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三極管は、真空のガラス管の中に3つの電極（加熱されたフィラメントまたは陰極、グリッド、およびプレート（陽極））を備えた電子増幅真空管（英国英語では熱電子管）です。
1906年にリー・デ・フォレストが開発した部分真空管オーディオン（熱電子ダイオード（フレミング管）にグリッド電極を追加したもの）から発展した三極管は、最初の実用的な電子増幅器であり、四極管や五極管などの他のタイプの真空管の祖先となった。その発明は、増幅無線技術や長距離電話を可能にした。[ 1 ]三極管は、トランジスタに取って代わられた1970年代まで、ラジオやテレビなどの民生用電子機器に広く使用されていた。今日では、主な用途は、無線送信機や産業用RF加熱装置の高出力RF増幅器である。近年、真空管ベースの電子機器の音を好むオーディオ愛好家による真空管式オーディオ機器への関心の高まりにより、低出力三極管の需要が再び高まっている。 [ 2 ]
「トライオード」という名称は、1920年頃にイギリスの物理学者ウィリアム・エクルズ[ 3 ] [ 4 ]によって造語されたもので、ギリシャ語のτρίοδος、tríodosに由来し、tri-（3）とhodós（道、経路）から成り、元々は3つの道が交わる場所を意味していた。
熱電子管が発明される以前、フィリップ・レナードは1902年に光電実験を行う際にグリッド制御の原理を利用した。[ 5 ]
ラジオで最初に使われた真空管[ 6 ] [ 7 ]は、 1904年にジョン・アンブローズ・フレミングがラジオ受信機の検出器として発明した熱電子ダイオードまたはフレミング管でした。これは、加熱されたフィラメント（陰極）とプレート（陽極）の2つの電極を含む真空ガラス球でした。
三極管は、1906年にアメリカのエンジニアであるリー・デ・フォレスト[ 8 ]とオーストリアの物理学者ロバート・フォン・リーベン[ 9 ]が、電流を制御するためにフィラメントとプレートの間に第3の電極である制御グリッドを追加した真空管をそれぞれ独自に特許取得したことから始まった。 [ 10 ] [ 11 ] 1906年3月に特許を取得したフォン・リーベンの部分真空三極管には微量の水銀蒸気が含まれており、弱い電話信号を増幅することを目的としていた。[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 9 ] 1906年10月から[ 10 ]、デ・フォレストは、ラジオ検出器として使用することを目的として、ダイオードに電極を追加した3極管の設計を多数特許取得した。彼はこれをオーディオンと呼んだ。[ 15 ] [ 8 ]グリッドがフィラメントとプレートの間に配置されている三極管の設計は、1907 年 1 月 29 日に特許を取得した。[ 16 ] [ 8 ] [ 17 ]フォン リーベンの真空管と同様に、デ フォレストのオーディオンも完全に真空引きされておらず、低圧のガスが残っていた。[ 18 ] [ 19 ]フォン リーベンの真空管は、発明から 7 年後、第一次世界大戦勃発直前に彼が亡くなったため、あまり発展しなかった。[ 20 ]
デ・フォレストのオーディオンは、増幅能力が1912年頃に数人の研究者によって認識されるまであまり使われていませんでした。[ 19 ] [ 1 ]彼らはオーディオンを使って最初の成功した増幅ラジオ受信機と電子発振器を構築しました。[ 21 ] [ 22 ]増幅の多くの用途が、オーディオンの急速な発展を促しました。1913年までに、デ・フォレストからオーディオンの権利を購入したアメリカン・テレフォン・アンド・テレグラフ社のハロルド・アーノルドと、ゼネラル・エレクトリック社のアーヴィング・ラングミュアによって、より高い真空度を持つ改良版が開発されました。ラングミュアは、自身の真空管を「プリオトロン」と名付けました。 [ 19 ] [ 1 ]これらは最初の真空管三極管でした。[ 18 ] 「三極管」という名称は、要素の数が異なる他の種類の真空管（ダイオード、四極管、五極管など）と区別する必要が生じた後に登場しました。デ・フォレストとフォン・リーベン、そしてダイオードの発明者であるジョン・アンブローズ・フレミングを代理していたマルコーニ社との間で、長期間にわたる訴訟が行われた。 [ 23 ]
