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공간 전하 진공관은 진공관 시대 내내 유용한 장치로 남아 있었고, 낮은 애노드 전압만 사용 가능한 12V 전원으로부터 직접 작동하는 자동차 라디오와 같은 응용 분야에서 사용되었다. 동일한 원리가 5극 진공관과 같은 다른 유형의 다중 격자관에도 적용되었다. 예를 들어, Sylvania 12K5는 "공간 전하 작동을 위해 설계된 4극 진공관이다. 전압이 12V 자동차 배터리에서 직접 공급되는 전력 증폭기 드라이버 서비스용으로 고안되었다"고 설명되었다. 공간 전하 격자는 애노드 공급 전압과 동일한 +12V에서 작동되었다.
공간 전하 4극 진공관의 또 다른 중요한 응용 분야는 극히 작은 전류를 감지하고 측정하는 전위계 관으로서였다. 예를 들어, General Electric FP54는 "매우 높은 입력 임피던스와 매우 낮은 격자 전류를 가지도록 설계된 공간 전하 격자관... 약 10 암페어보다 작은 직류 증폭을 위해 특별히 설계되었으며, 5 x 10 암페어만큼 작은 전류도 측정할 수 있음이 밝혀졌다. 전류 증폭 계수는 250,000이며, 12V의 애노드 전압과 +4V의 공간 전하 격자 전압으로 작동한다."
전위계 4극 진공관에서 공간 전하 격자가 제어 격자 전류를 낮추는 메커니즘은 캐소드에서 발생하는 양이온이 제어 격자에 도달하는 것을 방지한다는 것이다.
3극 진공관에 공간 전하 격자를 추가할 때, 결과적으로 생성되는 4극 진공관의 첫 번째 격자는 공간 전하 격자이고, 두 번째 격자는 제어 격자라는 점에 유의해야 한다.
이중 격자 진공관.
이중 격자형 4극 진공관에서는 두 격자 모두 전기 신호를 전달하도록 의도되었으므로 둘 다 제어 격자이다. 영국에 처음 등장한 예는 H. J. 라운드가 설계하고 1920년에 출시된 Marconi-Osram FE1이었다. 이 진공관은 리플렉스 수신기 회로(예를 들어 단일 진공관 선박 수신기 Type 91)에 사용될 예정이었는데, 여기서 동일한 진공관이 RF 증폭기, AF 증폭기, 다이오드 검파기의 복합 기능을 수행했다. RF 신호는 하나의 제어 격자에 인가되었고, AF 신호는 다른 격자에 인가되었다. 이 유형의 4극 진공관은 스크린 격자 진공관이 수신기 설계를 혁신하기 전 기간에 많은 창의적인 방식으로 사용되었다.
한 가지 응용은 그림에 나와 있다. 이것은 두 번째 격자와 애노드가 전력 발진기를 형성하고 첫 번째 격자가 변조 전극 역할을 하는 AM 전화 송신기로 인식할 수 있다. 진공관의 애노드 전류, 따라서 RF 출력 진폭은 탄소 마이크로폰에서 파생된 G1의 전압에 의해 변조된다.
이 유형의 진공관은 직접 변환 CW(무선 전신) 수신기로도 사용될 수 있었다. 여기서 진공관은 첫 번째 격자와 애노드 사이의 결합으로 인해 발진하는 반면, 두 번째 격자는 안테나에 결합된다. AF 비트 주파수는 헤드폰으로 들을 수 있다. 진공관은 자체 발진 곱셈기 탐지기 역할을 한다.
이중 격자 진공관의 또 다른 매우 유사한 응용 분야는 초기 슈퍼헤테로다인 수신기에서 자체 발진 주파수 혼합기로 사용되었다.
하나의 제어 격자는 수신 RF 신호를 전달했고, 다른 하나는 동일한 진공관 내에서 국부 발진을 생성하는 발진기 회로에 연결되었다. 이중 격자 진공관의 애노드 전류는 첫 번째 격자의 신호와 두 번째 격자의 발진기 전압에 비례했으므로, 두 신호의 필요한 곱셈이 달성되었고, 중간 주파수 신호는 애노드에 연결된 동조 회로에 의해 선택되었다. 이러한 각 응용 분야에서 이중 격자 4극 진공관은 플레이트 전류가 두 입력 신호를 모두 통과하는 것 외에도 격자에 인가된 두 신호의 곱을 포함하는 불균형 아날로그 곱셈기 역할을 했다.
슈퍼헤테로다인 수신기.
현대 슈퍼헤테로다인 수신기(원래 중간 주파수가 초음파 주파수였기 때문에 초음파 헤테로다인 수신기라고 불림)의 원리는 1917년 프랑스의 뤼시앵 레비가 발명했다. (p 66) 하지만 보통 에드윈 암스트롱에게도 공로가 주어진다. 슈퍼헤테로다인의 발명 초기 이유는 스크린 격자 진공관이 등장하기 전에는 증폭 진공관, 즉 3극 진공관이 밀러 효과로 인해 무선 주파수(예: 100 kHz보다 훨씬 높은 주파수)를 증폭하는 데 어려움을 겪었기 때문이다. 슈퍼헤테로다인 설계에서는 수신되는 무선 신호를 증폭하는 대신, 먼저 일정한 RF 발진기(소위 국부 발진기)와 혼합하여 일반적으로 30 kHz의 헤테로다인을 생성했다. 이 중간 주파수(IF) 신호는 수신 신호와 동일한 엔벨로프를 가졌지만 훨씬 낮은 반송파 주파수를 가졌기 때문에 3극 진공관을 사용하여 효율적으로 증폭할 수 있었다. 검파되면 더 높은 주파수 무선 신호의 원래 변조가 얻어진다. 다소 복잡한 기술이었으며, 스크린 격자 4극 진공관이 동조 무선 주파수 (TRF) 수신기를 실용화하면서 인기가 시들해졌다. 그러나 슈퍼헤테로다인 원리는 1930년대 초반에 선택도와 같은 다른 장점들이 인정되면서 다시 부상했고, 거의 모든 현대 수신기는 이 원리로 작동하지만 더 높은 IF 주파수(때로는 원래 RF보다 높음)를 사용하며, 4극 진공관과 같은 앰프는 고주파(무선) 신호 증폭에서 3극 진공관의 한계를 넘어섰다.
슈퍼헤테로다인 개념은 국부 발진기로서의 진공관과 안테나 신호 및 국부 발진기를 입력 신호로 취하는 혼합기로서의 별도 진공관을 사용하여 구현할 수 있었다. 그러나 경제성을 위해 이 두 기능을 안테나로부터의 RF 신호를 발진하고 주파수 혼합하는 단일 이중 격자 4극 진공관으로 결합할 수도 있었다. 후년에는 오극 혼합관으로 유사하게 달성되었는데, 이는 유사한 두 입력 증폭/발진 진공관이지만 (5극 진공관과 마찬가지로) 억제 격자와 이 경우 두 개의 스크린 격자를 포함하여 플레이트와 두 신호 격자들을 서로 정전기적으로 분리했다. 오늘날의 수신기에서는 저렴한 반도체 소자 기술(트랜지스터)을 기반으로 하므로, 두 기능을 하나의 능동 장치로 결합하는 데 비용상의 이점이 없다.
스크린 격자 진공관.
