Первые электронные устройства кратко
Обновлено: 08.07.2024
Сейчас мы привыкли к компактным электронным устройствам и сверхтонким ноутбукам. А чуть больше ста лет назад появился девайс, который сделал это реальностью и произвел настоящую революцию в развитии электроники. Речь идет о радиолампе.
Ламповое вступление
В схемотехнике раньше повсеместно использовались лампы, первые электронные приборы были построены именно с их использованием. Золотое время радиоламп пришлось на первую половину 20 века. Для наших дедов и прадедов гораздо привычнее были гигантские ЭВМ, занимавшие целое помещение и греющиеся как адское пекло. На такой машине сериальчик не посмотришь.
Потом еще было время, когда советские микросхемы стали самыми большими в мире. Но это уже другая история, которая началась после появления полупроводниковых приборов. Как вы поняли, эта статья о работе электронной лампы и ее современном использовании.
Вакуумные приборы
Вакуум – это отсутствие материи. Точнее, практически полное ее отсутствие. В физике разделяют высокий, средний и низкий вакуум. Понятно, что электрического тока в вакууме быть не может, так как ток – это направленное движение (частиц) носителей заряда, которым в вакууме взяться неоткуда.
Но так уж и неоткуда? Металлы при нагревании испускают электроны. Это так называемая термоэлектронная эмиссия. На ней и основана работа электронных вакуумных приборов.
Термоэлектронную эмиссию открыл Томас Эдисон. Точнее ученый выяснил, что при нагреве нити и наличия в вакуумной колбе второго электрода вакуум проводит ток. Тогда Эдисон не в полной мере оценил значение своего открытия, но на всякий случай запатентовал его. Вывод: в любой непонятной ситуации патентуйте!
Вакуумные приборы – герметично запаянные баллоны с электродами внутри. Баллоны делают из стекла, металла или керамики, предварительно откачав из них воздух.
Помимо электронных ламп есть следующие вакуумные приборы:
- приборы СВЧ, магнетроны, клистроны;
- кинескопы, электронно-лучевые трубки;
- рентгеновские трубки.
Принцип работы электронной лампы
Электронная лампа – это электронный вакуумный прибор, который работает за счет управления интенсивностью потока электронов между электродами.
Простейший тип лампы – диод. Вместо того чтобы читать определения, лучше посмотрим на нее.
Кстати! Если вам нужно произвести расчет усилителя на диодах, для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы
Диод обладает односторонней проводимостью. Это значит, что если на катод подать плюс, а на анод минус, тока в цепи уже не будет.
Помимо этих двух электродов в лампах могут быть и другие.
Все названия электронных ламп связаны с количеством электродов. Диод – два, триод – три, тетрод – четыре, пентод – пять и т.д.
Возьмем триод. Это диод, в который добавлен дополнительный электрод - управляющая сетка. Такая лампа с тремя электродами уже может работать как усилитель тока.
Небольшое изменение напряжения на сетке, которая устанавливается рядом с катодом, существенно влияет на ток между катодом и анодом. На этом и строится принцип усиления.
Применение электронных ламп
Почти везде лампу вытеснил полупроводниковый транзистор. Однако в некоторых отраслях лампы заняли свое место и остаются незаменимыми.
Например, в космосе. Ламповое оборудование выдерживает больший диапазон температур и радиационный фон, поэтому используется в производстве космических аппаратов.
Лампы с воздушным или водяным охлаждением также находят применение в мощных радиопередатчиках.
Конечно, сложно представить современное музыкальное оборудование без ламповых схем.
Ламповый звук: правда или вымысел?
Усилители низкой частоты или просто усилители звука – самое известное современное применение радиоламп, которое к тому же вызывает много споров.
Чтобы дальше лучше понимать то, о чем тут написано, мы рекомендуем прочесть тематическую статью про звуки и их влияние на наши мозги.
