진공관 물리학 5

접촉전위

두개의 서로 다른 금속을 접촉시키면 전압 차가 발생한다.  이 현상이 모든 전지와 써머카풀이 동작하는 기본 원리이다. 이 전위차는 두 금속내의 전자들의 에너지 수준이 다른 데에서 기인하고 이를 두 금속의 접촉전위라 부른다.  이는 전자 방출을 결정해 주는 일 함수와 비슷한 이유다.  물론 둘은 같은 것은 아니다.  이 원리는 두 금속이 서로 접촉하지 않은 경우에도 적용된다.  이 경우 두 사이에 전계가 생성된다.  따라서 통상적으로 각각 닉켈과 바리움/스트론티움 산화물로 만들어 지는 그릿드와 캐소드 사이에도 약간의 접촉전위가 존재한다.  이것이 실효 그릿드 전압을 변경시킨다.  이 접촉전위는 보통 0.5V 이하이다.

이동시간

전자가 캐소드를 떠나 풀레이트에 도달하는 데에는 유한한 시간이 걸릴 것이다.  이 시간을 주행시간(Transit Time)이라고 부르는데 때때로 오디오에 관련된 여러 현상들을 설명하는데 이용되기도 한다.  주행시간 혹은 이동시간은 진공관이 VHF나 UHF 기기들에 사용되기 시작했을 때 실제적으로 참으로 중요하게 되었고 궁극적으로는 진공관이 유용하게 사용될 수 있는 최고의 주피수 (대략 1-2GHz)를 제한하는 요인이 되었다.  캐소드에서 풀레이트 까지의 이동시간은 대략 1 ns 정도로 계산할 수 있는데 오디오 주파수대 에서는 명백히 무시해도 좋다.

 

8.  다극관

4극관

증폭소자로는 3극관이 가장 먼저 개발되었다.  그러나 라디오 주파수대에서 3극관은 Miller 효과 때문에 치명적인 단점이 있다.  Miller 효과로 인해  흔히 쓰이는 캐소드 접지 증폭회로는 실효 입력 용량을 크게 만든다.  4극관은 이 문제를 피하가 위해 개발되었다.  3극관의 그릿드 (제어 그릿드)와 풀레이트 사이에 또 다른 그릿드 (스크린 그릿드)를 삽입한 것이다.  이 그릿드에는 풀레이트 전압과 비슷한 전압을 걸어주지만 교류적으로 (따라서 높은 주파수에 대해)는 바이패스 캪을 통해 접지시킨다.   결과 적으로 이 그릿드는 정전 차폐의 역할을 하여 제어 그릿드와 풀레이트 간의 전기 용량을 대폭적으로 감소시킨다.

스크린 그릿드의 이차적인 효과는 전류의 흐름에 풀레이트 전압의 영향을 대폭 감소시킨다는 점이다.  이는 캐소드가 풀레이트로부터 하나가 아닌 두개의 그릿드로 차폐되어 있어 차폐효과가 배가 되어 있기 때문이다.  

결과적으로 4극관의 풀레이트 특성은 그림 11의 오른 쪽에 보인 것처럼 매우 평평하다.  이는3극관에 비해 매우 높은 풀레이트 저항에 해당한다. 캐소드로부터 나온 전류의 일부는 풀레이트가 아닌 스크린 그릿도로 흘러 들어 간다. 그 전류 비율은 스크린 그릿드의 실드 계수와두 전극의 상대적 전압차이에 따라 달라진다.  이는 그릿드에 양전압이 걸린 3극관의 동작상태와 비슷하고 통상 10-25% 정도이다. 

불행하게도 실제 응용에서 4극관은 심각한 문제를 일으킨다.  그림 11의 왼쪽 부분에서 볼 수 있듯이 낮은 풀레이트 전압에서 4극관은 지극히 비 직선적이다.  이는 풀레이트로 부터의 2차 전자방사에 기인한다.  스크린 그릿드 전압이 풀레이트 전압보다 높아지면 고 에너지의 1차 전자들이 플레이트를 강타해서 발생된 2차 전자들은 풀레이트가 아닌 스크린 그릿드로 끌리게 된다. 이는 3극관에서 2차전자들이 풀레이트로 귀환하는 것과는 대조된다.  그 결과 4극관은 낮은 풀레이트 전압이 일어날 수 없는 회로 응용에만 적용된다.  이런 이유로 1930년 이후 간단한 4극관은 고출력 송신관 이외에는 사용되지 않아왔다. 2차대전 후 소형 4극관은 대량으로 생산된 사례가 없다.

 

5극관

4극관에서 발생되는 문제의 해결책은 제 3의 그릿드를 풀레이트와 스크린 그릿드 사이에 설치하는 것이다.  써프레스 그릿드로 불리는 이 전극은 항상 캐소드에 연결되어 있고 스크린 그릿드나 풀레이트의 관점에서 부의 전압이 걸려있는 셈이 된다. 이렇게 해서 두 전극으로부터 방사된 2차 전자들은 전극간의 상대적 전압차이에 관계 없이 그들의 원래 출발점으로 그들을 되돌려 주는 전계를 만나게 된다.  이로서 2차 전자 방사의 문제는 제거되었다.  

써프레서 그릿드는 전류의 흐름에 별 영향이 없다.  이는 전자들이 이 그릿드에 도착할 즈음에는 이미 스크린 그릿드에 의해 충분히 가속되어 있기 때문에 이들은 단순히 써프레서 그릿드를 지나가 버린다.   약간의 감속은 있겠지만 접지된 써프레서 그릿드는 이들을 정지시키지 못한다.

5극관에서  풀레이트로부터 캐소드는 3개의 그릿두로 격리되어 있기 때문에 전류의 흐름에 대한 캐소드의 영향은 미미하다.  

결과적으로 5극관의 풀레이트 특성은 4극관 보다도 더 평평하다.

(그림 11) 풀레이트와 스크린 그릿드 전류(UY224)

빔 4극관

빔관에서는 제 3의 그릿드를 삽입하는 제조 공정상의 복잡성을 피하면서 2차 전자 방사의 문제를  회피하는 또 다른 방법을 취하고 있다.   만일 스크린 그릿드와 풀레이트 간의 거리가 충분히 넓다면 이 지역의 전자의 흐름으로 인한 공간 전하는 실제 전극이 없이도 전압이 상당히 낮아 진다는 사실이 1930년대에 발견되었다.  이것이 바로 빔 4극관의 기본 원리이다.  이 지역의 낮아진 전위는 써프레서 그릿드와 같은 역할을 하여 2차 전자들을 그들이 왔던 곳으로 되돌리고 극간 전류의 효과를 피할 수 있게 한다.

이런 효과가 실제에서 작동하기 위하여는 3가지 조건이 필요하다.  첫째 전자의 흐름은 좁은 빔 속으로 국한되어 있어야 한다.  그렇지 않으면 공간전하가 풀레이트와 나란하게 퍼지게 되어 효력이 상실된다.  이는 캐소드에 연결된, 주의  깊게 형태를 갖추어 만든 빔 판을 스크린 그릿드와 풀레이트 사이의 양쪽의 전자 통로에 설치함으로서 해결한다.  둘째, 전자의 흐름은 깨끗한 판 모양으로 형성 되어야 한다.  이를 위해서는 제어 그릿드와 스크린 그릿드 선이  정렬되어 있어야 한다.  뚯밖에도이는 제조 공정상 그리 큰 문제가 아니다.  마지막으로 전극의 크기와 간격은 정밀하게 계산해서 조립해야 한다.

5극관과 빔 관은 그 동작에 대한 자세한 내용에 약간의 차이가 있지만 실제 응용상에서 이들은 동등하게 취급할 수 있다.  진정으로 제조 업체에 따라서 동일한 관을 빔관으로 만들기도 하고 5극관으로 만들기도 한다.  예를 들면 EL84/6BQ5는 빔관으로 만들어졌기도 하였고 5극관으로 만들어 졌기도 였다.

역자 주: 진공관 개발사에서 6L6은 한 획을 그은 진공관이라고 한다.  여기에 비해 KT88은 6L6의 두배 정도로 “쎈” 진공관이라고 할 수 있다.  그러나 주로 수평출력관으로 쓰이는 6LW6, 6LF6 (40W급) 혹은 30W급의 6JE6 (이 관은 350W출력을 가진 맥킨토쉬 3500 출력관이다) 도 KT88보다 더 “쎈” 진공관의 특성을 보인다.  

이 부류 중 가장 “쎈” 관이 6LW6 (26LW6, 36LW6)이다.

싱호 콘닥탄스의 측면에서 보면 

6L6은  6mA/V,  6JE6은 10.5 mA/V, 6550은 11mA/V, 6LW6은 12mA/V, 8417은 23mA/V 이다.  

(끝)