Текст книги "Открытия и изобретения ХХ века. Энциклопедия"

Глава 45

Полупроводники

У вакуумной электронной лампы есть множество неустранимых недостатков. Во-первых, это хрупкий стеклянный прибор, который плохо подходит для применения в портативной и военной технике. Резкое движение или случайный удар приводит к повреждению ламп. Во-вторых, катод лампы в результате термоэлектронной эмиссии истощается, поэтому лампа имеет ограниченный срок службы. В-третьих, катод, выполненный в виде нити накала, потребляет значительное количество электроэнергии. Это приходится учитывать при создании тех же портативных радиоприемников и военных радиостанций, снабжая их емкими и оттого тяжелыми элементами питания. Наконец, электронная лампа имеет слишком большой разброс параметров. Создать серию ламп с одинаковыми характеристиками довольно сложно, что сказывается на стоимости её производства.

К середине сороковых годов прошлого века конструкторам электронной аппаратуры стало ясно – нужен принципиально иной электронный прибор, способный заменить и вакуумную лампу, и электромеханическое реле. Именно этой проблемой в конце 1945 года и занимались сотрудники американской компании «Белл Телефон Лабораториз». Руководил изысканиями американский физик Уильям Брэдфорд Шокли (годы жизни 1910—1989). Работы основывались на открытом еще в 19 веке эффекте полупроводимости, который наблюдается у некоторых материалов (например, у кристаллов кремния и германия). Суть этого эффекта заключается в том, что в обычных условиях (при комнатной температуре) эти материалы обладают свойствами и проводников, и диэлектриков. С ростом температуры растет и их электропроводность. Электрические свойства изменяются и под воздействием других факторов – света, магнитного поля, потоков быстрых частиц. Носителями заряда в полупроводниковых материалах являются электроны проводимости и носители положительного заряда – дырки.

16 декабря 1947 года учеными был создан первый полупроводниковый транзистор с точечными контактами на основе кристалла германия (руководству компании работа была продемонстрирована неделей позже, поэтому официальной датой считается 23 декабря). Общая схема работы транзистора выглядит следующим образом. Электрический ток протекает по пластинке от эмиттера к коллектору. К поверхности германиевой пластинки припаян электрод, который является базой. При подаче положительного потенциала на базу ток на коллекторе усиливается, при подаче отрицательного потенциала транзистор запирается и течение тока прекращается.

В 1951 году Шокли разработал первый трехслойный германиевый транзистор, который, к сожалению, был очень дорог в производстве. Но в 1954 году физику Томасу Хиллу удается изготовить транзистор на основе дешевого кремния. С этого момента начинается повсеместное внедрение транзисторов, и к началу 70-х годов электронные лампы выходят из употребления.

За изобретение полупроводникового транзистора Уильяму Шокли и его коллегам по «Белл Телефон Лабораториз» Джону Бардину (годы жизни 1908—1991) и Уолтеру Браттейну (годы жизни 1902—1987) была присуждена Нобелевская премия за 1956 год…

Но изобретение полупроводников было только первой вехой в принципиально иной технологии – полупроводниковой электроники. Не меньшее значение имеет и изобретение интегральных микросхем (ИС), микроминиатюрных электронных устройств, элементы которых неразрывно связаны и конструктивно (располагаются на одном кристалле и в одном корпусе), и электрически (проводники соединяют элементы в единую электрическую схему).

Необходимость в интегральных (объединённых) решениях была обусловлена массовым производством электронной аппаратуры. Дело в том, что до начала 60 годов прошлого века сборка электронных компонентов любого устройства производилось вручную. Пайка электронных компонентов была частично автоматизирована, но всё же количество деталей, наладка готовых плат и схем и усложняло производство, и делало его слишком дорогим. Но именно на 50—60 годы пришёлся бурный рост производства потребительской электроники – телевизоров и радиоприёмников, а также вычислительной техники. Сложность сборочного процесса хорошо иллюстрирует такой факт – американский компьютер CD1604, выпущенный в 1960 году, содержал около 100 тысяч диодов и 25 тысяч транзисторов. При этом время наработки на отказ не превышало 2—3 часов.

