In končno, tukaj je relej

Drugi članki cikla:

• Zgodovina relejev
  • Metoda 'hitrega prenosa informacij', ali Rojstvo releja
  • Daljnovidni pisec
  • Galvanizem
  • Podjetniki
  • In končno, tukaj je relej
  • Govoreči telegraf
  • Preprosto povezati
  • Pozabljena generacija relejnih računalnikov
  • Elektronska doba
• Zgodovina elektronskih računalnikov
  • Prolog
  • Colossus
  • ENIAC
  • Elektronska revolucija
• Zgodovina tranzistorja
  • Klopotanje v temi
  • Iz ognjenega kroga vojne
  • Večkratno ponovno izumljanje
• Zgodovina interneta
  • Podporna mreža
  • Razpad, del 1
  • Razpad, del 2
  • Odpiranje interaktivnosti
  • Širjenje interaktivnosti
  • ARPANET - rojstvo
  • ARPANET - paket
  • ARPANET - podmreža
  • Računalnik kot komunikacijska naprava
  • Zgodovina interneta: medsebojno omrežno delovanje

V v prejšnjem delu pripovedi smo izvedeli, kako je ameriški znanstvenik in učitelj Joseph Henry prvič potoval po Evropi. Med obiskom Londona se je posebej ustavil pri močno spoštovanem matematiku Charlesu Babbageu. Poleg Henrika sta bila z njim tudi njegov prijatelj Alexander Bach in njegov novi znanec, prav tako eksperimentator na področju telegrapha, Charles Whitstone. Babbage je gostom povedal, da namerava kmalu predstaviti svojo računarsko napravo članu parlamenta, a z večjim veseljem je delil idejo o svojem novem stroju, "ki bo znatno presegel zmogljivosti prvega". Henry je svoje opažanja o tem načrtu zabeležil v svojem dnevniku:

Ta stroj je razdeljen na dva dela, pri čemer mister B. prvi del imenuje skladišče, drugi del pa mlin. Skladišče je napolnjeno z kolesi z natisnjenimi številkami. Periodično jih mehanizmi potegnejo in premestijo v mlin, kjer se izvedejo potrebne manipulacije. Na koncu bo ta stroj sposoben zvesti kakršno koli algebrsko formulo v tabelo.

Zgodovinar ne more spregledati trepetanja, ki poteka po hrbtu ob tako naključnih presečiščih v človeških življenjih. Tukaj se prepletata dve niti zgodovine računalniških strojev, od katerih se ena bliža svojemu koncu, druga pa šele začne.

Čeprav je Babbageov stroj pogosto predstavljen kot začetek zgodovine sodobnih univerzalnih računalnikov, je povezava med njimi precej šibka. Njegov stroj (ki ga nikoli ni zgradil) je bil vrhunec sanj o mehanskih izračunih. Te sanje, ki jih je prvič izrazil Leibniz, so bile navdihnjene z vedno bolj zapletenimi urarskimi mehanizmi, ki so jih ustvarjali mojstri od konca srednjega veka. Vendar pa ni bil zgrajen noben splošni računalnik, ki bi deloval samo na mehanski osnovi – naloga je preveč kompleksna.

Elektromagnetni rele, zamislen od strane Henrija i drugih, može se prilično lako implementirati u računske sklopove, čija bi složenost bez njega delovala nepojmljivo. Ipak, do tog trenutka ostalo je još decenijama, i takav razvoj nisu mogli predvideti Henrij i njegovi savremenici. Postao je predak bezbrojnih tranzistora, koji su omogućili današnji digitalni svet, tako čvrsto isprepleten s našim modernim životom. Rele su ispunila unutrašnjost ranih programabilnih računarnih mašina, koje su vladale kratko vreme, sve dok nisu zamenjene svojim čistim elektronskim rođacima.

Rele je nekoliko puta neovisno izumljeno tokom 1830-ih. Njegove su svrhe bile raznovrsne (pet njegovih izumitelja osmislilo je najmanje tri varijante primene) – kao i primeri korišćenja. No, zgodno je misliti o njemu kao o uređaju dvostruke namene. Može se koristiti kao prekidač koji upravlja još jednim električnim uređajem (uključujući, što je važno, drugo rele), ili kao pojačalo koje slab signal pretvara u snažan.

