初心者が作った真空管の説明

３極管の働き

２極管の説明にもありましたが、カソードとヒータのものとフィラメントのものが出てきました。カソードとヒータのものは、傍熱型、フィラメントのものは直熱型と呼びます。このフィラメントのものは、２極管と３極管に見られ、それ以上の多極管には私の知る限りヒータのタイプしか見られません。しかし、実際には４、５極管も存在していたようです。
フィラメントは、タングステンで作られており、普通の電球と同じですが、明るくするのではなく、熱するのが目的です。
ヒーターと呼ばれるものは絶縁されたニクロム線でできています。やはり目的は、熱して熱電子を作る目的です。

３極管は、２極管にグリッドという電極を入れたものです。このグリッドは殆どが網状か、螺旋状になっています。ヒター、カソード又はフィラメント、グリッドそしてプレートと極数が３つになります。
ここで、余談・・・最近知ったことですが、現在学校では、乾電池の電気記号が同じ太さの短長の線で表されています。私の時代はマイナスはデブ短線で、プラスは細長線でした。抵抗機も長方形です。いつ頃から変わったのでしょう。それに円周率も３.１４でなく、ただの３です。

　　３極管は、グリッドとという電極が追加されています。ヒーター電圧、プレート電圧を一定にして、グリッドの電圧を変化させたらどうなるでしょうか。ただし、グリッドにはプレートとは違いマイナス電圧を加えます。

　上記の図のように、それぞれグリッドに加える電圧を変えてみると、それに伴いプレート電流が変化します。ということは、２極管で行ったようにプレート電圧を変化させるより、かなり効率が良いことが分かります。このように、３極管はグリッドの電圧で、自由にプレート電圧を調整できるという特徴を持っています。
このグリッド電圧をグラフのａ点から更に少しずつ上げていくと、一定の所までは、直線的に下がってきます。ところが、ある特定の所、このグラフではｂ点となりますが、今度は綺麗な湾曲を描くようになり、更に上げていくと０になってしまいます。この０になったｃ点のことをカットオフといいます。つまり、プレート電流が０になることです。また、グラフの直線の部分では、グリッド電圧とプレート電流が正比例しています。増幅に使用するのには通常、このａからｂの範囲で使用するように設計します。
では、３極管で何をするかということですが・・・３極管はグリッドの電圧により、自由にプレート電圧を調整できるという特徴を持つことから、このグリッドから何か音源となるものを入力してみます。たとえばＣＤプレーヤーとか・・・

　このように、電流などを大きく変化させることを増幅作用といいます。検波と整流しかできなかった２極管に対し、３極管が作られてからは増幅もできるようになり、ラジオなどが進歩したと考えられます。勿論、放送局の方も大変だったことでしょう。
左記回路図は、原理的回路ですが、定数どおり部品等を取り付ければ、音が出る訳です。
　実際は真空管を数本使い何回か増幅して音を出すように設計されています。

　真空管を正常に働かせる為には、フィラメントにかけるＡ電源、プレートにかけるＢ電源、それとグリッドにマイナスの一定した電源を供給しなければなりません。これをグリッド・バイアスといいます。良くバイアスを深くとか、浅くして使用する。ということを聞きます。
また、同じ球でもグリッドバイアスにより性能(増幅率など)が大きく変わります。これは、使用する真空管の動作点を移動させることができるからです。直線部分で使用すればＡ級増幅、カーブ内ではＢ級増幅、カットオフで使用すればＣ級増幅といわれます。

　電流などを大きく変化させることを増幅作用という訳ですが、これが私自身も電流変化が何故に増幅？？と悩んだ訳です。でもなんとなく分かったような分からないような・・
左図のような特性の球、例えば－２Ｖのバイアス電圧が必要な球に、あと－５Ｖの電圧を加えたとすると、プレート電流は比例していますから、２ｍＡ流れていたものが、バイアス電圧が－７Ｖになったことで、プレート電流が７ｍＡとなります。これが増幅です。？？？やっぱりピンときません。

では、プレートに入れてある抵抗、負荷抵抗といいますが、これを１０KΩとします。プレート電流が２ｍAとすると、この抵抗の両端に掛かる電圧は？、オームの法則で求められます。電圧を(Ｅ)とします。
　　　　　○プレート電流２ｍAのとき
　　　　　　　　Ｅ＝10000Ω×0.002A＝20(V)となります。
　　　　　○プレート電流７ｍAのとき
　　　　　　　　Ｅ＝10000Ω×0.007A＝70(V)となります。
成る程・・・電圧が増えています。増幅率は、７Ｖが７０Ｖになったということだから、１０倍増えたということになる訳です。下記図をご参考下さい。

　このように、増幅回路には、負荷抵抗を大きくして高い電圧を取り出すような電圧増幅回路と呼ばれるもの、そして低い負荷抵抗で電流を取り出す回路があります。これは、電力増幅回路といいます。

