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진공관의 구조와 작용 운영자 2003/03/12

수신관의 진공용기는 유리로 된 것이 많고 간혹 금속용기로 된 것도 있다. 초기에는 백열전구와 비슷한 것이었으며, 라디오와 텔레비전의 보급에 따라 ST관에서 GT관, 다시 MT관으로 소형화되었다.

송신관은 수신관보다 취급하는 전력이 커서 모양도 크게 만들어졌으며, 구조적으로도 수신관과는 달리 수냉·강제공냉 방식 등의 냉각계통을 부가하고 있다. 내부 구조는 음극과 양극, 그리드로 구성된다.

음극은 전자를 방출하는 것으로 열에 의한 전자방출, 빛에 의한 전자방출, 강(强)전기장에 의한 방출, 2차전자에 의한 방출 등 여러 형태의 음극이 있다. 수신관이나 송신관에는 주로 열전자방출방식을 사용한다.

송신관의 음극은 녹는점이 높은 금속으로 텅스텐이나 소량의 토륨을 첨가한 텅스텐을 사용하고, 수신관은 산화물 음극이라고 하는 것으로, 니켈과 같은 금속 위에 산화바륨을 발라 낮은 온도에서도 전자방출이 쉽도록 하고 있다.

음극의 모양은, 초기에는 필라멘트 모양의 산화물 음극이 많이 사용되었으나(直熱型), 후에는 산화물을 바른 니켈을 원통형으로 하여 이 속에 히터를 설치한 방열형이 많이 사용되었다. 수신관의 그리드는 니켈이나 몰리브덴의 가느다란 선을 지지물에 감아서 원형·타원형(저주파용)·평면형(고주파용) 등의 형태로 하였다.

양극은 니켈 등의 표면을 흑화(黑化)하여 열복사를 좋게 하는 구조로 만들었다. 송신관의 그리드는 구리합금·몰리브덴 등을 나선형·메시(mesh)형으로 하고, 양극은 수냉·강제공랭 등의 구조로 하여 방열대책을 세우고 있다.

진공관의 작용은 다음과 같다.

1. 정류작용 : 음극으로부터 방출된 전자가 양극이 음극보다 높은 전위일 때 양극으로 흘러가는 것을 이용하여 양극에 교류를 가해, 양극이 양(陽)일 때만 전류가 흐르게 되어 교류가 직류로 변환되는 현상을 말한다(2극관의 경우).

2. 증폭작용 : 3극관은 음극과 양극 사이에 그리드를 설치한 것이다. 이 그리드는 음극 가까이 설치하므로 양극전류에 대한 영향은 양극에 가해진 전위보다 훨씬 효과적이다.

그리드 전위를 음극보다 낮은 전위(-의 전위)로 해도 양극전위에 높은 전위를 가하는 경우에 전류가 흐르는데, 이때 그리드 전위를 약간 변화시키면 양극전류가 민감하게 변화되어 양극전위의 큰 변화와 같은 효과를 얻게 된다. 진공관의 결점인 양극과 제어그리드 사이의 정전용량을 감소시킨다.

그러므로 4극관은 고주파증폭에 적합하다. 5극진공관은 4극관에서 발생되는 2차전자를 억제하기 위해 양극과 차폐그리드 사이에 억제그리드를 삽입하여 고주파증폭에 사용하는데 본질적인 증폭작용은 같다.

3. 발진작용 : 적당히 선정된 동조회로를 매개로 하여 3극관의 양극과 그리드를 결합하면 동작회로에 따라 어떤 주파수를 발진하게 된다. 초단파 등에서는 보통의 진공관은 사용할 수 없어서 특수하게 만든 마그네트론·클라이스트론 등의 진공관으로 발진을 행한다.

4. 주파수 변환작용 : 제어그리드에 어떤 주파수의 고주파전압을 가하고, 또 다른 그리드에 다른 고주파전압을 가하면 두 전극에는 이 두 주파수의 차에 해당하는 주파수의 전압이 얻어진다. 이것을 주파수변환이라고 한다. 슈퍼헤테로다인(superheterodyne) 수신기에서 고주파를 중간주파수로 변환시킬 때 사용한다.

5. 스위칭 작용 : 2개의 그리드에 서로 다른 신호전압을 가해서 두 신호가 서로 양이 되었을 때 전류가 흐르도록 하는 작용으로 초기 전자계산기의 논리동작에 이용하였다.

이 밖에도 여러 가지의 구조나 작용 등이 있으나 근래에는 트랜지스터·집적회로(IC) 등의 반도체소자에 밀려나서 거의 사용되지 않고 있는데, X선관, 텔레비전용의 브라운관, 레이더용의 브라운관, 대형송신관 등 특수 용도의 진공관은 아직도 사용되고 있다. 앞으로 특수용도의 것도 점차 반도체소자로 대치되어 가므로 완전히 없어질 날도 멀지 않다.


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