История реле: электронная эра

https://technicshistory.wordpress.com/2017/06/21/the-electronic-age/
  • Перевод
В предыдущих сериях:

Забытое поколение релейных компьютеров [перевод Mail.ru]
История реле: просто соединить


image

В прошлый раз мы увидели, как первое поколение цифровых компьютеров было построено на основе первого поколения автоматических электрических переключателей – электромагнитных реле. Но к тому времени, когда эти компьютеры были созданы, за кулисами дожидался своего выхода ещё один цифровой переключатель. Реле было электромагнитным устройством (использовавшим электричество для управления механического переключателя), а новый класс цифровых переключателей был электронным – основанным на новых знаниях об электроне, появившихся в начале XX века. Эта наука обозначила, что переносчиком электрической силы был не ток, не волна, не поле – а твёрдая частица.

Устройство, породившее эру электроники, основанную на этой новой физике, стало известным как «электронная лампа» [в США — vacuum tube, или «вакуумная трубка»]. В истории её создания участвуют два человека: англичанин Амброз Флеминг и американец Ли де Форест. На самом деле происхождение электроники более сложное, оно свивается из множества нитей, пересекающих Европу и Атлантику, и тянущихся назад в прошлое, вплоть до ранних экспериментов с Лейденскими банками в середине XVIII века.

Но в рамках нашего изложения удобно будет освещать (каламбур!) эту историю, начиная с Томаса Эдисона. В 1880-х Эдисон сделал интересное открытие, работая над электрическим освещением – это открытие подготавливает сцену для нашей истории. Отсюда пошло дальнейшее развитие электронных ламп, требовавшееся для двух технологических систем: новой формы беспроводной передачи сообщений и постоянно расширяющихся телефонных сетей.

Пролог: Эдисон


Эдисона обычно считают изобретателем электрической лампочки. Это одновременно делает ему слишком много и слишком мало чести. Слишком много, поскольку не один Эдисон придумал светящуюся лампу. Кроме толпы предшествовавших ему изобретателей, чьи творения не дошли до коммерческого применения, можно упомянуть Джозефа Свана и Чарльза Стёрна из Британии и американца Уильяма Сойера, выведших на рынок лампочки одновременно с Эдисоном. [Честь изобретения также принадлежит русскому изобретателю Лодыгину Александру Николаевичу. Лодыгин был первым, кто догадался выкачать из стеклянной ламповой колбы воздух, а потом и нить накаливания предложил делать не из угля или обугленных волокон, а из тугоплавкого вольфрама / прим. перев.]. Все лампы состояли из запаянной стеклянной колбы, внутри которой располагалась резистивная нить. При включении лампы в схему тепло, возникавшее благодаря сопротивлению нити току, заставляло её светиться. Из колбы был выкачан воздух, чтобы нить не загоралась. Электрический свет уже был известен в крупных городах в виде дуговых ламп, использовавшихся для освещения больших общественных мест. Все эти изобретатели искали способ уменьшить количество света, взяв от горящей дуги яркую частичку, достаточно небольшую для того, чтобы использовать её в домах для замены газовых ламп, и сделать источник света безопаснее, чище и ярче.

А что Эдисон действительно сделал – а точнее, создала его промышленная лаборатория – это не просто создание источника света. Они построили целую электрическую систему для освещения домов – генераторы, провода для передачи тока, трансформаторы, и т.п. Из всего этого лампочка была только самым очевидным и видимым компонентом. Присутствие имени Эдисона в его компаниях, производивших электроэнергию, было не простым коленопреклонением перед великим изобретателем, как в случае с Bell Telephone. Эдисон показал себя не только изобретателем, но и системным архитектором. Его лаборатория продолжала работу по улучшению различных компонентов электрического освещения даже после их раннего успеха.


Экземпляр ранних ламп Эдисона

В ходе исследований где-то в 1883 году Эдисон (а возможно, и один из его сотрудников) решил заключить внутри светящейся лампы вместе с нитью ещё и металлическую пластину. Причины этого поступка неясны. Возможно, это была попытка устранить потемнение лампы – внутренность стекла колбы со временем накапливала загадочную тёмную субстанцию. Инженер, видимо, надеялся, что эти чёрные частички будут притягиваться к находящейся под напряжением пластине. К своему удивлению он обнаружил, что когда пластина была включена в схему вместе с положительным концом нити, то величина протекающего через нить тока была прямо пропорциональна интенсивности свечения нити. При соединении пластины с отрицательным концом нити ничего подобного не наблюдалось.

Эдисон решил, что этот эффект, позже названный эффектом Эдисона или термоэлектронной эмиссией, можно использовать для измерения или даже управления «электродвижущей силой», или напряжением, в электрической системе. В силу привычки он подал заявку на патент этого «электрического индикатора», а потом вернулся к более важным задачам.

