Вентиль Флеминга - первая радиолампа
Виктор Пестриков,
Санкт-Петербург
К 100-летию изобретения
двухэлектродной электронной лампы
Бурно развивающаяся
радиотехника начала 20 века требовала более совершенных и стабильных в
работе конструкций детекторов. В этом направлении работали ученые
в разных странах мира. Великому изобретателю Т.А.
Эдисону (Thomas Alva Edison, 11.02.1847-18.10.1931) не удалось стать
первым в создании системы радиосвязи, но, не взирая на это, многие его
открытия и изобретения дали толчок к созданию важнейших устройств,
способствовавших продвижению радиотехники вперед, в частности, вакуумного
диода.
рис. 1, пришла мысль провести тщательное
исследование "эффекта Эдисона" и, основываясь на полученных результатах,
создать "Вентиль Флеминга" (по англ. Fleming's Valve, valve переводится с
англ. как вентиль, клапан). "Вентиль Флеминга" - такое название имела
двухэлектродная электронная лампа в начале 20 века. Данное устройство
получило название вентиля, потому что оно обладало способностью пропускать
электрический ток только в одном направлении. В отечественной литературе
чаще встречается название "Вентиль Флеминга", хотя иногда встречается и
другое название - "Пустотный клапан". Эта электронная лампа открыла эру
радиоэлектроники, отрасли, основанной на использовании электронных потоков
для целей радиосвязи.
рис. 2. Удивительно, но
эскиз лампы со вставленным вверху лампы над нитью накала проводом, то есть
дополнительным электродом, представлял собой прототип будущего электронного
прибора - двухэлектродной лампы [1].
Доподлинно не известно,
начал ли тогда свои опыты Т.Эдисон или нет; Известно одно, что великий
изобретатель возвратился к опытам с этой лампой только 5 июня 1882 года.
Электрод вначале представлял собой кусок провода, который потом был
заменен металлической пластиной. Великий изобретатель обнаружил, что
если этот электрод был соединен через гальванометр с положительным концом
нити, то через измерительный прибор протекал электрический ток. Если же
электрод был соединен с отрицательным концом, то никакого тока не было.
Кроме того, было замечено, что величина протекающего тока зависит от
степени разогрева нити. Это произошло в первой половине 1883 года. Открытое
явление было названо "эффектом Эдисона". Не найдя должного объяснения
открытому явлению, Т.Эдисон подробно его описал и начал работать над его
практическим использованием. К этому его подтолкнула одна особенность
лампы с добавочным электродом: при изменении напряжения питания нити какала
происходят колебания силы тока в цепи гальванометра, соединенного с
электродом. Т.Эдисон построил на электрической лампе с дополнительным
электродом высокочувствительный индикатор изменения напряжения и 15 ноября
1883 года подал на него патентную заявку, надеясь в будущем на его
коммерческий успех. Хотя прибор и не получил широкого распространения, но
он не был забыт. В первую мировую войну его использовали для регулирования
генераторного напряжения в радиоаппаратуре самолетов.
рис. 3 [2] и отправил
ее на открывшуюся 2 сентября 1884 г. Международную электротехническую
выставку в Филадельфии, и больше не занимался этой проблемой. 21 октября
1884 Т.Эдисон получил патент № 307 031 на "электрический индикатор"
(Electrical Indicator),
рис. 4. Немного позже, присоединив отдельную
батарею к аноду, выполненному в виде круглого диска, два преподавателя
гимназии в немецком городе Вольфенбуттеле Юлиус Эльстер (J. Elster,
24.12.1854-8.04.1920) и Ганс
Гейтель (Н. Geitel, 16.07.1855-15.08.1923) показали однонаправленный
характер протекающего электрического тока, представляющего собой, как потом
оказалось, термоэлектронную эмиссию электронов. Об электроне тогда еще не
было ничего известно, он был открыт Дж.Томсоном гораздо позже, только в
1897 году. В течение последующих двадцати лет эффект Эдисона изучался
многими учеными.
Амброз Флеминг узнал об
этих экспериментах от Уильяма Хаммера, служащего компании Эдисона, который
находился в Лондоне для контроля строительства Дворца Эдисона на
Лондонской Выставке 1882 года. В этом же году А.Флеминг был приглашен в
компанию Эдисона в качестве консультанта, одновременно оставаясь
профессором электрических исследований в королевском колледже Лондонского
Университета. В колледже А.Флеминг провел ряд экспериментов, связанных с "эффектом Эдисона". Он заметил, что при выходе из строя электрической лампы
стеклянный сосуд изменяет цвет. Задавшись вопросом, почему стеклянный
баллон становится темным, он провел исследование и обнаружил, что у многих
длительно работающих ламп имеется линия на стекле, которая не меняет цвет.
Это было подобно следу, оставленному пальцем руки, проведенному по
закопченному стеклу. Светлая линия располагалась напротив разогретой нити и
повторяла ее форму. Получалось, что стекло баллона является своеобразным
экраном, на который проецируются частицы, вылетающие из нагретой нити
накала. Ученый предположил, что частицы представляют собой молекулы
углерода. Немного позже он установил, что эти частицы заряжены
отрицательно. Впоследствии оказалось, что эти частицы представляют собой
ни что иное как электроны. 26 мая 1883 г. А.Флеминг по результатам
исследований представил доклад а Физическое Общество Лондона под названием "Явление молекулярной радиации в светящихся лампах".
В 1884 году А.Флеминг
совершил поездку в США, чтобы
встретиться со своим братом, проживающим в Нью-Джерси, а также ознакомиться
с лабораторией Т.Эдисона. Эдисон показал А.Флемингу эксперимент с
электрический лампой, содержащей внутри металлический электрод, чем его
очень удивил. Американский изобретатель также рассказал англичанину о своих
безуспешных попытках использовать это устройство для регулирования
электрического тока, протекающего в электрических осветительных сетях. Во
время поездки А. Флеминг узнал об открытии В.К.Рентгена
(27.03.1845-10.11.1923). Это известие побудило его снова заняться "эффектом
Эдисона". Результаты этого этапа исследований были изложены в статье "Дальнейшее исследование эффекта Эдисона в лампах накаливания" (A Further
Examination of the Edison Effect in Glow Lamps), опубликованной в июльском
номере журнала "Philosophical Magazine" за 1886 г.
В 1888 году А.Флеминг
получил несколько специальных ламп с угольными нитями накала, сделанных
Т.Эдисоном в США и сэром Джозефом Сваном (Sir Joseph Swan) в Англии, и
провел с ними серию новых экспериментальных исследований. Лампы содержали
нити накала, которые были "согнуты подобно подкове", а в стороне от них
находился металлический электрод в виде трубочки. Соединив этот электрод с
минусом батареи накала, он заметил, что бомбардировки наэлектризованных
частиц не происходит. Исследователь также обратил внимание и на то, что если
металлический электрод выполнен в виде пластины и соединен с плюсом
накальной батареи, то в зависимости от его расположения относительно нити
накала изменяется интенсивность потока частиц. Изменяя форму электрода, он
согнул металлическую пластину в виде цилиндра и расположил его таким
образом, что нить накала оказалась внутри его. Соединив металлический
цилиндр с плюсовым электродом, он обнаружил, что в этом случае гальванометр
показывает самый большой электрический ток в сравнении с другими типами и
положениями электродов,
рис. 5. Для А.Флеминга стало ясно, что металлический цилиндр с положительным
потенциалом способен улавливать наэлектризованные частицы, которые вылетают
из разогретой нити накала. Он пришел к выводу, что устройство, состоящее из
нити накала и металлической пластины, может быть использовано как
выпрямитель не только переменных токов, используемых в промышленности, но
также и высокочастотных токов, используемых в радио,
рис. 6.
рис. 7. Внутри баллона
давление воздуха составляло 0,01 мм рт. ст. Цилиндр получил название "анод",
а нить накала - "катод". Основное назначение своей лампы А.Флеминг видел в
роли демодулятора, то есть в выделении низкочастотного сигнала, слышимого
человеческим ухом, из модулированного сигнала высокой частоты. Изобретение
было запатентовано в Великобритании 16 ноября 1904 года, а сам патент за
№24850 на изобретение двухэлектродной лампы был выдан на следующий год [3].
Особенностью патента было то, что в схеме приемника с вакуумным диодом
принятый сигнал фиксировался не на наушники, а визуально, с помощью
зеркального гальванометра,
рис.8. Выбор способа фиксации был связан с плохим
слухом автора изобретения.
рис. 9.
Он также получил медаль Кельвина, медаль
Фарадея от Института инженеров - электриков и франклинскую медаль Института
Франклина в Филадельфии. В марте 1929 г. ему было присвоено звание баронета
с титулом "сэр" за "ценное служение науке и промышленности".
Двухэлектродная лампа в
роли детектора хотя по чувствительности и уступала, скажем, бареттеру
Фессендена или хорошо изготовленному кристаллическому детектору, но
превосходила их по стабильности работы, всегда была готова к приему
радиосигнала и что важно, не требовала механических регулировок. Невзирая
на революционность нового изобретения, вентиль Флеминга с трудом внедрялся
в радиоаппаратуру, так как стоил очень дорого, и для его работы требовалась
мощная нить накала. Г. Маркони в своих радиоустройствах применял "вентиль
Флеминга" только в значительной степени благодаря раннее достигнутым
договорным обязательствам с автором изобретения.
