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發明三極管與再生電路的人

發明三極管與再生電路的人

發明三極管與再生電路的人

美洲盃國際帆船賽

1901年9月25日星期二,馬可尼無線電報美國分公司的工程人員將無線電設備搬到船上,準備測試從海上發送無線電報到紐約長灘岸上的接收站。這是為了即將在週末展開的美洲盃國際帆船賽,「聯合通訊社」(Associated Press,簡稱美聯社)希望藉此首創帆船比賽的實況報導。

其實兩年前馬可尼已經在上一屆的比賽中,證明他的無線電報系統可行,因此拿到美聯社的合約。這兩年來系統經由弗萊明(John A. Fleming)的改良,更大幅提升收發電報的距離,用在這屆賽事肯定不是問題,現在測試只是確認新器材在搖晃的海面上也能正常運作,因此大家都抱著輕鬆的心情進行測試,準備速速測完就可收工休息。

沒想到船還沒出航,接收站就收到了不知哪來的摩斯電碼,解譯後的訊息竟是「馬可尼去死吧」等咒罵的字眼。

馬可尼的工程人員找到來源是「美國無線電話與電報公司」(American Wireless Telephone and Telegraph Company)的船,這家公司名稱只比 AT&T 多了「無線」這個詞,但其實和 AT&T 一點關係都沒有。他們之前宣稱買下了道貝耳(Amos Dolbear)於1886年取得的無線通訊專利,藉此控告馬可尼於1899年取得的美國專利無效。1901年3月敗訴後。他們仍繼續上訴,一方面想方設法阻撓馬可尼的業務。

AWT&T堅持自己有權進行測試,不肯退讓。美聯社擔心這樣下去,帆船賽的即時報導就要泡湯,於是出面協調,只要他們停止在這附近進行測試,避免無線電干擾,美聯社就會在報導中提及是由馬可尼公司和AWT&T共同提供無線電報。

AWT&T同意了,但同時告訴美聯社你們恐怕不是獨家,這次帆船賽「出版商新聞協會」(Publishers’ Press Association)也要做實況報導,而為他們提供無線電報系統的,正是曾被馬可尼與你們先後拒絕的德佛瑞斯特(Lee de Forest)。

德佛瑞斯特攝於1904年。圖片來源:Wikipedia

進擊的科學家

德佛瑞斯特畢業於耶魯大學,上了研究所後,曾做電學實驗而搞到整棟大樓跳電,被警告後卻又再犯,於是被勒令休學。當時正值美國與西班牙戰爭,他便自願從軍,但戰爭很快於當年年底結束,他又重回耶魯念物理研究所,只花了一年時間,便於1899年拿到博士學位,論文題目是〈平行導線末端的赫茲波反射〉。

這年三月,馬可尼成功讓無線電報越過英吉利海峽,造成轟動;九月又在美洲盃國際帆船賽證明在船上也可使用,引發美國媒體熱烈報導。對無線電報前景極度期待的德佛瑞斯特一取到博士學位,便向馬可尼毛遂自薦,不料卻遭拒絕。在此同時,AT&T旗下的西方電氣願意提供一份研究工作,他便前往芝加哥任職。

不知是否遭馬可尼拒絕一事反而增強了他的動力,德佛瑞斯特積極研發新型的無線電報接收器。馬可尼所用的是金屬屑檢波器(coherer),當接收到無線電波時,感應電流會使裡面的鐵屑聚集在一起,電流通過後啟動繼電器,在紙帶上留下代表摩斯電碼的長短符號。不過每收到一次訊號,就要再將鐵屑拍散才能接收下個訊號,既不方便又沒效率。

