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.

Игорь Захаров

p-partner-img

Батарея, созданная Вольтом, также известна как Вольтов столб. Она состояла из соединенных между собой пластин цинка и меди, а также сукна, пропитанного кислотой

Эксперимент Гальвани De viribus electricitatis in motu musculari

Телеграфный ключ и эхолот, запатентованный в 1901 году, ITU Pictures

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

Компьютер Z1

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

Деталь интегральной схемы через четыре слоя плоского медного межсоединения

Чипа D-Wave Systems Inc., смонтированный проволокой в ​​держателе

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: