История развития электронных ламп
В действительности, исторический переход к «электронным» схемам начался с изобретения ламп, поскольку именно тогда исследователи вошли в совершенное новую область функционирования схем: способ управления движением электронов (током) в схемах посредством другого электрического сигнала (в случае большей части электронных ламп, управляющий сигнал представляет собой небольшое напряжение). Полупроводниковым аналогом ламп, само собой разумеется, выступает транзистор. Функция транзисторов во многом аналогична функции ламп: управление потоком электронов в цепи посредством другого потока электронов в случае биполярных транзисторов, и управление потоком электронов посредством напряжения в случае полевых транзисторов. В обоих случаях относительно малый электрический сигнал управляет током относительно большой силы. Таково сущностное отличие «электронных" схем от простых электрических схем, функционирование которых, в принципе, объясняется законом Ома и физическими свойствами проводников и компонентов.
Хотя в настоящее лампы используется не так часто, будет полезно изучить принципы их функционирования. В любом случае достаточно познавательно узнать о том «каким образом работали схемы в былые времена», что поможет лучше оценить достоинства современных технологий.
Изобретателем электронной лампы считается Томас Эдисон. Более точным будет сказать, что Эдисон усовершенствовал лампу накаливания. Однако появлению в 1879 в лаборатории Эдисона рабочей модели лампы предшествовали 77 лет исследований с того момента, как английский физик Гемфри Дэви впервые продемонстрировал принцип использования электрического тока для нагрева тонкой полоски металла (называемой «нитью") до точки теплового излучения в видимом диапазоне волн (раскаление добела).
Эдисон поместил нить (которая представляла собой обыкновенную швейную нитку, покрытую углём) в стеклянную колбу, из которой был откачан воздух. В вакууме нить накалялась добела при этом не происходило её возгорания.
В ходе одного из своих экспериментов (примерно в 1883 году) помимо нити Эдисон поместил в вакуумированную стеклянную колбу полоску металла. Между полоской металла и одним из выводов нити был установлен чувствительный амперметр. Эдисон обнаружил, что ток протекал в те моменты, когда нить была нагрета и отсутствовал, когда она остывала.
Раскалённая добела нить лампы Эдисона высвобождала свободные электроны в вакуум, которые затем двигались к металлической полоске, через гальванометр и обратно на нить. Эдисон был заинтересован данным фактом и подключил к цепи гальванометра батарею с достаточно высоким напряжением, что позволило добавить небольшой ток:
Как и следовало ожидать, в присутствии батареи создавался гораздо больший ток от нити к металлической полоске. Однако при смене полярности батареи ток был близок к нулю или вовсе отсутствовал!
В действительности, то на что наткнулся Эдисон, представляло собой диод! К сожалению, американский изобретатель не нашёл практического применения своему открытию и продолжил опыты по усовершенствованию лампы.
Односторонне движение электронов (известное как термоэлектронная эмиссия или явление Эдисона) оставалось лишь любопытным фактом до тех пор пока в 1895 году к его изучению не приступил английский учёный Джон Амброз Флеминг. Изобретённый им прибор, который сам учёный называл «вентилем», ознаменовал начало новой эпохи в области электронных схем. Вакуумные диоды — в том числе «вентили» Флеминга — не способны выдерживать большого тока, поэтому изобретение Флеминга не получило практического применения в устройствах, работающих на переменном токе, за исключением приборов, работающих со слабыми электрическими сигналами.
Затем в 1906 году, другой изобретатель по имени Ли де Форест стал экспериментировать с явлением Эдисона, пытаясь понять, какую пользу можно извлечь из данного феномена. И он сделал удивительное открытие: при введении в лампу металлического экрана между раскалённой нитью и металлическим электродом (который принял вид пластины из соображений большей площади) потоком электронов от нити к металлическому электроду можно было управлять при приложении небольшого напряжения между металлическим экраном и нитью:
Де Форест назвал этот металлический экран между электродом и нитьюсеткой. Управление током могло осуществляться не только посредством напряжения между сеткой и нитью, но также и посредством изменения полярности. При приложении к сетке отрицательного напряжения по отношению к нити происходило подавление естественного движения электронов, в то время положительное напряжение усиливало ток. Хотя на сетке также присутствовал ток, он был достаточно мал; намного меньше тока металлического электрода.
Вероятно самым важным было открытие того, что небольшое напряжение на сетке и небольшой ток сетки оказывали влияние на гораздо большее напряжение электрода (по отношению к нити) и больший ток электрода. Добавив сетку к «вентилю" Флеминга, Де Форест сделал его регулируемым: теперь он работал как усилитель колебаний, в том смысле, что небольшой электрический сигнал мог управлять сигналом гораздо большей силы.
Ближайшим аналогом аудиона, и его современных эквивалентов является n-канальный МОП-транзистор D-типа. Он представляет собой управляемый напряжением прибор с высоким коэффициентом усиления по току.
Де Форест назвал своё изобретение «аудионом» и принялся за поиски способов его практического применения в стремительно развивавшейся технике связи. В 1912 году он продал права на аудион (в качестве усилителя сигнала телефонной связи) компании American Telephone and Telegraph (AT&T Corp.), благодаря чему получила развитие междугородная телефонная связь. В следующем году он продемонстрировал автогенератор — электронный генератор с самовозбуждением на основе аудиодна. В 1915 году Де Форест осуществил передачу голосового сообщения по радио из города Арлингтон (штат Виргиния) в Париж, а в 1916 году — первый выпуск радионовостей. В Америке за эти достижения де Фореста называют «отцом радио».