真空管

実際に真空管を動作させるためには大抵200V以上の電圧が必要で、陰極加熱用のヒーター電源(多くは5Vか6.3V)が別に必要となる。

構造上で、フィラメントから直接電子を放出させる直熱管と、電子放出用の電極(カソード)と加熱用ヒーターを分離させた傍熱管という区別がある。

種類としては、まず電極数で分類される。二極から八極くらいまで作られていた。

• 二極真空管(二極管) ダイオード
• 三極真空管(三極管) トライオード
• 四極真空管(四極管) テトロード
• 五極真空管(五極管) ペントード
• 六極真空管(六極管) ヘキソード
• 七極真空管(七極管) ヘプトード
• 八極真空管(八極管) オクトード

一般的な二極管・三極管の他に、三極管を改良した四極管・五極管・ビーム四極管、特殊用途の七極管がある。

また、一つの管に複数の電極を入れ、一本で二本分の働きをする複合管もある。

• 双三極管
• 三極五極管

真空管の技術を応用した特殊な電子管に、次のようなものがある。

• クライストロン
• ジャイロトロン
• X線管
• X線イメージインテンシファイア管

真空管の主な外形名に、年代の古い順から次のようなものがある。

• S管 (ナス型。ナス管)
• ST管 (だるま型)
• GT管 (管の太さが均一なタイプ)
• MT管 (頭に突起があるタイプ。小型。ミニチュア管)

真空管は熱陰極を使用して放射電流を得る。

具体的には、陰極(カソード)となるフィラメントをヒーターで加熱すると熱電子が放出され、それが陽極(アノード)であるプレートへと達する。これはつまりプレートからフィラメントに電流が生じたことになる。

真空管の設計にもよるが、概ね2種類から3種類の電源が必要となり、各々で電圧も異なる。

• A電源 ‐ ヒーター用電源 6V程度
• B電源 ‐ プレート用電源 45Vや67.5Vなど
• C電源 ‐ グリッド用電源 0V〜6V程度

A電源とC電源は同じ電圧で使える(ことが多い)が、B電源だけは特別で、高い電圧が必要となる。

グリッド電圧は0Vから6V程度まで変化させる。このグリッド電圧を上げると、プレート電圧はその数倍の勢いで減少する。つまり、増幅作用があったことになる。

一方、グリッド電圧を変えてもカソード電圧はほぼ変動がない。これをカソードフォロワーといい、トランジスタではエミッタフォロワーに相当する。バッファーとして使う場合は、ここから電流を取り出す。

誕生の経緯は、1883(明治16)年にアメリカの発明家トーマス・エジソンが「エジソン効果」と呼ばれる現象を発見したことに端を発する。

これは電球の中に金属板(プレート)を入れると、高温のフィラメントから電子が飛び出すことで、プレートとフィラメント間に電圧をかけると電流が流れるというもの。

高温になっていないと電子は飛び出さないので、逆方向には流れない。これをそのまま利用して整流などに使えるようにした「二極真空管」が 1904(明治37)年にイギリスの電気工学者フレミングの手によって誕生した。

その2年後の1906(明治39)年、プレートとフィラメントの間にグリッドという金網状の電極を入れ、これに負の電圧をかけて変化させると、プレート‐フィラメント間の電流を大きく変化させられることを発見し、初めての増幅作用を持つ素子「三極真空管」が誕生した。これはアメリカの発明家リー・ド・フォレストの手による。

真空管誕生後、その増幅作用を利用した各種回路方式が次々と発明され、電子工学の夜明けを迎えることとなった。

現在トランジスタ回路やIC内部で採用されている基本的な回路方式の殆どは、この真空管時代に考え出されたものである。真空管は後に半導体素子に取って代わられることになるが、1970年代初頭(昭和40年代中半)までは各種機器に第一線で使われた。

初期のコンピューターは真空管を何千本も使って作られていた。コンピューター用に設計された真空管も存在する。