트라이오드

Triode
1918년(왼쪽)부터 1960년대 소형 튜브(오른쪽)까지의 저전력 트라이오드 예
이 기사는 전자 진공관에 관한 것입니다.동방 정교회의 찬송가 구조에 대해서는 트라이오디온을 참고할 것.
ECC83, 1960년대 오디오 장비에 사용된 듀얼 트라이오드
무선 송신기에 사용되는 현대식 1.5 kW 전력 삼극인 3CX1500A7.원통형 구조물은 플레이트에 부착된 히트 싱크로 작동 중에 공기가 송풍됩니다.

삼극(三極)은 전자 증폭 진공관(또는 영국식 영어로 열이온 밸브)으로, 진공 용기 안에 있는 세 개의 전극(가열 필라멘트 또는 음극, 그리드 및 플레이트(음극)으로 구성되어 있습니다.열이온 다이오드(플레밍 밸브)에 그리드 전극을 추가한 부분 진공관인 Lee De Forest의 1906년 Audion에서 개발된 트라이오드는 최초의 실용적인 전자 증폭기이자 테트로이드 및 펜토이드와 같은 다른 유형의 진공관의 조상이었습니다.그것의 발명은 증폭된 무선 기술과 장거리 전화를 가능하게 하면서 전자 [1]시대를 만들었습니다.삼극은 트랜지스터가 그것들을 대체했던 1970년대까지 라디오와 텔레비전과 같은 가전제품에 널리 사용되었습니다.오늘날, 그들의 주요 남아있는 용도는 무선 송신기 및 산업용 RF 가열 장치에서 고출력 RF 증폭기에 있습니다.최근 몇 년 동안 튜브 기반 전자 [citation needed]장치의 유쾌한(따뜻한) 왜곡된 사운드를 선호하는 오디오[vague] 애호가들에 의해 튜브형 오디오 시스템에 대한 새로운 관심으로 인해 저전력 트라이오드에 대한 수요가 재유행하고 있습니다.

"삼각형"이라는 이름은 1920년경 영국의 물리학자 윌리엄 에클스에 의해 만들어졌는데, 그리스어 τρίοδος, triodos에서 유래한 것으로, 원래는 세 개의 길이 만나는 곳을 의미했습니다.

역사

전구체(Precursor 장치

1908년의 드 포리스트 오디온 튜브, 최초의 삼극.위쪽에는 평면판이 보이고 그 아래에는 지그재그 와이어 그리드가 있습니다.필라멘트는 원래 그리드 아래에 있었지만, 모두 타버렸습니다.
Robert v. Lieben에 의해 Audion과 같은 시기에 개발된 또 다른 원시 삼극인 Lieben-Reisz 튜브

열이온 밸브가 발명되기 전인 1902년 필립 레너드([4]Philipp Lenard)는 광전 실험을 하면서 격자 제어 원리를 이용했습니다.

라디오에 사용된[5][6] 최초의 진공관은 열이온 다이오드 또는 플레밍 밸브로, 1904년 존 앰브로스 플레밍이 라디오 수신기의 검출기로서 발명했습니다.가열 필라멘트(캐소드)와 플레이트(애노드) 두 개의 전극이 들어 있는 진공 유리 전구였습니다.

발명.

트라이오드는 1906년쯤 미국의 공학자[7] 리 드 포레스트와 오스트리아의 물리학자 로버트[8] 폰 리벤이 필라멘트와 플레이트 사이에 제어 그리드인 세 번째 전극을 추가하여 [9][10]전류를 제어하는 튜브를 독자적으로 특허를 낸 것이 계기가 되었습니다.1906년 3월 특허를 받은 폰 리벤의 부분적으로 진공 처리된 3원소 튜브는 수은 증기의 흔적을 담고 있었으며 약한 전화 [11][12][13][8]신호를 증폭시키기 위한 것이었습니다.1906년 10월부터[9] De Forest는 다이오드에 전극을 추가하여 3개의 요소로 이루어진 튜브 디자인을 특허 출원했습니다. 그는 이를 Audions라고 불렀고, 이를 전파 [14][7]탐지기로 사용하려고 했습니다.격자가 필라멘트와 플레이트 사이에 위치한 삼극의 디자인이 된 것은 1907년 [15][7][16]1월 29일 특허를 받았습니다.폰 리벤 진공관과 마찬가지로 드 포리스트의 오디언스는 불완전하게 대피하여 [17][18]저압으로 약간의 가스를 함유하고 있었습니다.폰 리벤의 진공관은 제1차 세계대전 [19]발발 직전 발명된 지 7년 만에 사망해 별다른 발전을 보지 못했습니다.