Ничего не бывает просто так, и вряд ли такие споры и мнения возникали на пустом месте. В свое время вопросом, действительно ли ламповый звук приятнее для слуха, заинтересовались ученые. Было проведено довольно много исследований на тему отличий лампы от транзистора.
Часто спор – пустая трата времени. А вот студенческий сервис, наоборот, поможет сохранить ценные человеко-часы. Обращайтесь к нашим специалистам за качественной помощью в любой области знаний.
Иван Колобков, известный также как Джони. Маркетолог, аналитик и копирайтер компании Zaochnik. Подающий надежды молодой писатель. Питает любовь к физике, раритетным вещам и творчеству Ч. Буковски.
Батарея, созданная Вольтом, также известна как Вольтов столб. Она состояла из соединенных между собой пластин цинка и меди, а также сукна, пропитанного кислотой
Джон фон Нейман — венгеро-американский математик, создавший архитектуру компьютерных сетей, также известный как основоположник теории игр
Булева алгебра — раздел математики, изучающий логические операции и логические значения высказываний (истина — ложь). Ее основоположником был английский математик Джордж Буль
От военного времени осталось выражение debugging, то есть очистка реле от мертвых насекомых (bugs). Насекомых привлекало тепло, выделяющееся при переключении реле. Они застревали в контактах, и, чтобы устройство могло работать, их нужно было периодически счищать специальной щеткой
Кубит — квантовый разряд и наименьший элемент хранения информации в квантовом компьютере. Имеет два состояния, но может находиться и в суперпозиции — ситуации одновременного наложения всех возможных состояний.
Беспроводными технологиями сейчас не удивить никого. Радио, ТВ, WiFi, Bluetooth, 5G. Тем интереснее посмотреть, как все начиналось. Найдя в интернете архив сканов старых журналов, я решил проследить, что было верхом технического прогресса для наших прабабушек и прадедушек.
Для тех кому интересно, что получилось, продолжение под катом.
1920е - ламповое радио
Я не буду рассматривать историю Попова и Маркони, это всем известно, да и появилось раньше рассматриваемого в статье промежутка. А 100 лет назад для радиоприема уже использовались лампы. Примерную схему передатчика того времени можно посмотреть в журнале Radio Review за 1920 г:
Как можно видеть, несколько ламп здесь используются для усиления сигнала с микрофона, модуляции этим сигналом ВЧ-колебаний и для окончательного усиления перед передачей в эфир.
Приемник был несколько проще (1920 г):
Любопытно отметить переключатель для приема "искровых сигналов" - в первых передатчиках "накачка" колебательного контура осуществлялась искровым разрядником. Чистоту спектра такого сигнала представить сегодня сложно, но вопрос помех тогда наверно волновал не так сильно, да и спектроанализаторов еще не было.
В середине 20х бытовой радиоприемник выглядел примерно так:
Судя по рекламе, предназначалось всё это для людей состоятельных:
Граждане попроще, наверное, обходились детекторным приемником.
Кстати, первые радиостанции имели механический модулятор. Шведская станция SAQ Grimeton имела рабочую частоту 17.2 КГц, которая задавалась отдельным генератором. Интересно, что станция поддерживается в рабочем состоянии до сих пор, и 1-2 раза в год они осуществляют мемориальные передачи, принять которые может любой желающий.
Картинки с онлайн-трансляции такого включения:
Вот собственно генератор. На заднем плане можно видеть инструменты для тонкой подстройки модуляции сигнала ;)
Из здания сигнал подается по воздушному фидеру наружу, мощность передатчика 100-200 кВт:
Для передачи используется вот такое антенное поле:
Все это сохранено и работает до сих пор, и даже земля не продана под бизнес-застройку. Желающие могут посмотреть все видео целиком, довольно любопытно. Можно лишь порадоваться за шведов, и за то, что они поддерживают уникальные экспонаты в рабочем состоянии. Что-то про мемориальные включения и демонстрации хоть какой-то аппаратуры в питерском Музее Связи не доводилось слышать ни разу. Но пойдем дальше.
