テトロード

四極管は、4つの活性電極を持つ真空管（イギリス英語ではバルブと呼ばれる）である。4つの電極は、中心から順に、熱陰極、第1および第2のグリッド、プレート（イギリス英語ではアノードと呼ばれる）である。四極管にはいくつかの種類があり、最も一般的なものはスクリーングリッド管とビーム四極管である。スクリーングリッド管とビーム四極管では、第1グリッドが制御グリッドで、第2グリッドがスクリーングリッドである。^[1]他の四極管では、グリッドの1つが制御グリッドで、他のグリッドがさまざまな機能を持つ場合がある。

四極管は、1920年代に最初の増幅用真空管である三極管の限界を修正するために追加のグリッドを追加することによって開発されました。 1913年から1927年の間に、3つの異なるタイプの四極管バルブが登場しました。 すべてに、チューブを通過する電流の主な制御として機能する通常の制御グリッドがありましたが、もう一方のグリッドの意図された機能によって異なっていました。 歴史的な登場順に、これらは、空間電荷グリッドチューブ、バイグリッドバルブ、およびスクリーングリッドチューブです。 これらの最後のものは、異なる用途分野の2つの異なる変種で登場しました。中周波の小信号増幅に使用されるスクリーングリッドバルブ本体と、後に登場し、オーディオまたは無線周波数の電力増幅に使用されたビームテトロードです。 前者はすぐにrfペントードに取って代わられましたが、後者は当初、オーディオ電力増幅デバイスとしてペントードの代替として開発されました。ビームテトロードは高出力無線送信管としても開発されました。

1960 年代から 70 年代にかけてトランジスタが真空管に取って代わるまで、四極管はラジオ、テレビ、オーディオ システムなどの多くの民生用電子機器で広く使用されていました。ビーム四極管は、オーディオ アンプや無線送信機などの電源アプリケーションではごく最近まで使用され続けていました。

四極管は、三極管から発展したのと同様に機能します。ヒーターまたはフィラメントを流れる電流が陰極を加熱し、熱電子放出によって電子を放出します。プレートと陰極の間に正の電圧が印加され、2 つのグリッドを介して陰極からプレートへ電子が流れます。制御グリッドに印加される電圧を変化させることでこの電流を制御し、プレート電流を変化させることができます。プレート回路に抵抗またはその他の負荷がある場合、電流が変化するとプレートの電圧も変化します。適切なバイアスをかけると、この電圧は制御グリッドに印加される AC 電圧の増幅版 (ただし反転) となり、電圧ゲインが得られます。四極管では、もう一方のグリッドの機能は四極管の種類によって異なります。これについては後述します。

空間電荷グリッド管は、最初に登場したタイプの四極管でした。エドウィン・ハワード・アームストロングとリー・ド・フォレストによって発明されたオーディオン三極管の動作を研究する過程で、アーヴィング・ラングミュアは、加熱された熱電子陰極の動作が、陰極の周囲に空間電荷、つまり電子の雲を作り出すことだということを発見しました。この雲は仮想陰極として機能しました。印加陽極電圧が低いと、空間電荷内の電子の多くは陰極に戻り、陽極電流には寄与しませんでした。外側の限界にある電子だけが陽極による電界の影響を受け、陽極に向かって加速されました。ただし、低い正の印加電位 (約 10 V) を持つグリッドを陰極と制御グリッドの間に挿入すると、空間電荷を陰極からさらに遠ざけることができます。これには 2 つの有利な効果があり、どちらも空間電荷の電子に対する他の電極 (陽極と制御グリッド) の電界の影響に関連していました。まず、低い陽極電圧で陽極電流を大幅に増加させることができ、低い陽極電圧を印加してもバルブを良好に動作させることができました。^[2] 次に、管のトランスコンダクタンス（制御グリッド電圧に対する陽極電流の変化率）が増加しました。後者の効果は、バルブから得られる電圧ゲインを増加させるため、特に重要でした。^{[3] [4] [5]}

空間電荷型真空管は真空管時代を通じて有用なデバイスであり続け、12V 電源で直接動作するカーラジオなどの用途で使用されました。カーラジオでは、低い陽極電圧しか利用できませんでした。同じ原理が、五極管などの他のタイプのマルチグリッド真空管にも適用されました。例として、シルバニア 12K5 は「空間電荷動作用に設計された四極管。12V の自動車バッテリーから直接電位が得られるパワーアンプドライバーとして使用することを目的としています」と説明されています。空間電荷グリッドは、陽極電源電圧と同じ +12V で動作しました。^[6]

空間電荷四極管のもう一つの重要な用途は、非常に小さな電流を検出し測定するための電位計管としてでした。たとえば、ゼネラルエレクトリック FP54 は「空間電荷グリッド管」と説明されており、非常に高い入力インピーダンスと非常に低いグリッド電流を持つように設計されています。特に、約 10 未満の直流電流を増幅するために設計されています。⁻⁹
アンペアの電流を測定でき、5 x 10⁻¹⁸
アンペア。電流増幅率は250,000で、陽極電圧12V、空間電荷グリッド電圧+4Vで動作します。」 ^[7]空間電荷グリッドが電位計四極管の制御グリッド電流を下げるメカニズムは、陰極から発生する正イオンが制御グリッドに到達するのを防ぐことです。^[8]

空間電荷グリッドを三極管に追加すると、結果として得られる四極管の最初のグリッドが空間電荷グリッドになり、2 番目のグリッドが制御グリッドになることに注意してください。

バイグリッド型の四極管では、両方のグリッドが電気信号を伝送することを意図しているため、両方とも制御グリッドです。英国で最初に登場した例は、HJ Roundによって設計され、1920年に発売された Marconi-Osram FE1 でした。^{[5]この真空管は、}反射回路 (たとえば、シングルバルブの船舶受信機 Type 91 ^[9] )で使用することを意図しており、同じバルブが RF 増幅器、AF 増幅器、ダイオード検出器の機能を組み合わせて実行します。RF 信号は 1 つの制御グリッドに適用され、AF 信号は別のグリッドに適用されます。このタイプの四極管は、スクリーングリッドバルブの登場によって受信機の設計が革命的に変わるまでの時期に、さまざまな独創的な方法で使用されました。^{[10] [11]}

図に 1 つの用途を示します。これは AM 電話送信機として認識でき、第 2 グリッドとアノードが電力発振器を形成し、第 1 グリッドが変調電極として機能します。真空管のアノード電流、つまり RF 出力振幅は、カーボン マイクから得られる G1 の電圧によって変調されます。 ^[12] このタイプの真空管は、直接変換 CW (無線電信) 受信機としても使用できます。この場合、真空管は第 1 グリッドとアノード間の結合の結果として振動し、第 2 グリッドはアンテナに結合されます。AF ビート周波数はヘッドフォンで聞こえます。真空管は自己発振製品検出器として機能します。 ^[13] バイ グリッド 真空管のもう 1 つの非常によく似た用途は、初期のスーパーヘテロダイン受信機の自己発振周波数ミキサーでした。^[14] 1 つの制御グリッドは入力 RF 信号を伝送し、もう 1 つは同じ真空管内で局部発振を生成する発振器回路 に接続されました。バイグリッドバルブのアノード電流は、第 1 グリッドの信号と第 2 グリッドの発振器電圧の両方に比例するため、必要な 2 つの信号の乗算が実現され、中間周波数信号はアノードに接続された同調回路によって選択されました。これらの各アプリケーションでは、バイグリッド テトロードは、プレート電流が両方の入力信号を通過させることに加えて、グリッドに適用された 2 つの信号の積を含む、不平衡アナログ乗算器として機能しました。

現代のスーパーヘテロダイン（またはスーパーヘテロ）受信機（中間周波数が超音波周波数であったため、当初は超音波ヘテロダイン受信機と呼ばれた）の原理は、1917年にフランスのリュシアン・レヴィによって発明されたが^{[15] （p 66）が、}エドウィン・アームストロングの功績も通常挙げられる。スーパーヘテロ発明の元々の理由は、スクリーングリッドバルブの登場以前は、増幅バルブ、次いで三極管では、ミラー効果のために無線周波数（つまり、100kHzをはるかに超える周波数）を増幅するのが困難であったことであった。スーパーヘテロダイン設計では、入力無線信号を増幅するのではなく、まず一定のRF発振器（いわゆる局部発振器）と混合して、通常30kHzのヘテロダインを生成する。この中間周波数（IF）信号は、入力信号と同一のエンベロープを持ちながら搬送周波数がはるかに低いため、三極管を使用して効率的に増幅することができた。検出されると、高周波無線信号の元の変調が得られます。 ^[16] やや複雑な技術であるため、スクリーングリッド四極管によって同調無線周波数(TRF) 受信機が実用的になると、この技術は廃れました。^{[要出典]しかし、スーパーヘテロダイン原理は、}選択性 の向上など他の利点が評価されるようになった 1930 年代初頭に再浮上し、現代の受信機のほとんどすべてがこの原理で動作しますが、増幅器 (四極管など) により、高周波 (無線) 信号の増幅における三極管の限界を超え、IF 周波数はより高く (場合によっては元の RF よりも高い) なっています。

スーパーヘテロダインの概念は、真空管を局部発振器として、別の真空管をミキサーとして使用して実装できます。ミキサーは、アンテナ信号と局部発振器を入力信号として受け取ります。しかし、経済性のために、これらの 2 つの機能を 1 つのバイグリッド テトロードに統合して、アンテナからの RF 信号を発振し、周波数混合することもできます。^[14]後年、同様のことがペンタグリッド コンバーターチューブによって実現されました。これは、同様の 2 入力増幅/発振真空管ですが、(ペントードチューブのように)サプレッサー グリッドと、この場合は 2 つのスクリーン グリッドを組み込んで、プレートと両方の信号グリッドを互いに静電的に分離します。安価な半導体技術 (トランジスタ) に基づく今日の受信機では、2 つの機能を 1 つのアクティブ デバイスに統合してもコスト上の利点はありません。

スクリーングリッド管は、三極管に比べて、制御グリッドとアノード間の静電容量がはるかに小さく、増幅率がはるかに高い。三極管を使用した無線周波数増幅回路は、三極管のグリッドとアノード間の静電容量が原因で発振する傾向があった。^{[17]スクリーングリッド管では、}スクリーングリッド、シールドグリッド、または加速グリッドと呼ばれるグリッドが、制御グリッドとアノードの間に挿入される。スクリーングリッドは、制御グリッドとアノードの間に静電シールドを提供し、それらの間の静電容量を非常に小さな値にまで低減する。^{[17] [18]}陽極の電界が陰極の空間電荷と制御グリッドに与える影響を低減するために、1915年から1916年にかけて物理学者ウォルター・H・ショットキーは、静電シールドを提供するためにアノードと制御グリッドの間にグリッドを配置した最初の管を開発した。^{[19] [20]}ショットキーは1916年にドイツで、1919年に米国でこれらのスクリーングリッド管の特許を取得しました。 ^{[21] [22]}これらの管はドイツで生産され、シーメンス・ショットキー管として知られていました。^[20]日本では、安藤宏が1919年にスクリーングリッドの構造の改良の特許を取得しました。 ^[23] 1920年代後半には、ゼネラル・エレクトリックのニール・H・ウィリアムズとアルバート・ハル、MOVのHJラウンド、フィリップスのバーナード・テレゲンが改良されたスクリーングリッド管を開発しました。これらの改良されたスクリーングリッド管は1927年に初めて販売されました。^[24]

三極管のアノードとグリッド間の静電容量（ミラー効果）を介したフィードバックは、特に無線周波数（RF）増幅器で通常行われるようにアノードとグリッドの両方が同調共振回路に接続されている場合に、発振を引き起こす可能性がある。 ^[25]約100 kHzを超える周波数では、中和回路が必要であった。小信号増幅に使用される典型的な三極管のグリッドとアノード間の静電容量は8  pFであるのに対し、典型的なスクリーングリッド管の対応する数値は0.025  pFであった。^[26]中和回路は、適切に設計されたスクリーングリッド管RF増幅段には不要であった。^{[27] [28]}

スクリーングリッドは、バイパスコンデンサによって接地されているので、正の直流電圧と交流接地に接続されています。^[17]スクリーングリッド管の増幅器としての有効動作領域は、スクリーングリッド電圧よりも高い陽極電圧に制限されます。スクリーングリッド電圧よりも高い陽極電圧では、陰極からの電子の一部がスクリーングリッドに衝突してスクリーン電流を生成しますが、大部分はスクリーンの空きスペースを通過して陽極に進みます。^[17]陽極電圧がスクリーングリッドの電圧に近づき、それを下回ると、プレート特性画像に示すようにスクリーン電流が増加します。

