радіотехніка, що Бурхливо розвивається, почала 20 століття вимагала більш довершених і стабільних в роботі конструкцій детекторів. У цьому напрямі працювали учені в різних країнах світу. Великому винахідникові Т.А. Едісону (Thomas Alva Edison, 11.02.1847-18.10.1931) не вдалося стати першим в створенні системи радіозв'язку, але, не дивлячись на це, багато його відкриттів і винаходи дали поштовх до створення найважливіших пристроїв, що сприяли просуванню радіотехніки вперед, зокрема, вакуумного діода.
Мал. 1. А.Флеминг період проведення досліджень "Ефекту Едісона", 1699 р.
І не випадково колишньому консультантові едісоновськой компанії в Лондоні "Edison Electric Light Company" з 1882 р. по 1895 р. Джону Амброзу Флемінгу (John Ambrose Fleming, 22. 11. 1849-18. 04. 1945), мал. 1, прийшла думка провести ретельне дослідження "ефекту Едісона" і, грунтуючись на отриманих результатах, створити "Вентиль Флемінга" (по англ. Fleming's Valve, valve переводиться з англ. як вентиль, клапан). "Вентиль Флемінга" - таку назву мала двоелектродна електронна лампа на початку 20 століття. Даний пристрій отримала назва вентиля, тому що воно володіло здатністю пропускати електричний струм тільки в одному напрямі.
У вітчизняній літературі частіше зустрічається назва "Вентиль Флемінга", хоча іноді зустрічається і інша назва - "Пустотний клапан". Ця електронна лампа відкрила еру радіоелектроніки, галузі, заснованій на використанні електронних потоків для цілей радіозв'язку.
.
Мал. 2. Ескіз-завдання Т. Эдисона для експерименту 1. 13 лютого 1660 р.
В 1879 році під час випробування перших досвідчених партій вакуумних електричних ламп з вугільною ниткою какала особливу увагу Т. Эдисона привернув один дефект ламп - почорніння внутрішньої поверхні скляної колби. Воно безпосередньо визначалося тривалістю експлуатації лампи. Потрібно відмітити, що в газонаповнених лампах з вольфрамовою ниткою напруження цей дефект майже не помітний, і невідомо, не попадися Т. Эдисону лампа з вугільною ниткою, відбулося б відкриття ефекту його імені чи ні? Після спостережень Т. Эдисон припустив, що почорніння є наліт найдрібніших частинок вугілля, які відірвалися від нагрітої нитки напруження і мають негативний заряд.
При цьому виявилось, що у гілки U-образно зігнутої нитки напруження, сполученої з позитивним електродом батареї живлення, утворюється вузька світліша смужка. Виходило, що одна гілка нитки екранувала іншу. З цього виходило, що якщо в скляну колбу ввести додатковий електрод, сполучений з плюсом батареї, то він повинен буде притягати негативно заряджені частинки. Вже 13 лютого 1880 р. по ескізах Т. Эдисона була виготовлена лампа з додатковим електродом - мал. 2.
Дивно, але ескіз лампи зі вставленим вверху лампи над ниткою напруження дротом, тобто додатковим електродом, був прототип майбутнього електронного приладу - двоелектродної лампи [1].
.
Напевно не відоме, чи почав тоді свої досліди Т. Эдисон чи ні; Відоме одне, що великий винахідник повернувся до дослідів з цією лампою тільки 5 червня 1882 року. Електрод спочатку був шматком дроту, який потім був замінений металевою пластиною. Великий винахідник виявив, що якщо цей електрод був сполучений через гальванометр з позитивним кінцем нитки, то через вимірювальний прилад протікав електричний струм. Якщо ж електрод був сполучений з негативним кінцем, то ніякого струму не було. Крім того, було відмічено, що величина протікаючого струму залежить від ступеня розігрівання нитки. Це відбулося в першій половині 1883 року.
Відкрите явище було назване "ефектом Едісона". Не знайшовши належного пояснення відкритому явищу, Т. Эдисон детально його описав і почав працювати над його практичним використанням. До цього його підштовхнула одна особливість лампи з додатковим електродом: при зміні напруги живлення нитки какала відбуваються коливання сили струму в ланцюзі гальванометра, сполученого з електродом. Т. Эдисон побудував на електричній лампі з додатковим електродом високочутливий індикатор зміни напруги і 15 листопада 1883 року подав на нього патентну заявку, сподіваючись в майбутньому на його комерційний успіх. Хоча прилад і не набув широкого поширення, але він не був забутий.
У першу світову війну його використовували для регулювання генераторної напруги в радіоапаратурі літаків.
.
Мал. З. Лампа Т.Эдиоона з додатковим електродом у вигляді пластини.
Мал. 4. Схема електричного індикатора з патенту Ni 307031 Т.Эдисона. 21 жовтня 1864 р.
После цього Т. Эдисон виготовив електричну лампу з додатковим електродом мал. 3 [2] і відправив її на ту, що відкрилася 2 вересня 1884 р. Міжнародну електротехнічну виставку у Філадельфії, і більше не займався цією проблемою. 21 жовтня 1884 Т. Эдисон отримав патент 307 031 на "електричний індикатор" (Electrical Indicator), мал. 4. Небагато пізніше, приєднавши окрему батарею до анода, виконаного у вигляді круглого диска, два викладачі гімназії в німецькому місті Вольфенбуттеле Юліус Ельстер (J. Elster, 24. 12. 1854-8. 04. 1920) і Ганс Гейтель (Н. Geitel, 16. 07. 1855-15. 08.
1923) показали однонаправлений характер протікаючого електричного струму, що є, як потім виявилось, термоелектронну емісію електронів. Про електрон тоді ще не було нічого відомо, він був відкритий Дж. Томсоном набагато пізніше, тільки в 1897 році. Протягом подальших двадцяти років ефект Едісона вивчався багатьма ученими.
.
Амброз Флемінг дізнався про ці експерименти від Уїльяма Хаммера, службовця компанії Едісона, який знаходився в Лондоні для контролю будівництва Палацу Едісона на Лондонській Виставці 1882 року. У цьому ж році А. Флеминг був запрошений в компанію Едісона як консультант, одночасно залишаючись професором електричних досліджень в королівському коледжі Лондонського Університету. У коледжі А. Флеминг провів ряд експериментів, пов'язаних з "ефектом Едісона". Він відмітив, що при виході з ладу електричної лампи скляну судину змінює колір.
Задавшись питанням, чому скляний балон стає темним, він провів дослідження і виявив, що у багатьох тривало працюючих ламп є лінія на склі, яка не міняє колір. Це було подібно до сліду, залишеного пальцем руки, проведеного по закопченому склу. Світла лінія розташовувалася напроти розігрітої нитки і повторювала її форму. Виходило, що скло балона є своєрідним екраном, на який проектуються частинки, що вилітають з нагрітої нитки напруження. Учений припустив, що частинки є молекули вуглецю. Небагато пізніше він встановив, що ці частинки заряджені негативно.
Згодом виявилось, що ці частинки є ні що інше як електрони. 26 травня 1883 р. А. Флеминг за наслідками досліджень представив доповідь а Фізичне Суспільство Лондона під назвою "Явище молекулярної радіації в лампах, що світилися".
.
В 1884 році А. Флеминг зробив поїздку в США, щоб зустрітися з своїм братом, що проживає до Нью-Джерсіа, а також ознайомитися з лабораторією Т. Едісона. Едісон показав А. Флемингу експеримент з електричний лампою, що містить всередині металевий електрод, чим його дуже здивував. Американський винахідник також розповів англійцеві про свої безуспішні спроби використовувати цей пристрій для регулювання електричного струму, що протікає в електричних освітлювальних мережах. Під час поїздки А. Флеминг дізнався про відкриття В. К. Рентгена (27. 03. 1845-10. 11. 1923). Ця звістка спонукала його знову зайнятися "ефектом Едісона".
Результати цього етапу досліджень були викладені у статті "Подальше дослідження ефекту Едісона в лампах розжарювання" (A Further Examination of the Edison Effect in Glow Lamps), опублікованою в липневому номері журналу "Philosophical Magazine" за 1886 р.
.
В 1888 році А. Флеминг отримав декілька спеціальних ламп з вугільними нитками напруження, зроблених Т. Эдисоном в США і сером Джозефом Сваном (Sir Joseph Swan) в Англії, і провів з ними серію нових експериментальних досліджень. Лампи містили нитки напруження, які були "зігнуті подібно до підкови", а в стороні від них знаходився металевий електрод у вигляді трубочки. З'єднавши цей електрод з мінусом батареї напруження, він відмітив, що бомбардування наелектризованих частинок не відбувається.
Дослідник також звернув увагу і на те, що якщо металевий електрод виконаний у вигляді пластини і сполучений з плюсом накальной батареї, то залежно від його розташування щодо нитки напруження змінюється інтенсивність потоку частинок. Змінюючи форму електроду, він зігнув металеву пластину у вигляді циліндра і розташував його таким чином, що нитка напруження опинилася усередині нього. З'єднавши металевий циліндр з плюсовим електродом, він виявив, що в цьому випадку гальванометр показує найбільший електричний струм порівняно з іншими типами і положеннями електродів, мал. 5. Для А.
Флемінга стало ясне, що металевий циліндр з позитивним потенціалом здатний уловлювати наелектризовані частинки, які вилітають з розігрітої нитки напруження. Він прийшов до висновку, що пристрій, що складається з нитки напруження і металевої пластини, може бути використаний як випрямляч не тільки змінних струмів, використовуваних в промисловості, але також і високочастотних струмів, використовуваних в радіо, мал. 6.
.
Мал. 5. Пристрій двоелектродної пампи Л.Флеминга.
Мал. би. Процес детектування на двухзлектродной пампе.
В 1899 р. А. Флеминг стає технічним радником компанії Marconi і бере участь в роботах за проектом Poldhu, передачею сигналу через Атлантичний океан. Він розробив для цих цілей передавальну апаратуру, яку потім встановили в Корнуолле (Англія). 12 грудня 1901 року відбулася радіопередача кодового знаку Азбуки Морзе "S" через Атлантичний океан за допомогою устаткування, побудованого А. Флемінгом. На острові Ньюфаундленд Гульельмо Марконі приймав сигнал на дротяну антену, підняту високо в небо паперовим змієм (за іншими джерелами - повітряною кулею). До цих пір йде суперечка про те, чи дійсно Р.
Марконі на примітивний радіоприймач з когерером прийняв сигнал, посланий передавачем з Англії, або за сигнал були прийняті атмосферні розряди? Ймовірно, що саме після аналізу проведеного експерименту, А. Флеминг прийшов до висновку, що великою перешкодою для подальшого збільшення дальності радіозв'язку є мала чутливість приймальної радіоапаратури. У цей період часу радіоприймачі будувалися в основному з використанням когерера. Думка про заміну когерера чутливішим пристроєм примусила його включитися в пошуки кращого індикатора радіохвиль.
Одного разу, під час роботи з хімічними детекторами він пригадав про лампу Едісона з додатковим електродом і подумав: "А чом би не спробувати застосувати лампу?"
.
Для реалізації висловленої ідеї він побудував два коливальні контури: один з двома лейденськими банками (конденсаторами) і котушкою індуктивності, а інший - такий же, але з підключеними до нього двома двоелектродними лампами і гальванометром. Обидва контури було налаштовано на одну частоту. Згодом А. Флеминг згадував: "Це було близько 5 годин увечері, коли споруда радіопристроїв була закінчена. Я, звичайно, більше всього прагнув щонайшвидше все перевірити, не втрачаючи часу. Як тільки в лабораторії ми встановили два контури на деякій відстані один від одного, я почав створювати коливання в першому контурі.
До мого захоплення, я побачив, що стрілка гальванометра вказала стійке пряме проходження струму, а звідси і вирішення проблеми випрямляння високочастотних бездротових струмів за допомогою спеціальної електронної лампи. Необхідна деталь для радіозв'язку була "знайдена". Це була електронна лампа!
.
Вентиль Флемінга - перша радіолампа
Віктор Пестріков, Санкт-Петербург
(закінчення)
Я відразу побачив, що металева пластина повинна бути замінена металевим циліндром, що оточує всю нитку, щоб збирати всі електрони, що прилітають до нього. У мене було багато ламп, що містять вугільні нитки напруження і металеві циліндри, які використовувалися для випрямляння високочастотних струмів бездротової телеграфії.
Цей інструмент я назвав "клапан коливань" (oscillation valve). Було відразу встановлено, що в бездротовій телеграфії дзеркальний гальванометр можна замінити звичайним телефоном, коли для бездротової телеграфії використовується система іскр. У такому вигляді, тобто як індикатор бездротових хвиль, телеграфна компанія Марконі найчастіше використовувала мій клапан".
Мал. 7. Загальний вид однієї з реальних конструкцій "Вентиля Флемінга". Жовтень 1904
Двоелектродна лампа А. Флеминга була скляним балоном з упаяною в нижній його частині ниткою розжарення, навколо якої розташовувався додатковий електрод у вигляді металевого циліндра, мал. 7. Усередині балона тиск повітря складало 0,01 мм рт. ст. Циліндр отримав назву "анод", а нитка напруження - "катод". Основне призначення своєї лампи А. Флеминг бачив в ролі демодулятора, тобто у виділенні низькочастотного сигналу, чутного людським вухом, з модульованого сигналу високої частоти. Винахід був запатентований у Великобританії 16 листопада 1904 року, а сам патент за 724850 на винахід двоелектродної лампи був виданий наступного року [3].
Особливістю патенту було те, що в схемі приймача з вакуумним діодом прийнятий сигнал фіксувався не на навушники, а візуально, за допомогою дзеркального гальванометра, мал. 8. Вибір способу фіксації був пов'язаний з поганим слухом автора винаходу.
.
Мал. 8. Схеми радіоприймачів на двоелектродній пампе з патенту А.Флеминга.
За цей винахід А.Флеминг удостоївся багатьох нагород. Лондонське Королівське Суспільство Мистецтв в 1921 році нагородило своєю найвищою нагородою - Золотою медаллю Альберта, мал. 9.
Мал. 9. Д.Флеминг. 1904 р.
Він також отримав медаль Кельвіна, медаль Фарадея від Інституту інженерів - електриків і франклінськую медаль Інституту Франкліна у Філадельфії. У березні 1929 р. йому було привласнено звання баронета з титулом "сер" за "цінне служіння науці і промисловості".
Двоелектродна лампа в ролі детектора хоча по чутливості і поступалася, скажімо, бареттеру Фессендена або добре виготовленому кристалічному детектору, але перевершувала їх по стабільності роботи, завжди була готова до прийому радіосигналу і що важливе, не вимагала механічних регулювань. Незважаючи на революційність нового винаходу, вентиль Флемінга насилу упроваджувався в радіоапаратуру, оскільки коштував дуже дорого, і для його роботи була потрібна могутня нитка напруження. Г. Маркони в своїх радіопристроях застосовував "вентиль Флемінга" тільки в значній мірі завдяки раннє досягнутим договірним зобов'язанням з автором винаходу.
Мал. 10. Загальний вид радіоприймача на двоелектродній лампі конструкції А.Флеминга. 1905 р.
В 1905 році А. Флеминг сконструював приймач з ламповим детектором і прийомом радіосигналів на головні телефони, мал. 10. У цей період часу для побудови радіоприймачів з двоелектродною лампою використовувалися дві основні схеми: 1 - без джерела анодної напруги, 2 - з батареєю як джерело анодної напруги. Схема радіоприймача з вакуумним діодом як детектор приведена на мал. 11, Така схема працює значно стійкіше, ніж з кристалічним детектором (металеве вістря-кристал).
Як показали дослідження, діодний ламповий детектор вносить незначні спотворення при прийомі радіосигналів, якщо змінна напруга, що підводиться, має значну амплітуду (1 . . . 2 В і більш). Якщо напруга, що підводиться, складає долі вольта, то такий ламповий детектор має малий вхідний опір. Це приводить до шунтування коливального контура, до якого діод приєднаний і, як наслідок, зниженню добротності контура.
Ефективність роботи лампового детектора характеризується коефіцієнтом передачі напруги Кд = Uнч/(mUнес), де Uнч - амплітуда низькочастотної складової напруги на виході детектора, Uнес - амплітуда частоти сигналу, що несе, на вході детектора, m - глибина модуляції. Чим більше Кд, тим краще за інших рівних умов чутність радіостанції, що приймається.
.
Мал. 11. Принципова схема радіоприймача на двоелектродній лампі.
Графічно принцип діодного детектування показаний на мал. 12. На графіці показана характеристика діода, що показує, як змінюється анодний струм лампи залежно від зміни анодної напруги при подачі на анод високочастотного модульованого сигналу. Напруга на аноді змінюється не тільки по величині, але і по знаку. Протягом однієї половини періоду воно позитивне по відношенню до катода, а протягом другої - негативно. Струм через діод проходить тільки протягом позитивних напівперіодів напруги на аноді, а при негативних напівперіодах струм в анодному ланцюзі відсутній.
Не дивлячись на те, що в анодному ланцюзі змінна напруга, струм в ній тектиме в одному напрямі і відбуватиметься процес випрямляння змінного струму. Коли анод має позитивний заряд, то струм проходить через аудіонавушники і викликає їх реакцію на зміну амплітуди пульсуючого змінного струму, що протікає через них. Амплітудні зміни містять в собі звукові коливання, які були накладені на високочастотні коливання на передавальній радіостанції.
.
Виділення з складної форми пульсуючого струму звукових частот відбувається в ланцюзі діодного детектора і аудіонавушників, паралельно яким зазвичай включається блокувальний конденсатор місткістю від декількох сотів до тисячі пікофарад. Без цього конденсатора звукові частоти, відтворні аудіонавушниками, передавалися б з великими спотвореннями.
Мал. 12. Принцип діодного детектування
Надалі в радіоприймачах з вентилем Флемінга для підвищення якісних показників детектора при діодному детектуванні на анод лампи стали подавати невелику постійну напругу, мал. 13. Проте, збільшення цієї напруги має свої межі, оскільки приводить до зростання анодного струму тільки до деякого значення, після якого зростання струму не спостерігається, тобто він досягає свого насичення. Це пов'язано з тим, що всі електрони, що випускаються ниткою напруження (катодом), досягають анода. Слід зазначити, що за рік до винаходу двоелектродної лампи англійський фізик О. В. Ричардсон (O. Richardson, 26. 04. 1879-15. 02.
1959) вивів формулу залежності щільності струму насичення термоелектронної емісії від температури поверхні металу - катода (закон Річардсона). За цей закон він отримав Нобелівську премію в 1928 році.
.
Мал. 13. Принципова схема радіоприймача на двоелектродній лампі з анодною батареєю, включеною в ланцюг анода.
Вакуумний діод А. Флеминга дозволяв лише випрямляти змінні струми, але не підсилювати їх, а радіотехніка, що розвивається, настійно вимагала посилення уловлюваних антеною слабких сигналів. Необхідний підсилювальний пристрій з'явився тільки через 2 роки після винаходу ваккумного діода. Це була трьохелектродна електронна лампа, яка по суті була двоелектродною лампою з електродом-сіткою, що управляв, розташованою між ниткою напруження і анодом. Процес посилення сигналу в новій лампі полягав в тому, що невелика зміна напруги між сіткою і катодом приводила до значної зміни анодного струму, а звідси до зміни напруги на навантаженні,
Цікаво відмітити, що описаний процес посилення сигналу змінної частоти можна було здійснити і за допомогою вентиля Флемінга, але про це стало відомо тільки через 5 років після його винаходу. Принципову можливість створення підсилювача звукової частоти на основі двоелектродної лампи практично довів російський радіотехнік Валентин Іванович Коваленков [4]. У телефонії, як відомо, зв'язок здійснюється змінним струмом з частотою, що змінюється, і амплітудою. В цьому випадку, на відміну від телеграфії, підвищити рівень потужності сигналу за допомогою електромагнітних реле практично неможливо через інерційність реле.
Виходячи з цієї причини і виникла гостра потреба в розробці безінерционних пристроїв, що підвищують рівень потужності сигналу, тобто підсилювачів звукової частоти.
.
Мал. 14. Принципова схема телефонного підсилювача на двухалектродной лампі.
Такий підсилювач телефонних струмів був винайдений В.И. Коваленковим, згодом член-кореспондентом АН СРСР. Працювати над його створенням він почав ще в 1907 році за порадою свого вчителя, винахідника першої в світі системи радіозв'язку А.С. Попова. Дослідивши різні схеми, В.И. Коваленков прийшов до висновку, що створити ефективний підсилювач можна тільки за допомогою електронних ламп. Перші досліди він провів із звичайними вакуумними діодами. У 1909 році була випробувана перша схема, що дала позитивні результати, мал. 14. Особливістю схеми з'явилося те, що в ланцюг напруження діода був включений вугільний мікрофон, який мав загальну мембрану з телефоном.
Посилення сигналу в такому підсилювачі відбувалося таким чином. Коли електричний сигнал поступав на мембрану електромагнітного телефону, то вона коливалася, і при цьому змінювалися опір вугільного порошку мікрофону і струм напруження діода, що і приводило до зміни струму в анодному ланцюзі діода. Цей електронний підсилювач не задовольнив винахідника, оскільки володів великою інерційністю через те, що нитка електронної лампи не могла нагріватися і охолоджуватися миттєво. З появою трьохелектродних ламп В.И. Коваленков розробив більш довершені схеми підсилювачів для телефонних ліній.
Мал. 15. Загальний вид радіоприймача на даухалектродной лампі конструкції А.Флеминга. 1910 р.
Мал. 16. Загальний вид даухалектродной лампи конструкції А.Флеминга. 1910 р.
В 1910 році А. Флеминг сконструював останній радіоприймач (мал. 15) на основі двоелектродної лампи (мал. 16) і після цього вже не займався своїм "вентилем", віддаючи перевагу над ним іншим науковим проблемам, пов'язаним з радіотехнікою, електрикою і богослів'ям. Детекторні радіоприймачі на одній двоелектродній лампі були досить швидко витиснені чутливішими радіоприймачами на трьохелектродній лампі, яка працювала в режимі сіткового детектування.
Незважаючи на це, вакуумний діод, завдяки своїм унікальним властивостям, ще довго залишався в багатоламповій радіоприймальній апаратурі як демодулятор сигналу (детектора) і випрямляча змінного струму (кенотрона), то ради чого і створив його А. Флемінг.
.
0 Відгуків на “Вентиль Флемінга - перша радіолампа”
Залишити відгук