四極真空管
英国ロンドンの高真空管会社Hivacは、1935年8月に一連の電力出力四極管を導入した。これは、J・H・オーウェン・ハリーズの臨界距離効果を利用して、プレート電圧-プレート電流特性のダイナトロン領域を排除した。臨界距離管は、プレート二次電子のプレートへの空間電荷帰還を利用した。臨界距離四極管の特徴的な物理的特性は、大スクリーングリッドからプレートまでの距離と楕円グリッド構造であった。スクリーングリッドからプレートまでの距離が大きいと、プレート電位がスクリーングリッドの電位よりも低い場合に、プレートの二次電子をプレートに戻すための低電位空間電荷の形成が促進される。楕円グリッドは、制御グリッド電圧による増幅係数への影響を低減するために、制御グリッド支持棒をカソードからより遠くに配置することを可能にした。ゼロおよび負電圧の制御グリッド電圧では、制御グリッド支持棒と制御グリッドは、カソードからの電子流を180度離れた空間電流の2つの主要な領域に形成し、プレート円周の2つの広いセクターに向ける。
四極管は、その開発のもととなった三極管と同様の方法で機能する。ヒーターまたはフィラメントを流れる電流がカソードを加熱し、熱電子放出によって電子を放出する。正の電圧がプレートとカソードの間に印加され、カソードから2つのグリッドを通過してプレートに電子が流れる。制御グリッドに印加される電圧を変化させることで、この電流が制御され、したがってプレート電流の変動を引き起こす。プレート回路に抵抗性またはその他の負荷があると、変化する電流によってプレートの電圧が変化する。適切なバイアスを使用すると、この電圧は、制御グリッドに印加される電圧が増幅された(ただし反転された)状態になり、電圧利得が得られる。
四極管では、もう1つのグリッドの機能は四極管の設計意図によって違ってくる。これについては以下で説明する。
バイグリッド型の四極管では、両方のグリッドが電気信号を運ぶことを目的としているため、両方とも制御グリッドである。英国で最初に登場した例は、HJRoundによって設計されたMarconi-OsramFE1で、1920年に発売された。この真空管は、同じ真空管がRFアンプ、AFアンプ、およびダイオード検出器の複数の機能を実行する反射回路(たとえば、単一真空管のシップレシーバーType91)で使用することを目的としていた。RF信号は1つのコントロールグリッドに適用され、AF信号はもう1つのコントロールグリッドに適用された。このタイプの四極管は、スクリーングリッド真空管が登場して受信機の設計に革命が起こる前の時代に、多くの想像力豊かな方法で使用されていた。
1つのアプリケーションを図に示する。これは、第2グリッドとプレートが電力発振器を形成し、第1グリッドが変調電極として機能するAM電話送信機として認識できる。真空管のプレート電流、つまりRF出力振幅は、カーボンマイクロフォンから得られるグリッド1の電圧によって変調される。
これは真空管の通常の動作モードである。
したがって、スクリーングリッド真空管のプレート特性は、三極管の特性とはまったく異なる。プレート電圧がスクリーングリッドの電圧よりも低い場合、ダイナトロン領域または四極管キンクと呼ばれる独特の負性抵抗特性がある。スクリーングリッド電圧よりも高いプレート電圧での低勾配のほぼ定電流領域も、三極管の領域とは著しく異なり、スクリーングリッド管の増幅器としての動作に有用な領域を提供する。デバイスが生成できる電圧ゲインが大幅に向上するため、勾配が小さいことは非常に望ましいことである。初期のスクリーングリッド真空管は、同等の三極管の50倍以上の増幅係数(つまり、相互コンダクタンスとプレートスロープ抵抗Raの積)を持っていた。通常の動作範囲でのプレート抵抗が高いのは、スクリーングリッドの静電遮蔽作用の結果である。これは、プレートによる電界が制御グリッド領域に浸透するのを防ぐためである。プレート電圧が高いときは電子電流を増やし、低いときは減らす。
四極管の負性抵抗動作領域は、負性抵抗発振器の一例であるダイナトロン発振器で利用される(イーストマン、p431)。