Вентиль Флемінга - перша радіолампа

Віктор Пєстриков, Санкт-Петербург

Радіотехніка початку 20 століття, що бурхливо розвивається, вимагала більш досконалих і стабільних у роботі конструкцій детекторів. У цьому напрямі працювали вчені у різних країнах світу. Великому винахіднику Т.А. Едісону (Thomas Alva Edison, 11.02.1847-18.10.1931) не вдалося стати першим у створенні системи радіозв'язку, але, незважаючи на це, багато його відкриття та винаходи дали поштовх до створення найважливіших пристроїв, які сприяли просуванню радіотехніки вперед, зокрема, вакуумний діод.

Мал. 1. А.Флемінг період проведення досліджень "Ефекту Едісона", 1699

І не випадково колишньому консультанту едісонівської компанії в Лондоні "Edison Electric Light Company" з 1882 по 1895 Джону Амброз Флемінг (John Ambrose Fleming, 22.11.1849-18.04.1945), рис. 1, прийшла думка провести ретельне дослідження "ефекту Едісона" і, ґрунтуючись на отриманих результатах, створити "Вентиль Флемінга" (англ. Fleming's Valve, valve перекладається з англ. як вентиль, клапан). "Вентиль Флемінга" – таку назву мала двоелектродна електронна лампа на початку 20 століття. Даний пристрій отримав назву вентиля, тому що він мав здатність пропускати електричний струм тільки в одному напрямку. У вітчизняній літературі найчастіше зустрічається назва "Вентиль Флемінга", хоча іноді зустрічається й інша назва - "Пустотний клапан". Ця електронна лампа відкрила еру радіоелектроніки, галузі, що базується на використанні електронних потоків для цілей радіозв'язку.

Мал. З. Лампа Т. Едіоона з додатковим електродом як пластини.

Амброз Флемінг дізнався про ці експерименти від Вільяма Хаммера, службовця компанії Едісона, який перебував у Лондонідля контролю будівництва Палацу Едісона на Лондонській виставці 1882 року. Цього ж року А.Флемінга було запрошено до компанії Едісона як консультанта, одночасно залишаючись професором електричних досліджень у королівському коледжі Лондонського Університету. У коледжі А.Флемінг провів низку експериментів, пов'язаних з "ефектом Едісона". Він зауважив, що при виході з ладу електричної лампи скляну посудину змінює колір. Задавшись питанням, чому скляний балон стає темним, він провів дослідження і виявив, що у багатьох ламп, що тривало працюють, є лінія на склі, яка не змінює колір. Це було подібно до сліду, залишеного пальцем руки, проведеного за закопченим склом. Світла лінія розташовувалась навпроти розігрітої нитки та повторювала її форму. Виходило, що скло балона є своєрідним екраном, на який проектуються частинки, що вилітають із нагрітої нитки розжарення. Вчений припустив, що частинки є молекулами вуглецю. Дещо пізніше він встановив, що ці частинки заряджені негативно. Згодом виявилося, що ці частинки є ні що інше як електрони. 26 травня 1883 р. А.Флемінг за результатами досліджень представив доповідь а Фізичне Товариство Лондона під назвою "Явище молекулярної радіації в лампах, що світяться".

У 1888 році А.Флемінг отримав кілька спеціальних ламп з вугільними нитками розжарення, зроблених Т.Едісоном у США та сером Джозефом Сваном (Sir Joseph Swan) в Англії, та провів із ними серію нових експериментальних досліджень. Лампи містили нитки розжарення, які були "зігнуті подібно до підкови", а осторонь від них знаходився металевий електрод у вигляді трубочки. Поєднавши цей електрод з мінусом батареї розжарення, він помітив, що бомбардування наелектризованих частинок не відбувається.Дослідник також звернув увагу і на те, що якщо металевий електрод виконаний у вигляді пластини та з'єднаний з плюсом накальної батареї, то залежно від його розташування щодо нитки напруження змінюється інтенсивність потоку частинок. Змінюючи форму електрода, він зігнув металеву пластину у вигляді циліндра і розташував його таким чином, що нитка напруження виявилася всередині його. Поєднавши металевий циліндр із плюсовим електродом, він виявив, що в цьому випадку гальванометр показує найбільший електричний струм у порівнянні з іншими типами та положеннями електродів, рис. 5. Для А.Флемінга стало зрозуміло, що металевий циліндр з позитивним потенціалом здатний вловлювати наелектризовані частинки, що вилітають із розігрітої нитки розжарення. Він дійшов висновку, що пристрій, що складається з нитки розжарення та металевої пластини, може бути використаний як випрямляч не тільки змінних струмів, що використовуються в промисловості, але також високочастотних струмів, що використовуються в радіо, рис. 6.

Мал. 5. Влаштування двоелектродної пампи Л.Флемінга.

Мал. 6. Процес детектування на двозлектродної пампи.

