3극 진공관
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1. 개요
3극 진공관은 필라멘트, 제어 그리드, 플레이트(양극)의 세 전극을 사용하여 전류 흐름을 제어하고 증폭하는 전자 부품이다. 1906년 리 디 포리스트와 로베르트 폰 리벤에 의해 독립적으로 발명되었으며, 초기에는 통신 분야에 혁신을 가져왔다. 3극 진공관은 라디오, 텔레비전, 오디오 시스템 등에 광범위하게 사용되었으나 1960년대 트랜지스터의 등장으로 대체되었다. 현재는 고전력, 고주파 애플리케이션과 고음질 오디오 기기 등에서 제한적으로 활용되고 있다.
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| 3극 진공관 | |
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| 기본 정보 | |
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| 개요 | |
| 설명 | 세 개의 활성 전극을 가진 단일 그리드 증폭 진공관 |
| 역사 | |
| 발명 | 리 드 포레스트가 1906년에 발명한 오디온이 최초의 삼극관 |
| 초기 개발 | 1907년에서 1914년 사이에 증폭과 발진기로서의 가능성이 확인됨 |
| 초기 사용 | 무선 통신 장거리 전화 |
| 1920년대 이후 | 대부분의 전자 장비에 사용 다양한 설계와 형태가 개발됨 1950년대까지 라디오와 통신 장비의 핵심 부품 |
| 현재 | 특수 용도로 여전히 사용됨 고출력 무선 주파수 증폭기 오디오 장비 |
| 작동 원리 | |
| 구조 | 진공 유리관 내부에 위치 음극 (cathode): 열을 받아 전자를 방출 양극 (anode): 전자를 끌어당겨 전류를 흐르게 함 제어 그리드 (control grid): 음극과 양극 사이에 위치, 음극에서 방출된 전자의 흐름을 조절 |
| 증폭 원리 | 제어 그리드에 가해지는 작은 전압 변화가 양극 전류의 큰 변화를 유발 전압 이득을 얻을 수 있음 |
| 응용 분야 | |
| 증폭기 | 전압 증폭 전력 증폭 |
| 발진기 | 특정 주파수의 신호 생성 |
| 고주파 장비 | 무선 송신기 무선 수신기 |
| 오디오 장비 | 앰프 프리앰프 |
| 추가 정보 | |
| 관련 인물 | 존 앰브로스 플레밍 (플레밍 밸브 발명) |
| 참고 문헌 | Turner, L. B. (1921). Wireless Telegraphy and Telephony. Cambridge University Press. p. 78. Adamatzky, A., & Chen, G. (2013). Chaos, CNN, Memristors and Beyond. World Scientific. p. 500. |
2. 역사
필리프 레나르트는 1902년에 광전 실험을 하면서 그리드 제어 원리를 사용했다.[51] 1904년에는 존 앰브로즈 플레밍이 라디오 수신기용 탐지기로 열 이온 다이오드(플레밍 밸브)를 발명했다.[52][53] 이 진공관은 가열된 필라멘트와 플레이트(양극) 두 개의 전극을 포함하는 진공 유리 전구였다.
3극 진공관은 1906년 미국의 리 디 포레스트[54]와 오스트리아의 로베르트 폰 리벤[55]이 필라멘트와 플레이트 사이에 전류를 제어하기 위해 제3전극인 그리드를 추가한 튜브를 독립적으로 특허를 받으면서 탄생하였다.[56][57] 폰 리벤의 부분 진공 3극 진공관에는 미량의 수은 증기가 포함되어 있었는데, 이는 약한 전화 신호를 증폭하기 위한 것이었다.[58][59][60] 디 포레스트는 1906년 10월부터 다이오드에 전극을 추가하여 다양한 3극 진공관 설계에 대한 특허를 획득하였는데, 이를 오디온(Audion)으로 부르며 라디오 감지기로 사용하고자 하였다.[61] 필라멘트와 플레이트 사이에 그리드가 위치하는 3극관의 디자인은 1907년 1월 29일에 특허를 받았다.[62][63] 폰 리벤의 진공관과 마찬가지로 디 포레스트의 오디온은 진공도가 높지 않아 저압에서 약간의 기체를 포함하고 있었다.[64][65] 폰 리벤의 진공관은 제1차 세계 대전 발발 직전에 그가 사망했기 때문에 더 발전하지 못했다.[66]
디 포레스트의 오디온은 1912년경 여러 연구자들에 의해 증폭 능력이 인정받기 전까지 많이 사용되지 않았다.[67][68] 이들은 최초의 성공적인 증폭 무선 수신기와 전자 발진기를 구축하는 데 사용했다.[69][70] 1913년에는 미국전화전신회사(ATT)의 해럴드 아놀드와 제너럴 일렉트릭(General Electric)의 어빙 랭뮤어에 의해 고진공의 개량된 진공관이 개발되었는데, 이것이 최초의 3극 진공관이다.[71]
3극 진공관이란 이름은 2극 진공관, 4극 진공관, 5극 진공관 등과 구별할 필요가 생겼을 때 등장하였다. 디 포리스트와 폰 리벤, 그리고 2극 진공관 발명가인 존 앰브로즈 플레밍을 대표하는 마르코니 회사(Marconi Company) 사이에 긴 소송이 있었다.[72]
1912년 3극 진공관의 증폭 능력 발견은 전자공학이라는 새로운 분야를 탄생시켜 전기 기술에 혁명을 일으켰다.[19] 3극 진공관은 즉시 다양한 통신 영역에 적용되었다. 3극관 "연속파" 무선 송신기는 진폭 변조(AM)를 통한 음향 전송을 가능하게 하여, 기존의 "감쇠파" 스파크 갭 송신기를 대체했다. 확성기를 구동할 수 있는 3극 진공관 라디오 수신기는 이어폰으로 들어야 했던 광석 라디오를 대체하여, 가족이 함께 라디오를 들을 수 있게 되었다.
1947년에 발명된 트랜지스터는 1960년대에 3극관을 대체하면서, 3극관이 이끌었던 "진공관 시대"를 막을 내리게 했다.[73]
2. 1. 선구적 장치
필리프 레나르트는 열전자 밸브가 발명되기 전인 1902년에 광전 실험을 하면서 그리드 제어 원리를 사용했다.[51]존 앰브로즈 플레밍은 1904년에 라디오 수신기용 탐지기로 열 이온 다이오드 (플레밍 밸브)를 발명했다.[52][53] 이 진공관은 가열된 필라멘트와 플레이트 (양극) 두 개의 전극을 포함하는 진공 유리 전구였다.
2. 2. 3극 진공관의 발명
3극 진공관은 1906년 미국의 리 디 포레스트[54]와 오스트리아의 물리학자 로베르트 폰 리벤[55]이 필라멘트와 플레이트 사이에 전류를 제어하기 위해 제3전극인 그리드를 추가한 튜브를 독립적으로 특허를 받으면서 탄생하였다.[56][57]1906년 3월에 특허를 획득한 폰 리벤의 부분 진공 3극 진공관에는 미량의 수은 증기가 포함되어 있었는데, 이는 약한 전화 신호를 증폭하기 위한 것이었다.[58][59][60] 1906년 10월부터 디 포레스트는 다이오드에 전극을 추가하여 다양한 3극 진공관 설계에 대한 특허를 획득하였는데, 그는 이를 오디온(Audion)으로 부르며 라디오 감지기로 사용하고자 하였다.[61] 필라멘트와 플레이트 사이에 그리드가 위치하는 3극관의 디자인은 1907년 1월 29일에 특허를 받았다.[62][63] 폰 리벤의 진공관과 마찬가지로 디 포레스트의 오디온은 진공도가 높지 않아 저압에서 약간의 기체를 포함하고 있었다.[64][65] 폰 리벤의 진공관은 그가 발명 후 7년만인 제1차 세계 대전 발발 직전에 사망했기 때문에 그다지 발전이 이루어지지 못했다.[66]
디 포레스트의 오디온은 1912년경에 여러 연구자들에 의해 그 증폭 능력이 인정될 때까지 많이 사용되지 않았는데,[67][68] 그들은 최초의 성공적인 증폭 무선 수신기와 전자 발진기를 구축하는 데 사용했다.[69][70] 증폭을 위한 다양한 용도는 3극 진공관의 급속한 발전에 동기를 부여했다. 1913년에 이르자 디 포레스트로부터 오디온에 대한 권리를 구입한 미국전화전신회사(ATT)의 해럴드 아놀드와 자신의 진공관을 "Pliotron"으로 명명한 제너럴 일렉트릭(General Electric)의 어빙 랭뮤어에 의하여 고진공의 개량된 진공관이 개발되었는데 이것이 최초의 3극 진공관이다.[71]
3극 진공관이란 이름은 2극 진공관, 4극 진공관, 5극 진공관 등과 구별할 필요가 생겼을 때 등장하였다. 디 포리스트와 폰 리벤 사이, 그리고 디 포레스트와 2극 진공관의 발명가인 존 앰브로즈 플레밍을 대표하는 마르코니 회사(Marconi Company) 사이에 긴 소송이 있었다.[72]
2. 3. 특허 분쟁과 초기 발전
3극 진공관은 1906년 미국의 엔지니어 리 디 포레스트[54]와 오스트리아의 물리학자 로베르트 폰 리벤(Robert von Lieben)[55]이 각각 필라멘트와 플레이트 사이에 전류를 제어하기 위한 제어 그리드라는 세 번째 전극을 추가한 진공관의 특허를 받으면서 탄생했다.[56][57] 1906년 3월에 특허를 획득한 폰 리벤(Von Lieben)의 부분 진공 3극 진공관에는 미량의 수은 증기가 포함되어 있었는데, 이는 약한 전화 신호를 증폭하기 위한 것이었다.[58][59][60] 1906년 10월부터 디 포레스트는 다이오드에 전극을 추가한 다양한 3극 진공관 설계에 대한 특허를 획득하였는데, 그는 이것을 오디온(Audion)이라 부르며 라디오 감지기로 사용하고자 하였다.[61] 필라멘트와 플레이트 사이에 그리드가 위치하는 3극관 디자인은 1907년 1월 29일에 특허를 받았다.[62][63] 폰 리벤의 진공관과 마찬가지로 디 포레스트의 오디온은 진공도가 높지 않아 저압에서 약간의 기체를 포함하고 있었다.[64][65] 폰 리벤의 진공관은 제1차 세계 대전 발발 직전에 그가 사망했기 때문에 더 발전하지 못했다.[66]디 포레스트의 오디온은 1912년경 여러 연구자들이 그 증폭 능력을 인정할 때까지 많이 사용되지 않았다.[67][68] 이들은 최초의 성공적인 증폭 무선 수신기와 전자 발진기를 구축하는 데 3극 진공관을 사용했다.[69][70] 증폭을 위한 다양한 용도는 3극 진공관의 급속한 발전에 동기를 부여했다. 1913년에 이르자 디 포레스트로부터 오디온에 대한 권리를 구입한 미국전화전신회사(ATT)의 해럴드 아놀드(Harold Arnold)와 자신의 진공관을 "플리오트론"으로 명명한 제너럴 일렉트릭(General Electric)의 어빙 랭뮤어(Irving Langmuir)에 의해 고진공의 개량된 진공관이 개발되었는데, 이것이 최초의 3극 진공관이다.[71] "3극 진공관"이라는 이름은 2극 진공관, 4극 진공관, 5극 진공관 등과 구별할 필요가 생겼을 때 등장하였다. 디 포레스트와 폰 리벤, 그리고 2극 진공관 발명가인 존 앰브로즈 플레밍을 대표하는 마르코니 회사(Marconi Company) 사이에 긴 소송이 있었다.[72]
2. 4. 광범위한 채택과 응용
1912년 3극 진공관의 증폭 능력 발견은 전자공학이라는 새로운 분야를 탄생시켜 전기 기술에 혁명을 일으켰다.[19] 3극 진공관은 즉시 다양한 통신 영역에 적용되었다. 3극관 "연속파" 무선 송신기는 진폭 변조(AM)를 통한 음향 전송을 가능하게 하여, 기존의 "감쇠파" 스파크 갭 송신기를 대체했다. 확성기를 구동할 수 있는 3극 진공관 라디오 수신기는 이어폰으로 들어야 했던 광석 라디오를 대체하여, 가족이 함께 라디오를 들을 수 있게 되었다. 이로 인해 1920년경 라디오 방송이 시작되면서 라디오는 상업용 메시지 서비스에서 최초의 대중매체로 진화했다.AT&T(벨 전화 회사)는 3극 진공관 중계기를 발명하여 대륙 횡단 전화 서비스를 가능하게 했다. 1915년 1월 25일, 벨은 첫 대륙 횡단 전화선 개통을 기념했다. 3극 진공관은 텔레비전, 전관방송 시스템, 전기 축음기, 유성 영화 등의 발명에도 기여했다.
