Аудион был электронной детектирующей или усилительной вакуумной лампой [1], изобретенной американским инженером-электриком Ли де Форестом как диод в 1906 году. [2] [3] [ 4] [5] Усовершенствованный, он был запатентован как первый триод в 1908 году, [1] [6] [7] [8] [9] состоящий из вакуумированной стеклянной трубки , содержащей три электрода : нагретую нить (катод, сделанный из тантала ), сетку и пластину (анод). [4] Он важен в истории технологий, потому что это было первое широко используемое электронное устройство, которое могло усиливать . [4] Сигнал малой мощности на сетке мог управлять гораздо большей мощностью в цепи пластины.
Аудионы имели больше остаточного газа , чем более поздние вакуумные лампы; остаточный газ ограничивал динамический диапазон и придавал Аудиону нелинейные характеристики и нестабильную работу. [1] [8] Первоначально разработанный как детектор радиоприемника [3] путем добавления сетчатого электрода к лампе Флеминга , он находил мало применения, пока его усиливающая способность не была признана около 1912 года несколькими исследователями, [8] [10] которые использовали его для создания первых усиливающих радиоприемников и электронных осцилляторов . [9] [11] Многочисленные практические приложения для усиления мотивировали его быстрое развитие, и оригинальный Аудион был заменен в течение нескольких лет улучшенными версиями с более высоким вакуумом. [8] [10]
С середины XIX века было известно, что газовое пламя является электропроводящим , и ранние экспериментаторы с беспроводной связью заметили, что на эту проводимость влияет присутствие радиоволн . Де Форест обнаружил, что газ в частичном вакууме, нагретый обычной нитью накаливания лампы, ведет себя примерно так же, и что если провод обернуть вокруг стеклянного корпуса, устройство может служить детектором радиосигналов. В его оригинальной конструкции небольшая металлическая пластина была запечатана в корпус лампы, и она была подключена к положительному полюсу 22-вольтовой батареи через пару наушников, а отрицательный полюс был подключен к одной стороне нити накаливания лампы. Когда беспроводные сигналы подавались на провод, обернутый вокруг внешней стороны стекла, они вызывали возмущения в токе, которые производили звуки в наушниках.
Это было значительным достижением, поскольку существующие коммерческие беспроводные системы были в значительной степени защищены патентами ; новый тип детектора позволил бы де Форесту продавать свою собственную систему. В конце концов он обнаружил, что подключение антенного контура к третьему электроду, размещенному непосредственно на пути пространственного тока, значительно улучшило чувствительность; в его самых ранних версиях это был просто кусок провода, согнутый в форме решетки (отсюда и сетка ).
Audion обеспечивал усиление мощности; с другими детекторами вся мощность для работы наушников должна была поступать из самой антенной цепи. Следовательно, слабые передатчики можно было услышать на больших расстояниях.
Де Форест и все остальные в то время сильно недооценили потенциал его сеточного Аудиона, воображая, что он будет ограничен в основном военными применениями. Показательно, что де Форест, по-видимому, не видел его потенциала как усилителя телефонного ретранслятора в то время, когда он подал патент, заявляя о нем, хотя ранее он запатентовал усилительные устройства, а грубые электромеханические усилители нот были проклятием телефонной промышленности по крайней мере два десятилетия. (По иронии судьбы, в годы патентных споров, предшествовавших Первой мировой войне, только эта «лазейка» позволяла вообще производить вакуумные триоды, поскольку патент де Фореста на сеточный Аудион не упоминал об этом применении).
Де Форест получил патент на свою раннюю двухэлектродную диодную версию Аудиона 13 ноября 1906 года ( патент США 841,386 ), а «триодная» (трехэлектродная) версия была запатентована в 1908 году ( патент США 879,532 ). Де Форест продолжал утверждать, что он разработал Аудион независимо от более ранних исследований Джона Амброуза Флеминга по термоионному клапану (за который Флеминг получил патент Великобритании 24850 и американский патент на клапан Флеминга патент США 803,684 ), и де Форест оказался втянутым во множество патентных споров, связанных с радио. Де Форест был известен тем, что говорил, что он «не знал, почему это работает, оно просто работало». [ необходима цитата ]
Он всегда называл вакуумные триоды, разработанные другими исследователями, «Осциллаудионами», хотя нет никаких доказательств того, что он внес значительный вклад в их разработку. Верно, что после изобретения настоящего вакуумного триода в 1913 году (см. ниже) де Форест продолжал производить различные типы радиопередающих и приемных устройств (примеры которых проиллюстрированы на этой странице). Однако, хотя он обычно описывал эти устройства как использующие «Аудионы», на самом деле они использовали высоковакуумные триоды, используя схемы, очень похожие на те, что были разработаны другими экспериментаторами.
В 1914 году студент Колумбийского университета Эдвин Говард Армстронг работал с профессором Джоном Гарольдом Моркрофтом, чтобы задокументировать электрические принципы Аудиона. Армстронг опубликовал свое объяснение Аудиона в Electrical World в декабре 1914 года, вместе с принципиальными схемами и осциллограммами . [13] В марте и апреле 1915 года Армстронг выступил в Институте радиоинженеров в Нью-Йорке и Бостоне, соответственно, представив свою статью «Некоторые последние разработки в области аудионного приемника», которая была опубликована в сентябре. [11] Объединение этих двух статей было перепечатано в других журналах, таких как Annals of the New York Academy of Sciences . [13] Когда Армстронг и де Форест позже столкнулись друг с другом в споре по поводу патента на регенерацию , Армстронг смог убедительно продемонстрировать, что де Форест все еще не имел представления о том, как это работает. [8] [14]
Проблема была в том, что (возможно, чтобы дистанцировать свое изобретение от клапана Флеминга) в оригинальных патентах де Фореста указывалось, что для работы Audion необходим газ низкого давления внутри (Audion — сокращение от «Audio-Ion»), и на самом деле у ранних Audion были серьезные проблемы с надежностью из-за того, что этот газ адсорбировался металлическими электродами. Иногда Audion работали очень хорошо, а иногда они едва работали вообще.
Помимо самого де Фореста, многочисленные исследователи пытались найти способы повышения надежности устройства путем стабилизации частичного вакуума. Большая часть исследований, которые привели к разработке настоящих вакуумных ламп, была проведена Ирвингом Ленгмюром в исследовательских лабораториях General Electric (GE).
Ленгмюр давно подозревал, что некоторые предполагаемые ограничения производительности различных низконапорных и вакуумных электрических устройств могут быть вовсе не фундаментальными физическими ограничениями, а просто следствием загрязнения и примесей в процессе производства. Его первым успехом стала демонстрация того, что, вопреки тому, что Эдисон и другие долго утверждали, лампы накаливания могут работать более эффективно и с более длительным сроком службы, если стеклянная колба заполнена инертным газом низкого давления, а не полным вакуумом. Однако это работало только в том случае, если используемый газ был тщательно «очищен» от всех следов кислорода и водяного пара. Затем он применил тот же подход к производству выпрямителя для недавно разработанных рентгеновских трубок «Кулидж». Опять же, вопреки широко распространенному мнению, что это возможно, благодаря тщательной чистоте и вниманию к деталям он смог изготовить версии диода Флеминга, которые могли выпрямлять сотни тысяч вольт. Его выпрямители назывались «кенотронами» от греческого слова keno (пустой, ничего не содержащий, как в вакууме) и tron (устройство, инструмент).
Затем он обратил свое внимание на лампу Audion, снова заподозрив, что ее непредсказуемое поведение можно смягчить, если более тщательно подходить к процессу производства.
Однако он выбрал несколько неортодоксальный подход. Вместо того, чтобы пытаться стабилизировать частичный вакуум, он задался вопросом, возможно ли заставить Аудион функционировать с полным вакуумом Кенотрона, поскольку его было несколько легче стабилизировать.
Вскоре он понял, что его «вакуумный» Аудион имел заметно отличающиеся характеристики от версии де Фореста, и был на самом деле совершенно другим устройством, способным к линейному усилению и на гораздо более высоких частотах. Чтобы отличить свое устройство от Аудиона, он назвал его «Плиотрон», от греческого plio (больше или дополнительный, в этом смысле означающее усиление , больше выходящего сигнала, чем входящего).
По сути, он называл все свои разработки электронных ламп Кенотронами, причем Pliotron в основном был специализированным типом Kenotron. Однако, поскольку Pliotron и Kenotron были зарегистрированными товарными знаками, технические писатели имели тенденцию использовать более общий термин «вакуумная лампа». К середине 1920-х годов термин «Kenotron» стал относиться исключительно к выпрямителям электронных ламп, в то время как термин «Pliotron» вышел из употребления. По иронии судьбы, в популярном использовании похожие по звучанию бренды «Radiotron» и «Ken-Rad» пережили первоначальные названия.
De Forest продолжала производить и поставлять Аудионы ВМС США вплоть до начала 1920-х годов для обслуживания существующего оборудования, но в других местах они к тому времени уже считались устаревшими. Именно вакуумный триод сделал практические радиопередачи реальностью.
До появления Audion радиоприемники использовали различные детекторы , включая когереры , бареттеры и кристаллические детекторы . Самый популярный кристаллический детектор состоял из небольшого кусочка кристалла галенита , зондируемого тонкой проволокой, обычно называемой « детектором кошачьего уса ». Они были очень ненадежными, требовали частой регулировки кошачьего уса и не обеспечивали усиления. Такие системы обычно требовали, чтобы пользователь слушал сигнал через наушники, иногда на очень низкой громкости, поскольку единственная энергия, доступная для работы наушников, была той, которая улавливалась антенной. Для связи на большие расстояния обычно требовались огромные антенны, и в передатчик приходилось подавать огромное количество электроэнергии.
Audion был значительным улучшением в этом отношении, но оригинальные устройства не могли обеспечить никакого последующего усиления того, что было произведено в процессе обнаружения сигнала. Более поздние вакуумные триоды позволяли усиливать сигнал до любого желаемого уровня, как правило, путем подачи усиленного выхода одного триода в сетку следующего, в конечном итоге обеспечивая более чем достаточную мощность для управления полноразмерным динамиком. Помимо этого, они могли усиливать входящие радиосигналы до процесса обнаружения, делая его работу намного более эффективной.
Вакуумные лампы также могли использоваться для создания превосходных радиопередатчиков . Сочетание гораздо более эффективных передатчиков и гораздо более чувствительных приемников произвело революцию в радиосвязи во время Первой мировой войны .
К концу 1920-х годов такие «ламповые радиоприемники» стали неотъемлемой частью большинства домохозяйств западного мира и оставались таковыми еще долгое время после появления транзисторных радиоприемников в середине 1950-х годов.
В современной электронике вакуумная лампа была в значительной степени вытеснена твердотельными приборами, такими как транзистор , изобретенный в 1947 году и внедренный в интегральные схемы в 1959 году, хотя вакуумные лампы и по сей день используются в таких приложениях, как мощные передатчики, гитарные усилители и некоторое высококачественное аудиооборудование.
Изображения приложений
Лампа усилителя аудиона полностью отличается от лампы детектора аудиона по конструкции и вакууму. [страница 43]
