Huhut elektroniputken kuolemasta ovat osoittautuneet suuresti liioitelluiksi. Päinvastoin, putkia käytetään edelleen yleisesti suuritehoisissa radio- ja mikroaaltolähettimissä. Ja jopa ne perinteiset historialliset lasikuoriset putket ovat löytäneet uuden elämän tosihifistien putkivahvistimissa. Tämän jutun luettuasi olet päivittänyt putkitietoutesi ajan tasalle.
Lähes sata vuotta sitten keksittiin triodi, elektroninen komponentti joka pystyi vahvistamaan sähköistä signaalia. Tästä käynnistyi nopea kehitys, joka mullisti tiedonvälityksen, käynnisti maailmanlaajuisen elektroniikkateollisuuden ja aiheutti uuden teollisen vallankumouksen. Transistorit korvasivat lasikuoriset putket kulutuselektroniikassa täysin vasta 1960-luvulla. Monissa muissa sovelluksissa metalli- ja keramiikkarakenteiset tehoputket ovat edelleeen käytössä, eikä niille ole näkyvissä korvaavaa tekniikkaa.
Triodi ei syntynyt yhtäkkisen neronleimauksen tuloksena, vaan se oli parin vuosikymmenen verkkaisen kehityksen tulos. Siihen osallistui monta tutkijaa ja keksijää, jotka eivat useinkaan aluksi ymmärtäneet, mitä oikeastaan olivat keksineet.
1880-luvulla Thomas
Alva Edisonin huomasi, että tietyissä olosuhteissa sähkövirta
saattoi kulkea tyhjiössä kahden elektrodin välillä.
Edisonin keksimässä hehkulampussa oli ongelmana lampun
lasikuvun tummuminen käytössä. Edison käytti
hehkulampuissaan pelkästään tasavirtaa, ja tumma
läikkä sijaitsi aina hehkulangan positiivisen pään
kohdalla.
Lisättyään metallisen lisäelektrodin lamppuunsa Edison huomasi, että hehkulangan positiivisen navan ja elektrodin välillä kulki heikko sähkövirta. Sensijaan hehkulangan negatiivisen navan ja elektrodin välillä virta ei kulkenut. Tämä edison-ilmiö oli sen aikaiselle tieteelle täysin käsittämätön, ja pysyi sellaisena vielä useita vuosia.
Edison oli kokeissaan havainnut tasasuuntausilmiön ja hänen erikoislamppunsa oli maailman ensimmäinen diodi. Tosin tällä ei ollut hänelle vannoutuneena tasasähkömiehenä mitään käyttöä. Vanhana keksijäkettuna Edison kuitenkin patentoi vuonna 1884 hyödyttömän laitteen, jolla voitiin "mitata hehkulampun kuntoa". Tätä pidetään nykyisin ensimmäisenä elektroniikka-alan patenttina maailmassa.
Englantilainen sähkötekniikan
professori John Ambrose Fleming tutki vuonna 1885 systemaattisesti
edison-ilmiötä. Hänkään ei vielä
silloin pystynyt selittämään lasiin muodostuvan
tumman läikän syntyä. Flemingin koelamput jäivät
kaappiin pölyttymään viideksitoista vuodeksi.
Vuonna 1897 englantilainen tiedemies J.J. Thompson todisti elektronin
olemassaolon käyttämällä apuna keksimäänsä
katodisädeputkea. Valtaosa sen aikaisesta tiedeyhteisöstä
ei uskonut Thompsonin elektroniteoriaan tai piti sitä täysin
merkityksettömänä, ilman mitään käytännön
sovelluksia.
Professorin virkansa ohella Fleming toimi myös Marconi-yhtiön tieteellisenä neuvonantajana. Marconi onnistui vuonna 1901 lähettämään lennättimellään sähkötysmerkkejä Atlantin yli. Laitteiston heikkona linkkinä oli ollut jo useita vuosia vastaanottimen ilmaisin. Flemingin tutkiessa uusia herkempiä ilmaisinratkaisuja Marconin lennättimeen hän muisti viisitoista vuotta sitten tekemänsä lamppukokeet ja kehitti niiden pohjalta diodin, jota kutsuttiin nimellä "Fleming valve". Thompsonin elektroniteorian avulla hän pystyi nyt myös selittämään diodinsa toiminnan.
Flemingin putki koostui yksinkertaisesti 12 voltin hiililankahehkulampusta, jossa hehkulangan (katodi) ympärille oli asetettu metallisylinteri (anodi). Sylinteri oli kytketty johtimellä putken kyljessä olevaan läpivientinastaan. Fleming patentoi diodinsa vuonna 1904.
Samaan aikaan USA:ssa
amerikkalainen keksijä tohtori Lee de Forest pyrki löytämään
omaan lennättimeensä soveltuvan herkän detektorin,
joka ei olisi jo patentoitu. De Forest onnistui parantamaan Flemingin
diodidetektorin herkkyyttä käyttämällä
anodipiirissä esijännitettä. Marconi-yhtiö
nosti kuitenkin kanteen patenttiloukkauksesta, ja De Forestia
kiellettiin käyttämästä diodia.
Kiertääkseen Flemingin patentin de Forest alkoi tehdä kokeiluja kolmannella elektrodilla, joka kytkettiin vastaanottimen antenniin. Ensimmäiset kokeilut putken ulkopuolelle käärityllä metallifoliolla olivat rohkaisevia, ja de Forest keksi lisätä kolmannen elektrodin putken sisälle. Ensimmäinen triodi oli syntynyt. Nimi triodi vakiintui käyttöön vasta myöhemmin, de Forest kutsui putkiaan nimellä "Audion".
Aluksi lisäelektrodi oli samanlainen kuin anodilevy ja sijoitettu hehkulangan toisella puolelle. Tätä vuonna 1906 patentoitua varhaista triodimallia kutsuttiin "kaksisiipiseksi Audioniksi". Lisäkokeilujen jälkeen parhaaksi osoittautui hehkulangan ja anodin väliin sijoitettu ohuesta metallilangasta sik-sak-muotoon taivutettu hila. De Forest patentoi sen vuonna 1907.
De Forest oli itse tyytyväinen audioniinsa detektorina, eikä ollut kiinnostunut kehittämään triodia edelleen. Mutta muut tutkijat USA:ssa, Englannissa ja Saksassa ryhtyivät tutkimaan putkien toimintamekanismia perusteellisesti. Lyhyessä ajassa triodin suorituskyvyssä tapahtuikin merkittävää kehitystä ja sille keksittiin muitakin sovelluksia kuin lennättimen ilmaisin.
Tutkijat huomasivat, että paljon hehkulamppuja parempi tyhjiö paransi triodin vahvistusominaisuuksia ja tuotti stabiilimman ja luotettavamman toiminnan. Hehkulangan materiaaleja ja rakennetta kehitettiin, kestoikä kasvoi ja riittävä elektronien emissio saavutettiin pienemmällä sähköteholla.
Kehitystyö avasi aivan uudet mahdollisuudet triodien käytölle. Kyky vahvistaa signaaleja teki mahdolliseksi entistä tehokkaammat ja herkemmät langattomat lennättimet, puhelinliikenteen linjavahvistimet sekä ääniradiolähettimet ja -vastaanottimet. Ensimmäinen 5500 km pitkä kaukopuhelinyhteys New Yorkin ja San Franciscon valmistui 1915. Johdolla oli 6 välivahvistinta.
Ensimmäisen maailmansodan alettua niin Euroopassa kuin Amerikassakin huomattiin, että uudet langattomat sovellukset olivat sodankäynnin kannalta strategisen tärkeitä. Radioamatööritoiminta kiellettiin kaikissa sotaa käyvissä maissa, ja armeijoiden tutkimuslaitokset paneutuivat uuden keksinnön teoreettiseen tutkimukseen ja soveltamiseen. Sodan aikana kehittiinkin toimivat langattomat radiopuhelinyhteydet esimerkiksi lentokoneiden ja maa-asemien välille sekä pitkän kantaman lennätinyhteydet laivastoille.
