🥇А вот, наконец, и реле

Другие статьи цикла:

В прошлой части повествования мы узнали, как американский учёный и преподаватель Джозеф Генри впервые проехал по Европе. Посещая Лондон, он специально заехал к глубоко уважаемому им человеку, математику Чарльзу Бэббиджу. Вместе с Генри был его друг, Александр Бах, и его новый знакомый, также экспериментатор в области телеграфа, Чарльз Уитстон. Бэббидж рассказал гостям, что вскоре собирается продемонстрировать члену Парламента свою счётную машину, но с ещё большим удовольствием он поделился с ними идеей своей новой машины, «которая значительно превзойдёт возможности первой». Генри записал общие сведения об этом плане в своём дневнике:

Эта машина делится на две части, одну из которых мистер Б. называет хранилищем, а вторую – мельницей. Хранилище заполнено колёсиками с нарисованными на них цифрами. Периодически рычаги вытягивают их и перемещают в мельнице, где происходят необходимые манипуляции. По окончанию эта машина сможет свести в таблицу любую формулу алгебраической природы.

Историк не может не почувствовать 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 довольно слабая. 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 умельцами с конца средних веков. Но ни один компьютер общего назначения не был построен на чистой механике – эта задача слишком сложна.

А вот электромагнитное реле, задуманное Генри и другими, можно довольно легко внедрить в вычислительные контуры, сложность которых без него кажется невообразимой. Однако до этого момента оставались ещё десятилетия, и такого развития не могли предвидеть Генри и его современники. Оно стало прародителем бесчисленного множества транзисторов, сделавших возможным сегодняшний цифровой мир, так сильно переплетённый с нашей современной жизнью. Реле заполнили внутренности ранних программируемых вычислительных машин, правивших краткое время, пока их не заменили их чисто электронные родичи.

Реле изобретали несколько раз независимо друг от друга в 1830-х годах. Цели его были многообразны (пять его изобретателей придумали, по меньшей мере, три варианта применения) – как и примеры использования. Но о нём удобно думать, как об устройстве двойного назначения. Его можно использовать, как переключатель, управляющий ещё одним электрическим устройством (включая, что важно, другое реле), или как усилитель, превращающий слабый сигнал в сильный.

Переключатель

Джозеф Генри сочетал в одном человеке глубокие познания в натурфилософии, механике и интерес к проблеме механического телеграфа. В 1830-х такой набор качеств был, пожалуй, ещё только у Уитстона. К 1831 году он построил контур длиной в 2,5 км, способный приводить в действие звонок, используя для этого мощнейший магнит из существовавших. Возможно, если бы он и дальше продолжал так активно работать над телеграфом, и проявил такое же упорство, как демонстрировал Морзе, то именно его имя было бы вписано в учебники.

Но Генри, учитель из Академии в Олбани, а затем в Колледже Нью-Джерси (теперь это Принстонский университет) строил и совершенствовал электрические устройства в целях исследований, обучения и научных демонстраций. Он не интересовался тем, чтобы превратить педагогический инструмент в систему передачи сообщений.

Примерно в 1835 году он придумал особенно хитроумную демонстрацию при помощи двух контуров. Вспомните, что Генри обнаружил у электричества два измерения – интенсивность и количество (мы зовём их напряжение и сила тока). Он создал контуры с интенсивными батареями и магнитами для передачи электромагнетизма на большие расстояния, и контуры с количественными батареями и магнитами для создания электромагнитных сил большой мощности.

Его новый агрегат сочетал в себе оба свойства. Мощный количественный электромагнит мог поднимать груз в сотни килограмм. Интенсивный магнит на конце длинного контура использовался для подъёма небольшого металлического провода: переключателя. Замыкание интенсивного контура заставляло магнит поднимать провод, а это размыкало переключатель и количественный контур. Количественный электромагнит затем внезапно ронял свой груз с оглушительным грохотом.

Это реле – а именно такую роль исполнял интенсивный магнит и его провод – необходимо было для демонстрации превращения электрической энергии в механическую, а также того, как небольшая сила может управлять большой. Лёгкое погружение провода в кислоту для замыкания контура приводило к небольшому движению малого переключателя, что в результате заканчивалось катастрофой в виде падения металла, в количестве, достаточном для того, чтобы раздавить кого-либо, кто был бы достаточно глуп, чтобы стоять под ним. Для Генри реле было инструментом демонстрации научных принципов. Это был электрический рычаг.

