【科普】继电器和电子管

一般认为，计算机芯片的发展史经历了真空管(电子管、真空三极管)、晶体管、大规模集成电路三个时代。不过说到它的起源，还是要从电报和中继说起。

电报出现在18的20世纪30年代。一般认为最早的电报系统是由美国科学家塞缪尔·芬利·布里斯·莫尔斯在1837年建造的。他还是电报莫尔斯电码的发明者，这是一种用点、破折号和空格来表示字母的编码方法，一直是电报发送信息的标准编码方法。

电报发送者按编码的点或线的顺序按下电报键。当按下该键时，它将接通电路并在导线中产生电流。电流传输到接收端的机器，再次还原成莫尔斯电码的点、线、空格，再人工翻译成字母句子信息。

发射键基本上只是一个按钮，下面有弹簧，直接控制电流的通断。

早期的电报系统遇到的最大问题是长距离电线造成的电流衰减，严重影响了电报的使用范围。毕竟，人们渴望跨越山脉、河流、国家和海洋传递信息。

每隔几十公里就需要一个装置来放大电流信号，以保证它能在很长的距离上清晰地传输，而不会衰落到无法辨认。

这个装置叫继电器，几乎是和电报同时发明的。继电器的原理也很简单，如下图所示:

继电器包括两个电流回路:左下方由细黄线构成的控制回路和由粗白线构成的负载回路。

当我们合上左下方的控制开关，缠绕的线圈会产生电磁，吸引弹片往下拉，两个红色的触点就会贴上，从而打开负载电路，右边的灯泡就会发光。如果把这个灯泡换成电报接收器，那么接收器就可以记录通断电流。

用A路的开关来控制B路的通断，看起来没什么意义，但关键是A路可以在很低的电压，而B路可以在很高的电压。即使弹片合并了，也不代表两个电路会连在一起，所以电路AB永远是分开的。

使用继电器有很多好处。事实上，在城市社区的几乎每个家庭住宅中都有一排结构相似的开关。这些我们可以用手拨动的小开关，其实只是控制回路的开关，电压很低，并没有连接真正的220V家用电源线。-这使得开关非常安全。

当然，继电器的主要作用是提高电压，放大电流。用小电流控制大电流是继电器发明的初衷。

继电器发明后的100多年里，基本上只用来放大或减小电流和电压。直到20世纪30年代，美国在研究战争中炮弹的弹道计算时，才意识到接力的真正威力。

我们把继电器看成一个系统或者一个程序，那么我们会发现，这个程序可以输入一个小电流，可以输出一个不同的大电流。

如果我们用两个控制电路的两个开关来代替一起控制输入，也就是设置需要两个电磁铁把弹片拉下来点亮灯，那么似乎这可以看成是两个数相加得到两个数之和。这种思维为整个计算机时代打开了大门，我们留到下一篇文章。

继电器本身有很多缺陷。由于机械器件效率低、环境影响严重、易老化等原因，在20世纪40年代，科学家发明了一种更有用的替代品:真空管。

真空管，也叫电子管，看起来像灯泡，里面的空气被抽了出来，形成近乎真空的状态。

以真空三极管为例，灯泡主要包括四个部分:

这样，原理就很清楚了:灯丝负责加热，保持阴极被激发，可以随时向阳极发送电子，但中间的栅极起着控制开关的作用。栅极在控制环路中，阳极和阴极在负载环路中。通过控制栅极电压来控制电子管阳极和阴极之间的电流。

电子管相对于继电器来说是一个很大的进步，但也带来了很多麻烦，比如功耗高(一直保持阴极激励)、寿命短、成本高、结构复杂、小型化困难等。...

电子管作为计算机的核心技术，只辉煌了十几年，之后就逐渐被迅速崛起的半导体晶体管所取代。目前电子管主要应用在音响、微波炉等设备中，电脑中几乎看不到电子管的痕迹。

结束