1912年に三極管の増幅能力が発見されたことで、電気技術は革命的な変化を遂げ、電子工学という新たな分野が誕生しました。 [ 1 ]電子工学とは、能動（増幅）電気機器の技術です。三極管はすぐに通信の多くの分野に応用されました。第一次世界大戦中、 1917年にはAM音声双方向無線機が実現しました（TM（三極管）を参照）。これは単座機のパイロットが飛行中に使用できるほどシンプルなものでした。三極管の「連続波」無線送信機は、扱いにくく効率の悪い「減衰波」火花放電送信機に取って代わり、振幅変調（AM）による音声伝送を可能にしました。スピーカーを駆動する能力を持つ増幅三極管無線受信機は、イヤホンで聞く必要があった弱い鉱石ラジオに取って代わり、家族が一緒に聞くことができるようになりました。これにより、ラジオは商業メッセージサービスから最初のマスメディアへと進化し、 1920年頃にラジオ放送が始まりました。三極管は大陸横断電話サービスを可能にしました。ベル電話会社がオーディオンの権利を購入した後に発明した真空管三極管リピーターにより、電話は増幅なしの限界である約800マイルを超えて伝送できるようになりました。ベルによる最初の大陸横断電話回線の開通は、3年後の1915年1月25日に祝われました。三極管によって可能になったその他の発明には、テレビ、拡声システム、電気蓄音機、トーキー映画などがあります。
三極管は、後に発展した真空管、例えば四極管（ウォルター・ショットキー、1916年）や五極管（ジル・ホルストとベルナルドゥス・ドミニクス・フーベルトゥス・テレゲン、1926年）などの技術的基盤となり、後述する三極管のいくつかの欠点を克服した。
三極管は、ラジオ、テレビ、オーディオ機器などの民生用電子機器で広く使用されていましたが、1947年に発明されたトランジスタによって1960年代に取って代わられ、三極管によってもたらされた「真空管時代」は終焉を迎えました。現在、三極管は主に、無線送信機や産業用加熱装置など、半導体デバイスが適さない高出力用途で使用されています。しかし、近年では、三極管をはじめとする真空管デバイスが、高忠実度オーディオ機器や音楽機器において再び注目を集めています。また、真空蛍光表示管（VFD）としても引き続き使用されており、VFDには様々な実装方法がありますが、いずれも本質的には三極管デバイスです。
すべての三極管は、フィラメントによって加熱され電子を放出するホットカソード電極と、電子が引き寄せられる平らな金属板電極（アノード）を備えており、電流を制御するためにそれらの間にワイヤーのスクリーンからなるグリッドがあります。 [ 24 ]これらは、約10⁻⁹気圧 の高真空まで空気が除去されたガラス容器内に封入されています。フィラメントは最終的に焼損するため、管の寿命は限られており、交換可能なユニットとして作られています。電極はソケットに差し込む端子ピンに接続されています。三極管の動作寿命は、小型管で約2000時間、パワー管で10,000時間です。6J6双三極管は、1952年にIBMで1000時間あたり0.5%の故障率であることがわかりました。[ 25 ]
低電力三極管は同心円状の構造（右図参照）をしており、グリッドと陽極は陰極を囲む円形または楕円形の円筒形です。陰極は中央にある細い金属管です。陰極内部には「ヒーター」と呼ばれるフィラメントがあり、これは抵抗の高いタングステン線の細い帯でできており、陰極を赤熱（800～1000 ℃）させます。このタイプは「間接加熱式陰極」と呼ばれます。陰極は、酸化カルシウムや酸化トリウムなどのアルカリ土類酸化物の混合物でコーティングされており、仕事関数が低下してより多くの電子を生成します。グリッドは、陰極を囲む細いワイヤーのらせん状またはスクリーン状で構成されています。陽極は、グリッドを囲む円筒形または長方形の金属板の箱です。熱を放射するために黒く塗られており、多くの場合、放熱フィンが備えられています。電子は、陰極からグリッドを通って陽極へと放射状に移動します。素子は雲母またはセラミック製の絶縁体によって所定の位置に保持され、ベースに取り付けられた硬いワイヤーによって支えられています。ベースからは電極が接続ピンに引き出されています。「ゲッター」と呼ばれる、ガラス管の内側に蒸着された少量の光沢のあるバリウム金属は、管内で時間とともに放出されるガスを吸収することで真空状態を維持するのに役立ちます。
