ダイナトロン発振器

電子工学において、ダイナトロン発振器は、1918年にゼネラル・エレクトリックのアルバート・ハル[1] [2] によって発明され、二次放出と呼ばれるプロセスによって引き起こされる初期の四極真空管の負性抵抗特性を利用した、現在は使われていない真空管電子発振回路^である。 [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] ^{[ 6 ]これ} は最初の負性抵抗真空管発振器であった。^[7]ダイナトロン発振器回路は、1920年代から1940年代にかけて、真空管ラジオ受信機や科学機器および試験装置のビート周波数発振器(BFO) や局部発振器 として限定的に使用されていたが、真空管の二次放出の変動性のために第二次世界大戦頃には使われなくなった。^{[8] [9] [10] [11]}

負性トランスコンダクタンス発振器^[8] 、例えば1939年にクレト・ブルネッティが発明したトランジトロン発振器^{[12] [13]}は、同様の負性抵抗真空管発振回路であり、五極管やその他のマルチグリッド真空管の負性トランスコンダクタンス（2番目のグリッドの電圧の上昇によって引き起こされる1つのグリッド電極を流れる電流の低下）に基づいています。^{[5] [14]} これらはダイナトロン回路^[14]に取って代わり、1970年代まで真空管電子機器に使用されました。^{[8] [10] [11]}

ダイナトロン発振器とトランジトロン発振器は、フィードバックではなく負の抵抗を使用して発振を生成する点で、多くの発振器回路と異なります。^{[4] [6]}インダクタとコンデンサを接続した 同調回路（共振回路）は、「ほぼ」発振器です。つまり、電気エネルギーを振動電流の形で蓄えることができ、音叉と同様に「鳴り響く」のです。^[15] 同調回路の電気抵抗がゼロであれば、振動が始まると発振器として機能し、連続した正弦波を生成します。しかし、実際の回路には抵抗が内在するため、外部電源がなければ、振動電流のエネルギーは抵抗の熱として消散し、振動はゼロに減衰します。^[15]

ダイナトロン回路とトランジトロン回路では、真空管にバイアスがかけられ、一方の電極に負の微分抵抗が生じます。^{[4] [6]} つまり、電極の電圧が陰極に対して増加すると、電極を流れる電流が減少するということです。^[4] 電極と陰極の間には同調回路が接続されています。真空管の負の抵抗が同調回路の正の抵抗を打ち消し、実質的に交流抵抗がゼロの同調回路を作り出します。^{[6] [15]同調回路の}共振周波数で、回路の電源を入れたときに発生する電気ノイズによって、 自発的に連続した正弦波振動電圧が発生します。 ^[15]

これらの発振器の利点は、負性抵抗効果が周波数にほとんど依存しないことであり、そのため同調回路で適切なインダクタンスとキャパシタンスの値を使用することで、数ヘルツから約 20 MHz までの広い周波数範囲で動作できる。^{[6] [8] [9]もう 1 つの利点は、}ハートレーやアームストロングの回路 などの発振器に必要なタップや「ティッカー」コイルを使用せずに、単純な単一の LC 同調回路を使用していることである。^[16]

ダイナトロンでは、四極管が使用される。^[4] 一部の四極管では、陰極からの電子がプレートに当たったときにプレートから電子が弾き出されるため、プレート（陽極）に負の微分抵抗が生じる。これを二次放出^{という。 [4] [5]}これにより、スクリーングリッドがプレートよりも高い電圧でバイアスされると、プレート電流対プレート電圧曲線（下のグラフ、灰色の領域）に下向きの「折れ曲がり」が生じる（以下で説明する）。この負の抵抗は、主に 1940 年代以前の古い真空管の特徴であった。^{[4]現代のほとんどの四極管では、}寄生振動を 防ぐために、プレートにコーティングが施され、不要な二次放出が大幅に減少するため、これらの真空管のプレート電流特性には負の抵抗「折れ曲がり」がほとんどなく、ダイナトロン発振器に使用できない。^[4]

