真空三极管如何工作的？浅谈真空三极管的由来

一、背景介绍

在晶体管发明之前，最重要的电子设备是真空三极管。 所有的收音机都使用它们，早期的电视也使用它们。 你知道吗，即使是早期的计算机也使用这些带有插座的真空管灯泡， 体积巨大，充满了整间房屋。 但它们是如何工作的？它们是如何以及为什么发明的？ 这是一个关于灯泡内部的污迹，一个记忆力很好的助手，和一个发明专利欺骗行为。 这里面的故事让我们听 Kathy 老师娓娓道来吧。

二、灯泡里面的污渍

这一切都始于 1880 年的普通灯泡。托马斯·爱迪生 (Thomas Edison) 注意到， 当他的灯泡坏了时，灯泡内部通常会在灯丝正极附近产生黑色污迹。  他尽最大努力制造出优质的真空灯泡，因此他非常确定这些污渍不是由灯泡内的任何物质产生的。 因此，他推断一定是灯丝本身蒸发出的东西。

▲ 图2.2.1 灯泡内部的污渍

然后他在灯泡上加了一个金属板， 希望灯丝发出的任何东西都能粘在金属板上，并能在第一时间防止灯丝断裂。 事实证明，这个金属板并没有多大帮助。 然而，他注意到，如果在灯丝和极板之间添加另一个电池，就会发生一些奇怪的事情。  如果金属板为正，则电流可以流动， 但如果板为负，则电流不会流动。 爱迪生申请了电压表的专利，尽管他真的不知道发生了什么，也不知道为什么将来会有人想要这种昂贵且无效的电压表。

▲ 图32.2.2 灯泡内部的金属电极板

这中间到底发生了什么事？ 好吧，这一切都与带负电的电子的运动有关。 在灯泡里， 当灯丝变热时，电子可以变得自由。 当灯丝断裂时，电子会飞向正极，并带动灯丝物质在旁边玻璃壁上留下黑色污迹。  如果在灯丝断裂之前，在灯丝和板之间加了一个额外的电压，灯丝带负电，板带正电，带负电的电子很容易从灯丝跳到带正电的板上，让电流流动。 然而，如果板带负电，那么电子会留在板上，因为它是冷的，而不是集中在细丝上。 这被称为爱迪生效应。

▲ 图32.2.3 灯泡中的电流

三、无线检波器

尽管除了申请专利外，爱迪生对此并不感兴趣。 然而，爱迪生有一位年轻的英国技术顾问，名叫约翰·安布罗斯·弗莱明，他对此很感兴趣。 弗莱明原本在爱迪生那里从事交流电技术研发，爱迪生看他不务正业，很快决定辞退弗莱明并将他送回英国。

岁月如梭，过了 24 年，到 1904 年 10 月。 此时，弗莱明已成为古列尔莫·马可尼 (Guglielmo Marconi) 的技术顾问，帮助他发送无线电报信号。 马可尼当时最大的问题是他的接收器。 马可尼使用了一个内部带有细碎金属粉末管子，被称为相关检波器。 平时它不导电。当无线电波通过它时，这些金属粉末会粘在一起或凝聚在一起， 电极之间电阻下降， 在电压作用下形成接收信号输出。 然后在信号接收之后它被旁边电磁铁敲击恢复不导通状态。 它很慢，笨拙且效率低下。

▲ 图32.3.2 马可尼的无线接收机

根据当时的一位工程师的说法， 相干检波器 “虽然被宣传为很棒，但它相当不靠谱，而且糟糕。它在该导通的时候不导通，而在不该工作的时候却随着时间的推移导通。”  

在此一年前， 1903 年，加拿大人雷金纳德·费森登 (Reginald Fessenden) 制作了一种化学电解检测器， 利用化学反应对电流的一个方向进行整流或者去除，以便在耳机上可以听到高频无线信号。 Fleming 认为，检测器在高频下效果不佳。此外，他们没有持有专利。

▲ 图32.3.3 Reginal Fessenden 和他的电机整流器

四、真空二极管

据弗莱明后来回忆， 当他突然想到这个问题时，非常高兴。  为什么不试试灯泡呢？  他写信给马可尼说，“我找到了一种对电子信号整流方法”，就是让电流都朝同一个方向流动。 到 11 月，弗莱明为所谓的弗莱明真空管或真空二极管申请了专利， di 代表两个， ode 代表路径。

▲ 图32.3.4 弗莱明真空二极管

请注意，弗莱明真空管与爱迪生效应真空管完全相同。不同的是在如何使用它的方式上。  那么，让我们谈谈弗莱明的所作所为。 弗莱明使用带有线圈的天线来接收无线电信号。 然后他利用另一个线圈与第一个线圈形成互感， 这样第一个线圈中的交流电就会在第二个线圈中感应出交流电。  然后他让这个信号通过一个灵敏的电流计，称为镜面反射检流计， 信号的一端到达真空二极管的正极， 另一端到达他的真空管灯丝，灯丝由电池加热。  因此，真空管使信号单向流动，从而使仪表朝一个方向转动并可以记录下来。

▲ 图32.3.5 弗莱明的真空二极管检波器

弗莱明没有戴耳机，可能是因为他部分失聪。 这种方法效果很好，但由于价格过于昂贵，因此不太受欢迎。 而且大多数人开始使用半导体，并使用所谓的晶体组合作为整流器。 然而，有一个人对 Fleming 真空管非常感兴趣，他的名字叫 Lee de Forest。 当时，雷金纳德·费森登 (Reginald Fessenden) 起诉 Lee de Forest 抄袭他的电解检测器。  因此，de Forest 正在寻找一种新的探测器。

五、真空三极管

我们知道德福雷斯特了解过弗莱明真空二极管， 因为在 1905 年 12 月，德福雷斯特申请了专利时，写到： 专利使用了 “J.A 弗莱明 (J.A Fleming) 的电子管，弗莱明的专利中对其进行了全面描述”。 五周后，Deforest 申请了一种新检测器的专利，该检测器与弗莱明真空二极管惊人地相似。 在真空管中都有一根灯丝和一块金属板，他用电池驱动灯丝。 他们还从天线接收无线电波并将其通过真空二极管中的阳极和灯丝。

▲ 图A32.5.1 德福雷斯特无线检波器

事实上，只有四个非常小的差异。 首先，de forest 使用耳机代替电流表。  其次，他加了一个似乎没什么用的额外电池。  第三，他没有使用并联线圈，至少在这个电路中是这样。  第四，他错误地认为灯泡中的微量气体能够电离而带电，这就是导致电流流动的原因。 所以，他坚持认为灯泡不是完美的真空。  因为这个装置是用来发出声音的，他错误地认为它与气体的电离有关。他将此称为三极管。

▲ 图32.5.1 德福雷斯特无线检波器与弗莱明无线检波器

不出意外，弗莱明对 de Forest 专利侵权提起诉讼。  为了躲避专利诉讼，de Forest 开始在真空管设施中到处添加金属电极。 他用锡纸包裹了他的真空管、他用铁丝在外面绕了一圈、 他在灯泡内有多个连接板， 不论是有用的还是无用的，他就乱加一气。 在 1906 年的圣诞节那天，de Forest 将这些乱七八糟的真空管整理成有三个电极的灯泡， 即灯丝、阳极金属板，以及在它们之间弯曲成之字形的金属丝，他称之为栅极。 在1922年真空管中间添加第三根栅极，这个发明非同寻常， 被描述为“人类在整个无线电通信发展过程中迈出的最重要的一步”。

▲ 图32.5.3 弗莱明的真空三极管

六、工作原理

那么，栅极做了什么？ 好吧，想象一下你通过用电池加热灯丝。  附加一个单独的电压，使灯丝为负极，金属板为正极，形成接受电子的阳极。 在这种情况下，电子会从加热的灯丝上发射，经过栅极线，到达阳极上。

▲ 图32.6.1 栅极可以控制电流

然后想象一下，向网格线施加微弱的电信号。 如果在栅极上增加正电压，更多的电子会被吸引前往栅极，大部分穿过栅极达到阳极。这将大大增加阳极上的电流。  但是，如果栅极线施加负电压，它会阻止负电子通过，从而大大降低电流。

这样，栅极上的微小电压变化就能使从阳极流出的电流发生巨大变化。 这既是电放大器，又是电整流器，或单向真空管。

不幸的是，Lee de Forest 无法让他的设备工作得那么好，他大多只是将它用作复杂的整流器。 此外，de Forest 确信，真空管内需要有一点气体才能使它工作。 可能是为了躲避弗莱明真空管专利限制，这些夹杂着错误认识的做法导致一些三极管质量低下。  因为三极管价格昂贵，结构复杂，质量参差不齐，所以很少有人使用。

七、后记

直到它发明五年后，一位名叫霍华德·阿姆斯特朗本科生，  性格坚韧不拔，想出了如何让三极管能够放大无线电信号并开始唱歌的方法，方法是在他称为再生的系统中将信号反馈给三极管。 

这就是真空三极管，未来 50 年电子设计中的瑞士军刀。这意味着它会被用于一切电子电路中。 

如果不是因为这些电子器件的诞生，就不会有后来的收音机。 是的，包括我在内，还有成千上万人的工作归功于真空管。 事实上，几乎每个人都以某种方式从中受益。

参考资料

[1]Triode Vacuum Tube: History & Physics: https://www.youtube.com/watch?v=0Smj2nHo9zA

[2]Kathy老师讲述的有趣科学历史: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/128637281

编辑：黄飞