高出力三極管は一般的に、フィラメントをカソード（直接加熱カソード）として使用します。これは、間接加熱カソードのエミッションコーティングが、高出力管内の高強度イオン衝撃によって破壊されるためです。最もよく使用されるのはトリウム添加タングステンフィラメントで、タングステンに添加されたトリウムが表面に拡散して単分子層を形成し、電子放出を増加させます。この単分子層はイオン衝撃によって除去されますが、表面に拡散するトリウムによって継続的に更新されます。これらの管は一般的に、間接加熱カソードよりも高温で動作します。管の外殻は、ガラスよりも耐久性の高いセラミックで作られることが多く、すべての材料は、発生する高温に耐えられるように融点が高くなっています。数百ワットを超える陽極電力損失を持つ管は通常、能動冷却されます。重い銅製の陽極は管の壁を貫通して突き出ており、強制空冷または水冷される大型のフィン付き金属ヒートシンクに取り付けられています。
超高周波(UHF)で使用される低電力三極管の一種である「灯台管」は、電極間容量とリードインダクタンスを低減するために平面構造になっており、「灯台」のような外観をしています。[ 26 ] 円盤状の陰極、グリッド、プレートは、管の中心に沿って平面を形成しており、層の間に隙間があるサンドイッチのようなものです。[ 27 ] 下部の陰極は管のピンに接続されていますが、グリッドとプレートは管の上部にある低インダクタンス端子に引き出されています。グリッドは中間の金属リングに、プレートは上部の金属ボタンに接続されています。これらは「ディスクシール」設計の一例です。小型の例では、図に示されている8ピンベースを省略し、ヒーターやDC陰極を含むすべての接続にコンタクトリングを使用しています。
また、高周波性能は、電子が陰極から陽極へ移動するのに必要な時間である通過時間によって制限されます。通過時間の影響は複雑ですが、単純な影響の1つは入力コンダクタンス、つまりグリッド負荷です。極めて高い周波数では、グリッドに到着する電子が陽極に向かって出発する電子と位相がずれることがあります。この電荷の不均衡により、グリッドは低周波の「開回路」特性よりもはるかに小さいリアクタンスを示します。[ 28 ]
管内の間隔を狭くすることで、伝送時間の影響を低減できます。416B（ライトハウス社製）や7768（オールセラミック製の小型設計）などの真空管は、4GHzまでの動作周波数に対応しています 。これらの真空管は、グリッドとカソード間の間隔が0.1mm程度と大幅に狭くなっています 。
グリッド間隔を大幅に縮小することで、従来の軸方向設計よりもはるかに高い増幅率を実現しています。7768の増幅率は225で、家庭用ラジオで使用されている6AV6の100と比較しても高く、軸方向設計としてはほぼ最大値です。
これらの設計では、陽極グリッド容量は特に低くありません。6AV6 の陽極グリッド容量は 2 ピコファラド (pF)、7768 は 1.7 pF です。マイクロ波管で使用される電極間隔が狭いため容量は増加しますが、この増加は低周波管と比較して全体の寸法が小さくなることで相殺されます。[ 29 ]
三極管では、加熱された陰極から熱電子放出によって電子が放出される。放出は、リチャードソンの法則に従って、陰極材料の仕事関数とその温度に依存する。[ 30 ]初期の真空管では、フィラメント自体がエミッタとして機能し、この構成は送信管で一般的である。ほとんどの受信管では、陰極は別のフィラメントによって間接的に加熱され、均一な電位に維持される。酸化物被覆陰極の開発により、比較的低い温度で相当量の電子放出が可能になり、受信方式の標準となった。[ 31 ]
