지 전위에 있는 그리드에 대해서, 음극이 양극이 됩니다.

그러나 "A" 및 "B" 배터리가 AC 주전원의 전원으로 교체된 경우에도 일부 장비에 C 배터리가 계속 포함되어 있었습니다.이는 배터리에는 기본적으로 전류 요구량이 없기 때문에 가능했습니다. 따라서 배터리들은 교체 없이 수년 동안(종종 모든 튜브보다 더 오래) 지속될 수 있었습니다.

무선 송신기와 수신기에 처음 3극이 사용되었을 때, 튜닝된 증폭 단계는 이득이 매우 제한되지 않는 한 진동하는 경향이 있는 것으로 확인되었습니다.이는 플레이트(증폭기의 출력)와 제어 그리드(증폭기의 입력) 사이의 기생 캐패시턴스(밀러 캐패시턴스) 때문입니다.

결국, 플레이트(아노드)에 연결된 RF 변압기에 반대 위상에서의 추가 권선이 포함되도록 하는 중화 기술이 개발되었습니다.이 권선은 작은 캐패시터를 통해 그리드에 다시 연결되며 적절히 조정되면 밀러 캐패시턴스가 취소됩니다.이 기술은 1920년대 뉴트로다인 라디오의 성공을 이끌었다.그러나 중성화는 세심한 조정이 필요했으며 광범위한 주파수에 걸쳐 사용했을 때 만족스럽지 못한 것으로 판명되었다.

테트로이드 및 펜토드

주요 기사:테트로이드와 펜토데
테트로이드 기호위에서 아래로: 플레이트(아노드), 스크린 그리드, 제어 그리드, 음극, 히터(필라멘트)

그리드 대 플레이트 용량으로 인한 무선 주파수 증폭기로서의 3극의 안정성 문제를 해결하기 위해 물리학자 월터 H. 숏키는 [31]1919년 테트로이드 또는 스크린 그리드 튜브를 발명했다.그는 제어 그리드와 플레이트 사이에 정전 차폐를 추가하면 문제를 해결할 수 있다는 것을 보여주었다.이 디자인은 Hull과 [32]Williams에 의해 개선되었습니다.추가된 그리드는 스크린 그리드 또는 실드 그리드로 알려지게 되었습니다.스크린 그리드는 플레이트 전압보다 훨씬 낮은 양의 전압으로 작동하며 [33]증폭되는 주파수의 낮은 임피던스의 캐패시터를 사용하여 접지로 우회됩니다.이 배열은 플레이트와 제어 그리드를 실질적으로 분리하므로 중파 방송 주파수에서 회로를 중화시킬 필요가 없습니다.스크린 그리드는 또한 음극 근처의 공간 전하에서 플레이트 전압의 영향을 크게 줄여 4극이 앰프 회로의 3극보다 더 큰 전압 게인을 생성할 수 있도록 합니다.일반적인 트라이오드의 증폭 계수는 일반적으로 10 미만에서 약 100인 반면, 사극 증폭 계수는 500입니다.이것에 의해, 1개의 튜브 증폭 스테이지로부터의 높은 전압 게인이 가능해져, 필요한 튜브의 수를 삭감할 수 있다.스크린 그리드 튜브는 1927년 [34]말에 시장에 나왔다.

앰프로서의 스크린 그리드 튜브(테트로이드)의 유용한 작동 영역은 스크린 그리드 전위보다 큰 특성 곡선의 직선 부분에서 양극 전위로 제한됩니다.

그러나 스크린 그리드 튜브가 앰프로 작동하는 유용한 영역은 플레이트로부터의 2차 방출로 인해 스크린 그리드 전압보다 높은 플레이트 전압으로 제한되었습니다.모든 튜브에서 전자는 표면에서 전자를 방출할 수 있는 충분한 에너지로 플레이트에 부딪힙니다.3극에서 전자의 2차 방출은 단순히 플레이트에 의해 재포착되기 때문에 중요하지 않습니다.하지만 4극에서는 양전압이기 때문에 스크린 그리드에 의해 포착될 수 있으며, 플레이트 전류로부터 차단되어 튜브의 증폭을 줄일 수 있습니다.2차 전자가 1차 전자의 수를 일정 범위의 플레이트 전압에 걸쳐 초과할 수 있으므로 플레이트 전압이 증가함에 따라 플레이트 전류가 감소할 수 있습니다.이것은 다이너트론[35] 영역 또는 테트로이드 비틀림이며,[36] 그 자체가 불안정성을 일으킬 수 있는 음의 저항의 예입니다.2차 방출의 또 다른 바람직하지 않은 결과는 스크린 전류가 증가하여 스크린의 전력 정격을 초과할 수 있다는 것입니다.

그렇지 않으면 바람직하지 않은 플레이트 특성 부저항 영역을 다이너트론 발진기 회로와 함께 이용하여 플레이트를 공진 LC 회로에 연결하기만 하면 발진기를 만들 수 있었습니다.다이너트론 발진기는 수년 후 터널 다이오드 발진기와 동일한 음의 저항 원리로 작동했습니다.

스크린 그리드와 플레이트 사이에 그리드를 추가하여 펜토드를 생성함으로써 스크린 그리드 튜브의 다이너트론 영역을 제거했습니다.펜토드의 서프레서 그리드는 보통 음극에 연결되며 스크린 그리드 대신 양극에 의해 수집되도록 양극이 역퇴하는 2차 전자에 상대적인 음전압에 연결되었다.펜토드라는 용어는 튜브에 5개의 전극이 있음을 의미합니다.펜토드는 1926년 버나드 D에 의해 발명되었다. H. Tellegen[37] 및 일반적으로 단순한 4중전극보다 선호되게 되었다.펜토드는 2개의 클래스로 구성됩니다.서프레서 그리드가 캐소드에 내부적으로 배선된 것(예를 들어 EL84/6BQ5)과 서프레서 그리드가 사용자 접근을 위해 별도의 핀에 배선된 것(예를 들어 803, 837)입니다.전력 애플리케이션의 대체 솔루션은 아래에서 설명하는 빔 4극 또는 빔 전원 튜브입니다.

다기능 및 다감지관

펜타그리드 컨버터에는 음극과 플레이트(양극) 사이에 5개의 그리드가 있습니다.

슈퍼헤테로다인 리시버는 단일 오각변환기 튜브의 기능으로 결합된 국소 발진기와 믹서가 필요합니다.이를 위해 삼극장과 육극장, 심지어 옥극장까지 조합하여 사용하는 등 다양한 대안이 사용되어 왔다.추가 그리드에는 제어 그리드(저전위)와 스크린 그리드(고전압)가 포함됩니다.많은 설계에서 이러한 스크린 그리드를 추가 양극으로 사용하여 발진기 기능에 대한 피드백을 제공합니다. 발진기 기능은 들어오는 무선 주파수 신호에 전류를 추가합니다.따라서 펜타그리드 변환기는 "All American Five"의 미니어처 튜브 버전을 포함하여 AM 수신기에 널리 쓰이게 되었다.7A8과 같은 옥토드는 미국에서는 거의 사용되지 않았지만 유럽에서는 특히 낮은 전력 소비량이 장점인 배터리 작동식 라디오에서 훨씬 더 흔했습니다.

무선 장비의 비용과 복잡성을 더욱 줄이기 위해, 두 개의 개별 구조(예: 3극과 5극)를 단일 다중 감지 튜브의 전구에 결합할 수 있습니다.초기 예로는 Loewe 3NF가 있습니다.이 1920년대 장치는 하나의 유리 엔벨로프에 3개의 트라이오드와 완전한 무선 수신기를 만드는데 필요한 모든 고정 콘덴서와 저항을 포함합니다.Loewe 세트는 튜브 소켓이 하나밖에 없었기 때문에 독일에서는 소켓 수에 따라 주세가 부과되었기 때문에 경쟁 제품보다 훨씬 저렴할 수 있었다.그러나 신뢰성이 떨어졌고 튜브의 생산 비용은 훨씬 더 커졌습니다.어떤 의미에서 이것들은 집적회로와 비슷했다.미국에서 클리어트론은 에머슨 베이비 그랜드 리시버에서 사용하기 위해 "멀티밸브" 트리플 트라이오드를 잠시 제작했다.이 Emerson 세트에는 튜브 소켓도 1개 있지만 4핀 베이스를 사용하기 때문에 튜브 베이스 상단의 "메자닌" 플랫폼에서 추가 요소 연결이 이루어집니다.

1940년까지 다중 감지 튜브는 일반적이 되었다.그러나 특허 및 기타 라이센스 고려 사항으로 인해 제약이 있었습니다(영국 밸브 협회 참조).외부 핀(리드)의 개수로 인한 제약으로 인해 기능은 종종 (히터 연결 외에) 음극 연결과 같은 외부 연결의 일부를 공유해야 했습니다.RCA 타입 55는 초기 AC 전원 라디오에서 검출기, 자동 이득 제어 정류기 및 오디오 프리앰프로 사용된 이중 다이오드 3극입니다.이러한 세트에는 53 듀얼 트라이오드의 오디오 출력이 포함되어 있는 경우가 많습니다.다단면 튜브의 또 다른 초기 형태인 6SN7은 두 개의 3극 튜브의 기능을 수행하면서 공간을 절반씩 차지하고 비용을 절감하는 "듀얼 3극"이다.12AX7은 미니어처 인클로저의 듀얼 "하이 뮤"(고전압[38][39][40] 게인) 트라이오드로 오디오 신호 증폭기, 악기 및 기타 증폭기에 널리 사용되고 있습니다.