스크린 격자관은 3극 진공관보다 제어 격자-애노드 정전 용량이 훨씬 작고 증폭 계수가 훨씬 크다. 3극 진공관을 사용하는 무선 주파수 증폭기 회로는 3극 진공관의 격자-애노드 정전 용량으로 인해 발진하기 쉬웠다. 스크린 격자관에서는 스크린 격자, 실드 격자 또는 때로는 가속 격자라고 불리는 격자가 제어 격자와 애노드 사이에 삽입된다. 스크린 격자는 제어 격자와 애노드 사이에 정전기적 실드를 제공하여 그들 사이의 정전 용량을 매우 작은 양으로 줄인다. 1915년에서 1916년 사이에 물리학자 발터 H. 쇼트키는 캐소드 공간 전하와 제어 격자에 대한 애노드 전기장의 영향을 줄이기 위해 애노드와 제어 격자 사이에 격자를 배치하여 정전기적 실드를 제공하는 최초의 진공관을 개발했다. 쇼트키는 이 스크린 격자관을 1916년에 독일에서, 1919년에 미국에서 특허를 받았다. 이 진공관은 독일에서 생산되었고 지멘스-쇼트키 진공관으로 알려졌다. 일본에서는 안도 히로시가 1919년에 스크린 격자 구조 개선에 대한 특허를 받았다. 1920년대 후반 동안, 닐 H. 윌리엄스와 앨버트 헐 (제너럴 일렉트릭 소속), MOV의 H. J. 라운드, 필립스의 베르나르드 텔레겐이 개선된 스크린 격자관을 개발했다. 이 개선된 스크린 격자관은 1927년에 처음 판매되었다.
3극 진공관의 애노드-격자 정전 용량(밀러 효과)을 통한 피드백은 특히 애노드와 격자가 무선 주파수(RF) 증폭기에서 흔히 볼 수 있듯이 동조 공진 회로에 연결될 때 발진을 유발할 수 있었다. 약 100 kHz 이상의 주파수에서는 중화 회로가 필요했다. 소신호 증폭에 사용되는 일반적인 3극 진공관은 격자-애노드 정전 용량이 8 pF였던 반면, 일반적인 스크린 격자 진공관의 해당 수치는 0.025 pF였다. 잘 설계된 스크린 격자관 RF 증폭기 단에는 중화 회로가 필요하지 않았다.
스크린 격자는 양의 DC 전압에 연결되고, 접지된 바이패스 축전기에 의해 AC 접지 상태를 유지한다. 증폭기로서의 스크린 격자관의 유효 작동 영역은 스크린 격자 전압보다 큰 애노드 전압으로 제한된다. 애노드 전압이 스크린 격자 전압보다 크면 캐소드에서 나오는 일부 전자가 스크린 격자에 부딪혀 스크린 전류를 생성하지만, 대부분은 스크린의 열린 공간을 통과하여 애노드로 계속 진행한다. 애노드 전압이 스크린 격자의 전압에 접근하거나 그 아래로 떨어지면, 플레이트 특성 이미지에 나타난 것처럼 스크린 전류가 증가한다.
스크린 격자를 추가하면서 또 다른 이점이 명확해졌다. 애노드 전압이 스크린 전압보다 큰 한, 애노드 전류는 애노드 전압과 거의 완전히 독립적이 된다. 이는 매우 높은 애노드 동적 저항에 해당하며, 애노드 부하 임피던스가 클 때 훨씬 더 큰 전압 이득을 가능하게 한다. 애노드 전류는 제어 격자 및 스크린 격자 전압에 의해 제어된다. 결과적으로, 4극 진공관은 주로 트랜스컨덕턴스(제어 격자 전압에 대한 애노드 전류의 변화)로 특징지어지는 반면, 3극 진공관은 증폭 계수(뮤), 즉 최대 가능한 전압 이득으로 특징지어진다. 스크린 격자 진공관이 도입될 당시, 라디오 수신기에 사용되는 일반적인 3극 진공관의 애노드 동적 저항은 20 kΩ 이하였지만, 일반적인 스크린 격자 진공관의 해당 수치는 500 kΩ이었다. 일반적인 3극 진공관 중파 RF 증폭기 단은 약 14의 전압 이득을 생성했지만, 스크린 격자관 RF 증폭기 단은 30에서 60의 전압 이득을 생성했다.
매우 낮은 격자-애노드 정전 용량을 최대한 활용하기 위해 라디오 제작 시 애노드와 격자 회로 사이의 차폐가 중요하게 고려되었다. S625 진공관은 내부 스크린 격자의 위치에 맞춰 접지된 평면 금속 실드에 장착되었다. 입력 또는 제어 격자 회로는 실드 한쪽에 있었고, 애노드 또는 출력 회로는 다른 쪽에 있었다. S23 진공관을 사용하는 수신기에서는 2단계 RF 증폭기의 각 전체 단과 동조 검파기 단이 정전기 차폐를 위해 개별적인 큰 금속 상자에 둘러싸여 있었다. 이 상자들은 그림에서 제거되었지만, 상자 바닥의 위로 향한 모서리를 볼 수 있다.
따라서 스크린 격자 진공관은 무선 장비의 중파 및 고주파 범위에서 더 나은 무선 주파수 증폭을 가능하게 했다. 이들은 1927년 후반부터 1931년까지 라디오 수신기의 무선 주파수 증폭 단계 설계에 일반적으로 사용되었으나, 이후 5극 진공관으로 대체되었다.
스크린 격자관의 애노드 특성.
스크린 격자관의 제한된 적용성과 RF 5극 진공관(1930년경 도입)으로의 빠른 교체 이유는 전자의 특이한 애노드 특성(즉, 애노드 전압에 대한 애노드 전류의 변화) 때문이었다.
정상적인 응용에서 애노드 전압은 약 150V였고, 스크린 격자 전압은 약 60V였다(Thrower p 183). 스크린 격자가 캐소드에 대해 양의 전위를 가지므로, 격자 영역에서 애노드로 통과했을 전자 중 일부(아마도 4분의 1)를 수집한다. 이로 인해 스크린 격자 회로에 전류가 흐른다. 일반적으로 이러한 원인으로 인한 스크린 전류는 작고 중요하지 않다. 그러나 애노드 전압이 스크린 전압보다 낮아지면 스크린 격자는 에너지 있는 1차 전자의 충격으로 애노드에서 방출된 2차 전자도 수집할 수 있다. 두 효과 모두 애노드 전류를 감소시키는 경향이 있다. 애노드 전압이 낮은 값에서 증가하면, 스크린 격자가 정상 작동 전압(예: 60V)에 있을 때 애노드 전류는 초기에 급격히 증가하는데, 이는 스크린 격자를 통과하는 전자 중 더 많은 수가 스크린 격자로 돌아가지 않고 애노드에 의해 수집되기 때문이다. 4극 진공관 애노드 특성의 이 부분은 3극 진공관 또는 5극 진공관의 해당 부분과 유사하다. 그러나 애노드 전압이 더 증가하면 애노드에 도달하는 전자가 풍부한 2차 방출을 유발할 충분한 에너지를 가지게 되고, 이 2차 전자 중 많은 수가 애노드보다 더 높은 양의 전압을 가진 스크린에 의해 포획된다. 이로 인해 애노드 전압이 증가할 때 애노드 전류가 증가하기보다는 감소한다. 어떤 경우에는 애노드 전류가 실제로 음이 될 수도 있다(애노드에서 전류가 흘러나옴). 이는 각 1차 전자가 하나 이상의 2차 전자를 생성할 수 있기 때문에 가능하다. 양의 애노드 전류가 감소하고 애노드 전압이 증가함에 따라 애노드 특성에 음의 기울기 영역이 생기는데, 이는 특정 회로에서 불안정성을 유발할 수 있는 부저항에 해당한다. 더 높은 애노드 전압 범위에서는 애노드 전압이 스크린 전압을 충분히 초과하여 2차 전자 중 점점 더 많은 부분이 애노드로 다시 끌려오므로 애노드 전류가 다시 증가하고 애노드 특성의 기울기가 다시 양이 된다. 훨씬 더 높은 애노드 전압 범위에서는 모든 2차 전자가 애노드로 돌아가고, 진공관을 통한 전류의 주요 제어가 제어 격자의 전압이기 때문에 애노드 전류는 실질적으로 일정해진다. 이것이 진공관의 정상 작동 모드이다.