1930е - начало эры телевидения
Для многих, чьи дедушки копили деньги на "КВН", может показаться странным, но первое телевидение появилось гораздо раньше. Ни о каких AMOLED тогда никто не мечтал, внутри телевизора, как говорил классик, "была неонка". И это не шутка:
Если точнее, первые телевизоры были механическими. На коротких волнах передавался амплитудно-модулированный сигнал, фактически "неонка" подключалась к выходу КВ-приемника. Синхронизация развертки осуществлялась с помощью вращающегося диска (желающие могут поискать в гугле "Диск Нипкова"). На бумажном скане не видно, но на диске были отверстия, "неонка" размещалась в коробке сверху, результирующее изображение имело разрешение примерно 60 строк. Все в сборе выглядело так:
Качество изображения было примерно таким:
Впрочем, чуть позже стали появляться первые ТВ с электронно-лучевыми трубками. Фото 1932 г показывает демонстрацию ТВ пассажирам в самолете:
Уже в 1939 г можно было купить ч/б телевизор с 12" экраном, совмещающий заодно и функции радиоприемника:
1940e - Вторая Мировая война
Период WW2 был очевидным временем бурного роста электроники и радио. Например, уже в 1943 в Британии был разработан радар на основе магнетрона с частотой 10 ГГц. Но по понятным причинам, все это не выходило из военных закрытых лабораторий, и в открытой печати обо всем этом не было ни слова.
То, что может быть интересно для нас - описываются первые опыты вещания в FM:
Интересно, что измерительная аппаратура того времени уже вполне позволяла оценивать спектр, девиацию и видеть все это наглядно на "панорамном мониторе" (даже сейчас спектроанализатор есть далеко не в каждой любительской лаборатории).
1950е - первые компьютеры и звукозапись
Про историю появления компьютеров здесь на Хабре наверно рассказывать не нужно. Но любопытно упоминание о первых проектах использования вычислительных машин.
Как видно из описания, компьютер был установлен в национальной физической лаборатории, содержал около 800 ламп, и имел память на ртутных линиях задержки объемом 8000 бит. Разумеется, о домашних компьютерах еще никто не думал. Но и для "простых смертных" в плане электроники все было уже вполне неплохо, например, генератор с диапазоном 0.1-130 МГц вполне пригодился бы в домашней лаборатории и сегодня:
Рабочий диапазон частот этого осциллографа в уме подсчитать сложно, желающие могут прикинуть самостоятельно:
И наконец, любопытное устройство - "портативный" диктофон с магнитным барабаном, рассчитанным на 12 минут записи:
1960e - магнитофоны, транзисторы, "цифра"
Для начала, картинка, которая показалась любопытной. Никого сейчас не удивить цифровым мультиметром, а начиналось это так:
В продаже уже есть NiCd аккумуляторы, напряжение круглого элемента вполне стандартное - 1.25В:
И наконец, в рекламе 1960 г можно видеть много уже вполне привычных нам сегодня вещей: ультрапортативный транзисторный приемник (на целых семи транзисторах), FM-радио и автомобильный приемник, содержащий как транзисторы, так и специальные 12-вольтовые лампы:
Можно обратить внимание на текст "printed circuit car radio" - технология "печатных плат" была прогрессивной для того времени, обычно ламповые приемники делались методом "сваливания в кучу" всех элементов с использованием навесного монтажа в "подвале" шасси приемника (пример можно посмотреть здесь).
Следующая технология показалась мне любопытной - некий прообраз компакт-кассеты, но на больших бобинах:
Впрочем, было ли это в серии, не знаю, ничего подобного видеть не доводилось.