Генри, вероятно, был первым, соединившим таким образом два контура – чтобы, используя электромагнетизм одного контура, управлять другим. Второе место, насколько нам известно, принадлежит Уильяму Куку и Чарльзу Уитстону, хотя они задавались совсем другими целями.

В марте 1836 года, вскоре после посещения демонстрации в Гейдельберге телеграфа, использовавшего гальваническую иголку для передачи сигналов, Кук вдохновился музыкальной шкатулкой. Кук считал, что использование в реальном телеграфе иголок, обозначающих буквы, потребует нескольких иголок, а для них нужны будут несколько контуров. Кук же хотел, чтобы электромагнит активировал механизм, который уже может быть сколь угодно сложным в демонстрации нужной буквы.

Он задумал машину, напоминающую музыкальную шкатулку, с бочонком, окружённым множеством булавок. С одной стороны бочонка должна располагаться круговая шкала с буквами. На каждом из концов телеграфной линии должна находиться такая коробочка. Взведённая пружина должна заставлять бочонок вращаться, но большую часть времени он будет зафиксирован стопором. При нажатии телеграфного ключа контур замыкается, что активирует электромагниты, открывающие оба запора, и обе машинки вращаются. Когда на шкале показывается нужная буква, ключ отпускают, запоры встают на место и останавливают движение бочонков. Кук, сам не зная, воссоздал хронометрическую модель телеграфа Рональда, придуманную два десятилетия назад, и ранние эксперименты братьев Шапп с телеграфом (только те использовали для синхронизации шкал звук, а не электричество).

Кук понял, что такой же механизм может помочь решить давнюю проблему телеграфа – уведомление принимающей стороны о новом сообщении. Для этого можно использовать второй контур с другим электромагнитом, который активировал бы механический звонок. Замыкание контура втягивало бы стопор, и звонок звонил бы.

В марте 1837 года Кук начал совместную работу с Уитстоном над телеграфом, и примерно в это время они задумались над необходимостью второго контура. Вместо устройства независимого контура для сигнала оповещения (и протяжки километров лишних проводов), не проще ли было бы использовать основной контур для контроля сигнала?

К тому времени Кук и Уитстон вернулись к игольчатому дизайну, и было совершенно очевидно, что можно соединить небольшой кусок провода с иглой, чтобы, когда её конец притягивался электромагнитом, её хвост замыкал второй контур. Этот контур приводил бы в действие сигнал. После определённого интервала, во время которого получатель сообщения мог бы успеть проснуться, отключить сигнал и приготовить карандаш и бумагу, иголку уже можно было использовать для передачи сообщения в обычном режиме.

В течение двух лет на двух континентах дважды, с двумя разными целями, люди поняли, что электромагнит можно было использовать как переключатель, управляющий другим контуром. Но можно было представить и совершенно другой способ взаимодействия двух контуров.

Усилитель

К осени 1837 года Сэмюэл Морзе был уверен в том, что его идею электрического телеграфа можно заставить работать. Используя интенсивную батарею и магнит Генри, он отправлял сообщения на расстояние в полкилометра. Но, чтобы доказать Конгрессу возможность передачи сообщений по своему телеграфу через весь континент, ему нужно было гораздо больше. Было ясно, что вне зависимости от мощности батарей, в какой-то момент контур станет слишком длинным для передачи разборчивого сигнала на другой его конец. Но Морзе сообразил, что, несмотря на сильное падение мощности с расстоянием, электромагнит может открывать и закрывать другой контур, питаемый собственной батареей, который в свою очередь может передавать сигнал дальше. Процесс можно повторять сколько угодно раз и покрывать дистанции любой длины. Поэтому эти промежуточные магниты и называли «relay» – как почтовые станции для смены лошадей. Они принимали электрическое сообщение от слабеющего партнёра и несли его дальше с новой силой.

Невозможно установить, была ли эта идея вдохновлена работами Генри, но Морзе точно был первым, кто использовал реле для такой цели. Для него реле был не переключателем, а усилителем, способным превратить слабый сигнал в сильный.

С другой стороны Атлантики примерно в это же время Эдвард Дэйви, лондонский фармацевт, придумал сходную идею. Он, вероятно, заинтересовался телеграфом примерно в 1835 году. К началу 1837 он регулярно проводил эксперименты с полуторакилометровым контуром в Риджент-Парке на северо-западе Лондона.

