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到底什么是电子管(真空管)

时间:01-18来源:作者:点击数:
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1883 年,著名发明家托马斯・爱迪生(Thomas Edison)在一次实验中,观察到一种奇怪现象。

当时,他正在进行灯丝(碳丝)的寿命测试。在灯丝旁边,他放置了一根铜丝,但铜丝并没有接在任何电极上。也就是说,铜丝没有通电。

碳丝正常通电后,开始发光发热。过了一会,爱迪生断开电源。他无意中发现,铜丝上竟然也产生了电流。

爱迪生没有办法解释出现这种现象的原因,但是,作为一个精明的“商人”,他想到的第一件事,就是给这个发现申请专利。他还将这种现象,命名为“爱迪生效应”


爱迪生

现在我们知道,爱迪生效应的本质,是热电子发射。也就是说,灯丝被加热后,表面的电子变得活跃,“逃”了出去,结果被金属铜丝捕获,从而产生了电流。

爱迪生申请专利之后,并没有想到这个效应有什么用途,于是将其束之高阁。

1884 年,爱迪生电光公司的技术顾问、英国物理学家约翰・安布罗斯・弗莱明(John Ambrose Fleming)访问美国,与爱迪生进行会面。爱迪生向弗莱明展示了自己发现的爱迪生效应,给弗莱明留下了深刻的印象。


弗莱明

这个弗莱明,大家应该也比较熟悉。他是一个电学专家,也是一个电机工程师,我们中学经常使用的右手定则,就是他发明的。

除了传统电学之外,弗莱明其实还有一个强项,那就是无线电磁学。他年轻的时候,曾经师从麦克斯韦,专门学习无线电磁理论。麦克斯韦临终前上课,只有两个学生来听,其中一个,就是弗莱明。

弗莱明观摩了爱迪生效应的演示后,也没有想到这个效应到底能用来干啥。事实上,等到他真正用到它,已经是十几年后。

1896 年,意大利人伽利尔摩・马可尼(Guglielmo Marconi)成功取得了世界上第一个无线电报系统专利,从而将人类带入无线通信时代。


马可尼

1899 年,马可尼决定尝试横跨大西洋的远程无线电通信。为了完成这个壮举,他找来了弗莱明,和他签约,请他帮忙改进自己的无线电发射机和接收机。

弗莱明也确实没有辜负马可尼的期望,大幅改进了马可尼的设计,帮助实现了跨大西洋无线通信实验。(可惜,马可尼刻意对外隐瞒了弗莱明的贡献,还“忘记”了自己承诺要给弗莱明的 500 股股票奖励,把弗莱明气得半死。)

弗莱明在改进无线通信系统的时候,遇到了很多技术挑战。其中,最大的挑战,就是无线信号的接收。

简单来说,就是在接收端,如何检波信号放大信号,让信号能够被完美解读。

放大信号大家都懂,那什么是检波信号呢?

所谓信号检波,其实就是信号筛选。天线接收到的信号,是非常杂乱的,什么信号都有。我们真正需要的信号(指定频率的信号),需要从这些杂乱信号中“过滤”出来,这就是检波。

想要实现检波,单向导通性(单向导电)是关键。

大家都知道,无线电磁波是高频振荡,每秒高达几十万次的频率。无线电磁波产生的感应电流,也随着“正、负、正、负”不断变化,如果我们用这个电流去驱动耳机,一正一负就是零,耳机就没办法反应出信号。

采用单向导电性,正弦波的负半周就没有了,全部是正的,电流方向一致,把高频过滤掉之后,耳机就能够轻松体现出电流的变化。

去掉负半周,电流方向变成一致的,容易解读

在这里,我要先给大家介绍一样东西 ——矿石检波器

1874 年,德国科学家卡尔・布劳恩(Karl Ferdinand Braun)发现,有一些天然矿石(金属硫化物)具有电流单向导通的特性,可以用于整流(将交流电变成直流电)。

1894 年,英属印度物理学家贾格迪什・钱德拉・博斯(Jagadish Chandra Bose)基于卡尔・布劳恩的发现,利用方铅矿(硫化铅)的单向导电性,制成了世界上第一个检波器 ——矿石检波器

1900 年,美国人格林里夫・惠特勒・皮卡德(Greenleaf Whittier Pickard),基于矿石检波器,成功制造了世界上第一个矿石收音机。这为后来无线电广播的迅速普及奠定了基础。

弗莱明在研究如何改进无线电接收机的时候,采用了矿石检波器。但是,他想起了之前的爱迪生效应,他想到 —— 是不是可以基于爱迪生效应的电子流动,设计一个新型的检波器呢?

就这样,1904 年,世界上第一只真空电子二极管,在弗莱明的手下诞生了。当时,这个二极管也叫做“弗莱明阀”。(真空管,vacuum tube,也就是电子管,有时候也叫“胆管”。)


弗莱明发明的二极管

弗莱明的二极管,结构其实非常简单,就是真空玻璃灯泡里,塞了两个极:一个阴极(Cathode),加热后可以发射电子;一个阳极(Anode),接收电子。


旁热式二极管

玻璃管里之所以要抽成真空,是为了防止发生气体电离,对正常的电子流动造成影响,破坏特性曲线。(抽成真空,还可以有效降低灯丝的氧化损耗。)

二极管的出现,解决了检波和整流需求。但是,它还有改进的空间。

1899 年,马可尼应邀到美国做无线电通讯表演。他的表演,吸引了一个年轻人的关注。这个年轻人,就是刚刚获得博士学位的德福雷斯特(De Forest Lee)。


德福雷斯特

德福雷斯特为马可尼的无线电感到着迷。于是,他投递简历,想要加入马可尼的公司。结果,遭到拒绝。

被拒绝之后,德福雷斯特没有放弃,而是继续研究无线电通信。他的目光,放在了弗莱明的二极管上。

1906 年,德・福雷斯特在真空二极电子管里,巧妙地加了一个栅板(“栅极”),发明了真空三极电子管


德・福雷斯特发明的三极管

栅板的主要作用,是控制电流。

栅极上很小的电流变化,能引起阳极很大的电流变化,而且,变化波形与栅极电流完全一致。所以,三极管有信号放大的作用

现在看来,真空三极管的发明,是电子工业领域的里程碑事件。

这个小小的元件,集检波、放大和振荡三种功能于一体,为电子技术的发展奠定了基础。

一开始的三极管是单栅,后来变成了两个板子夹在一起的双栅,再后来,干脆变成了整个包起来的围栅


真空管

真空三极管是那一时期电子工业的心脏。基于它,我们才有了性能越来越强大的广播电台、收音机、留声机、电影、电台、雷达、无线电对讲等。


真空管收音机的内部构造(可以看到很多个真空管)

德・福雷斯特发明了三极管之后,很快陷入与弗莱明以及马可尼公司的专利官司。

双方互相起诉,弗莱明认为德・福雷斯特侵犯了自己的二极管专利,而德・福雷斯特则认为自己的改进很大,足以形成新的专利。官司打了很久,最终,双方达成和解,相互授权对方生产二极管(三极管)。

三极管诞生后,因为能放大信号,所以受到了美国通信巨头 AT&T 公司的关注。

当时,AT&T 公司打算建造一条连接美国东西海岸的跨大陆电话线,急需解决信号放大问题。在没有三极管之前,放大信号只能用中继器,但是中继器的效果不好,且成本较高。

三极管的出现,给 AT&T 公司带来了新的选项。

1913 年 7 月,经过一番讨价还价,AT&T 公司以 39 万美元的价格,买下了德・福雷斯特的三极管专利。

再后来,AT&T 认识到电子管这类基础研究对于产业发展的重要作用,于 1925 年正式成立了“贝尔电话实验室公司”。这个公司,就是后来大名鼎鼎的贝尔实验室。

1912—1920 年,美国西电公司(Western Electric,简称 WE)研制出具有实用性的球形电子三极管,发烧友称之为“洋葱头”电子管。

1924 年,美国 RCA 公司(Radio Corporation of America)研制出效率较高的三极真空电子管。这种古典管在第一次世界大战中得到广泛应用。

1919 年,德国的肖特基提出在栅极和正极间加一个帘栅极的想法。这个想法被英国的朗德在 1926 年实现。这就是后来的四极管。再后来,荷兰的霍尔斯特和泰莱根又发明了五极管。

到了 20 世纪 40 年代,计算机技术研究进入高潮。人们发现,电子管的单向导通特性,可以用于设计一些逻辑电路(例如与门电路、或门电路)。于是,他们开始将电子管引入计算机领域。

1946 年,宾夕法尼亚大学的工程师埃克特和物理学家毛希利等人,共同研制出了真正意义上的第一台通用型电子计算机 ——埃尼阿克(ENIAC)

大家应该都知道埃尼阿克。这台钢铁巨兽,使用了 18000 多只电子管,重 130 多吨,占地面积 170 多平方米,每秒钟可作 5000 多次加法运算。之前的计算机需要 2 小时完成的计算任务,ENIAC 只需要 3 秒钟,在当时堪称奇迹。

上世纪 40-50 年代,电子管的发展达到了高潮。但是,随着技术的进步,人们发现,电子管已经无法满足产品设计的需求。

一方面,电子管容易破损,故障率高,另一方面,电子管需要加热使用,很多能量都浪费在发热上,也带来了极高的功耗。

所以,人们开始思考 —— 是否有更好的方式,可以实现电路的检波、整流和信号放大呢?

且看下期 ——《到底什么是晶体管》。

参考文献:

  • 1、Leo 的微电子学习笔记,黎翱白 Leobai,B站;
  • 2、从上海发迹的中国收音机百年史,戴辉;
  • 3、从电子管到晶体管,解码科技史,央视;
  • 4、真空二极管的工作原理,IC 先生;
  • 5、第一块晶体管背后的故事,中科大胡不归;
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