다이나트론 발진기

전자공학에서 다이나트론 발진기()는 1918년 제너럴 일렉트릭의 앨버트 헐이 발명한 회로로, 이차 방출이라는 과정에 의해 발생하는 초기 4극 진공관의 부저항 특성을 이용하는 현재는 쓰이지 않는 진공관 발진기 회로이다. on  Peter Millet's Tubebooks website 이것은 최초의 부저항 진공관 발진기였다. 다이나트론 발진기 회로는 1920년대부터 1940년대까지 비트 주파 발진기(BFO) 및 진공관 수신기의 국부 발진기뿐만 아니라 과학 및 테스트 장비에서 제한적으로 사용되었으나, 진공관의 이차 방출 가변성 문제로 인해 제2차 세계 대전 무렵 도태되었다.

1939년 클레토 브루네티에 의해 발명된 트랜지트론 발진기(transitron oscillator)와 같은 부성 전달 컨덕턴스 발진기는 5극 진공관 또는 기타 다중 그리드 진공관의 음의 전달 컨덕턴스(한 그리드 전극의 전압 증가로 인해 두 번째 그리드를 통과하는 전류가 감소하는 현상)를 기반으로 하는 유사한 부저항 진공관 발진기 회로이다.   Gottlieb, 1997, Practical Oscillator Handbook, p. 78-81 이들은 다이나트론 회로를 대체하였으며 1970년대까지 진공관 전자 장비에 사용되었다.

 작동 원리 
섬네일|1918년 앨버트 헐이 발명한 다이나트론 발진을 일으키는 최초의 관인 다이나트론관. 1926년에 발명된 3극 진공관과 4극 진공관 역시 다이나트론 발진이 가능한 것으로 밝혀지면서 거의 사용되지 않았다.
다이나트론 및 트랜지트론 발진기는 피드백을 사용하여 발진을 생성하지 않고 부저항을 사용한다는 점에서 많은 발진기 회로와 다르다. 함께 연결된 유도자와 축전기로 구성된 동조 회로(공진 회로)는 "거의" 발진기와 같다. 소리굽쇠와 유사하게 "울리면서" 발진 전류의 형태로 전기 에너지를 저장할 수 있다. 만약 동조 회로의 전기저항이 0이라면, 발진이 시작된 후 지속적인 사인파를 생성하는 발진기로서 기능할 것이다. 그러나 실제 회로에는 고유한 저항이 불가피하기 때문에, 외부 전원이 없으면 발진 전류의 에너지는 저항에서 열로 소산되고 모든 발진은 0으로 감쇠한다.

다이나트론 및 트랜지트론 회로에서는 진공관이 바이어스되어 전극 중 하나가 음의 미분 저항을 갖게 된다. 이는 캐소드에 대한 전극의 전압이 증가할 때 이를 통과하는 전류가 감소함을 의미한다. 전극과 캐소드 사이에 동조 회로가 연결된다. 진공관의 부저항은 동조 회로의 양의 저항을 상쇄하여 결과적으로 교류 저항이 0인 동조 회로를 만든다. 전원을 켰을 때 회로의 전기적 노이즈에 의해 시작되어, 동조 회로의 공진 주파수에서 자발적이고 지속적인 정현파 발진 전압이 발생한다.

이러한 발진기의 장점은 부저항 효과가 주파수에 크게 의존하지 않는다는 것이었다. 따라서 동조 회로에 적절한 유도계수와 전기 용량 값을 사용함으로써 몇 헤르츠에서 약 20 MHz까지 넓은 주파수 범위에서 작동할 수 있었다. 또 다른 장점은 하틀리 발진기나 암스트롱 발진기와 같은 발진기에 필요한 탭이나 "틱러" 코일 없이 단순한 단일 LC 동조 회로를 사용한다는 점이었다.

 다이나트론 발진기 
섬네일|upright=1.3|다이나트론 발진기 회로

다이나트론에는 4극 진공관이 사용된다. 일부 4극관에서는 캐소드에서 나온 전자가 플레이트(양극)에 부딪힐 때 플레이트 밖으로 튕겨 나가는 전자, 즉 이차 방출로 인해 플레이트 전극이 음의 미분 저항을 갖는다. 이는 아래에 설명된 대로 차폐 그리드가 플레이트보다 높은 전압으로 바이어스될 때 플레이트 전류 대 플레이트 전압 곡선(아래 그래프, 회색 영역)에 하향 "꼬임(kink)"을 유발한다. 이러한 부저항은 주로 1940년대 이전의 구형 진공관의 특징이었다. 대부분의 현대식 4극관에서는 기생 발진을 방지하기 위해 플레이트에 원치 않는 이차 방출을 대폭 줄이는 코팅 처리를 하므로, 이러한 관들은 플레이트 전류 특성에 부저항 "꼬임"이 거의 없으며 다이나트론 발진기에 사용할 수 없다.

4극관만이 다이나트론 발진을 일으킬 수 있는 유일한 관은 아니었다. 초기 3극 진공관 역시 이차 방출과 그에 따른 부저항을 가졌으며, 4극관이 발명되기 전에는 제어 그리드를 플레이트보다 더 양(+)으로 바이어스하여 다이나트론 발진기에 사용되었다. 1918년 헐의 첫 번째 다이나트론 발진기는 그가 직접 설계한 특수 "다이나트론" 진공관(위 사진 참조)을 사용했는데, 이는 그리드가 높은 전류를 견딜 수 있을 만큼 튼튼한 구멍 뚫린 무거운 판으로 된 3극관이었다. 표준 3극관과 4극관이 다이나트론으로서 적절히 기능할 수 있었기 때문에 이 관은 거의 사용되지 않았다. "다이나트론"이라는 용어는 진공관의 모든 부저항 발진에 적용되게 되었으며, 예를 들어 분할 양극 마그네트론은 "다이나트론 발진"에 의해 작동한다고 일컬어졌다.

다이나트론 회로의 장점은 몇 헤르츠에서 20 MHz까지 매우 넓은 주파수 범위에서 발진할 수 있다는 것이었다. 또한 당시의 다른 LC 발진기에 비해 주파수 안정성이 매우 좋았으며 심지어 수정 발진기와 비교되기도 했다. 이 회로는 1928년경 UY222 및 UY224와 같은 저렴한 4극관이 등장하면서 인기를 얻었다. 코드 수신용 비트 주파 발진기(BFO) 및 슈퍼헤테로다인 수신기의 국부 발진기뿐만 아니라 실험실용 신호 발생기 및 과학 연구에 사용되었다. RCA의 1931년 프로토타입 텔레비전은 두 개의 UY224 관을 다이나트론 발진기로 사용하여 CRT의 편향 코일을 위한 수직 편향(28 Hz) 및 수평 편향(2880 Hz) 신호를 생성했다.

그러나 다이나트론에는 몇 가지 단점이 있었다. 플레이트에서의 이차 방출 전류량이 관마다 예측할 수 없게 달랐으며, 단일 관 내에서도 작동 수명 동안 변화한다는 것이 밝혀졌다. 결국 발진이 멈추곤 했다. 관을 교체할 때 회로에서 발진할 관을 찾기 위해 여러 개를 시도해야 할 수도 있었다. 또한 다이나트론 발진은 4극관의 주요 용도인 증폭기에서 불안정성의 원인이었기 때문에, 진공관 제조업체들은 플레이트에 흑연 코팅을 적용하여 이차 방출을 사실상 제거하기 시작했다. 1945년경에는 다이나트론 회로의 사용이 감소하고 있었다.

 이차 방출 
섬네일|upright=1.1|1929년에 출시된 RCA UY224 4극관의 플레이트 전압 VP에 따른 플레이트 전류 IP 및 차폐 그리드 전류 IG2 곡선. 부저항 영역(회색)을 보여준다.
 차폐 그리드 전위 VG2 = 75 V
 제어 그리드 전위 VG2 = −1.5 V
이 관에서 이차 방출은 부저항(하락하는 기울기)을 유발할 뿐만 아니라 플레이트 전류를 반전시킬 정도로 충분히 강력했다. 즉, 도착하는 전자보다 플레이트를 떠나는 전자가 더 많았다.

진공관에서 캐소드에 의해 방출된 전자가 플레이트 전극에 부딪히면 금속 표면에서 다른 전자를 튕겨낼 수 있는데, 이 효과를 이차 방출이라고 한다. 일반적인 4극관 증폭기에서 이는 원치 않는 효과이며, 플레이트 옆의 차폐 그리드는 플레이트보다 낮은 전위로 바이어스되므로 이러한 이차 전자는 반발되어 양(+)의 전하를 띤 플레이트로 돌아간다.

그러나 차폐 그리드가 플레이트보다 높은 전위로 작동하면 이차 전자는 차폐 그리드로 끌려가 차폐 그리드 전원을 통해 접지로 돌아간다. 이는 플레이트에서 멀어지는 전자의 전류 IG2를 나타내며, 이는 순 플레이트 전류 IP를 캐소드 전류 IC 미만으로 감소시킨다.

플레이트 전압이 높을수록 일차 전자가 더 큰 에너지로 플레이트에 부딪혀 더 많은 이차 전자를 방출하게 된다. 따라서 일차 전자가 이차 방출을 일으키기에 충분한 에너지를 갖는 전압(약 VP = 10V)에서 시작하여, 플레이트 전압의 증가가 플레이트에 도착하는 추가 전자보다 더 많은 전자를 플레이트에서 떠나게 하여 결과적으로 순 플레이트 전류가 감소하는 작동 영역(회색)이 존재한다.

 부저항 
이 영역에서는 플레이트 전압의 증가가 플레이트 전류의 감소를 유발하므로, 교류 플레이트 저항, 즉 관의 미분 출력 저항은 음(-)이다.

터널 다이오드와 같은 다른 부저항 소자와 마찬가지로, 이 부저항은 발진기를 만드는 데 사용될 수 있다. 병렬 동조 회로가 4극관의 플레이트 회로에 연결된다. 발진기에 연결된 모든 부하를 포함하여 동조 회로의 병렬 저항 R보다 음의 플레이트 저항의 크기가 작으면 회로가 발진한다.

발진 주파수는 동조 회로의 공진 주파수에 가깝다.

 설계 
그래프에서 볼 수 있듯이, 다이나트론 작동을 위해 차폐 그리드는 플레이트보다 상당히 높은 전압으로 바이어스되어야 했다(최소 플레이트 전압의 2배). 플레이트 전압 스윙은 곡선의 부저항 영역인 하향 "꼬임"으로 제한되므로, 최대 출력 전압 스윙을 달성하려면 관을 부저항 영역의 중앙에 바이어스해야 한다.

구형 4극관의 부저항은 약 10kΩ - 20kΩ이었으며 제어 그리드 바이어스를 변경하여 조절할 수 있다. 부저항 |rP|의 크기가 발진을 시작하기에 충분히 작고 동조 회로의 양의 저항 R보다 약간 작으면 발진 주파수가 매우 안정적이며 출력 파형은 거의 사인파가 될 것이다. 부저항이 양의 저항보다 현저히 작게 만들어지면 전압 스윙이 곡선의 비선형 부분까지 확장되어 사인파 출력의 피크가 평평해진다("클리핑").

 트랜지트론 발진기 
섬네일|upright=1.1|트랜지트론 발진기
섬네일|트랜지트론 발진기의 차폐 그리드 전류와 전압. 차폐 전압 VG2가 억제 그리드 전압이 양이 될 정도로 충분히 높아지면 전자가 억제 그리드를 통과하여 플레이트에 도달하기 시작한다. 플레이트 전류는 증가하고 차폐 그리드 전류는 감소하여 차폐 그리드에 부저항(회색 영역)을 부여한다.

1939년 클레토 브루네티에 의해 발명된 트랜지트론 발진기(1926년 발타자르 반 데르 폴에 의해 4극관에서 유사한 효과가 관찰되었고, 에드워드 헤롤드가 1935년에 유사한 발진기를 설명했지만)는 5극 진공관을 사용하는 부저항 발진기 회로로, 플레이트 대신 차폐 그리드가 억제 그리드와 결합되어 부저항을 갖게 된다. 오른쪽 회로를 참조하라. 트랜지트론에서 차폐 그리드는 플레이트 전압보다 높은 양의 전압(배터리 B1)으로 바이어스되는 반면, 억제 그리드는 캐소드 전압 이하의 음의 전압(배터리 B2)으로 바이어스된다. 따라서 모든 전자는 음의 억제 그리드에 의해 반사되어 플레이트에 도달하지 못한다. 반사된 전자는 대신 차폐 그리드에 끌리므로 플레이트 전류가 0인 동안 차폐 그리드 전류는 높을 것이다. 그러나 억제 그리드 전압이 증가하여 0(캐소드 전압)에 가까워지면 전자가 이를 통과하여 플레이트에 도달하기 시작하므로 차폐 그리드로 편향되는 수, 즉 차폐 그리드 전류가 감소한다. 다른 그리드들은 상당한 전류를 소비하지 않으므로 캐소드 전류 는 플레이트 와 차폐 그리드  사이에서 나누어진다.

차폐 그리드와 플레이트 사이의 전류 분할은 억제 그리드 전압에 의해 제어된다. 이러한 역관계는 차폐 그리드와 억제 그리드 사이의 전달 컨덕턴스(차폐 그리드 전류의 변화 ΔIG2를 억제 그리드 전압의 변화 ΔVG3으로 나눈 값)가 음(-)이라고 말함으로써 표현된다.

차폐 그리드 전압이 아닌 억제 그리드 전압이 차폐 그리드 전류를 제어하므로, 억제 그리드와 차폐 그리드를 축전기(C2)로 결합하여 그 사이에 일정한 전위차가 있게 하면 차폐 그리드 전압을 높일 때 억제 그리드 전압도 높아져 차폐 그리드 전류가 감소하게 된다. 이는 차폐 그리드가 캐소드에 대해 음의 미분 저항을 가짐을 의미하며, 발진기를 만드는 데 사용될 수 있다.

트랜지트론 회로에서 차폐 그리드와 억제 그리드는 발진 주파수에서 낮은 임피던스를 갖는 바이패스 축전기(C2)로 결합되어 있어 일정한 전위차를 갖는다. 병렬 동조 회로(C1-L)는 차폐 그리드와 캐소드 사이에 (배터리 B1을 통해) 연결된다. 차폐 그리드의 부저항은 동조 회로의 양의 저항을 상쇄하여 발진을 일으킨다. 다이나트론 발진기에서와 같이 제어 그리드를 사용하여 부저항을 조정할 수 있다.

트랜지트론 발진기는 이차 방출에 의존하지 않았기 때문에 다이나트론보다 훨씬 신뢰성이 높았다. 그러나 차폐 그리드가 높은 전력을 처리하도록 설계되지 않았기 때문에 발진기의 출력 전력은 제한적이다. 5극관 외에도 6극 진공관 및 펜타그리드 컨버터 관과 같이 그리드가 여러 개인 다른 관들도 유사한 부성 전달 컨덕턴스 발진기를 만드는 데 사용되어 왔다. 이 회로에 사용된 5극관은 약 −250 마이크로지멘스의 낮은 부성 전달 컨덕턴스를 가지며 이는 −4000Ω의 부저항을 제공한다. 펜타그리드 컨버터와 같이 그리드가 더 많은 관을 사용하면 더 높은 전달 컨덕턴스를 갖는 트랜지트론 발진기를 만들 수 있으며, 결과적으로 더 작은 부저항을 얻을 수 있다.

 각주 

분류:전기공학