スクリーングリッドの追加の利点は、それが追加されたときに明らかになりました。アノード電圧がスクリーン電圧よりも大きい限り、アノード電流はアノード電圧からほぼ完全に独立します。これは非常に高いアノード動的抵抗に対応し、アノード負荷インピーダンスが大きい場合にはるかに大きな電圧利得を可能にします。^[29]アノード電流は、制御グリッドとスクリーングリッド電圧によって制御されます。したがって、四極管は主にトランスコンダクタンス（制御グリッド電圧に対するアノード電流の変化）によって特徴付けられますが、三極管は増幅率（μ）、つまり最大可能電圧利得によって特徴付けられます。スクリーングリッドバルブが導入された当時、ラジオ受信機で使用される一般的な三極管のアノード動的抵抗は20kΩ以下でしたが、一般的なスクリーングリッドバルブの対応する数値は500kΩでした。一般的な三極管中波RF増幅段の電圧利得は約14でしたが、スクリーングリッド管RF増幅段の電圧利得は30〜60でした。^[30]

非常に低いグリッド-アノード容量を最大限に活用するため、ラジオの構造ではアノードとグリッド回路間のシールドが考慮されました。S625 バルブは、内部スクリーン グリッドの位置に対応するように配置した、接地された平面の金属シールドに取り付けられました。入力、つまり制御グリッド回路はシールドの片側にあり、アノード、つまり出力回路は反対側にありました。S23 チューブを使用した受信機では、2 段 RF アンプの各ステージ全体と、同調検波ステージが、静電シールド用の個別の大きな金属製ボックスに収められています。これらのボックスは図では取り外されていますが、ボックスの底部の上向きのエッジが見えます。

このように、スクリーン グリッド バルブは、無線機器の中周波数および高周波数範囲での無線周波数増幅を向上させました。スクリーン グリッド バルブは、1927 年後半から 1931 年にかけて、ラジオ受信機の無線周波数増幅段の設計に広く使用され、その後、五極管に取って代わられました。

スクリーングリッド真空管の適用範囲が限られ、RF五極管(1930 年頃に導入) に急速に置き換えられた理由は、前者のタイプの真空管の特異な陽極特性 (つまり、陽極電圧に対する陽極電流の変化) でした。

通常の用途では、陽極電圧は約 150 V で、スクリーン グリッドの電圧は約 60 V でした (Thrower p 183)。^[5] スクリーン グリッドは陰極に対して正であるため、グリッド領域から陽極に渡されるはずの電子の一定の割合 (おそらく 4 分の 1) を収集します。これにより、スクリーン グリッド回路に電流が流れます。通常、この原因によるスクリーン電流は小さく、あまり重要ではありません。ただし、陽極電圧がスクリーンの電圧よりも低い場合、スクリーン グリッドは、エネルギーの高い一次電子の影響によって陽極から放出された二次電子も収集できます。両方の効果により、陽極電流が減少する傾向があります。スクリーン グリッドが通常の動作電圧 (たとえば 60 V) の状態で陽極電圧が低い値から増加すると、スクリーン グリッドを通過する電子の多くがスクリーン グリッドに戻るのではなく陽極に収集されるため、陽極電流は最初は急速に増加します。四極管の陽極特性のこの部分は、三極管または五極管の対応する部分に似ています。ただし、陽極電圧をさらに上げると、陽極に到達する電子は大量の二次電子放出を引き起こすのに十分なエネルギーを持ち、これらの二次電子の多くは、陽極よりも高い正の電圧にあるスクリーンによって捕捉されます。このため、陽極電圧を上げても陽極電流は増加せず、むしろ減少します。場合によっては、陽極電流が実際に負になることがあります (電流が陽極から流れ出します)。これは、各一次電子が複数の二次電子を生成する可能性があるためです。陽極電圧の上昇を伴う正の陽極電流の低下により、陽極特性に負の傾斜の領域が生じ、これが負の抵抗に対応し、特定の回路で不安定性を引き起こす可能性があります。陽極電圧のより高い範囲では、陽極電圧がスクリーンの電圧を十分に上回り、陽極に引き戻される二次電子の割合が増加するため、陽極電流が再び増加し、陽極特性の傾斜が再び正になります。陽極電圧がさらに高い範囲では、二次電子がすべて陽極に戻るため陽極電流はほぼ一定になり、管を流れる電流の主な制御は制御グリッドの電圧になります。これが管の通常の動作モードです。^[31]