De Forest의 Audion은 1912년경에 몇몇 [18][1]연구자들에 의해 증폭 능력이 인정될 때까지 많은 사용을 보지 못했고, 그들은 그것을 최초로 성공적으로 증폭하는 라디오 수신기와 전자 [20][21]발진기를 만들기 위해 사용했습니다.증폭을 위한 많은 용도들이 그것의 빠른 발전을 촉진시켰습니다.1913년까지 더 높은 진공도를 가진 개선된 버전들이 De Forest로부터 오디온에 대한 권리를 구입한 American Telegraph Company의 Harold Arnold와 [18][1][17]General Electric의 Irving Langmuir에 의해 개발되었습니다."삼극"이라는 이름은 나중에 등장했는데, 이는 소자가 더 많거나 적은 다른 종류의 진공관(예: 다이오드, 테트로이드, 펜토드 등)과 구별할 필요가 있게 되었을 때입니다.드 포리스트와 폰 리벤,[22] 그리고 드 포리스트와 다이오드 발명가인 존 앰브로즈 플레밍을 대표하는 마르코니 회사 사이에 긴 소송이 있었습니다.

채택 폭 확대

1912년 삼극 증폭 능력의 발견은 전기 기술에 혁명을 일으켰고,[1] 능동(증폭) 전기 장치의 기술인 전자의 새로운 분야를 창조했습니다.삼극기는 즉시 많은 의사소통 영역에 적용되었습니다.번거로운 비효율적인 '감쇠파' 스파크갭 송신기를 삼극 '연속파' 무선 송신기로 대체해 진폭변조(AM) 방식으로 소리를 전송할 수 있게 했습니다. 확성기를 구동하는 힘을 갖고 있던 삼극 증폭 무선 수신기가 이어폰으로 들어야 했던 약한 수정 라디오를 대체한 것입니다.가족들이 함께 들을 수 있게 해주는 거죠이것은 1920년경 라디오 방송의 시작과 함께 라디오가 상업적인 메시지 서비스에서 최초의 대중 통신 매체로 진화하는 결과를 낳았습니다.삼각편대는 대륙횡단 전화 서비스를 가능하게 했습니다.오디오 권리를 구입한 후 벨 전화기에서 발명된 진공관 삼극 중계기는 전화 통화가 약 800마일의 면제되지 않은 제한을 초과하여 이동할 수 있도록 해주었습니다.최초의 대륙횡단 전화선의 벨에 의한 개통은 3년 후인 1915년 1월 25일에 기념되었습니다.삼극기에 의해 가능해진 다른 발명품들은 텔레비전, 공공 주소 시스템, 전기식 축음기, 그리고 말하는 영화였습니다.

삼극판은 아래에 자세히 설명된 삼극판의 몇 가지 단점을 보완한 사극판(Walter Schottky, 1916)과 오극판(Gilles Holst and Bernardus Dominicus Hubertus Tellegen, 1926)과 같은 나중에 진공관이 발달한 기술적 기반의 역할을 했습니다.

삼극기는 라디오, 텔레비전, 오디오 시스템과 같은 가전제품에서 매우 광범위하게 사용되다가, 1947년에 발명된 트랜지스터에 의해 1960년대에 대체되었고, 이것은 삼극기에 의해 도입된 "진공관 시대"를 막을 내리게 했습니다.오늘날 삼극은 주로 라디오 송신기 및 산업용 가열 장비와 같은 고체 반도체 장치가 적합하지 않은 고출력 응용 분야에 사용됩니다.그러나 최근에는 삼극기와 다른 진공관 장치들이 고신뢰 오디오와 음악 장비에서 부활과 재기를 경험하고 있습니다.이들은 또한 진공 형광 디스플레이(VFD)로 사용되고 있으며, 이는 다양한 구현으로 제공되지만 모두 본질적으로 삼극 장치입니다.