3극 진공관은 4극 진공관(월터 쇼트키, 1916)과 5극 진공관(Gilles Holst 및 Bernardus Dominicus Hubertus Tellegen, 1926)과 같이 이후 진공관 개발의 기반이 되었다.
3극 진공관은 1960년대에 트랜지스터로 대체될 때까지 라디오, 텔레비전, 오디오 시스템과 같은 가전 제품에서 매우 널리 사용되었다. 오늘날 3극 진공관은 주로 무선 송신기 및 산업용 난방 장비와 같이 반도체 소자가 적합하지 않은 고전력 애플리케이션에 사용된다. 그러나 최근에는 3극 진공관 및 기타 진공관 장치가 고음질 오디오 및 음악 장비에서 다시 사용되고 있다. 또한 VFD (진공 형광 디스플레이)로도 계속 사용되고 있다.
2. 5. 트랜지스터로의 대체와 현대적 활용
1947년에 발명된 트랜지스터는 1960년대에 3극관을 대체하면서, 3극관이 이끌었던 "진공관 시대"를 막을 내리게 했다. 3극관은 라디오, 텔레비전, 오디오 시스템과 같은 가전 제품에서 널리 사용되었으나, 트랜지스터의 등장으로 점차 그 자리를 잃었다.[73]오늘날 3극관은 주로 고체 반도체 장치가 적합하지 않은 고전력 애플리케이션, 예를 들어 무선 송신기 및 산업용 난방 장비 등에 사용된다.[73] 그러나 최근에는 3극관 및 기타 진공관 장치가 고음질 오디오 및 음악 장비에서 다시금 주목받고 있다. 이는 진공관 특유의 음색을 선호하는 경향 때문으로, 일부 복각 및 활용 사례가 나타나고 있다.[73]
또한, 3극관은 다양한 형태로 구현되는 진공 형광 디스플레이(VFD)에도 계속 사용되고 있다.[73]
S.G. 브라운의 G형 전화 중계기는 1914년부터 사용되었는데, 전력 증폭은 가능했지만 주파수 범위와 충실도가 제한된 기계식 장치였다. 이는 음성 주파수와 같은 제한된 범위의 오디오 주파수에만 적합했다.[47]
3극관은 오디오 및 라디오 주파수에서 전력 이득을 제공하는 최초의 비기계적 장치였으며, 라디오를 실용화하는데 기여했다. 3극관은 증폭기와 발진기에 사용된다. 많은 유형이 낮은 수준에서 중간 수준의 주파수 및 전력 수준에서만 사용된다. 수천 와트의 정격을 가진 대형 수냉식 3극관은 무선 송신기의 최종 증폭기로 사용될 수 있다. 특수 유형의 3극관("등대"튜브)은 마이크로파 주파수에서 유용한 이득을 제공한다.[48]
진공관은 대량 판매되는 소비자 전자제품에서는 저렴한 트랜지스터 기반 반도체 장치에 의해 대체되었지만, 최근 진공관은 특정 고전력 RF 증폭기 및 송신기에서 계속 사용되며, 하이엔드 및 전문 오디오 애플리케이션과 같은 분야에서 우월하다고 주장하는 진영도 있지만, 반도체 MOSFET도 유사한 성능을 갖는다는 주장도 있다.[48]
3. 구조
모든 3극관은 전자를 방출하는 필라멘트에 의해 가열된 열음극과 전자가 끌어당겨지는 판 전극(양극), 그리고 그 사이에서 전류를 제어하는 격자로 구성된다.[51] 이들은 약 10-9 atm의 고진공으로 공기가 제거된 유리 용기 내부에 밀봉된다. 필라멘트는 수명이 제한되어 있어 교체 가능한 장치로 만들어지며, 전극은 소켓에 연결되는 단자 핀에 부착된다. 3극관의 작동 수명은 소형 튜브의 경우 약 2,000 시간이고 파워 튜브의 경우 10,000 시간이다.
