Інші статті циклу:
- Історія реле
- Історія електронних комп'ютерів
- Історія транзистора
- Історія Інтернету
В ми дізналися, як американський вчений та викладач вперше проїхав Європою. Відвідуючи Лондон, він спеціально заїхав до глибоко шанованої їм людини, математики. . Разом з Генрі був його друг, Олександр Бах, і його новий знайомий, також експериментатор у галузі телеграфу, . Беббідж розповів гостям, що незабаром збирається продемонструвати члену Парламенту свою лічильну машину, але з ще більшим задоволенням він поділився з ними ідеєю своєї нової машини, яка значно перевершить можливості першої. Генрі записав загальні відомості про цей план у своєму щоденнику:
Ця машина ділиться на дві частини, одну з яких містер Б. називає сховищем, а другу - млином. Сховище заповнене коліщатками із намальованими на них цифрами. Періодично важелі витягують їх і переміщують до млина, де відбуваються необхідні маніпуляції. По закінченню ця машина зможе звести до таблиці будь-яку формулу природи алгебри.
Історик не може не відчути холодок, що пробігає спиною від таких випадкових перетинів у людських життях. Тут перетнулися дві нитки історії обчислювальних машин, одна з яких наближалася до свого завершення, а інша лише починалася.
Адже хоча машину Беббіджа часто представляють як початок історії сучасних універсальних комп'ютерів, зв'язок між ними досить слабкий. Його машина (яку він так і не збудував) була кульмінацією мрії про механічні обчислення. Цю мрію, вперше озвучену Лейбницем, надихали дедалі більш ускладнювані годинні механізми, створювані умільцями з кінця середньовіччя. Але жодного комп'ютера загального призначення не було побудовано на чистій механіці – це завдання надто складне.
А ось електромагнітне реле, задумане Генрі та іншими, можна досить легко впровадити в обчислювальні контури, складність яких без нього видається неймовірною. Однак досі залишалися ще десятиліття, і такого розвитку не могли передбачати Генрі та його сучасники. Воно стало прабатьком незліченної безлічі транзисторів, які уможливили сьогоднішній цифровий світ, так переплетений з нашим сучасним життям. Реле заповнили нутрощі ранніх програмованих обчислювальних машин, що правили короткий час, поки їх не замінили чисто електронні родичі.
Реле винаходили кілька разів незалежно один від одного у 1830-х роках. Цілі його були різноманітні (п'ять його винахідників придумали щонайменше три варіанти застосування) – як і приклади використання. Але про нього зручно думати, як про влаштування подвійного призначення. Його можна використовувати як перемикач, що керує ще одним електричним пристроєм (включаючи, що важливо, інше реле), або як підсилювач, що перетворює слабкий сигнал на сильний.
Перемикач
Джозеф Генрі поєднував в одній людині глибокі знання в натурфілософії, механіці та інтерес до проблеми механічного телеграфу. У 1830-х такий набір якостей був, мабуть, ще тільки Уітстон. До 1831 він побудував контур довжиною в 2,5 км, здатний приводити в дію дзвінок, використовуючи для цього потужний магніт з існували. Можливо, якби він і надалі продовжував так активно працювати над телеграфом, і виявив таку ж завзятість, як демонстрував Морзе, то саме його ім'я було б вписано до підручників.
Але Генрі, вчитель з Академії в Олбані, а потім у Коледжі Нью-Джерсі (тепер це Прінстонський університет) будував та вдосконалював електричні пристрої з метою досліджень, навчання та наукових демонстрацій. Він не цікавився тим, щоб перетворити педагогічний інструмент на систему передачі повідомлень.
Приблизно 1835 року він вигадав особливо хитромудру демонстрацію з допомогою двох контурів. Згадайте, що Генрі виявив у електрики два виміри – інтенсивність і кількість (ми кличемо їх напруга та сила струму). Він створив контури з інтенсивними батареями та магнітами для передачі електромагнетизму на великі відстані, та контури з кількісними батареями та магнітами для створення електромагнітних сил великої потужності.
Його новий агрегат поєднував у собі обидві властивості. Потужний кількісний електромагніт міг піднімати вантаж у сотні кілограмів. Інтенсивний магніт на кінці довгого контуру використовувався для підйому невеликого металевого дроту: перемикача. Замикання інтенсивного контуру змушувало магніт піднімати провід, а це розмикало перемикач та кількісний контур. Кількісний електромагніт потім раптово упускав свій вантаж з оглушливим гуркотом.
