🥇Ето, най-накрая, и реле

А ето, най-накрая и релето

Други статии от цикъла:

В в предшествующей части повествования мы узнали, как американский ученый и преподаватель Джозеф Генри впервые совершил поездку по Европе. Во время своего визита в Лондон он специально встретился с глубоко уважаемым им человеком, математиком Чарльзом Бэббиджем. Вместе с Генри был его друг Александр Бах и его новый знакомый, экспериментатор в области телеграфа, Чарльз Уитстон. Бэббидж рассказал своим гостям, что вскоре собирается продемонстрировать члену Парламента свою счетную машину, однако с еще большим воодушевлением он поделился с ними идеей своей новой машины, «которая значительно превзойдет возможности первой». Генри записал общие сведения об этом плане в своем дневнике:

Эта машина делится на две части: одну из них мистер Б. называет хранилищем, а другую – мельницей. Хранилище заполнено колесиками с нарисованными на них цифрами. Периодически рычаги вытягивают их и перемещают в мельницу, где происходят необходимые манипуляции. В конечном итоге эта машина сможет свести в таблицу любую формулу алгебраической природы.

Историк не может не ощутить холодок, пробегающий по спине от таких случайных пересечений в человеческих жизнях. Здесь пересеклись две нити истории вычислительных машин, одна из которых приближалась к своему завершению, а другая только начиналась.

Ведь хотя машину Бэббиджа часто представляют как начало истории современных универсальных компьютеров, связь между ними достаточно слаба. Его машина (которую он так и не построил) была кульминацией мечты о механических вычислениях. Эту мечту, впервые озвученную Лейбницем, вдохновляли всё более усложняющиеся часовые механизмы, создаваемые мастерами с конца средних веков. Но ни один компьютер общего назначения не был построен на чистой механике – эта задача слишком сложна.

Ето, електромагнитното реле, замислено от Хенри и другите, може доста лесно да бъде внедрено в изчислителни схеми, чиято сложност без него изглежда неописуема. Въпреки това, оставаха още десетилетия до този момент, и такова развитие не би могло да бъде предвидено от Хенри и неговите съвременници. То стана прародител на безброй транзистори, които направиха възможен днешния цифров свят, силно преплетен с нашия съвременен живот. Релетата запълниха вътрешността на ранните програмирани компютри, управляващи кратък период, докато не бяха заменени от техните чисто електронни събратя.

Релета са изобретявани няколко пъти независимо едно от друго през 1830-те години. Целите им бяха разнообразни (петте му изобретатели измислиха поне три приложения) – както и примерите за употреба. Но е удобно да се мисли за него като за устройство с двойно предназначение. Може да се използва като ключ, управляващ друго електрическо устройство (включително, което е важно, друго реле), или като усилвател, превръщащ слаб сигнал в силен.

Ключ

Джозеф Хенри комбинира в едно лице дълбоки познания в натурфилософията, механиката и интерес към проблема на механичния телеграф. През 1830-те такъв набор от качества вероятно притежаваше само Уитстон. До 1831 година той построил контур с дължина 2.5 км, способен да задейства звънец, използвайки за това един от най-мощните магнити. Вероятно, ако Хенри продължаваше да работи толкова активно върху телеграфа и проявяваше такова упорство, каквото демонстрираше Морз, именно неговото име щеше да бъде записано в учебниците.

Но Хенри, учител от Академията в Олбани, а след това в Колежа на Ню Джърси (сега Принстънския университет), изграждаше и усъвършенстваше електрически устройства с цел изследвания, обучение и научни демонстрации. Той не се интересуваше от преобразуването на педагогически инструмент в система за предаване на съобщения.

Примерно през 1835 година той измислил особено хитра демонстрация с помощта на два контура. Спомнете си, че Генри открил при електричеството две измерения – интензивност и количество (известни като напрежение и сила на тока). Той създаде контури с интензивни батерии и магнити за предаване на електромагнетизъм на големи разстояния, и контури с количествени батерии и магнити за създаване на електромагнитни сили с голяма мощност.

Неговият нов агрегат съчетаваше и двете свойства. Мощният количествен електромагнит можеше да вдигне товар от стотици килограми. Интензивният магнит на края на дългия контур се използваше за вдигане на малък метален проводник: превключвател. Затварянето на интензивния контур караше магнита да вдигне проводника, което отваряше превключвателя и количествения контур. Количественият електромагнит след това внезапно хвърляше товара си с оглушителен грохот.