스크린 격자관의 애노드 특성은 따라서 3극 진공관의 특성과는 상당히 다르다. 애노드 전압이 스크린 격자 전압보다 낮은 경우, 다이나트론 영역 또는 4극 진공관 꺾임이라고 불리는 독특한 부저항 특성이 있다. 애노드 전압이 스크린 격자 전압보다 큰 영역에서 기울기가 낮은 거의 일정 전류 영역 또한 3극 진공관과는 현저히 다르며, 증폭기로서의 스크린 격자관의 유효 작동 영역을 제공한다. 낮은 기울기는 매우 바람직한데, 이는 장치가 생성할 수 있는 전압 이득을 크게 향상시키기 때문이다. 초기 스크린 격자관은 동등한 3극 진공관보다 증폭 계수(즉, 트랜스컨덕턴스와 애노드 기울기 저항 R의 곱)가 50배 이상 높았다. 정상 작동 범위에서의 높은 애노드 저항은 스크린 격자의 정전기 차폐 작용의 결과인데, 이는 애노드로 인한 전기장이 제어 격자 영역으로 침투하는 것을 방지하기 때문이다. 이 영역에서는 전기장이 전자의 통과에 영향을 미칠 수 있으며, 애노드 전압이 높을 때 전자 전류를 증가시키고 낮을 때 감소시킬 수 있다.
4극 진공관의 부저항 작동 영역은 부저항 발진기의 한 예인 다이나트론 발진기에서 활용된다.(Eastman, p431)
빔 4극 진공관.
빔 4극 진공관은 부분적으로 정렬된 전자 빔을 사용하여 스크린 격자와 애노드 사이에 밀도가 높은 저전위 공간 전하 영역을 형성함으로써 스크린 격자관의 다이나트론 영역 또는 4극 진공관 꺾임을 제거하며, 이 공간 전하 영역은 애노드의 2차 방출 전자를 애노드로 되돌린다. 빔 4극 진공관의 애노드 특성은 전력 5극 진공관의 애노드 특성보다 낮은 애노드 전압에서 덜 둥글어지므로, 동일한 애노드 공급 전압으로 더 큰 출력 전력과 더 적은 3차 고조파 왜곡을 제공한다. 빔 4극 진공관은 일반적으로 저주파부터 무선주파수까지 전력 증폭에 사용된다. 빔 4극 진공관은 1933년 EMI의 세 엔지니어인 이삭 쇼엔베르크, 캐봇 불, 시드니 로다에 의해 영국에서 특허를 받았다.
임계 거리 4극 진공관.
런던의 하이 진공 진공관 회사(Hivac)는 1935년 8월에 J. H. 오웬 해리스의 임계 거리 효과를 활용하여 애노드 전압-애노드 전류 특성의 다이나트론 영역을 제거한 일련의 전력 출력 4극 진공관을 출시했다. 임계 거리 진공관은 애노드 2차 전자들을 애노드로 되돌리는 공간 전하 회귀를 활용했다. 임계 거리 4극 진공관의 독특한 물리적 특징은 넓은 스크린 격자-애노드 거리와 타원형 격자 구조였다. 넓은 스크린 격자-애노드 거리는 애노드 전위가 스크린 격자 전위보다 낮을 때 애노드 2차 전자들을 애노드로 되돌리는 저전위 공간 전하의 형성을 용이하게 했다. 타원형 격자는 제어 격자 지지봉이 캐소드에서 더 멀리 떨어져 있게 하여 제어 격자 전압에 따른 증폭 계수 영향을 줄였다. 제어 격자 전압이 0이거나 음의 전압일 때, 제어 격자 지지봉과 제어 격자는 캐소드에서 나오는 전자 흐름을 두 개의 주요 공간 전류 영역으로 형성했는데, 이들은 180도 떨어져 있으며 애노드 둘레의 넓은 두 섹터로 향했다. 이러한 특징은 포화가 더 낮은 애노드 전압에서 발생하고 낮은 애노드 전압에서 애노드 전압-애노드 전류 특성의 곡률(더 작은 반경)이 증가하기 때문에 유사한 전력 5극 진공관보다 다소 더 큰 출력 전력과 더 낮은 왜곡을 초래했다.
이러한 유형의 4극 진공관이 다양하게 출시되었는데, 국내 수신기 시장을 겨냥하여 일부는 저전력 배터리 구동 세트를 위한 2볼트 직류 필라멘트 정격이었고, 다른 일부는 주전원 작동을 위한 4볼트 이상의 히터 정격의 간접 가열 캐소드를 가졌다. 출력 전력 정격은 0.5와트에서 11.5와트까지 다양했다. 혼란스럽게도, 이 새로운 진공관 중 여러 개는 거의 동일한 특성을 가진 기존 5극 진공관과 동일한 유형 번호를 가졌다. 예를 들어 Y220 (0.5W, 2V 필라멘트), AC/Y (3W, 4V 히터), AC/Q (11.5W, 4V 히터) 등이 있다.
수은 아크 밸브(mercury-arc valve) 또는 수은 증기 정류기(mercury-vapor rectifier)는 고전압 또는 고전류의 교류 (AC)를 직류 (DC)로 변환하는 데 사용되는 정류기의 한 종류이다. 이는 냉음극 방전관의 한 종류이지만, 캐소드가 고체가 아닌 액체 수은 풀로 만들어져 자체 복원된다는 점이 특이하다. 결과적으로 수은 아크 밸브는 의도된 대로 사용될 경우 다른 대부분의 방전관보다 훨씬 견고하고 내구성이 뛰어나며 훨씬 높은 전류를 흘릴 수 있다. 일부 예시는 수십 년 동안 50암페어 전류를 정류하며 지속적으로 사용되었다.
1902년 피터 쿠퍼 휴잇이 발명한 수은 아크 정류기는 산업용 모터, 전기 철도, 노면전차, 전기 기관차에 전력을 공급하는 데 사용되었으며, 무선 송신기 및 초고압직류송전 (HVDC)에도 사용되었다. 이는 반도체 정류기, 예를 들어 다이오드, 사이리스터 및 게이트 턴 오프 사이리스터 (GTO)가 등장하기 전까지 고전력 정류의 주요 방법이었다. 이러한 솔리드 스테이트 정류기는 더 낮은 비용, 유지보수, 환경 위험, 그리고 더 높은 신뢰성 덕분에 수은 아크 정류기를 거의 완전히 대체했다.
1882년 쥘 자민과 G. Maneuvrier는 수은 아크의 정류 특성을 관찰했다. 수은 아크 정류기는 1902년 피터 쿠퍼 휴잇에 의해 발명되었으며, 1920년대와 1930년대에 걸쳐 유럽과 북미의 연구자들에 의해 더욱 발전되었다. 발명되기 전에는 전력 회사가 제공하는 AC 전류를 DC로 변환하는 유일한 방법은 값비싸고 비효율적이며 유지보수가 많이 드는 회전 변환기 또는 모터-발전기 세트를 사용하는 것이었다. 수은 아크 정류기 또는 "변환기"는 축전지 충전, 호광등 시스템, 트롤리버스, 노면전차, 지하철의 DC 견인 모터, 그리고 전기 도금 장비에 사용되었다. 수은 정류기는 1970년대까지 사용되었고, 마침내 반도체 정류기로 대체되었다.