金屬屑檢波器(coherer),圖片來源:Wikipedia

德佛瑞斯特從反射鏡電流計得到靈感,將它與電話聽筒、電池結合在一起,使得感應電流的變化轉換為耳機中的聲響,便能輕易得知摩斯電碼,也不用每次重設。

在成品完成之前,他跳槽到美國無線電報公司(AWT,和AT&T與AWT&T都無關的另一家公司),晚上到伊利諾理工學院兼課教書。恰好學校裡的弗里曼教授(Clarence Freeman)對無線電報也極有興趣,兩人一拍即合,德佛瑞斯特繼續打造接收器的同時,他則著手設計電波發射器。

無線電大亂鬥

無線電報收發設備於1901年完成後,德佛瑞斯特立刻和美聯社接洽,表示自己的裝置優於馬可尼公司,希望美聯社改與他們合作。但馬可尼已做過多次公開演示,他們卻連一次都沒有,美聯社怎可能答應。遭到拒絕後,一心要和馬可尼一較高下的德佛瑞斯特找上規模較小的出版商新聞協會,說服他們採用,便能比肩美聯社,也在國際帆船賽中做實況報導。

當時還沒有調幅或調頻的技術,收報器對無線電波來者不拒,各家的訊號若混雜在一起,根本無法判讀,每個人都是輸家。這道理大家都懂,於是在國際帆船賽的前一天,美聯社和AWT&T達成協議後,也和出版商新聞協會取得共識,在帆船競賽過程中,雙方輪流使用無線電五分鐘,以免互相干擾。

不料第二天比賽開始後,不知是誰先不遵守協議,結果變成三家大亂鬥,無線電波此起彼落,接收站收到的都是無法判讀的亂碼,最後只能靠望遠鏡和旗語勉強報導賽況。

只帶走三極管

遭遇挫敗的德佛瑞斯特仍不死心,決定不回芝加哥,而是留在紐約尋求投資人。他很快在1902年1月認識在華爾街打滾的懷特(Abraham White),懷特建議他與其找大金主,不如直接向大眾募資,這樣公司才是自己的,不受他人左右,事業成功也能享有最大回報。德佛瑞斯特對此提議非常心動,這一年就和懷特共同成立「德佛瑞斯特無線電報公司」,由懷特擔任總經理,自己專心於技術研發。

德佛瑞斯特(坐者)和創業夥伴懷特(立者)攝於1904年聖路易世界博覽會。圖片來源:leedeforest.org

公司成立沒多久,他們就取得陸軍在紐約總督島的無線電報標案,並在隔年三月順利完成驗收。沒想到就在業務蒸蒸日上之際,公司卻突然於1906年遭逢重大危機,法院判決德佛瑞斯特的接收器侵犯他人專利,不得繼續使用。

這個判決嚴重影響公司營運,德佛瑞斯特責無旁貸。孰料懷特竟趁機逼他下台,並在董事會運作將他開除,還得出清所持的所有股份。

德佛瑞斯特創業五年僅換回賣股所得的一千美元(相當於現在35,000美元),但他並未因此灰心喪志,反而立即再度創業,因為他手上還有一項極具潛力的新發明——三極真空管。這是他11月離職前一個月發明的,照理說應該歸公司所有,不屬於他。董事會之所以同意讓他帶走,倒不是當作對他的補償,而只是不想再捲入另一宗專利糾紛。

真空管是由馬可尼電報公司的弗萊明(John A. Fleming)率先發明,並在1904年提出專利申請。他發明的是只有開關與整流功能的二極管,而德佛瑞斯特發明的則是三極管。這是在二極管的負極和正極之間加上金屬網做為柵極,將無線電波產生的感應電流接到柵極,便會有放大訊號的效果。

儘管德佛瑞斯特堅稱自己獨立發明出三極管,並未參考弗萊明的二極管,但在旁人看來還是嫌疑重大。董事會不想又一次因侵權而吃上官司,才寧可放棄專利權。德佛瑞斯特自認清白,又沒什麼好損失的,很快於1907年1月提出三極管的專利申請,並於隔年獲得核可。