3. 1. 기본 구조
3극 진공관은 열음극 전극, 전자가 끌리는 평평한 금속 판 전극(양극), 전류를 제어하기 위해 두 전극 사이에 배치된 와이어 스크린으로 구성된 격자로 구성된다. 열음극은 전자를 방출하는 필라멘트에 의해 가열된다.[51] 이들은 공기가 제거되고 약 10−9 atm의 높은 진공 상태가 된 유리 용기 내에 밀봉된다. 필라멘트는 결국 소모되기 때문에 진공관은 수명이 제한되어 교체 가능한 부품으로 제작되고, 전극은 소켓에 삽입하는 단자 핀에 부착되어 있다. 작동 수명은 작은 것은 약 2000시간이며, 전력관에서는 10,000시간이다.3. 2. 저전력 3극 진공관
저전력 3극 진공관은 동심원 구조를 가지며, 그리드와 양극(플레이트)은 음극(캐소드)을 둘러싸는 원형 또는 타원형 실린더 형태이다.low-power triodes have a concentric construction영어 음극은 중앙에 위치한 좁은 금속 튜브이다. 음극 내부에는 "히터"라고 불리는 필라멘트가 있으며, 고저항 텅스텐 와이어의 좁은 스트립으로 구성되어 음극을 800~1000 °C로 가열한다. 이러한 유형을 "간접 가열 음극"이라고 한다. 음극은 칼슘 및 산화 토륨과 같은 알칼리 토금속 산화물의 혼합물로 코팅되어 일함수를 감소시켜 더 많은 전자를 생성한다.그리드는 음극을 둘러싼 얇은 와이어가 나선 또는 스크린 형태로 구성된다. 양극은 그리드를 둘러싼 원통 또는 직사각형 판금 상자이다. 열을 방출하기 위해 검게 처리되며 방열핀이 종종 장착되어 있다. 전자는 음극에서 그리드를 통해 양극으로 방사형 방향으로 이동한다. 각 전극은 운모 또는 세라믹 절연체에 의해 제자리에 고정되고, 전극이 연결 핀으로 나오는 베이스에 부착된 뻣뻣한 와이어로 지지된다. 소량의 광택 바륨 금속이 유리 내면에 증착된 "게터"는 시간이 지남에 따라 튜브에서 방출되는 가스를 흡수하여 진공 상태를 유지하는 데 도움이 된다.
3. 3. 고전력 3극 진공관
고출력 3극관은 일반적으로 필라멘트를 음극으로 사용하는데(직접 가열 방식 음극), 이는 고출력 진공관에서 이온 충격으로 인해 간접 가열 방식 음극의 방출 코팅이 파괴되기 때문이다.[1] 토륨이 첨가된 텅스텐 필라멘트가 주로 사용되는데, 텅스텐에 첨가된 토륨은 표면으로 확산되어 단일층을 형성하여 전자 방출을 증가시킨다. 이온 충격에 의해 단일층이 제거되면 더 많은 토륨이 표면으로 확산되어 지속적으로 재생된다.[1] 이러한 필라멘트는 일반적으로 간접 가열 방식 음극보다 더 높은 온도에서 작동한다.[1]진공관의 외피는 유리보다 내구성이 강한 세라믹으로 만들어지는 경우가 많으며, 모든 재료는 더 높은 열 수준을 견딜 수 있도록 융점이 높다.[1] 수백 와트 이상의 양극 전력 손실이 있는 진공관은 능동적으로 냉각되는데, 두꺼운 구리로 만들어진 양극은 진공관 벽을 통해 돌출되어 있으며, 강제 공기 또는 물로 냉각되는 큰 외부 핀이 장착된 금속 히트싱크에 연결된다.[1]
3. 4. 등대관 (Lighthouse tube)
초고주파 (UHF)에서 사용되는 저전력 3극관의 일종인 등대관은 전극 간 정전용량과 리드 인덕턴스를 줄이기 위해 평면 구조로 되어 있어, "등대"와 같은 모양을 하고 있다. 원반 모양의 음극, 그리드, 양극은 층 사이에 공간이 있는 샌드위치처럼 튜브의 중심을 따라 평면을 형성한다. 하단의 음극은 튜브의 핀에 부착되어 있지만 그리드와 양극은 튜브 상단의 낮은 인덕턴스의 단자로 나온다. 그리드는 중간에 있는 금속 링에, 양극은 상단의 금속 버튼에 연결된다. 이것은 "디스크 씰" 디자인의 한 예이다. 더 작은 예는 그림에 표시된 8개의 핀베이스를 생략하고 히터 및 DC 음극을 포함한 모든 연결에 대해 접촉 링을 사용한다.
