Клапан Флеминга

Первый прототип клапанов Флеминга, построенный в октябре 1904 года.

Первые коммерческие лампы Флеминга, используемые в радиоприемниках, 1919 год.

Схема клапана Флеминга из патента США № 803684.

Клапан Флеминга , также называемый колебательным клапаном Флеминга , был термоэлектронным клапаном или вакуумной трубкой, изобретенной в 1904 году английским физиком Джоном Амброузом Флемингом в качестве детектора для первых радиоприемников, используемых в электромагнитной беспроводной телеграфии . Это была первая практическая вакуумная лампа и первый термоэлектронный диод — вакуумная лампа, цель которой — проводить ток в одном направлении и блокировать ток, текущий в противоположном направлении. Позже термоэмиссионный диод широко использовался в качестве выпрямителя — устройства, преобразующего переменный ток (AC) в постоянный ток (DC) — в источниках питания широкого спектра электронных устройств, пока его не начал заменять селеновый выпрямитель в начале 1930-х годов и почти полностью заменен полупроводниковым диодом в 1960-х годах. Лампа Флеминга была предшественником всех электронных ламп, которые доминировали в электронике в течение 50 лет. IEEE назвал это «одним из самых важных событий в истории электроники». и он включен в Список вех развития электротехники IEEE .

Как это работает

Ресивер клапана производства Marconi Co. имеет два клапана Флеминга на случай перегорания одного.

Клапан состоит из вакуумированной стеклянной колбы, содержащей два электрода : катод в виде « нити накала », петли из углеродистой или тонкой вольфрамовой проволоки, аналогичной той, что использовалась в лампочках того времени, и анода ( пластины ). состоящий из листового металла. Хотя в ранних версиях анод представлял собой плоскую металлическую пластину, расположенную рядом с катодом, в более поздних версиях он стал металлическим цилиндром, окружающим катод. В некоторых версиях лампочку окружал заземленный медный экран, защищающий ее от влияния внешних электрических полей.

Во время работы отдельный ток протекает через катодную «нить», нагревая ее так, что некоторые электроны в металле получают достаточную энергию, чтобы покинуть свои родительские атомы в вакуум трубки. Этот процесс называется термоэлектронной эмиссией . Выпрямляемый переменный ток подается между нитью накала и пластиной. Когда пластина имеет положительное напряжение по отношению к нити, электроны притягиваются к ней, и электрический ток течет от нити к пластине. Напротив, когда пластина имеет отрицательное напряжение по отношению к нити, электроны к ней не притягиваются и через трубку не течет ток (в отличие от нити, пластина не излучает электроны). Поскольку ток может проходить через клапан только в одном направлении, он « выпрямляет » переменный ток в пульсирующий постоянный ток.

Эта простая операция была несколько осложнена наличием остаточного воздуха в клапане, поскольку вакуумные насосы времен Флеминга не могли создать такой высокий вакуум, какой существует в современных вакуумных лампах. При высоких напряжениях клапан мог стать нестабильным и колебаться, но это происходило при напряжениях, намного превышающих обычно используемые.

История

Клапан Флеминга был первым практическим применением термоэлектронной эмиссии , открытым в 1873 году Фредериком Гатри . Совершенствуя свою лампу накаливания в 1880 году, Томас Эдисон обнаружил, что заряженные частицы от нагретого отрицательного электрода проходят через вакуум и собираются на положительном электроде, создавая ток. Позже ученые назвали это явление эффектом Эдисона и определили, что оно вызвано термически испускаемыми электронами. Эдисон получил патент на это устройство как часть электрического индикатора в 1884 году, но не нашел ему практического применения. Профессор Флеминг из Университетского колледжа Лондона в 1881–1891 годах консультировал компанию Edison Electric Light Company , а затем компанию Marconi Wireless Telegraph .

В 1901 году Флеминг спроектировал передатчик, который использовал Гульельмо Маркони при первой передаче радиоволн через Атлантику из Полдху , Англия , в Сигнал-Хилл, Сент-Джонс , Ньюфаундленд , Канада . Расстояние между двумя точками составляло около 3500 километров (2200 миль). Хотя контакт, о котором сообщалось 12 декабря 1901 года, был широко провозглашен в то время большим научным достижением, существует также некоторый скептицизм по поводу этого заявления, поскольку полученный сигнал, три точки азбуки Морзе , буква «S», был настолько слабый, примитивный приемник с трудом отличал его от атмосферного радиошума , вызванного статическими разрядами, что побудило более поздних критиков предположить, что это мог быть случайный шум. Тем не менее, Флемингу было ясно, что надежная трансатлантическая связь с существующим передатчиком требует более чувствительного приемного устройства.