Це реле - саме таку роль виконував інтенсивний магніт і його провід - необхідно було для демонстрації перетворення електричної енергії на механічну, а також того, як невелика сила може керувати великою. Легке занурення дроту в кислоту для замикання контуру призводило до невеликого руху малого перемикача, що в результаті закінчувалося катастрофою у вигляді падіння металу, в кількості, достатньої для того, щоб роздавити будь-кого, хто був би досить дурний, щоб стояти під ним. Для Генрі реле був інструментом демонстрації наукових принципів. То справді був електричний важіль.
Генрі, ймовірно, був першим, який таким чином з'єднав два контури – щоб, використовуючи електромагнетизм одного контуру, керувати іншим. Друге місце, наскільки нам відомо, належить Вільяму Куку і Чарльзу Вітстону, хоча вони ставили зовсім інші цілі.
У березні 1836 року, невдовзі після відвідин демонстрації в Гейдельберзі телеграфу, який використовував гальванічну голку передачі сигналів, Кук надихнувся музичною скринькою. Кук вважав, що використання в реальному телеграфі голок, що позначають літери, вимагатиме кількох голок, а для них потрібні будуть кілька контурів. Кук же хотів, щоб електромагніт активував механізм, який вже може бути як завгодно складним у демонстрації потрібної літери.
Він задумав машину, що нагадує музичну скриньку, з барило, оточеним безліччю шпильок. З одного боку барила повинна розташовуватися кругова шкала з літерами. На кожному з кінців телеграфної лінії має бути така коробочка. Зведена пружина повинна змушувати барило обертатися, але більшу частину часу він буде зафіксований стопором. При натисканні телеграфного ключа контур замикається, що активує електромагніти, що відкривають обидві запори, і обертаються обидві машинки. Коли на шкалі з'являється потрібна літера, ключ відпускають, запори встають на місце і зупиняють рух барил. Кук, сам не знаючи, відтворив хронометричну модель телеграфа Рональда, вигадану два десятиліття тому, і ранні експерименти братів Шапп із телеграфом (тільки ті використовували для синхронізації шкал звуку, а не електрики).
Кук зрозумів, що такий самий механізм може допомогти вирішити давню проблему телеграфу – повідомлення сторони, що приймає, про нове повідомлення. Для цього можна використовувати другий контур з іншим електромагнітом, який би активував механічний дзвінок. Замикання контуру втягувало б стопор, і дзвінок дзвонив би.
У березні 1837 року Кук розпочав спільну роботу з Уітстоном над телеграфом, і приблизно в цей час вони замислилися над необхідністю другого контуру. Замість пристрою незалежного контуру для сигналу оповіщення (і протяжки кілометрів зайвих проводів), чи не було б простіше використовувати основний контур для контролю сигналу?
На той час Кук і Вітстон повернулися до голчастого дизайну, і було цілком очевидно, що можна з'єднати невеликий шмат дроту з голкою, щоб, коли її кінець притягувався електромагнітом, її хвіст замикав другий контур. Цей контур приводив у дію сигнал. Після певного інтервалу, під час якого одержувач повідомлення міг би встигнути прокинутися, відключити сигнал і приготувати олівець і папір, голку можна було використовувати для передачі повідомлення у звичайному режимі.
Протягом двох років на двох континентах двічі, з двома різними цілями, люди зрозуміли, що електромагніт можна використовувати як перемикач, керуючий іншим контуром. Але можна було уявити і зовсім інший спосіб взаємодії двох контурів.
Підсилювач
До осені 1837 року Семюел Морзе був у тому, що його ідею електричного телеграфу можна змусити працювати. Використовуючи інтенсивну батарею та магніт Генрі, він відправляв повідомлення на відстань у півкілометра. Але щоб довести Конгресу можливість передачі повідомлень своїм телеграфом через весь континент, йому потрібно було набагато більше. Було ясно, що незалежно від потужності батарей, якийсь момент контур стане занадто довгим для передачі розбірливого сигналу на інший його кінець. Але Морзе зрозумів, що, незважаючи на сильне падіння потужності з відстанню, електромагніт може відкривати та закривати інший контур, що живиться власною батареєю, який у свою чергу може передавати сигнал далі. Процес можна повторювати скільки завгодно разів і покривати дистанції будь-якої довжини. Тому ці проміжні магніти називали «relay» – як поштові станції для зміни коней. Вони приймали електричне повідомлення від партнера, що слабшає, і несли його далі з новою силою.
Неможливо встановити, чи ця ідея була натхненна роботами Генрі, але Морзе точно був першим, хто використовував реле для такої мети. Він реле був не перемикачем, а підсилювачем, здатним перетворити слабкий сигнал на сильний.
З іншого боку Атлантики приблизно в цей же час , Лондонський фармацевт, придумав подібну ідею. Він, мабуть, зацікавився телеграфом приблизно 1835 року. До початку 1837 року він регулярно проводив експерименти з півторакілометровим контуром у Ріджент-Парку на північному заході Лондона.
Незабаром після зустрічі Кука та Уїтстона в березні 1837, Дейві відчув конкуренцію і серйозніше задумався про будівництво практичної системи. Він зауважив, що сила відхилення гальванічної голки помітно зменшувалася зі збільшенням довжини дроту. Як він писав багато років по тому:
Тоді я подумав, що навіть найменшого руху голки на товщину волосся буде достатньо, щоб привести в контакт дві металеві поверхні, що замикають новий контур, який залежить від місцевої батареї; і так можна повторювати вічно.
Дейві назвав цю ідею перетворення слабкого електричного сигналу на сильний «електричний обновник». Але йому не вдалося реалізувати цю чи іншу ідею з приводу телеграфу. Патент на телеграф він отримав у 1838 році, незалежно від Кука та Уітстона. Але в 1839 році він вирушив до Австралії, рятуючись від нещасного шлюбу, і залишив поле діяльності конкурентам. Їхня телеграфна компанія купила цей патент через кілька років.
Реле у світі
В історії технологій ми приділяємо багато уваги системам, але часто ігноруємо їх компоненти. Ми ведемо історію телеграфу, телефону, електричного світла, купаємо їх творців у теплих променях свого схвалення. Але ці системи змогли з'явитися лише завдяки комбінації, рекомбінації та зміни існуючих елементів, що тихо росли в тіні.
Реле – один із таких елементів. Воно швидко еволюціонувало і набуло різноманітності, коли телеграфні мережі почали активно зростати у 1840-х та 1850-х. За століття воно з'явилося в електричних системах різного роду. Найранішою модифікацією було використання жорсткого металевого якоря, як у сигналі телеграфу, для замикання контуру. Після вимкнення електромагніту якір від'єднувався від контуру за допомогою пружини. Такий механізм був надійнішим і витривалішим, ніж шматочки дротів чи голки. Розроблялися і закриті за замовчуванням моделі, крім початкового дизайну, відкритого за умовчанням.
Типове реле кінця ХІХ століття. Пружина T утримує якір B від контакту З. Коли активується електромагніт М, він долає пружину і замикає контур між проводом W і контактом C.
У ранні роки телеграфи реле рідко використовувалися як підсилювачі або «обновники», оскільки один контур можна було розтягнути на 150 км. Але вони були дуже корисні для поєднання слабкострумових довгих ліній з місцевими лініями високої напруги, які могли використовуватися для живлення інших машин, наприклад, реєстратора Морзе.
Десятки патентів США другої частини ХІХ століття описують нові види реле та його нове застосування. Диференціальне реле, що розділяло котушку так, що електромагнітний ефект компенсувався в одному напрямку і посилювався в іншому, дозволяла використовувати дуплексний телеграфний зв'язок: два сигнали, що йдуть у протилежних напрямках по одному дроту. Томас Едісон використовував поляризоване (або полярне) реле для створення квадруплексу, здатного відправляти 4 сигнали одночасно по одному дроту: по два в кожному напрямку. У поляризованому реле сам якір був постійним магнітом, реагував на напрям струму, а чи не на силу. Завдяки постійним магнітам можна було робити реле з контактами, що перемикаються, які після перемикання залишалися розімкненими або замкнутими.
Поляризоване реле
Реле, крім телеграфу, почали використовувати і сигнальних системах залізниць. З появою мереж електропередач реле стали використовуватися і в цих системах, особливо як пристрої захисту.
Але навіть ці протяжні та складні сітки не вимагали від реле більше, ніж ті були здатні надати. Телеграф і залізниця зайшли до будь-якого міста, але не до будь-якої будівлі. Вони мали десятки тисяч кінцевих точок, але не мільйони. Системам електропередач було все одно, де вони закінчуються – вони просто давали струм на місцевий контур, і кожен будинок та підприємство могли забрати його собі скільки потрібно.
Телефонія була зовсім іншою справою. Телефонам потрібно було створювати зв'язок від точки до точки, від будь-якого з будинків та офісів до будь-якого іншого, а тому їм були потрібні керуючі контури небаченого масштабу. Людський голос, що йде у вигляді вагань по дротах, був сигналом багатим, але слабким. Тому телефону потрібні були підсилювачі кращої якості. Виявилося, що перемикачі можуть працювати такими підсилювачами. Тепер телефонні мережі більше будь-яких інших систем керували еволюцією перемикачів.
Що почитати
• James B. Calvert, “The Electromagnetic Telegraph“
• Франклін Леонард Поп, «Модернна практика електронного телеграфу» (1891)
Джерело: habr.com