ダイナトロン発振器
真空管電子発振回路

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]によって発明された、初期の四極管真空管の二次放出と呼ばれるプロセスによって引き起こされる負性抵抗特性を利用した、現在は廃止されている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]ダイナトロン発振回路は、1920年代から1940年代にかけて、真空管ラジオ受信機のビート周波数発振器（BFO）や局部発振器、科学機器、試験機器として 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廃止された。[8] [9] [10] [11]

負性相互コンダクタンス発振器[8]は、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]のような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相互コンダクタンス（一方のグリッド電極の電圧上昇によって一方のグリッド電極を流れる電流が減少する現象）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]

仕組み

ダイナトロン管は、1918年にアルバート・ハルが発明した、ダイナトロン振動を発生させる最初の管です。[2] 1926年に発明された三極管と四極管もダイナトロン振動を起こすことが証明された ため、あまり使用されなくなりました。

ダイナトロン発振器とトランジトロン発振器は、多くの発振回路とは異なり、フィードバックではなく負性抵抗を用いて発振を発生させます。[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、振動電流の形で電気エネルギーを蓄え、音叉のように「鳴らす」ことができます。[15]同調回路の電気抵抗が ゼロであれば、発振が開始されると発振器として機能し、連続的な正弦波を生成します。しかし、実際の回路には避けられない抵抗が存在するため、外部電源がなければ、振動電流のエネルギーは抵抗によって熱として消費され、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、一方の電極に負性微分抵抗が加わる。[4] [6] これは、陰極に対する電極の電圧が増加すると、電極を流れる電流が減少することを意味する。[4] 電極と陰極の間には同調回路が接続される。真空管の負性抵抗は同調回路の正抵抗を打ち消し、実質的に交流抵抗がゼロの同調回路を形成する。[6] [15]同調回路の共振周波数で、回路の電源投入時に発生する電気ノイズによって、 自発的に連続的な正弦波振動電圧が生成される。 [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る。そのため、同調回路において適切なインダクタンスと容量値を使用することで、数ヘルツから約20MHzまでの広い周波数範囲で動作させることができる。[6] [8] [9]もう一つの利点は、ハートレーやアームストロングの回路 のような発振器に必要なタップや「ティッカー」コイルを必要とせず、シンプルな単一のLC同調回路を使用していることである。[16]

ダイナトロン発振器

ダイナトロン発振回路

ダイナトロンでは四極管が用いられます。[4] 一部の四極管では、陰極からの電子がプレート（陽極）に衝突した際にプレートから叩き出される電子（二次放出）により、負性微分抵抗が生じます。[4] [5]この負性抵抗により、後述するように、スクリーングリッドがプレートよりも高い電圧にバイアスされると、プレート電流対プレート電圧曲線（下図、灰色の領域）に下向きの「キンク」が生じます。この負性抵抗は、主に1940年代以前の古い真空管に見られました。[4]現代のほとんどの四極管では、寄生発振を 防ぐため、プレートに不要な二次放出を大幅に低減するコーティングが施されています。そのため、これらの真空管のプレート電流特性には負性抵抗による「キンク」が実質的に存在せず、ダイナトロン発振器には使用できません。[4]

ダイナトロン発振を発生できる真空管は四極管だけではありませんでした。初期の三極管にも二次電子放出があり、負性抵抗を有していました。四極管が発明される以前は、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ました。[1] [17] ハルが1918年に初めて開発したダイナトロン発振器は、彼自身が設計した特殊な「ダイナトロン」真空管（上図）を使用していました。この三極管のグリッドは、穴の開いた厚いプレートで構成されており、高電流を流すのに十分な強度を持っていました。[2] この真空管は標準的な三極管としてはあまり使用されませんでしたが、四極管はダイナトロンとして十分に機能しました。「ダイナトロン」という用語は、真空管における負性抵抗発振全般に適用されるようになりました。例えば、スプリットアノードマグネトロンは「ダイナトロン発振」によって動作すると言われていました。

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、水晶発振器とさえ比較された。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、実験室用信号発生器や科学研究にも 使用された。RCAの1931年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、ダイナトロンにはいくつかの欠点がありました。プレートからの二次放出電流の量は、真空管ごとに、また一つの真空管内でも動作寿命を通じて予測不能に変化することが判明しました。[18] [19]最終的には発振を停止します。真空管を交換する際には、回路内で発振する真空管を見つけるために複数の真空管を試してみる必要があるかもしれません。さらに、ダイナトロンの発振は、四極管の主な用途である増幅器において不安定性の原因となるため、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するようになりました。 [4] 1945年までに、ダイナトロン回路の使用は減少しました。[10] [11] [19]

二次放出

1929年に発売されたRCAのUY224四極管のプレート電流I Pとスクリーングリッド電流I G2対プレート電圧V P曲線。負性抵抗領域（灰色）を示している。
 スクリーングリッド電位V G2 = 75 V 、
 制御グリッド電位V G2 = −1.5 V
この真空管では、二次放出が非常に強力であったため、負性抵抗（下降傾斜）が生じるだけでなく、プレート電流が逆転し、プレートに到達する電子よりも多くの電子がプレートから放出された。
四極管のプレート電流（I b）対プレート電圧曲線：

電子管では、陰極から放出された電子がプレートに衝突すると、金属表面から他の電子をはじき出すことがあり、この現象は二次放出と呼ばれる。[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、二次電子はスクリーングリッドに引き寄せられ、スクリーングリッド電源を介してグランドに戻ります。[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。

私 P ＝ 私 C − 私 G 2 {\displaystyle I_{P}=I_{C}-I_{G2}\,}

プレート電圧が高いほど、一次電子はより大きなエネルギーでプレートに衝突し、より多くの二次電子が放出されます。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、プレート電圧の上昇によってプレートから放出される電子がプレートに到達する電子よりも多くなり、プレート電流が正味で減少する 動作領域（灰色） が存在します。

負性抵抗

この領域ではプレート電圧の増加によって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。

r P ＝ Δ V P Δ 私 P < 0 {\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素子と同様に、この負性抵抗は発振器を構成するために使用できます。四極管のプレート回路には並列同調回路が接続されています。負性プレート抵抗の値が、発振器に接続された負荷を含む同調回路の並列抵抗Rよりも小さい場合、回路は発振します。

| r P | < R {\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。

f ＝ 1 2 π 1 L C {\displaystyle f={1 \over 2\pi }{\sqrt {1 \over LC}}\,}

デザイン

グラフからわかるように、ダイナトロン動作では、スクリーングリッドをプレート電圧よりもかなり高い電圧、少なくともプレート電圧の2倍にバイアスする必要がありました。プレート電圧の振幅は、曲線の負性抵抗領域、つまり下向きの「キンク」に制限されるため、最大の出力電圧振幅を得るには、負性抵抗領域の中央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約10kΩ～20kΩで、制御グリッドのバイアス電圧を変化させることで制御できます。負性抵抗 | r P | が発振を開始するのに十分な大きさ、つまり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。負性抵抗を正性抵抗よりも大幅に小さくすると、電圧振幅が曲線の非線形領域まで広がり、正弦波出力のピークが平坦化（「クリップ」）されます。

トランジトロン発振器

トランジトロン発振器
トランジトロン発振器におけるスクリーン電流と電圧。スクリーン電圧V G2が十分に高くなり、サプレッサーグリッド電圧が正になると、電子はサプレッサーグリッドを通過してプレートに到達し始めます。プレート電流が増加し、スクリーン電流が減少するため、スクリーンに負性抵抗（灰色の領域）が生じます。

トランジトロン発振器は、1939 年に Cledo Brunetti により発明されました[12] (ただし、 1926 年にBalthasar van der Polにより四極管で同様の効果が観察され[20]、1935 年に Edward Herold が同様の発振器について説明しました[21] ) は、五極管真空管を使用した負性抵抗発振回路で、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ちます[5] [14] [18]。 右の回路を参照してください。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も高い正電圧(バッテリー B1)でバイアスされ、サプレッサー グリッドは負電圧(バッテリー B2)、つまりカソード電圧以下にバイアスされます。そのため、すべての電子は負のサプレッサー グリッドで反射され、プレートを通過する電子はありません。反射された電子はスクリーン グリッドに引き寄せられるため、スクリーン電流は高くなりますが、プレート電流はゼロになります。しかし、サプレッサーグリッド電圧を上昇させると、それがゼロ（カソード電圧）に近づくにつれて電子がグリッドを通過してプレートに到達するため、スクリーングリッドに送られる電子数、ひいては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流さないため、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。 私 C {\displaystyle \scriptstyle I_{\text{C}}} 私 P {\displaystyle \scriptstyle I_{\text{P}}} 私 G2 {\displaystyle \scriptstyle I_{\text{G2}}}

私 G2 ＝ 私 C − 私 P {\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分配は、サプレッサー電圧によって制御されます。この逆相関関係は、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ΔI G2をサプレッサー電圧の変化ΔV G3 で割った値）が負であることによって示されます。

スクリーン電流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によって制御されるため、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昇させるとサプレッサー電圧も上昇し、スクリーン電流は減少します。これは、スクリーングリッドがカソードに対して 負性の微分抵抗を持つことを意味し、発振を引き起こすために利用することができます。

トランジトロン回路では、スクリーングリッドとサプレッサーグリッドは、発振周波数において低インピーダンスとなるバイパスコンデンサ（ C2 ）で結合されており、一定の電位差を保ちます。並列同調回路（ C1-L）は、スクリーングリッドとカソード（電池B1を介して）間に接続されています。スクリーングリッドの負性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、制御グリッドを用いて負性抵抗を調整することができます。

トランジトロン発振器は二次電子放出に依存しないため、ダイナトロン発振器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に対応できるように設計されていないため、発振器の出力は限られている。五極管に加えて複数のグリッドを持つ他の真空管、例えばヘキソド管やペンタグリッド変換管などは、同様の負性相互コンダクタンス発振器を作るために用いられてきた。この回路に用いられた五極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である。ペンタグリッド変換管のような、より多くのグリッドを持つ真空管は、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るのに使用でき、結果として負性抵抗はより小さくなる。

参考文献

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