Термоэмиссионные диодные клапаны, созданные на основе клапана Флеминга, с 1930-х годов (слева) по 1970-е годы (справа)

В приемнике для трансатлантической демонстрации использовался когерер , который имел плохую чувствительность и ухудшал настройку приемника. Это побудило Флеминга искать детектор, который был бы более чувствительным и надежным и в то же время лучше подходил бы для использования с настроенными схемами. В 1904 году Флеминг опробовал для этой цели лампу с эффектом Эдисона и обнаружил, что она хорошо выпрямляет высокочастотные колебания и, таким образом, позволяет обнаруживать выпрямленные сигналы с помощью гальванометра . 16 ноября 1904 года он подал заявку на патент США на то, что он назвал колебательным клапаном. Этот патент был впоследствии выдан под номером 803 684 и сразу же нашел применение при обнаружении сообщений, отправленных азбукой Морзе. Компания Маркони использовала лампу Флеминга в своих корабельных приёмниках примерно до 1916 года, когда её заменил триод .

Осциллирующие клапаны

Клапан Флеминга стал началом технологической революции. Прочитав статью Флеминга 1905 года о его колебательном клапане, американский инженер Ли де Форест в 1906 году создал трехэлементную вакуумную лампу Audion , добавив проволочную сетку между катодом и анодом. Это было первое электронное усилительное устройство, позволившее создавать усилители непрерывного действия и генераторы . Де Форест быстро усовершенствовал свое устройство до триода , который стал основой междугородной телефонной и радиосвязи, радаров и первых цифровых компьютеров на протяжении 50 лет, вплоть до появления транзистора в 1960-х годах. Флеминг подал в суд на Де Фореста за нарушение его патентов на клапаны, что привело к десятилетиям дорогостоящих и разрушительных судебных разбирательств, которые не были урегулированы до 1943 года, когда Верховный суд США признал патент Флеминга недействительным.

Силовые приложения

Позже, когда оборудование с электронными лампами стало питаться от электрических розеток переменного тока вместо батарей постоянного тока, клапан Флеминга был преобразован в выпрямитель для создания напряжения на пластине (аноде) постоянного тока, необходимого для других электронных ламп. Примерно в 1914 году Ирвинг Ленгмюр из General Electric разработал высоковольтную версию под названием Кенотрон , которая использовалась для питания рентгеновских трубок . В качестве выпрямителя эта лампа использовалась для приложений с высоким напряжением, но ее низкая пропускная способность делала ее неэффективной в приложениях с низким напряжением и сильным током. До тех пор, пока в 1970-х годах электроламповое оборудование не было заменено транзисторами, радиоприемники и телевизоры обычно имели одну или несколько диодных ламп.

См. также

• Ртутный выпрямитель

Ссылки и примечания

Патенты

Изданный

• Патент США 803684 — Прибор для преобразования переменного электрического тока в постоянный (патент на клапан Флеминга).

Цитируется

• Патент США № 1 290 438 , 7 января 1910 г.: Усовершенствование клапана Флеминга, разработанное Р. А. Уигантом.
• Патент США 954619 , 12 апреля 1910 г.: Патент Джона Амброуза Флеминга.
• Патент США № 1379706 , 10 марта 1917 г.: Усовершенствование клапана Флеминга, разработанное Р.А. Уигантом.
• Патент США № 1 252 520 , 8 января 1918 г.: Улучшение клапана Флеминга, разработанное Р. А. Уигантом.
• Патент США № 1 278 535 , 10 сентября 1918 г.: Улучшение клапана Флеминга, разработанное Р. А. Уигантом.
• Патент США № 1 289 981 , 31 декабря 1918 г.: Улучшение клапана Флеминга, разработанное Р. А. Уигантом.
• Патент США № 1306208 , 10 июня 1919 г.: Усовершенствование схемы клапана Флеминга, разработанное Р.А. Уигантом.
• Патент США № 1338889 , 4 мая 1920 г.: Усовершенствование клапана Флеминга, разработанное Р.А. Уигантом.
• Патент США № 1347894 , 27 июля 1920 г.: Инверторный преобразователь Л.В. Чабба.
• Патент США № 1380206 , 31 мая 1921 г.: Усовершенствование клапана Флеминга, разработанное Р.А. Уигантом.
• Патент США RE16363 , 15 июня 1926 г.: Инверторный преобразователь Л. В. Чабба.
• Патент США № 1668060 , 1 мая 1928 г.: Улучшение схемы клапана Флеминга, предложенное П.Е. Эдельманом.
• Патент США № 2 472 760 , 7 июня 1949 г.: Улучшение электрода, разработанное Х. Л. Рэтчфордом.

Внешние ссылки

• СМИ, связанные с клапанами Fleming, на Викискладе?
• Центр истории IEEE
• Ноябрь 1904 г.: Флеминг открывает термоэмиссионный (или колебательный) клапан, или «диод». Архивировано 16 октября 2012 г. в Archive-It.
• Музей Искры
• Страница обратного времени