Впервые идея интегральной схемы была высказана в 1952 году на конференции по электронным компонентам, проходившей в Вашингтоне, сотрудником Британского королевского радиолокационного управления в Малверне Джеффри Даммером. В его докладе о надёжности элементов радиолокационной аппаратуры говорилось: «С появлением транзистора и работ в области полупроводниковой техники вообще можно себе представить электронное оборудование в виде твёрдого блока, не содержащего соединительных проводов. Он может состоять из слоёв изолирующих, проводящих, выпрямляющих и усиливающих материалов, в которых определённые участки вырезаны таким образом, чтобы они могли непосредственно выполнять электрические функции». Поистине пророческое предсказание!

Позже была освоена технология групповой обработки полупроводников. Диоды и транзисторы изготавливались из одной общей кремниевой пластины-заготовки, что прямо указывало на то, чтобы на такой же пластине вытравливать не набор одинаковых элементов, а целые схемы из разных элементов. И в 1959 году, независимо друг от друга, два американских инженера-электронщика – Джек Сент-Клер Килби (родился в 1923 году), сотрудник компании Texas Instruments, и Роберт Нойс (годы жизни 1927—1990), сотрудник Fairchild Semiconductor – сконструировали и изготовили первые в мире интегральные схемы.

К моменту изобретения Килби был в Texas Instruments новичком, он пришёл в эту компанию лишь в мае 1958 года из фирмы Centralab, в которой возглавлял отделение по разработке слуховых аппаратов. У Centralab было небольшое собственное предприятие по производству транзисторов, поэтому Килби имел немалый опыт по работе с полупроводниками. Идея создания интегральной схемы пришла к нему в июле того же 1958 года. Килби работал с германиевой пластинкой, пять элементов которой соединялись проводником – тонкой золотой проволочкой (следует заметить, что мы сознательно упрощаем описание, дабы не утомлять внимание читателя техническими подробностями). В начале 1959 года первая интегральная схема была изготовлена, а в марте 1960 года представлена на выставке американского Института радиоинженеров. Килби подал заявку на выдачу патента.

В 2000 году Джек Килби был удостоен Нобелевской премии…

Однако, технология изготовления интегральных схем Килби оказалась слишком трудоёмкой, а выход исправных схем – слишком низким (всего около 10 процентов). И со временем метод Килби был вытеснен более технологичным и дешёвым методом Нойса. Роберт Нойс предложил соединять элементы интегральной схемы металлическими проводниками, создаваемыми методом напыления.

Любопытно, что именно Роберт Нойс и его товарищ Гордон Мур (вскоре к ним присоединился и Эндрю Гроув) в 1968 году создали компанию Intel – ту самую, имя которой сегодня знает едва ли ни каждый житель нашей планеты. Создатели компании ставили своей целью разработку электронного запоминающего устройства, взамен дорогим и ненадёжным магнитным носителям. В конце 1970 по заказу японской фирмы Busicom инженер компании Intel Тед Хофф сконструировал объединенную микросхему, универсальное логическое устройство, которое отыскивало и отбирало прикладные команды из полупроводниковой памяти. Этот центральный вычислительный блок работал в составе набора из четырёх микросхем и не только соответствовал требованиям заказа японцев, но годился для создания множества электронных устройств – от часов, до калькулятора… Так появился микропроцессор марки 4004. Но это уже другая история.

Глава 46

Портативный транзисторный радиоприёмник

В конце декабря 1954 года, под самое Рождество, американская компания Regency выпустила первый в мире транзисторный радиоприёмник TR-1. Этот невзрачный по нынешним меркам и громоздкий аппарат с выходной мощностью всего в 10 милливатт (как у современных вкладных наушников) открыл целую эпоху, которую можно назвать эпохой полупроводниковой бытовой электроники. Более того, с этого радиоприёмника (хоть и косвенным образом) началось восхождение к славе другой великой компании – корпорации Sony. Об этой во многом необычной истории и будет наш рассказ…