ダイナトロン振動を発生できる真空管は四極管だけではなかった。初期の三極管にも二次放出があり、したがって負性抵抗があったため、四極管が発明される前は、制御グリッドをプレートよりも正にバイアスすることでダイナトロン発振器に使用されていた。^{[1] [17]} 1918年にハルが初めてダイナトロン発振器を作ったときは、彼自身が設計した特殊な「ダイナトロン」真空管（上図）が使用されていた。これは、グリッドが穴の開いた重いプレートで、高電流を流すのに十分な強度がある三極管だった。^[2] この真空管は標準的な三極管としてはあまり使われず、四極管でもダイナトロンとして十分に機能した。「ダイナトロン」という用語は、真空管の負性抵抗振動すべてに適用されるようになった。たとえば、スプリットアノードマグネトロンは「ダイナトロン振動」で動作すると言われていた。

ダイナトロン回路の利点は、数ヘルツから20MHzまでの非常に広い周波数範囲で発振できることであった。^{[6] [8] [9]} また、当時の他のLC発振器と比較して周波数安定性が非常に優れており、水晶発振器にさえ匹敵した。この回路は、1928年頃にUY222やUY224などの安価な四極管が登場した後に人気を博した。^{[9] [16]コード受信用の}ビート周波数発振器（BFO）やスーパーヘテロダイン受信機の局部発振器^[16]のほか、実験室の信号発生器や科学研究にも 使用された。RCAの1931年のプロトタイプテレビは、CRTの偏向コイルの垂直偏向（28Hz）と水平偏向（2880Hz）信号を生成するために、ダイナトロン発振器として2本のUY224管を使用した。

しかし、ダイナトロンには欠点もあった。プレートからの二次放出電流の量は、真空管ごとに、また真空管1本の動作寿命を通じて予測できないほど変動することがわかった。 ^{[18] [19]}最終的に発振しなくなる。真空管を交換する際、回路内で発振する真空管を見つけるために、いくつかの真空管を試さなければならないかもしれない。さらに、ダイナトロンの振動は、四極管の主な用途である増幅器の不安定性の原因であったため、真空管メーカーはプレートにグラファイトコーティングを施し、二次放出を事実上排除し始めた。 ^[4] 1945年までに、ダイナトロン回路の使用は減少した。^{[10] [11] [19]}

電子管では、陰極から放出された電子がプレートに当たると、金属表面から他の電子をはじき出すことがあり、これを二次放出という。^{[4] [5] [18]} 通常の四極管増幅器ではこれは望ましくない効果であり、プレートに隣接するスクリーングリッドはプレートよりも低い電位にバイアスされているため、これらの二次電子はプレートの正電荷によって反発され、プレートに戻る。

しかし、スクリーングリッドがプレートよりも高い電位で動作している場合、二次電子はそれに引き寄せられ、スクリーングリッド電源を介して接地に戻ります。^{[4]これは、プレートから}遠ざかる 電子の電流I _G2 を表し、正味プレート電流I _Pをカソード電流I _{C以下に減少させます。}

${\displaystyle I_{P}=I_{C}-I_{G2}\,}$

プレート電圧が高くなると、一次電子がプレートに衝突するエネルギーが大きくなり、二次電子が多く放出されます。したがって、一次電子が二次電子放出を引き起こすのに十分なエネルギーを持つ電圧、V _P  = 10V 付近から、プレート電圧の増加によってプレートから放出される電子の数がプレートに到達する追加の電子の数より多くなり、プレート電流が全体的に減少する動作領域(灰色)があり ます。

この領域ではプレート電圧の増加によりプレート電流が減少するため、AC プレート抵抗、つまり真空管の差動出力抵抗は負になります。

${\displaystyle r_{P}={\Delta V_{P} \over \Delta I_{P}}}0\,}$

トンネルダイオードのような他の負性微分抵抗デバイスと同様に、この負性抵抗は発振器の作成に使用できます。並列同調回路は、四極管のプレート回路に接続されています。負のプレート抵抗の大きさが、発振器に接続された負荷を含む同調回路の並列抵抗Rより小さい場合、回路は発振します。

${\displaystyle |r_{P}|<R\,}$

発振周波数は同調回路の 共振周波数に近くなります。

${\displaystyle f={1 \over 2\pi }{\sqrt {1 \over LC}}\,}$

グラフからわかるように、ダイナトロンの動作では、スクリーン グリッドをプレートよりもかなり高い電圧 (少なくともプレート電圧の 2 倍) でバイアスする必要があります。プレート電圧の振幅は、曲線の負性抵抗領域 (下向きの「折れ曲がり」) に制限されるため、最大の出力電圧振幅を実現するには、負性抵抗領域の中心で真空管をバイアスする必要があります。

古い四極管の負性抵抗はおよそ 10kΩ - 20kΩ で、制御グリッドバイアスを変更することで制御できます。負性抵抗 | r _P | の大きさが発振を開始するのにちょうど十分小さく、同調回路の正性抵抗Rよりわずかに小さい場合、発振周波数は非常に安定し、出力波形はほぼ正弦波になります。負性抵抗が正性抵抗より大幅に小さくなると、電圧振幅が曲線の非線形部分にまで広がり、正弦波出力のピークが平坦化 (「クリップ」) されます。

1939年にクレド・ブルネッティが発明したトランジトロン発振器^[12]（1926年にバルタザール・ファン・デル・ポールが四極管で同様の効果を観測し^[20]、1935年にエドワード・ヘロルドが同様の発振器を説明した^[21]）は、五極管真空管を使用した負性抵抗発振回路であり、プレートの代わりにスクリーングリッドがサプレッサーグリッドに結合されているために負性抵抗を持つ。^{[5] [14] [18]} 右の回路を参照。トランジトロンでは、スクリーングリッドはプレート電圧より高い正電圧（バッテリーB1）でバイアスされ、サプレッサーグリッドはカソード電圧以下の負電圧（バッテリーB2）でバイアスされる。したがって、すべての電子は負のサプレッサーグリッドで反射され、プレートに到達する電子はない。反射された電子は代わりにスクリーングリッドに引き付けられるため、スクリーン電流は高くなり、プレート電流はゼロになる。ただし、サプレッサー グリッド電圧が増加すると、ゼロ (カソード電圧) に近づくにつれて、電子がサプレッサー グリッドを通過してプレートに到達し、スクリーン グリッドに転送される数、つまりスクリーン電流が減少します。他のグリッドは大きな電流を消費しないため、カソード電流はプレートとスクリーン グリッドに分割されます。 ${\displaystyle \scriptstyle I_{\text{C}}}$${\displaystyle \scriptstyle I_{\text{P}}}$${\displaystyle \scriptstyle I_{\text{G2}}}$

${\displaystyle I_{\text{G2}}=I_{\text{C}}-I_{\text{P}}\,}$

スクリーン グリッドとプレート間の電流の分配は、サプレッサー電圧によって制御されます。この逆の関係は、スクリーンとサプレッサー グリッド間のトランスコンダクタンス(スクリーン電流の変化 Δ I _G2をサプレッサー電圧の変化 Δ V _G3で割った値) が負であると言うことで示されます。

スクリーン電流を制御するのはスクリーングリッド電圧ではなくサプレッサーグリッド電圧であるため、サプレッサーとスクリーングリッドがコンデンサ ( C2 ) で結合され、両者の間に一定の電位差がある場合、スクリーングリッド電圧を上げるとサプレッサー電圧も上がり、スクリーン電流が減少します。これは、スクリーングリッドがカソードに対して負の微分抵抗を持ち、振動を発生させるために使用できることを意味します。

トランジトロン回路では、スクリーンとサプレッサーグリッドは、発振周波数でインピーダンスが低いバイパスコンデンサ（ C2 ）に結合されているため、一定の電位差があります。並列同調回路（ C1-L）は、スクリーングリッドとカソード（バッテリーB1を介して）の間に接続されています。スクリーングリッドの負抵抗が同調回路の正抵抗を打ち消し、発振を引き起こします。ダイナトロン発振器と同様に、制御グリッドを使用して負抵抗を調整できます。

トランジトロン発振器は二次放射に依存しないため、ダイナトロンよりもはるかに信頼性が高かった。しかし、スクリーングリッドは高電力を処理できるように設計されていないため、発振器の出力電力は制限されている。ヘキソド管やペンタグリッドコンバータ管など、ペントードの横に複数のグリッドを備えた他の真空管は、同様の負性相互コンダクタンス発振器を作成するために使用されてきた。この回路で使用されているペントード管の負性相互コンダクタンスは約 -250 マイクロジーメンスで、負性抵抗は -4000Ω になる。ペンタグリッドコンバータなどのより多くのグリッドを備えた真空管を使用すると、より高い相互コンダクタンスを持つトランジトロン発振器を作成でき、負性抵抗が小さくなる。