管の内部は真空になっているため、電子はガス分子との大きな衝突なしに陰極から陽極へ移動できます。陽極（プレート）に正の電圧を印加すると、電子は中間空間を横切って引き寄せられます。結果として生じる電流は、陰極の放出能力だけでなく、陰極とプレートの間を移動する電子によって形成される空間電荷によっても左右されます。[ 32 ]通常の動作条件下では、三極管は空間電荷制限領域で動作します。[ 33 ]
カソードとプレートの間には、この電流を制御するために細いワイヤーのグリッドが配置されています。グリッドはカソードに近い位置にあるため、グリッド電圧のわずかな変化がカソード領域の電界に比較的大きな変化をもたらします。したがって、グリッドはプレート電圧自体よりもプレート電流をより強く制御します。[ 34 ]増幅器では、グリッドは通常、カソードに対してわずかに負の電圧に維持されます。グリッドを十分に負にすると、プレート電流はゼロになります。この状態はカットオフと呼ばれます。[ 35 ]
三極管のプレート電流（) グリッド電圧の両方に依存します (）およびプレート電圧（プレート特性を調べると、異なるグリッド電圧に対応する曲線は形状が類似しており、主に水平方向の変位が異なることがわかります。この挙動は、3/2乗の関係で近似的に表すことができます。
どこは増幅係数であり、は管の形状によって決まる定数である。[ 34 ]この定式化では、三極管は有効加速電位が であるダイオードと類似した挙動を示す。
したがって、グリッド電圧はプレート電圧と同様の方法で電流法則に現れるが、係数を乗じる。。
この関係は、プレート特性曲線の類似性とずれを説明する。プレート電圧の変化は、グリッド電圧の変化と同じ効果をプレート電流に及ぼす。増幅係数したがって、これは電流制御におけるグリッド電圧とプレート電圧の相対的な有効性を表しています。通常は大きいため、グリッド電圧のわずかな変化は、プレート電圧のはるかに大きな変化と同じプレート電流の変化を引き起こします。
複数のグリッド電圧におけるプレート電圧の関数としてのプレート電流を示す特性曲線は、この関係を示している。[ 34 ]したがって、グリッド電圧の比較的小さな変化で、かなり大きなプレート電流を制御することができ、電圧と電力の増幅が可能になる。[ 36 ]
グリッドとプレートは電極間容量も形成する。そのため、プレート電圧の変動はグリッドに結合する可能性があり、ニュートロダインのように適切な回路対策が講じられない限り、高周波で不安定性や振動を引き起こす可能性がある[ 37 ]。
ECC81 (12AT7)、ECC82 (12AU7)、およびECC83 (12AX7) は、同じ9ピンのエンベロープとヒーター配置を共有する小型の双三極管ですが、電気的特性は大きく異なります。代表的な公表パラメータを以下にまとめます。[ 38 ]
ECC81、ECC82、およびECC83のプレート特性曲線は、増幅率と内部プレート抵抗に対応する系統的な違いを示しています。増幅率が高い真空管は、グリッド電圧ファミリーの水平方向のずれが大きく、プレート特性が比較的平坦であり、内部プレート抵抗が高いことを示しています。増幅率が低い真空管は、グリッド曲線がより密に並び、プレート特性がより急峻です。[ 39 ]
ECC83（12AX7）では、グリッド電圧曲線の間隔が広く、比較的平坦な特性は、その高い増幅率と高い内部プレート抵抗を反映している。ECC82（12AU7）は、グリッド曲線の間隔がより狭く、プレート抵抗が低い一方、ECC81（12AT7）は、中間的な増幅率と比較的高い相互コンダクタンス、低いプレート抵抗を兼ね備えている。[ 40 ]
この種の特性曲線は、設計者が増幅回路の動作点、負荷線挙動、および予想される電圧利得を決定するために使用されます。これらの特性曲線に関するより詳細な説明は、「真空管の特性」に記載されています。
三極管の増幅率μは主に電極の形状によって決まります。ミラーは、μがグリッドピッチ、グリッドワイヤの直径、およびグリッドとプレート間の間隔に依存することを示しました。[ 41 ]
