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TECHNOLOGIEGESCHICHTE, TECHNOLOGIE, OBJEKTE UM UNS
Elektrische Lampe. Geschichte der Erfindung und Produktion
Verzeichnis / Die Geschichte der Technik, Technik, Objekte um uns herum Elektronische Lampe, Radioröhre – ein elektrisches Vakuumgerät (genauer gesagt ein elektronisches Vakuumgerät), das die Intensität des Elektronenflusses steuert, der sich im Vakuum oder verdünnten Gas zwischen den Elektroden bewegt. Radioröhren wurden im XNUMX. Jahrhundert häufig als aktive Elemente elektronischer Geräte (Verstärker, Generatoren, Detektoren, Schalter usw.) verwendet. Derzeit werden sie fast vollständig durch Halbleiterbauelemente ersetzt. Manchmal werden sie auch in leistungsstarken Hochfrequenzsendern und Audiogeräten eingesetzt.
Die Erfindung der Elektronenlampe steht in direktem Zusammenhang mit der Entwicklung der Lichttechnik. In den frühen 80er Jahren des 1883. Jahrhunderts verbesserte der berühmte amerikanische Erfinder Edison die Glühlampe. Einer der Nachteile war die allmähliche Abnahme der Lichtleistung aufgrund des Anlaufens der Glühbirne aufgrund des Auftretens eines dunklen Flecks auf der Innenseite des Glases. Bei der Untersuchung der Ursachen dieses Effekts im Jahr XNUMX bemerkte Edison, dass sich auf dem angelaufenen Glas des Zylinders in der Ebene der Fadenschlaufe oft ein heller, fast nicht dunkler Streifen befand, und dieser Streifen stellte sich immer als seitlich der Lampe heraus wo sich der positive Eingang des Heizkreises befand. Es sah so aus, als ob der Teil des Kohlefadens neben dem negativen Eingang die kleinsten Materialpartikel von sich selbst emittiert. Sie flogen an der positiven Seite des Fadens vorbei und bedeckten das Innere des Glasbehälters überall, bis auf jene Linie auf der Oberfläche des Glases, die sozusagen von der positiven Seite des Fadens verdeckt wurde. Das Bild dieses Phänomens wurde deutlicher, als Edison eine kleine Metallplatte in den Glasbehälter einführte und sie zwischen den Filamenteinlässen platzierte. Indem diese Platte über ein Galvanometer mit der positiven Elektrode des Fadens verbunden wurde, war es möglich, den elektrischen Strom zu beobachten, der durch den Raum im Inneren des Ballons fließt.
Edison schlug vor, dass der Fluss von Kohlenstoffpartikeln, die von der negativen Seite des Filaments emittiert werden, einen Teil des Weges zwischen dem Filament und der von ihm eingeführten Platte leitfähig macht, und stellte fest, dass dieser Fluss proportional zum Glühgrad des Filaments oder in Mit anderen Worten, die Lichtleistung der Lampe selbst. Dies beendet tatsächlich das Studium von Edison. Der amerikanische Erfinder konnte sich damals nicht vorstellen, was für eine große wissenschaftliche Entdeckung er kurz davor stand. Fast 20 Jahre vergingen, bis das von Edison beobachtete Phänomen seine richtige umfassende Erklärung erhielt. Es stellte sich heraus, dass ein im Vakuum platzierter Lampenfaden bei starker Erwärmung beginnt, Elektronen in den umgebenden Raum zu emittieren. Dieser Vorgang wird als thermionische Emission bezeichnet und kann als Verdampfung von Elektronen aus dem Filamentmaterial betrachtet werden. Die Idee der Möglichkeit der praktischen Nutzung des "Edison-Effekts" kam zuerst dem englischen Wissenschaftler Fleming, der 1904 einen auf diesem Prinzip basierenden Detektor namens "Zwei-Elektroden-Röhre" oder Flemings "Diode" schuf. Flemings Lampe war eine gewöhnliche Glasflasche, die mit verdünntem Gas gefüllt war. Ein Filament wurde zusammen mit einem ihn umgebenden Metallzylinder in den Ballon eingeführt. Die erhitzte Elektrode der Lampe gab kontinuierlich Elektronen ab, die um sie herum eine „Elektronenwolke“ bildeten. Je höher die Elektrodentemperatur, desto höher die Dichte der Elektronenwolke. Wenn die Elektroden der Lampe an eine Stromquelle angeschlossen wurden, entstand zwischen ihnen ein elektrisches Feld. Wenn der positive Pol der Quelle mit einer kalten Elektrode (Anode) und der negative Pol mit einer erhitzten (Kathode) verbunden war, verließen die Elektronen unter Einwirkung eines elektrischen Feldes teilweise die Elektronenwolke und stürzten in die Kälte Elektrode. Somit wurde ein elektrischer Strom zwischen Kathode und Anode aufgebaut. Wenn die Quelle in die entgegengesetzte Richtung eingeschaltet wird, stößt die negativ geladene Anode Elektronen von sich selbst ab und die positiv geladene Kathode zieht sie an. In diesem Fall gab es keinen elektrischen Strom. Das heißt, die Fleming-Diode hatte eine ausgeprägte einseitige Leitfähigkeit.
In den Empfangskreis eingeschlossen, wirkte die Lampe wie ein Gleichrichter, der Strom in eine Richtung durchließ und ihn in die entgegengesetzte Richtung nicht durchließ und somit als Wellenleiter - Detektor dienen konnte. Um die Empfindlichkeit der Lampe etwas zu erhöhen, wurde ein entsprechend gewähltes positives Potential angelegt. Im Prinzip unterschied sich die Empfangsschaltung mit einer Fleming-Lampe kaum von anderen Funkschaltungen dieser Zeit. Es war in der Empfindlichkeit dem Schema mit einem magnetischen Detektor unterlegen, aber es hatte eine unvergleichlich größere Zuverlässigkeit. Eine weitere herausragende Leistung auf dem Gebiet der Verbesserung und technischen Anwendung der Vakuumröhre war die Erfindung einer Lampe mit einer zusätzlichen dritten Elektrode im Jahr 1907 durch den amerikanischen Ingenieur De Forest. Diese dritte Elektrode wurde vom Erfinder "Gitter" und die Lampe selbst - "Audin" genannt, aber in der Praxis wurde ihr ein anderer Name zugewiesen - "Triode". Die dritte Elektrode war, wie aus ihrem Namen hervorgeht, nicht durchgehend und konnte Elektronen, die von der Kathode zur Anode fliegen, weiterleiten. Wenn zwischen dem Gitter und der Kathode eine Spannungsquelle eingeschaltet wurde, entstand zwischen diesen Elektroden ein elektrisches Feld, das die Anzahl der die Anode erreichenden Elektronen, d.h. die Stärke des durch die Lampe fließenden Stroms (die Stärke der Anodenstrom). Mit einer Abnahme der an das Gitter angelegten Spannung nahm die Stärke des Anodenstroms ab, mit einer Zunahme nahm er zu. Wenn eine negative Spannung an das Gitter angelegt wurde, stoppte der Anodenstrom vollständig - die Lampe erwies sich als "gesperrt". Eine bemerkenswerte Eigenschaft der Triode war, dass der Steuerstrom um ein Vielfaches geringer sein konnte als der Hauptstrom - unbedeutende Spannungsänderungen zwischen dem Gitter und der Kathode verursachten ziemlich signifikante Änderungen des Anodenstroms. Letzterer Umstand ermöglichte die Verwendung der Lampe zur Verstärkung kleiner Wechselspannungen und eröffnete ungewöhnlich weite Möglichkeiten für ihre praktische Anwendung. Das Erscheinen einer Drei-Elektroden-Lampe führte zu einer schnellen Entwicklung von Funkempfangsschaltungen, da es möglich wurde, das empfangene Signal um das Zehn- und Hundertfache zu verstärken. Die Empfindlichkeit der Empfänger hat sich um ein Vielfaches erhöht. Eine der ersten Röhrenempfängerschaltungen wurde bereits 1907 von demselben De Forest vorgeschlagen.
Zwischen Antenne und Masse ist dabei eine LC-Schleife geschaltet, an deren Anschlüssen eine hochfrequente Wechselspannung auftritt, die unter Einwirkung von von der Antenne empfangener Energie gebildet wird. Diese Spannung wurde an das Gitter der Lampe angelegt und steuerte die Schwankungen des Anodenstroms. Somit wurden im Anodenkreis verstärkte Schwingungen des empfangenen Signals erhalten, die die Membran des in demselben Kreis enthaltenen Telefons in Bewegung setzen konnten. De Forests erste Audin-Lampe mit drei Elektroden hatte viele Nachteile. Die Position der Elektroden darin war so, dass der größte Teil des Elektronenflusses nicht auf die Anode, sondern auf einen Glasbehälter fiel. Die Kontrollwirkung des Gitters erwies sich als unzureichend. Die Lampe war schlecht evakuiert und enthielt eine beträchtliche Anzahl von Gasmolekülen. Sie ionisierten und bombardierten das Filament kontinuierlich, was eine verheerende Wirkung auf es hatte. 1910 schuf der deutsche Ingenieur Lieben eine verbesserte Trioden-Vakuumröhre, bei der das Gitter in Form eines perforierten Aluminiumblechs hergestellt und in der Mitte des Zylinders platziert wurde, wodurch es in zwei Teile geteilt wurde. Unten an der Lampe befand sich der Glühfaden, oben die Anode. Eine solche Anordnung des Gitters ermöglichte es, seine Steuerwirkung zu verstärken, da der gesamte Elektronenstrom durch es hindurchging. Die Anode in dieser Lampe hatte die Form eines Zweigs oder einer Spirale aus Aluminiumdraht, und ein Platinfaden diente als Kathode. Besonderes Augenmerk legte Lieben auf die Erhöhung der Emissionseigenschaften der Lampe. Dazu wurde zunächst vorgeschlagen, das Filament mit einer dünnen Schicht aus Calcium- oder Bariumoxid zu überziehen. Zusätzlich wurde Quecksilberdampf in den Ballon eingeführt, der eine zusätzliche Ionisation erzeugte und dadurch den Kathodenstrom erhöhte.
So kam die Vakuumröhre zunächst als Detektor, dann als Verstärker zum Einsatz. Einen führenden Platz in der Funktechnik eroberte es aber erst, nachdem die Möglichkeit entdeckt wurde, damit ungedämpfte elektrische Schwingungen zu erzeugen. Der allererste Röhrengenerator wurde 1913 von dem bemerkenswerten deutschen Radioingenieur Meissner entwickelt. Auf Basis der Lieben-Triode baute er auch den ersten Sprechfunksender der Welt und stellte im Juni 1913 die Sprechfunkverbindung zwischen Nauen und Berlin in einer Entfernung von 36 km her.
Der Röhrengenerator enthielt einen Schwingkreis bestehend aus einer Induktivität L und einem Kondensator C. Wird ein solcher Kondensator aufgeladen, so treten im Stromkreis gedämpfte Schwingungen auf. Damit die Schwingungen nicht aussterben, ist es notwendig, die Energieverluste für jede Periode auszugleichen. Daher muss periodisch Energie von einer Konstantspannungsquelle in die Schaltung eintreten. Dazu wurde in den elektrischen Kreis des Schwingkreises eine Röhrentriode eingebaut, in deren Gitter die Schwingungen des Kreises eingespeist wurden. Der Anodenkreis der Lampe enthielt eine Spule Lc, die induktiv mit der Spule L des Schwingkreises gekoppelt war. In dem Moment, in dem der Stromkreis eingeschaltet wird, fließt der Strom von der Batterie, der allmählich zunimmt, durch die Triode und die Spule Lc. In diesem Fall fließt gemäß dem Gesetz der elektromagnetischen Induktion ein elektrischer Strom in der Spule L, der den Kondensator C auflädt. Die Spannung von den Kondensatorplatten wird, wie aus dem Diagramm ersichtlich, der Kathode und zugeführt das Gitter. Beim Einschalten wird die positiv geladene Kondensatorplatte mit dem Gitter verbunden, dh sie lädt sie positiv auf, was zu einer Erhöhung des durch die Lc-Spule fließenden Stroms beiträgt. Dies wird fortgesetzt, bis der Anodenstrom sein Maximum erreicht (schließlich wird der Strom in der Lampe durch die Anzahl der von der Kathode verdampften Elektronen bestimmt, und ihre Anzahl kann nicht unbegrenzt sein - bis zu einem gewissen Maximum steigt dieser Strom nicht mehr mit an Erhöhung der Netzspannung). Wenn dies geschieht, fließt ein konstanter Strom durch die Spule Lc. Da die induktive Kopplung nur bei Wechselstrom auftritt, fließt in der Spule L kein Strom. Als Ergebnis beginnt sich der Kondensator zu entladen. Die positive Ladung des Gitters nimmt daher ab, was sich sofort auf die Größe des Anodenstroms auswirkt - sie nimmt ebenfalls ab. Folglich nimmt auch der Strom durch die Spule Lc ab, was einen Strom in der entgegengesetzten Richtung in der Spule L erzeugt. Wenn daher der Kondensator C entladen wird, induziert der abnehmende Strom durch Lc immer noch einen Strom in der Spule L, wodurch die Platten des Kondensators geladen werden, aber in der entgegengesetzten Richtung, so dass sich eine negative Ladung auf der Platte ansammelt mit dem Netz verbunden. Dies führt schließlich zu einer vollständigen Beendigung des Anodenstroms - der Stromfluss durch die Spule L hört wieder auf und der Kondensator beginnt sich zu entladen. Infolgedessen wird die negative Ladung im Gitter immer geringer, der Anodenstrom tritt wieder auf und steigt an. Der gesamte Vorgang wird also von Anfang an wiederholt. Aus dieser Beschreibung ist ersichtlich, dass durch das Gitter der Lampe ein Wechselstrom fließen wird, dessen Frequenz gleich der Eigenfrequenz des LC-Schwingkreises ist. Aber diese Schwingungen werden nicht gedämpft, sondern konstant, da sie durch die konstante Zufuhr von Energie aus der Batterie durch die Spule Lc, die induktiv mit der Spule L gekoppelt ist, aufrechterhalten werden. Die Erfindung des Röhrengenerators ermöglichte einen wichtigen Schritt in der Funkkommunikationstechnik - neben der Übertragung von Telegrafensignalen, die aus kurzen und längeren Impulsen