このように、スクリーングリッド管の陽極特性は三極管のそれとは全く異なります。陽極電圧がスクリーングリッドの電圧よりも低い場合、ダイナトロン領域^[32]またはテトロードキンクと呼ばれる特徴的な負性抵抗特性があります。スクリーングリッド電圧よりも高い陽極電圧での低勾配のほぼ定電流領域も三極管の領域とは著しく異なり、スクリーングリッド管の増幅器としての有効な動作領域を提供します。^[33]低勾配は非常に望ましいもので、デバイスが生成できる電圧ゲインを大幅に高めます。初期のスクリーングリッド管の増幅係数 (つまり、トランスコンダクタンスと陽極勾配抵抗 R _aの積) は、同等の三極管の 50 倍以上でした。^[29] 通常の動作範囲での高い陽極抵抗は、スクリーングリッドの静電シールド作用の結果であり、陽極による電界が制御グリッド領域に浸透するのを防ぐためであり、制御グリッド領域では電子の通過に影響を与え、陽極電圧が高いときは電子電流が増加し、低いときは電子電流が減少する可能性がある。

四極管の負性抵抗動作領域は、負性抵抗発振器の一例であるダイナトロン発振器で利用されている。(イーストマン、p431) ^[4]

ビームテトロードは、部分的にコリメートされた電子ビームを利用して、スクリーングリッドとアノードの間に高密度の低電位空間電荷領域を発生させ、アノードの二次放出電子をアノードに戻すことにより、スクリーングリッド管のダイナトロン領域またはテトロードキンクを排除します。^[34]ビームテトロードのアノード特性は、パワーペントードのアノード特性よりも低いアノード電圧で丸みが少なく、同じアノード供給電圧でより大きな出力とより少ない第3高調波歪みをもたらします。^{[35] [36]}ビームテトロードは通常、オーディオ周波数から無線周波数までの電力増幅に使用されます。ビームテトロードは、1933年に3人のEMIエンジニア、アイザック・ショーンバーグ、キャボット・ブル、シドニー・ロッダによって英国で特許を取得しました。^[37]

イギリス、ロンドンの High Vacuum Valve 社 (Hivac) は、1935 年 8 月に JH Owen Harries の臨界距離効果を利用して陽極電圧 - 陽極電流特性のダイナトロン領域を排除した出力四極管の製品ラインを発表しました。^[38] 臨界距離管は、陽極の二次電子が陽極に戻る空間電荷を利用しました。^[39]臨界距離四極管の際立った物理的特性は、スクリーン グリッドから陽極までの距離が長く、グリッド構造が楕円形であることです。^[38]スクリーン グリッドから陽極までの距離が長いため、陽極電位がスクリーン グリッドの電位よりも低い場合に、低電位空間電荷が形成され、陽極の二次電子が陽極に戻ります。^[40]楕円形のグリッドにより、制御グリッド サポート ロッドを陰極から遠ざけることができ、制御グリッド電圧による増幅係数への影響を減らすことができました。^[41]制御グリッド電圧がゼロおよび負の場合、制御グリッド支持ロッドと制御グリッドは、陰極からの電子流を、180度離れた2つの主要な空間電流領域に形成し、陽極円周の2つの広いセクターに向けました。^[42]これらの機能により、低陽極電圧で飽和が発生し、低陽極電圧での陽極電圧-陽極電流特性の曲率が大きくなる（半径が小さくなる）ため、同等のパワー五極管よりも出力がいくらか大きくなり、歪みが少なくなりました。^[38] 家庭用受信機市場をターゲットにしたこのタイプの四極管シリーズが導入され、低電力の電池駆動セット用に2ボルトの直流定格のフィラメントを備えたものや、主電源での動作用に4ボルト以上の定格のヒーターを備えた間接加熱陰極を備えたものがありました。出力定格は0.5ワットから11.5ワットでした。例としては、Y220 (0.5W、2V フィラメント)、AC/Y (3W、4V ヒーター)、AC/Q (11.5W、4V ヒーター) などがあります。

• 電界効果四極管