Вскоре после встречи Кука и Уитстона в марте 1837, Дэйви почувствовал конкуренцию и серьёзнее задумался о постройке практической системы. Он заметил, что сила отклонения гальванической иглы заметно уменьшалась при увеличении длины провода. Как он писал много лет спустя:

Тогда я подумал, что даже малейшего движения иглы на толщину волоса будет достаточно, чтобы привести в контакт две металлические поверхности, замыкающие новый контур, зависящий от местной батареи; и так можно повторять вечно.

Дэйви назвал эту идею превращения слабого электрического сигнала в сильный «электрическим обновителем». Но ему не удалось реализовать эту или любую другую идею по поводу телеграфа. Патент на телеграф он получил в 1838 году, независимо от Кука и Уитстона. Но в 1839 году он уплыл в Австралию, спасаясь от несчастного брака, и оставил поле деятельности конкурентам. Их телеграфная компания купила этот патент через несколько лет.

Реле в мире

В истории технологий мы уделяем много внимания системам, но часто игнорируем их компоненты. Мы ведём историю телеграфа, телефона, электрического света, купаем их создателей в тёплых лучах своего одобрения. Но эти системы смогли появиться только благодаря комбинации, рекомбинации и изменения существующих элементов, тихо росших в тени.

Реле – один из таких элементов. Оно быстро эволюционировало и обрело разнообразие, когда телеграфные сети начали активно расти в 1840-х и 1850-х. За последовавшее столетие оно появилось в электрических системах разного рода. Самой ранней модификацией было использование жёсткого металлического якоря, как на сигнале телеграфа, для замыкания контура. После выключения электромагнита якорь отсоединялся от контура при помощи пружины. Такой механизм был более надёжным и выносливым, чем кусочки проводов или иголки. Разрабатывались и закрытые по умолчанию модели, в дополнение к изначальному дизайну, открытому по умолчанию.

Типичное реле конца XIX века. Пружина T удерживает якорь B от соприкосновения с контактом С. Когда активируется электромагнит М, он преодолевает пружину и замыкает контур между проводом W и контактом C.

В ранние годы телеграфа реле редко использовались в качестве усилителей или «обновителей», поскольку один контур можно было растянуть на 150 км. Но они были очень полезны для объединения слаботочных длинных линий с местными линиями высокого напряжения, которые могли использоваться для питания других машин, к примеру, регистратора Морзе.

Десятки патентов в США второй части XIX века описывают новые виды реле и их новое применение. Дифференциальное реле, разделявшее катушку так, что электромагнитный эффект компенсировался в одном направлении и усиливался в другом, позволяла использовать дуплексную телеграфную связь: два сигнала, идущие в противоположных направлениях по одному проводу. Томас Эдисон использовал поляризованное (или полярное) реле для создания квадруплекса, способного отправлять 4 сигнала одновременно по одному проводу: по два в каждом направлении. В поляризованном реле сам якорь был постоянным магнитом, реагировавшим на направление тока, а не на силу. Благодаря постоянным магнитам можно было делать реле с переключающимися контактами, которые после переключения оставались разомкнутыми или замкнутыми.

Поляризованное реле

Реле, кроме телеграфа, стали использоваться и в сигнальных системах железных дорог. С появлением сетей электропередач реле стали использоваться и в этих системах, особенно как устройства защиты.

Но даже эти протяжённые и сложные сети не требовали от реле больше, чем те были способны предоставить. Телеграф и железная дорога зашли в любой город, но не в любое здание. У них были десятки тысяч конечных точек, но не миллионы. Системам электропередач было всё равно, где они заканчиваются – они просто давали ток на местный контур, и каждый дом и предприятие могли забрать его себе, сколько нужно.

Телефония была совершенно другим делом. Телефонам нужно было создавать связь от точки до точки, от любого из домов и офисов до любого другого, а поэтому им требовались управляющие контуры невиданного масштаба. Человеческий голос, идущий в виде колебаний по проводам, был сигналом богатым, но слабым. Поэтому дальней телефонной связи нужны были усилители лучшего качества. Оказалось, что переключатели могут работать и такими усилителями. Теперь уже телефонные сети больше любых других систем управляли эволюцией переключателей.

Что почитать

• James B. Calvert, “The Electromagnetic Telegraph“
• Franklin Leonard Pope, «Modern Practice of the Electric Telegraph» (1891)

Источник: habr.com