05 Αυγούστου 2012

Ηλεκτρονικές λυχνίες ιστορία και εξέλιξη




Η Ηλεκτρονική είναι καταρχάς ένας υποτομέας της Ηλεκτροτεχνίας, στον οποίο γίνεται μελέτη μη γραμμικών δικτυωμάτων, δηλαδή κυκλωμάτων που περιέχουν, εκτός από αντιστάσεις, πυκνωτές και πηνία, επίσης μη γραμμικά στοιχεία, όπως λυχνίες, τρανζίστορ, θυρίστορ κλπ. 
Στη διάρκεια του 20ου αιώνα, ιδίως μετά την εφεύρεση και εκτεταμένη εφαρμογή του τρανζίστορ, εξελίχθηκε η Ηλεκτρονική σε ένα αυτοτελή και πολύ σημαντικό επιστημονικό και τεχνολογικό τομέα, με τη βοήθεια του οποίου προέκυψαν διάφορες απρόβλεπτες τεχνολογικές και οικονομικές ανατροπές. Η Ηλεκτρονική υποδιαιρείται σε δύο τεχνολογικούς υποτομείς, την Αναλογική και την Ψηφιακή Ηλεκτρονική. Στον τομέα της Αναλογικής Τεχνικής, στον οποίο μεθοδεύεται η επεξεργασία συνεχών σημάτων, αναπτύχθηκαν για αρκετές δεκαετίες οι πρώτες σημαντικές εφαρμογές της Ηλεκτρονικής. Κεντρικό στοιχείο αυτού του κύκλου εφαρμογών είναι ο ενισχυτής (αρχικά με λυχνίες, αργότερα με τρανζίστορ), με τη βοήθεια του οποίου υλοποιούνται σημαντικές λειτουργίες και δημιουργούνται νέα ηλεκτρονικά στοιχεία (ταλαντωτές, φίλτρα κλπ.) 
Στον τομέα της Ψηφιακής Τεχνικής γίνεται επεξεργασία αυνεχών, διάκριτων σημάτων (διάκριτος: διακεκριμένος, εκλεκτός, διακριτός: αισθητός, αντιληπτός), τα οποία υποδηλώνουν αριθμούς ή λογικές τιμές. Τα σήματα αυτά, άλλοτε προέρχονται από ψηφιοποίηση με τη βοήθεια αναλογικών κυκλωμάτων και άλλοτε παρέχονται ως ψηφιακά σήματα στην έξοδο άλλων κυκλωμάτων και διατάξεων. 
Σ’ αυτό τον κύκλο εφαρμογών της Ηλεκτρονικής χρησιμοποιούνται τα βασικά στοιχεία, λυχνία ή τρανζίστορ, ως διακόπτες και όχι πλέον ως ενισχυτές σήματος. Κύριο πλεονέκτημα της ψηφιακής τεχνικής, σε σύγκριση με την αναλογική, είναι η απουσία διαταραχών (θορύβου) που οφείλεται στην επιπρόσθεση ξένων σημάτων, προκύπτουν όμως άλλα προβλήματα  αλλοίωσης δεδομένων.



Δίοδη λυχνία


Πρόκειται για μία λυχνία κενού, στην οποία βρίσκονται δύο ηλεκτρόδια, κάθοδος και άνοδος. Εφόσον η άνοδος βρίσκεται σε υψηλότερο δυναμικό από την κάθοδο, εκπέμπονται από την κάθοδο ηλεκτρόνια, λόγω ισχυρού ηλεκτρικού πεδίου, φωτεινής ακτινοβολίας ή πυρακτώσεως της καθόδου, τα οποία ηλεκτρόνια καταλήγουν στην άνοδο, ώστε να κλείσει το ηλεκτρικό κύκλωμα. Αυτό το ηλεκτρονικό στοιχείο λειτουργεί ως ανορθωτής, επειδή είναι δυνατή η διέλευση ηλεκτρονίων μόνο από την κάθοδο στην άνοδο και όχι αντίστροφα.


Η αρχή της ιστορίας της διόδου μπορεί να συσχετιστεί με διάφορες τεχνικές  επινοήσεις και κατασκευές, όπως με τη φωτολυχνία του Αμερικάνου ερευνητή G.R. Carey το έτος 1875 ή με τη «λυχνία Crookes» που εφεύρε το έτος 1878 ο Εγγλέζος William Crookes ή του Thomas Alva Edison (Έντισον, 1847-1931), ο οποίος διαπίστωσε ότι ένα τρίτο ηλεκτρόδιο σε ένα λαμπτήρα πυρακτώσεως, το οποίο δεν έχει ηλεκτρική επαφή με το αγώγιμο υλικό, διαρρέεται υπό διάφορες πορϋποθέσεις από ηλεκτρικό ρεύμα (φαινόμενο Έντισον) ή με τη λυχνία ακτίνων Χ του Γερμανού Wilhelm Roengten το έτος 1895 ή με την καθοδική λυχνία του επίσης Γερμανού Karl Ferdinand Braun (Μπράουν, 1850-1918) το έτος 1897 ή, τέλος, με τον ανορθωτή ατμών υδραργύρου του Αμερικάνου Peter Cooper-Hewitt (Κούπερ-Χιούιτ) το έτος 1902. 
Ο Μπράουν ερευνούσε τη δυνατότητα τεχνικής αξιοποίησης των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων που είχε ανακαλύψει ο Heinrich Hertz το έτος 1888 κατά τη μελέτη των εξισώσεων Maxwell. Ο Κούπερ-Χιούιτ έβαλε με την κατασκευή του τα θεμέλια του κλάδου της Ηλεκτρονικής αερίων, στων οποίων τις διεργασίες παίζουν αγώγιμο ρόλο επίσης τα θετικά ιόντα.
Το έτος 1904 επινόησε ο Εγγλέζος Ambrose J. Fleming (Φλέμινγκ, 1849-1945) τη λεγόμενη «Fleming Valve» (βαλβίδα), η οποία ήταν ουσιαστικά η πρώτη αξιοποιήσιμη δίοδη λυχνία. Ο όρος δίοδη σχετίζεται με τα 2 ηλεκτρόδια, λυχνία ονομάστηκε λόγω της ομοιότητας του γυάλινου περιβλήματος με αυτό της λυχνίας φωτισμού. Το έτος αυτό κατέθεσε ο Φλέμινγκ μια αίτηση για αναγνώριση ευρεσιτεχνίας με τίτλο «Improvements in Instruments for Detecting and Measuring Alternating Electric Currents» που αφορούσε έναν ανορθωτή κενού με δύο ηλεκτρόδια.



Ο Φλέμινγκ αναζητούσε ένα κατάλληλο ανιχνευτή ραδιοκυμάτων και διαπίστωσε ότι γι’ αυτό το σκοπό προσφερόταν μια κατασκευή που στηριζόταν στο φαινόμενο Έντισον. Ο ίδιος ο Φλέμινγκ ονόμασε τη λυχνία του «Oscillation Valve» και σήμερα θεωρείται αυτή η εφεύρεση ως σημείο εκκινήσεως της εφαρμοσμένης Ηλεκτρονικής. 



Στην εξέλιξη της Ηλεκτρονικής κατά τις επόμενες δεκαετίες διαπιστώθηκε ότι η ανορθωτική διάταξη με αξιοποίηση του δοχείου ατμών υδραργύρου είναι κατάλληλη κυρίως για ενεργειακές εφαρμογές, ενώ η λυχνία κενού αξιοποιήθηκε κυρίως στις Τηλεπικοινωνίες. Με την πάροδο του χρόνου, η συσκευή του Κούπερ γινόταν όλο μεγαλύτερη, η λυχνία του Φλέμινγκ όλο μικρότερη.