Suomalainen Eric Tigerstedt (1887-1924) antoi oman panoksensa
elektroniputkien kehitykseen ja soveltamiseen. Tigerstedt oli
monipuolinen keksijä, mutta hänen keksintönsä
ovat joutuneet suurelta osin unohduksiin.
Tigestedt rakensi jo poikasena oman lennättimensä ja "hakkeroi" sillä Helsingin edustalle ankkuroitujen venäläisten sotalaivojen välistä lennätinliikennettä. Hän matkusti vuonna 1908 Saksaan opiskelemaan heikkovirtatekniikkaa. Pian valmistumisensa jälkeen 1911 Tigerstedt keksi äänielokuvan toimintaperiaatteen, äänen optisen tallennuksen filmille. Lisäksi hän tutki, kokeili ja kehitti kuvan sähköistä välitystä, katodisädeputkia ja valosähköistä kennoa.
Etsiessään ratkaisua elokuvafilmille tallennetun äänen vahvistamiseen hän ryhtyi valmistamaan omia elektroniputkiaan. Pitkien kokeilujen jälkeen Tigerstedt onnistui valmistamaan triodeja, jolla oli riittävä vahvistus. Niiden avulla hän pystyi demonstroimaan äänielokuvansa toimivan toteutuksen Saksassa juuri ennen ensimmäisen maailmansodan alkamista.
Optista äänen tallennusta ja toistoa käytettiin
elokuvassa vuosikymmeniä, kunnes magneettinen tallennus lopulta
syrjäytti sen. Tigerstedt tosin ei koskaan saanut keksinnöstään
mainetta ja kunniaa. Hän kuoli tuberkuloosiin vuonna 1924.
Monet Tigerstedtin keksinnöistä toteutuivat vasta paljon
myöhemmin, jolloin alkuperäisen keksijän nimi oli
jo painunut unohduksiin.
Kun radiotoiminta taas sallittiin sodan jälkeen, yksityiset radioasemat USA:ssa ja yleisradiolähetykset Euroopassa yleistyivät nopeasti. Vuoden 1922 lopulla USA:ssa toimi yli 500 kaupallista radioasemaa. Ei siis ollut ihme, että radiovastaanottimesta tuli ensimmäinen kulutuselektroniikan menestystuote.
Putkitehtaita syntyi kaikkiin teollistuneisiin maihin. Aluksi jokaisella tehtaalla oli omat putkityyppinsä ja -kantansa, mutta kasvava radioteollisuus pakotti pian stardardisointiin. Vuonna 1926 Phillipsin tutkimuslaboratiossa Hollannissa keksittiin pentodi, joka teki mahdolliseksi entistä suurempien radiotaajuuksien käytön.
Yksinkertaisin ja halvin vastaanotin oli kidekone, jolla pystyttiin kuuntelemaan paikallista radiosemaa kuulokeilla ilman paristoja tai verkkovirtaa. Lisää herkkyyttä saavutettiin yksiputkisella laitteella, jossa sama triodi toimi sekä ilmaisimena että kuulokevahvistimena. Parilla lisäputkella saatiin riittävästi tehoa myös kaiutinkuunteluun.
Ns. regeneratiivisessa vastaanottimessa käytettiin positiivista takaisinkytkentää (regeneraatiota) lisäämään vahvistusta ja siten vastaanottimen herkkyyttä. Suurin herkkyys saavutettiin hieman ennen kuin vastaanotinputki alkoi värähdellä itsenäisesti vastaanotettavan signaalin taajuudella. Värähtelevä vastaanotin toimi silloin myös lähettimenä ja häiritsi kaikkia muita lähistöllä olevia vastaanottimia.
Kasvava radioasemien määrä vaati vastaanottimilta paljon entistä parempaa valintatarkkuutta ja suurempaa herkkyyttä, jotta heikotkin asemat saataisiin kuulumaan. Ns. superheterodynevastaanottimessa pääosa signaalin vahvistamisesta tehdään välitaajuusvahvistimessa, joka on viritetty kiinteälle taajuudelle ja sen kaistaleveys voidaan saada pieneksi ja vahvistus suureksi.
Kiinteä välitaajuus saadaan muodostamalla vastaanotettavan radiotaajuuden ja paikallisoskillaattorin taajuuden erotus, jossa alkuperäisen lähetteen modulaatio on tallella. Tämä ns. välitaajuus vahvistetaan kapeakaistaisella vahvistimella. Superheterodyneperiaatetta käytetään yhä AM- ja FM- radioissa, televisioissa ja tutkavastaanottimissa, yhtälailla sekä putki-, transistori- että mikropiiritekniikassa.
Kolmekymmentäluvun loppuun mennessä putkitekniikka oli jo saavuttanut kypsä iän, kaikki merkittävät pientehoiset putkityypit ja niiden sovellukset oli jo keksitty ja kehitetty. Kehityksen viimeisin sana 1930-luvulla oli televisio. Berliinin olympiakisat 1936 televisioitiin suorana paikallislähetyksenä, koska mitään menetelmää televisiokuvan tallentamiseksi ei vielä ollut olemassa. Kuvassa oli 180 juovaa ja kenttätaajuus 25 kuvaa sekunnissa.
Toinen maailmansota keskeytti televison kehittymisen ja leviämisen. Sodan aikana kehittyivät erityisesti tutka- ja tietokonetekniikka. Molemmat olivat tarkoin varjeltuja sotasalaisuuksia, mutta vapautuivat myös siviilikäyttöön heti sodan jälkeen.
Tutkan kehittäminen tapahtui Englannin ja USA:n yhteisprojektina sodan aikana. Tutkan avainkomponentti oli ns. ontelomagnetroni. Magnetroni pystyi tuottamaan lyhyitä, erittäin suuritehoisia mikroaaltopulsseja, jotka soveltuvat erinomaisesti tutkakäyttöön. Mikroaaltojen taajuusalue on 1…100 GHz.
Vaikka tutkan toimintaperiaate on yksinkertainen, sen toteutus oli käytännössä erittäin vaativaa. Lähetysteho oli kymmeniä kilowatteja, mutta vastaanottimen piti silti olla äärimmäisen herkkä. Samoin lähetyspulssin ja heijastuneen signaalin välisen ajan mittauksen resoluution tuli olla mahdollisimman hyvä. Tutkassa käytetty pulssitekniikka hyödytti myöhemmin suuresti television ja väritelevision tekniikan kehitystä.
Ensimmäinen elektroninen tietokone, ENIAC, valmistui vuonna
1946. Sen suunnittelu oli aloitettu jo sodan aikana neljä
vuotta aikaisemmin. ENIAC:issa oli 18 000 putkea, 70 000 vastusta
ja 5 miljoonaa juotosta, ja se vei tehoa 160 kilowattia. Sananpituus
oli 10 desimaalinumeroa ja suorituskyky 300 laskuoperaatiota sekunnissa.
ENIACin "ohjelmointi" oli hankalaa, koska se tapahtui
koneen kytkentöjä muuttamalla.
Putkia käytettiin tietokoneitten alkuaikoina, koska muitakaan
vaihtoehtoja ei tuolloin ollut käytettävissä. Tietokoneissa
alettiin käyttää transistoreita ja erityisesti
mikropiirejä heti niiden ilmestytty markkinoille.
Sodan jälkeinen aika 1960-luvulle asti oli putkitekniikan kulta-aikaa. Putket pienenivät, niiden tehonkulutus laski ja käyttökelpoinen taajuusalue kasvoi aina UHF-alueelle asti. Putkityypit stardardisoituivat siten, että eri tehtaiden putket olivat vaihtokelpoisia toistensa kanssa.