Prekidač

Džozef Henri spojio je u jednoj osobi duboko poznavanje prirodne filozofije, mehanike i interes za problem mehaničkog telegrafa. U 1830-im takav skup osobina verovatno je imao samo Vitston. Do 1831. godine izgradio je krug dužine 2,5 km, sposoban da aktivira zvono koristeći za to najmoćniji magnet koji je postojao. Možda, da je nastavio tako aktivno raditi na telegrafu, i prikazao istu upornost kao što je imao Morze, njegovo bi ime bilo upisano u udžbenike.

Ali Henri, učitelj iz Akademije u Olbaniju, a zatim na Koledžu Nju Džersija (sada to je Prinston univerzitet), gradio je i usavršavao električne uređaje u svrhu istraživanja, obrazovanja i naučnih demonstracija. Nije se interesovao za pretvaranje obrazovnog sredstva u sistem za prenos poruka.

Približno leta 1835 je izumil še posebej spretno demonstracijo z uporabo dveh zank. Spomnite se, da je Henry odkril, da ima elektricitet dve dimenziji – intenzivnost in količino (ti dve imenujemo napetost in tok). Ustvaril je zanke z intenzivnimi baterijami in magneti za prenos elektromagnetizma na velike razdalje, ter zanke z količinskimi baterijami in magneti za ustvarjanje močnih elektromagnetnih sil.

Njegov nov aparat je združil obe lastnosti. Močan količinski elektromagnet je lahko dvignil tovore težke stotine kilogramov. Intenzivni magnet na koncu dolge zanke se je uporabljal za dvig manjšega kovinskega žice: stikala. Zapiranje intenzivne zanke je povzročilo, da je magnet dvignil žico, kar je odprlo stikalo in količinsko zanko. Količinski elektromagnet je nato nenadoma spustil svoj tovor z oglušujočim truščem.

To rele – natančneje, to nalogo je opravljal intenzivni magnet in njegov žica – je bilo potrebno za prikaz preobrazbe električne energije v mehansko, pa tudi to, kako lahko majhna moč upravlja veliko. Rahlo potopitev žice v kislino za zaprtje zanke je povzročila majhen premik majhnega stikala, kar je na koncu vodilo do katastrofe v obliki padca kovine v količini, dovolj veliki, da bi zmečkala kogarkoli, ki bi bil dovolj neumen, da bi stal pod njo. Za Henryja je bilo rele orodje za prikaz znanstvenih načel. To je bil električni vzvod.

Henry je verjetno bil prvi, ki je na tak način povezal dve zanki – da bi z uporabo elektromagnetizma ene zanke upravljal drugo. Drugo mesto, kolikor vemo, pripada Williamu Cooku in Charlesu Wheatstonu, čeprav sta se ukvarjala z povsem drugimi cilji.

Marca 1836, kmalu po obisku predstavitve v Heidelbergu, kjer so uporabljali telegraf z galvanizno iglo za prenos signalov, je Cooka navdihnila glasbena škatlica. Cook je menil, da bi uporaba igel, ki označajo črke v pravem telegrafu, zahtevala več igel, kar bi morali imeti več zank. Želel je, da bi elektromagnet aktiviral mehanizem, ki je lahko bil že tako zapleten, da bi prikazal želeno črko.

Zasnoval je stroj, podoben glasbeni škatlici, s sodčkom, okoli katerega je bilo veliko zatičev. Na eni strani sodčka bi morala biti krožna lestvica s črkami. Na obeh koncih telegrafske linije bi morala biti taka škatlica. Napeta vzmet naj bi omogočila vrtenje sodčka, vendar bi bil večino časa zablokiran. Ko je bil telegrafski ključ pritisnjen, se je vezje zaprlo, kar je aktiviralo elektromagnite, ki sta odprla oba zapora in oba mehanizma sta se zavrtela. Ko se na lestvici prikaže potrebna črka, se ključ sprosti, zapori se vrneta na mesto in ustavita gibanje sodčkov. Cook je, ne da bi to vedel, ponovno ustvaril kronometričen model telegrafa Ronalda, izumljenega pred dvema desetletjima, in zgodnje eksperimente bratov Shapp z telegrafom (samo ti so za sinhronizacijo lestvic uporabljali zvok, ne pa električnosti).

Cook je spoznal, da lahko tak mehanizem pomaga rešiti dolgoletno težavo telegrafa – obveščanje prejemnika o novem sporočilu. Zato bi lahko uporabili drugo zanko z drugim elektromagnetom, ki bi aktiviral mehanski zvonec. Zaprtje zanke bi potegnilo zaporo, in zvonec bi zazvonil.

Marca 1837 je Cook začel sodelovati z Whitstonom pri telegrafu in približno v tem času sta začela razmišljati o nujnosti druge zanke. Namesto da bi zgradili neodvisno vezje za signal obvestila (in podaljšali kilometre dodatnih žic), ni bilo lažje uporabiti glavne zanke za nadzor signala?

Do takrat sta se Cook in Whitson vrnila k igličastemu dizajnu in bilo je povsem očitno, da je mogoče povezati majhen kos žice z iglo, tako da, ko je njen konec pritegnil elektromagnet, njen rep zapre drugi krog. Ta krog bi aktiviral signal. Po določenem intervalu, med katerim bi prejemnik sporočila lahko uspel zbuditi, izklopiti signal in pripraviti svinčnik in papir, je bilo iglo že mogoče uporabiti za prenos sporočila na običajen način.

V dveh letih na dveh celinah dvakrat, z dvema različnima ciljima, so ljudje spoznali, da se lahko elektromagnet uporablja kot stikalo, ki upravlja z drugim krogom. Toda mogoče je bilo tudi zamisliti popolnoma drugačen način interakcije med obema krogoma.

Ojačevalec

Do jeseni 1837 je bil Samuel Morse prepričan, da njegovo idejo električnega telegrafa lahko spravi v delovanje. Z uporabo intenzivne baterije in Henrievega magnetnega polja je pošiljal sporočila na razdalji pol kilometra. Vendar pa je bilo, da bi dokazal Kongresu možnosti prenosa sporočil po njegovem telegrafu čez celoten kontinent, potrebnega veliko več. Bilo je jasno, da ne glede na moč baterij bo v neki točki krog postal predolg, da bi prenesel razpoznavni signal na drug konec. A Morse je ugotovil, da kljub močni izgubi moči na razdalji, lahko elektromagnet odpre in zapre drugi krog, napajan s svojo baterijo, ki lahko nato signal prenese naprej. Proces se lahko ponavlja neomejeno in pokriva razdalje poljubnih dolžin. Zato so te vmesne magneti imenovali 'relay' – kot poštne postaje za menjavo konj. Sprejela so električno sporočilo od oslabel partnerja in ga nosila naprej z novo močjo.

Nemogoče je ugotoviti, ali je bila ta ideja navdihnjena s Henryjevim delom, a Morse je bil nedvomno prvi, ki je uporabil relays za tokratne namene. Zanj je bilo relay ne stikalo, temveč ojačevalec, ki je lahko šibek signal spremenil v močnega.

Na drugi strani Atlantika približno ob istem času Edward Davey, londonski farmaceut je došao na sličnu ideju. Vjerovatno se zainteresovao za telegraf oko 1835. godine. Do početka 1837. redovno je izvodio eksperimente sa polu-kilometarskim krugom u Regent Parku na severozapadu Londona.

Ubrzo nakon susreta Kuka i Whistonea u martu 1837. godine, Davey je osetio konkurenciju i ozbiljnije razmišljao o izgradnji praktične sistema. Primijetio je da se sila pomeranja galvanometarske igle značajno smanjuje sa povećanjem dužine žice. Kako je pisao mnogo godina kasnije:

Tada sam pomislio da će čak i najmanji pokret igle, debljine dlake, biti dovoljan da spoji dvije metalne površine, zatvarajući novi krug, zavisno od lokalne baterije; i tako se to može neprekidno ponavljati.

Davey je nazvao ovu ideju pretvaranja slabog električnog signala u jak „električnim pojačivačem“. No, nije uspeo da realizuje ovu ili bilo koju drugu ideju o telegrafu. Patent za telegraf je dobio 1838. godine, nezavisno od Kuka i Whistonea. Ali 1839. godine je otišao u Australiju, bežeći od nesretnog braka, ostavljajući polje delovanja konkurentima. Njihova telegrafska kompanija kupila je ovaj patent nekoliko godina kasnije.