Τρίοδη και άλλες λυχνίες

Το έτος 1906 κατασκεύασε ο Αμερικάνος τεχνικός Lee de Forest (ντε Φόρεστ, 1873-1961) μία νέα λυχνία με τρία ηλεκτρόδια, την οποία ονόμασε «Audion» και η οποία είχε ως προορισμό την ανίχνευση υψίσυχνων σημάτων.
Το τρίτο ηλεκτρόδιο που ενσωμάτωσε ο ντε Φόρεστ στη λυχνία, η οποία έτσι έγινε τρίοδη, ήταν ένα μεταλλικό πλέγμα με μεταβλητό δυναμικό, το οποίο πλέγμα ήταν διαπερατό για ένα μέρος των ηλεκτρονίων που κινούνταν από την κάθοδο στην άνοδο και έτσι ελεγχόταν η ροή τους.
Ο Φλέμινγκ που είχε επινοήσει τη δίοδη λυχνία, κατήγγειλε τον ντε Φόρεστ για αντιγραφή της δικής του εφεύρεσης, προφανώς όμως δεν είχε αντιληφθεί το σημαντικό νεωτερισμό που προέκυψε με την κατασκευή του Φλέμινγκ και αφορούσε τον ηλεκτρονικό ενισχυτή.
Ο ντε Φόρεστ που πέρασε μια ζωή γεμάτη περιπέτειες με αποτυχημένες  επιχειρήσεις, σε δίκες για αμφισβήτηση τεχνικών επινοήσεών του και εξ αιτίας οικογενειακών προβλημάτων, υλοποίησε την τρίοδο λυχνία τον έλεγχο μιας ενεργειακής ροής με ένα ασθενές σήμα, κάτι που επιδιώκεται πάντα στη διεπαφή ανθρώπου με τις μηχανές.
Για παράδειγμα, ο οδηγός αυτοκινήτου, ο τιμονιέρης πλοίου ή ο πιλότος  αεροπλάνου επιδρούν με την ασθενική δύναμη των χεριών τους ώστε να ελεγχθούν οι σημαντικές ενεργειακές ροές που οδηγούν στην κίνηση των βαρέων οχημάτων που οδηγούν.
Η τρίοδη λυχνία του ντε Φόρεστ αξιοποιήθηκε σε πολλές εφαρμογές ως ενισχυτής αλλά κυρίως για σήματα ήχου (audio), αλλά και ως ηλεκτρονικός διακόπτης. Με αυτή την ιδιότητα του διακόπτη χρησιμοποιήθηκε αργότερα η τρίοδη λυχνία στην κατασκευή των πρώτων ηλεκτρονικών υπολογιστών.
Το έτος 1914 ανακοίνωσε ο ντε Φόρεστ την κατασκευή ενός κυκλώματος και ενός δέκτη υψίσυχνων σημάτων με «αναγέννηση», «ανασύσταση» του σήματος, το οποίο ονομάστηκε regenerative circuit και regenerative receiver, εφευρέσεις που προκάλεσαν δικαστικές αντιδικίες με άλλους εφευρέτες, οι οποίοι τον κατηγόρησαν για κλοπή πνευματικής ιδιοκτησίας. Οι δίκες κράτησαν σχεδόν 20 χρόνια και έφτασαν μέχρι το ανώτατο δικαστήριο των ΗΠΑ, όπου ο ντε Φόρεστ βγήκε μεν νικητής, όσοι έζησαν όμως τα γεγονότα ήταν βέβαιοι ότι η αρχική ιδέα γι’ αυτές τις κατασκευές ανήκε στον τεχνικό Edwin Armstrong.
Η εξέλιξη στον τομέα των λυχνιών ήταν συστηματική, αφού άρχισαν όλοι οι ερευνητές και οι μεγάλες εταιρίες να μελετούν τη συμπεριφορά λυχνιών με περισσότερα ηλεκτρόδια και ειδικές κατασκευαστικές διαμορφώσεις, ώστε να πετύχουν τα κατά περίπτωση επιθυμητά αποτελέσματα.
Το 1919 παρουσίασε ο Γερμανός Walter Schottky (Σότκυ, 1886-1976) την τετράοδη λυχνία (tetrode), η οποία έχει αρνητική αντίσταση και αξιοποιήθηκε ως ενεργό στοιχείο σε ταλαντωτές, αλλά σε ορισμένες περιπτώσεις και σε τελικούς ενισχυτές και το 1926 ο Ολλανδός Bernhard D.H. Tellegen (Τελεγκέν) την πέντοδη λυχνία (pentode), η οποία χρησιμοποιήθηκε για μεγάλες ενισχύσεις σήματος με μέτρια ισχύ, υψηλής και χαμηλής συχνότητας. Οι κυριότερες εφαρμογές των πέντοδων λυχνιών ήταν σε τελικές βαθμίδες ενισχυτών. Εκτιμάται ότι οι μισές περίπου από τις λυχνίες που κατασκευάστηκαν και διατέθηκαν στην παγκόσμια αγορά ήταν πέντοδοι.
Οι επόμενες με περισσότερα ηλεκτρόδια ονομάζονται λυχνίες μείξης σημάτων, εξ αυτών δε η εξάοδος (hexode) συνδυάζει τη λειτουργία μιας τρίοδης και μιας τετράοδης λυχνίας και παρουσιάζει ανοδικό ρεύμα ως αποτέλεσμα του γινομένου των τάσεων στα δύο πλέγματα. Η επτάοδος λυχνία (septode) εποτελεί βελτιωμένη έκδοση της εξάοδης με ένα επιπλέον πλέγμα αναχαίτισης δευτερευόντων ηλεκτρονίων. Η οκτάοδος (oktode) περιλαμβάνει και τη λειτουργία ταλαντωτή, ενώ η εννιάοδη λυχνία (nonode) πραγματοποιεί την αποδιαμόρφωση συχνότητας και την ενίσχυση του σήματος χαμηλής συχνότητας.
Ήδη το έτος 1916 πραγματοποίησε ο ντε Φόρεστ εκπομπές μουσικής με άριες του Enrico Caruso και διαφημίσεις των τεχνικών κατασκευών του, αλλά το τεχνολογικό αυτό γεγονός έμεινε μάλλον άγνωστο, γιατί δεν ήταν διαθέσιμοι ραδιοφωνικοί δέκτες.


Στις αρχές της δεκαετίας του 1920 κατηγορήθηκε πάλι ο ντε Φόρεστ ότι «έκλεψε» μια ιδέα του τέως συμφοιτητή και φίλου του Theodore Willard Case για την εισαγωγή ήχου στις ταινίες του βωβού κινηματογράφου. Ο ντε Φόρεστ ισχυριζόταν ότι το «Phonofilm» που είχε εφεύρει ήταν εξέλιξη ιδεών κάποιων τεχνικών από τη Γερμανία, με αξιοποίηση του φαινομένου Kerr, και όχι του τέως συμφοιτητή του. Η ιδέα του Phonofilm ήταν να αποτυπώνονται σε μία ζώνη, δίπλα στα καρέ της ταινίας οπτικά ίχνη, τα οποία αποτελούν αποτυπώματα των ηλεκτρικών σημάτων του ήχου. Κατά την προβολή της ταινίας γίνεται σύγχρονη μετατροπή αυτών των αποτυπωμάτων σε ηλεκτρικά σήματα και στη συνέχεια σε ήχο.


Ο ντε Φόρεστ επισκέφτηκε τότε όλα τα κινηματογραφικά στούντιο του Χόλυγουντ για να παρουσιάσει την εφεύρεσή του, αλλά συνάντησε αδιαφορία. Μάλιστα, ο H.M.Warner, της εταιρίας Warner Brothers απογοήτευσε το έτος 1927 τον επισκέπτη, λέγοντάς του: «Ποιος μπορεί να ενδιαφέρεται να ακούει τους ηθοποιούς να μιλάνε;»


Αργότερα επέλεξαν οι εκπρόσωποι των κινηματογραφικών εταιριών ένα άλλο σύστημα ομιλίας στις ταινίες, αλλά λίγο μετά κατέληξαν πράγματι στο Phonofilm του ντε Φόρεστ, το οποίο χρησιμοποιείται, βελτιωμένο, μέχρι σήμερα. Το έτος 1959/1960 απονεμήθηκε μάλιστα στον εφευρέτη του ένα Όσκαρ, στα πλαίσια της γνωστής απονομής βραβείων για ταινίες, για την πρωτοποριακή εφεύρεσή του σύγχρονου ήχου σε κινηματογραφική ταινία. 



Ο εφευρέτης της τρίοδης λυχνίας ζούσε για αρκετές δεκαετίες σε απομόνωση από όλους τους τεχνικούς της εποχής, γιατί είχε κακή φήμη λόγω των αλλεπάλληλων κατηγοριών για κλοπή ιδεών από συνεργάτες και συναδέλφους του. Πέθανε σε ηλικία 88 ετών στο Χόλυγουντ, μακριά από τα κέντρα της τεχνολογίας, αλλά κοντά στις κινηματογραφικές εταιρίες, με τις οποίες απέκτησε πολλά χρήματα για την αξιοποίηση της εφεύρεσης του Phonofilm.


του Στ. Γ. Φραγκόπουλου, Δρ.Μηχ., Καθηγητή ΤΕΙ Αθήνας



Δεν υπάρχουν σχόλια:
Write σχόλια