Клапан Флеминга , также называемый колебательным клапаном Флеминга , был термоэлектронным клапаном или вакуумной трубкой , изобретенной в 1904 году английским физиком Джоном Амброузом Флемингом в качестве детектора для первых радиоприемников , используемых в электромагнитной беспроводной телеграфии . Это была первая практическая вакуумная лампа и первый термоэлектронный диод — вакуумная лампа, цель которой — проводить ток в одном направлении и блокировать ток, текущий в противоположном направлении. Позже термоэмиссионный диод широко использовался в качестве выпрямителя — устройства, преобразующего переменный ток (AC) в постоянный ток (DC) — в источниках питания широкого спектра электронных устройств, пока его не заменил селеновый выпрямитель в начале 1930-х годов и почти полностью заменен полупроводниковым диодом в 1960-х годах. Лампа Флеминга была предшественником всех электронных ламп, которые доминировали в электронике в течение 50 лет. IEEE назвал его «одним из самых важных событий в истории электроники» [1], и он включен в Список вех IEEE в области электротехники .
Клапан состоит из вакуумированной стеклянной колбы, содержащей два электрода : катод в виде « нити накала », петли из углеродистой или тонкой вольфрамовой проволоки, аналогичной той, что использовалась в лампочках того времени, и анода ( пластины ) . состоящий из листового металла. Хотя в ранних версиях анод представлял собой плоскую металлическую пластину, расположенную рядом с катодом, в более поздних версиях он стал металлическим цилиндром, окружающим катод. В некоторых версиях лампочку окружал заземленный медный экран, защищающий ее от влияния внешних электрических полей.
Во время работы отдельный ток протекает через катодную «нить», нагревая ее так, что некоторые электроны в металле получают достаточную энергию, чтобы покинуть свои родительские атомы в вакуум трубки. Этот процесс называется термоэлектронной эмиссией . Выпрямляемый переменный ток подается между нитью накала и пластиной. Когда пластина имеет положительное напряжение по отношению к нити, электроны притягиваются к ней, и электрический ток течет от нити к пластине. Напротив, когда пластина имеет отрицательное напряжение по отношению к нити, электроны к ней не притягиваются и через трубку не течет ток (в отличие от нити, пластина не излучает электроны). Поскольку ток может проходить через клапан только в одном направлении, он « выпрямляет » переменный ток в пульсирующий постоянный ток.
Эта простая операция была несколько осложнена наличием остаточного воздуха в клапане, поскольку вакуумные насосы времен Флеминга не могли создать такой высокий вакуум, какой существует в современных вакуумных лампах. При высоких напряжениях клапан мог стать нестабильным и колебаться, но это происходило при напряжениях, намного превышающих обычно используемые.
Клапан Флеминга был первым практическим применением термоэлектронной эмиссии , открытым в 1873 году Фредериком Гатри . В результате своей работы над лампой накаливания в 1880 году Томас Эдисон обнаружил, что нагретый материал отрицательного электрода (позже выяснилось, что это электроны) движется через вакуум и собирается на положительном электроде, что привело к тому, что его назвали лампой Эдисона . эффект . Эдисон получил патент на это устройство как часть электрического индикатора в 1884 году, но не нашел ему практического применения. Профессор Флеминг из Университетского колледжа Лондона в 1881–1891 годах консультировал компанию Edison Electric Light Company , а затем компанию Marconi Wireless Telegraph .
В 1901 году Флеминг спроектировал передатчик, который использовал Гульельмо Маркони при первой передаче радиоволн через Атлантику из Полдху , Англия , в Сигнал-Хилл, Сент-Джонс , Ньюфаундленд , Канада . Расстояние между двумя точками составляло около 3500 километров (2200 миль). Хотя контакт, о котором сообщалось 12 декабря 1901 года, был широко провозглашен в то время большим научным достижением, существует также некоторый скептицизм по поводу этого заявления, поскольку полученный сигнал — три точки буквы «S» азбуки Морзе — был настолько слабый, примитивный приемник с трудом отличал его от атмосферного радиошума, вызванного статическими разрядами, что побудило более поздних критиков предположить, что это мог быть случайный шум. Тем не менее, Флемингу было ясно, что надежная трансатлантическая связь с существующим передатчиком требует более чувствительного приемного устройства.
В приемнике для трансатлантической демонстрации использовался когерер , который имел плохую чувствительность и ухудшал настройку приемника. Это побудило Флеминга искать детектор, который был бы более чувствительным и надежным и в то же время лучше подходил бы для использования с настроенными схемами. [2] [3] В 1904 году Флеминг опробовал для этой цели лампу с эффектом Эдисона и обнаружил, что она хорошо работает для исправления высокочастотных колебаний и, таким образом, позволяет обнаруживать выпрямленные сигналы с помощью гальванометра . 16 ноября 1904 года он подал заявку на патент США на то, что он назвал колебательным клапаном. Этот патент был впоследствии выдан под номером 803 684 и сразу же нашел применение при обнаружении сообщений, отправленных азбукой Морзе. Компания Маркони использовала лампу Флеминга в своих корабельных приёмниках примерно до 1916 года, когда её заменил триод .
Клапан Флеминга стал началом технологической революции. Прочитав статью Флеминга 1905 года о его колебательном клапане, американский инженер Ли де Форест в 1906 году создал трехэлементную вакуумную лампу Audion , добавив проволочную сетку между катодом и анодом. Это было первое электронное усилительное устройство, позволившее создавать усилители и генераторы непрерывного действия . Де Форест быстро усовершенствовал свое устройство до триода , который стал основой междугородной телефонной и радиосвязи, радаров и первых цифровых компьютеров на протяжении 50 лет, вплоть до появления транзистора в 1960-х годах. Флеминг подал в суд на Де Фореста за нарушение его патентов на клапаны, что привело к десятилетиям дорогостоящих и разрушительных судебных разбирательств, которые не были урегулированы до 1943 года, когда Верховный суд США признал патент Флеминга недействительным. [4]
Позже, когда оборудование с электронными лампами стало питаться от электрических розеток переменного тока вместо батарей постоянного тока, клапан Флеминга был преобразован в выпрямитель для создания напряжения на пластине (аноде) постоянного тока, необходимого для других электронных ламп. Примерно в 1914 году Ирвинг Ленгмюр из General Electric разработал высоковольтную версию под названием Кенотрон , которая использовалась для питания рентгеновских трубок . В качестве выпрямителя эта лампа использовалась для приложений с высоким напряжением, но ее низкая пропускная способность делала ее неэффективной в приложениях с низким напряжением и сильным током. До тех пор, пока в 1970-х годах электроламповое оборудование не было заменено транзисторами, радиоприемники и телевизоры обычно имели одну или несколько диодных ламп.
СМИ, связанные с клапанами Fleming, на Викискладе?