И последнее на сегодня - наверно это можно считать первой увиденной мною вакансией сисадмина: инженер или физик (отдельной профессии админа в 1960м еще не было) требуется для компании в Лондоне для "установки и поддержки цифровых компьютеров".
Опыта работы с компьютерами, как написано, не требуется, хотя это будет являться плюсом. Желающие переехать в UK могут попробовать написать на указанный адрес ;)
Заключение
Статья уже получается слишком длинной, а я дошел только до 60х. Если оценки будут положительны, продолжение будет во второй части.
Любое сложное электронное устройство состоит из более простых активных и пассивных компонентов. К активным элементам относят транзисторы, диоды, электронные лампы, микросхемы, способные усиливать электрические сигналы по мощности; пассивными радиокомпонентами считаются резисторы, конденсаторы, трансформаторы. Давайте проанализируем этапы становления электроники в историческом срезе
Историю развития электроники можно условно разделить на четыре периода. Первый период относится к концу 19 века. В этот период были открыты или расшифрованы из источников древних основные физические закономерности работы электронных приборов и открыты различные явления, стимулирующие их развитие и использование. Началом развития ламповой техники принято считать открытие русским ученым электротехником А. Н. Лодыгиным обычной лампы накаливания.
На ее базе уже 1883 г. американский инженер Т. А. Эдисон открыл и описал явление термоэлектронной эмиссии и прохождения электрического тока через вакуум. Русский физик А. Г. Столетов в 1888 г. открыл основные законы фотоэффекта. Важнейщую роль в развитии электроники сыграло открытие русским ученым в 1895 г. А. С. Поповым возможности передачи радиоволн на растояние. Это открытие дало огромный импульс развития и внедрения различных электронных приборов в практику; так появился спрос на устройствадля генерации, усиления и детектирования электрических сигналов.
Второй этап истории развития электроники охватывает первую половину 20-го века. Этот период характеризуется разработкой и совершенствованием электровакуумных приборов и систематизированным изучением их физических свойств. В 1904 г. была сделана простейшая двухэлектродная электронная лампа — диод, нашедший широчайшее применение в радиотехнике для детектирования электрических колебаний. Спустя всего несколько лет в 1907 г. изготовлена трехэлектродная лампа — триод, усиления электрических сигналов. В России первые образцы ламп были изготовлены в 1914—1915 гг. под руководством Н. Д. Папалекси и М. А. Бонч-Бруевича.
В дальнейшем развитие электровакуумных приборов для усиления и генерирования электрических колебаний шло семи мильными шагами. Освоение радиотехникой гектометровых (X=1000-f-100 м) и декаметровых (А=100—10 м) волн потребовало разработки высокочастотных ламп. В 1924 г. были изобретены четырехэлектродные лампы (тетроды), в 1930 г. — пятиэлектродные (пентоды), в 1935 г. — многосеточные частотно-преобразовательные лампы (гептоды). В 30-х и начале 40-х годов наряду с усовершенствованием обычных ламп были разработаны лампы для дециметровых (А—100-н 10 см) и сантиметровых (А=10ч-1 см) волн — магнетроны, клистроны, лампы бегущей волны.
Параллельно с разработкой электронных создавались электронно-лучевые, фотоэлектрические, ионные приборы, в создание которых существенный вклад внесли российские инженеры. К середине 30 х годов в основном сформировалась ламповая электроника. Развитие электровакуумной техники в последующие годы шло по-пути снижения габаритов приборов, улучшения их параметров и характеристик, увеличения рабочей частоты, повышения надежности и долговечности.
История развития электроники. Третий период относится к концу 40-х и началу 50-х годов, характеризующихся бурным развитием дискретных полупроводниковых приборов. Развитию полупроводниковой электроники предшествовали работы в области физики твердого тела. Большие заслуги изучения физики полупроводников принадлежат школе советских физиков, длительное время возглавляемой академиком А. Ф. Иоффе. Теоретические и экспериментальные исследования электрических свойств полупроводников, выполненные советскими учеными А. Ф. Иоффе, И. В. Курчатовым, В. П. Жузе, В. Г. Лошкаревым и другими, позволили создать стройную теорию полупроводников и определить пути их применения.
Первые промышленные образцы полупроводниковых приборов — транзисторов, способных усиливать и генерировать электрические колебания, были предложены в 1948 г. С появлением транзисторов начинается период покорения электроники полупроводниками. Способность транзисторов работать при низких напряжениях и токах позволила уменьшить размеры всех элементов в схемах, открыла возможность миниатюризации радиоэлектронной аппаратуры. Одновременно с разработкой новых типов приборов велись работы по совершенствованию технологических методов их изготовления.
В первой половине 50-х годов был разработан метод диффузии легирующих примесей в полупроводниковые материалы, а в начале 60-х годов — планарная и эпитаксиальная технология, на многие годы определившие прогресс в производстве полупроводниковых структур. 50-е годы знаменуются открытиями в области физики твердого тела и переходом к квантовой электронике, приведшей к развитию лазерной техники. Большой вклад в развитие этой отрасли науки и техники внесли советские ученые Н. Г. Басов и А. М. Прохоров, удостоенные Ленинской (в 1959 г.) и Нобелевской (в 1964 г.) премий.
Четвертый период развития электроники берет начало в 60-е годы прошлого века. Он характеризуется разработкой и практическим освоением интегральных микросхем, совместивших в едином технологическом цикле производство активных и пассивных элементов функциональных устройств. Уровень интеграции БИС достигает тысяч элементов в одном кристалле. Освоение выпуска больших и сверхбольших интегральных схем позволило перейти к созданию функционально законченных цифровых устройств — микропроцессоров, рассчитанных на совместную работу с устройствами памяти и обеспечивающих обработку информации и управление по заданной программе.
История развития электроники. Пятым этапом можно назвать полупроводники в процессорах. Или закат эпохи кремния. В передовых областях современной электроники, как разработка и производство процессоров, где размер и скорость полупроводниковых элементов стали играть решающую роль, развитие технологий использования кремния практически подошло к своему физическому пределу. В последнии годы улучшение производительности интегральных схем, достигающееся путем наращивания рабочей тактовой частоты и увеличения количества транзисторов.
Небольшие подвижки есть лиши в количественной интеграции полупроводниковых элементов в одном чипе путем уменьшения их физических размеров – переход на более тонкий технологический процесс. По состоянию на 2009-11 годы во всю использовалась технология в 32 нм при которой длина канала транзистора составляет всего 20 нм. Переход на более тонкий технологически процесс 16 нм началась лишь в 2014 году.
Быстродействие транзисторов по мере их уменьшения растет, но уже не возможен рост тактовой частота ядра процессора, как было до 90 нм технологического процесса. Это говорит лишь о тупике развития кремниевых технологий, хотя они будут использоваться по меньшей мере еще столетие, если конечно не будет осуществлена перезагрузка седьмого цикла цивиализации в этой солнечной системе.
В ближайшее десятилетие должны быть обнародованы графеновые разработки, особенно в этом продвинулись некоторые российские институты благодоря расшифровки информации от предыдущего цикла, названия которых я пока указать не могу.
Графен - это полупроводниковый материал, повторно открытый лишь 2004 году. В нескольких лабораториях уже синтезирован транзистор на базе графена, который может работать в трех устойчивых состояниях. Для аналогичного решения в кремниевом исполнение, потребовалось бы три отдельных полупроводниковых транзистора. Это позволит в недалеком будущем создавать интегральные схемы из меньшего количества транзисторов, которые будут выполнять те же функции, что и их устаревшие кремниевые аналоги.
Еще одним важным преимуществом графеновых полупроводников является их способность работать на высоких частотах. Причем, эти частоты могут достигать 500-1000 ГГц.
Читайте также: