Аудион де Фореста — первая трехэлектродная электронная лампа

Аудион де Фореста — первая трехэлектродная электронная лампа

Опубликовано в номере:
PDF версия
Радио (как средство передачи телеграфных и голосовых сообщений) стало популярным лишь в начале ХХ в., после того, как Ли де Форест усовершенствовал вентиль Флеминга за счет введения управляющего электрода.

Александр Микеров, д. т. н., проф. каф. систем автоматического управления СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

Александр Микеров,
д. т. н., проф. каф.
систем автоматического управления
СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

Ли де Форест (1873–1961)

Рис. 1. Ли де Форест (1873–1961)

Работа любого радиоприемника невозможна без решения задачи детектирования радиосигнала, состоящей в выделении низкочастотного сигнала (речи и музыки) из высокоточного сигнала передающей радиостанции. В первых радиоприемниках Попова и Маркони для этой цели использовалась стеклянная трубочка с железными опилками, называемая когерером, проводимость которой резко увеличивалась при поступлении радиосигнала. Однако после этого когерер было необходимо приводить в исходное состояние с помощью механического встряхивания. Этого недостатка был лишен вентиль Флеминга — первая электронная лампа, имевшая два электрода (катод и анод) [1]. Однако такая лампа не усиливала принимаемый сигнал. Данный фактор сдерживал распространение радиовещания, и по-настоящему массовым оно стало лишь после того, как американский изобретатель Ли де Форест (Lee De Forest) (рис. 1) создал свой аудион — вакуумную лампу с третьим электродом, сеткой.

Детство де Фореста прошло в американском штате Алабама, где его отец, священник, был директором школы детей недавно освобожденных чернокожих рабов [2–4]. Окончив Шеффилдскую школу Йельского университета, Ли де Форест в 1899 г. защитил под руководством знаменитого физика Джозайа Гиббса (Josiah Gibbs) докторскую диссертацию, посвященную волнам Герца. Это и пробудило в нем интерес к только что открытому чуду ХХ в. — радио. Ему пришла в голову идея, как можно заменить непрактичный когерер, когда он обнаружил во время экспериментов, что пламя осветительной газовой горелки меркнет при включении искрового радиогенератора [2, 5].

Рис. 2. Схема с горелкой

Двухэлектродный аудион

Рис. 3. Двухэлектродный аудион

И хотя впоследствии было установлено, что этот эффект был вызван просто звуковой волной от разрядника генератора, де Форест тогда твердо поверил в то, что электромагнитная волна может воздействовать на пламя, содержащее заряженные частицы. Если в пламя горелки (Г), показанной на рис. 2, ввести два металлических электрода, один из которых (К) заземлен, а второй (А) подключен к радиоантенне (РА), то при приеме сигнала проводимость зазора между электродами, по мнению де Фореста, должна меняться, и в телефоне (Т), питаемом от батареи, будет слышен звук [5, 6]. Затем де Форест решил, что наличие пламени необязательно и ионизацию в зазоре можно вызвать любым нагревом, например поместив электроды в стеклянный баллон с разряженным газом, нагреваемым горелкой, либо электрическим током, проходящим хотя бы через один электрод.

Так появилось устройство, названное де Форестом «аудион» (рис. 3), где: К — катод, нагреваемый током батареи (Б), А — анод, подключенный к антенне (РА) и телефону (Т) через дополнительную анодную батарею (БА) [2, 5–7].

Аудион с обмоткой

Рис. 4. Аудион с обмоткой

Трехэлектродный аудион

Рис. 5. Трехэлектродный аудион

Это устройство, выполняющее роль детектора телеграфных радиосигналов, было запатентовано де Форестом в 1906 г. [4, 5, 8]. От известного с 1904 г. вентиля, или диода, Флеминга этот аудион отличался только наличием анодной батареи, которую использовали еще Ганс Гейтель (Hans Geitel) и Юлиус Эльстер (Julius Elster) при изучении термоэлектронной эмиссии в вакуумном баллоне [1]. Такое дополнение увеличивало анодный ток диода и повышало чувствительность детектора. Однако и эта чувствительность не устраивала де Фореста, и он попробовал обмотать баллон фольгой или проводом (П) от антенны (РА), как показано на рис. 4, где катод (К) — это нить накала, а анод (А) выполнен в виде двух параллельных пластин [2, 5, 8, 9].

Еще более удачной идеей оказалось перенести все это внутрь баллона в виде дополнительного электрода.

«В этот момент, — вспоминал изобретатель, – я сообразил, что эффективность лампы может быть увеличена еще больше, если этот третий электрод поместить внутрь» [2, 9]. Такой электрод, который он назвал сеткой, может быть выполнен в виде пластины или изогнутого зигзагообразного проводника (С), как показано на рис. 5, где К — нить накала (катод), А — анод, Б и БА — накальная и анодная батареи, Т — телефон, РА — антенна с антенным трансформатором (ТА), а С1, С2 — конденсаторы [5, 6, 8].

Этот рисунок из патента де Фореста 1908 г. представляет, по существу, схему простейшего однолампового радиоприемника [10]. Однако в дальнейшем термин «аудион» стали относить только к самой трехэлектродной лампе, которую с 1919 г. называли триодом по предложению английского физика и инженера Уильяма Экклза (William Eccles), который ввел также термин «диод» [1, 5, 9].

Внешний вид одного из первых аудионов де Фореста показан на рис. 6 (здесь нить накала (К) повреждена) [4]. Сетка в виде пластины, аналогичной анодной, была запатентована им еще в 1907 г., однако в таком случае работа лампы была менее эффективна, поскольку нить накала размещалась между пластинами сетки и анода.

Один из первых аудионов де Фореста (с поврежденной нитью накала)

Рис. 6. Один из первых аудионов де Фореста (с поврежденной нитью накала)

Немедленно после изобретения трехэлектродного аудиона была организована компания де Фореста, которая получила заказ на аппаратуру радиосвязи от более двадцати судов военного флота США, совершивших в 1907–1908 гг. кругосветное плавание [2, 4, 5, 7]. При этом использовались более эффективные аудионы со сдвоенными анодом (А) и сеткой (С), как показано на рис. 7 [2, 11]. Аудионы стали широко применять в детекторных радиоприемниках, и для удовлетворения растущего спроса их начал производить завод осветительных ламп McCandless, выпустивший до 1915 г. около 15 тыс. таких радиоламп [5].

Сферический аудион

Рис. 7. Сферический аудион

Лампа Мурхеда

Рис. 8. Лампа Мурхеда

Реализацией опыта де Фореста с обертыванием диода фольгой, описанного выше, стала лампа его американского конкурента Отиса Мурхеда (Otis Moorhead) с внешним управляющим электродом (сеткой) в виде медного кольца (С), надетого на двухэлектродный аудион (рис. 8), что позволило ему обойти патенты де Фореста [5].

Однако все эти первые аудионы плохо выдерживали вибрации военной аппаратуры, поэтому приближение Первой мировой войны вынуждало ведущие страны искать другие конструкции, среди которых наиболее удачной оказалась французская лампа серии TM с горизонтальными катодом (К), анодом (А) и сеткой (С) в виде спирали (рис. 9) [5, 6].

Аудион TM

Рис. 9. Аудион TM

Разработкой этой лампы руководил генерал Густав Ферье (Gustave Ferrié), шеф французской военной радиотелеграфной службы. Незадолго до войны он посетил Америку и вернулся с образцами понравившегося ему радиоприемника де Фореста на аудионах, которые поначалу его ведомством не использовались.

Однако в первые же дни войны во Франции был задержан возвращающийся из Америки начальник патентной службы немецкой компании Telefunken Поль Пишон (Paul Pichón), который оказался давним дезертиром французской армии. Опасаясь ареста, Пишон заявил, что он прибыл с ценным грузом для генерала Ферье, с которым был лично знаком. Этим грузом оказались аудионы и документация по их производству, и генерал, приняв Пишона в свой штат, распорядился немедленно заняться созданием радиолампы, которая и была запатентована в 1915 г. под маркой TM. Сразу же было развернуто массовое производство таких ламп, по 1000 штук в день, в результате чего к концу войны их было выпущено 100 тыс. штук. Этими лампами комплектовалась и российская радиотелеграфная аппаратура [11]. Сам Пишон после окончания войны благополучно вернулся в Германию на Telefunken.

