A konečne, aj relé

Ďalšie články cyklu:

• História relé
  • Metóda „rýchlej výmeny informácií“, alebo Zrodenie relé
  • Dialkový písač
  • Galvanizmus
  • Podnikatelia
  • A konečne, aj relé
  • Hovoriaci telegraf
  • Jednoducho spojiť
  • Zabudnutá generácia reléových počítačov
  • Elektronická éra
• História elektronických počítačov
  • Prológ
  • Kolos
  • ENIAC
  • Elektronická revolúcia
• História tranzistora
  • Prechádzanie na slepo v tme
  • Z pekla vojny
  • Viacnásobné znovuobjavovanie
• História internetu
  • Hlavná sieť
  • Rozpad, časť 1
  • Rozpad, časť 2
  • Otváranie interaktivity
  • Rozširovanie interaktivity
  • ARPANET – zrodenie
  • ARPANET – paket
  • ARPANET – podsiete
  • Počítač ako komunikačné zariadenie
  • História internetu: medzi-sieťový prenos

V v predchádzajúcej časti príbehu sme sa dozvedeli, ako americký vedec a učiteľ Joseph Henry prvýkrát cestoval po Európe. Počas návštevy Londýna sa špeciálne zastavil u človeka, ktorého hlboko obdivoval, matematik Charles Babbage. Spolu s Henrym bol jeho priateľ Alexander Bach a jeho nový známy, taktiež experimentátor v oblasti telegrafie, Charles Wheatstone. Babbage povedal hostom, že čoskoro plánuje predviesť svoju počítaciu mašinu členovi Parlamentu, ale s ešte väčším potešením im zdieľal myšlienku svojej novej mašiny, "ktorá podstatne prekoná možnosti prvej". Henry si do svojho denníka zapísal všeobecné informácie o tomto pláne:

Táto mašina sa delí na dve časti, z ktorých jednu pán B. nazýva úložiskom a druhú – mlynom. Úložisko je zaplnené kolieskami s nakreslenými číslicami. Pravidelne ich páky vyťahujú a prenášajú do mlynu, kde prebiehajú potrebné manipulácie. Po dokončení bude táto mašina schopná previesť akúkoľvek vzorec algebraickej povahy do tabuľky.

Historik nemôže necítiť chlad, ktorý mu prebehne po chrbte pri takýchto náhodných prepojeniach v ľudských životoch. Tu sa prepletli dve nite histórie výpočtových strojov, z ktorých jedna sa blížila k svojmu koncu, zatiaľ čo druhá len začínala.

Hoci sa Babbageova mašina často predstavuje ako začiatok histórie moderných univerzálnych počítačov, spojenie medzi nimi je pomerne slabé. Jeho mašina (ktorú sa mu nikdy nepodarilo postaviť) bola vyvrcholením sna o mechanických výpočtoch. Tento sen, ktorého prvé vyjadrenie patrilo Leibnitzovi, bol inšpirovaný čoraz zložitejšími hodinovými mechanizmami vytváranými remeselníkmi od konca stredoveku. Ale žiadny univerzálny počítač nebol postavený na čistej mechanike – táto úloha je príliš zložitá.

Elektromagnetický relé, ktoré navrhli Henry a ďalší, je možné pomerne ľahko integrovať do výpočtových obvodov, ktorých zložitosti sa bez neho zdajú nepredstaviteľné. Avšak do tohto bodu zostávali ešte desaťročia, a takýto vývoj nemohli predvídať ani Henry, ani jeho súčasníci. Stal sa predchodcom nespočetného množstva tranzistorov, ktoré umožnili dnešný digitálny svet, tak hlboko prepletený s naším moderným životom. Relé zaplnili vnútornosti raných programovateľných výpočtových strojov, ktoré ovládali krátky čas, kým ich nenahradili ich čisto elektronickí príbuzní.

Relé bolo niekoľkokrát nezávisle vynájdené v 30-tych rokoch 19. storočia. Jeho účely boli rozmanité (piati jeho vynálezcovia prišli najmenej s tromi variantmi použitia) – rovnako ako príklady jeho využitia. Ale je pohodlné naň myslieť ako na zariadenie s dvojitým určením. Môže sa použiť ako prepínač, ktorý ovláda ďalšie elektrické zariadenie (vrátane, čo je dôležité, iného relé), alebo ako zosilňovač, ktorý premieňa slabý signál na silný.