Rele u svetu

U istoriji tehnologije mnogo pažnje posvećujemo sistemima, ali često zanemarujemo njihove komponente. Vodimo istoriju telegrafa, telefona, električne svetlosti, uranjajući njihove kreatore u tople zrake našeg odobravanja. No, ovi sistemi su mogli nastati samo zahvaljujući kombinaciji, rekombinaciji i promenama postojećih elemenata, tiho rastući u senci.

Rele je jedan od takvih elemenata. Brzo se razvijalo i sticalo raznolikost kada su telegrafske mreže počele aktivno rasti 1840-ih i 1850-ih. Tokom narednog stoleća pojavilo se u električnim sistemima raznog tipa. Najranija modifikacija bila je korišćenje čvrstog metalnog jastučića, poput one na telegrafskom signalu, za zatvaranje kruga. Nakon isključenja elektromagneta, jastučić se odvaja od kruga pomoću opruge. Ovakav mehanizam bio je pouzdaniji i izdržljiviji od komadića žice ili igala. Razvijali su se i modeli koji su podrazumevali zatvaranje po defaultu, u odnosu na prvobitni dizajn koji je bio otvoren po defaultu.

Tipično rele iz konca 19. stoletja. Hranilna vzmet T drži rotor B proč od kontakta C. Ko se aktivira elektromagnet M, premaga vzmet in zapre obvod med žico W in kontaktom C.

V zgodnjih letih telegrafa releji redko so se uporabljali kot ojačevalci ali 'obnovitelji', saj je bilo mogoče en obvod razširiti do 150 km. Vendar so bili zelo koristni za povezovanje šibkotonovskih dolgih linij z lokalnimi visokotonskimi linijami, ki so se canale uporabljale za napajanje drugih strojev, na primer Morseovega registrarja.

Desetine patentov v ZDA iz druge polovice 19. stoletja opisujejo nove vrste relejev in njihovo novo uporabo. Diferencialni rele, ki je delil tuljavo tako, da je elektromagnetni učinek bil kompenziran v eno smer in ojačan v drugo, je omogočil uporabo duplex telegrafske komunikacije: dva signala, ki potekata v nasprotnih smereh po eni žici. Thomas Edison je uporabil polarizirani (ali polaren) rele za ustvarjanje kvadrupleksa, sposobnega pošiljati 4 signale hkrati po eni žici: dva v vsakem smeri. V polariziranem releju je bil sam rotor stalni magnet, ki je reagiral na smer toka, ne na moč. Zaradi stalnih magnetov so lahko izdelali rele z preklopnimi kontakti, ki so po preklopu ostali odprti ali zaprti.

Polarizirani rele

Releji, poleg telegrafa, so začeli uporabljati tudi v signalnih sistemih železnic. S pojavom omrežij električnih prenosov so se releji začeli uporabljati tudi v teh sistemih, zlasti kot zaščitna naprava.

Toda tudi te obsežne in kompleksne mreže niso zahtevale od relejev več, kot so bili sposobni nuditi. Telegraf in železnica sta prišla v vsak kraj, vendar ne v vsako stavbo. Imeli so desetine tisoč končnih točk, vendar ne milijone. Sistemom električnih prenosov je bilo vseeno, kje se končajo - le da so sprostili tok na lokalni obvod, in vsaka hiša in podjetje sta lahko vzela toliko, kolikor so potrebovali.

Telefonski sustavi su bili sasvim drugačiji. Telefoni su trebali uspostaviti vezu između tačaka, od bilo koje kuće ili kancelarije do bilo koje druge, pa su im bila potrebna upravljačka kola neviđenih razmera. Čovekov glas, koji se prenosi u obliku talasa kroz žice, bio je signal bogat, ali slab. Zato su ojačivači višeg kvaliteta bili neophodni za dalju telefonsku komunikaciju. Ispostavilo se da prekidači mogu raditi i kao ojačivači. Sada su telefonske mreže više od bilo kojih drugih sistema upravljale evolucijom prekidača.

Šta čitati

• James B. Calvert, “Elektromagnetni telegraf“
• Franklin Leonard Pope, «Moderna praksa električnog telegrafa» (1891)

Izvor: habr.com