【科普】继电器和电子管

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如何从零开始建造一台计算机？

普通认为，计算机芯片的发展历史经历了真空管（电子管、真空三极管）、晶体管和大规模集成电路三个时代，然而说到起源，我们还是应该从电报机和继电器开始。

一组真空管

电报机 Telegraph

电报机出现在18世纪30年代，最早的电报系统一般认为是1837年美国科学家摩尔斯（Samuel Finley Breese Morse）建造的，同时他也是电报摩尔斯码的发明人，这是一种使用点、划线和空白来表示字母的编码方法，一直以来都是电报机发送信息的标准编码方式。

电报机发送员依照编码后的点或者划线的顺序，滴滴答答的按下发报键。按键被按下的时候就会接通电路，在电线内产生电流。电流传送到接收端的机器中，再次被复原为摩尔斯编码的点、线和空格，而后人工翻译成字母语句信息。

间断的按下发报键，利用电流发送摩尔斯编码

发报键根本上就是一个下面有弹簧的按键而已，它直接控制着电流的通断。

继电器 Electronic Relay

初期电报系统遇到最大的难题就是远距离电线导致电流的衰减，这严重影响了电报的使用范围，毕竟人们渴望能够跨越山川、跨越国家、跨越海洋对信息进行传递。

需要一种装置，每隔几十公里就能够把电流信号进行放大，以确保能够长距离清晰传递而不衰减到无法识别。

这个装置就叫做继电器，它几乎是伴随电报机同时被发明的。继电器的原理也很简单，如下图所示：

继电器包含两个电流回路：左下黄色细线形成的控制回路（Control Circuit）和白色粗线形成的负载回路（Load Circuit）。

当我们合拢左下的控制开关的时候，缠绕的线圈将产生电磁性，吸引弹片向下拉，两个红色的触点就会贴合，这就打通了负载回路，右侧的灯泡就会发光，假如是用电报接收机替换这个灯泡的话，那么接收机即可以记录下电流的通断。

用A电路的开关控制B电路的通断，这看上去似乎没有什么意义。但关键是A电路可以是很低的电压，而B电路可以是很高的电压，而即便弹片合并也并不意味着两个电路就会互相连通，所以AB电路永远是隔开的。

使用继电器的好处很多，实际上几乎每个城市小区的家庭住宅内都有一排相似结构的开关，这些我们可以徒手拨动的小开关其实只是控制回路的开关，只有很低的电压，它们与真正的220V家庭用电线路并不相连。——这让开关变得很安全。

当然，继电器的最主要作用还是电压的提高、电流的放大。用小电流控制大电流，这是继电器被发明的初衷目的。

继电器被发明后的100多年时间内，基本上都只被用作电流、电压的放大或者缩小，直到20世纪30年代，美国在研究战争中炮弹的弹道计算的时候，才意识到到继电器的真正威力。

真空管Vacuum Tube

我们把继电器视为一个系统或者者一个程序，那么就会发现，向这个程序输入一个小电流，即可以输出一个不同的大电流。

假如我们改为使用两个控制回路的两个开关一起来控制输入，也就是设定需要两个电磁铁才能把弹片拉下来，进而点亮电灯，那么这似乎即可以视为将两个数字相加得到两数之和。这种思路为整个计算机时代打开了大门，对此我们暂时留到下一篇再谈。

继电器自身也有很多缺陷。因为机械装置效率很低，加之受到环境影响严重，易于老化等等起因，20世纪40年代，科学家们又发明了更加好用的替代品：真空管。

真空管又叫电子管，它看上去像是一个灯泡，内部的空气被抽掉形成近乎真空的状态。

以真空三极管为例，灯泡内主要包含四个部分：

• 阴极，被激活后会释放出电子。
• 灯丝，能够发光发热，使阴极进入激活状态，开始释放电子。
• 阳极，阴极发射的电子从这里流出形成电流回路。
• 栅极，位于阴阳两级中间，当给栅极赋予肯定电压的时候，它就能在中间阻断电流的流动。

真空三极管示意

这样一来原理就清楚了：灯丝负责发热，保持阴极激发状态，随时能够向阳极发送电子，但是中间的栅极就起到了控制开关的作用。栅极处于控制回路，而阴阳极处于负载回路，通过控制栅极的电压来控制电子管阴阳极的电流通断。

相比继电器，电子管是个重大的进步，但也带来了很多困扰，耗电量大（一直保持阴极的激发状态），寿命短，成本高，结构也比较复杂难以小型化…

电子管作为计算机的核心技术仅仅辉煌了十来年，就逐步被很快崛起的半导体晶体管所替代。在目前，电子管基本主要应用在音响、微波炉等设施内，在计算机内已经几乎找不到电子管的踪迹了。

关于晶体管以及更多计算机相关知识，在后续文章中会陆续整理详情。

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