Prepínač

Joseph Henry spájal v jednej osobe hlboké znalosti v prírodnej filozofii, mechanike a záujem o problém mechanického telegrafu. V 30-tych rokoch 19. storočia mal takýto súbor vlastností snáď iba Whitston. Do roku 1831 postavil obvod s dĺžkou 2,5 km, ktorý dokázal zapnúť zvon, pričom použil na to najvýkonejší magnet, ktorý existoval. Možno, keby naďalej aktívne pracoval na telegrafu a preukázal rovnakú vytrvalosť, akú ukazoval Morse, jeho meno by bolo zapísané do učebníc.

Ale Henry, učiteľ z Akadémie v Albany a neskôr z Kolégia New Jersey (teraz je to Princeton University), stavoval a zdokonaľoval elektrické zariadenia na účely výskumu, učenia a vedeckých demonštrácií. Nemal záujem premeniť učebný nástroj na systém prenosu správ.

Približne v roku 1835 vymyslel obzvlášť vynaliezavú demonštráciu pomocou dvoch obvodov. Nezabudnite, že Henry objavil, že elektrina má dve dimenzie – intenzitu a množstvo (nazývame ich napätie a prúd). Vytvoril obvody s intenzívnymi batériami a magnetmi na prenos elektromagnetizmu na veľké vzdialenosti, a obvody s množstevnými batériami a magnetmi na vytvorenie elektromagnetických síl s veľkým výkonom.

Jeho nový agregát spájal oba tieto vlastnosti. Silný množstevný elektromagnet mohol zdvihnúť náklad ťažký niekoľko sto kilogramov. Intenzívny magnet na konci dlhého obvodu sa používal na zdvíhanie malého kovového drôtu: prepínača. Uzatvorenie intenzívneho obvodu spôsobilo, že magnet zdvihol drôt, čo otvorilo prepínač a množstevný obvod. Množstevný elektromagnet potom náhle spadol so ohlušujúcim rachotom.

Tento relé – a konkrétne takú úlohu plnil intenzívny magnet a jeho drôt – bolo potrebné na demonštráciu premeny elektrickej energie na mechanickú, ako aj toho, ako môže malá sila ovládať veľkú. Ľahké ponorenie drôtu do kyseliny pre uzatvorenie obvodu spôsobilo malé pohyby malého prepínača, čo nakoniec viedlo ku katastrofe v podobe pádu kovu v množstve dostatočnom na to, aby zrazil kohokoľvek, kto by bol dostatočne hlúpy, aby stál pod ním. Pre Henryho bolo relé nástrojom na demonštráciu vedeckých princípov. Bol to elektrický páka.

Henry bol pravdepodobne prvý, kto takýmto spôsobom spojil dva obvody – aby pomocou elektromagnetizmu jedného obvodu ovládal druhý. Druhé miesto, ako je nám známe, patrí Williamovi Cookovi a Charlesovi Wheadonovi, hoci sledovali úplne iné ciele.

V marci 1836, krátko po návšteve demonštrácie telegrafu v Heidelbergu, ktorý používal galvanickú ihlu na prenos signálov, sa Cook inšpiroval hudobnou skrinkou. Cook sa domnieval, že použitie ihiel, ktoré označujú písmená, si vyžiada niekoľko ihiel, a pre ne budú potrebné viaceré obvody. Cook chcel, aby elektromagnet aktivoval mechanizmus, ktorý už môže byť akokoľvek zložitý pri demonštrácii požadovaného písmena.

Navrhol stroj pripomínajúci hudobnú skrinku s valcom obklopeným množstvom kolíkov. Na jednej strane valca by mala byť okrúhla škála s písmenami. Na oboch koncoch telegrafnej linky by mala byť takáto skrinka. Napnutá pružina by mala spôsobovať, aby sa valec otáčal, ale väčšinu času by bol zafixovaný dorazom. Pri stlačení telegrafného kľúča by sa obvod uzavrel, čo by aktivovalo elektromagnety, ktoré by uvoľnili obe západky, a obidva stroje by sa točili. Keď by sa na škále zobrazilo požadované písmeno, kľúč by sa pustil, západky by sa vrátili na miesto a zastavili pohyb valcov. Cook, aniž by si to uvedomoval, vytvoril chronometrický model telegrafu Ronalda, ktorý bol navrhnutý pred dvoma desaťročiami, a rané experimenty bratov Shapp s telegrafom (lenže oni na synchronizáciu škál používali zvuk, a nie elektrinu).

Cook si uvedomil, že rovnaký mechanizmus by mohol pomôcť vyriešiť dlhodobý problém telegrafu – upozornenie prijímateľa na novú správu. Na to by sa dal použiť druhý obvod s iným elektromagnetom, ktorý by aktivoval mechanický zvonček. Uzavretie obvodu by vtiahlo doraz a zvonček by zazvonil.

V marci 1837 začal Cook spolupracovať s Whitstonom na telegrafu, a približne v tejto dobe začali uvažovať o potrebe druhého obvodu. Namiesto vytvorenia nezávislého obvodu na signál upozornenia (a ťahania kilometrov zbytočných drôtov) by nebolo jednoduchšie použiť hlavný obvod na kontrolu signálu?

Do toho času sa Cook a Whitson vrátili k ihlicovému dizajnu a bolo úplne zrejmé, že je možné pripojiť malý kus drôtu k ihle, aby, keď bol jej koniec pritiahnuť elektromagnetom, jej chvost uzatváral druhý obvod. Tento obvod by spustil signál. Po určitom intervale, počas ktorého by príjemca správy mohol stihnúť zobudiť sa, vypnúť signál a pripraviť ceruzku a papier, mohla byť ihla už použitá na prenos správy vo bežnom režime.

Počas dvoch rokov na dvoch kontinentoch dvakrát, s dvoma rôznymi cieľmi, ľudia pochopili, že elektromagnet by sa mohol použiť ako prepínač, ktorý ovláda iný obvod. Ale mohlo by si predstaviť aj úplne iný spôsob interakcie dvoch obvodov.

Zosilňovač

Do jesene 1837 bol Samuel Morse presvedčený, že jeho myšlienku elektrického telegrafu sa dá uviesť do chodu. Používajúc intenzívnu batériu a Henryho magnet, posielal správy na vzdialenosť pol kilometra. Ale aby dokázal Kongresu možnosť prenosu správ cez svoj telegraf po celom kontinente, potreboval oveľa viac. Bolo jasné, že bez ohľadu na výkon bateriek, v určitom momente sa obvod stane príliš dlhým na prenos zrozumiteľného signálu na druhý koniec. Ale Morse si uvedomil, že, bez ohľadu na silný pokles výkonu s vzdialenosťou, elektromagnet môže otvárať a zatvárať iný obvod, napájaný vlastnou batériou, ktorý zase môže posielať signál ďalej. Tento proces sa môže opakovať koľkokrát chceme a pokrývať vzdialenosti akejkoľvek dĺžky. Preto sa tieto medzičlánky nazývali "relay" – ako poštové stanice na zmenu koní. Prijímali elektrickú správu od slabnúceho partnera a niesli ju ďalej s novou silou.

Nie je možné určiť, či bol tento nápad inšpirovaný prácou Henryho, ale Morse bol určite prvý, kto použil relé na takýto účel. Pre neho bolo relé nie prepínačom, ale zosilňovačom, schopným premeniť slabý signál na silný.

Na druhej strane Atlantiku približne v tú istú dobu Edward Davey, londýnsky farmaceut vymyslel podobný nápad. Pravdepodobne sa začal zaujímať o telegraf približne v roku 1835. Na začiatku roku 1837 pravidelne vykonával experimenty so štvrťkilometrovým obvodom v Regent's Park na severozápade Londýna.

Skoro po stretnutí Cooka a Whistona v marci 1837 si Davy všimol konkurenciu a vážnejšie uvažoval o vybudovaní praktického systému. Pozoroval, že sila odchýlky galvanickej ihly sa významne znižovala so zvyšovaním dĺžky vodiča. Ako napísal o mnoho rokov neskôr:

Vtedy ma napadlo, že aj to najmenšie pohybu ihly o hrúbku vlasu by stačilo na to, aby spojilo dva kovové povrchy, uzatvárajúce nový obvod závislý od miestnej batérie; a tak by sa to dalo opakovať donekonečna.

Davy nazval túto myšlienku premeny slabého elektrického signálu na silný 'elektrickým obnovovačom'. Nepodarilo sa mu však realizovať túto ani žiadnu inú myšlienku týkajúcu sa telegrafu. Patent na telegraf dostal v roku 1838, nezávisle od Cooka a Whistona. Ale v roku 1839 odplával do Austrálie, unikajúc z nešťastného manželstva, a opustil pole činnosti konkurentom. Ich telegrafná spoločnosť kúpila tento patent o niekoľko rokov neskôr.

Relé vo svete

V histórii technológií venujeme veľa pozornosti systémom, ale často ignorujeme ich komponenty. Píšeme príbeh telegrafu, telefónu, elektrického svetla a oslavujeme ich tvorcov v teplých lúčoch nášho schválenia. Ale tieto systémy sa mohli objaviť len vďaka kombinácii, rekombinácii a zmene existujúcich prvkov, ktoré ticho rástli v tieni.

Relé je jedným z takýchto prvkov. Rýchlo sa vyvíjalo a získalo rozmanitosť, keď telegrafné siete začali aktívne rásť v 40. a 50. rokoch 19. storočia. V nasledujúcom storočí sa objavilo v elektrických systémoch rozličného druhu. Najskoršou modifikáciou bolo použitie tvrdeného kovového kotva, ako na signále telegrafu, na uzatvorenie obvodu. Po vypnutí elektromagnetu sa kotva oddelila od obvodu pomocou pružiny. Taký mechanizmus bol spoľahlivejší a odolnejší ako kusy drôtu alebo ihly. Vyvíjali sa aj uzavreté modely, okrem pôvodného dizajnu, otvoreného ako predvolené.

Typické relé konca 19. storočia. Pružina T udržiava kotvu B od kontaktu C. Keď sa aktivuje elektromagnet M, prekoná pružinu a uzavrie obvod medzi vodičom W a kontaktom C.

V raných rokoch telegrafu sa relé zriedka používali ako zosilňovače alebo 'obnovovače', pretože jeden obvod bolo možné natiahnuť na 150 km. Ale boli veľmi užitočné na spojenie slaboprúdových dlhých liniek s miestnymi vysokonapäťovými linkami, ktoré mohli byť použité na napájanie iných strojov, napríklad Morseovho zapisovača.

Desiatky patentov v USA z druhej polovice 19. storočia opisujú nové typy relé a ich nové aplikácie. Diferenciálne relé, ktoré rozdelilo cievku tak, aby elektromagnetický efekt sa kompenzoval v jednom smere a zosilňoval v druhom, umožnilo používať duplexnú telegrafnú komunikáciu: dva signály idúce v opačných smeroch po jednom vodiči. Thomas Edison použil polarizované (alebo polarne) relé na vytvorenie kvadruplexu, schopného posielať 4 signály súčasne po jednom vodiči: po dve v každom smere. V polarizovanom relé bola sama kotva trvalým magnetom, reagujúcim na smer prúdu, a nie na jeho silu. Vďaka trvalým magnetom bolo možné robiť relé so prepínacími kontaktmi, ktoré po prepnutí zostávali otvorené alebo uzavreté.

Polarizované relé

Relé, okrem telegrafu, sa začali používať aj v signalizačných systémoch železníc. S príchodom elektrických prenosových sietí sa relé začali používať aj v týchto systémoch, najmä ako ochranné zariadenia.

Ale aj tieto rozšírené a zložité siete si nevyžadovali od relé viac, než čo dokázali poskytnúť. Telegraf a železnica sa dostali do každého mesta, ale nie do každého budovy. Mali desiatky tisíc konečných bodov, ale nie milióny. Systémom elektrických prenosov bolo úplne jedno, kde končia – jednoducho poskytovali prúd na miestny obvod, a každý dom a podnik si mohol vziať toľko, koľko potreboval.

Telefónia bola úplne iná záležitosť. Telefóny potrebovali vytvoriť spojenie medzi bodmi, od ktoréhokoľvek domu alebo kancelárie k inému, a preto si vyžiadali riadiace obvody bezprecedentnej veľkosti. Ľudský hlas, ktorý prechádzal ako vibrácie cez drôty, bol signál bohatý, no slabý. Preto pre ďalšie telefonické spojenie boli potrebné zosilňovače lepšej kvality. Ukázalo sa, že prepínače môžu fungovať aj ako také zosilňovače. Teraz telefónne siete viac ako akékoľvek iné systémy riadili evolúciu prepínačov.

Čo čítať

• James B. Calvert, "Elektromagnetická telegrafia"
• Franklin Leonard Pope, "Moderná prax elektrického telegrafu" (1891)

Zdroj: habr.com