Для реалізації висловленої ідеї він побудував два коливальні контури: один із двома лейденськими банками (конденсаторами) та котушкою індуктивності, а інший – такою самою, але з підключеними до нього двома двоелектродними лампами та гальванометром. Обидва контури були налаштовані одну частоту. Згодом А.Флемінг згадував: "Це було близько 5 години ввечері, коли будівництво радіопристроїв було закінчено. Я, звичайно, найбільше прагнув якнайшвидше все перевірити, не гаючи часу. Як тільки в лабораторії ми встановили два контури на деякій відстані один від одного. друга, я почав створювати коливання в першому контурі.моє захоплення, я побачив, що стрілка гальванометра вказала стійке пряме проходження струму, а звідси і вирішення проблеми випрямлення високочастотних бездротових струмів за допомогою спеціальної електронної лампи. Необхідну деталь для радіозв'язку було "знайдено". То була електронна лампа!

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 розжарення та металеві циліндри, які використовувалися для випрямлення високочастотних струмів бездротової телеграфії.

Мал. 7. Загальний вигляд однієї з реальних конструкцій "Вентиль Флемінга". Жовтень 1904

Мал. 8. Схеми радіоприймачів на двоелектродній пампі з патенту А. Флемінга.

За цей винахід А.Флемінг удостоївся багатьох нагород. Лондонське Королівське Товариство Мистецтв у 1921 році нагородило своєю найвищою нагородою – Золотою медаллю Альберта, рис. 9.

Мал. 9. Д.Флемінг. 1904 р.

Мал. 10. Загальний вигляд радіоприймача на двоелектродній лампі конструкції А.Флемінга. 1905 р.

Графічно принцип діодного детектування показано на рис. 12. На графіку показано характеристику діода, що показує, як змінюється анодний струм лампи в залежності від зміни анодної напруги при подачі на анод високочастотного модульованого сигналу. Напруга на аноді змінюється не лише за величиною, а й за знаком. Протягом однієї половини періоду воно позитивно стосовно катода, а протягом другої - негативно. Струм через діод проходить тільки протягом позитивних напівперіодів напруги на аноді, а при негативних напівперіодах струм в анодному ланцюзі відсутня. Незважаючите що, що у анодної ланцюга змінне напруга, струм у ній текти одному напрямку і відбуватиметься процес випрямлення 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 у собі звукові коливання, які були накладені на високочастотні коливання на радіостанції, що передає.

Виділення зі складної форми пульсуючого струму звукових частот відбувається в ланцюзі діодного детектора та аудіонавушників, паралельно яким зазвичай включається блокувальний конденсатор ємністю від кількох сотень до тисячі пікофарад. Без цього конденсатора звукові частоти, що відтворюються аудіонавушниками, передавалися з великими спотвореннями.

Мал. 12. Принцип діодного детектування

Надалі в радіоприймачах з вентилем Флемінгу для підвищення якісних показників детектора при діодному детектуванні на анод лампи стали подавати невелику постійну напругу, рис. 13. Однак, збільшення цієї напруги має свої межі, тому що призводить до зростання анодного струму тільки до деякого значення, після якого зростання струму не спостерігається, тобто він досягає свого насичення. Це з тим, що це електрони, испускаемые ниткою розжарення (катодом), досягають анода. Слід зазначити, що протягом року до винаходу двухэлектродной лампи англійський фізик О.В. Річардсон (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 1928 року.

Мал. 13. Принципова схема радіоприймача надвоелектродну лампу з анодною батареєю, включеною в ланцюг анода.

Вакуумний діод А. Флемінга дозволяв лише випрямляти змінні струми, але не посилювати їх, а радіотехніка, що розвивається, наполегливо вимагала посилення уловлюваних антеною слабких сигналів. Необхідне підсилювальне пристрій з'явилося лише через 2 роки після винаходу ваккумного діода. Це була триелектродна електронна лампа, яка по суті була двоелектродною лампою з керуючим електродом-сіткою, розташованою між ниткою розжарення і анодом. Процес посилення сигналу в новій лампі полягав у тому, що невелика зміна напруги між сіткою і катодом призводила до значної зміни анодного струму, а звідси зміни напруги на навантаженні,

Мал. 15. Загальний вигляд радіоприймача на даухалектродної лампи конструкції А. Флемінга. 1910 р.

Мал. 16. Загальний вигляд даухалектродної лампи конструкції А. Флемінга. 1910 р.

У 1910 році А.Флемінг сконструював останній радіоприймач (рис. 15) на основі двоелектродної лампи (рис. 16) і після цього вже не займався своїм "вентилем", віддаючи перевагу іншим науковим проблемам, пов'язаним з радіотехнікою, електрикою і богослов'ям. Детекторні радіоприймачі на одній двоелектродній лампі були досить швидко витіснені більш чутливими радіоприймачами на триелектродній лампі, яка працювала в режимі детектування сіткового. Незважаючи на це, вакуумний діод завдяки своїм унікальним властивостям ще довго залишався в багатоламповій радіоприймальній апаратурі як демодулятор сигналу (детектора) і випрямляча змінного струму (кенотрону), то заради чого і створив його А.Флемінг.

Література

Белькінд Л.Д. Томас Альва Едісон. М.: "Наука",1964. – 327 с.
Лапіров-Скобло М. Едісон. М.: "Молода гвардія", 1960. - 255 с.
Пєстріков В.М. Усередині порожнеча, а які дива! / / " Радіохоббі ", 1998. - №4. – С.2-3.
Таранцев А. З розвитку коштів телекомунікації// " Радіо " , 1953. - №12. – С.21-23.

Джерело: Радіохоббі 6/2004. - С. 2-5.