рис. 11, Такая схема работает значительно устойчивее, нежели с
кристаллическим детектором (металлическое острие-кристалл). Как показали
исследования, диодный ламповый детектор вносит незначительные искажения при
приеме радиосигналов, если подводимое переменное напряжение имеет
значительную амплитуду (1 ...2 В и
более). Если подводимое напряжение составляет доли вольта, то такой ламповый
детектор имеет малое входное сопротивление. Это приводит к шунтированию
колебательного контура, к которому диод присоединен и, как следствие,
снижению добротности контура. Эффективность работы лампового детектора
характеризуется коэффициентом передачи напряжения Кд = Uнч/(mUнес), где Uнч -
амплитуда низкочастотной составляющей напряжения на выходе детектора, Uнес
- амплитуда несущей частоты сигнала на входе детектора, m - глубина
модуляции. Чем больше Кд, тем лучше при прочих равных условиях слышимость
принимаемой радиостанции.
рис. 12. На графике показана
характеристика диода, показывающая, как изменяется анодный ток лампы в
зависимости от изменения анодного напряжения при подаче на анод
высокочастотного модулированного сигнала. Напряжение на аноде изменяется
не только по величине, но и по знаку. В течение одной половины периода оно
положительно по отношению к катоду, а в течение второй -
отрицательно. Ток через диод проходит только в течение положительных
полупериодов напряжения на аноде, а при отрицательных полупериодах ток в
анодной цепи отсутствует. Несмотря на то, что в анодной цепи переменное
напряжение, ток в ней будет течь в одном направлении и будет происходить
процесс выпрямления переменного тока. Когда анод имеет положительный заряд,
то ток проходит через аудионаушники и вызывает их реакцию на изменение
амплитуды протекающего через них пульсирующего переменного тока.
Амплитудные изменения содержат в себе звуковые колебания, которые были
наложены на высокочастотные колебания на передающей
радиостанции.
Выделение из сложной
формы пульсирующего тока звуковых частот происходит в цепи диодного
детектора и аудионаушников, параллельно которым обычно включается
блокировочный конденсатор емкостью от нескольких сот до тысячи пикофарад.
Без этого конденсатора звуковые частоты,
воспроизводимые аудионаушниками, передавались бы с большими искажениями.
В дальнейшем в
радиоприемниках с вентилем Флеминга для повышения качественных показателей
детектора при диодном детектировании на анод лампы стали подавать небольшое
постоянное напряжение,
рис. 13. Однако, увеличение этого напряжения имеет
свои пределы, так как приводит к возрастанию анодного тока только до
некоторого значения, после которого возрастания тока не наблюдается, то
есть он достигает своего насыщения. Это связано с тем, что все электроны,
испускаемые нитью накала (катодом), достигают анода. Следует отметить, что
за год до изобретения двухэлектродной лампы английский физик О.В. Ричардсон
(O.Richardson, 26.04.1879-15.02.1959) вывел формулу зависимости плотности
тока насыщения термоэлектронной эмиссии от температуры поверхности металла
- катода (закон Ричардсона). За этот закон он получил Нобелевскую премию в
1928 году.
рис. 14.
Особенностью схемы явилось то, что в цепь накала диода был включен угольный
микрофон, который имел общую мембрану с телефоном.
Усиление сигнала в
таком усилителе происходило следующим образом. Когда электрический
сигнал поступал на мембрану электромагнитного телефона, то она колебалась,
и при этом изменялись сопротивление угольного порошка микрофона и ток
накала диода, что и приводило к изменению тока в анодной цепи диода. Этот
электронный усилитель не удовлетворил изобретателя, так как обладал
большой инерционностью из-за того, что нить электронной лампы не могла
нагреваться и охлаждаться мгновенно. С появлением трехэлектродных ламп В.И.
Коваленков разработал более совершенные схемы усилителей для телефонных
линий.
(рис. 15) на основе двухэлектродной
лампы (рис. 16) и после этого уже не занимался
своим "вентилем", предпочитая ему другие научные проблемы, связанные с
радиотехникой, электричеством и богословием. Детекторные радиоприемники на
одной двухэлектродной лампе были довольно быстро вытеснены более
чувствительными радиоприемниками на трехэлектродной лампе, которая работала
в режиме сеточного детектирования. Невзирая на это, вакуумный диод,
благодаря своим уникальным свойствам, еще долго оставался в многоламповой
радиоприемной аппаратуре в качестве демодулятора сигнала (детектора) и
выпрямителя переменного тока (кенотрона), то ради чего и создал его
А.Флеминг.
Литература
1. Белькинд Л.Д. Томас Альва Эдисон.
М.: "Наука", 1964. - 327 с.
2. Лапиров-Скобло М.Эдисон. М.:
"Молодая гвардия", 1960. - 255 с.
3. Пестриков В.М. Внутри пустота, а какие чудеса!//"Радиохобби", 1998.
- №4.
- С.2-3.
4. Таранцев А. Из истории развития средств дальней связи//"Радио", 1953.
- №12.
- С.21-23.
Источник: Радиохобби 6/2004. - С. 2-5.
Статья
напечатана с разрешения автора - профессор В.М. Пестрикова