したがって、ECC81、ECC82、ECC83は外形やヒーター構成が同じであるにもかかわらず、内部形状の違いによって電気的特性が異なるのである。
三極管は、音声周波数および無線周波数で電力利得を提供する最初の非機械式デバイスであり、無線を実用的なものにしました。三極管は増幅器や発振器に使用されます。多くの種類は、低～中周波数および電力レベルでのみ使用されます。大型の水冷式三極管は、数千ワットの定格を持つ無線送信機の最終増幅器として使用されることがあります。特殊なタイプの三極管（素子間の静電容量が低い「ライトハウス」型管）は、マイクロ波周波数で有用な利得を提供します。
三極管は、特定の高出力RF増幅器や送信機で引き続き使用されています。高出力送信三極管は、無線送信機、粒子加速器、誘電加熱装置などの特殊な産業およびRF用途向けに生産され続けています。いくつかのメーカーは、これらの目的のために、このような真空管および関連するRFコンポーネントを引き続き生産しています。[ 42 ]
三極管のデータシートには、さまざまな固定グリッド電圧 (Vg) に対するアノード電流 (Ia) をアノード電圧 (Va) の関数として示す特性曲線群が記載されています。これらの曲線は、デバイスの固有の動作を表しています。外部回路は追加の制約を課し、これは負荷線によってグラフィカルに表すことができます。負荷線とグリッド電圧曲線の交点が動作点を決定します。[ 43 ]
グラフィカル負荷線法は、実際の真空管設計で広く使用されていました。[ 44 ] [ 45 ]
電源V+に接続された陽極負荷抵抗Raを持つ三極管の場合、回路関係は次のようになります。
Va = V+ − IaRa
または同等に：
Ia = (V+ − Va) / Ra
特性曲線（Ia対Va）と同じ軸上にプロットすると、この式は直流負荷線と呼ばれる直線になります。これは2つの切片によって定義されます。
Ia = 0 の場合、Va = V+
Va = 0 の場合、Ia = V+ / Ra となります。
これらの点を結ぶ直線は、外部回路に適合するプレート電圧と電流のすべての組み合わせを表します。静止動作点（Q点）は、この直線が選択されたグリッドバイアスに対応する曲線と交差する点に位置します。[ 46 ]
フレデリック・エモンズ・ターマン[ 47 ]が説明したように、交流信号がグリッドに印加されると、瞬時動作点は負荷線に沿って移動します。負荷線と隣接するグリッド電圧曲線との交点によって、プレート電流と電圧の対応する変化が決定されます。このようにして、電圧利得、電流振幅、および歪みのない動作の限界をグラフで推定することができます。
例えば、Va = 200 V、Vg = −1 VでバイアスされたECC83三極管を考えてみましょう。特性曲線から、これは約2.2 mAの陽極電流に相当します。陽極負荷抵抗Ra = 10 kΩの場合、この電流での抵抗の両端の電圧降下は22 Vとなり、動作点を確立するには約V+ = 222 Vの電源電圧が必要になります。
−1 Vのバイアス電圧に対して1 Vのピークツーピーク信号が印加されると（Vgが−0.5 Vから−1.5 Vの間で変化する）、動作点は負荷線に沿って移動する。
Vg = −0.5 V のとき、Ia ≈ 3.1 mA、Va ≈ 191 V となる。
Vg = −1.5 V のとき、Ia ≈ 1.4 mA、Va ≈ 208 V となる。
したがって、1 V のピークツーピーク入力は、陽極で約 17 V のピークツーピークを生成し、これらの条件下では約 17 の電圧利得に相当します。[ 48 ]
グラフィカルな負荷線解析に加えて、三極管の固有増幅能力は増幅率μによって表される。Terman [ 49 ]の定義によれば、 μはプレート電流を一定に保つために必要なプレート電圧の変化と対応するグリッド電圧の変化の比である。
μ = (∂Va / ∂Vg) 一定の Ia の場合