Този реле – а точно такава роля изпълняваше интензивният магнит и неговият проводник – беше необходим за демонстрация на преобразуването на електрическа енергия в механична, както и на това как малка сила може да управлява голяма. Лесното потапяне на проводника в киселина за затваряне на контура довеждаше до малко движение на малкия превключвател, което в крайна сметка завършваше с катастрофа, представляваща падането на метал в количество, достатъчно да смачка всеки, който беше достатъчно глупав, за да стои под него. За Генри реле беше инструмент за демонстрация на научни принципи. Това беше електрически лост.

А ето, най-накрая и релето

Генри вероятно беше първият, който свърза по този начин два контура – за да управлява един контур с електромагнетизма на другия. Второто място, колкото знаем, принадлежи на Уилям Кук и Чарлз Уитстън, въпреки че те си поставяха съвсем различни цели.

През март 1836 година, скоро след посещение на демонстрация в Хайделберг на телеграфа, който използва галванична игла за предаване на сигнали, Кук се вдъхнови от музикална кутия. Кук смяташе, че използването на игли, обозначаващи букви, в реален телеграф ще изисква множество игли, а за тях ще са нужни множество контури. Но Кук искаше електромагнит да активира механизъм, който вече може да бъде колкото се може по-сложен за демонстрация на нужната буква.

Той замисли машина, напомняща на музикална кутия, с варел, обгърнат от множество щифтове. От една страна на варела трябваше да има кръгова скала с букви. Всяка от страните на телеграфната линия трябваше да разполага с такава кутия. Наранената пружина трябваше да застави варела да се върти, но по-голямата част от времето той ще бъде фиксиран с стопор. При натискане на телеграфния ключ контурът се затваря, което активира електромагнитите, които отключват двата стопора и двете машинки се въртят. Когато на скалата се показва нужната буква, ключът се отпускат, стопорите се връщат на мястото си и спират движението на варелите. Кук, сам не знаейки, възпроизведе хронометричен модел на телеграфа на Роналд, измислен два десетилетия по-рано, и ранните експерименти на братята Шап с телеграфа (само те използваха звук за синхронизиране на скалите, а не електричество).

Кук осъзна, че такъв механизъм може да помогне да се реши дългогодишният проблем на телеграфа – уведомяването на приемащата страна за ново съобщение. За това може да се използва втори контур с друг електромагнит, който да активира механичен звънец. Затварянето на контур втягва стопора и звънецът звъни.

През март 1837 година Кук започва съвместна работа с Уитстон над телеграфа, и приблизително по това време те се замислиха над необходимостта от втори контур. Вместо да се прави независим контур за сигнализиране (и протягане на километри излишни проводници), не беше ли по-лесно да се използва основният контур за контрол на сигнала?

А ето, най-накрая и релето

До това време Кук и Уитстън се върнаха към игловидния дизайн, и стана абсолютно очевидно, че може да се свърже малко парче проводник с игла, така че, когато нейният край се привлеква от електромагнит, опашката й да затваря втори контур. Този контур ще задейства сигнала. След определен интервал, през който получателят на съобщението би могъл да успее да се събуди, да отключи сигнала и да приготви химикалка и хартия, иглата вече би могла да се използва за предаване на съобщение в обичаен режим.

В течение на две години на два континента два пъти, с две различни цели, хората осъзнаха, че електромагнитът може да се използва като превключвател, управляващ друг контур. Но може да се представи и напълно различен начин за взаимодействие между двете вериги.

Усилвател

До есента на 1837 година Сеймур Морз беше уверен, че неговата идея за електрически телеграф може да работи. Използвайки интензивна батерия и магнит на Хенри, той изпращаше съобщения на разстояние половин километър. Но, за да докаже на Конгреса възможността за предаване на съобщения чрез своя телеграф през целия континент, му беше нужно много повече. Беше ясно, че независимо от мощността на батериите, в някакъв момент контурът ще стане твърде дълъг за предаване на четим сигнал до другия му край. Но Морз установи, че, въпреки силното падане на мощността с разстоянието, електромагнитът може да отваря и затваря друг контур, захранван от собствена батерия, който от своя страна може да предава сигнала по-далеч. Процесът може да се повтаря безкрайно и да покрива дистанции от всякаква дължина. Затова тези междинни магнити нарекли 'relay' – като пощенски станции за смяна на коне. Те приемали електрическото съобщение от отслабващия партньор и го носели напред с нова сила.

Невъзможно е да се установи дали тази идея е вдъхновена от работата на Хенри, но Морз определено беше първият, който използва реле за такава цел. За него релето не беше превключвател, а усилвател, способен да превърне слаб сигнал в силен.

А ето, най-накрая и релето

От другата страна на Атлантика около същото време Едуард Дейви, лондонският фармацевт, създал подобна идея. Вероятно, той се е заинтересувал от телеграфа около 1835 година. До началото на 1837 редовно провеждал експерименти с полуторакилометровия контур в Риджент Парк на северозапад в Лондон.

