Ja lõpuks on siin relé

Teised tsükli artiklid:

• Relay ajalugu
  • Kiire teabe edastamise meetod, või Reléde tekkimine
  • Kaugkirjutaja
  • Galvanism
  • Ettevõtjad
  • Ja lõpuks on siin relé
  • Rääkiv telegraaf
  • Lihtsalt ühendada
  • Unustatud rälite arvutite põlvkond
  • Elektrooniline ajastu
• Elektrooniliste arvutite ajalugu
  • Proloog
  • Koloss
  • ENIAC
  • Elektrooniline revolutsioon
• Transistori ajalugu
  • Käies pimeduses komberdades
  • Sõja sügavusest
  • Korduvalt leiutatud
• Internet ajalugu
  • Tugivõrk
  • Lagunemine, osa 1
  • Lagunemine, osa 2
  • Avades interaktiivsuse
  • Laiendades interaktiivsust
  • ARPANET - algus
  • ARPANET - pakett
  • ARPANET - alamsüsteem
  • Arvuti kui suhtlemisseade
  • Interneti ajalugu: võrguvahetamine

Uues eelmisel jutustuse osas me õppisime, kuidas Ameerika teadlane ja õppejõud Joseph Henry esmakordselt Euroopat külastas. Londoni külastades käis ta spetsiaalselt külas sügava austuse osaliseks saanud matemaatikule Charles Babbage'ile. Henry kaasas oli tema sõber Alexander Bach ning uus tuttav, samuti eksperimenteerija telegraafi alal, Charles Wheatstone. Babbage rääkis külalistele, et kavatseb varsti demonstreerida oma arvestusmasinat parlamendi liikmele, kuid veel suurema rõõmuga jagas ta neile oma uue masina ideed, "mis ületab esimest oluliselt". Henry kirjutas sellest plaanist oma päevikusse:

See masin jaguneb kaheks osaks, millest üht mister B. nimetab hoidla, teist – jahuks. Hoidla on täidetud rattastega, millel on joonistatud numbrid. Perioodiliselt tõmbavad kangid need välja ja viivad jahuks, kus toimuvad vajalikud manipulatsioonid. Lõpuks suudab see masin tabelisse kokku viia iga algebralise loomuga valemi.

Ajaloolane ei saa tunda külma värinat, mis läbib selga selliste juhuslike kohtumiste tõttu inimeludes. Siin põimusid kaks arvutimasinate ajalugu, millest üks oli lõppema hakkamas ja teine just algamas.

Kuid kuigi Babbage'i masinat esitatakse sageli tänapäevaste universaalsete arvutite ajaloo algusena, on nende vaheline side üsna nõrk. Tema masina (mida ta kunagi ei ehitanud) oli mehaaniliste arvutuste unistuse kulminatsioon. Seda unistust, mille esmakordselt väljendas Leibniz, inspireerisid üha keerukamate kellamehhanismide valmistamine meistrite poolt alates keskajast. Kuid ühtegi universaalset arvutit ei ehitatud puhtalt mehhaaniliselt – see ülesanne oli liiga keeruline.

Elektromagnetiline relee, mille lõid Henry ja teised, on arvutiringidesse üsna kergesti rakendatav, mille keerukus ilma selleta tundub mõeldamatu. Kuid selle hetkeni jäi veel paar aastakümmet ning Henry ja tema kaasaegsed ei osanud sellist arengut ette näha. Sellest sai lugematute transistorite eelkäija, mis tegi võimalikuks meie tänase digitaalse maailma, mis on tihedalt seotud meie kaasaegse eluga. Releed täitsid varajaste programmeeritavate arvutite sisemusi, mis valitsesid lühikest aega, kuni need asendati puhtalt elektrooniliste sugulastega.

Releede leiutamisel toimus see mitmeid kordi iseseisvalt 1830. aastatel. Selle eesmärgid olid mitmekesised (viis leiutajat mõtlesid välja vähemalt kolme rakenduse varianti) – nagu ka kasutusnäited. Kuid seda on mugav mõelda kui kahekordse otstarbega seadmena. Seda saab kasutada lülitina, mis juhib veel ühte elektriseadet (sealhulgas, mis on oluline, teist releed), või kui võimendina, mis muudab nõrga signaali tugevaks.