幾何学的には、水平線（一定のプレート電流）に沿って移動し、隣接するグリッド電圧曲線の間隔を比較することで、特性曲線からこれを決定できます。[ 50 ] ECC83の場合、μは約100です。この値は真空管自体の特性であり、外部負荷とは無関係です。
負荷線の傾きは、グリッド電圧の変動が電流と電圧の変化にどのように変換されるかを決定します。負荷抵抗が小さいほど電流の変動は大きくなりますが、電圧の振幅は小さくなります。負荷抵抗が大きいほど電圧の振幅は大きくなりますが、電流の変動は小さくなります。陽極が理想的な定電流負荷に接続されている場合、プレート電流は制限され、プレート電圧は自由に変化するため、負荷線は水平になります。この場合、グリッド電圧のわずかな変化は主にプレート電圧の変化を引き起こし、利用可能な電圧利得を増加させます。グラフィカルな負荷線法は、RCA受信管マニュアル（RC-26、1968）に記載されているように、クラスAで動作する三極管アンプから得られる最大無歪み電力出力を決定するためにも使用できます。[ 51 ]
DC負荷線を描画し、静止動作点を特定した後、許容信号振幅は、負荷線が動作限界領域（低電流時のカットオフ、高電流時の飽和領域またはグリッド電流領域）に達する点によって決定されます。クラスA動作の場合、通常、バイアス点は、最大の歪みのない出力を得るために、静止値を中心としたほぼ対称的な電圧振幅を許容するように選択されます。
グラフから：
Vpp = Va,max − Va,min
Vrms = Vpp / (2√2)
Po = Vrms² / Rload
信号振幅を制御する負荷は、プレートに印加される実効交流負荷である。これは、動作点を決定する直流負荷と同一である必要はない。トランス結合段では、交流負荷は二次負荷の反射インピーダンスである。
反射率 = (Np / Ns)² × RL
ここで、Np/Nsは変圧器の巻数比、RLは二次負荷抵抗である。[ 52 ]
負荷抵抗または変圧器比を適切に選択することにより、負荷線を最適な位置に配置して最大の対称スイングを得ることができ、それによって最大のクラスA出力電力を得ることができる。
負荷線法は、2本の真空管の複合プレート特性を形成することで、プッシュプル増幅器にも拡張できます。BJ Thompson [ 53 ]が示したように、一方の真空管のプレート電流-プレート電圧特性を反転させ、印加電圧の180°位相関係を考慮して、もう一方の真空管の特性と代数的に組み合わせます。結果として得られる複合特性は、ペアのプレート電圧の関数としての実効プレート間電流を表します。
これらの複合曲線の動作点を通る負荷線は、通常の方法で描かれる。実効的なプレート間負荷抵抗は、一次巻線の半分と同じ巻数を持つ二次巻線に接続された抵抗の4倍である。出力、平均プレート電流、および歪みは、単一の真空管の場合と同様に、図式的に決定することができる。[ 54 ]
12AX7、12AU7、12AT7などの双三極管は、ギターアンプのプリアンプ段で広く使用されています。各真空管には2つの独立した三極管セクションが含まれており、1本の真空管内で複数の電圧増幅段を実現できます。
ギターアンプの文献では、これらの双三極管を交換することでゲイン構造や音色特性が変化するという議論がなされています。アスペン・ピットマンは、プレイヤーがプリアンプの位置で異なるタイプの真空管を試してアンプの特性を変化させていると指摘しています。この文脈では、12AX7は「柔らかく温かい音」、12AU7は「よりクリーンな音」、12AT7は特定のドライバー段で使用され「よりクリーンで明るい音」を生み出すと説明されています。[ 55 ]
これらの真空管の技術的な議論では、それらの異なる電気的特性が強調されています。12AX7 (μ ≈ 100) は一般的に高利得プリアンプ段に使用されますが、12AT7 や 12AU7 などの低利得タイプは、ドライバ段や位相反転段など、より大きな電流容量、より低いプレート抵抗、またはより大きなヘッドルームが求められる場合に使用されます。[ 56 ]
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