시공

현대식 저전력 삼극 진공관의 구조유리와 외부 전극이 부분적으로 절단되어 구조를 알 수 있습니다.
삼극 회로 다이어그램에 사용되는 개략적인 기호로, 전극에 대한 기호를 나타냅니다.

모든 삼극은 전자를 방출하는 필라멘트에 의해 가열된 뜨거운 음극 전극과 전자가 끌어당기는 평평한 금속판 전극(음극)을 가지고 있으며, 전류를 조절하기 위해 와이어의 스크린으로 구성된 그리드가 그 사이에 있습니다.이것들은 공기가 제거된 유리 용기 안에 밀봉되어 있으며, 약 10−9 atm의 높은 진공 상태에 있습니다.필라멘트가 최종적으로 소진되기 때문에 튜브는 수명이 제한되며 교체 가능한 장치로 제작됩니다. 전극은 소켓에 연결되는 단자 핀에 부착됩니다.삼극기의 작동 수명은 소형 튜브의 경우 약 2000시간, 동력 튜브의 경우 약 10,000시간입니다.

저전력 트라이오드

저전력 삼극은 동심원 구조(그림 오른쪽 참조)를 가지고 있으며, 그리드와 애노드가 원형 또는 타원형 실린더로 캐소드를 둘러싸고 있습니다.음극은 가운데 아래쪽으로 좁은 금속관입니다.음극 내부에는 음극을 적열(800~1000°C)로 가열하는 고저항 텅스텐 와이어의 좁은 스트립으로 구성된 "히터"라고 불리는 필라멘트가 있습니다.이 유형을 "간접 가열 음극"이라고 합니다.음극은 칼슘과 토륨 산화물과 같은 알칼리 토산화물의 혼합물로 코팅되어 있어 작업 기능이 저하되어 더 많은 전자를 생성합니다.그리드는 음극을 둘러싸고 있는 얇은 와이어의 나선 또는 스크린으로 구성됩니다.애노드는 그리드를 둘러싸는 판금의 실린더 또는 직사각형 상자입니다.이것은 열을 발산하기 위해 검게 칠해졌으며 종종 방열핀이 장착되어 있습니다.전자는 음극에서 그리드를 거쳐 양극까지 반경 방향으로 이동합니다.요소는 운모 또는 세라믹 절연체에 의해 고정되며 베이스에 부착된 단단한 와이어에 의해 지지되며 전극이 연결 핀으로 연결됩니다.유리 안쪽으로 증발된 소량의 빛나는 바륨 금속인 "게터"는 시간이 지남에 따라 튜브에서 방출되는 가스를 흡수하여 진공을 유지하는 데 도움을 줍니다.

고출력 삼극기

고출력 삼극은 일반적으로 음극(직접 가열된 음극) 역할을 하는 필라멘트를 사용하는데, 이는 간접 가열된 음극의 방출 코팅이 전원 튜브의 높은 이온 충격에 의해 파괴되기 때문입니다.텅스텐에 첨가된 토륨이 표면으로 확산되어 전자 방출을 증가시키는 단층을 형성하는 토륨 텅스텐 필라멘트가 가장 자주 사용됩니다.이온 충격에 의해 단층이 제거되면 표면으로 확산되는 토륨에 의해 지속적으로 갱신됩니다.이들은 일반적으로 간접 가열된 캐소드보다 높은 온도에서 작동합니다.튜브의 외피는 유리보다 내구성이 뛰어난 세라믹으로 제작되는 경우가 많으며, 모든 재료는 생성되는 높은 열 수준을 견딜 수 있도록 녹는점이 높습니다.수백 와트 이상의 애노드 전력을 방출하는 튜브는 일반적으로 능동적으로 냉각됩니다. 무거운 구리로 만들어진 애노드는 튜브의 벽을 통해 돌출되어 강제 공기 또는 물에 의해 냉각되는 대형 외부 핀 금속 히트 싱크에 부착됩니다.

등대관

소련 등대 튜브 6Ω5Ω (6S5D)

초고주파(UHF)에서 사용할 수 있는 일종의 저전력 삼극(Low Power Triode)인 "등대" 튜브는 전극간 정전용량과 납 인덕턴스를 줄이기 위해 평면 구조를 가지고 있어 "등대"와 같은 외관을 제공합니다.원판 모양의 음극, 격자, 판은 튜브의 중앙을 평면으로 따라 올라가는데, 이는 층 사이에 공간이 있는 샌드위치와 같습니다.하단의 음극은 튜브의 핀에 연결되어 있지만, 그리드와 플레이트는 튜브의 위쪽에 있는 낮은 인덕턴스 단자로, 그리드는 중간에 있는 금속 링으로, 플레이트는 상단에 있는 금속 버튼으로 연결됩니다.다음은 "디스크 씰" 디자인의 한 예입니다.작은 예에서는 그림에 표시된 팔색 핀 베이스를 사용하여 분사하고 히터 및 DC 음극을 포함한 모든 연결을 위한 접촉 링에 의존합니다.

또한 고주파 성능은 전달 시간(전자가 양극에서 양극으로 이동하는 데 필요한 시간)에 의해 제한됩니다.전송 시간 효과는 복잡하지만, 단순한 효과 중 하나는 그리드 로드라고도 하는 입력 컨덕턴스입니다.극단적인 고주파수에서는 그리드에 도달한 전자가 애노드 쪽으로 출발한 전자와 위상이 어긋날 수 있습니다.이러한 전하 불균형으로 인해 그리드는 저주파 "개방 회로" 특성보다 훨씬 낮은 리액턴스를 보입니다.

이송 시간 효과는 튜브 내 간격 감소로 인해 감소합니다.416B(등대 설계) 및 7768(전 세라믹 소형 설계)과 같은 튜브는 4GHz까지 작동하도록 지정됩니다.0.1mm 정도로 그리드-캐소드 간격이 크게 줄어든 것이 특징입니다.

또한 이렇게 크게 줄어든 그리드 간격은 기존의 축 방향 설계보다 훨씬 높은 증폭률을 제공합니다.7768은 국내 라디오에 사용되는 6AV6의 경우 100에 비해 225의 증폭률을 가지고 있으며 축 방향 설계의 경우 가능한 최대치를 가지고 있습니다.

이러한 설계에서 양극 그리드 용량은 특별히 낮지 않습니다.6AV6 애노드-그리드 용량은 2피코패드로(pF)이며 7768의 값은 1.7pF입니다.마이크로파 튜브에 사용되는 근접 전극 간격은 용량을 증가시키지만, 이 증가는 저주파 튜브에 비해 전체적으로 감소된 치수로 상쇄됩니다.

작동

별도의 음극과 필라멘트가 있는 트라이오드.
필라멘트가 음극 역할을 하는 삼극.
다이어그램에서 필라멘트가 누락되었습니다.
삼극 회로의 개략적인 기호 (F) 필라멘트, (C) 음극, (G) 그리드, (P) 플레이트

삼극에서는 열이온 방출이라고 불리는 과정인 금속 음극을 가열함으로써 전자가 관 안으로 방출됩니다.음극은 얇은 금속 필라멘트를 통해 흐르는 별도의 전류에 의해 빨간색으로 뜨겁게 가열됩니다.일부 튜브에서는 필라멘트 자체가 음극인 반면 대부분의 튜브에서는 음극을 가열하지만 전기적으로 분리된 별도의 필라멘트가 있습니다.튜브 내부는 가스 분자와 충돌하여 에너지를 잃지 않고 음극과 양극 사이를 전자가 이동할 수 있도록 잘 배기되어 있습니다.양극에는 양의 DC 전압이 있으며, 일부 전송 튜브의 경우 20V 이하 또는 최대 수천 볼트에 이를 수 있습니다.음의 전자는 양전하를 띤 양극(또는 "판")에 끌리게 되고, 그리드 와이어 사이의 공간을 통해 음극에서 양극으로 전자가 관을 통해 흐르게 됩니다.

이 전류의 크기는 (음극에 대한) 그리드에 인가되는 전압에 의해 제어될 수 있습니다.그리드는 전자들을 위한 게이트와 같은 역할을 합니다.그리드에 음의 전압이 많을수록 더 많은 전자가 방출되기 때문에 양극으로 연결되는 수가 적어져서 양극 전류가 감소합니다.그리드의 음 전압이 낮아지면 음극에서 나오는 전자가 양극에 도달하여 양극 전류가 증가합니다.따라서 수 볼트(또는 그 이하)의 그리드에 입력된 AC 신호는 매우 높은 임피던스에서도(본질적으로 그리드에 전류가 흐르지 않기 때문에) 훨씬 더 강력한 애노드 전류를 제어할 수 있으므로 증폭이 발생합니다.선형 영역에서 사용할 때 그리드 전압의 변화는 애노드 전류에 대략 비례적인 변화를 야기합니다. 이 비율을 트랜스컨덕턴스라고 합니다.적절한 부하 저항이 애노드 회로에 삽입될 경우 트랜스컨덕턴스는 다소 낮아지지만, 변화하는 애노드 전류는 해당 저항의 전압 변화를 야기하여 입력 전압 변화보다 훨씬 클 수 있으며, 이로 인해 전압 이득이 발생합니다.

삼극은 일반적으로 "ON" 장치이며, 전류는 그리드의 전압이 0인 애노드로 흐릅니다.양극 전류는 그리드가 음극에 비해 더 음으로 만들어짐에 따라 점진적으로 감소합니다.일반적으로 일정한 DC 전압("bias")이 그리드에 인가되고 그 위에 중첩되는 다양한 신호 전압도 함께 인가됩니다.이러한 편향은 신호의 양의 피크가 음극에 대해 그리드를 양으로 구동하지 않도록 해야 하며, 이는 그리드 전류 및 비선형 동작을 초래합니다.그리드에 충분히 음의 전압(일반적으로 6AV6와 같은 작은 튜브의 경우 약 3-5V이지만 '45'와 같은 초기 오디오 전원 장치의 경우 –130V)을 사용하면 전자가 양극으로 전달되지 않아 양극 전류가 차단됩니다.이를 "차단 전압"이라고 합니다.차단을 초과하면 양극 전류가 그리드 전압에 반응하지 않기 때문에, 충실한(선형) 증폭을 위해서는 그리드의 전압이 차단 전압 이상으로 유지되어야 하며 캐소드 전압을 초과하지 않아야 합니다.

삼극은 n-채널 JFET과 작동 방식이 다소 유사하며, 일반적으로 켜져 있으며, 그리드/게이트가 소스/캐소드에 대해 점점 더 음의 방향으로 당겨짐에 따라 점차적으로 더 낮은 플레이트/드레인 전류를 나타냅니다.차단 전압은 JFET의 핀치 오프 전압(Vp) 또는 VGS(OFF)에 해당합니다. 즉, 출력 전류가 기본적으로 0에 도달하는 전압 지점입니다.그러나 이러한 유사성은 제한적입니다.트라이노드의 애노드 전류는 애노드 전압과 그리드 전압에 크게 의존하므로 전압 이득을 제한합니다.반면에 JFET의 드레인 전류는 드레인 전압에 사실상 영향을 받지 않으므로 테트로이드 또는 펜토이드 튜브(고동적 출력 임피던스)와 유사한 정전류 장치로 나타납니다.따라서 JFET 및 테트로이드/펜노드 밸브 모두 100을 거의 초과하지 않는 트라이노드보다 훨씬 높은 전압 이득을 얻을 수 있습니다.그러나 전력 이득, 또는 특정 AC 입력 전압으로부터 획득되는 출력 전력은 종종 더 큰 관심거리가 됩니다.이 장치들이 캐소드 팔로워(또는 소스 팔로워)로 사용될 때, 이 장치들은 모두 1보다 약간 작은 전압 "이득"을 갖지만, 전류 이득이 큽니다.

적용들


비록 S.G. Brown의 Type G Telephone Relay (탄소 마이크로폰 소자를 구동하는 자기적인 "이어폰" 메커니즘을 사용함)가 전력 증폭을 제공할 수 있었고 1914년 초에 사용되었지만, 그것은 제한된 주파수 범위와 충실도를 가진 순수한 기계적인 장치였습니다.제한된 범위의 오디오 주파수, 즉 본질적으로 음성 [23]주파수에만 적합했습니다.

