制御グリッド

コントロールグリッドは、三極管、四極管、五極管などの増幅型熱電子管（真空管）で使用される電極で、陰極から陽極（プレート）電極への電子の流れを制御するために使用されます。コントロールグリッドは通常、陰極を囲む円筒状のスクリーンまたはらせん状の細いワイヤーで構成され、その周囲を陽極が囲んでいます。コントロールグリッドは、1906年にフレミング管（熱電子ダイオード）にグリッドを追加して最初の増幅型真空管であるオーディオン（三極管）を作成したリー・デ・フォレストによって発明されました。

真空管では、熱陰極から負に帯電した電子が放出され、電源から正の電圧が印加された陽極に引き寄せられて捕捉されます。陰極と陽極の間にある制御グリッドは、「ゲート」として機能し、陽極に到達する電子の電流を制御します。グリッドの電圧がより負になるほど、電子は陰極に向かって反発されるため、陽極に到達する電子の数は少なくなります。グリッドの電圧がより負に小さくなる、つまり正になるほど、より多くの電子が通過できるようになり、陽極電流が増加します。グリッド電圧の変化はプレート電流に比例した変化をもたらすため、グリッドに時間的に変化する電圧を印加すると、プレート電流波形は印加されたグリッド電圧のコピーになります。

制御グリッドの電圧がわずかに変動するだけで、陽極電流は著しく大きく変動します。陽極回路に抵抗器が存在すると、陽極電圧に大きな変動が生じます。陽極電圧の変動は、その変動を引き起こしたグリッド電圧の変動よりもはるかに大きくなる可能性があり、そのため真空管は増幅を行い、増幅器として機能します。

最初の三極管のグリッドは、フィラメントと陽極の間にジグザグ状のワイヤーを配置したものでした。これはすぐに、単一のフィラメント（または後に円筒形の陰極）と円筒形の陽極の間に細いワイヤーをらせん状または円筒状に配置したスクリーンへと発展しました。グリッドは通常、高温に耐え、それ自体が電子を放出しにくい非常に細いワイヤーで作られています。 金メッキを施したモリブデン合金がよく使用されます。グリッドは、柔らかい銅製の側柱に巻き付けられ、側柱はグリッドの巻線を所定の位置に固定するために圧着されます。1950年代のバリエーションとして、フレームグリッドがあり、これは非常に細いワイヤーを剛性のあるプレス加工された金属フレームに巻き付けます。これにより、非常に厳しい公差を維持できるため、グリッドをフィラメント（または陰極）により近づけることができます。

制御グリッドを陽極に対してフィラメント/陰極側に近づけることで、増幅率が高まります。この増幅率は、真空管のデータシートでは増幅率、または「μ」と呼ばれます。また、グリッド電圧の変化に対する陽極電流の変化の比率である相互コンダクタンスも高くなります。真空管の雑音指数は相互コンダクタンスに反比例します。つまり、一般的に相互コンダクタンスが高いほど雑音指数は低くなります。雑音指数が低いことは、ラジオやテレビ受信機の設計において非常に重要です。

真空管は複数の制御グリッドを備えることができる。ヘキソードには、受信信号用と局部発振器からの信号用の2つの制御グリッドが含まれている。真空管固有の非線形性により、陽極回路には元の2つの信号だけでなく、それらの信号の和と差も現れる。これは、スーパーヘテロダイン受信機における周波数変換器として利用できる。

制御グリッドのバリエーションとして、ピッチが可変のらせんを生成する方法があります。これにより、結果として得られる真空管は独特の非線形特性を持ちます。^{[ 1 ]}これは、グリッドバイアス の変更によって相互コンダクタンスが変化し、デバイスのゲインが変化するRFアンプでよく利用されます。このバリエーションは通常、真空管の五極管の形で現れ、その場合は可変μ五極管またはリモートカットオフ五極管と呼ばれます。

三極管の主な制限の 1 つは、グリッドと陽極の間にかなりの容量 (C _{ag ) が存在することです。}ミラー効果として知られる現象により、アンプの入力容量は C _{agと真空管の増幅率の積になります。このことと、C ag が}大きい場合に同調入力と出力を持つアンプが不安定になることにより、動作周波数の上限が著しく制限される可能性があります。これらの影響はスクリーン グリッドを追加することで克服できますが、真空管時代の後期には、この「寄生容量」を非常に低くする構造技術が開発され、超高周波(VHF) 帯域の上限で動作する三極管が可能になりました。Mullard EC91は 最大 250 MHz で動作しました。EC91 の陽極-グリッド容量はメーカーの資料で 2.5 pF と記載されていますが、これは同時代の他の多くの三極管よりも高い値です。一方、1920 年代の多くの三極管は厳密に比較可能な値であったため、この分野での進歩はありませんでした。しかし、1920年代初期のスクリーングリッド四極管のC _agはわずか1または2 fFで、約1000分の1程度でした。「現代の」五極管のC _agの値は同程度です。三極管は、ミラーフィードバックを防ぐ回路構成である「接地グリッド」構成でVHFアンプに使用されました。