Lüliti

Joseph Henry ühendas endas sügava arusaamise loodusteadusest, mehhaanikast ning huvi mehaanilise telegraafi küsimuse vastu. 1830. aastatel oli selline oskuste kogum ilmselt vaid Whitstone'il. Aastaks 1831 ehitas ta 2,5 km pikkuse ringi, mis suutis aktiveerida kella, kasutades selleks toona kõige võimsamat magnetit. Võib-olla, kui ta oleks jätkanud nii aktiivset tööd telegraafi kallal ning näidanud sama visadust nagu Morse, oleks tema nimi olnud kantud õpikutesse.

Kuid Henry, õpetaja Albany Akadeemias ja hiljem Uue Jersey Kolledžis (nüüd Princetoni Ülikool), ehitas ja täiustas elektriseadmeid teadusuuringute, õpetamise ja teaduslike demonstreerimise eesmärgil. Ta ei olnud huvitatud pedagoogilise tööriista muutmisest teatesüsteemiks.

Umbes 1835. aastal leidis ta välja eriti nutika näituse kahe ahela abil. Meenutame, et Henry avastas elektri kaks mõõdet – intensiivsus ja kogus (me kutsume neid pingeks ja vooluks). Ta lõi ahelad intensiivsete patareide ja magnetitega, et edastada elektromagnetismi suurte vahemaade taha, ning ahelad koguslike patareide ja magnetitega suure võimsusega elektromagnetiliste jõudude loomiseks.

Tema uus seade ühendas endas mõlemad omadused. Võimas koguslik elektromagnet suutis tõsta koormusi, mille kaal ulatus sadadesse kilogrammidesse. Pika ahela lõpus olnud intensiivne magnetit kasutati väikese metalltraadi tõstmiseks: lülitiks. Intensiivse ahela ühendamine sundis magnetit traati tõstma, mis siis avas lüliti ja koguslikku ahelat. Koguslik elektromagnet heitis seejärel oma koorma äkiliselt maha tugevate helide saatel.

See relee – täpselt sellist rolli täitis intensiivne magnet ja tema juhtme – oli vajalik elektrienergia mehhaaniliseks muutmise ja selle demonstreerimise jaoks, kuidas väike jõud saab juhatada suurt. Traadi kerge sukeldamine happesse ahela sulgemiseks viis väikese lüliti väikesesse liikumisse, mis lõppes õnnetusega, kus metall kukkus alla, piisavalt, et purustada kedagi, kes oleks piisavalt rumal, et seista selle all. Henry jaoks oli relee teaduslike põhimõtete demonstreerimise tööriist. See oli elektriline kang.

Henry oli tõenäoliselt esimene, kes ühendas niimoodi kaks ahelat – et kasutada ühe ahela elektromagnetismi teise juhtimiseks. Teine koht, mida me teame, kuulus William Cookile ja Charles Whitstoniile, kuigi nad eesmärgid olid hoopis teised.

Märtsis 1836, vahetult pärast telegrafi näituse külastamist Heidelbergis, kus kasutati galvanomeetrilist nõela signaalide edastamiseks, sai Cook inspiratsiooni muusika karbist. Cook leidis, et reaalsetes telegraafides nõela kasutamine, mis tähistab tähti, nõuab mitut nõela ning seetõttu on vajalikud mitmed kontuurid. Cook soovis, et elektromagnet aktiveeriks mehhanismi, mis võiks olla nii keeruline, kui vajalikud tähised on näidatud.

Ta kavandas masina, mis meenutas muusika karpi, millel oli pooleliiteline ratas, ümbritsetud paljude nööridega. Ratta ühel küljel peaks olema ringikujuline skaalaga tähti. Iga telegrapi liini lõpus peaks olema selline karp. Keeratud vedru peaks sundima ratast pöörlema, kuid enamus ajast peab see olema peatatud. Kui telegrapi võtme vajutatakse, sulgub ring, aktiveerides elektromagnetid, mis avavad mõlemad lukud ja mõlemad masinad pöörlevad. Kui skaalal kuvatakse vajalik täht, vabastatakse võti, lukud asetuvad tagasi ja peavad rataste pöörlemise. Cook, teadmata, reostas mõned aastakümned varem välja mõeldud Ronaldi telegraafi kronomeetrilise mudeli ja varased Schappi venna eksperimendid telegraphi osas (ainult et need kasutasid skaalade sünkroniseerimiseks heli, mitte elektrit).

Cook mõistis, et sama mehhanism võiks aidata lahendada pikaajalist telegraafi probleemi – teavitada saajat uue sõnumi saabumisest. Selleks võiks kasutada teist kontuuri teise elektromagnetiga, mis aktiveeriks mehaanilise kellakelli. Kontuuri sulgemine tõmbaks lukku ja kellakell heliseks.

Märtsis 1837 alustas Cook koostööd Whitstoni telegraphi osas ja umbes sel ajal hakkasid nad mõtlema teise kontuuri vajadusele. Selle asemel, et luua sõltumatu kontuur teate signaaliks (ja tuua lisakaablitega kilomeetreid), kas polnudks lihtsam kasutada põhikontuuri signaali kontrollimiseks?

Sel ajal olid Cook ja Whitson naasnud nõelakujundusesse ning oli täiesti selge, et väikese juhe võiks ühenduda nõelaga nii, et kui selle ots tõmbab elektromagnet, sulgeb tema saba teise ringi. See ring aktiveeriks signaali. Teatud aja pärast, mille jooksul sõnumi saaja võiks ärgata, signaali välja lülitada ja valmistada pliiatsi ja paberi, võiks nõela juba kasutada sõnumi edastamiseks tavapärasel viisil.

Kaks aastat kahel mandril kaks korda, kahe erineva eesmärgiga, mõistsid inimesed, et elektromagnetit võiks kasutada lülitina, mis juhib teist ringi. Kuid täiesti erinev viis kahe ringi interaktsiooni kujutamine oli samuti võimalik.

Võimendi

1837. aasta sügiseks oli Samuel Morse veendunud, et tema idee elektritelegraafist suudab töötada. Kasutades intensiivset akkumulatorsüsteemi ja Henry magnetit, saatis ta sõnumeid vahemaa 500 meetri ulatuses. Kuid Kongressile tõestamaks, et on võimalik edastada sõnumeid oma telegraafi kaudu kogu mandril, vajas ta palju rohkem. Oli selge, et hoolimata akude võimsusest muutub mingil hetkel ring liiga pikaks, et edastada arusaadavat signaali teise otsa. Kuid Morse mõistis, et hoolimata suurest võimsuse kadumisest kauguse tõttu, saab elektromagnet avada ja sulgeda teise ringi, mille toiteallikaks on tema enda aku, mis omakorda võib signaali edasi edastada. Seda protsessi saab korrata lõpmatu arvu kordi ja katta mis tahes pikkuseid. Seetõttu nimetati neid vahepealseid magneteid "relay" - nagu postijaamad hobuste vahetamiseks. Nad võtsid vastu elektrilise sõnumi nõrgenenud partnerilt ja edastasid seda edasi uue jõududega.

On võimatu kindlaks teha, kas see idee oli inspireeritud Henry töödest, kuid Morse oli kindlasti esimene, kes kasutas releed sellisel eesmärgil. Tema jaoks ei olnud relee lüliti, vaid võimendi, mis suutis nõrga signaali muuta tugevaks.

Teisel pool Atlandi ookeani umbes samal ajal Edward Davey, Londoni apteeker töötas välja sarnase idee. Tõenäoliselt huvitus ta telegraafist umbes 1835. aastal. 1837. aasta alguseks viis ta regulaarselt katseid 1,5-kilomeetrise ahelaga Regent's Parkis Londoni loodeosas.

Peale Cooki ja Whistoni kohtumist 1837. aasta märtsis tundis Davy konkurentsi ja hakkas tõsisemalt mõtlema praktilise süsteemi koostamisele. Ta märkis, et galvanomeetri nõela kõrvalekalle vähenes oluliselt juhtme pikkuse suurenedes. Nagu ta aastaid hiljem kirjutas:

Siis mõtlesin, et isegi kõige väiksem liikumine nõelal, mis oleks juuksepaksuse suurune, oleks piisav, et tuua kokku kaks metallpinda, sulgedes uue ahela, mis sõltub kohalikust akust; ja seda saab lõpmatuseni korrata.

Davy nimetas seda ideed nõrga elektrisignaali tugevaks muundamiseks «elektri värskendajaks». Kuid tal ei õnnestunud realiseerida seda ega ühtegi muud telegraafi ideed. Ta sai telegraafi patendi 1838. aastal, sõltumatult Cookist ja Whistonist. Kuid 1839. aastal põgenes ta Austraaliasse, pääsedes abielu õnnetusest, ja jättis oma tegevusala konkurentide hooleks. Nende telegraafifirma ostis patendi mõne aasta pärast.

