Tuto esej o historii elektronek jsem původně psal do předmětu dějiny a filosofie techniky, kterou na FEKTu přednáší pan ThMgr. Milan Klapetek. Úkolem bylo sepsat krátkou, populárně-naučnou esej na libovolné téma z dějin techniky.
Bohužel jsem k dokončení textu neměl tolik času, kolik bych si přál, ale i tak bylo objevování informací zajímavé a populárně-naučný styl vyprávění jsem si nakonec užil. Byla to příjemná změna oproti diplomové práci, kde je potřeba každou informaci citovat a ověřovat z více zdrojů :)
Letopočty klíčových událostí berte s rezervou, odhadem tak ±3 roky. Například rok, ve kterém Edison sestrojil svou experimentální diodu je v různých zdrojích uváděn jako 1883 i 1885. Letopočty proto berte spíše jako orientační.
Úvod
Elektronky nebo také lampy jsou dnes téměř zapomenuté elektronické součástky, které ovšem ve své době umožnily vznik a rozvoj sdělovací techniky, výpočetní techniky a dalších podoborů elektrotechniky. Elektronky stály u rozvoje rádiové komunikace i prvních elektronických počítačů. Když už nic jiného, jsou zajímavou a důležitou kapitolou v technické historii lidstva a jak si povíme v závěru tohoto povídání, stále jsou v některých oblastech používány pro své specifické vlastnosti.
Vývoj žárovky
Základy, na kterých později elektronky vznikly, byly položeny již v roce 1802. Tehdy sir Humphry Davy (1778-1829) připojil tenký pásek platiny ke své alkalické baterii. Plátek se okamžitě rozžhavil a začal zářit. Davy tak svořil první žárovku, která však nesvítila příliš dlouho ani dostatečně jasně. Ovšem základ byl položen.
O téměř 30 let později, v roce 1835, byla představena dokonalejší verze žhavící žárovky. O tuto podívanou se postaral skotský vynálezce James Bowman Lindsay (1799-1862), který na veřejném setkání svůj nový vynález zapnul a prohlásil, že s tímto světlem lze „v noci číst knihu až na vzdálenost jeden a půl stopy“. Se svým vynálezem byl Lindsay spokojen a svou pozornost následně obrátil k nově vznikající bezdrátové telegrafii.
Jelikož Lindsay již ve zdokonalení svého objevu nepokračoval, muselo se počkat na dalšího vynálezce. Tím se v roce 1840 stal britský chemik a astronom Warren De la Rue (1815-1889). Ten pokračoval v Davyho myšlence použít platinu, která má vysokou teplotu tání, a proto se zdála jako vhodný kandidát pro žhavicí vlákno žárovky. Rue pásek platiny uzavřel do trubice z níž odčerpal vzduch, který by jinak způsoboval rychlé hoření vlákna. Tento postup sice výrazně prodloužil životnost žárovky, ovšem hlavní nedostatek Davyho i Rueho verze přetrvával – vysoká cena platiny znemožňovala širší komerční nasazení.
Od této doby začali na vývoji žárovky pracovat mnozí vynálezci různých národností – Angličané, Američane, Francouzi i Rusové. Vývoj pokračoval ohromným tempem až do konce 19. století a nesl se v duchu krádeží a patentních válek, které v mnohém připomínaly dnešní patentní spory internetových společností.
V této době se mezi vynálezci objevuje jméno, které se později zapíše do historie a podvědomí lidí jako synonymum pro technického i obchodního génia – Tomas Alva Edison (1847-1931). Tento všestranný Americký vynálezce a obchodník ke konci svého života vlastnil ve Spojených státech více jak 1000 patentů. Mezi nimi i patenty na první komerčně úspěšnou žárovku, která se dala vyrábět sériově za nízkou cenu. Těmto patentům však předcházely stovky experimentů a úprav a právě jeden experiment, který ale Edison považoval za ztrátu času, nás bude zajímat podrobněji.
Kenotron neboli první dioda
Přibližně v roce 1883 vložil Edison do jedné vakuové baňky kromě žhavicího vlákna i úzký kovový pásek. Poté vlákno nažhavil elektrickým proudem a mezi jeden konec vlákna a kovový pásek připojil citlivý ampérmetr. Edison zjistil, že ampérmetr naměří proud mezi vláknem a proužkem jen tehdy, když je vlákno dostatečně žhavé. Tato zvláštnost vzbudila Edisonův zájem, a proto v experimentu pokračoval. Mezi jeden konec vlákna a ampérmetr připojil baterii s vysokým napětím a proud tekoucí přes ampérmetr se mnohonásobně zvětšil. Pokud ovšem změnil polaritu baterie – kladný pól připojil k vláknu – proud ampérmetrem netekl.
Tento experiment sice na chvíli probudil Edisonovu zvědavost a dokonce si jeho výsledek nechal patentovat, ale neviděl v něm žádné praktické využití a tak se dál věnoval vývoji žárovky. Dnes již víme, že Edisonův objev se nazývá tepelná emise elektronů a je základním principem všech elektronek. Na další rozvoj tohoto jevu se však muselo počkat až do začátku 20. století.
Byl to sir John Ambrose Fleming (1849-1945), který v roce 1904 znovuobjevil Edisonovu tepelnou emisi a sestrojil první elektronku – diodu. Fleming ji ovšem tehdy označil prostým slovem ventil, což přesně odpovídá funkci, kterou vykonává. Dioda propouští elektrický proud pouze jedním směrem. V případě, že se změní směr proudu, ventil přestane proud propouštět a tedy funguje jako usměrňovač. Tato vakuová dioda, tehdy nazývaná i kenotron nebo Flemingův ventil, našla své využití v nově vznikajícím oboru – sdělovací technice, v rádiových (a později i televizních) vysílačích, přijímačích, radarech…
Audion
Dioda tedy umožnila vznik jednoduchých rádiových vysílačů a přijímačů. Aby se nový obor mohl dále rozvíjet, musela vzniknout součástka, která umožní zesílit slabé elektrické signály. S tímto objevem přišel v roce 1906 americký vynálezce Lee de Forest (1873-1961). De Forest experimentoval s tepelnou emisí Flemingova ventilu a mezi žhavicí vlákno a kovový pásek vložil další pásek kovu, kterému začal říkat mřížka. Tato nová úprava způsobila, že relativně malé napětí na nově přidané mřížce výrazně ovlivnilo proud tekoucí mezi vláknem a anodou. Zesilovací prvek, kterému se tehdy začalo říkat audion, byl na světě a Forest si svůj objev nechal okamžitě patentovat. Později, po roce 1920 se audionu začalo říkat trioda, jelikož již nesloužit výhradně k zesilování audia, ale signálů obecně a výrazně se zasloužil o rozvoj elektroniky, zpracování signálů a nepřímo také o vznik výpočetní techniky.
Další vývoj triody
Po objevu triody se začalo mnoho vědců, vynálezců i amatérů zajímat o elektroniku a rozvíjet tehdejší znalosti. Jedním z důležitých milníků v životě elektronek je rok 1914. Do té doby se totiž obecně uznával názor, který šířila firma Lee de Foresta, že je nutné v baňce triod ponechat zbytkové množství plynu, které se pak podílí na přenosu elektronů od katody k anodě. V roce 1914 se však americký chemik a fyzik Irving Langmuir (1881-1957) začal tímto problémem zabývat a tento názor později vyvrátil. Jeho konstrukce difusní vývěvy umožnila vznik elektronek s mnohem kvalitnějším vakuem a tím pádem i mnohem větší životností a stabilnějšími parametry. První elektronky tak obsahovaly vakuum cca 10 μPa a dalším výzkumem v této oblasti se tlak zmenšil až na 10 nPa.
Langmuir také zjistil, že pokud se žhavicí vlákno stočí do tvaru pružiny, zvýší se tak jeho účinnost. Společně se svým kolegou Lewi Tonksem dále zvýšili jeho živostnost použitím wolframu jako materiálu k jeho výrobě, a zároveň vyplnili baňku inertním plynem.
S těmito objevy, které vedly ke zlepšení a zkvalitnění elektronek se rozšiřovala i oblast jejich použití. Čím dál častěji se používaly ve vysokofrekvenčních obvodech, kde se ale narazilo na velký problém – zesílení elektronkových zesilovačů té doby muselo být hodně omezeno, jinak se začala projevovat vstupní kapacita. Tento problém se začal řešit připojením malé cívky a kondenzátoru, který měl vstupní kapaticu vyrušit. Tento způsob eliminace vstupní (nebo také Millerovy kapacity, podle Johna Miltona Millera, amerického elektotechnika, který se tímto jevem zabýval) kapacity dal vzniknout rádiovým přístrojům typu neutrodyn. Ani toto však nevyřešilo problém dostatečně a tehdejší vývojáři bojovali s omezeným frekvenčním rozsahem, se kterým dokázal neutrodyn pracovat.
Tetroda a nepřímo žhavené elektronky
Tyto obtíže vyřešil až neměcký fyzik Walter Hermann Schottky (1886-1976), který do triody vložil další mřížku a stvořil tak tetrodu. Úprava vyřešila Millerovu kapacitu, ale způsobila výraznou nelinearitu v charakteristice této elektronky, což později vedlo k vývoji pentody a svazkové tetrody.
Další konstrukční úpravy elektronek spočívaly ve sloučení více typů do jedné baňky, což se výrazně projevilo na menší ceně tehdejších přijímačů typu superheterodyn, které vyžadovaly jednu elektronku pro lokální oscilátor, druhou pro směšovač a další pro samotné zesilovače. Toto slučování více typů elektronek sice znamenalo kompromisy v kvalitě a živostnosti, ale například v Neměcku to byla také důležitá konkurenční výhoda. Ve 20. letech 20. století zde totiž platila daň z počtu elektronkových patic na jedno zařízení. Menší počet patic znamenal menší daň a tedy zařízení vyšlo zákazníka levněji.
Až do 30. let 20. století se vyráběly elektronky, jejichž katoda byla zároveň žhavicí mřížkou. Takovým elektronkám dnes říkáme přímo žhavené a mají jednu zásadní nevýhodu. Žhavení vlákna musí být realizováno stejnosměrným napětím. Do té doby tento problém nebyl až tak zásadní, jelikož elektronkové přístroje byly napájeny z baterií (říkalo se jim baterie A, B a někdy používaná i baterie C). Problém nastal v okamžiku, kdy se elektronky začaly napájet střídavým síťovým napětím. V takovém případě i nejmenší zvlnění na katodě způsobilo nepříjemné 50/60 Hz bručení v jinak perfektním audio zesilovači.
Řešením, které se nakonec ukázalo jako nejlepší a které zároveň vyřešilo i jiné problémy bylo oddělení žhavicího vlákna od katody. Žhavicí vlákno se tak mohlo napájet střídavým napětím a již neovlivňovalo napětí na katodě, jelikož ta byla galvanicky oddělena. Těmto elektronkám dnes říkáme nepřímo žhavené a používají se až do dnešních dnů.
Od vakua ke křemíku
Éra elektronek skončila vynálezem polovodičových součástek. První zmínky o polovodičových tranzistorech se sice objevují již začátkem 20. století, ale jejich opravdové nasazení ve spotřební elektronice nastalo až koncem 40. let. Jejich vlastnosti jako dlouhá živostnost, spolehlivost, vysoká účinnost a mnohonásobně menší spotřeba oproti elektronkám zapříčinily jejich téměř okamžité rozšíření.
Ovšem elektronky se v menší míře používaly stále. Ještě v 60. letech 20. století se konstruovaly velké sálové počítače, jejich výpočetní jednotky obsahovaly elektronky. I zde se ale začaly výhradně používat polovodiče a poslední ranou elektronkám byl vznik technologií pro výrobu integrovaných obvodů.
I přes nesporné výhody polovodičů jsou elektronky stále dodnes používány. Najdeme je například ve vysoce kvalitních zesilovačích, kde si posluchači cení jejich nezaměnitelného zkreslení, v mikrovlných troubách, radarech a všude tam, kde potřebujeme zpracovávat vysokofrekvenční signály o velkých výkonech.
Elektronky, nebo také lampy mají svou slávu za sebou. Jejich vznik a zdokonalování definovalo tehdejší elektrotechniku a výrazně napomohlo rozvoji dnešní moderní společnosti zaměřené na výpočetní techniku a rychlé způsoby komunikace. Elektronkám tedy patří jejich místo v historii a určitě si zaslouží alespoň malou pozornost i v dnešní době.
Závěr
Pokud máte k tomuto tématu jakoukoliv literaturu, případně informace které jsem zde neuvedl nebo jsem uvedl chybně, rád si rozšířím obzory. Téma mě zaujalo a rád si o této elektronkové době přečtu více.