DE VLAMMENDE DIODE / TRIODE

Theo Faber PA2THF

 

Wie de kennis en technologie nog niet heeft zal slim, vindingrijk en volhardend moeten zijn. Dat was zeker het geval bij onze ‘stamvaders’ van de (radio)techniek. Alle lezers van deze pagina zijn min of meer wel op de hoogte van de algemene technische historie, maar veel soms bizarre en spitsvondige uitvindingen zijn teloor gegaan of vergeten. Dat geldt zeker voor de tijd dat de radiobuis zijn intrede nog niet had gedaan en de vlamdiode als gelijkrichter / detector zijn bijkomende licht verspreide. Lees het verhaal van de vlammende diode / triode:

De historie

Hoewel in wetenschappelijke kringen – rond hoogfrequente wisselspanning – al in de 19e eeuw publicaties geweest zijn, waren onze experimenterende stamvaders hier beperkt van op de hoogte. Heinrich Hertz (1857-1897) bouwde als eerste een werkende draadloze verbinding (400MHz), maar zag het gebruik ervan niet als nuttig en stopte zijn experimenten. Pas na zijn dood werd het werk gepubliceerd. James Maxwel (1831-1879) op wiens wetenschappelijk (elektromagnetisme) onderzoek het meeste gebaseerd was, had wel gepubliceerd, maar deze literatuur was voor weinige bereikbaar.

Marconi schijnt ooit uitgave(s) te hebben gehad, die hij overigens niet helemaal begreep. Zeker is; dat bv. Edison zelf niet in staat was het wetenschappelijk onderzoek juist te interpreteren en vorm te geven. Edison kreeg later ‘belezen assistenten’, die beter in staat waren de juiste richting aan te geven. Maar naast de theorie, bleef praktisch nog veel te experimenteren en te leren. In die tijd werden helaas veel zaken steeds weer heruitgevonden, door verschillende onderzoekers, in verschillende landen en soms pas na decennia.

Passieve zenders en ontvangers

Los van de machine-zenders, dynamo’s die rechtstreeks een draaggolf opwekte mbv. een groot aantal veldspoelen en verdubbeltrafo’s, waren alle draadloze verbindingen in die beginfase passief. Dwz. de zender bestond uit een vlamboog (twee koolstaven) die een afgestemde kring ‘aanstoten’. Dit resulteerde in een draaggolf die in het hoorbare gebied, aan en uit ging (gedempte trillingen). Aan de ontvangstkant werd in het beste geval een batterij betrokken, maar signalen versterken kon niet, alles was passief.

Was het in het in principe voldoende om aan de ontvangstkant van ‘een draadloze verbinding’ de aanwezigheid van een draaggolf zicht- of hoorbaar te maken, immers dan kon je Morse code gebruiken, bleek dat toch niet zo eenvoudig. Hertz’s en latere experimentele ontvangers lieten een vonkje zien (foto 1), in een minuscule vonkbrug. Het was duidelijk dat daar geen grote afstanden mee konden worden overbrugd, bij enkele meters hield het wel op. Ook al was het geheel (bewust of onbewust) in resonantie gebracht. Resonantie … een doorzicht (oa. Marconi) dat een enorme stap vooruit betekende nl. het ‘afstemmen’ van de antenne en de zender / ontvanger.

De detector

De zwakke HF wisselspanning van de antenne, was niet in staat om direct een relais aan te sturen. Een soort ‘detector’ was nodig. Naarstig werd gezocht naar manieren om die HF antenne- / wisselspanning om te zetten naar iets wat kon schakelen. Een van de eerste bruikbare en redelijk gevoelige detectors was de Coherer, een vinding die onterecht wordt toegeschreven aan de franse Edouard Branly. Een glazen buisje met ijzervijlsel en de werking is simpel. Was er een draaggolf dan klitte het ijzervijlsel samen en ging de in serie geschakelde zoemer af, die op zijn beurt (in latere versies) het ijzervijlsel ook weer ‘los klopte’.

Een betere en gevoeligere detector was wenselijk en er werd van alles bedacht. De elektrolytische detector, de inductie balans detector, de dunne film en capillaire detector, de carborndum detector, de silicon-staal detector, de magnetische detector (foto 3), het kristal en vele spitsvondige creaties. Niet te vergeten, de scheermes-diode (zie Youtube linkje). Laatste is gebruikt door gevangenen tijdens WW2.

Het mesje werd verhit en na afkoelen voorzichtig aangeraakt door een stukje potlood. Dat was voldoende voor (passieve) AM ontvangst, vooral in de avond en nacht. Wat ze allemaal gemeen hebben is dat het HF signaal dat via de antenne en afgestemde kringen beschikbaar komt, wordt omgezet in een (wisselende) gelijkspanning, een diode dus. Omdat de eerste zenders van het vonkbrug type waren, was het gezoem van de vlamboog zender hoorbaar in een koptelefoon. Prima voor het overbrengen van Morse. Die koptelefoon bleek tevens een handige en gevoelige toevoeging. Later kwamen roterende vlamboog zenders die wat anders klonken. Maar opnieuw een AM gemoduleerde draaggolf. Zeer elegant en gevoelig was de magnetische detector van de Marconi Corp. Maar deze op magnetische flux gebaseerde detector verdient een eigen verhaal.

De Vlamdiode als detector

Deze vergeten en opmerkelijke detector – zeg maar diode – is er één op basis van een open vlam. Die kan afkomstig zijn van een kaars tot aan een bunsen- of gasbrander. De werking is sterk afhankelijk van de stabiliteit van de vlam en de temperaturen. Hoewel ook Thomas Edison experimenteerde met het principe, liet hij het idee varen en vroeg patent aan op wat hij noemde ‘het Edison effect’ in feite een vondst van zijn assistent William Hammer. Opnieuw een herontdekking, publicaties vermelden dit fenomeen al in 1853. Bij het verbeteren van de gloeilamp, stuitte Edison bij toeval op dit vreemde effect. Een metalen draadje / plaatje, gemonteerd in een gloeilamp (tegen het zwart worden) liet een stroompje zien afkomstig van het gloeidraadje, zonder daarmee in contact te zijn. En nog wel in een vacuüm.

Het werkte maar één kant op en niet van het extra draadje terug naar de gloeidraad. Toepassing zag hij niet, dus liet hij dit (zo belangrijke) fenomeen, voorlopig rusten. Edison was nogal een practicus en gericht op uitvindingen die op korte termijn geld opbrachten. Hij zag geen praktische toepassing en begreep ook weinig van  wisselspanning, laat staan HF. Zijn (ex) werknemer John Flemming vroeg 20 jaar later een patent aan voor de toepassing van het fenomeen als vacuüm diode.

Edison effect

Edisons aantekeningen mbt het Edison Effect. Elders onderzocht men (ook) het merkwaardige gedrag van elektriciteit dat door een vlam werd geleid. Het bleek dat tussen twee metalen voorwerpen (elektroden) geplaatst in een vlam, de elektriciteit beter van het warmste deel naar het koudere metaal liep, dan omgekeerd. Een diodewerking dus. De werking kan al worden aangetoond cq gebruikt, door twee paperclips in een kaarsvlam te monteren. De onderste metalen (staal)draad moet dan in het donkere gedeelte (880-1000 graden) van de vlam worden gehouden en de andere draad in het bovenste gedeelte (1200-1400 graden). De werking wordt sterker, nadat de onderste elektrode – mbv wat vocht – eerst gedompeld wordt in keukenzout. Maar bv. Kaliumtartraat (KC₄H₅O_{6) …} oa. in sommige tandpasta) werkt beter.

Men zocht naar een betere werking en voor dat doel werd een zeer klein (folie) kommetje gevuld met een alkalimetaal, bijvoorbeeld lithium, kalium of natrium. Dat werd de eerste elektrode. Door het verhitte van de stof ontstaat een plasma van ionen, die een goede geleiding vormen voor de elektronen. De diode vervormde sterk, maar gaf een beter resultaat, zodra er een bias stroom liep. (drempelspanning dus) Er kwam een kleine batterij in serie. Dat was een enorme stap vooruit tov. de coherer. En er kon modulatie mee ontvangen worden, hoewel men daar nog niet aan toe was. Het herkenbare geluid van de vonkbrug zender moet wel iemand op een idee hebben gebracht?

Coher

Gezien de temperatuur in de vlam werd platina (folie of draad) gebruikt of een ander hittebestendig materiaal. Door de plaats van de elektrode zorgvuldig te kiezen, werd dan een bruikbare de vlammende diode gecreëerd. Echter is duidelijk, dat elke verstoring van de vlam – zelfs een zuchtje wind – in de koptelefoon hoorbaar is als een gesis en gereutel met mogelijk wegvallen van eventueel geluid. De bron moet heet genoeg zijn, om ionen / elektronen uit te zenden. Met deze diode kan geluisterd worden naar AM modulatie, ook vandaag nog. In verhouding met de tot dan toe algemeen gebruikte coherer, was het zeker een stap vooruit om zwakkere signalen hoorbaar te maken. Het gezoem of de toon van een roterende vlamboog- zender was zo goed te horen.

Ook de gevoeligheid van het menselijk oor, gaf een niet te onderschatte bijdrage. Immers niet alleen de aanwezigheid van een draaggolf werd waargenomen, maar ook elke verandering in de amplitude van het signaal. Dat een dergelijke diode niet goed toepasbaar was in de praktijk, mag duidelijk zijn. Maar de werking is opmerkelijk te noemen en heeft geleid tot allerlei andere experimenten. De sperspanning van een dergelijke diodeovergang loopt in de kV’s. In wetenschappelijke instrumenten, is de diode nog lang tijd (20^e eeuw) gebruikt.

De vlamtriode

Een uitbreiding is de vlamtriode, een heuse versterker met behulp van een vlam. Tot op de dag van vandaag wordt geëxperimenteerd met de vlamdiode / -triode. Er wordt door nieuwsgierige geesten – amateurs dus – succes geboekt door in de vlam niet alleen twee elektrode te plaatsen, maar ook nog een derde. Juist, vergelijkbaar met het stuurrooster in een triode-buis. De versterking is niet al te veel, maar voldoende om bijvoorbeeld een flip- flop mee te bouwen en te laten oscilleren. Op internet zijn een aantal werkende (dubbel) triodes te zien.

Vreemd genoeg kan het stuurrooster en de anode aan de rand van de vlam worden gemonteerd. Ook hier zijn het de ionen die een pad vormen voor de elektronen richting anode. In een vacuüm buis zijn geen moleculen die het elektron tegen kunnen houden, in de gewone wereld wel. Maar door het geïoniseerde pad in de vlam, kunnen de elektronen de reis wel aan. De anode zelf mag wat massa bezitten, dan kan deze wat makkelijker de hitte kwijt. De kathode wil het liefst zo heet mogelijk worden uiteraard.

De vlamluidspreker

Omgekeerd kan de vlammende diode gebruikt worden als luidspreker. De twee elektroden krijgen dan een (opgetransformeerd) audio signaal. De output aan geluid is verbluffend om te horen en sommige audio liefhebbers praten dan ook vol ontzag, over hun ‘plasmaspeaker’. Maar dat is weer een heel ander verhaal.

 

Foto’s en bronvermelding:

Radio Holland, KA7OEI, Sparkbangbuzz, rimstarOrg, hackaday.com. Boek; ‘Van Kristal tot Integrated Circuit’ van L. Foreman.
Youtube oa; https://www.youtube.com/watch?v=jXRtLhuYcIo
Scheermesje-diode; https://www.youtube.com/watch?v=eIdHsjfbckw
Vlamtriode; http://www.sparkbangbuzz.com/flame-amp/flameamp.htm
Vlam dubbeltriode multivibrator; https://www.youtube.com/watch?v=WNl0sFViaxs

Schema’s en verhaal: Theo Faber