Электроника:Полупроводники/Электронные лампы/История электронных ламп – с чего всё началось

Содержание

Теория

Практика

Проверка знаний

Рецепты

Эксперименты

Резерв

Резерв

Резерв

Резерв

Перевод: Макаров В. (valemak)

Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.

История электронных ламп – с чего всё началось

Томасу Эдисону, плодовитому американскому изобретателю, часто приписывают изобретение лампы накаливания. Если точнее, то можно сказать, что Эдисон был человеком, который не изобрёл, а усовершенствовал лампу накаливания. На самом деле ещё аж за 77 лет до успешного проекта Эдисона британский учёный сэр Хамфри Дэви впервые продемонстрировал принцип использования электрического тока для нагрева тонкой металлической полосы (называемой «нитью накала») до точки накала (когда раскалённая полоска испускает белый свет).

Эдисон преуспел в том, что поместил нить накала (сделанную из карбонизированной швейной нити) в прозрачную стеклянную колбу, из которой откачан воздух. В вакууме раскалённая добела нить светилась, не сгорая при этом:

Рис. 1. Первая лампа Эдисона.

В ходе своих экспериментов (примерно в 1883 году) Эдисон поместил полоску металла внутрь вакуумированной (или просто вакуумной) стеклянной колбы вместе с нитью накала. Между этой металлической полосой и одним из соединений нити накала он прикрепил чувствительный амперметр. И обнаружил, что электроны проходят через измеритель всякий раз, когда нить накала горячая, но при этом движение носителей заряда прекращается, когда нить остывает:

Рис. 2. Лампа Эдисона с добавленной в вакуумную колбу полоской металла.

Раскалённая добела нить в лампе Эдисона высвобождает свободные электроны в вакуумное пространство лампы, и эти электроны попадают на металлическую полоску, затем следуют через гальванометр и возвращается обратно к нити накала. Заинтригованный этим эффектом Эдисон подключил к цепи гальванометра довольно высоковольтную батарею, обеспечивая малый ток:

Рис. 3. Для усиления тока в цепь добавлен дополнительный источник питания.

Разумеется, наличие батареи создавало гораздо больший ток от нити накала к металлической полоске. Однако, если полярность аккумулятора была развёрнута, тока было мало или не было вовсе!

Рис. 4. Если полярности основного и дополнительного источника питания развёрнуты «навстречу» друг другу, то в цепи не наблюдается ток.

Фактически, Эдисон в ходе своих изысканий изобрёл диод! Увы, он не разглядел практической пользы от подобного устройства и продолжил дальнейшие усовершенствования конструкции лампы.

Односторонний поток электронов в этом устройстве (известный как эффект Эдисона) оставался физической диковинкой до тех пор, пока Дж. А. Флеминг не поэкспериментировал с его использованием в 1895 году. Флеминг продавал своё устройство как «клапан», положив начало совершенно новой области исследований электрических цепей. Ламповые диоды – и «клапаны» Флеминга в том числе – не способны выдерживать большие токи, поэтому изобретение Флеминга было непрактичным для любого применения в сети переменного тока, и годилось разве что для управления небольшими электрическими сигналами.

Затем, в 1906 году, другой изобретатель по имени Ли де Форест начал экспериментировать с «эффектом Эдисона», пытаясь понять, что ещё можно выудить из этого странного явления. При этом он сделал поразительное открытие: поместив металлический экран между светящейся нитью накала и металлической полосой (которая к тому времени приняла форму пластины с большей площадью поверхности), поток электронов, перетекающий от нити накала к пластине, мог регулироваться приложением небольшого напряжения между металлическим экраном и нитью накала:

Рис. 5. Аудион де Фореста.

Де Форест назвал сеткой этот металлический экран между нитью накала и пластиной. Током между нитью и пластиной управляла не только величина напряжения между сеткой и нитью накала, но и полярность. Отрицательное напряжение, приложенное к сетке относительно нити накала, блокировало естественный поток электронов, тогда как положительное напряжение увеличивало поток. Хотя через сетку проходил некоторый ток, он всегда был очень маленьким; намного меньше, чем ток, протекающий через пластину. Возможно, наиболее важным было открытие, что небольшие значения для напряжения сетки и силы тока сетки оказывают влияние на гораздо большую величину напряжения пластины (по отношению к нити накала) и силу тока пластины. Добавив сетку к «клапану» Флеминга, тем самым де Форест сделал клапан регулируемым: теперь он функционировал как усилительное устройство, благодаря которому небольшой электрический сигнал мог управлять большим количеством электричества.

Ближайшим полупроводниковым эквивалентом лампы-аудиона и всех её более современных ламповых эквивалентов является n-канальный МОП-транзистор D-типа. Это устройство, управляемое напряжением, с большим коэффициентом усиления по току.

Назвав свое изобретение «аудион» (сейчас более известное как триод), де Форест энергично применял его для бурно развивающихся в то время коммуникационных технологий. В 1912 году он продал права на свою лампу-аудион в качестве усилителя телефонного сигнала «Американской телефонно-телеграфной компании» (сейчас это всемирно известная корпорация «AT&T Inc.»), которая сделала междугородную телефонную связь практичной и удобной. В следующем году он продемонстрировал использование аудиона для генерации высокочастотных сигналов переменного тока. В 1915 году он совершил выдающийся подвиг, передав голосовые сообщения по радио из Арлингтона, штат Вирджиния, в Париж, а в 1916 году открыл первую радиопередачу новостей. Такие достижения принесли де Форесту титул «отца радио» в Америке.

Рис. 6. Лампа де Фореста в радиоприёмнике.