이전에 사용 가능했던 것보다 9핀이 더 많은 미니어처 튜브 베이스(아래 참조)를 도입함으로써 텔레비전 수상기에서 매우 인기 있는 6GH8/ECF82 3극 펜토드와 같은 다른 멀티 섹션 튜브를 도입할 수 있게 되었습니다.한 봉투에 더 많은 기능을 담고자 하는 욕망으로 General Electric Compactron은 12핀을 장착했습니다.전형적인 예로서 6AG11에는 2개의 트라이오드와 2개의 다이오드가 있습니다.

그렇지 않으면 일부 기존 튜브는 표준 범주에 속하지 않습니다. 6AR8, 6JH8 및 6ME8에는 몇 가지 공통 그리드가 있으며, 이어서 전류를 2개의 양극 중 하나로 편향시키는 빔 편향 전극 쌍이 있습니다.그것들은 때때로 '시트 빔' 튜브로 알려져 있으며 일부 컬러 TV에서 컬러 복조를 위해 사용되었다.유사한 7360은 균형형 SSB(de) 모듈레이터로 인기가 있었습니다.

빔 파워 튜브

주요 기사:비임 사극
무선 주파수용으로 설계된 빔 파워 튜브

빔 파워튜브는 음극으로부터의 전자류를 복수의 부분 콜리메이트된 빔에 형성하여 양극과 스크린 그리드 사이에 저전위 공간 전하 영역을 생성하여 양극 전위가 스크린 그리드의 [41][42]전위보다 낮을 때 양극 2차 방출 전자를 양극으로 되돌린다.빔을 형성하면 스크린 그리드 전류도 감소합니다.일부 원통형 대칭형 빔 파워 튜브에서 음극은 제어 그리드의 개구부에 정렬된 방사 재료의 좁은 스트립으로 형성되어 제어 그리드 [43]전류를 감소시킨다.이 설계는 고출력 고효율 전원 튜브 설계에 있어 실질적인 장벽 중 일부를 극복하는 데 도움이 됩니다.

제조업체 데이터 시트는 빔 전원 튜브 대신 빔 펜토드 또는 빔 파워 펜토드라는 용어를 사용하는 경우가 많고 빔 형성 플레이트를 [44]나타내는 그래픽 기호 대신 펜토드 그래픽 기호를 사용합니다.

빔 파워 튜브는 동등한 파워 펜토드에 [45][46]비해 긴 부하 라인, 적은 스크린 전류, 높은 트랜스컨덕턴스 및 낮은 제3 고조파 왜곡의 장점을 제공합니다.빔 파워 튜브는 오디오 음질을 개선하기 위해 트라이오드로 연결할 수 있지만, 트라이오드 모드에서는 출력이 [47]현저하게 감소합니다.

가스 충전관

방전관이나 냉음극관과 같은 가스가 채워진 관은 경질 진공관은 아니지만 항상 해수면 대기압보다 낮은 기압에서 가스로 채워집니다.전압 조절 튜브 및 티라트론과 같은 유형은 단단한 진공 튜브와 유사하며 진공 튜브용으로 설계된 소켓에 장착됩니다.작동 중 눈에 띄는 주황색, 빨간색 또는 보라색 빛은 가스의 존재를 나타냅니다. 진공 상태에서 흐르는 전자는 해당 영역 내에서 빛을 생성하지 않습니다.이러한 유형은 전자 기능을 수행하므로 여전히 "전자 튜브"라고 할 수 있습니다.고출력 정류기는 수은 증기를 사용하여 고진공 튜브보다 낮은 순방향 전압 강하를 달성합니다.

미니어처 튜브

구형 옥탈 스타일에 비해 미니어처 튜브(오른쪽).핀을 포함하지 않는 큰 튜브인 5U4GB는 93mm 높이에 35mm 직경 베이스이며, 작은 튜브인 9핀 12AX7은 45mm 높이에 20.4mm 직경입니다.
초소형 CV4501 튜브(SQ 버전 EF72), 길이 35mm x 직경 10mm(리드 제외)

초기 튜브는 절연 베이클라이트 베이스 위에 금속 또는 유리 봉투를 사용했습니다.1938년에 핀이 봉투의 유리 베이스에 융합된 전체 유리 구조를[48] 사용하는 기술이 개발되었습니다.이것은 7개 또는 9개의 핀이 있는 미니어처 튜브로 알려진 훨씬 작은 튜브 윤곽의 디자인에 사용되었다.튜브를 작게 만들면 안전하게 작동할 수 있는 전압이 낮아지고 필라멘트의 전력 소산도 감소했습니다.소형 튜브는 라디오 수신기 및 하이파이 앰프와 같은 소비자 애플리케이션에서 우세해졌다.그러나 더 큰 구형 방식은 특히 고출력 정류기, 고출력 오디오 출력 단계 및 전송 튜브로 계속 사용되었습니다.

서브미니처 튜브

RCA 6DS4 "Nuvistor" 3극(높이 20mm, 직경 11mm)

담배 절반 크기의 초소형 튜브가 보청기 증폭기로 소비자 용도로 사용되었다.이 튜브들은 소켓에 꽂히는 핀이 없었지만 제자리에 납땜되었다."도끼 튜브"는 또한 매우 작았고, 1959년 금속으로 된 RCA 핵비스터도 심블 크기였다.뉴비스터는 초기 트랜지스터와 경쟁하기 위해 개발되었으며 초기 트랜지스터보다 더 높은 주파수로 작동했다.작은 크기는 특히 고주파 작동을 지원했습니다. nuvister는 고주파 대응 트랜지스터로 대체되기 전까지 항공기 라디오 송수신기, UHF 텔레비전 튜너 및 일부 HiFi FM 라디오 튜너(Sansui 500A)에 사용되었습니다.

시공 및 성능 향상

개별 튜브용 박스(오른쪽 아래), 박스 열용 슬리브(왼쪽) 및 매장에서 구매 시 넣는 작은 튜브(오른쪽 위)를 포함한 20세기 후반에 사용된 진공 튜브용 상업용 포장

최초의 진공관은 백열전구와 매우 흡사했으며 램프 제조업체에 의해 제조되었으며, 램프 제조업체는 유리 봉투를 제조하는 데 필요한 장비와 인클로저를 배출하는 데 필요한 진공 펌프를 가지고 있었습니다.드포레스트는 부분 진공 상태를 남긴 하인리히 가이슬러의 수은 대체 펌프를 사용했습니다.1915년 확산 펌프의 개발과 Irving Langmuir의 개선은 고진공 튜브의 개발로 이어졌다.제1차 세계대전 후, 방송 수신기에 대한 증가하는 수요를 충족시키기 위해 보다 경제적인 건설 방법을 사용하는 전문 제조업체가 설립되었습니다.텅스텐 필라멘트가 약 2200°C의 온도에서 작동합니다.1920년대 중반 산화물 코팅 필라멘트의 개발로 필라멘트 작동 온도가 둔한 적색 열(약 700°C)로 낮아졌고, 이로 인해 튜브 구조의 열 왜곡이 감소했으며 튜브 요소의 간격이 더 가까워졌습니다.3극의 이득은 그리드와 음극 사이의 간격에 반비례하므로 튜브 이득이 개선되었습니다.텅스텐 필라멘트는 작은 전송 튜브에서 계속 사용되지만, 부서지기 쉬우며 우편 서비스 등에서 거칠게 취급할 경우 파손되는 경향이 있습니다.이러한 튜브는 충격과 진동이 없는 정지된 장비에 가장 적합합니다.

간접 가열식 음극

각 튜브의 음극이기도 했기 때문에, AC 주전원을 사용해 전자 기기에 전력을 공급하려는 욕구는 튜브의 필라멘트의 전력 공급과 관련하여 어려움에 직면했습니다.전력 변압기에서 필라멘트에 직접 전력을 공급하면 주 주파수(50 또는 60Hz)가 오디오 스테이지로 흐느껴집니다."등전위 음극"의 발명으로 필라멘트는 접지된 중앙 탭이 있는 균형 잡힌 AC 전력 변압기 권선에 의해 전력을 공급받음으로써 이 문제를 줄였습니다.

각각의 음극이 다른 전압으로 "떠다니는" 것을 가능하게 하는 뛰어난 솔루션은 간접 가열된 음극이었습니다. 산화물 코팅된 니켈 원통이 전자 방출 음극으로 작용하여 내부의 필라멘트에서 전기적으로 분리되었습니다.간접 가열된 음극은 음극 회로를 히터 회로에서 분리할 수 있도록 합니다.더 이상 튜브의 전극에 전기적으로 연결되지 않은 필라멘트는 단순히 "히터"로 알려지게 되었고,[49] 어떠한 웅웅거림도 없이 AC로 전원을 공급받을 수 있었다.1930년대에 간접 가열된 음극관은 AC 전원을 사용하는 장비에 널리 보급되었습니다.직접 가열식 음극관은 간접 가열식 음극선에 필요한 히터보다 필라멘트가 상당히 적은 전력을 필요로 하기 때문에 배터리 구동 장비에 계속 널리 사용되었습니다.

고게인 오디오 애플리케이션용으로 설계된 튜브에는 프로그램 자료에 불쾌한 윙윙거림을 유발할 수 있는 장인 부유 전계를 상쇄하기 위해 비틀린 히터 와이어가 있을 수 있습니다.

히터는 교류(AC) 또는 직류(DC)로 통전할 수 있습니다.DC는 낮은 험이 필요한 경우에 자주 사용됩니다.