Relee maailmas

Tehnoloogia ajaloos pöörame palju tähelepanu süsteemidele, kuid sageli ignoreerime nende komponente. Me jälgime telegraafi, telefoni, elektrivalguse ajalugu, kastes nende loojad meie heakskiidu soojadesse kiirteesse. Kuid need süsteemid said eksisteerida ainult olemasolevate elementide kombinatsiooni, rekombinatsiooni ja muutuste tulemusena, mis kasvasid vaikselt varjus.

Relee on üks selline element. See kiiresti arenes ja mitmekesistus, kui telegraafivõrgud hakkasid aktiivselt kasvama 1840. ja 1850. aastatel. Järgneva sajandi jooksul ilmus see erinevat tüüpi elektrisüsteemides. Varaseimaks muundamiseks oli jäik metallist ankur, nagu telegraafi signaalis, ahela sulgemiseks. Pärast elektromagneti välja lülitamist eraldus ankur ahelast vedruga. Selline mehhanism oli usaldusväärsem ja vastupidavam kui juhtme või nõela killud. Arendati ka vaikimisi suletud mudeleid, lisaks algsele, vaikimisi avatud disainile.

Tüüpiline 19. sajandi lõpu relee. Vedru T hoiab südamikku B kontaktist C eemal. Kui elektromagnet M aktiveerub, ületab see vedru takistuse ja ühendab ringi juhi W ja kontakti C vahel.

Teleskoopimise algusaegadel kasutati releesid harva võimenditena või "uuendajatena", kuna ühte ringi sai venitada kuni 150 km. Kuid need olid väga kasulikud madalpinge pikkade liinide ühendamisel kohalike kõrgepinge liinidega, mida võidi kasutada teiste seadmete, näiteks Morze registrite, toiteks.

Ameerika Ühendriikides 19. sajandi teises pooles kirjeldavad kümned patendid uusi tüüpe releesid ja nende uusi kasutusvõimalusi. Diferentsiaalrelee, mis jagas mähise nii, et elektromagnetiline efekt kompenseeriti ühes suunas ja võimendati teises, võimaldas kasutada duplex telegraafside: kaks signaali, mis kulgevad erinevates suundades ühe juhtme kaudu. Thomas Edison kasutas polariseeritud (või polaarsed) releesid, et luua quadruplex, mis suudab edastada 4 signaali korraga ühe juhtme kaudu: kaks igas suunas. Polariseeritud relees oli südamik pidev magnet, mis reageeris voolu suunale, mitte tugevusele. Tänu pidevatele magnetitele oli võimalik teha releesid, mille kontaktid vahetusid, kui need vahetusid, jäid nad pärast vahetust kas avatud või suletuks.

Polariseeritud relee

Releesid hakati peale telegraafide kasutama ka raudteede signaalimis süsteemides. Elektrivõrkude tekkimisega hakati releesid kasutama ka nendes süsteemides, eriti kaitse seadmetena.

Kuid isegi need ulatuslikud ja keerulised võrgud ei nõudnud releedelt rohkem, kui nad suutsid pakkuda. Telegraaf ja raudtee jõudsid igasse linna, kuid mitte igasse hoonesse. Neil oli kümneid tuhandeid lõpp-punkte, kuid mitte miljoneid. Elektrivõrkudele oli ükskõik, kus nad lõpevad – nad lihtsalt andsid voolu kohaliku ringi kaudu ja iga maja ja ettevõte võis sellest ise võtta, kui palju vaja.

Telefonia oli täiesti erinev asi. Telefonidele oli vaja luua side punktist punkti, igast kodust ja büroost igasse teise, mistõttu olid nad sunnitud looma seninägematuid juhtimissekke. Inimese hääl, mis liikus lainetena juhtmete kaudu, oli signaal, mis oli küll rikkalik, kuid nõrk. Seetõttu vajas kaugtelefonivõrk parema kvaliteediga võimendajaid. Selgus, et lülitid suudavad samasugust võimendajatena töötada. Nüüd juhtisid telefonivõrgud evolutsiooni rohkem kui ükski teine süsteem.

Mida lugeda

• James B. Calvert, "Elektromagnetiline telegraf"
• Franklin Leonard Pope, "Kaasaegne elektritelegraaf" (1891)

Allikas: habr.com