Скоро след срещата на Кук и Уитстън през март 1837, Дейви почувства конкуренция и сериозно помисли за изграждане на практическа система. Той забеляза, че силата на отклонение на галваничната игла значително намалява с увеличаване на дължината на проводника. Както той написа много години по-късно:

Тогава си помислих, че дори и най-малкото движение на иглата с дебелината на косъм ще бъде достатъчно, за да свърже две метални повърхности, затварящи новия контур, зависим от местната батерия; и така може да се повтаря безкрайно.

Дейви нарече тази идея за преобразуване на слаб електрически сигнал в силен „електрически обновител“. Но той не успя да реализира тази или друга идея относно телеграфа. Патентът на телеграфа получава през 1838 година, независимо от Кук и Уитстън. Но през 1839 година той отплава за Австралия, бягайки от нещастен брак, и остави полето на конкуренцията. Тяхната телеграфна компания купи този патент след няколко години.

Реле в света

В историята на технологиите ние обръщаме много внимание на системите, но често игнорираме техните компоненти. Ние разглеждаме историята на телеграфа, телефона, електрическата светлина, потапяме техните създатели в топлите лъчи на нашето одобрение. Но тези системи успяха да се появят само благодарение на комбинацията, рекомбинацията и изменението на съществуващите елементи, тихо растящи в сянка.

Релето е един от тези елементи. То бързо еволюира и придобива разнообразие, когато телеграфните мрежи започват активно да растат през 1840-те и 1850-те години. През последвалия век то се появи в електрически системи от всякакъв вид. Най-ранната модификация беше използването на твърд метален якор, както при сигнализацията на телеграфа, за затваряне на контура. След изключването на електромагнита якорът се отделяше от контура с помощта на пружина. Такъв механизъм беше по-надежден и издръжлив, отколкото парчета проводници или игли. Разработиха се и модели с по подразбиране затворен механизъм, в допълнение към оригиналния дизайн, отворен по подразбиране.

А ето, най-накрая и релето
Типично реле от края на XIX век. Пружината T задържа якоря B от допиране с контакта C. Когато се активира електромагнитът M, той преодолява пружината и затваря веригата между проводника W и контакта C.

В ранните години на телеграфа реле рядко се използваха като усилватели или „обновители“, тъй като една верига можеше да бъде удължена на 150 км. Но те бяха изключително полезни за комбиниране на слаботокови дълги линии с местни линии с високо напрежение, които можеха да се използват за захранване на други устройства, например, регистратори на Морз.

Десетки патенти в САЩ от втората половина на XIX век описват нови видове реле и тяхното ново приложение. Диференциалното реле, което разделяше намотката така, че електромагнитният ефект да се компенсира в едната посока и да се усилва в другата, позволяваше да се използва дуплексна телеграфна връзка: два сигнала, преминаващи в противоположни направления по един проводник. Томас Едисон използва поляризираното (или полярно) реле за създаване на квадруплекса, способен да изпраща 4 сигнала едновременно по един проводник: по два в едната посока и по два в другата. В поляризираното реле самият якорь беше постоянен магнит, реагиращ на посоката на тока, а не на силата. Благодарение на постоянните магнити, можеше да се направят релета с превключващи контакти, които остават разомкнати или замкнати след превключването.

А ето, най-накрая и релето
Поляризираното реле

Релета, освен в телеграфията, започнаха да се използват и в сигнализационните системи на железниците. С появата на мрежите за електрическо предаване, релетата започнаха да се използват и в тези системи, особено като защитни устройства.

Но дори и тези дълги и сложни мрежи не изискваха от релетата повече, отколкото те можеха да предоставят. Телеграфът и железницата достигнаха до всеки град, но не до всяка сграда. Те имаха десетки хиляди крайни точки, но не милиони. На системите за електрическо предаване не им пукаше къде завършват – те просто предоставяха ток на местната верига и всеки дом и предприятие можеха да го вземат толкова, колкото им е необходимо.

Телефонията беше напълно различен въпрос. На телефоните им беше необходимо да създават връзка от точка до точка, от всяка сграда или офис до всяка друга, затова те се нуждаеха от управляващи контури в невиждани мащаби. Човешкият глас, предаван под формата на колебания по проводниците, беше сигнал, богат, но слаб. Затова за дългата телефонна връзка бяха нужни усилватели с по-добро качество. Оказа се, че превключвателите могат да работят и като такива усилватели. Телефонните мрежи вече управляваха еволюцията на превключвателите повече от всяка друга система.

Какво да прочетете

• James B. Calvert, “Електромагнитният телеграф“
• Franklin Leonard Pope, «Съвременна практика на електрическия телеграф» (1891)

Източник: habr.com