Более хорошие качества аудиона, по сравнению с вентилем Флеминга, способствовали развитию массового радиолюбительского движения в Северной Америке и Европе, а сравнительная легкость его изготовления привлекла внимание многих компаний, беззастенчиво копировавших патенты де Фореста. Это вызвало много судебных разбирательств, среди которых одно из самых известных – по иску компании Маркони от лица Флеминга в 1914 г., в котором утверждалось, что де Форест заимствовал двухэлектродную лампу с термоэлектронной эмиссией по патенту Флеминга 1904 г. [5, 6, 8]. Однако к тому времени компания Маркони уже сама выпускала сферические аудионы, аналогичные показанному на рис. 7, на которые и указал де Форест в своем встречном иске. Он утверждал, что в самом патенте Флеминга нет существенной новизны, поскольку первая вакуумная лампа с двумя электродами была создана еще Эдисоном (эффект Эдисона) [1]. Тянувшийся два года суд подтвердил патент Флеминга 1904 г. и аннулировал патент де Фореста 1906 г. на двухэлектродный аудион, но подтвердил новизну его патентов 1907 и 1908 гг. в части введения управляющей сетки. Кроме того, суд установил, что на самом деле обе компании нарушали патентные права друг друга, и запретил продажу всех видов двух- и трехэлектродных ламп. Сложившаяся тупиковая ситуация была разрешена лишь взаимными лицензионными соглашениями. В отличие от Флеминга, который, по собственным воспоминаниям, не получил за свои изобретения ни пенни [12], де Форест успешно продал свои патенты на аудион — например, одна только телефонная компания AT&T заплатила ему $390 тыс. [2, 5].

Де Форест долго не понимал принципа действия своего детища [3, 7, 8]. Он говорил, что «…не знал, почему оно работало — оно просто работало». Изобретатель утверждал, что сетка управляет потоком ионов газа в аудионе (отчего, возможно, и произошло название audio-ion), поэтому наличие остаточного газа в лампе совершенно необходимо [2, 8]. Еще Эдисон полагал, что вакуумирование лампы накаливания нужно только для того, чтобы оставшийся кислород не приводил к быстрому перегоранию нити. Такие вакуумные радиолампы с остаточным газом называют теперь «мягкими» [9]. Более того, считалось, что для увеличения анодного тока следует вводить внутрь аудиона пары ртути. Именно такое направление доработки аудиона выбрал австрийский физик и изобретатель Роберт фон Либен (Robert von Lieben), создавший в 1910 г. свою знаменитую мощную лампу, о которой будет рассказано в следующей статье [5, 6, 7, 8, 9].

Де Форест был уверен, что изобретенный им прибор — это усилитель электрических сигналов, однако приведенные в его патентах схемы первоначально успешно работали только как детекторы в радиотелеграфии [2, 4, 5, 8]. Основных причин этому были три: низкий коэффициент усиления, нелинейность характеристики и малое анодное напряжение, ограничивающее выходную мощность лампы. Аудион де Фореста имел коэффициент усиления всего 1,2 при напряжении 20 В, а при попытке повышения напряжения до более чем 60 В светился и не работал. Кроме того, его приборы имели малое разряжение, т. е. были газонаполненными, что вызывало их неустойчивую работу при изменении температуры [8].

Все эти проблемы были решены лишь после 1913 г. благодаря созданию так называемых «жестких» ламп, в которых электрический разряд был чисто электронным за счет полной откачки остаточных газов и специальной обработки всех элементов [9]. Наилучшие результаты были достигнуты лауреатом Нобелевской премии Ирвингом Ленгмюром (Irving Langmuir) в компании General Electric [13]. Он разработал сверхмощный вакуумный насос, что позволило создать в 1915 г. «жесткие» лампы, т. е. выпрямительный диод («кенотрон») и триод («плиотрон»), показанный на рис. 10, где: А — сдвоенный анод, Р — рамка с сеткой (С) и нитью накала (К) внутри [1, 5, 6, 8, 9]. Названия приборов произошли от греческих слов keno, «пустота» и plio — «больше». Эти приборы уже могли работать при напряжении в сотни тысяч вольт с выходной мощностью до одного кВт, например в электроприводах, радиогенераторах и т. д. Ленгмюр получил патент на свое изобретение, который, однако, в 1928 г. был аннулирован Верховным судом США.

Плиотрон

Рис. 10. Плиотрон

«Изобретением века», т. е. аудионом, не ограничился впечатляющий вклад Ли де Фореста в современное радио, название которому он и придумал взамен термина конца XIX в. «беспроволочная связь» [2, 7]. В 1910 г. де Форест организовал первую в истории радиопередачу оперы с участием знаменитого Карузо, а в 1916 г. — репортаж с выборов президента США, отчего в Америке его называют «отцом радио»: по названию книги, которую он сам же про себя и написал [2, 3, 5, 7]. В 1912 г. он стал одним из основателей Американского института радиоинженеров (AIRE), а в 1956 г. был удостоен французского ордена Почетного легиона. Следующий крупный вклад был сделан им в 1922 г.: он создал систему записи музыки и речи на кинопленку в виде звуковой дорожки переменной оптической плотности, определяемой силой звука, за что и получил в 1960 г. премию «Оскар» [2, 7]. Всего де Форест был автором около 300 патентов, последний из которых ему вручили в возрасте 84 лет [2, 3, 9]. Впрочем, де Форест не был удачливым бизнесменом. Несколько созданных им компаний разорились, его неоднократно привлекали к суду по необоснованным обвинениям в мошенничестве, и он был четырежды женат [2, 3, 7].

Однако настоящую революцию аудион, созданный Ли де Форестом как радиотелеграфный детектор, произвел лишь после усовершенствования его усилительных свойств, превративших электронные лампы в сердце радиотехнических и автоматических систем середины XX в., о чем будет подробнее рассказано в следующей статье.


  • Революционным шагом в развитии электровакуумной лампы было введение в нее де Форестом в 1907 г. третьего электрода — сетки, первоначально в виде изогнутой проволоки, а затем спирали вблизи катода.

  • Именно появление аудиона привело в начале ХХ в. к бурному расцвету радиолюбительства и дальней радиосвязи, использованной уже в Первой мировой войне.

  • Рост популярности аудиона сопровождался множеством судебных процессов, установивших приоритет Флеминга в применении двухэлектродной лампы для детектирования радиосигналов и новизну патентов де Фореста в части введения в нее сетки.

  • Аудионы — это газонаполненные (мягкие) лампы, недостатки которых (малое усиление и низкая выходная мощность) были устранены только после 1913 г., когда Ленгмюр ввел высоковакуумные (жесткие) лампы-триоды.

  • Де Форест был также известен как пионер радиовещания и звукового кино.

Литература
  1. Микеров А. Г. Изобретение электровакуумного диода // Control Engineering Россия. 2019. № 1 (79).
  2. Уилсон М. Американские ученые и изобретатели. М.: Знание. 1964.
  3. De Forest L. Complete dictionary of scientific biography. Detroit: Charles Scribner’s Sons. 2008. V.4.
  4. www.technicshistory.wordpress.com/2017/06/21/the-electronic-age/.
  5. Tyne G. F. J. Saga of the Vacuum Tube. New York: Prompt Publications. 1994.
  6. Fleming J. A. The thermionic valve and its developments in radiotelegraphy and telephony. London, New York: The Wireless press. 1919.
  7. Guarnieri M. The Age of Vacuum Tubes: Early Devices and the Rise of Radio Communications // IEEE Industrial Electronics Magazine. March 2012.
  8. en.wikipedia.org/wiki/Audion.
  9. Быховский М. А. Развитие телекоммуникаций. На пути к информационному обществу. История развития электроники в XX столетии. М: Либроком. 2012.
  10. De Forest L. Improvement in Oscillation Detectors. U.S. Patent No. 879532. 18, 1908.
  11. История радиосвязи в экспозиции Центрального музея связи имени А. С. Попова / Н. А. Борисова, В. К. Марченков, В. В. Орлов и др. – СПб: Центральный музей связи имени А. С. Попова.
  12. Sungook H. Inventing the history of invention: Fleming’s Route to the valve // Exposing electronics. NMSI Trading Ltd. 2003.
  13. Микеров А. Г. Газоразрядные приборы — первые электронные преобразователи // Control Engineering Россия. 2018. № 6 (78).

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *