Ja lõpuks, relee

Teised tsükli artiklid:

• Rela ajalugu
  • Kiire teabe edastamise meetod ehk relee tekkimine
  • Kaugréle
  • Galvanism
  • Ettevõtjad
  • Ja lõpuks, relee
  • Rääkiv telegraaf
  • Lihtsalt ühendamine
  • Unustatud rälitsid kompuutritest
  • Elektriaeg
• Elektriliste kompuutrite ajalugu
  • Proloog
  • Kolloss
  • ENIAC
  • Elektriline revolutsioon
• Transistori ajalugu
  • Käies pimeduses tunde järgi
  • Sõjakooretest
  • Korduv leiutamine
• Interneti ajalugu
  • Tugivõrk
  • Lagunemine, osa 1
  • Lagunemine, osa 2
  • Interaktiivsuse avamine
  • Interaktiivsuse laiendamine
  • ARPANET — algus
  • ARPANET — pakett
  • ARPANET — alamvõrk
  • Arvuti kui sidevahend
  • Interneti ajalugu: võrguühendus

V eelmisel jutustuse osal me õppisime, kuidas Ameerika teadlane ja õpetaja Joseph Henry esmakordselt Euroopas rändas. Londonis viibides külastas ta sügavalt austatud inimest, matemaatikut Charles Babbage. Henry kaasas oli tema sõber, Aleksander Bach, ja tema uus tuttav, samuti telegraphi katsetaja, Charles Wheatstone. Babbage rääkis külalistele, et plaanib varsti oma arvestusmasinat Parlamendi liikmele demonstreerida, kuid veel suurema rõõmuga jagas ta nendega oma uue masina ideed, "mis ületab oluliselt esimese võimalusi." Henry märkis oma päevikusse selle plaani üldised üksikasjad:

See masin jaguneb kaheks osaks, millest ühe härrasmees B. nimetab hoidmiseks ja teise – jahvatajaks. Hoidja on täidetud ratastega, millel on joonistatud numbrid. Perioodiliselt tõmbavad kangid need välja ja viivad jahvatajas, kus toimuvad vajalikud manipulatsioonid. Lõpuks suudab see masin koostada tabeli igast algebralise iseloomuga valemist.

Ajaloolane ei saa mitte tunda külma, mis jookseb selja taga selliste juhuslike ristmike tõttu inimeludes. Siin põimusid kaks arvutite ajaloo niiti, millest üks lähenes oma lõpule, samas kui teine alles alustas.

Kuigi Babbage'i masinat esitatakse sageli kui kaasaegsete universaalsete arvutite ajaloo algust, on nende vaheline seos siiski üsna nõrk. Tema masin (mida ta kunagi ei ehitanud) oli mehaaniliste arvutuste unistuse kulminatsioon. See unistus, mille esmakordselt väljendas Leibniz, sai inspiratsiooni üha keerukamatest kellamehhanismidest, mida meisterdate loomiseks kasutati alates keskajast. Kuid ükski üldotstarbeline arvuti ei ole ehitatud puhtalt mehaanika alusel – see ülesanne on liiga keeruline.

Ja elektromagnetiline relee, mille lõid Henry ja teised, oli suhteliselt lihtsalt integreeritav arvutiringidesse, mille keerukus ilma selleta tundub kujuteldamatu. Kuid selle hetkeni jäi veel kümneid aastaid ja sellist arengut ei suutnud Henry ja tema kaasmaalased ette näha. Sellest sai lugematu hulga transistorite eelkäija, mis tegi võimalikuks tänapäeva digitaalse maailma, mis on nii tihedalt seotud meie tänase eluga. Releed täitsid varajaste programmeeritavate arvutite sisemust, mis valitsesid lühikest aega, kuni need asendati nende puhtalt elektrooniliste sugulastega.

Releed leiutati mitu korda sõltumatult üksteisest 1830ndatel. Selle eesmärgid olid mitmekesised (viie leiutaja seas oli vähemalt kolm rakendust) – nagu ka kasutusnäidised. Kuid seda on mugav mõelda kui kahefaktilist seadet. Seda võib kasutada lülitina, mis juhib veel üht elektriseadet (sealhulgas, mis on oluline, teist releed), või kui võimendina, mis muundab nõrga signaali tugevaks.

Lüliti

Joseph Henry ühendas endas sügavad teadmised loodusfilosoofias, mehaanikas ja huvi mehaanilise telegrafi probleemi vastu. 1830. aastatel oli selline oskuste kogum tõenäoliselt vaid Whitestone'il. Aastaks 1831 oli ta ehitanud 2,5 km pikkuse vooluahela, mis suudab aktiveerida kellaklapi, kasutades selleks üht võimsamat magnetit oma ajast. Võib-olla, kui ta oleks jätkanud sama aktiivset tööd telegraafi kallal ning näidanud samasugust visadust nagu Morse, oleks just tema nimi kirjutatud õpikutesse.

Kuid Henry, õpetaja Albany akadeemias ja hiljem New Jersey kolledžis (tänapäeval Princetoni ülikool) ehitas ja täiustas ta elektriliste seadmeid teadusuuringute, õpetamise ja teaduslike demonstratsioonide eesmärgil. Teda ei huvitanud, et muuta pedagoogilist instrumenti sõnumite edastamise süsteemiks.

Umbes 1835. aastal tuli ta välja eriti nutika demonstraatsiooniga kahe vooluringi abil. Meenutage, et Henry avastas, et elektril on kaks mõõdet - intensiivsus ja hulk (me nimetame neid pingeks ja vooluks). Ta lõi vooluringe intensiivsete patareide ja magnetitega, et edastada elektromagnetismi suurte vahemaid pidi, ning vooluringe koguseliselt sõlmitud patareide ja magnetite abil, et luua suure võimsusega elektromagnetilisi jõude.

Tema uus seade ühendas endas kõik need omadused. Võimas koguseline elektromagnet suutis tõsta sadu kilogramme kaalu. Kõrge intensiivsusega magnet pikka vooluringi otsas kasutati väikese metalltraadi tõstmiseks: lülitiks. Intensiivse vooluringi sulgemine pani magneti traadi üles tõstma, mis avas lüliti ja koguselisest ringist. Seejärel kukutas koguseline elektromagnet äkki oma koorma vali müraga.

See rull – just such a role was executed by the intensive magnet and its wire – was necessary to demonstrate the conversion of electrical energy into mechanical energy, as well as how a small force can control a large one. A light immersion of the wire in acid to close the circuit resulted in a small movement of the minor switch, which ultimately ended in a catastrophe involving the fall of metal, sufficient to crush anyone foolish enough to stand beneath it. For Henry, the relay was a tool for demonstrating scientific principles. It was an electric lever.

Henry was likely the first to connect two circuits in this way – to control one using the electromagnetism of the other. The second place, as far as we know, belongs to William Cook and Charles Whitstone, although they had entirely different objectives.

Märtsis 1836, vahetult pärast külastust Heidelbergis toimuvale demonstraatsioonile, kus kasutati galvaniseeritud nõela signaalide edastamiseks, sai Cook inspiratsiooni muusika karbist. Cooki arvates nõuab reaalses telegraafis nõelte kasutamine, mis tähistavad tähti, mitmeid nõelu, ning nende jaoks on vaja mitmeid kontuure. Cook soovis, et elektromagnet aktiveeriks mehhanismi, mis võiks olla nõutud tähe demonstreerimisel piiramatu keerukusega.

Ta mõtles välja masina, mis meenutab muusikakasti, millel on tynkar, ümbritsetud paljude nööridega. Ühel pool tynkarist peaks olema ringikujuline skaala tähtedega. Iga telegraafiliini otsas peaks olema selline kastike. Pingutatud vedru peaks sundima tynkarit pöörlema, kuid suurema osa ajast on see kinni piduri all. Kui telegraafivõtmele vajutada, sulgub kontuur, aktiveerides elektromagnetid, mis avavad mõlemad lukud, ja mõlemad masinad pöörlevad. Kui skaalal kuvatakse vajalik kiri, vabastatakse võtmed, lukud asuvad tagasi oma kohale ja peatavad tynkarite liikumise. Kuk, ise seda teadmata, rekonstrueeris Ronald'i telegraafi kronomeetrilise mudeli, mis oli välja mõeldud kaks kümnendit tagasi, ja vendade Shapp varasemad eksperimendid telegrafiga (ainult nemad kasutasid skaala sünkroniseerimiseks heli, mitte elektrit).

Cook sai, et sarnane mehhanism võiks aidata lahendada pikaajalist telegraafi probleemi – teavitada vastuvõtjat uuest sõnumist. Selleks võiks kasutada teist kontuuri koos teise elektromagnetiga, mis aktiveeriks mehaanilise kellakella. Kontuuri sulgemine tõmbaks piduri ja kell heliseks.

Märtsis 1837 alustas Cook koostööd Whistone'iga telegraafi kallal ja umbes sel ajal hakkasid nad mõtlema teise kontuuri vajalikkusele. Kas ei oleks lihtsam kasutada peamist kontuuri signaali kontrollimiseks, selle asemel et luua sõltumatut kontuuri teavitussignaaliks (ja venitada kilomeetrite kaupa liigseid juhtmeid)?

Sel ajal olid Cook ja Whitson naasnud nõelu kujundusse, ja oli täiesti selge, et väikese juhe võib olla ühendatud nõelaga nii, et kui elektromagnet tõmbab selle otsa, sulgeb nõela saba teise voolu. See vool põhjustaks signaali. Pärast teatud aega, mille jooksul sõnumi vastuvõtja saaks ärgata, signaali välja lülitada ja pliiatsi ning paberiga valmistuda, saaks nõela juba kasutada sõnumi edastamiseks tavapäraselt.

Kaks aastat kestnud kahe kontinendi jooksul, kahes erinevas eesmärgis, mõistsid inimesed, et elektromagnetit võis kasutada lülitina, mis juhtis teist voolu. Kuid oli võimalik ette kujutada ka täiesti teistsugust viisi kahe voolu omavaheliseks suhtlemiseks.

Küllitser

Aastal 1837 oli Samuel Morse veendunud, et ta suudab oma elektrilise telegraafi idee ellu viia. Kasutades intensiivset akut ja Henry magnetit, saatis ta sõnumeid kuni poolteise kilomeetri kaugusele. Kuid et tõestada Kongressile oma telegraafi sõnumi edastamise võimalust üle terve kontinendi, vajas ta palju enam. Selge oli, et sõltumata akude võimsusest muutub teatud hetkel ahel liiga pikaks, et edastada arusaadavat signaali teise otsa. Siiski taipas Morse, et hoolimata suurest võimsuse langusest kauguse suurenedes, saab elektromagnet avada ja sulgeda teise ahela, mida toitis tema enda aku, mis omakorda suutis signaali edasi edastada. Seda protsessi sai korrata lõpmatult ja katta distantsi igasuguste pikkustega. Seetõttu nimetati neid vahepealseid magneteid „relay” – nagu postijaamad hobuste vahetamiseks. Need võtsid vastu elektrilise sõnumi nõrgemalt partnerilt ja edastasid selle edasi uue jõuga.

Ei ole teada, kas see idee oli inspireeritud Henry töödest, kuid Morse oli kindlasti esimene, kes kasutas releed selle eesmärgi jaoks. Tema jaoks oli relee mitte lüliti, vaid võimendi, mis suudab nõrga signaali muuta tugevaks.

Teiselt poolt Atlandi ookeani umbes samal ajal Edward Davy, Londonis tegutsev apteeker, tuli välja sarnase ideega. Ta oli tõenäoliselt huvitatud telegraafist umbes 1835. aastal. 1837. aasta alguseks tegi ta regulaarselt katseid ühe ja poole kilomeetri pikkuse ringiga Regent's Parkis Londoni loodeosas.

Peagi pärast Cooki ja Whitstoni kohtumist 1837. aasta märtsis tundis Davy konkurentsi ja hakkas tõsisemalt kaaluma praktilise süsteemi ehitamist. Ta märkas, et galvanomeeteri nõela kõrvalekalde tugevus vähenes märgatavalt juhe pikkuse suurenedes. Kuidas ta kirjutas palju aastaid hiljem:

Siis mõtlesin, et isegi kõige väiksem nõela liikumine juukse paksuse võrra on piisav, et tuua kontakt kahe metallpinna vahele, luues uue ringi, mis sõltub kohalikust akust; ja nii võiks seda igavesti korrata.

Deyvi nimetas seda ideed nõrga elektrisignaali tugevaks muutmise "elektriliseks uuendajaks". Kuid tal ei õnnestunud seda või mõnda muud telegrafi ideed ellu viia. Ta sai telegraphi patendi 1838. aastal, sõltumatult Cookist ja Whistlest. Kuid 1839. aastal lahkus ta Austraaliasse, päästes end ebaõnnestunud abielust, ja jättis tegevusala konkurentide hooleks. Nende telegraphi ettevõte ostis selle patendi mõne aasta pärast.

Relee maailmas

Tehnoloogia ajaloos pöörame palju tähelepanu süsteemidele, kuid sageli ignoreerime nende komponente. Räägime telegraphi, telefoni ja elektrivalguse ajaloost, kiidame nende loojaid soojade kiirtega meie heakskiidust. Kuid need süsteemid said tekkida alles tänu olemasolevate elementide kombinatsioonide, rekombinatsioonide ja muutmisele, mis kasvasid vaikselt varjus.

Relee on üks selline element. See on kiiresti arenenud ja muutunud mitmekesiseks, kui telegraafilised võrgud hakkasid aktiivselt kasvama 1840. ja 1850. aastatel. Järgnenud sajandi jooksul leidis see rakendust erinevat tüüpi elektrisüsteemides. Kõige varasemaks variandiks oli jäiga metallist ankur, nagu telegraafihelis, võrgus oleva kontakti sulgemiseks. Pärast elektromagneti välja lülitamist eraldus ankur kontuurist vedruga. Selline mehhanism oli usaldusväärsem ja vastupidavam kui juhtme tükid või nõelad. Arendati ka vaikimisi suletud mudeleid, lisaks algsele disainile, mis oli vaikimisi avatud.

Tüüpiline 19. sajandi lõpu relee. Vedru T hoiab ankru B kokkupuute eest kontaktiga C. Kui elektromagnet M aktiveeritakse, ületab see vedru ja sulgeb kontuuri juhi W ja kontaktil C.

Telegrafi varajastes aastates ei kasutatud releesid harva võimendite või "uuendajatena", kuna ühte ringi sai venitada 150 km. Kuid need olid väga kasulikud nõrkade pikade liinide ühendamiseks kohalike kõrgepingeliinidega, mida sai kasutada teiste masinate, näiteks Morse'i registreerija toitmiseks.

Ameerika Ühendriikide 19. sajandi teise poole kümned patendid kirjeldavad uusi releid ja nende uusi rakendusi. Diferentsiaalrelee, mis jagas mähise nii, et elektromehaaniline efekt kompenseeriti ühes suunas ja tugevnes teises, võimaldas kasutada dupleks-telegrammi side: kaks signaali, mis liiguvad vastassuunas ühe jaotuse kaudu. Thomas Edison kasutas polariseeritud (või polaarsed) releed, et luua kvadrubleksi, mis suudab edastada 4 signaali korraga ühe jaotuse kaudu: kaks igas suunas. Polariseeritud relees oli ankur ise püsiv magnet, mis reageeris voolu suunale, mitte jõule. Püsivate magnetite kasutamise tõttu oli võimalik valmistada releesid vahetuvate kontaktidega, mis peale vahetamist jäid avatud või suletud.

Polariseeritud relee

Releed, lisaks telegrammi sidele, hakati kasutama ka raudtee signalisatsioonisüsteemides. Elektrivõrkude tekkimisega hakati releesid kasutama ka nendes süsteemides, eriti kaitse seadmetena.

Kuid isegi need laiad ja keerulised võrgud ei nõudnud releedelt rohkem, kui nad suudavad pakkuda. Telegraaf ja raudtee jõudsid igasse linna, kuid mitte igasse hoonesse. Neil oli kümneid tuhandeid lõpp-punkte, kuid mitte miljoneid. Elektriülekande süsteemidel polnud tähtis, kus nad lõpetavad – nad andsid lihtsalt voolu kohalikku ringi ja iga kodu ja ettevõte võis selle endale võtta, nii palju kui vaja.

Telefoni kommunikatsioon oli täiesti erinev asi. Telefonidel tuli luua side punkti ja punkti vahel, igast kodust ja kontorist igasse teise, seetõttu vajati nende jaoks juhtimisringlusi enneolematul skaalal. Inimese hääl, mis liikles juhtmete kaudu lainetena, oli signaal, mis oli rikas, kuid nõrk. Seetõttu vajas kaugtelefone parimat kvaliteeti tugevdajaid. Selgus, et lülitid saavad töötada ka selliste tugevdamistena. Nüüd juhtisid telefonivõrgud rohkem kui ükskõik millised teised süsteemid lülitite arengut.

Mida lugeda

• James B. Calvert, “Elektromagnetiline telegraaf“
• Franklin Leonard Pope, «Kaasaegne praktika elektriteleskoop» (1891)

Allikas: habr.com