４極管の働き

　３極管の次には４極管が現れました。これは、新たにグリッドをもうひとつ入れたものです。何処に入れたかというと３極管を例にとると、今まであったグリッドとプレートの間に入れた格好になります。この時前からあるグリッドと後から設けたグリッドを区別する為にそれぞれ名前が付けられました。元からあるグリッドを「制御格子(コントロールグリッド)」後から入れたものを「遮蔽格子(スクリーングリッド)」といいます。
　この後からのグリッドはどうして入れたのかというと、３極管は低周波増幅には適していたようです。ところが、このグリッドとプレートの間でコンデンサーのような役割をしてしまい発振などが懸念されていました。うまく作動しなかったのでしょう。そこで、この発振を止める為にグリッドを追加し発振を防止しようと入れたものと思います。
しかし、放射電子にとっては、邪魔なグリッドが入ったので電子がプレートまで届きにくなった訳です。そこで、このグリッドにも同じようにＢ電圧を加えることにより、増幅率も上がるという訳です。

ただ、このグリッドにＢ電圧を加えただけだと、コンデンサーの役割を防止するどころか、プレートが２つ入った恰好になってしまうので、アースをしなくてはなりません。Ｂ電圧を加え、更に発信などを防止する為にアースも必要です。そこで、コンデンサーを用いてアースする訳です。ただ、このタイプの４極管はスクリーングリッド４極管と呼ばれ、低周波増幅に適しているようです。このような書き方をするともうひとつあるのではないかと思われる方もいると思います。実はそうなのです。
　もうひとつのタイプはスペースチャージ４極管(空間電荷格子４極管)というもので、３極管でいえば、今まであるグリッドのフィラメント寄り、すなわちスクリーングリッド４極管とは逆です。
３極管のフィラメント周りには、空間電荷が発生しやすく、次から次へと出てくる電子を妨害します。この空間電荷を打ち消す為に入れたものです。このタイプは電子を効率良く引き出すので、Ｂ電圧が低くて済むというメリットがあります。　

　　４極管は、Ｂ電圧が低くて作動することから、ポータブルラジオによく使われたようですが、５極管が開発されてからは、あまり使われなくなりました。というより、ポータブルはトランジスターになっていったという方が正解かもしれません。
しかし、４極管も１部を除き、５極管の方が性能、使いやすさから、必然的に消えていったのでしょう。ラジオ用真空管、ＴＶ用もトランジスターの出現により、４極管のように消え去る運命なのでしょう。私も含め、極一部のマニアの方が趣味としているだけだと思います。ただ、一部のオーディオ用の真空管は、未だに外国で製造されています。但しとても高価です。

５極管の働き

５極管の内部、各極へ接続の様子

　４極管の次には５極管が現れました。４極管は、スクリーングリッドを入れ、グリッド(Ｇ)とプレート(Ｐ)の間に電気容量を打ち消していました。しかし、スクリーングリッド(ＳＧ)には高電圧をかけてある為、カソードからの電子が激しく飛び出し、ＳＧをくぐり抜け勢いよくＰにぶつかり、この勢いで、Ｐの金属板から別の電子がはじき出される現象が起こりました。これを二次電子と呼びます。
　この二次電子がくせ者で、後から来る電子がＰに引きよせられるのを邪魔してしまうことが判りました。この現象により、真空管の動作が不安定になってしまう訳です。

そこで、この二次電子を吸収する別のものが必要になり、Ｐの側に新たにサプレッサー・グリッドと呼ばれるものを追加し、安定に動作するようになりました。５極管の誕生です。
　これらの改善により、５極管は非常に安定した働きをし、増幅率も一挙に３００倍に達するものまで現れました。

多極管の働き

　更に、５極管より極数の多い真空管が現れました。５極管より極数の多いものを多極管と呼びます。
　代表的なものは、５球スパーに使われる６ＷＣ５というコンバート用真空管があります。これは、実際７極あります。この球にはコントロールグリッドが２つ入っています。
　各々のコントロールグリッドは、互いに邪魔されないように配置されていて、それぞれに信号を入れることが出来ます。そして、出口はひとつです。ということは、混合された信号が取り出せるという訳です。効率の良い便利な球が生まれたものです。

変わった３極管　マジック・アイ

　３極管の中で、少し変わったものがあります。それは、マジック・アイと呼ばれる３極管で、何に使われるかというと、主にはスーパーの同調点を調べる目的で使われます。

　このマジック・アイは構造が特殊で、真空管の頭にどんぶりのような形をしたものが付いています。この部分に、蛍光物質が塗られており、ここに電子がぶっかって光る。というものです。この光る部分のことをターゲット陽極といいます。更にプレートに接続されている電子制御電極により、カソードからの電子が方向を変えられ、光るところが多くなったり少なくなったりするという仕組みです。変化させる電圧は、グリッドからの入力に伴いプレート電圧が変化する。というのを３極管のところで説明したと思います。

　このマジック・アイを同調回路に組み込んで電波の強さや、同調したかを目で見ることが出来るわけです。現代はＬＥＤ（発光ダイオード）が主流です。管球ラジオにＬＥＤも面白いかも？
　中央にはカソードの灯りが見えないように、キャップが付いています。中には、飾りを付けて、わざと灯りを見えるようにしたものもあります。
　また、このマジック・アイを２つ組み込んだ双マジック・アイもあります。

写真は、6GE12AというＧＴ管の双マジック・アイです。
　この球は２組分み込まれていますから、パラ接続でも良いし、またステレオアンプのレベル計としても面白いかもしれません。ＧＴ管は、ＳＴ管のものに比べ、全長が短くなっています。

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