전자 컴퓨터에서 사용

다음 항목도 참조하십시오.진공관 컴퓨터 목록
1946년 ENIAC 컴퓨터는 17,468개의 진공관을 사용했으며 150kW의 전력을 소비했다.

스위치로 사용되는 진공관은 최초로 전자 컴퓨팅을 가능케 했지만, 관의 비용과 상대적으로 짧은 평균 고장 시간이 한계 [50]요인이었다."전구와 마찬가지로 고온의 발광 필라멘트를 포함하고 있는 밸브는 신뢰성이 낮기 때문에 만족스럽게 사용할 수 없으며, 대규모 설치에서는 너무 많은 밸브가 너무 짧은 시간 내에 고장날 수 있다는 것이 일반적인 견해였습니다."[51]나중에 Colosus를 설계한 Tommy Flowers는 "밸브를 켜고 켜두는 한, 특히 '히터'가 감소된 전류로 작동한다면 밸브가 매우 오랫동안 안정적으로 작동할 수 있다는 것을 발견했습니다."[51]1934년 Flowers는 작은 독립 모듈에 3,000개 이상의 튜브를 사용하여 성공적인 실험 설비를 구축했습니다. 튜브가 고장났을 때, 한 모듈을 끄고 다른 모듈을 계속 작동시킬 수 있었습니다. 따라서 또 다른 튜브 고장이 발생할 위험을 줄일 수 있었습니다. 이 설비는 우체국에 의해 승인되었습니다(전화 교환을 운영했습니다).꽃은 (전기 기계 장치에 비해) 매우 빠른 전자 스위치를 사용한 선구자이기도 했습니다.이후 연구에서 튜브의 신뢰성은 일반적으로 생각되는 것만큼 심각한 문제가 아니라는 것이 확인되었습니다. 1946년 ENIAC는 17,000개 이상의 튜브를 사용했으며 이틀에 한 번씩 튜브 고장(위치 확인에 15분 소요)이 발생했습니다.관의 품질은 한 요인이었고, 제2차 세계대전 중 숙련된 사람들의 전환은 관의 [52]일반적인 품질을 떨어뜨렸다.전쟁 중에 콜로소스는 독일 암호를 해독하는 데 중요한 역할을 했다.전쟁 후, 군용 컴퓨터인 ENIAC와 Wirlwind, Feranti Mark 1(상업적으로 이용 가능한 최초의 전자 컴퓨터 중 하나), UNIVAC I를 포함한 튜브 기반 컴퓨터도 개발되었습니다.

초소형 튜브를 사용한 진보에는 메릴랜드 베데스다의 제이콥스 Instrument Company가 제작한 Jaincomp 시리즈 기계가 포함됩니다.Jaincomp-B와 같은 모델은 데스크톱 크기의 유닛에 300개의 튜브만 채용하여 당시 방 크기의 머신에 [53]필적하는 성능을 제공했습니다.

골로사스

주요 기사:골로사 컴퓨터
영국 블레츨리 파크에 있는 제2차 세계대전 당시 골로사스 컴퓨터를 재현한 진공관.

플라워스 콜로스와 그 후속작인 콜로사스 Mk2는 2차 세계대전 중 독일 고급 로렌츠 암호화를 해제하는 작업을 상당히 빠르게 하기 위해 영국에 의해 만들어졌다.약 1,500개의 진공관(Mk2의 경우 2,400개)을 사용하여 Colosus는 릴레이 및 스위치 로직(Heath Robinson)에 기반한 이전의 기계를 교체했습니다.Colosus는 이전에 몇 주가 걸렸던 메시지를 몇 시간 만에 해독할 수 있었다; 또한 훨씬 [51]더 신뢰할 수 있었다.단일 [51]기계로 이렇게 대규모로 작동하는 진공관을 사용한 것은 콜로소스가 처음이었다.

회오리 및 "특수 품질" 튜브

주요 기사:회오리바람(컴퓨터)
Whirlwind의 코어 메모리 유닛의 회로

1951년 미국 디지털 컴퓨터 Whirlwind의 신뢰성 요건을 충족하기 위해 수명이 긴 "특수 품질" 튜브, 특히 내구성이 높은 음극이 생산되었습니다.짧은 수명의 문제는 주로 히터 와이어를 더 쉽게 그릴 수 있도록 텅스텐 합금에 사용되는 실리콘의 증발에서 비롯되었습니다.실리콘은 니켈 슬리브와 음극 산화 바륨 [7]: 301 코팅 사이의 경계면에서 바륨 오르토실리케이트를 형성합니다.이 "음극 인터페이스"는 튜브가 전도 [54]: 224 모드로 전환될 때 음극 전류를 크게 감소시키는 고저항층(일부 병렬 캐패시턴스 포함)입니다.히터 와이어 합금에서 실리콘을 제거(및 와이어 드로잉 다이 교체)함으로써 Wirlwind 프로젝트에 충분히 신뢰할 수 있는 튜브를 생산할 수 있었습니다.고순도 니켈 튜브와 규산염, 알루미늄 등 방사율을 낮출 수 있는 물질이 없는 음극 코팅도 음극 수명을 연장하는 데 기여합니다.

최초의 "컴퓨터 튜브"는 실바니아의 1948년 7AK7 펜토드였다(이것들은 표준 6AG7보다 품질이 더 우수해야 했지만 너무 신뢰할 [55]: 59 수 없는 것으로 판명된 7AD7을 대체했다).컴퓨터는 관을 차단(전도를 멈추기에 충분한 음의 그리드 전압)으로 구동하는 최초의 튜브 장치였다.히터를 켠 상태에서 컷오프 상태로 작동하면 음극 중독이 가속되고 전도 [54]: 224 모드로 전환되면 튜브의 출력 전류가 크게 감소합니다.7AK7 튜브는 음극 중독 문제를 개선했지만 그것만으로는 필요한 [55]: 60 신뢰성을 달성하기에 충분하지 않았습니다.추가 대책은 히터 element,[54]에 열적 쇼크를 피하는 것은 튜브가 연장된 시간 동안을 실시해야 하지 않던 히터 전압에서, 켜고 히터 전압은 느린 이동 계단이에서 전환 226과 스트레스 오프라인 유지 기간 동안 약한 단위의 초기 고장들을 구하기 위해 그 관은 시험을 포함했다.[55]:60–61

Wirlwind를 위해 개발된 튜브는 후에 거대한 SAGE 방공 컴퓨터 시스템에 사용되었다.1950년대 후반에는 보수적으로 작동하면 수십만 시간 동안 특별한 품질의 작은 신호관이 지속되는 것이 일상적이었다.이러한 신뢰성의 향상으로 해저 케이블의 중간 케이블 증폭기도 가능해졌다.

발열 및 냉각

이 전송 3극의 양극(플레이트)은 최대 500W의 열을 방출하도록 설계되었습니다.

튜브가 작동할 때 필라멘트(히터)와 플레이트에 충돌하는 전자 흐름 모두에서 상당한 양의 열이 발생합니다.파워앰프에서 이 열원은 음극 가열보다 큽니다.몇 가지 유형의 튜브는 무딘 빨간색 열에서 양극을 사용할 수 있으며, 다른 유형의 튜브는 심각한 과부하를 나타냅니다.

열 제거 요건은 고출력 진공 튜브의 외관을 크게 변화시킬 수 있습니다.고출력 오디오 앰프와 정류기는 열을 방출하기 위해 더 큰 봉투가 필요했습니다.송신관은 훨씬 더 클 수 있다.

열은 적외선 방사로서 양극(플레이트)에서 흑체 방사선을 방출하고 튜브 [56]엔벨로프를 통해 공기를 대류시킴으로써 장치를 빠져나갑니다.양극은 진공으로 둘러싸여 있기 때문에 대부분의 튜브 내부에서는 대류가 불가능합니다.

배터리 구동 기기에 사용하도록 설계된 1.4볼트 필라멘트 직접 가열 튜브와 같이 상대적으로 발열이 적은 튜브는 종종 빛나는 금속 양극을 가집니다. 1T4, 1R5 및 1A7이 그 예입니다.티라트론과 같은 가스가 채워진 튜브는 튜브 내부에 존재하는 가스가 양극에서 유리 인클로저로의 열 대류를 허용하기 때문에 빛나는 금속 양극을 사용할 수도 있습니다.

양극은 표면이 더 많은 적외선 에너지를 방출하도록 종종 처리된다.고출력 앰프 튜브는 대류, 강제 공기 또는 순환수에 의해 냉각될 수 있는 외부 양극으로 설계되었습니다.수냉식 80kg, 1.25MW 8974는 현재 사용 가능한 가장 큰 상업용 튜브 중 하나입니다.

수냉관에서는 아노드 전압이 냉각수 표면에 직접 나타나기 때문에 냉각수를 통해 라디에이터 시스템으로의 고전압 누출을 방지하기 위해 전기 절연체가 되어야 한다.일반적으로 공급되는 물에는 전기를 전도하는 이온이 있습니다. 좋은 절연체인 탈이온수가 필요합니다.이러한 시스템에는 통상적으로 물 전도도 모니터가 내장되어 있어 전도도가 너무 높아지면 고압 공급이 차단됩니다.

화면 그리드는 상당한 열을 발생시킬 수도 있습니다.전원 장치의 플레이트 소산 외에 화면 그리드의 소산 제한도 나열되어 있습니다.이 값을 초과하면 튜브 고장일 수 있습니다.