고주파 성능은 전자가 음극에서 양극으로 이동하는 데 필요한 시간인 이동 시간에 의해 제한된다. 전송 시간 효과는 복잡하지만 한 가지 간단한 효과는 그리드 로딩이라고도 하는 입력 컨덕턴스이다. 극도로 높은 주파수에서 그리드에 도착하는 전자는 양극을 향해 출발하는 전자와 위상이 맞지 않을 수 있다. 이러한 전하 불균형으로 인해 그리드는 저주파 "개방 회로" 특성보다 훨씬 적은 리액턴스를 나타낸다.
튜브 내의 간격을 줄임으로써 이동 시간 효과가 감소된다. 416B (등대 디자인) 및 7768 (올 세라믹 소형 디자인)과 같은 튜브에서는 그리드-음극 간격을 0.1mm 단위로 크게 줄여서 4 GHz까지 작동할 수 있다.
이렇게 크게 감소된 그리드 간격에 의하여 기존의 축 방향 설계보다 훨씬 더 높은 증폭 계수가 제공된다. 7768은 225의 증폭 계수를 가지고 있는데, 이는 가정용 무선에 사용되는 6AV6의 경우의 100과 비교되며 축 방향 설계에서 가능한 최대 값이다.
애노드-그리드 커패시턴스는 이러한 설계에서 특별히 낮지 않다. 6AV6의 애노드-그리드 커패시턴스는 2pF (피코 패러드)이고 7768의 값은 1.7pF이다. 마이크로파 튜브에 사용되는 근접 간격은 커패시턴스를 증가시키지만 이 증가는 저주파 튜브에 비해 전체적으로 감소된 크기로 인하여 상쇄된다.
4. 작동 원리
3극관의 작동 원리는 다음과 같다.
- 열전자 방출: 음극(캐소드)을 가열하면 열전자 방출 현상에 의해 전자가 방출된다.
- 전자 흐름: 진공 상태에서 전자는 양극(애노드/플레이트)의 양(+) 전압에 이끌려 이동한다.
- 전류 제어: 그리드 전압을 조절하여 전자 흐름(전류)을 제어한다.
- 그리드에 음(-) 전압을 가하면 전자를 밀어내어 전류 감소.
- 그리드에 양(+) 전압을 가하면 전자를 끌어당겨 전류 증가.
- 증폭: 그리드의 작은 전압 변화로 양극 전류를 크게 변화시켜 증폭 작용이 일어난다.
- 차단 전압: 그리드에 일정 수준 이상의 음전압을 가하면 전자 흐름이 완전히 차단된다.
3극관은 n채널 JFET(접합형 전계효과 트랜지스터)와 작동 방식이 유사하지만, 3극관의 전압 이득은 JFET보다 제한적이다.
4. 1. 열전자 방출
3극관에서 전자는 음극 가열에 의한 열전자 방출(열 이온 방출)이라는 과정을 통해 금속 음극에서 진공관 내부로 방출된다. 음극은 얇은 금속 필라멘트를 통해 흐르는 별도의 전류에 의해 붉게 뜨겁게 가열된다.[51][52][53] 대부분의 진공관에서는 필라멘트가 음극을 가열하지만, 전기적으로는 음극과 분리되어 있으며, 일부 진공관에서는 필라멘트 자체가 음극 역할을 한다.4. 2. 전자 흐름 제어
3극관에서 전자는 열전자 방출(에디슨 효과)이라는 과정을 통해 가열된 금속 음극에서 진공관 내부로 방출된다. 음극은 가는 금속 필라멘트에 흐르는 전류에 의해 밝게 가열된다. 고출력 3극관에서는 필라멘트 자체가 음극으로 기능하지만, 대부분의 경우 필라멘트는 별도의 음극 전극을 가열한다. 진공관 내부에는 실질적으로 모든 공기가 제거되어 전자가 자유롭게 이동할 수 있다. 양극(플레이트)에는 20V에서 수천 볼트에 이르는 양의 직류 전압이 인가된다. 음전하를 띤 전자는 양전하를 띤 양극에 끌려 음극에서 양극으로 전류가 흐르게 된다.