德佛瑞斯特於1907年提出三極管的專利申請。圖片來源:leedeforest.org

無線電電話

德佛瑞斯特發明三極管的初衷,不僅是為了接收無線電報,還要用來接收無線電電話,這也是為什麼他特地將三極管命名為有聲音涵義的「Audion」。而從他再度創立的新公司叫做「無線電電話公司」(Radio Telephone Company),更可看出他的雄心。

用無線電波傳遞聲音的調幅技術,最早是由加拿大發明家范信達(Reginald Fessenden)於1900年提出,不過他直到1906年開發出可產生正弦波的高速交流發電機,才成功將音頻搭載於無線電波上,並於當年聖誕夜進行史上首次的公開廣播。德佛瑞斯特則另行改良電弧發射器,也於1906年底成功用無線電波傳遞聲音。

第二年七月,德佛瑞斯特首度完成從船上到岸上的廣播,算是彌補當年美洲盃國際帆船賽轉播挫敗的遺憾,也證明自己有能力超越馬可尼。這次演示雖然讓海軍訂購了26套系統,但安裝之後卻屢屢失常而遭退貨。此外,公司自行建置無線電電話站,服務沿海船舶的業務也一直達不到損益兩平,最後終於在1911年宣告破產。

具有放大訊號功能的三極管不是革命性的發明嗎?就算公司本身的業務失利,為什麼不能將三極管賣給其它電話或電報公司?

這是因為當時仍不清楚訊號放大的原理,德佛瑞斯特在測試時,發現三極管內的真空程度更高時,反而無法運作,因此誤以為須靠氣體離子的作用,而讓真空管內留有些許氣體。結果第一代的三極管效能很不穩定,因此不被外界看好。

脫胎換骨

二度創業失敗的德佛瑞斯特只能認命,到聯邦電報公司上班,但他仍繼續研究如何提升三極管放大訊號的能力。

由於他始終沒有查覺到三極管本身有問題,因此全心從外部電路著手,最後在1912年想出「再生電路」的設計,也就是從三極管輸出訊號後又再反饋到三極管,放大效果可以超過百倍。

當時AT&T正計畫建造橫跨美國的長途電話網路,聽聞德佛瑞斯特的發明後,便邀他前來展示。結果AT&T的科學家發現三極管的問題所在,原來是德佛瑞斯特設計的結構不良,才耐不住真空。

經由AT&T的改良後,真空度更高的三極管果然展現更佳也更穩定的效能,再搭配再生電路,終於彰顯出三極管的巨大潛力。

左為德佛瑞斯特的原始設計,右為AT&T改良後的三極管。圖片來源:Wikipedia

後來的事我們都知道了,真空管除了做為檢波器與通訊網路的中繼放大器,還用於收音機、電視機、微波爐、……等電器用品,以及數位電腦、雷達、……等商業與軍用設備,在電晶體問世之前,便讓人類生活邁入電子時代。

日暮西山

至於德佛瑞斯特個人,他將專利陸續賣給AT&T,先後取得共39萬美元,企圖用這筆錢東山再起,但他嘗試了廣播電台、有聲電影,卻都以失敗告終。在此同時他也官司纏身,除了馬可尼公司控告他的三極管侵犯二極管專利(最後雙方以相互授權收場),他的再生電路也被告侵權。

德佛瑞斯特於1916年刊登的三極管廣告。圖片來源:leedeforest.org

1929年的股市崩盤更是致命一擊,德佛瑞斯特自此每況愈下,雖仍有雄心壯志,在1942年受訪時還表明希望「至少再做出一項偉大的發明」,但已無能為力。

1958年,德佛瑞斯特心臟病發作,自此一直臥病在床,最終在1961年過世,享年87歲,死時帳戶只剩1,250美元。

參考資料:

  1. Lee de Forest – Wikipedia
  2. Lee de Forest | American Inventor & Radio Pioneer | Britannica
  3. Wireless Telegraphy That Sends No Messages Except by Wire (1901)
  4. Lee DE Forest.org

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