一、背景介紹
在晶體管發(fā)明之前,最重要的電子設(shè)備是真空三極管。?所有的收音機都使用它們,早期的電視也使用它們。?你知道嗎,即使是早期的計算機也使用這些帶有插座的真空管燈泡, 體積巨大,充滿了整間房屋。?但它們是如何工作的?它們是如何以及為什么發(fā)明的??這是一個關(guān)于燈泡內(nèi)部的污跡,一個記憶力很好的助手,和一個發(fā)明專利欺騙行為。?這里面的故事讓我們聽 Kathy 老師娓娓道來吧。
二、燈泡里面的污漬
這一切都始于 1880 年的普通燈泡。托馬斯·愛迪生 (Thomas Edison) 注意到,?當他的燈泡壞了時,燈泡內(nèi)部通常會在燈絲正極附近產(chǎn)生黑色污跡。? 他盡最大努力制造出優(yōu)質(zhì)的真空燈泡,因此他非常確定這些污漬不是由燈泡內(nèi)的任何物質(zhì)產(chǎn)生的。?因此,他推斷一定是燈絲本身蒸發(fā)出的東西。
▲ 圖2.2.1 燈泡內(nèi)部的污漬
然后他在燈泡上加了一個金屬板,?希望燈絲發(fā)出的任何東西都能粘在金屬板上,并能在第一時間防止燈絲斷裂。?事實證明,這個金屬板并沒有多大幫助。?然而,他注意到,如果在燈絲和極板之間添加另一個電池,就會發(fā)生一些奇怪的事情。? 如果金屬板為正,則電流可以流動,?但如果板為負,則電流不會流動。?愛迪生申請了電壓表的專利,盡管他真的不知道發(fā)生了什么,也不知道為什么將來會有人想要這種昂貴且無效的電壓表。
▲ 圖32.2.2 燈泡內(nèi)部的金屬電極板
這中間到底發(fā)生了什么事??好吧,這一切都與帶負電的電子的運動有關(guān)。?在燈泡里, 當燈絲變熱時,電子可以變得自由。?當燈絲斷裂時,電子會飛向正極,并帶動燈絲物質(zhì)在旁邊玻璃壁上留下黑色污跡。? 如果在燈絲斷裂之前,在燈絲和板之間加了一個額外的電壓,燈絲帶負電,板帶正電,帶負電的電子很容易從燈絲跳到帶正電的板上,讓電流流動。?然而,如果板帶負電,那么電子會留在板上,因為它是冷的,而不是集中在細絲上。?這被稱為愛迪生效應(yīng)。
▲ 圖32.2.3 燈泡中的電流
三、無線檢波器
盡管除了申請專利外,愛迪生對此并不感興趣。?然而,愛迪生有一位年輕的英國技術(shù)顧問,名叫約翰·安布羅斯·弗萊明,他對此很感興趣。?弗萊明原本在愛迪生那里從事交流電技術(shù)研發(fā),愛迪生看他不務(wù)正業(yè),很快決定辭退弗萊明并將他送回英國。
歲月如梭,過了 24 年,到 1904 年 10 月。?此時,弗萊明已成為古列爾莫·馬可尼 (Guglielmo Marconi) 的技術(shù)顧問,幫助他發(fā)送無線電報信號。?馬可尼當時最大的問題是他的接收器。?馬可尼使用了一個內(nèi)部帶有細碎金屬粉末管子,被稱為相關(guān)檢波器。?平時它不導(dǎo)電。當無線電波通過它時,這些金屬粉末會粘在一起或凝聚在一起,?電極之間電阻下降, 在電壓作用下形成接收信號輸出。?然后在信號接收之后它被旁邊電磁鐵敲擊恢復(fù)不導(dǎo)通狀態(tài)。?它很慢,笨拙且效率低下。
▲ 圖32.3.2 馬可尼的無線接收機
根據(jù)當時的一位工程師的說法,?相干檢波器 “雖然被宣傳為很棒,但它相當不靠譜,而且糟糕。它在該導(dǎo)通的時候不導(dǎo)通,而在不該工作的時候卻隨著時間的推移導(dǎo)通?!??
在此一年前, 1903 年,加拿大人雷金納德·費森登 (Reginald Fessenden) 制作了一種化學(xué)電解檢測器,?利用化學(xué)反應(yīng)對電流的一個方向進行整流或者去除,以便在耳機上可以聽到高頻無線信號。?Fleming 認為,檢測器在高頻下效果不佳。此外,他們沒有持有專利。
▲ 圖32.3.3 Reginal Fessenden 和他的電機整流器
四、真空二極管
據(jù)弗萊明后來回憶, 當他突然想到這個問題時,非常高興。? 為什么不試試燈泡呢?? 他寫信給馬可尼說,“我找到了一種對電子信號整流方法”,就是讓電流都朝同一個方向流動。?到 11 月,弗萊明為所謂的弗萊明真空管或真空二極管申請了專利,?di 代表兩個,?ode 代表路徑。
▲ 圖32.3.4 弗萊明真空二極管
請注意,弗萊明真空管與愛迪生效應(yīng)真空管完全相同。不同的是在如何使用它的方式上。? 那么,讓我們談?wù)劯トR明的所作所為。?弗萊明使用帶有線圈的天線來接收無線電信號。?然后他利用另一個線圈與第一個線圈形成互感,?這樣第一個線圈中的交流電就會在第二個線圈中感應(yīng)出交流電。? 然后他讓這個信號通過一個靈敏的電流計,稱為鏡面反射檢流計,?信號的一端到達真空二極管的正極,?另一端到達他的真空管燈絲,燈絲由電池加熱。? 因此,真空管使信號單向流動,從而使儀表朝一個方向轉(zhuǎn)動并可以記錄下來。
▲ 圖32.3.5 弗萊明的真空二極管檢波器
弗萊明沒有戴耳機,可能是因為他部分失聰。?這種方法效果很好,但由于價格過于昂貴,因此不太受歡迎。?而且大多數(shù)人開始使用半導(dǎo)體,并使用所謂的晶體組合作為整流器。?然而,有一個人對 Fleming 真空管非常感興趣,他的名字叫 Lee de Forest。?當時,雷金納德·費森登 (Reginald Fessenden) 起訴 Lee de Forest 抄襲他的電解檢測器。? 因此,de Forest 正在尋找一種新的探測器。
五、真空三極管
我們知道德福雷斯特了解過弗萊明真空二極管,?因為在 1905 年 12 月,德福雷斯特申請了專利時,寫到:?專利使用了 “J.A 弗萊明 (J.A Fleming) 的電子管,弗萊明的專利中對其進行了全面描述”。?五周后,Deforest 申請了一種新檢測器的專利,該檢測器與弗萊明真空二極管驚人地相似。?在真空管中都有一根燈絲和一塊金屬板,他用電池驅(qū)動燈絲。?他們還從天線接收無線電波并將其通過真空二極管中的陽極和燈絲。
▲ 圖A32.5.1 德福雷斯特?zé)o線檢波器
事實上,只有四個非常小的差異。?首先,de forest 使用耳機代替電流表。? 其次,他加了一個似乎沒什么用的額外電池。? 第三,他沒有使用并聯(lián)線圈,至少在這個電路中是這樣。? 第四,他錯誤地認為燈泡中的微量氣體能夠電離而帶電,這就是導(dǎo)致電流流動的原因。?所以,他堅持認為燈泡不是完美的真空。? 因為這個裝置是用來發(fā)出聲音的,他錯誤地認為它與氣體的電離有關(guān)。他將此稱為三極管。
▲ 圖32.5.1 德福雷斯特?zé)o線檢波器與弗萊明無線檢波器
不出意外,弗萊明對 de Forest 專利侵權(quán)提起訴訟。? 為了躲避專利訴訟,de Forest 開始在真空管設(shè)施中到處添加金屬電極。?他用錫紙包裹了他的真空管、他用鐵絲在外面繞了一圈、?他在燈泡內(nèi)有多個連接板, 不論是有用的還是無用的,他就亂加一氣。?在 1906 年的圣誕節(jié)那天,de Forest 將這些亂七八糟的真空管整理成有三個電極的燈泡,?即燈絲、陽極金屬板,以及在它們之間彎曲成之字形的金屬絲,他稱之為柵極。?在1922年真空管中間添加第三根柵極,這個發(fā)明非同尋常,?被描述為“人類在整個無線電通信發(fā)展過程中邁出的最重要的一步”。
▲ 圖32.5.3 弗萊明的真空三極管
六、工作原理
那么,柵極做了什么??好吧,想象一下你通過用電池加熱燈絲。? 附加一個單獨的電壓,使燈絲為負極,金屬板為正極,形成接受電子的陽極。?在這種情況下,電子會從加熱的燈絲上發(fā)射,經(jīng)過柵極線,到達陽極上。
▲ 圖32.6.1 柵極可以控制電流
然后想象一下,向網(wǎng)格線施加微弱的電信號。?如果在柵極上增加正電壓,更多的電子會被吸引前往柵極,大部分穿過柵極達到陽極。這將大大增加陽極上的電流。? 但是,如果柵極線施加負電壓,它會阻止負電子通過,從而大大降低電流。
這樣,柵極上的微小電壓變化就能使從陽極流出的電流發(fā)生巨大變化。?這既是電放大器,又是電整流器,或單向真空管。
不幸的是,Lee de Forest 無法讓他的設(shè)備工作得那么好,他大多只是將它用作復(fù)雜的整流器。?此外,de Forest 確信,真空管內(nèi)需要有一點氣體才能使它工作。?可能是為了躲避弗萊明真空管專利限制,這些夾雜著錯誤認識的做法導(dǎo)致一些三極管質(zhì)量低下。? 因為三極管價格昂貴,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,質(zhì)量參差不齊,所以很少有人使用。
七、后記
直到它發(fā)明五年后,一位名叫霍華德·阿姆斯特朗本科生, ?性格堅韌不拔,想出了如何讓三極管能夠放大無線電信號并開始唱歌的方法,方法是在他稱為再生的系統(tǒng)中將信號反饋給三極管。?
這就是真空三極管,未來 50 年電子設(shè)計中的瑞士軍刀。這意味著它會被用于一切電子電路中。?
如果不是因為這些電子器件的誕生,就不會有后來的收音機。?是的,包括我在內(nèi),還有成千上萬人的工作歸功于真空管。?事實上,幾乎每個人都以某種方式從中受益。
[1]Triode Vacuum Tube: History & Physics: https://www.youtube.com/watch?v=0Smj2nHo9zA
[2]Kathy老師講述的有趣科學(xué)歷史: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/128637281
編輯:黃飛
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