Компания, которой к концу ХХ века предстояло стать крупнейшей электронной корпорацией мира, была основана в Токио 7 мая 1946 года двумя инженерами – Ибукой Масари, бывшим директором японской фирмы Japan Precision Instruments Company, и Акио Моритой, отец которого обеспечивал финансирование новой компании. Только что основанная фирма получила название Tokyo Telecommunication Engineering Corporation – в японском варианте «Токио цугин когё кабусики кайса». К Морите, которому в 1946 году исполнилось всего 25 лет, мы будем возвращаться неоднократно – слишком велик вклад этого человека в развитие технологий ХХ века, чтобы обойти вниманием личные заслуги и достижения сотрудников основанной им компании. Но тогда это был молодой физик, два года назад окончивший Императорский университет Осаки, полный планов и надежд. Человек очень талантливый и как изобретатель, и как организатор. Кстати, на его долю пришлись именно организационные проблемы новой компании, а технической частью занялся Ибука Масари (кстати, этот союз двух незаурядных людей продлился полвека).

Молодая компания разместилась в разрушенном здании токийского ресторана, а её штат составлял всего 20 наёмных работников. Поначалу оба «отца-основателя» не имели ни малейшего понятия, что именно они будут выпускать (вроде бы даже подумывали торговать пирожками). Начали со всякой электротехнической мелочи – вольтметров, резонаторов, электрогрелок. Первый крупный заказ поступил от японской радиостанции NHK – на микшерский пульт, устройство для смешивания звука от разных источников. Здесь Морита впервые увидел американский магнитофон Wilcox Gay, в котором применялась не проволока, а магнитная лента. Тут же созрело решение выпустить такой же аппарат. И в 1950 году, спустя несколько лет, потраченных на технические эксперименты (прежде всего, с магнитной лентой), первый японский магнитофон марки G. Но аппарат получился громоздким, его вес составлял 35 кг, и очень дорогим. Сумма в 170 тысяч йен превышала среднюю месячную зарплату японцев в… 17 раз! Долго не удавалось отыскать ни одного покупателя. Наконец, поступил заказ от Верховного суда Японии – на 20 магнитофонов.

В марте 1951 года вышла следующая модель магнитофона, получившая индекс H, предназначенная для домашнего использования. Вес аппарата удалось снизить до 13 килограммов, а на корпусе появилась ручка для переноски. Выпуск следующей модели с индексом Р окончательно вывел компанию на рынок бытовой электроники.

Но настоящий прорыв состоялся позже. Увлечённые идеей создания транзисторного радиоприёмника, сотрудники компании штудировали справочники по полупроводниковым транзисторам и разрабатывали схемы будущих аппаратов. Морита съездил в США, где в 1953 году купил за 25 тысяч долларов у компании Western Electric патент на транзистор. Морита знал, что в Америке вот-вот выйдет свой транзисторный радиоприёмник. Он хотел быть первым и поэтому очень торопился. Но этот этап японцы проиграли. Первый японский транзисторный радиоприёмник был выпущен только спустя шесть месяцев – в 1955 году. Первой моделью стал приёмник «TR-52». Во многом экспериментальный, этот приёмник на прилавки магазинов так и не попал. Но следующая модель «TR-55» была выпущена именно для продажи и сразу же стала популярной (несмотря на высокую стоимость).

Спустя два года, в марте 1957 года, компания выпустила первый в мире портативный транзисторный радиоприёмник «TR-63» с питанием от сменных сухих элементов. По задумке конструкторов этот приёмник должен был умещаться в кармане мужской рубашки, но он там… не умещался. Морита пошёл на хитрость и заказал партию рубашек с увеличенным нагрудным карманом. Этот приёмник продавался в Японии за 13800 йен, что равнялось средней месячной зарплате по стране. Пришлось применять рекламыне ухищрения, чтобы повысить интерес сограждан к новой электронной «игрушке». Однако одним японским рынком дело не ограничилось. Компании удалось выпустить самый маленький радиоприёмник в мире, который наверняка был бы популярен и в США, на самом богатом и перспективном рынке в то время… Но как продавать приёмник, если название компании и по-японски выглядит очень громоздким? Правда, к концу пятидесятых японцы сократили название до удобоваримого (для жителя Японии, конечно) «Токио Цушин когё» или просто «Тоцуко» – сократив слова. Но для Америки не годилось и это короткое название. И Морита углубляется в лингвистику, обложившись словарями. В результате родилось слово «Sony», как производное от латинского sonus или «звук». Так появилась корпорация «Sony Corporation», одна из величайших электронных компаний мира.

Судьба первого транзисторного радиоприёмника изобиловала самыми неожиданными препятствиями. К примеру, одна партия приёмников, поставленная в США, не выдержала жары. Пластмасса, из которой были сделаны корпуса, расплавилась. И специалисты Sony вынуждены были искать новые материалы, заодно усвоив урок. Но компания быстро росла. А продукция Sony очень скоро развеяла устойчивое мнение, что в Японии делают только некачественные товары. Сегодня, в третьем тысячелетии, спустя полвека с момента выхода первого карманного транзисторного радиоприёмника, марка «Сделано в Японии» (made in Japan) является гарантией высочайшего качества. Но эту репутацию в 1957 году ещё надо было заработать… Кстати, первый карманный приёмник был настолько популярен, что скоро его стали называть просто «транзистор». Именно тогда и образовалось это упрощенное название целого класса бытовой электронной аппаратуры…

Карманный радиоприёмник Sony дал не только толчок развитию целой отрасли – электронные компании наперебой ринулись осваивать этот рынок – но и привело к ряду социальных последствий. Давайте задумаемся – чем был радиоприёмник в то время. Источником информации? Да, несомненно. Но не для всех. Стационарные ламповые модели стоили дорого и были по карману далеко не каждому покупателю. Кроме того, эти приёмники можно было слушать только в помещении или в автомобиле – если у слушателя был личный автомобиль и радио в нём. Ещё хуже дело обстояло в государствах с тоталитарными режимами. В СССР радиоприёмников выпускалось очень немного. Основная ставка была сделана на систему проводного радиовещания (кстати, уникальную, не существующую более нигде в мире). Радиоприёмник считался предметом роскоши, символом благополучия, но не только. До начала 60-х годов прошлого века купленный радиоприёмник (если его удавалось раздобыть) следовало зарегистрировать в органах государственной безопасности – словно государство заранее подозревало «радиофицированного» гражданина в шпионаже. Появление маленького и недорогого транзисторного радиоприёмника сделало эти меры излишними.

В начале 60-х годов в СССР разворачивается массовое производство транзисторных радиоприёмников. Первенцем стал выпущенный в 1961 году государственным электротехническим заводом «ВЭФ» (Рига) переносной транзисторный радиоприёмник «Спидола», который был очень популярен и в нашей стране, и за рубежом. Радио зазвучало не только в квартирах хорошо зарабатывающих граждан, в кабинетах чиновников и в салонах немногочисленных легковых автомобилей (подавляющее большинство советских граждан слушали проводные репродукторы), но и в студенческих общежитиях, в домах простых тружеников – везде, где только можно было приобрести «транзистор». Люди получили доступ к свободной и разносторонней информации, а в результате получили и возможность оценивать, анализировать, делать свои выводы, вне зависимости от государственной пропаганды…

А в западных странах широчайшее распространение транзисторных радиоприёмников привело к бурному расцвету ультракоротковолновых радиостанций (диапазона FM), прежде всего, музыкальных и развлекательных. И в наше время немногочисленные любители старой радиоаппаратуры (хотя бы те же коллекционеры старых ламповых радиоприёмников, о которых мы уже говорили) с грустью говорят, что радиопередачи в коротковолновом диапазоне уже далеко не те, что были в 50-е и 60-е годы прошлого века. Действительно, не те… Но и мир уже далеко не тот.

Глава 47

Роторный двигатель Феликса Ванкеля

Поговорим об одном поразительном изобретении, которое в 50-е годы прошлого века обещало перевернуть всю мировую автомобильную промышленность… да так и не перевернула. Речь о роторно-поршневом двигателе внутреннего сгорания или РПД. Его создал выдающийся немецкий конструктор Феликс Ванкель. В истории создания двигателей внутреннего сгорания имя Ванкеля стоит рядом с именами Николауса Отто и Рудольфа Дизеля.

Феликс Ванкель родился 13 августа 1902 года в немецком городке Лар (земля Баден-Вюртемберг) в семье лесничего Рудольфа Ванкеля и Марты Хайдлауф. Он очень рано осиротел – отец Феликса погиб во время Первой мировой войны. Матери трудно было одной поднять сына, и Феликс Ванкель, едва отучившись в гимназии, стал искать работу. В 1921 году юноша устроился в издательство, но вскоре был уволен. Пытаясь выжить молодой Ванкель открыл в Гейдельберге небольшое дело – механическую мастерскую, которая просуществовала совсем недолго. В 1927 году к Ванкелю приходит идея роторно-поршневого двигателя. Позже он рассказывал, что РПД ему приснился – как Менделееву приснилась таблица химических элементов. Как бы там ни было, с этого момента и до конца жизни Ванкель постоянно занимался своим изобретением.

В 1929 году Ванкель получил первый патент – на двигатель «с вращающимися поршнями» (работающий по первой схеме), предъявив в бюро чертежи 1927 года. Но работающей модели ещё не существовало. Ванкель пришёл к выводу, что проект нового двигателя несовершенен. Следующая заявка на патент двигателя, уже с вращающимся ротором (работающий по второй схеме РПД Ванкеля), была подана в 1933 году, но патент получен только спустя три года. В 1934 году Ванкель построил первую работающую модель своего мотора, по первой предложенной им схеме.

В 1936 году Феликс Ванкель переселился в Линдау. Здесь он работал над золотниковым механизмом и уплотнениями своего первого двигателя. Но… его лаборатория основана на деньги, выделенные Адольфом Гитлером. Ещё в 1924 году молодой Ванкель вступил в фашистскую партию – НСДАП (а в 1932 даже полгода просидел в тюрьме), хотя спустя 8 лет вышел из её рядов. Тем не менее, до самого разгрома фашизма Ванкель работал в берлинской компании DFL, конструируя авиационные моторы для «Люфтваффе».

Сотрудничество с Гитлером, членство в фашистской партии, поражение Германии – в результате всего этого лаборатория Ванкеля была уничтожена, сам он оказался под арестом и около года провёл в тюрьме. Только в 1951 году изобретатель смог восстановить свою лабораторию. Он предлагал свой двигатель (которого ещё не существовало в металле) разным фирмам, но нашёл единомышленника только в автомобильной компании NSU – в лице Вальтера Фройде. В феврале 1957 года Ванкель изготовил первый работающий на метаноле роторно-поршневой двигатель DKM-54 с рабочим объёмом в 125 кубических сантиметров. Это был мотор, построенный по первой схеме – «с вращающимися поршнями». В апреле того же года он запустил этот двигатель на бензине, разогнав его до 9 тысяч оборотов в минуту и добившись мощности в 15 лошадиных сил. Наибольшую мощность – 29 лошадиных сил – DKM-54 показал на скорости в 17 тысяч оборотов в минуту.

Первый роторный двигатель, построенный по второй схеме (запатентованной в 1936 году), заработал 7 июля 1958 года. Но понадобилось ещё семь лет доработок, чтобы выпустить первый в мире автомобиль с роторным двигателем – NSU Spider-54 с мотором KKM-502, выпускавшийся с 1964, по 1967 годы. В 1957 году Феликс Ванкель вместе со своим партнером Эрнстом Хютценлаубом основал собственную компанию, которая существует до сих пор. Позже Ванкель создал научно-исследовательский институт в Линдау. Свой путь немецкий изобретатель закончил 9 октября 1988 года…

Есть некая ирония судьбы в том, что главной любовью всей жизни Феликса Ванкеля был роторно-поршневой двигатель первой конструкции (той, «что с вращающимися поршнями», серии DKM), а серийно выпускались только РПД, соответствующие второй, более поздней, схеме (серии KKM). Ванкель недолюбливал KKM из-за высокого уровня вибраций, вынуждающего применять специальные противовесы, и трудностей с уплотнениями ротора. Но конструкция при этом получалась удивительно простой. Собственно, двигатели второй схемы, с вращающимся в картере треугольным ротором и планетарной передачей вращающего момента на вал, мы и называем «двигателями Ванкеля». Именно они выпущены в количестве более двух миллионов экземпляров. Именно они устанавливались на автомобилях NSU и Mazda, на тяжёлых мотоциклах и даже на советских автомобилях ВАЗ (правда в небольших количествах). Они до сих пор выпускаются в немалом количестве, например, в виде авиамодельных моторов.

Попытаемся описать принцип работы РПД словами. Представьте себе плоский по боковым сторонам треугольный ротор с покатыми гранями (словно кругляш огурца). Его грани заострены, а в них располагаются подпружиненные пластинки – аналоги уплотнительных поршневых колец обычного двигателя внутреннего сгорания. Этот ротор вращается в полости картера (корпуса) двигателя, образованной двумя накладывающимися друг на друга окружностями. Получается нечто вроде овала. Стенки картера плоские, как и боковые стенки ротора. Внутри ротора большое кругло отверстие с зубьями, которые перекатываются по зубьям установленного в центре полости картера приводного вала двигателя. Ротор обегает зубья вала, последовательно прилегая к внутренним стенкам картера, образуя три полости переменного объёма. В этих полостях и протекает рабочий цикл мотора. В расширяющуюся полость под воздействием разрежения через впускное отверстие в картере поступает топливовоздушная смесь, затем впускное отверстие перекрывается ротором (его заострённой гранью), рабочая смесь сжимается, зажигается искровой свечой. Происходит вспышка, расширяющиеся газы давят на стенку ротора, проворачивая его на шестерёнчатом валу. Ротор (его грань) достигает выпускного отверстия в картере, отработавшие газы выбрасываются, ротор достигает впускного отверстия, и – цикл повторяется.

Добавим – если ротор один, двигатель называется односекционным. Если два – двухсекционным и так далее. Увлечение секций приводит не только к росту мощности, но и уравновешивает работу двигателя.

Если взглянуть на схему РПД, сразу становится ясно – это очень простой двигатель, в котором вращающихся деталей в несколько раз меньше, чем в обычном поршневом моторе. Двигатель Ванкеля такой же мощности, что и поршневой, имеет втрое меньшие размеры. Недостатков тоже хватает. Главный из них, который и препятствуют широкому распространению роторного двигателя – плоские уплотняющие пластинки на рёбрах ротора (и не только на рёбрах – надо предотвратить прорыв газов и по боковым плоскостям ротора, в зазоре между боковыми стенками картера). Три упругих поршневых кольца обычного двигателя, установленные разрезами в разные стороны, представляют собой эффективное лабиринтное уплотнение, препятствующее прорыву расширяющихся горячих газов. А плоская пластинка для достижения такого же эффекта должна снабжаться прижимными пружинками, иметь точно обработанные грани. Прибавьте к этому деформацию горячего металла, вибрации, ударные нагрузки. Получается почти невыполнимая инженерная задача… Другие недостатки – необходимость добавления масла в топливо (как в двухтактных двигателях) и, как результат, повышенный выброс в атмосферу вредных газов, малый диапазон рабочих оборотов (требуются многоступенчатые коробки передач), чувствительность к низким температурам (холодный мотор при неосторожном увеличении оборотов попросту заклинивает).

Большинства перечисленных недостатков лишён РПД построенный по первой схеме Ванкеля (серия DKM). Там три поршня установлены под углом в 120 градусов друг к другу. Поршни давят на ротор поочерёдно, а он обегает зубья шестерни приводного вала. Здесь уже можно применить эффективные кольцевые уплотнения, но… но преимущества такого РПД неочевидны. Он мало в чём выигрывает у обычного двигателя классической конструкции, оставаясь больше поршневым, чем роторным.

Да, двигатель Ванкеля (причём, оба варианта) не изменил расклад сил в мировом двигателестроении. Однако, исследования в этой области продолжаются. И на рынок время от времени выходят новые модели автомобилей с РПД. Внимание конструкторов и потребителей привлекает очень высокая мощность и компактность этих моторов. И, конечно, простота, которая, правда, в данном случае не является синонимом высокой надёжности.