Kun putkiteollisuus pyrki 30-luvulla tuomaan markkinoille mahdollisimman yleiskäyttöisiä putkia, tehtaat esittelivät 50-luvulla radio- ja TV-sovelluksiin pitkälle erikoistuneita putkityyppejä. Tälläisiä olivat esimerkisi sekoittajiin tarkoitetut heksodi ja heptodi. Tilan ja tehon säästämiseksi samaan lasikuoreen sovitettiin kaksi, joskus jopa kolmekin elektrodiasennelmaa. Yleisimpiä olivat kaksoistriodit ja triodi-pentodit.
Transistori keksittiin vuonna 1947. Kesti kuitenkin parikymmentä vuotta, ennenkuin transistori korvasi kokonaan pienitehoiset putket. Germaniumtransistorit olivat kalliita, asennuksessa helposti tuhoutuvia, herkkiä ylijännitteille, ylikuormitukselle ja lämpötilan vaihteluille. Niiden suorituskyky oli vaatimaton puolen vuosisadan aikana huippuunsa kehittyneiden putkien rinnalla.
Transistoreiden hyvät puolet, pieni koko ja tehonkulutus, tekivät kuitenkin mahdolliseksi täysin uusia sovelluksia, esimerkiksi kuulokojeet, sydämen tahdistajat, pienoisradiot ja tietokoneet. 1950-luvulla ilmestyivät markkinoille ensimmäiset matkaradiot ja "kokonaan transistoroidut" matkatelevisot. Kesti kuitenkin vielä parikymmentä vuotta ennenkuin suurikuvaruutuisten väritelevisioiden juova- ja kenttäpääteasteet pystyttiin toteuttamaan transistoreilla.
Putkiteollisuus kehitti vielä
viimeisen yrityksen transistorin kaatajaksi. Nuvistori oli lähes
yhtä pieni kuin transistori, vei tehoa vain watin verran
ja toimi muutaman kymmenen voltin anodijännitteellä.
Toimintalämpötila-alueeksi luvattiin huikeat -190...+350
C, ja eliniäksi 100 000 tuntia. Valitettavasti nuvistorin
julkistus tapahtui samaan aikaan kuin ensimmäisten mikropiirien
julkistus 1959, joten ne jäivät piensignaaliputkien
joutsenlauluksi.
60- ja 70-lukujen aikana lasikupuiset vastaanotinputket korvattiin transistoreilla lähes kaikissa kulutuselektroniikan ja teollisuuselektroniikan laitteissa. Ne putkisovellukset, jotka silloin jäivät käyttöön ovat pääosin käytössä vielä tänään, siis sovellukset joissa transistorit eivät pysty korvaamaan putkia: kuvaputket, röntgen- ja valomonistinputket sekä suuritehoiset radiotaajuus- ja mikroaaltolähetinputket. Näissä sovelluksissa putkien koko, paino, tehonkulutus tai hehkujännitteen tarve eivät ole mikään ongelma.
Ensimmäisten transistorivahvistimet saivat 60-luvulla hifistien tuomion, niiden ääni kun oli huomattavasti huonompi kuin putkilaitteiden. Tämä siitä huolimatta, että transistorilaitteiden mittaustulokset, taajuusvasteet ja säröarvot olivat moitteettomia, huomattavasti parempia kuin putkilaitteiden.
Matti Otala osoitti 1970-luvun alussa löytämänsä TIM- eli transientti-intermodulaatiosärön avulla, että hyväkorvaiset hifistit eivät olleet väärässä. Hyvistä staattisista mittausarvoista huolimatta vahvaa takaisinkytkentää käyttävät transistorivahvistimet menivät voimakkaiden transienttien aikana lyhyeksi hetkeksi kokonaan "tukkoon. Vahvistimen ääni kuulosti karhalta ja tukkoiselta. Ilmiötä ei esiintynyt putkivahvistimilla, joissa kovin tiukkaa takaisinkytkentää ei voinut värähtelyvaaran takia käyttää.
Otalan tutkimusten ansiosta transistorivahvistimien äänenlaatu parani pian huomattavasti. Osa hifilehdistöstä julistikin luottavaisesti, että "hyvälaatuisten vahvistimien välillä ei ole kuultavia eroja".
1980-luvun lopulla alkoi maailmalta kuitenkin kuulua kummia: yhä useammat hifiharrastajat siirtyivät käyttämään putkivahvistimia, joka vanhoja malleja tai itse rakennettuja. Muutamassa vuodessa alkoi vanhojen putkilaitteiden renessanssi, ja aikaansa seuraavat hifivalmistajat alkoivat tarjota markkinoille aivan uusia putkivahvistimia.
Viimeisin villitys ovat pienitehoiset, alle 10 wattia tehoa tuottavat SET-vahvistimet (Single Ended Triode). Useimmiten niissä on ainoana pääteputkena 1930-luvulta peräisin oleva suoraan hehkutettu 300B-tyyppinen triodi ja muina osina kourallinen kalliita ja huippulaatuisia komponentteja. Näiden vahvistimien väitetään luovan kuuntelijalle uskomattoman vahvan läsnäolon tunnun vinyylilevyjä ja jopa vanhoja 78-kierroksen "savikiekkoja" kuunneltaessa.
Tänään monet maailman kalleimmista ja arvostetuimmista high-end-vahvistimista on toteutettu ainakin osittain putkilla. Alan lehdistön arvion mukaan audioputkien kysyntä kasvaa 10...20 % vuodessa. Audioputkia myydään USA:ssa noin 100 miljoonan ja koko maailmassa kentien noin 400 miljoonan dollarin arvosta, joten aivan nappikaupasta ei todellakaan ole kysymys.
Maailmassa on jäljellä tusinan verran lasiputkia tuottavia tehtaita. Suurimmat ovat Venäjällä ja Kiinassa, mutta Itä-Euroopan maissa on myös useita pieniä tehtaita. Useimmat tehtaat valmistavat vain tiettyjä putkityyppejä ikivanhoilla koneilla ja puutteellisin laadunvalvontamenetelmin.
Pietarissa sijaitseva Svetlana-yhtiö perusti 1992 amerikkalaisen R&G International -yhtiön kanssa yhteisyrityksen markkinoimaan ja myymään Svetlanan valmistamia lasi- ja tehoputkia. Amerikkalainen osapuoli hoitaa rahoituksen ja markkinoinnin sekä valitsee valmistettavat putkityypit asiakkaiden tarpeiden ja vaatimusten mukaan. Svetlanan tehdas Pietarissa taas pystyy toimittamaan hyvälaatuisia putkia luotettavasti sovitun toimitusajan puitteissa. Tehtaan tuotekehitys pystyy tarvittaessa viemään tuotantoon aivan uusia putkityyppejä vastauksena muuttuviin markkinoihin.
Western Electric -yhtiö avasi vuonna 1997 uudelleen Kansasissa sijaitsevan tehtaansa, joka valmistaa legendaarisia WE300B-putkia alkuperäisten piirustusten mukaan. Tehtaan tuotanto ja laadunvalvonta on toteutettu nykyaikaisella tekniikalla. Uusia putkia myydään 360 dollarin kappalehinnalla.
Prahassa toimii Teslan entisessä putkilaboratoriossa KR Audio Electronics, entiseltä nimeltään KR Enterprises. Tehdas valmistaa itse suunniteltuja huippulaatuisia malleja kuuluisasta 300B-putkesta. KR valmistaa myös omia high-end-vahvistimia, joissa omien putkien erikoisominaisuuksia hyödynnetään tehokkaasti.
Ei siis kannata heittää pois sitä isoisän ullakolta löytynyttä vanhaa putkiradiota tai -vahvistinta. Vanhoihinkin laitteisiin löytyy vielä varaosia, ja puhdistettuina ja entistettyinä ne ovat muistuttamassa elektroniikka-alan pitkästä historiasta ja perinteistä. Ne ovat elektroniikan antiikkia.