튜브 패키지

8진 베이스가 있는 금속 케이스 튜브
3극관 타입 GS-9B. 최대 2000MHz의 무선 주파수로 사용하도록 설계되었으며 정격 300와트 양극 전력 소산.[57]핀형 히트 싱크는 양극에서 공기 흐름으로 열을 전달합니다.

대부분의 최신 튜브에는 유리 봉투가 있지만 금속, 석영(실리카), 세라믹도 사용되었습니다.6L6의 첫 번째 버전은 유리 비즈로 밀봉된 금속 봉투를 사용했고, 이후 버전에서는 유리 원반이 금속에 융합되어 사용되었습니다.금속과 세라믹은 2kW 이상의 소산 전력 튜브에만 사용됩니다.뉴비스터는 매우 작은 금속과 세라믹 패키지를 사용한 현대적인 수신관이었다.

튜브의 내부 소자는 항상 소켓에 연결되는 베이스의 핀을 통해 외부 회로에 연결되어 있습니다.초소형 튜브는 소켓이 아닌 와이어 리드를 사용하여 생산되었지만, 이러한 튜브는 다소 특수한 용도로 제한되었습니다.튜브 밑면의 연결부 외에도 많은 초기 트라이오드가 튜브 상단의 금속 캡을 사용하여 그리드를 연결했습니다. 이렇게 하면 그리드와 플레이트 리드 사이의 부유 캐패시턴스가 감소합니다.튜브 캡은 플레이트(아노드) 연결에도 사용되었으며, 특히 매우 높은 플레이트 전압을 사용하는 전송 튜브 및 튜브에 사용되었습니다.

송신관 등 고출력 튜브는 열 전달을 강화하기 위해 패키지가 더 많이 설계되어 있습니다.일부 튜브에서는 금속 외피가 양극이기도 합니다.4CX1000A는 이런 종류의 외부 양극 튜브입니다.양극에 부착된 핀 배열에 공기가 불어 넣어 냉각시킵니다.이 냉각 방식을 사용하는 전원 튜브는 최대 150kW의 소산을 이용할 수 있습니다.그 이상에서는 물 또는 수증기 냉각이 사용된다.현재 사용 가능한 최고 전력 튜브는 Eimac 4CM2500KG로 2.5메가와트를 [58]방산할 수 있는 강제 수냉식 전력 4극입니다.이에 비해 가장 큰 파워 트랜지스터는 약 1kW만 방산할 수 있습니다.

이름

영국에서 사용되는 일반명 "열전류"는 가장 오래된 장치인 가열된 필라멘트에서 전자를 방출하는 열전류 다이오드가 허용한 단방향 전류 흐름에서 유래했으며, 이는 수도관의 [59]역류 밸브와 유사합니다.미국식 이름인 "진공 튜브", "전자 튜브" 및 "열전자 튜브"는 모두 진공이 제거되고 히터가 있으며 전자 흐름을 제어하는 관 모양의 외피를 의미합니다.

많은 경우 제조업체와 군은 튜브의 목적에 대해 아무 말도 하지 않는 명칭을 부여했습니다(예: 1614).초기 일부 제조업체는 일부 정보를 전달할 수 있는 독점적 이름을 사용했지만, KT66과 KT88은 "꼬임 없는 테트로이드"였습니다.이후, 일부 정보를 전달하는 전기 소비용 튜브에는 여러 제조업체가 일반적으로 사용하는 동일한 이름이 붙었다.미국에서는 Radio Electronics Television Manufacturers' Association(RETMA; 라디오 전자 텔레비전 제조자 협회)의 지정은 숫자, 그 뒤에 1, 2개의 문자 및 숫자로 구성됩니다.첫 번째 수치는 (원형) 히터 전압입니다.문자는 특정 튜브를 나타내지만 구조에 대해서는 언급하지 않습니다.마지막 숫자는 전극의 총수입니다(예를 들어 다수의 전극이 있는 튜브 또는 단일 엔벨로프에 있는 두 세트의 전극을 구분하지 않습니다(예: 이중 3극).예를 들어 12AX7은 12를 가진 이중 3극(3개의 전극과 히터의 2세트)입니다.6V 히터(6.3V에서 작동하도록 연결할 수도 있음)"AX"는 특성에 따라 이 특정 튜브를 지정하는 것 외에 다른 의미가 없습니다.유사하지만 동일하지 않은 튜브는 12AD7, 12AE7...12AT7, 12AU7, 12AV7, 12AW7(희귀한 경우), 12AY7 및 12AZ7입니다.

유럽에서 널리 사용되는 Mullard-Philips 튜브 명칭으로 트랜지스터로도 확장되며 문자, 그 다음 하나 이상의 문자 및 숫자가 사용됩니다.유형 지정기는 히터 전압 또는 전류(1글자), 튜브의 모든 섹션(섹션당 1글자), 소켓 유형(첫 번째 자리) 및 특정 튜브(나머지 자리)의 기능을 지정합니다.예를 들어 ECC83(12AX7에 상당)은 미니어처 베이스(8)를 가진 6.3V(E) 더블 트라이오드(CC)이다.이 시스템에서 특수 품질 튜브(예: 장시간 컴퓨터 사용용)는 첫 번째 문자 바로 뒤에 숫자를 이동함으로써 표시됩니다. E83CC는 ECC83의 특수 품질 등가물이며, E55L은 전기 소비 장치 등가물이 없는 전원 펜토드입니다.

특수 용도 튜브

전압 조절 튜브가 작동 중입니다.전류 흐름으로 인해 튜브 내의 저압 가스가 빛납니다.

일부 특수 목적 튜브는 엔벨로프 안에 특정 가스가 들어 있습니다.예를 들어, 전압 조절 튜브에는 예측 가능한 전압으로 이온화되는 아르곤, 헬륨 또는 네온과 같은 다양한 불활성 가스가 포함되어 있습니다.티라트론은 저압 가스 또는 수은 증기로 채워진 특수 용도 튜브입니다.진공관처럼 뜨거운 음극과 양극을 포함하지만, 3극의 격자처럼 작동하는 제어 전극도 있습니다.제어 전극이 전도를 시작하면 가스가 이온화되며, 그 후 제어 전극은 더 이상 전류를 멈출 수 없습니다. 튜브는 "래칭"되어 전도에 들어갑니다.양극(플레이트) 전압을 제거하면 가스가 이온을 제거하여 비전도 상태를 복원할 수 있습니다.

일부 티라트론은 물리적 크기에 비해 큰 전류를 전달할 수 있습니다.예를 들어 미니어처 타입 2D21은 1950년대 주크박스에서 릴레이용 제어 스위치로 자주 볼 수 있습니다.음극으로 수은 풀을 사용하는 티라트론의 냉음극 버전은 이그니트론이라고 불립니다; 어떤 것들은 수천 개의 암페어를 바꿀 수 있습니다.수소를 포함하는 티라트론은 펄스 온과 완전 전도 사이에 매우 일관된 시간 지연을 가지고 있습니다. 티라트론과 기능적으로 유사하기 때문에 사이리스터라고도 불리는 현대의 실리콘 제어 정류기와 매우 유사합니다.수소 티라트론은 오랫동안 레이더 송신기에 사용되어 왔다.

특수관은 크립트론이며, 고속 고전압 전환에 사용됩니다.크립톤은 핵무기를 터뜨리는 데 사용되는 폭발을 일으키는데 사용된다; 크립톤은 국제적인 수준에서 엄격하게 통제된다.

X선 튜브는 의료 영상 촬영에 주로 사용됩니다.투시 진단 및 CT 촬영 장치에서 연속 듀티 동작에 사용되는 X선 튜브는 집속 음극 및 회전 양극을 사용하여 발생하는 대량의 열을 방산할 수 있다.냉각을 위해 오일이 채워진 알루미늄 하우징에 들어 있습니다.

참고 항목: § 전자 멀티플라이어

광전자 증배관은 광전 효과와 2차 방출을 사용하여 전기 신호를 생성하고 증폭하는 매우 민감한 빛의 검출기입니다.핵의학 이미징 장비와 액체 섬광 카운터는 광전자 증배관 어레이를 사용하여 이온화 방사선에 의한 저강도 섬광을 검출한다.

Ignatron 튜브는 1970년대 초에 저항 용접 장비에 사용되었습니다.이그나트론은 음극, 양극, 점화기가 있었다.튜브 베이스는 수은으로 채워졌고 튜브는 매우 높은 전류 스위치로 사용되었습니다.관의 양극과 음극 사이에 큰 전류 전위가 배치되었지만 수은과 접촉하는 점화기가 수은을 증발시키고 회로를 완성하기에 충분한 전류를 가지고 있을 때만 전도할 수 있었습니다.이는 저항 용접에 사용되었기 때문에 AC 회로의 2상에는 2개의 이그나트론이 사용되었습니다.튜브 바닥의 수은 때문에 수송이 매우 어려웠다.이들 튜브는 결국 실리콘 정류기(SCR)로 대체됐다.

튜브 전원 공급

배터리

주요 기사: 배터리(진공 튜브)

배터리는 초기 라디오 세트의 튜브에 필요한 전압을 제공했습니다.일반적으로 A, B 및 C 배터리로 지정된 3개의 다른 배터리를 사용하여 3개의 다른 전압이 필요했습니다."A" 배터리 또는 LT(저장력) 배터리가 필라멘트 전압을 제공했습니다.튜브 히터는 2V, 4V 또는 6V의 공칭 히터 전압을 제공하는 단일, 이중 또는 삼중 셀 납산 배터리용으로 설계되었습니다.휴대용 라디오에서 건전지는 1.5 또는 1V 히터와 함께 사용되기도 했습니다.필라멘트 소비를 줄임으로써 배터리의 수명이 향상되었습니다.튜브 시대가 끝날 무렵인 1955년에는 히터를 위해 50mA에서 10mA까지 사용하는 튜브가 [60]개발되었습니다.

양극(플레이트)에 인가되는 고전압은 "B" 배터리 또는 HT(고장력) 전원 또는 배터리에 의해 공급됩니다.이것들은 일반적으로 건전지 구조였고, 일반적으로 22.5, 45, 67.5, 90, 120 또는 135볼트 버전으로 제공되었다.B-배터리 사용을 단계적으로 중단하고 정류된 라인 전력을 사용하여 튜브의 플레이트에 필요한 고전압을 생성한 후, 고전압 소스를 지칭할 때 "B+"라는 용어가 미국에서 지속되었습니다.나머지 영어권 국가들은 대부분 이 공급을 단지 HT(고장력)라고 부른다.

진공관 회로용 배터리.C 배터리가 강조 표시됩니다.

초기 세트는 음전압을 제공하기 위해 연결된 그리드 바이어스 배터리 또는 "C" 배터리를 사용했습니다.튜브의 그리드 연결을 통해 전류가 흐르지 않기 때문에 이러한 배터리는 전류 방전이 없었고 일반적으로 자체 저장 수명에 의해 제한되며 가장 오래 지속되었습니다.그리드 바이어스 배터리의 공급은 무선이 꺼질 때 끊어지는 경우가 거의 없었습니다.AC전원이 보편화된 후에도 일부 무선세트는 교환이 거의 필요없기 때문에 C배터리로 계속 제작되었습니다.그러나 더 현대적인 회로는 음극 바이어싱을 사용하여 설계되었으며, 세 번째 전원 공급 전압이 필요하지 않았습니다. 이는 초기 단계 간 변압기를 대체하는 저항/캐패시터 커플링의 개발과 함께 음극의 간접 발열을 사용하는 튜브로 실용화되었습니다.

바이어스용 "C 배터리"는 "C 셀" 배터리 크기와 무관한 명칭입니다.

AC 전원

"치터 코드"가 여기로 리다이렉트됩니다.세 갈래에서 두 갈래의 주 플러그 어댑터에 대해서는 치터 플러그를 참조하십시오.

배터리 교체는 초기 라디오 수신기 사용자들에게 큰 운영 비용이었다.1925년 배터리 제거기와 가정용 전력으로 작동하는 배터리 없는 수신기의 개발로 운영 비용이 절감되었고 라디오의 인기가 높아졌습니다.여러 권선, 하나 이상의 정류기(그 자체가 진공관일 수 있음) 및 대형 필터 캐패시터가 있는 변압기를 사용하는 전원 공급기는 교류 소스로부터 필요한 직류 전압을 공급합니다.

비용 절감 조치로서, 특히 대용량 소비자 리시버에서는 모든 튜브 히터를 동일한 전류와 유사한 예열 시간을 필요로 하는 히터를 사용하여 AC 공급 장치를 통해 직렬로 연결할 수 있습니다.이러한 설계 중 하나에서는 튜브 히터 스트링을 탭하면 다이얼 라이트에 필요한 6V가 공급됩니다.AC전원에 직접 연결된 반파 정류기에서 고전압을 유도함으로써 무겁고 비용이 많이 드는 전력 변압기를 제거할 수 있었습니다.이를 통해 이러한 수신기는 AC/DC 수신기 설계라고 불리는 직류 전류로 작동할 수 있었습니다.그 시대의 많은 다른 미국 소비자 AM 라디오 제조업체들은 All American Five라는 별명으로 사실상 동일한 회로를 사용했습니다.

주 전압이 100–120V 범위인 경우, 이 제한된 전압은 저전력 수신기에만 적합하다는 것이 입증되었습니다.텔레비전 수상기는 변압기가 필요하거나 전압 배증 회로를 사용할 수 있었다.230V의 공칭 주전압을 사용하는 경우 텔레비전 수상기도 전력 변압기를 사용할 필요가 없습니다.

변압기가 없는 전원장치에서는 전기적으로 절연된 캐비닛이나 전원 코드를 캐비닛 뒤에 묶는 인터록 등 사용자에게 감전 위험을 제한하기 위해 안전 예방 조치가 필요했습니다.따라서 사용자 또는 서비스 담당자가 캐비닛을 열면 라인 코드가 분리될 수밖에 없었습니다.치터 코드는 안전 인터록에서 사용하는 특수 소켓에서 끝나는 전원 코드입니다. 그러면 서비스 제공자는 노출된 위험한 전압으로 장치에 전원을 공급할 수 있습니다.

워밍업 지연을 피하기 위해 TV 수상기는 명목상 수상기가 꺼져 있는 상태에서도 소량의 가열 전류를 튜브에 흘려보냈습니다.전원을 켜면 완전 가열 전류가 공급되어 세트가 거의 즉시 재생됩니다.

신뢰성.

1930년에 제조된 튜브 테스터.

산화물 음극이 있는 튜브의 신뢰성 문제 중 하나는 음극이 튜브의 다른 요소에서 나오는 가스 분자에 의해 서서히 "독성"이 되어 전자를 방출하는 능력을 감소시킬 수 있다는 것입니다.가스가 끼거나 가스 누출이 느리면 캐소드가 손상되거나 유리 가스 분자의 이온화로 인해 플레이트(아노드) 전류가 폭주할 수 있습니다.진공 경도와 건설 자재의 적절한 선택은 튜브 수명에 큰 영향을 미칩니다.재료, 온도 및 구조에 따라 음극의 표면 재료는 다른 요소에도 확산될 수 있습니다.음극에 열을 가하는 저항성 히터는 백열등 필라멘트와 유사한 방식으로 파손될 수 있지만 램프보다 훨씬 낮은 온도에서 작동하기 때문에 거의 파손되지 않습니다.

히터의 고장 모드는 일반적으로 텅스텐 와이어의 응력 관련 파괴 또는 용접 지점이며, 일반적으로 많은 열(전원 켜기) 사이클이 발생한 후에 발생합니다.텅스텐 와이어는 상온에서 저항이 매우 낮습니다.기기의 히터 공급에 서미스터와 같은 부온도계수장치를 포함하거나 램프업회로를 사용하여 히터 또는 필라멘트가 스텝기능에서 전원을 투입하는 경우보다 서서히 동작온도에 도달할 수 있도록 할 수 있다.저비용 라디오에는 히터가 직렬로 연결된 튜브가 있었으며, 총 전압은 라인(메인)과 동일했습니다.제2차 세계대전 전에 만들어진 일부 리시버는 총 전압이 메인보다 낮은 직렬 현 히터를 가지고 있었다.일부는 저항 와이어가 전원 코드 길이만큼 연결되어 있어 전압을 튜브로 떨어뜨립니다.다른 것들은 일반 튜브처럼 만들어진 직렬 저항기를 가지고 있었다; 그것들은 밸러스트 튜브라고 불렸다.

제2차 세계 대전 이후 직렬 히터 현에 사용되도록 설계된 튜브는 모두 동일한("제어") 예열 시간을 갖도록 재설계되었습니다.이전 설계에서는 열 시간 상수가 상당히 달랐습니다.예를 들어 오디오 출력 스테이지에는 저전력 튜브보다 캐소드가 크고 예열 속도가 느렸습니다.그 결과 더 빨리 데워지는 히터는 양의 온도계수 때문에 일시적으로 저항이 더 높았다.이러한 불균형한 저항으로 인해 히터 전압이 정격보다 훨씬 높은 상태에서 일시적으로 작동하게 되어 수명이 단축되었습니다.

또 다른 중요한 신뢰성 문제는 튜브로의 공기 누출로 인해 발생합니다.보통 공기 중의 산소는 뜨거운 필라멘트나 음극과 화학적으로 반응하여 빠르게 파괴합니다.설계자들은 안정적으로 밀봉되는 튜브 디자인을 개발했습니다.이것이 대부분의 튜브가 유리로 만들어진 이유이다.금속 합금(예: Cunife 및 Fernico)과 안경은 온도 변화에 따라 비슷한 양으로 팽창 및 수축하는 전구를 위해 개발되었습니다.이를 통해 연결 와이어를 유리를 통해 전극으로 전달하면서 유리의 절연 엔벨로프를 쉽게 구성할 수 있었습니다.

진공관이 과부하되거나 설계 소산을 초과하여 작동하면 양극(플레이트)이 빨간색으로 빛날 수 있습니다.소비자 장비에서 광택 플레이트는 일반적으로 튜브가 과부하 상태임을 나타냅니다.그러나 일부 대형 전송 튜브는 양극이 빨간색, 주황색 또는 드물게 흰색 열로 작동하도록 설계되어 있습니다.

표준 튜브의 "특수 품질" 버전은 종종 긴 수명 음극, 저소음 구조, 견고화된 필라멘트를 통한 기계적 견고성, 저마이크로포니 등과 같은 일부 측면에서 성능을 개선하기 위해 설계되었으며 튜브가 대부분의 시간을 절단하는 데 소비하는 애플리케이션을 위해 만들어졌다.특수한 품질의 부품의 특정 기능을 알 수 있는 유일한 방법은 데이터시트를 읽는 것입니다.이름은 표준 이름(12AU7==>12)을 반영할 수 있습니다.AU7A, 이에 상당하는 ECC82==> E82CC 등) 또는 전혀 다른 것(동일한 튜브의 표준 및 특수 품질의 등가물은 12AU7, ECC82, B329, CV491, E2163, E812CC, M8136, CV4003, 6067, VX58, 5814A)입니다.

가장 긴 밸브 수명은 리스나가베에 있는 BBC의 주요 북아일랜드 송신기에서 작동 중인 마츠다 AC/P 펜토드 밸브(시리얼 번호 4418)에 의해 기록되었다.이 밸브는 1935년부터 1961년까지 사용되었으며 232,592시간의 수명을 기록했습니다.BBC는 중앙 밸브 [62][63]매장으로 정기적으로 돌아가면서 밸브의 생활에 대한 꼼꼼한 기록을 유지했습니다.

진공.

열린 튜브에서 게터, 게터로부터 은빛 침전물
데드 진공 형광 디스플레이(공기가 누출되어 게터 반점이 하얗게 됨)

진공 튜브는 튜브 내에서 양의 이온이 발생하는 결과를 피하기 위해 매우 높은 진공(또는 X선 용어로는[64] 하드 진공)이 필요합니다.잔류 가스 원자는 전자에 부딪히면 이온화되어 음극에 악영향을 미쳐 [65]방출을 줄일 수 있습니다.잔류 가스가 많으면 튜브 전극 사이에 가시적인 글로우 방전이 발생하고 전극의 과열이 발생하여 더 많은 가스가 생성되고 과도한 [66][67][68]전류로 인해 튜브 및 기타 구성 요소가 손상될 수 있습니다.이러한 영향을 피하기 위해서는 전자의 평균 자유 경로가 튜브 크기보다 훨씬 길도록 튜브 내의 잔류 압력이 충분히 낮아야 한다(따라서 전자가 잔류 원자와 충돌할 가능성이 낮고 이온화된 원자가 매우 적다).시판되는 진공관은 제조 시에 약 0.000001mmHg(1.0×10Torr−6, 130μPa, 1.3×10mbar−6, 1.3×10atm−9)[69][70]까지 진공관으로부터 배출된다.

가스가 튜브의 진공 상태를 손상시키는 것을 방지하기 위해, 현대식 튜브는 일반적으로 빠르게 산화되는 금속인 게터(getter)로 구성되어 있으며,[70][71] 바륨이 가장 일반적입니다.유리관의 경우 튜브 엔벨로프를 진공시키는 동안 게터 이외의 내부 부품을 RF 유도 가열하여 금속 부품에서 잔류 가스를 발생시킨다.그런 다음 튜브를 씰링하고 플래시 게터용 게터 트로프 또는 팬을 다시 고온으로 가열하여 게터 재료를 증발시키고 잔류 가스와 반응시킵니다.증기는 유리 엔벨로프 안쪽에 퇴적되어 작동 수명 동안 튜브로 누출될 수 있는 소량의 가스를 계속 흡수하는 은색 금속 패치를 남깁니다.밸브 설계에서는 이 물질이 작동 전극에 부착되지 않도록 세심한 주의를 기울여야 합니다.튜브가 엔벨로프에 심각한 누출을 일으키면 이 침전물은 대기 산소와 반응하면서 흰색으로 변합니다.대형 전송 튜브와 특수 튜브는 지르코늄과 같은 더 이국적인 게터 재료를 사용하는 경우가 많습니다.초기 게터링 튜브는 인 기반의 게터를 사용했으며, 이러한 튜브는 인이 유리에 특징적인 오렌지색이나 무지개를 남기기 때문에 쉽게 식별할 수 있습니다.인의 사용은 단기간에 이루어졌고 곧 우수한 바륨 게터로 대체되었다.바륨 게터와는 달리, 인은 일단 연소되면 더 이상의 가스를 흡수하지 않았다.

게터는 잔류 가스 또는 침투 가스와 화학적으로 결합하여 작용하지만 (비반응성) 불활성 가스에 대항할 수 없습니다.알려진 문제는 주로 음극선 튜브나 아이콘스코프, 오르티콘, 이미지 오르티콘과 같은 카메라 튜브와 같은 큰 엔벨로프가 있는 밸브에 영향을 미치는 헬륨 [citation needed]침투에서 비롯됩니다.이 효과는 기능 저하 또는 부재로 나타나며 튜브 내부의 전자 흐름을 따라 확산 광채로 나타납니다.이 효과는 수리할 수 없으며(재배출 및 재봉합 이외에는), 이러한 튜브가 점점 더 희귀해지는 예를 들 수 있습니다.사용되지 않은("New Old Stock") 튜브도 불활성 가스 침투를 보일 수 있으므로 이러한 튜브 유형이 미래에 생존할 수 있다는 보장은 없습니다.

송신관

대형 송신관은 소량의 토륨(1~2%)을 포함한 탄화 텅스텐 필라멘트를 가지고 있다.극도로 얇은 (분자) 토륨 원자의 층은 전선의 탄화층 바깥쪽에 형성되며, 가열되면 전자의 효율적인 공급원으로서의 역할을 합니다.토륨은 와이어 표면에서 천천히 증발하는 반면, 새로운 토륨 원자는 그것들을 대체하기 위해 표면으로 확산됩니다.이런 황색 텅스텐 음극은 보통 수만 시간 안에 수명을 다합니다.토륨산 텅스텐 필라멘트의 수명 종료 시나리오는 탄화층이 다른 형태의 텅스텐 카바이드로 대부분 전환되어 방출량이 급격히 감소하기 시작하는 경우입니다. 이러한 유형의 방출물이 있는 튜브에서 토륨의 완전한 손실이 수명 종료의 요인이 되는 것으로 밝혀진 적은 없습니다.앨라배마주 헌츠빌에 있는 WAAY-TV는 송신기의 시각적 회로에 있는 Eimac 외부 공동 클라이스트론에서 163,000시간(18.6년)의 서비스를 달성했습니다.이것은 이 타입의 [72]튜브에 대해 문서화된 가장 긴 서비스 수명입니다.진공관을 가진 송신기는 트랜지스터 송신기보다 낙뢰에 더 잘 견딜 수 있다고 알려져[who?] 왔다.진공관이 약 20kW 이상의 RF 전력 레벨에서 솔리드 스테이트 회로보다 효율적이라고 일반적으로 생각되었지만, 특히 거의 모든 전력 레벨에서 솔리드 스테이트 송신기가 측정 가능한 더 높은 효율을 갖는 중파(AM 브로드캐스트) 서비스에서는 더 이상 그렇지 않습니다.최대 약 15kW의 솔리드 스테이트 파워 앰프를 갖춘 FM 브로드캐스트 송신기는 튜브 기반의 파워 앰프보다 전체적인 전력 효율도 우수합니다.

수신관

작은 "수신" 튜브의 음극은 산화바륨과 산화스트론튬의 혼합물로 코팅되며, 때로는 산화칼슘이나 산화알루미늄을 첨가하기도 합니다.산화알루미늄 피복에 의해 전기히터를 음극슬리브에 삽입하고 전기적으로 절연한다.이 복잡한 구조는 바륨과 스트론튬 원자가 음극의 표면으로 확산되어 약 780도로 가열될 때 전자를 방출하게 한다.

장애 모드

치명적인 장애

치명적인 고장은 진공관을 갑자기 사용할 수 없게 만드는 것입니다.유리 봉투에 금이 가면 튜브에 공기가 들어가서 파괴될 거예요.유리의 응력, 구부러진 핀 또는 충격으로 인해 균열이 발생할 수 있습니다. 튜브 소켓은 핀의 유리 내 응력을 방지하기 위해 열팽창이 가능해야 합니다.금속 실드 또는 다른 물체가 튜브 엔벨로프를 눌러 유리의 차열을 발생시킬 경우 응력이 누적될 수 있습니다.고전압 아크로 인해 유리가 손상될 수도 있습니다.

튜브 히터도 경고 없이 고장날 수 있습니다. 특히 과전압에 노출되거나 제조 결함으로 인해 고장이 발생할 수 있습니다.튜브 히터는 훨씬 낮은 온도에서 작동하기 때문에 램프 필라멘트와 같은 증발로 인해 일반적으로 고장나지 않습니다.히터가 처음 통전될 때 돌입 전류가 급증하면 히터에 스트레스가 발생하며 히터를 천천히 가열하여 회로에 포함된 NTC 서미스터로 전류를 점차 증가시켜 이를 방지할 수 있습니다.공급 장치 전체에 걸쳐 히터의 직렬 스트링 작동을 위한 튜브는 일부 히터의 경우 다른 히터가 예열될 때 과도한 전압을 방지하기 위해 지정된 제어 예열 시간이 있습니다.필라멘트가 처지면 배터리 작동 튜브 또는 일부 정류기에 사용되는 직접 가열 필라멘트 유형의 음극이 고장나 내부 아크가 발생할 수 있습니다.간접 가열된 음극에서 과도한 히터 대 음극 전압은 요소 간의 절연 상태를 파괴하고 히터를 파괴할 수 있습니다.

튜브 요소 사이에 아크가 있으면 튜브가 파괴될 수 있습니다.아크는 음극이 작동 온도에 도달하기 전에 양극(플레이트)에 전압을 인가하거나 정류기를 통해 과도한 전류를 흡입하여 방출 코팅이 손상됨으로써 발생할 수 있습니다.또한 아크는 튜브 내부의 느슨한 재료 또는 과도한 스크린 전압에 의해 시작될 수 있습니다.튜브 내부의 아크는 가스가 튜브 재료에서 진화할 수 있도록 하며 내부 절연 스페이서에 [73]전도성 재료를 퇴적시킬 수 있습니다.

튜브 정류기는 전류 용량이 제한적이며 정격을 초과하면 튜브가 파괴됩니다.

퇴행성 장애

퇴행성 부전은 시간이 지남에 따라 서서히 성능이 저하되면서 생기는 부전이다.

제어 그리드 또는 운모 스페이서 절연체와 같은 내부 부품이 과열되면 갇힌 가스가 튜브로 유출되어 성능이 저하될 수 있습니다.게터는 튜브 작동 중에 발생하는 가스를 흡수하는 데 사용되지만 가스와 결합하는 능력은 제한적입니다.엔벨로프 온도를 제어함으로써 일부 유형의 가스가 방지됩니다.내부 가스가 비정상적으로 높은 튜브는 플레이트 전압이 인가될 때 가시적인 파란색 빛을 나타낼 수 있습니다.게터(고반응성 금속)는 많은 대기 가스에 대해 효과적이지만 헬륨과 같은 불활성 가스에 대한 화학적 반응성은 없습니다(또는 매우 제한적입니다).특히 카메라 튜브나 음극선 튜브에서 사용되는 것과 같은 물리적으로 큰 봉투에서 발생하는 한 가지 점진적인 유형의 실패는 헬륨 침투에서 비롯됩니다.정확한 메커니즘은 명확하지 않습니다. 금속과 유리 사이의 리드인 씰이 침투할 수 있는 장소 중 하나입니다.

튜브 내부의 가스와 이온은 진공관 회로의 작동을 방해할 수 있는 그리드 전류에 기여합니다.과열의 또 다른 영향은 금속 증기가 내부 스페이서에 천천히 침전되어 요소 간 누출이 발생하는 것입니다.

히터 전압이 인가된 상태에서 장기간 대기 중인 튜브는 높은 음극 인터페이스 저항을 발생시키고 낮은 방출 특성을 나타낼 수 있습니다.이 효과는 특히 장시간 동안 튜브에 플레이트 전류가 흐르지 않은 펄스 및 디지털 회로에서 발생했습니다.이 작동 모드를 위해 특별히 설계된 튜브가 만들어졌습니다.

음극 고갈은 수천 시간 동안 정상적으로 사용한 후 방출이 손실되는 것입니다.때로는 짧은 시간 동안 또는 몇 %의 영구적인 상승으로 히터 전압을 상승시킴으로써 배출량을 한 동안 복구할 수 있습니다.신호관에서는 음극 고갈이 흔치 않았지만 단색 텔레비전 음극선관의 [74]잦은 고장 원인이었다.부스트 변압기를 장착하여 히터 전압을 높임으로써 이 고가의 부품의 사용 수명이 연장되기도 했습니다.

기타 장애

진공관은 다른 용도에서는 만족스러운 성능을 발휘할 수 있지만, 특정 장치에서는 개별 튜브가 적합하지 않게 만드는 작동 결함이 발생할 수 있습니다.마이크로포닉스는 튜브의 신호를 바람직하지 않은 방식으로 변조하는 튜브 요소의 내부 진동을 말합니다. 소리 또는 진동 픽업이 신호에 영향을 미치거나 마이크로포닉 튜브와 확성기 사이에 피드백 경로(유니티 게인보다 큰)가 전개될 경우 제어되지 않은 울림을 유발할 수 있습니다.AC 히터와 음극 사이의 누출 전류가 회로에 결합되거나 히터 끝에서 직접 방출되는 전자도 신호에 Hum을 주입할 수 있습니다.내부 오염으로 인한 누출 전류도 [75]노이즈를 주입할 수 있습니다.이러한 효과 중 일부는 튜브를 작은 신호 오디오 사용에 적합하지 않게 만들지만, 다른 목적에는 이의를 제기할 수 없다.중요한 용도로 명목상 동일한 튜브의 배치 중 가장 적합한 것을 선택하면 더 나은 결과를 얻을 수 있습니다.

튜브 핀은 열이나 오염으로 인해 비전도성 또는 고저항 표면막을 발생시킬 수 있습니다.핀을 클리닝하여 컨덕턴스를 회복할 수 있습니다.

테스트

주요 기사:튜브 테스터
범용 진공관 테스터

진공 튜브는 회로 외부에서 진공 튜브 테스터를 사용하여 테스트할 수 있습니다.

기타 진공관 장치

대부분의 소형 신호 진공관 장치는 반도체로 대체되었지만 일부 진공관 전자 장치는 여전히 일반적으로 사용되고 있습니다.마그네트론은 모든 전자레인지에서 사용되는 튜브 타입입니다.전력 반도체 기술의 발전에도 불구하고, 진공관은 여전히 고주파 RF 발전의 신뢰성과 비용 이점을 가지고 있습니다.

마그네트론, 이동파관, 카르티노트론, 카이스트론과 같은 일부 튜브는 자기와 정전기 효과를 결합합니다.이것들은 효율적인(보통 협대역) RF 발생기이며 레이더, 전자레인지 및 산업용 난방에 여전히 사용됩니다.이동파관(TWT)은 매우 좋은 증폭기이며 일부 통신 위성에서도 사용됩니다.고출력 클라이스트론 증폭관은 UHF 범위에서 수백 킬로와트를 공급할 수 있다.

음극선관

주요 기사:음극선관

음극선관(CRT)은 특히 디스플레이 용도로 사용되는 진공관입니다.브라운관을 사용하는 텔레비전과 컴퓨터 모니터는 여전히 많지만 가격이 떨어지더라도 화질이 크게 향상된 평면 디스플레이로 빠르게 대체되고 있다.디지털 오실로스코프(내부 컴퓨터 및 아날로그-디지털 변환기 기반)도 마찬가지이지만, 기존의 아날로그 스코프(CRT에 따라 다름)는 계속 생산되고 경제적이고 많은 [citation needed]기술자들이 선호합니다.한때 많은 라디오가 미터기 이동 대신 특수화된 종류의 CRT인 "매직 아이 튜브"를 사용하여 테이프 레코더의 신호 강도 또는 입력 수준을 표시했습니다.현대식 인디케이터 장치인 진공 형광 디스플레이(VFD)도 브라운관의 일종이다.

X선 튜브는 고전압 전자가 양극에 닿을 때 X선을 발생시키는 음극선 튜브의 일종이다.

고출력 밀리미터 밴드파를 발생시키는 데 사용되는 자이로트론 또는 진공 메스터는 고전압으로 인한 작은 상대론적 효과가 전자를 묶는 데 사용되는 자기 진공관이다.자이로트론은 매우 높은 전력(수백 킬로와트)을 발생시킬 수 있습니다.고출력 간섭성 빛과 심지어 X선을 발생시키는 데 사용되는 자유 전자 레이저는 고에너지 입자 가속기에 의해 구동되는 매우 상대적인 진공관이다.그래서 이것들은 일종의 음극선관이다.

전자 곱셈기

주요 기사:광전자 증배관 및 다이노드

광전자 증배관은 전자 증식을 통해 감도가 크게 증가하는 광전관이다.이것은 광음극에 의해 방출된 단일 전자가 다이노드로 알려진 특별한 종류의 양극에 부딪혀 더 많은 전자가 다이노드에서 방출되는 2차 방출 원리에 작용합니다.이러한 전자는 더 높은 전압에서 다른 다이노드를 향해 가속되어 더 많은 2차 전자를 방출합니다; 그러한 15단계는 엄청난 증폭을 제공합니다.고체 광검출기(예: 단일 광자 눈사태 다이오드)의 큰 발전에도 불구하고, 광전자 증배관의 단일 광자 검출 기능은 이 진공관 장치를 특정 애플리케이션에서 탁월하게 만든다.이러한 튜브는 가이거-뮐러 튜브(실제 진공 튜브가 아님)의 대안으로 이온화 방사선의 검출에도 사용할 수 있다.역사적으로 현대의 CCD 어레이가 개발되기 전에 텔레비전 스튜디오에서 널리 사용된 영상 오르티콘 TV 카메라 튜브도 다단계 전자 증식을 사용했습니다.

수십 년 동안 전자관 설계자들은 이득을 늘리기 위해 전자 증배기로 증폭관을 늘리려 했지만 다이노드에 사용된 재료가 튜브의 뜨거운 음극에 "독"을 주입했기 때문에 짧은 수명에 시달렸다. (예를 들어 흥미로운 RCA 1630 2차 방출관이 출시되었지만 오래가지 못했다.)하지만, 결국 네덜란드의 필립스는 만족스러운 수명을 가진 EFP60 튜브를 개발했고 적어도 하나의 제품인 실험실 펄스 발생기에 사용되었습니다.그러나 그 무렵에는 트랜지스터가 급속히 개선되어 그러한 발전은 불필요하게 되었다.

"채널 전자 증배기"라고 불리는 한 변종은 개별 다이노드를 사용하지 않지만 2차 방출이 좋은 물질로 내부에 코팅된 나선과 같은 곡선 튜브로 구성됩니다.한 종류는 2차 전자를 포획하기 위한 깔때기가 있었다.연속 다이노드는 저항성이 있었고, 그 끝은 전자의 반복적인 캐스케이드를 생성하기에 충분한 전압으로 연결되었다.마이크로채널 플레이트는 이미지 평면 위에 1단 전자 증배기 배열로 구성되어 있으며, 그 중 몇 개를 적층할 수 있습니다.예를 들어, 이것은 개별 채널이 포커스를 대체하는 이미지 인텐시파이어로 사용할 수 있습니다.

Tektronix는 형광체 층 뒤에 채널 전자 증배판이 있는 고성능 광대역 오실로스코프 CRT를 만들었습니다.이 판은 저전류 빔을 수용하고 이를 강화하여 실질적인 밝기를 표시하는 수많은 짧은 개별 C.E.M. 튜브의 묶음 배열이었다.(광대역 전자총의 전자광학계는 인광체를 직접 자극하기에 충분한 전류를 공급할 수 없었습니다.)

21세기의 진공관

틈새 응용 프로그램

진공관은 대부분의 증폭, 전환 및 정류 애플리케이션에서 솔리드 스테이트 장치로 대체되었지만 몇 가지 예외가 있습니다.위에서 언급한 특수 기능 외에도 튜브는 여전히 일부 틈새 응용 분야를 가지고 있습니다.

일반적으로 진공관은 주 전압 서지 또는 번개, 핵 [76]폭발의 전자기 펄스 효과 또는 거대한 태양 [77]플레어에 의해 생성된 지자기 폭풍과 같은 일시적인 과전압에 대응하는 고체 구성 요소보다 훨씬 덜 민감하다.이러한 특성으로 인해 MiG-25와 [76]같은 동일한 애플리케이션에서 보다 실용적이고 저렴한 솔리드 스테이트 기술을 사용할 수 있게 된 후에도 오랫동안 특정 군사 애플리케이션에 사용할 수 있게 되었습니다.

진공관은 산업용 무선 주파수 가열, 입자 가속기 및 방송 송신기와 같은 애플리케이션에서 무선 주파수로 높은 전력을 발생시키는 데 있어 솔리드 스테이트 소자의 실질적인 대안이다[when?].이는 클라이스트론 및 이동파 튜브와 같은 장치가 현재의 반도체 장치를 사용하여 도달할 수 없는 전력 수준에서 증폭을 제공하는 마이크로파 주파수에서 특히 해당됩니다.가정용 전자레인지는 마그네트론 튜브를 사용하여 수백 와트의 전력을 효율적으로 발생시킨다.질화 갈륨과 같은 고체 소자는 유망한 대체품이지만 매우 비싸고 아직[when?] 개발 중입니다.

군사용에서는 고출력 진공관이 10~100메가와트 신호를 생성하여 보호되지 않은 수신기의 프론트엔드를 연소시킬 수 있습니다.이러한 장치들은 비핵 전자기 무기로 간주되며 미국과 러시아가 [citation needed]1990년대 말에 도입했다.

오디오 애호가

주요 기사:튜브 사운드
70볼트 튜브 오디오 앰프

충분한 사람들이 튜브 앰프를 세 가지 영역에서 상업적으로 사용할 수 있도록 튜브 사운드를 선호한다: 악기(예: 기타) 앰프, 녹음 스튜디오에서 사용되는 장치, 오디오 애호가 장비.[78]

많은 기타 연주자들이 솔리드 스테이트 모델보다 밸브 앰프를 사용하는 것을 선호하는데, 이는 종종 오버드라이브 [79]시 밸브 앰프가 왜곡되는 경향이 있기 때문입니다.어떤 앰프라도 신호를 특정 볼륨까지만 정확하게 증폭할 수 있으며, 이 한계를 초과하면 앰프가 신호를 왜곡하기 시작합니다.회로에 따라 신호가 다른 방식으로 왜곡됩니다. 일부 기타 연주자는 진공 튜브의 왜곡 특성을 선호합니다.대부분의 인기 있는 빈티지 모델들은 [citation needed]진공관을 사용한다.

디스플레이

음극선관

브라운관은 21세기 초에 텔레비전과 컴퓨터 모니터의 지배적인 디스플레이 기술이었다.하지만 LCD 평판 기술의 급속한 진보와 가격 하락이 [80]곧 CRT를 대체했다.2010년에는 대부분의 CRT 생산이 [81]종료되었습니다.

전계 전자 방출체를 이용한 진공관

주요 기사:나노 스케일 진공 채널 트랜지스터

21세기 초반에는 진공관에 대한 관심이 다시 제기되었는데, 이번에는 집적회로 기술과 마찬가지로 평평한 실리콘 기판 위에 전자 이미터가 형성되었습니다.이 주제는 현재 진공 나노 전자 [82]공학이라고 불립니다.가장 일반적인 설계에서는 광역 전자원(예를 들어 필드 이미터 어레이)의 형태로 냉음극이 사용됩니다.이러한 장치를 통해, 전자는 밀접하게 간격을 둔 다수의 개별 방출 사이트에서 현장 방출됩니다.

이러한 집적 마이크로튜브는 휴대폰을 포함한 마이크로파 기기, 블루투스 및 와이파이 전송, 레이더 및 위성 [citation needed]통신에 응용될 수 있다.2012년 현재, 전계 방출 디스플레이 기술에서의 적용 가능성을 검토하고 있지만, 생산상의 [citation needed]큰 문제가 있었다.

2014년 현재, NASA의 에임스 연구 센터는 CMOS [83]기술을 사용하여 생성된 진공 채널 트랜지스터를 연구하고 있는 것으로 알려졌다.

특성.

일반적인 삼극판 특성

진공관 공간 차지

음극이 가열되어 작동 온도가 1050°Kelvin(777°C)에 도달하면 자유 전자가 표면에서 구동됩니다.이러한 자유 전자는 공간 전하로 알려진 음극과 양극 사이의 빈 공간에서 구름을 형성합니다.이 공간 전하 구름은 음극에서 양극으로 전류를 만드는 전자를 공급합니다.회로 작동 중에 전자가 양극으로 빨려 들어가면서 새로운 전자가 음극에서 끓어 나와 공간 [84]전하를 보충합니다.공간 전하가 전기장의 한 예입니다.

전압 - 진공관의 전류 특성

하나 이상의 제어 그리드가 있는 모든 튜브는 제어 그리드에 인가되는 교류(AC) 입력 전압에 의해 제어되며, 그 결과 증폭된 신호는 양극에 전류로 나타납니다.양극에 가해지는 고전압 때문에 상대적으로 작은 양극 전류는 원래 신호 전압 값보다 상당한 에너지 증가를 나타낼 수 있습니다.가열된 음극에서 구동되는 공간 전하 전자는 양의 양극을 강하게 끌어당깁니다.튜브의 제어 그리드는 작은 AC 신호 전류와 그리드의 약간 음의 값을 결합하여 이 전류 흐름을 중재합니다.신호 사인(AC)파가 그리드에 적용되면 이 음수 값을 기반으로 AC 신호파가 변화함에 따라 양수 및 음수 모두 구동됩니다.

이 관계는 플레이트 특성 곡선 세트(위의 예 참조)와 함께 나타나며, 플레이트(아노드)(Va)에 주어진 전압에 대해 그리드(Vg)에 인가되는 작은 입력 전압에 의해 양극(Ia)의 출력 전류가 어떻게 영향을 받을 수 있는지를 시각적으로 표시합니다.

모든 튜브에는 이러한 특성 곡선의 고유한 집합이 있습니다.곡선은 입력 신호가 변화함에 따라 그리드 대 음극 전압(Vgk)의 훨씬 작은 변화에 의해 구동되는 순간 플레이트 전류와 그래픽으로 관련지어집니다.

V-I 특성은 플레이트와 [85]음극의 크기와 재료에 따라 달라집니다.전압 플레이트와 플레이트 [86]전류 사이의 비율을 나타냅니다.

  • V-I 곡선(필라멘트에 걸친 전압, 플레이트 전류)
  • 플레이트 전류, 플레이트 전압 특성
  • 플레이트의 DC 플레이트 저항—직류 전류의 양극과 음극 사이의 경로 저항
  • 플레이트의 AC 플레이트 저항—교류 양극과 음극 사이의 경로 저항

정전장 크기

정전장 크기는 튜브에 있는 두 개 이상의 플레이트 사이의 크기입니다.

특허

「 」를 참조해 주세요.

설명 메모

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추가 정보

  • Eastman, Austin V., 맥그로힐 진공관 기초, 1949년
  • Millman, J. & Sely, S. Electronics, 제2판맥그로힐, 1951년
  • Philips Technical Library(필립스 테크니컬 라이브러리).클리버 흄 프레스(Cleaver Hume Press)가 1940년대와 1950년대에 영국에서 발행한 진공관 설계와 적용에 관한 책.
  • RCA. Radiotron Designer's Handbook, 1953년 (제4판).수신 튜브의 설계 및 적용에 관한 장으로 구성되어 있습니다.
  • RCA. 수신 튜브 설명서, RC15, RC26(1947, 1968) 2년마다 발행되는 RCA가 판매한 튜브의 기술 사양에 대한 세부 정보가 수록되어 있습니다.
  • "The First Electron Tube", Scientific American, 1969년 3월, 페이지 104.
  • Spangenberg, Karl R. (1948). Vacuum Tubes. McGraw-Hill. OCLC 567981. LCC TK7872.V3.
  • Stokes, John, 70년 라디오 튜브 및 밸브, 뉴욕 베스탈 프레스, 1982, 페이지 3-9.
  • 투척자, 키스, 1940년 영국 라디오 밸브의 역사, MMA International, 1982, 페이지 9-13.
  • Tyne, Gerald, Saga of the Vacuum Tube, Ziff Publishing, 1943, (1994 Prompt Publications), 페이지 30-83.
  • 베이직 일렉트로닉스: 제1권~5권; 반 발켄버그, 누거 & 네빌 주식회사존 F.라이더 퍼블리셔; 1955년.
  • 무선 세계라디오 디자이너 핸드북상기의 영국 전재.
  • "진공관 설계"; 1940; RCA.

외부 링크

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