정류기의 작동은 매우 낮은 압력의 수은 증기를 포함하는 밀봉된 엔벨로프 내부의 전극들 사이에서 발생하는 아크 방전에 의존한다. 액체 수은 풀은 시간 경과에 따라 성능이 저하되지 않는 자체 재생 캐소드 역할을 한다. 수은은 전자를 자유롭게 방출하는 반면, 탄소 애노드는 가열될 때도 전자를 거의 방출하지 않으므로, 전자의 전류는 캐소드에서 애노드 방향으로만 튜브를 통과할 수 있어 튜브가 교류를 정류할 수 있다.
아크가 형성되면 풀 표면에서 전자가 방출되어 애노드 방향으로 수은 증기의 이온화를 유발한다. 수은 이온은 캐소드 쪽으로 끌어당겨지고, 이로 인한 풀에 대한 이온 충격은 몇 암페어의 전류가 계속 흐르는 한 방출 지점의 온도를 유지한다.
전류는 전자에 의해 전달되지만, 캐소드로 돌아오는 양이온은 진공관의 성능을 제한하는 공간 전하 효과에 의해 전도 경로가 크게 영향을 받지 않도록 한다. 결과적으로 밸브는 낮은 아크 전압(일반적으로 20–30 V)에서 높은 전류를 전달할 수 있으므로 효율적인 정류기이다. 사이리스터와 같은 열음극, 가스 방전관도 비슷한 효율 수준을 달성할 수 있지만, 가열된 캐소드 필라멘트는 섬세하고 고전류에서 사용될 때 작동 수명이 짧다.
아크의 거동은 주로 수은의 증기 압력에 의해 결정되며, 이는 다시 인클로저 벽의 가장 차가운 지점에 의해 설정되므로 엔벨로프의 온도를 신중하게 제어해야 한다. 일반적인 설계에서는 온도를 로 유지하고 수은 증기 압력을 7 밀리파스칼로 유지한다.
수은 이온은 특성 파장에서 빛을 방출하며, 그 상대적인 강도는 증기 압력에 의해 결정된다. 정류기 내부의 낮은 압력에서는 빛이 옅은 청자색으로 보이며 많은 자외선을 포함한다.
수은 아크 밸브의 구조는 두 가지 기본 형태, 즉 유리 전구형과 강철 탱크형 중 하나를 따른다. 강철 탱크형 밸브는 대략 500 A 이상의 더 높은 전류 정격에 사용되었다.
유리 전구 밸브.
초기 형태의 수은 증기 정류기는 바닥에 액체 수은 풀이 캐소드로 앉아 있는 진공 유리 전구로 구성된다. 그 위로 유리 전구가 구부러져 장치가 작동하면서 증발하는 수은을 응축시킨다. 유리 엔벨로프에는 애노드로 흑연 막대가 있는 하나 이상의 암이 있다. 그 수는 응용 분야에 따라 다르며, 일반적으로 위상당 하나의 애노드가 제공된다. 애노드 암의 모양은 유리 벽에 응축되는 모든 수은이 주 풀로 신속하게 다시 배수되어 캐소드와 해당 애노드 사이에 전도성 경로를 제공하는 것을 방지한다.
유리 엔벨로프 정류기는 단일 장치에서 수백 킬로와트의 직류 전력을 처리할 수 있다. 정격 150암페어의 6상 정류기는 높이 약 600 mm (24 인치), 외경 300 mm (12 인치)의 유리 엔벨로프를 가지고 있다. 이 정류기에는 몇 킬로그램의 액체 수은이 포함되어 있다. 엔벨로프의 큰 크기는 유리의 낮은 열전도율 때문에 필요하다. 엔벨로프 상부의 수은 증기는 응축되어 캐소드 풀로 돌아가기 위해 유리 엔벨로프를 통해 열을 방출해야 한다. 일부 유리관은 온도를 더 잘 제어하기 위해 오일 욕조에 담겨 있었다.
유리 전구 정류기의 전류 용량은 부분적으로 유리 엔벨로프의 취약성(정격 전력에 따라 크기가 증가)과 애노드 및 캐소드 연결을 위해 유리 엔벨로프에 융합된 철사의 크기에 의해 제한된다. 고전류 정류기 개발에는 엔벨로프 내부로 공기가 누출되는 것을 방지하기 위해 매우 유사한 열팽창 계수를 가진 리드선 재료와 유리가 필요했다. 1930년대 중반까지 최대 500 A의 전류 정격이 달성되었지만, 이보다 높은 전류 정격의 대부분의 정류기는 더 견고한 강철 탱크 설계로 실현되었다.
강철 탱크 밸브.
더 큰 밸브의 경우, 전극용 세라믹 절연체가 있는 강철 탱크가 사용되며, 불완전한 밀봉 주위의 탱크로의 미세한 공기 누출을 방지하기 위한 진공 펌프 시스템이 함께 사용된다. 탱크에 물 냉각이 적용된 강철 탱크 밸브는 수천 암페어의 전류 정격으로 개발되었다.
유리 전구 밸브와 마찬가지로 강철 탱크 수은 아크 밸브는 탱크당 단일 애노드(엑시트론으로도 알려짐) 또는 탱크당 여러 애노드를 사용하여 제작되었다. 여러 애노드 밸브는 일반적으로 다상 정류기 회로(탱크당 2, 3, 6 또는 12개의 애노드)에 사용되었지만, HVDC 애플리케이션에서는 전류 정격을 높이기 위해 여러 애노드가 단순히 병렬로 연결되는 경우가 많았다.
시작 (점화).
일반적인 수은 아크 정류기는 정류기 내부의 캐소드 풀과 시작 전극 사이에서 발생하는 짧은 고전압 아크에 의해 시작된다. 시작 전극은 풀과 접촉하여 유도 회로를 통해 전류를 통과시킨다. 그런 다음 풀과의 접촉이 끊어지면서 높은 기전력과 아크 방전이 발생한다.
시작 전극과 풀 사이의 순간적인 접촉은 다음과 같은 여러 방법으로 달성될 수 있다.
출력 전류의 순간적인 중단 또는 감소로 인해 캐소드 스폿이 소멸될 수 있으므로, 많은 정류기에는 발전소가 사용 중일 때마다 아크를 유지하기 위한 추가 전극이 포함된다. 일반적으로 몇 암페어의 2상 또는 3상 공급 장치가 작은 여자 애노드를 통해 통과한다. 몇 백 VA 정격의 자기 차폐 변압기가 이 공급을 제공하는 데 일반적으로 사용된다.
이러한 여자 또는 유지 회로는 엑시트론과 같은 단상 정류기와 무선 전신 송신기의 고전압 공급에 사용되는 수은 아크 정류기에 필요했는데, 모스 키가 해제될 때마다 전류 흐름이 정기적으로 중단되었기 때문이다.
그리드 제어.
유리 및 금속 엔벨로프 정류기 모두 애노드와 캐소드 사이에 제어 그리드를 삽입할 수 있다.
애노드와 풀 캐소드 사이에 제어 그리드를 설치하면 밸브의 전도를 제어할 수 있어, 정류기가 생성하는 평균 출력 전압을 제어할 수 있다. 전류 흐름의 시작은 제어되지 않은 밸브에서 아크가 형성될 지점을 지나 지연될 수 있다. 이를 통해 밸브 그룹의 출력 전압을 점화 지점을 지연시켜 조정할 수 있으며, 제어된 수은 아크 밸브가 인버터에서 활성 스위칭 요소를 형성하여 직류를 교류로 변환할 수 있다.
