Era lamp próżniowych

Teoretyczne i eksperymentalne badania nad elektrycznością w XVIII i XIX wieku doprowadziły do skonstruowania pierwszych maszyn elektrycznych i zapoczątkowały powszechne stosowanie elektryczności. Historia elektroniki zaczęła się rozwijać oddzielnie od historii elektryczności pod koniec XIX wieku wraz z identyfikacją elektronu przez angielskiego fizyka Sir Josepha Johna Thomsona i pomiarem jego ładunku elektrycznego przez amerykańskiego fizyka Roberta A. Millikana w 1909 roku.

W czasie pracy Thomsona, amerykański wynalazca Thomas A. Edison zaobserwował niebieskawy blask w niektórych swoich wczesnych żarówkach w pewnych warunkach i stwierdził, że prąd będzie płynął z jednej elektrody w lampie do drugiej, jeśli druga (anoda) zostanie naładowana dodatnio w stosunku do pierwszej (katody). Prace Thomsona i jego studentów oraz angielskiego inżyniera Johna Ambrose’a Fleminga wykazały, że ten tak zwany efekt Edisona jest wynikiem emisji elektronów z katody, czyli gorącego żarnika w lampie. Ruch elektronów do anody, metalowej płytki, tworzył prąd elektryczny, który nie istniałby, gdyby anoda była naładowana ujemnie.

To odkrycie dało impuls do rozwoju lamp elektronowych, w tym ulepszonej lampy rentgenowskiej przez amerykańskiego inżyniera Williama D. Coolidge’a i zaworu termionowego Fleminga (dwuelektrodowej lampy próżniowej) do użytku w odbiornikach radiowych. Wykrywanie sygnału radiowego, który jest prądem zmiennym (AC) o bardzo wysokiej częstotliwości, wymaga wyprostowania tego sygnału; tzn. prąd zmienny musi zostać przekształcony w prąd stały (DC) przez urządzenie, które przewodzi tylko wtedy, gdy sygnał ma jedną polaryzację, a nie przewodzi, gdy ma drugą – dokładnie to robił zawór Fleminga (opatentowany w 1904 r.). Wcześniej sygnały radiowe były wykrywane przez różne empirycznie opracowane urządzenia, takie jak detektor „kocich wąsików”, który składał się z cienkiego drutu (wąsika) w delikatnym kontakcie z powierzchnią naturalnego kryształu siarczku ołowiu (galeny) lub innego materiału półprzewodnikowego. Urządzenia te nie były niezawodne, nie posiadały wystarczającej czułości i wymagały ciągłej regulacji styku trzepaczki z kryształem, aby uzyskać pożądany rezultat. Były one jednak prekursorami dzisiejszych urządzeń półprzewodnikowych. Fakt, że prostowniki kryształowe w ogóle działały, zachęcił naukowców do ich dalszego badania i stopniowego uzyskiwania fundamentalnego zrozumienia właściwości elektrycznych materiałów półprzewodzących, niezbędnych do wynalezienia tranzystora.

W 1906 roku Lee De Forest, amerykański inżynier, opracował typ lampy próżniowej, która była zdolna do wzmacniania sygnałów radiowych. De Forest dodał siatkę z cienkiego drutu pomiędzy katodę i anodę dwuelektrodowego zaworu termionowego skonstruowanego przez Fleminga. Nowe urządzenie, któremu De Forest nadał nazwę Audion (opatentowaną w 1907 roku), było więc lampą próżniową z trzema elektrodami. W trakcie pracy, anoda w takiej lampie próżniowej ma potencjał dodatni (dodatnio spolaryzowany) w stosunku do katody, podczas gdy siatka jest spolaryzowana ujemnie. Duże ujemne wychylenie siatki uniemożliwia elektronom wyemitowanym z katody dotarcie do anody; jednakże, ponieważ siatka jest w dużej mierze otwartą przestrzenią, mniej ujemne wychylenie pozwala niektórym elektronom przejść przez nią i dotrzeć do anody. Małe zmiany w potencjale siatki mogą więc sterować dużymi ilościami prądu anodowego.

Lampa próżniowa umożliwiła rozwój radiofonii, telefonii długodystansowej, telewizji i pierwszych elektronicznych komputerów cyfrowych. Te wczesne komputery elektroniczne były w rzeczywistości największymi systemami lamp próżniowych, jakie kiedykolwiek zbudowano. Prawdopodobnie najbardziej znanym przedstawicielem jest ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer), ukończony w 1946 roku.

Specjalne wymagania wielu różnych zastosowań lamp próżniowych doprowadziły do licznych ulepszeń, umożliwiających im obsługę dużych ilości mocy, pracę przy bardzo wysokich częstotliwościach, większą niż przeciętna niezawodność, czy też bardzo małe rozmiary (wielkość naparstka). Lampa elektronopromieniowa, pierwotnie stworzona do wyświetlania przebiegów elektrycznych na ekranie do pomiarów inżynierskich, przekształciła się w lampę obrazową do telewizora. Takie lampy działają poprzez formowanie elektronów emitowanych z katody w cienką wiązkę, która uderza w ekran fluorescencyjny znajdujący się na końcu lampy. Ekran emituje światło, które może być oglądane z zewnątrz lampy. Odchylanie wiązki elektronów powoduje powstawanie wzorów świetlnych na ekranie, tworząc pożądane obrazy optyczne.

Niezależnie od niezwykłego sukcesu urządzeń półprzewodnikowych w większości zastosowań elektronicznych, istnieją pewne wyspecjalizowane funkcje, które mogą wykonywać tylko lampy próżniowe. Zazwyczaj wiążą się one z działaniem przy ekstremalnych wartościach mocy lub częstotliwości.

Rury próżniowe są delikatne i ostatecznie zużywają się w trakcie eksploatacji. Uszkodzenie następuje w normalnym użytkowaniu albo na skutek powtarzającego się nagrzewania i chłodzenia w miarę włączania i wyłączania sprzętu (zmęczenie termiczne), co ostatecznie powoduje fizyczne pęknięcie jakiejś części wewnętrznej struktury lampy, albo na skutek degradacji właściwości katody przez pozostałości gazów w rurze. Lampy próżniowe potrzebują również czasu (od kilku sekund do kilku minut), aby „rozgrzać się” do temperatury roboczej – co w najlepszym przypadku stanowi niedogodność, a w niektórych przypadkach poważne ograniczenie w ich użytkowaniu. Te niedociągnięcia zmotywowały naukowców z Bell Laboratories do poszukiwania alternatywy dla lampy próżniowej i doprowadziły do opracowania tranzystora.

.