bestehen, wurde eine zuverlässige und qualitativ hochwertige Sprechfunkkommunikation möglich - also die Übertragung von menschliche Sprache und Musik unter Verwendung elektromagnetischer Wellen. Es mag den Anschein haben, dass die Funktelefonkommunikation nichts Kompliziertes an sich hat. Tatsächlich werden Schallschwingungen mit Hilfe eines Mikrofons leicht in elektrische Schwingungen umgewandelt. Warum, indem man sie verstärkt und in die Antenne einspeist, Sprache und Musik nicht so über eine Entfernung zu übertragen, wie zuvor der Morsecode übertragen wurde? In der Realität ist diese Übertragung jedoch nicht praktikabel, da nur starke hochfrequente Schwingungen gut durch die Antenne abgestrahlt werden. Und langsame Schwingungen der Schallfrequenz regen elektromagnetische Wellen im Weltraum an, die so schwach sind, dass es keine Möglichkeit gibt, sie zu empfangen. Daher schien die Funktelefonkommunikation vor der Entwicklung von Röhrengeneratoren, die hochfrequente Schwingungen erzeugen, eine äußerst schwierige Aufgabe zu sein. Zur Schallübertragung werden diese Schwingungen verändert oder, wie man so sagt, mit niederfrequenten (Schall-)Frequenzen moduliert. Das Wesen der Modulation liegt darin, dass die hochfrequenten Schwingungen des Generators und die niederfrequenten Schwingungen des Mikrofons einander überlagert und so in die Antenne eingespeist werden.
Die Modulation kann auf verschiedene Weise erfolgen. Beispielsweise ist ein Mikrofon in der Antennenschaltung enthalten. Da sich die Impedanz eines Mikrofons mit Schallwellen ändert, ändert sich wiederum der Strom in der Antenne; Mit anderen Worten, anstelle von Schwingungen mit konstanter Amplitude haben wir Schwingungen mit sich ändernder Amplitude - einen modulierten Strom mit hoher Frequenz. Das vom Hörer empfangene modulierte Hochfrequenzsignal ist auch nach Verstärkung nicht in der Lage, Schwingungen der Telefonmembran oder des Lautsprecherhorns mit einer Tonfrequenz hervorzurufen. Es kann nur hochfrequente Schwingungen verursachen, die von unserem Ohr nicht wahrgenommen werden. Daher muss im Empfänger der umgekehrte Vorgang durchgeführt werden – ein Tonfrequenzsignal aus hochfrequent modulierten Schwingungen selektiert – oder anders ausgedrückt, das Signal detektiert werden. Die Detektion erfolgte mit einer Vakuumdiode. Die Diode ließ, wie bereits erwähnt, Strom nur in eine Richtung durch und verwandelte den Wechselstrom in einen pulsierenden. Dieser pulsierende Strom wurde mit einem Filter geglättet. Das einfachste Filter könnte ein parallel zum Hörer geschalteter Kondensator sein.
Der Filter hat so funktioniert. In diesem Moment, als die Diode Strom durchließ, verzweigte sich ein Teil davon in einen Kondensator und lud ihn auf. In den Pausen zwischen den Impulsen, wenn die Diode gesperrt war, wurde der Kondensator auf die Röhre entladen. Daher floss im Intervall zwischen den Impulsen der Strom durch die Röhre in der gleichen Richtung wie der Impuls selbst. Jeder nachfolgende Impuls lud den Kondensator wieder auf. Dadurch floss ein Tonfrequenzstrom durch die Röhre, deren Form nahezu vollständig die Form des niederfrequenten Signals an der Sendestation wiedergab. Nach der Verstärkung wurden niederfrequente elektrische Schwingungen zu Schall; Der einfachste Detektorempfänger besteht aus einem Schwingkreis, der mit einer Antenne verbunden ist, und einem daran angeschlossenen Schaltkreis, der aus einem Detektor und einem Telefon besteht. Die ersten Vakuumröhren waren noch sehr unvollkommen. Aber 1915 schlugen Langmuir und Guede einen effizienten Weg vor, Lampen auf sehr niedrige Drücke zu pumpen, wodurch Vakuumlampen Ionenlampen ersetzten. Dies brachte die elektronische Technologie auf ein viel höheres Niveau. Autor: Ryzhov K.V.
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