밸브를 비전도 상태로 유지하기 위해 그리드에 몇 볼트 또는 수십 볼트의 음의 바이어스가 인가된다. 결과적으로 캐소드에서 방출된 전자는 그리드에서 캐소드 쪽으로 반발되어 애노드에 도달하는 것을 방지된다. 그리드에 작은 양의 바이어스가 인가되면 전자는 그리드를 통과하여 애노드 쪽으로 이동하며 아크 방전을 시작하는 과정이 시작될 수 있다. 그러나 아크가 일단 설정되면 그리드 작용으로 멈출 수 없는데, 이는 이온화에 의해 생성된 양의 수은 이온이 음전하를 띤 그리드로 끌어당겨져 효과적으로 중화되기 때문이다. 전도를 멈추는 유일한 방법은 외부 회로가 전류를 (낮은) 임계 전류 미만으로 떨어뜨리도록 강제하는 것이다.
그리드 제어 수은 아크 밸브는 3극 진공관 밸브와 표면적으로 유사하지만, 수은 아크 밸브는 아크를 유지하는 데 필요한 임계 전류보다 훨씬 낮은 극히 낮은 전류 값에서는 앰프로 사용할 수 없다.
애노드 등급 전극.
수은 아크 밸브는 전압이 음극일 때 밸브가 역방향으로 전도되는 아크 백(또는 백파이어)이라는 현상에 취약하다. 아크 백은 밸브에 손상을 주거나 파괴할 수 있으며, 외부 회로에 높은 단락 전류를 발생시키고, 고전압에서 더 많이 발생한다. 백파이어로 인한 문제의 한 예는 1960년 글래스고 북부 교외 철도 전철화 이후 여러 사고로 인해 증기 서비스가 다시 도입되어야 했던 경우이다. 수년 동안 이 효과는 수은 아크 밸브의 실용적인 작동 전압을 몇 킬로볼트로 제한했다.
해결책은 애노드와 제어 그리드 사이에 등급 전극을 포함하고 외부 저항기-축전기 분배기 회로에 연결하는 것이었다. 우노 람 박사는 1930년대와 1940년대에 걸쳐 스웨덴 ASEA에서 이 문제에 대한 선구적인 연구를 수행했으며, 이는 1954년 본토 스웨덴에서 고틀란드섬으로 연결되는 20 MW, 100 kV HVDC 링크에 처음으로 실용적인 수은 아크 밸브를 적용하는 결과로 이어졌다.
우노 람의 고전압 수은 아크 밸브 연구로 그는 "HVDC의 아버지"로 불리게 되었으며 IEEE는 HVDC 분야의 뛰어난 공헌을 기리기 위해 그의 이름을 딴 상을 제정했다.
이러한 유형의 등급 전극을 가진 수은 아크 밸브는 150 kV의 전압 정격까지 개발되었다. 그러나 등급 전극을 수용하는 데 필요한 키가 큰 자기 기둥은 캐소드 전위의 강철 탱크보다 냉각하기가 더 어려웠으므로 사용 가능한 전류 정격은 애노드당 약 200–300 A로 제한되었다. 따라서 HVDC용 수은 아크 밸브는 종종 4개 또는 6개의 애노드 컬럼이 병렬로 연결되어 구성되었다. 애노드 컬럼은 항상 공랭식이었고, 캐소드 탱크는 수냉식 또는 공랭식이었다.
회로.
단상 수은 아크 정류기는 AC 전압이 극성을 바꿀 때 전류가 떨어지고 아크가 소멸될 수 있었기 때문에 거의 사용되지 않았다. 단상 정류기에 의해 생성된 직류는 따라서 전력 공급 상용 주파수의 두 배인 주파수에서 변동하는 구성 요소(리플)를 포함했는데, 이는 DC의 많은 응용 분야에서 바람직하지 않았다. 해결책은 2상, 3상 또는 6상 AC 전원 공급 장치를 사용하여 정류된 전류가 더 일정한 전압 수준을 유지하도록 하는 것이었다. 다상 정류기는 또한 공급 시스템의 부하를 균형 있게 분배하여 시스템 성능 및 경제성 측면에서 바람직하다.
정류기용 수은 아크 밸브의 대부분의 응용 분야는 각 상에 대해 별도의 애노드 쌍을 가진 전파 정류를 사용했다.
전파 정류에서는 AC 파형의 양쪽 절반이 활용된다. 캐소드는 DC 부하의 + 측에 연결되고, 다른 측은 접지 또는 대지에 대해 항상 0 전위를 유지하는 변압기 2차 권선의 중간 탭에 연결된다. 각 AC 상에 대해 해당 상 권선의 각 끝에서 나온 전선은 수은 아크 정류기의 별도 애노드 "암"에 연결된다. 각 애노드의 전압이 양이 되면 캐소드에서 수은 증기를 통해 전도되기 시작한다. 각 AC 상의 애노드는 중앙 탭 변압기 권선의 반대쪽 끝에서 공급되므로, 하나는 항상 중앙 탭에 대해 양의 전위를 가지며 AC 파형의 양쪽 절반이 부하를 통해 한 방향으로만 전류를 흐르게 한다. 전체 AC 파형의 이러한 정류를 전파 정류라고 한다.
삼상 교류와 전파 정류를 사용하면 6개의 애노드를 사용하여 더 부드러운 직류를 제공한다. 삼상 작동은 두 애노드가 동시에 전도될 수 있게 하여 변압기의 효율을 향상시키고 더 부드러운 DC 전류를 제공할 수 있다. 작동 중에 아크는 가장 높은 양의 전위(캐소드에 대해)를 가진 애노드로 이동한다.
HVDC 애플리케이션에서는 일반적으로 완전파 삼상 브리지 정류기 또는 그레츠 브리지 회로가 사용되었으며, 각 밸브는 단일 탱크에 수용되었다.
1920년대에 저전압 정류용 금속 정류기가 보급되면서 수은 아크 튜브는 고전압, 특히 고전력 응용 분야에 국한되었다.
수은 아크 밸브는 대규모 산업용 교류를 직류로 변환하는 데 1960년대까지 널리 사용되었다. 응용 분야에는 노면전차, 전기 철도용 전원 공급 장치, 대형 라디오 송신기용 가변 전압 전원 공급 장치가 포함되었다. 수은 아크 변환소는 1950년대까지 도시 중심부의 기존 토머스 에디슨식 DC 전력망에 DC 전력을 공급하는 데 사용되었다. 1960년대에는 고체 실리콘 장치, 즉 처음에는 다이오드와 그 다음에는 사이리스터가 수은 아크 튜브의 모든 저전력 및 저전압 정류 응용 분야를 대체했다.
뉴 헤이븐 EP5와 버지니안 EL-C를 포함한 여러 전기 기관차는 입력을 AC에서 견인 모터 DC로 정류하기 위해 이그니트론을 탑재했다.
수은 아크 밸브의 마지막 주요 사용처 중 하나는 HVDC 전력 전송이었는데, 1970년대 초까지 많은 프로젝트에 사용되었다. 여기에는 뉴질랜드 북섬과 남섬 사이의 HVDC 인터아일랜드 링크와 킹스노스 발전소에서 런던으로 연결되는 HVDC 킹스노스 링크가 포함된다. 그러나 약 1975년부터 실리콘 장치가 HVDC 응용 분야에서도 수은 아크 정류기를 거의 쓸모없게 만들었다. 잉글리시 일렉트릭이 제작한 역대 최대 수은 아크 정류기는 150 kV, 1800 A 정격이었으며, 2004년까지 넬슨 강 DC 송전 시스템 고전압 DC 전력 전송 프로젝트에 사용되었다. 인터아일랜드 및 킹스노스 프로젝트의 밸브는 4개의 애노드 컬럼을 병렬로 사용했고, 넬슨 강 프로젝트의 밸브는 필요한 전류 정격을 얻기 위해 6개의 애노드 컬럼을 병렬로 사용했다. 인터아일랜드 링크는 수은 아크 밸브를 사용한 마지막 HVDC 전송 시스템이었다. 2012년 8월 1일에 공식적으로 폐기되었다. 뉴질랜드 시스템의 수은 아크 밸브 변환소는 새로운 사이리스터 변환소로 대체되었다. 유사한 수은 아크 밸브 시스템인 HVDC 밴쿠버 아일랜드 링크는 2014년에 3상 AC 링크로 대체되었다.
수은 아크 밸브는 일부 남아프리카 공화국 광산과 케냐(기술 몸바사 폴리테크닉 – 전기 및 전자 부서)에서 여전히 사용되고 있다.
수은 아크 밸브는 런던 지하철의 DC 전력 시스템에 광범위하게 사용되었으며, 2000년에도 벨사이즈 파크역의 폐쇄된 심층 방공호에서 두 개가 작동하는 것이 관찰되었다. 더 이상 대피소로 필요하지 않게 된 후, 벨사이즈 파크와 다른 여러 심층 대피소는 특히 음악 및 텔레비전 아카이브를 위한 안전한 저장소로 사용되었다. 이로 인해 굿지 스트리트역 대피소의 수은 아크 정류기는 "으스스한 빛" 때문에 외계인 뇌로 등장하는 닥터 후의 초기 에피소드에 등장하게 되었다.
오클랜드의 교통 기술 박물관(MOTAT)은 여전히 수은 아크 밸브를 사용하여 방문객을 두 지점 사이로 태우는 노면전차에 전력을 공급한다.
뉴질랜드 왕거누이의 더리 힐 엘리베이터는 수은 아크 밸브를 사용하여 AC 전력을 DC로 변환하고 전기 모터에 전력을 공급하며, 이 엘리베이터는 도시 대중교통 네트워크의 일부이며 매일 승객을 운송한다.
특수 유형의 단상 수은 아크 정류기에는 이그니트론과 이 있다. 엑시트론은 위에 설명된 다른 유형의 밸브와 유사하지만 밸브가 전류를 전도하지 않는 반주기 동안 아크 방전을 유지하기 위해 여자 애노드의 존재에 결정적으로 의존한다. 이그니트론은 전도가 시작될 때마다 아크를 점화하여 여자 애노드를 사용하지 않는다. 이런 방식으로 이그니트론은 제어 그리드의 필요성도 피한다.
1919년, "전화 및 전신 백과사전 1권"이라는 책은 수은 정류관에서 자기장을 사용하여 아크를 변조하는 전화 신호용 앰프를 설명했다. 이는 상업적으로 중요하지 않았다.
수은 화합물은 독성이 강하고 환경에 오래 남아 있으며 인간과 환경에 위험을 초래한다. 깨지기 쉬운 유리 엔벨로프에 많은 양의 수은을 사용하는 것은 유리 전구가 깨질 경우 수은이 환경으로 방출될 잠재적 위험을 야기한다. 일부 HVDC 변환소는 서비스 수명 동안 방출된 수은 흔적을 제거하기 위해 광범위한 청소가 필요했다. 강철 탱크 정류기는 종종 진공 펌프를 필요로 했으며, 이는 지속적으로 소량의 수은 증기를 방출했다.
세라믹 공명기 또는 세라믹 리소네이터(ceramic resonator)는 두 개 이상의 금속 전극이 부착된 압전기 세라믹 재료 조각으로 구성된 전자 부품이다. 전자 발진 회로에 연결되면, 장치 내의 공명 기계적 진동이 특정 진동수의 진동 신호를 생성한다. 유사한 수정 발진자와 마찬가지로, 컴퓨터 및 기타 디지털 논리 장치의 타이밍을 제어하는 데 사용되는 클럭 신호를 생성하거나, 아날로그 무선 송신기 및 수신기에서 캐리어 신호를 생성하는 등의 목적으로 발진기에 사용된다.
세라믹 공명기는 높은 안정성의 압전기 세라믹, 일반적으로 기계적 공명기 역할을 하는 지르콘산티탄산납 (PZT)으로 만들어진다. 작동 중에는 재료의 압전기로 인해 기계적 진동이 부착된 전극에 진동 전압을 유도한다. 세라믹 기판의 두께가 장치의 공명 주파수를 결정한다.
일반적인 세라믹 공명기 패키지는 두 개 또는 세 개의 인출선을 가지고 있다. 두 개의 핀 장치는 일반적으로 공명기 자체인 반면, 세 개 또는 때로는 네 개의 핀 장치는 필터이며, 종종 AM 및 FM 방송 라디오뿐만 아니라 다른 많은 RF 애플리케이션에 사용된다. 다양한 풋프린트를 가진 표면 실장형 및 스루홀 변형으로 제공된다. 진동은 두 핀(연결부)을 가로질러 발생한다. 세 번째 핀(있는 경우; 일반적으로 중앙 핀)은 접지에 연결된다.
세라믹 공명기는 주파수 정확도가 중요하지 않은 마이크로프로세서와 같은 디지털 회로의 클럭 신호 소스로 사용될 수 있다. 석영은 0.001%의 주파수 허용 오차를 갖는 반면, PZT는 0.5%의 허용 오차를 갖는다.
TV, VCR, 자동차 전자 장치, 전화, 복사기, 카메라, 음성 합성기, 통신 장비, 리모컨 및 장난감과 같은 다양한 응용 분야의 타이밍 회로에 사용된다. 세라믹 공명기는 낮은 비용과 작은 크기 때문에 전자 회로에서 기준 클럭 또는 신호 발생기로 석영 수정 대신 자주 사용된다.
달성 가능한 낮은 Q와 높은 주파수 범위는 TCXO, 온도 보상 수정 발진기 사용에 유리할 수 있다. 발진기의 주파수는 높은 Q 결정보다 더 넓은 범위에서 "당겨질" 수 있다. 이는 더 넓은 범위의 조정을 허용하며, 이는 결정 자체의 온도-주파수 의존성이 원하는 주파수에 대한 당겨질 수 있는 범위를 벗어날 수 있는 극한(특히 저온) 온도에서 작동하는 장치에서 중요할 수 있다.
세라믹 필터.
세라믹 공명기는 세라믹 필터와 비슷하게 생겼다. 세라믹 필터는 초헤테로다인 수신기의 IF 단계에서 자주 사용된다. 원래 세라믹 필터는 방송 라디오 수신기를 위한 매우 저렴한 필터로 사용되었는데, 455kHz의 일반적인 IF를 가진 중파 세트와 10.7MHz 정도의 IF 단계를 가진 FM 방송 세트 모두에서 사용되었다. 그러나 성능이 크게 향상됨에 따라 다른 많은 RF 애플리케이션에서도 사용된다.
네덜란드 속담 (Netherlandish Proverbs, )은 플랑드르 속담(Flemish Proverbs), 파란 망토(The Blue Cloak) 또는 뒤바뀐 세상(he Folly of the World, The Topsy Turvy World)이라고도 불리는데, 1559년 대 피터르 브뤼헐이 그린 유화로, 사람과 동물, 사물로 네덜란드어 속담과 관용구를 묘사하는 장면을 담고 있다.
브뤼헐의 그림에 반복적으로 등장하는 주제로, 이 작품에도 나타나는 것은 인간의 터무니없음, 사악함, 어리석음이다. 원래 제목인 파란 망토 또는 세상의 어리석음은 브뤼헐의 의도가 단순히 속담을 묘사하는 것이 아니라 인간의 어리석음을 나열하기 위함임을 나타낸다. 브뤼헐이 바보들을 묘사하기 위해 사용했던 특징적인 무표정한 얼굴로 사람들을 묘사한다.
그의 아들 소 피터르 브뤼헐은 아버지의 작품을 모사하는 것을 전문으로 했으며, 네덜란드 속담의 사본을 최소 16점 그렸다. 아버지 또는 아들이 그린 모든 그림이 정확히 동일한 속담을 보여주는 것은 아니며, 다른 사소한 세부 사항에서도 차이가 있다. 대 브뤼헐의 원작은 베를린 회화관에 소장되어 있으며, 사본들은 다른 여러 컬렉션에 소장되어 있다(아래 참조).
속담은 브뤼헐 시대와 그 이전부터 매우 인기가 많았다. 브뤼헐의 그림이 그려지기 100년 전부터 속담 삽화는 플랑드르의 시도서에서 많이 나타난 소재이다. 네덜란드 르네상스 인문주의자 데시데리우스 에라스무스의 아다지아를 포함한 여러 속담집이 출판되었으며, 프랑스 작가 프랑수아 라블레는 1564년에 완성된 그의 소설 가르강튀아와 팡타그뤼엘에서 상당수의 속담을 사용했다.
1558년경 플랑드르 예술가 프란스 호헨베르흐는, 브뤼헐의 그림과 거의 같은 시기에 43개의 속담을 묘사한 인그레이빙 판화를 제작했다. 이 작품은 브뤼헐의 그림과 구성이 매우 유사하며, 네덜란드 속담에도 두드러지게 나타나는 특정 속담(예: 간통한 여자가 남편의 눈에 띄지 않게 뒤집어 쓴다는 뜻의 "파란 망토")을 포함한다. 두 예술가 모두 농촌을 배경으로 속담을 문자적으로 묘사함으로써 "뒤바뀐 세상"을 보여주었다.
브뤼헐 자신도 &lt;큰 물고기가 작은 물고기를 먹는다&gt; (1556)와 &lt;12개의 속담&gt; (1558)을 포함하여 속담을 주제로 한 여러 작품(주로 판화와 드로잉)을 제작했지만, 네덜란드 속담은 이 주제에 대한 그의 첫 번째 대형 유화로 여겨진다.
이 그림(1559년 작)은 한때 대 피터르 브뤼헐의 작품으로 귀속되었던 유사한 모든 그림 시리즈 중 최고로 평가 받았으며, 밑그림이 있는지 엑스레이 조사를 거쳐 다른 버전과 비교하였다. 모든 버전에서 19세기 후반 이전의 출처를 확인할 수 있는 증거는 나오지 않았지만, 브뤼헐 학자들은 이 그림들이 대 브뤼헐의 창작물이며, 모두 베를린 버전에 사용된 것과 동일한 밑그림이 있는 실물 크기 밑그림을 사용한다고 믿고 있다. 이 그림들은 따로 기록이 없기 때문에 관람자가 직접 속담을 추측해야 한다. 1558년 및 그 이전에 플랑드르어로 비문이 새겨진 판화들을 근거로 속담을 추측할 수 있다. 그림과 관련하여 가장 주목할 만한 것은 1558년 작 프란스 호헨베르흐의 판화로, 'Die blau huicke is dit meest ghenaemt, maer des weerelts abvisen he beter betaempt'(영어: 'The Blue Cloak'이라고 불리지만, 'The World's Follies'라고 부르는 것이 더 적절하다)라는 제목이 붙어 있다. 두테쿰 형제는 1577년에 'De Blauwe Huyck'이라는 판화 시리즈를 제작했다. 테오도르 갈레도 나중에 'Dese wtbeeldinghe wort die blauw hvyck genaemt, maer deze werelts abvysen haer beter betaemt'라는 유사한 제목의 판화를 제작했다.
속담과 관용구.
비평가들은 질서정연한 묘사와 통합된 장면을 높이 평가했다. 이 장면에는 약 126개의 식별 가능한 속담과 관용구가 있지만, 언어 변화로 인해 알 수 없는 다른 속담도 포함되어 있을 수 있다. 일부 속담은 여전히 널리 사용되고 있는데, 예를 들어 "흐름을 거슬러 헤엄치기", "벽에 머리 박기", "무장한 상태" 등이 있다. 하지만 이제는 사용되지 않는 속담들 때문에 그림 분석이 쉽지 않다. 예를 들어 "지붕을 타르트로 덮기"는 모든 것이 풍부하다는 의미로, 브뤼헐이 나중에 그린 목가적인 코케뉴의 땅 (1567)이라는 그림에 다시 등장한다.
원래 제목인 파란 망토는 그림 중앙에 있으며, 간통한 아내가 남편에게 망토를 씌워주는 장면으로, 남편을 속인다는 의미이다. 다른 속담들은 인간의 어리석음을 나타낸다. 한 남자가 송아지가 죽은 후에 연못을 메운다. 파란 망토를 두른 남자 중앙 위에는 또 다른 남자가 바구니에 햇빛을 담아 나른다. 일부 인물들은 두 가지 이상의 비유적 표현을 나타내는 것으로 보이는데 (이것이 브뤼헐의 의도였는지는 알 수 없음), 예를 들어 그림의 왼쪽 아래 중앙에서 양털을 깎는 남자와 그 옆의 돼지 털을 깎는 남자이다. 이는 "하나는 양털을 깎고 다른 하나는 돼지 털을 깎는다"는 표현을 나타내며, 한쪽이 다른 쪽보다 유리하다는 의미이지만, "털은 깎되 가죽을 벗기지 마라"는 조언, 즉 자산을 최대한 활용하라는 의미일 수도 있다.
T. E. 브라이튼바흐의 1975년 그림 속담들은 이 네덜란드 그림에서 영감을 받아 영어 속담과 관용구를 묘사했다.
2014년 홍콩 잡지 패션 타임즈의 삽화는 수십 개의 광둥어 속담을 묘사하고 있다.
이 그림은 플릿 폭시스의 동명 첫 정규 앨범 (2008) 표지에 등장한다.
컴퓨터 과학에서 추상 해석(abstract interpretation)은 순서 집합, 특히 격자에 대한 단조함수를 기반으로 하는 컴퓨터 프로그램의 의미론의 건전한 근사 이론이다. 이는 모든 계산을 수행하지 않고도 컴퓨터 프로그램의 의미론(예: 제어 흐름, 데이터 흐름)에 대한 정보를 얻는 부분적인 실행으로 볼 수 있다.
주요 구체적인 적용 분야는 정적 분석, 즉 컴퓨터 프로그램의 가능한 실행에 대한 정보를 자동으로 추출하는 것이다. 이러한 분석에는 두 가지 주요 용도가 있다.
추상 해석은 1970년대 후반 프랑스 컴퓨터 과학자 부부인 파트릭 쿠소와 라디아 쿠소에 의해 형식화되었다.
이 섹션에서는 현실 세계의 비-컴퓨팅 예시를 통해 추상 해석을 설명한다.
회의실에 있는 사람들을 생각해 보자. 미국 사회 보장 번호와 같이 방에 있는 각 사람에 대한 고유 식별자가 있다고 가정한다. 누군가가 참석하지 않았음을 증명하려면 해당 사회 보장 번호가 목록에 없는지 확인하기만 하면 된다. 두 명의 다른 사람이 같은 번호를 가질 수 없으므로 단순히 번호를 찾아봄으로써 참가자의 존재 여부를 증명하거나 반증할 수 있다.
그러나 참석자의 이름만 등록되었을 수도 있다. 만약 목록에서 사람의 이름이 발견되지 않으면, 그 사람이 참석하지 않았다고 안전하게 결론내릴 수 있지만, 만약 발견된다면 동형동음이의어의 가능성(예: 존 스미스라는 두 사람) 때문에 추가 조사 없이 확실히 결론내릴 수는 없다. 이 부정확한 정보는 실제로는 동형동음이의어가 드물기 때문에 대부분의 목적에 여전히 적절할 것이다. 그러나 엄격하게 말하면, 우리는 누군가가 방에 있었다고 확실히 말할 수 없다. 우리가 말할 수 있는 것은 그들이 여기에 있었을 수도 있다는 것뿐이다. 우리가 찾고 있는 사람이 범죄자라면 우리는 경보를 발령할 것이다. 그러나 물론 오경보를 발령할 가능성도 있다. 유사한 현상이 프로그램 분석에서도 발생할 것이다.
만약 우리가 "방에 formula_1세인 사람이 있었는가?"와 같은 특정 정보에만 관심이 있다면, 모든 이름과 생년월일 목록을 유지할 필요는 없다. 우리는 참가자들의 나이 목록을 유지하는 것으로 안전하게 그리고 정확도 손실 없이 제한할 수 있다. 만약 이것도 처리하기에 너무 많다면, 가장 어린 사람의 나이 formula_2과 가장 나이 많은 사람의 나이 formula_3만 유지할 수도 있다. 질문이 formula_2보다 엄격히 낮거나 formula_3보다 엄격히 높은 나이에 관한 것이라면, 그러한 참가자는 참석하지 않았다고 안전하게 답변할 수 있다. 그렇지 않으면, 우리는 모른다고만 말할 수 있을 것이다.
컴퓨팅의 경우, 구체적이고 정밀한 정보는 일반적으로 유한한 시간과 메모리 내에서 계산할 수 없다(라이스의 정리 및 정지 문제 참조). 추상은 질문에 대한 일반화된 답변을 허용하는 데 사용된다(예: 예/아니오 질문에 "아마도"라고 답변하는 것은 "예 또는 아니오"를 의미하며, 이는 (추상 해석 알고리즘이) 정확한 답변을 확실하게 계산할 수 없을 때 사용된다). 이것은 문제를 단순화하여 자동 솔루션에 적합하게 만든다. 한 가지 중요한 요구 사항은 문제를 관리 가능하게 만들면서도 중요한 질문("프로그램이 충돌할 수 있는가?")에 답변하기에 충분한 정밀도를 유지할 만큼 충분한 모호성을 추가하는 것이다.
컴퓨터 프로그램의 추상 해석.
프로그래밍 또는 명세 언어가 주어지면, 추상 해석은 추상화 관계로 연결된 여러 의미론을 제공하는 것으로 구성된다. 의미론은 프로그램의 가능한 동작에 대한 수학적 특성이다. 프로그램의 실제 실행을 매우 밀접하게 설명하는 가장 정밀한 의미론을 구체적 의미론이라고 한다. 예를 들어, 명령형 프로그래밍 언어의 구체적 의미론은 각 프로그램에 대해 생성할 수 있는 실행 추적 집합을 연관시킬 수 있다. 실행 추적은 프로그램 실행의 가능한 연속 상태의 시퀀스이며, 상태는 일반적으로 프로그램 카운터와 메모리 위치(전역 변수, 스택 및 힙)의 값으로 구성된다. 그런 다음 더 추상적인 의미론이 파생된다. 예를 들어, 실행에서 도달 가능한 상태의 집합(유한 추적의 마지막 상태를 고려하는 것과 같다)만 고려할 수 있다.
정적 분석의 목표는 어떤 시점에서 계산 가능한 의미론적 해석을 도출하는 것이다. 예를 들어, 정수 변수를 조작하는 프로그램의 상태를 변수의 실제 값을 잊고 부호(+, − 또는 0)만 유지함으로써 표현할 수 있다. 곱셈과 같은 일부 기본 연산의 경우 이러한 추상화는 정밀도를 잃지 않는다. 곱의 부호를 얻으려면 피연산자의 부호를 아는 것으로 충분하다. 다른 일부 연산의 경우 추상화는 정밀도를 잃을 수 있다. 예를 들어, 피연산자가 각각 양수와 음수인 합의 부호를 아는 것은 불가능하다.
때로는 의미론을 결정 가능하게 만들기 위해 정밀도 손실이 필요하다(라이스의 정리 및 정지 문제 참조). 일반적으로 분석의 정밀도와 결정 가능성(계산 가능성) 또는 다루기 쉬움(계산 비용) 사이에는 절충이 필요하다.
실제로 정의된 추상화는 분석하고자 하는 프로그램 속성과 대상 프로그램 집합 모두에 맞춰진다. 추상 해석을 사용한 컴퓨터 프로그램의 첫 대규모 자동화된 분석은 1996년 아리안 5호 로켓의 첫 비행을 파괴한 사고로 인해 동기가 부여되었다.
구체적 집합이라고 불리는 순서 집합 formula_6과 추상 집합이라고 불리는 또 다른 순서 집합 formula_7이 있다고 하자. 이 두 집합은 한 집합에서 다른 집합으로 요소를 매핑하는 전사 함수를 정의하여 서로 관련된다.
함수 formula_8는 구체적 집합 formula_6의 요소 formula_10를 추상 집합 formula_7의 요소 formula_12로 매핑하는 경우 추상화 함수라고 불린다. 즉, formula_7의 요소 formula_12는 formula_6의 formula_10의 추상화이다.
함수 formula_17는 추상 집합 formula_7의 요소 formula_19를 구체적 집합 formula_6의 요소 formula_21로 매핑하는 경우 구체화 함수라고 불린다. 즉, formula_6의 요소 formula_21는 formula_7의 formula_19의 구체화이다.
formula_26, formula_27, formula_28, formula_29를 순서 집합이라고 하자. 구체적 의미론 formula_30는 formula_26에서 formula_27로의 단조함수이다. formula_28에서 formula_29로의 함수 formula_35는 formula_28의 모든 formula_19에 대해 formula_38가 성립하면 formula_30의 유효한 추상화라고 불린다.
프로그램 의미론은 일반적으로 루프 또는 재귀 프로시저가 있을 때 고정점을 사용하여 설명된다. formula_6이 완비 격자이고 formula_30가 formula_6에서 formula_6로의 단조함수라고 가정하자. 그러면 formula_44를 만족하는 모든 formula_19는 타르스키 고정점 정리에 따라 존재하는 formula_30의 최소 고정점의 추상화이다.
이제 이러한 formula_19를 얻는 것이 어렵다. 만약 formula_7이 유한 높이를 가지거나, 적어도 사슬 조건을 만족한다면(모든 오름차순 시퀀스가 궁극적으로 정지한다면), 이러한 formula_19는 formula_50 ( formula_7의 최소 요소)와 formula_52로 귀납적으로 정의된 오름차순 수열 formula_53의 정지 한계로 얻을 수 있다.
다른 경우에는 확장 연산자()를 통해 그러한 formula_19를 얻는 것이 여전히 가능하다. 이 연산자는 이진 연산자 formula_55로 정의되며 다음 조건을 만족한다.