삼극기는 오디오와 무선 주파수에서 전력 이득을 제공하는 최초의 비기계 장치였으며 무선을 실용적으로 만들었습니다.트라이오드는 증폭기와 오실레이터에 사용됩니다.많은 유형이 낮은 주파수에서 중간 수준의 주파수와 전력 수준에서만 사용됩니다.수냉식의 대형 삼극은 수천 와트의 정격을 가진 무선 송신기의 최종 증폭기로 사용될 수 있습니다.특화된 유형의 삼극("요소 간의 낮은 정전용량을 가진 등대" 튜브)은 마이크로파 주파수에서 유용한 이득을 제공합니다.

진공관은 가격이 저렴한 트랜지스터 기반 고체 상태 장치에 추월당하면서 대중화된 가전제품에서 더 이상 쓸모가 없습니다.그러나 최근 진공관이 어느 정도 재기하고 있습니다.트라이오드는 특정한 고출력 RF 증폭기 및 송신기에 계속 사용됩니다.진공관 지지자들은 고급 및 전문가용 오디오 애플리케이션과 같은 분야에서 그들의 우수성을 주장하지만, 고체 MOSFET은 비슷한 성능 [24]특성을 가지고 있습니다.

특성.

ECC83 삼극 동작 특성

삼극 데이터시트에서는 통상 양극 전류(Ia)를 양극 전압(Va) 및 그리드 전압(Vg)에 연결하는 특성이 제공됩니다.여기서 회로 설계자는 특정 트라이오드의 작동점을 선택할 수 있습니다.그러면 그래프에 로드 라인을 그려 트라이노드의 출력 전압과 증폭을 그래픽으로 평가할 수 있습니다.

이미지에 표시된 예 특성에서, 200V의 대기 애노드 전압a V와 -1V의 그리드 전압 바이어스에서 작동하고자 한다고 가정합니다.이는 2.2mA의 대기 플레이트(음극) 전류(그래프의 노란색 곡선 사용)를 의미합니다.클래스 A 3극 증폭기에서는 양극 저항(양극 전원 공급 장치와 양극 전원 공급 장치 사이에 연결)을 배치할 수 있습니다.R = 10000Ω을 선택하면 선택한 양극 전류 I = 2.2mA의 경우 전압 강하가 V - V = I × R = 22V가 됩니다.따라서 애노드에서 V = 200 V를 얻기 위해서는 전원 전압 V = 222 V가 필요합니다.

이제 -1V 바이어스 전압에 1V 피크 피크 피크 신호를 인가하여 그리드 전압이 -0.5V에서 -1.5V 사이에서 변화한다고 가정합니다.V = -0.5 V일 때 애노드 전류는 3.1 mA로 증가하여 애노드 전압을 V = V - 10 kΩ × 3.1 mA = 191 V(음극 곡선)로 낮춥니다.V = -1.5 V일 때 애노드 전류가 1.4 mA로 감소하여 애노드 전압이 V = V - 10 kΩ × 1.4 mA = 208 V(녹색 곡선)로 상승합니다.따라서 입력(그리드)의 1V 피크 피크 신호는 약 17V의 출력 전압 변화를 유발합니다.

따라서 신호의 전압 증폭이 얻어집니다.이 경우 전압 증폭 계수(또는 mu)는 17입니다.전압 증폭은 없지만 동적 임피던스가 크게 감소하는 캐소드 팔로어로서 삼극을 사용하는 것도 가능합니다. 즉, 전류가 크게 증폭됩니다(위에서 설명한 공통 캐소드 구성에서도 마찬가지입니다).전압 또는 전류 중 하나를 증폭하면 증폭관의 일반적인 목적인 전력 증폭이 발생합니다(결국 전류 또는 전압만 증가시킬 수 있는 것은 단지 변압기, 수동 장치를 사용하여 다른 하나를 감소시킴으로써 가능합니다).

참고 항목

참고문헌

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  24. ^ "Tubes Versus Solid-State Audio Amps—The Last Word (Or "House Of Fire," Part 2)". www.electronicdesign.com. Retrieved 2022-04-20.

외부 링크

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  • Les lampes radio — 열이온 밸브에 대한 프랑스어 페이지입니다.특히 관심을 끄는 것은 3극 수동 제작을 보여주는 17분짜리 영상입니다.
  • 삼극 밸브 튜토리얼