이 전류의 크기는 음극과 그리드 사이에 인가되는 전압에 의해 제어할 수 있다. 그리드는 전자의 게이트 역할을 한다. 그리드의 음전압이 높아지면 일부 전자가 반발하여 양극에 도달하는 전자 수가 줄어들고 양극 전류가 감소한다. 그리드의 양전압은 음극에서 전자를 끌어당겨 양극에 도달하는 전자 수가 증가하고 양극 전류가 증가한다. 따라서 그리드에 인가되는 저출력 변동(AC) 신호는 훨씬 강력한 양극 전류를 제어하여 증폭을 일으킬 수 있다. 그리드 전압의 변동은 양극 전류에 같은 비례 변동을 일으킨다. 양극 회로에 적절한 부하 저항을 배치하면 변동하는 전류가 저항 양단에 변동하는 전압을 발생시키는데, 이 전압은 입력 전압의 변동보다 훨씬 크게 할 수 있으며 전압 이득을 얻는다.
3극관은 일반적으로 "온" 상태의 소자이며, 그리드 전압이 0일 때 양극에 전류가 흐른다. 그리드가 음극에 대해 음전압이 될수록 양극 전류는 점차 감소한다. 일반적으로 일정한 직류 전압(바이어스)이 그리드에 인가되어 진공관을 통과하는 직류 전류가 설정되고, 변동하는 신호 전압이 그 위에 겹쳐진다. 그리드에 충분히 음의 전압(일반적으로 6AV6와 같은 작은 진공관에서는 약 3V~5V, '45와 같은 초기 오디오 파워 소자에서는 최대 –130V)을 가하면 전자가 양극에 도달하는 것을 방해하여 양극 전류를 차단하는데, 이를 "차단 전압"이라고 한다. 차단 전압 이하에서는 양극 전류가 그리드 전압에 응답하지 않으므로, 충실한(선형적인) 증폭을 위해서는 그리드 전압이 차단 전압 이상이어야 한다.
3극관의 동작은 n채널 JFET과 유사하다. 일반적으로 온 상태이며, 그리드/게이트가 소스/음극에 대해 음전압이 될수록 플레이트 전류가 점차 감소한다. 차단 전압은 JFET의 핀치오프 전압(Vp) 또는 VGS(off)(전류가 완전히 흐르지 않는 전압점)과 같지만, 이 유사성은 제한적이다. 3극관의 양극 전류는 그리드 전압뿐만 아니라 양극 전압에도 크게 의존하기 때문에 회로 내에서 전압원으로 나타난다. JFET의 드레인 전류는 드레인 전압의 영향을 거의 받지 않으므로, 정전류 소자처럼 동작하는 사극관이나 오극관과 유사하게 보인다. JFET와 사극관·오극관은 3극관보다 훨씬 높은 전압 이득을 제공한다.
4. 3. 증폭 작용
3극관에서 전자는 금속 음극에서 열전자 방출이라는 과정을 통해 튜브 내부로 방출된다. 음극은 얇은 금속 필라멘트를 통해 흐르는 별도의 전류에 의해 붉게 가열된다. 거의 모든 공기가 튜브에서 제거되어 전자는 자유롭게 움직일 수 있다. 음의 전자는 양전하를 띤 양극에 끌려 그리드 와이어 사이의 공간을 통과하여 튜브를 통해 음극에서 양극으로 전자 흐름을 생성한다.이 전류의 크기는 음극과 그리드 사이에 적용된 전압에 의해 제어될 수 있다. 그리드는 전자의 문과 같은 역할을 한다. 그리드에 더 많은 음의 전압이 걸리면 일부 전자를 밀어내므로 양극으로 가는 전자의 양이 줄어들어 양극 전류가 감소한다. 그리드에 양의 전압이 걸리면 음극에서 더 많은 전자를 끌어당기므로 양극에 더 많이 도달하여 양극 전류가 증가한다. 따라서 그리드에 적용되는 저전력 가변(AC) 신호는 훨씬 더 강력한 양극 전류를 제어할 수 있으며, 결과적으로 증폭된다. 그리드 전압의 변화는 양극 전류에 동일한 비례 변화를 유발한다. 애노드 회로에 적절한 부하 저항을 배치하면 가변 전류로 인해 입력 전압 변동보다 훨씬 클 수 있는 저항 전체에 가변 전압이 발생하여 전압 이득이 발생한다.
3극관은 정상 상태에서 "켜진" 장치이다. 그리드에 전압이 없을 때도 전류는 양극으로 흐른다. 그리드가 음극에 비해 더 음으로 만들어짐에 따라 양극 전류는 점진적으로 감소한다. 일반적으로 일정한 DC 전압("바이어스")이 그리드에 적용되어 튜브를 통해 DC 전류를 설정하고, 다양한 신호 전압이 그리드에 중첩된다. 그리드에 충분한 음의 전압을 걸면 전자가 양극에 도달하는 것이 방해되어 양극 전류는 0이 된다. 이것을 "차단 전압"이라고 한다.
4. 4. 차단 전압
3극관에서 그리드에 충분히 큰 음의 전압(일반적으로 6AV6과 같은 소형 진공관의 경우 약 3~5V, '45와 같은 초기 오디오 전원 장치의 경우 –130V 정도)을 가하면 전자가 양극에 도달하지 못하고 양극 전류가 0이 된다. 이를 "차단 전압"이라고 한다. 차단 전압 이하에서는 양극 전류가 그리드 전압에 반응하지 않으므로, 충실한(선형) 증폭을 위해서는 그리드 전압이 차단 전압 이상이어야 한다.3극관은 n채널 접합형 전계효과 트랜지스터(JFET)와 작동 방식이 유사하다. JFET처럼 3극관도 정상 상태에서 켜져 있으며, 그리드/게이트가 소스/음극에 비해 더 음의 전압이 되면 플레이트/드레인 전류가 점차 감소한다. 차단 전압은 JFET에서 전류가 완전히 흐르지 않는 전압인 핀치 오프 전압(Vp) 또는 VGS(off)와 동일하다.
4. 5. JFET과의 비교
3극 진공관은 n채널 JFET(접합형 전계효과 트랜지스터)와 작동 방식이 유사하다. 두 소자 모두 기본적으로 "온(on)" 상태이며, 그리드/게이트 전압이 소스/음극에 대해 더 음(-)의 값을 가질수록 플레이트/드레인 전류가 감소한다. 3극 진공관의 차단 전압은 JFET의 핀치오프 전압(Vp) 또는 VGS(off)에 해당하며, 이는 출력 전류가 거의 0이 되는 지점이다.하지만 이러한 유사성은 제한적이다. 3극 진공관의 양극 전류는 그리드 전압뿐만 아니라 양극 전압에도 크게 의존하기 때문에 전압 이득이 제한된다. 반면 JFET의 드레인 전류는 드레인 전압의 영향을 거의 받지 않아 정전류 소자처럼 동작하며, 이는 높은 동적 출력 임피던스를 갖는 4극관이나 5극관과 유사하다. 따라서 JFET와 4극관/5극관은 3극 진공관보다 훨씬 높은 전압 이득을 얻을 수 있다.
전력 이득 또는 출력 전력이 더 중요한 경우에는 3극 진공관, JFET, 4극관, 5극관 모두 음극 팔로워(또는 소스 팔로워) 회로로 사용될 수 있다. 이 경우 전압 이득은 1 미만이지만 큰 전류 이득을 얻을 수 있다.
5. 특성
3극관 데이터시트에는 일반적으로 애노드 전류(Ia), 애노드 전압(Va), 그리드 전압(Vg) 간의 관계를 나타내는 특성 곡선이 제공된다. 회로 설계자는 이 특성 곡선을 이용하여 특정 3극관의 동작점을 선택한다.
이미지에 표시된 특성 곡선의 예에서, 애노드 전압 Va가 200V이고 그리드 전압 바이어스가 -1V로 선택되면, 플레이트(애노드)에는 2.25mA의 전류가 흐른다(그래프의 노란색 곡선 참조). 그리드 전압을 변경하면 플레이트 전류가 변경된다. 플레이트 부하 저항을 적절하게 선택하면 증폭이 이루어진다.
A급 3극관 증폭기에서 애노드 저항은 애노드와 양극 전압 소스 사이에 연결된다. 예를 들어 Ra = 10000옴인 경우, 애노드 전류 Ia = 2.25mA가 선택되면 VRa = Ia × Ra = 22.5V의 전압 강하가 발생한다.
입력 전압 진폭(그리드에서)이 -1.5V에서 -0.5V로 변동하면(1V 차이), 애노드 전류는 1.2mA에서 3.3mA로 변동한다(이미지 참조). 이에 따라 저항 전압 강하는 12V에서 33V로 변화한다(21V 차이).
그리드 전압이 -1.5V에서 -0.5V로 변동할 때 애노드 저항기 전압이 12V에서 33V로 변화하므로 신호가 증폭된다. 증폭 계수(증폭률)는 출력 전압 진폭을 입력 전압 진폭으로 나눈 값으로, 이 경우 21이다.
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