Без проводов


Перенесёмся на 20 лет в будущее, в 1904-й. В это время в Англии Джон Амброз Флеминг работал по заданию Marconi Company над улучшением приёмника радиоволн.

Важно понять, чем было и чем не было радио в то время, как с точки зрения инструмента, так и с точки зрения практики. Радио тогда даже не называли «radio», его называли «wireless», беспроводное. Термин «радио» стал превалировать только в 1910-х. Конкретно имелся в виду беспроводной телеграф – система передачи сигналов в виде точек и тире от отправителя к получателю. Его основным применением была связь между судами и портовыми службами, и в этом смысле им интересовались морские ведомства всего мира.

Некоторые изобретатели того времени, в частности, Реджинальд Фессенден, экспериментировали с идеей радиотелефона – передачи голосовых сообщений по воздуху в виде непрерывной волны. Но широковещание в современном понимании возникло лишь через 15 лет после этого: передача новостей, историй, музыки и других программ для приёма широкой аудиторией. До того всенаправленная природа радиосигналов рассматривалась как проблема, которую нужно решить, а не как особенность, которой можно воспользоваться.

Существовавшее в то время радиооборудование было хорошо приспособлено для работы с азбукой Морзе и плохо – для всего остального. Передатчики создавали волны Герца, отправляя искру через разрыв в схеме. Поэтому сигнал сопровождался треском статики.

Приёмники распознавали этот сигнал через когерер: металлические опилки в стеклянной трубке, сбивавшиеся под воздействием радиоволн в непрерывную массу, и таким образом замыкавшие схему. Затем по стеклу нужно было постучать, чтобы опилки распались и приёмник был готов к следующему сигналу – сначала это делали вручную, но вскоре для этого появились и автоматические устройства.

В 1905 году только начали появляться кристаллические детекторы, также известные, как «кошачий ус». Оказалось, что просто коснувшись проводом определённого кристалла, например, кремния, железного колчедана или галенита, можно было выхватить из воздуха радиосигнал. Получавшиеся приёмники были дешёвыми, компактными и доступными каждому. Они стимулировали развитие радиолюбительства, в особенности среди молодёжи. Внезапный всплеск занятости эфира, возникший вследствие этого, привёл к проблемам из-за того, что радиоэфир делился между всеми пользователями. Невинные разговоры любителей могли случайно пересечься с переговорами морфлота, а некоторые хулиганы даже умудрялись отдавать ложные приказы и посылать сигналы о помощи. Государство неизбежно должно было вмешаться. Как писал сам Амброз Флеминг, появление кристаллических детекторов
сразу же привело к всплеску безответственной радиотелеграфии из-за выходок бесчисленного количество любителей-электриков и учащихся, что потребовало жёсткого вмешательства национальных и международных органов власти для удержания происходящего в рамках разумного и безопасного.

Из необычных электрических свойств этих кристалликов в своё время появится третье поколение цифровых переключателей, вслед за реле и лампами – переключатели, доминирующие в нашем мире. Но всему своё время. Мы описали сцену, теперь вернём всё внимание к актёру, который только что появился в свете софитов: Амброз Флеминг, Англия, 1904-й.

Клапан


В 1904 Флеминг был профессором электротехники в Университетском колледже Лондона, и консультантом для Marconi Company. Изначально компания наняла его для получения экспертной оценки по строительству электростанции, но затем он занялся задачей улучшения приёмника.


Флеминг в 1890-м

Все знали, что когерер был плохим приёмником с точки зрения чувствительности, и разработанный в Macroni магнитный детектор был не особенно лучше. Чтобы найти ему замену, Флеминг сначала решил построить чувствительную схему для обнаружения волн Герца. Такое устройство, даже не став детектором само по себе, будет полезным в будущих исследованиях.

Для этого ему нужно было придумать способ постоянно измерять силу тока, создаваемого приходящими волнами, вместо использования дискретного когерера (он показывал только состояния включено – где опилки слипались, или выключено). Но известные устройства измерения силы тока – гальванометры – требовали для работы постоянного, то есть, однонаправленного тока. Переменный ток, возбуждённый радиоволнами, менял направление так быстро, что никакого измерения не получилось бы.

Флеминг вспомнил, что у него в шкафу пылится несколько интересных вещей – индикаторные лампы Эдисона. В 1880-х он был консультантом для Компании электрического освещения Эдисона в Лондоне, и работал над проблемой почернения ламп. В то время он получил несколько копий индикатора, возможно, от Уильяма Приса, главного инженера-электрика британской Почтовой службы, который тогда только что вернулся с электрической выставки в Филадельфии. В то время вне США для почтовых служб контроль над телеграфом и телефоном был привычным делом, поэтому они были центрами электротехнической экспертизы.

Позже, в 1890-х, Флеминг и сам изучал эффект Эдисона, используя полученные от Приса лампы. Он показал, что эффект состоял в том, что ток тёк в одном направлении: отрицательный электрический потенциал мог течь с горячей нити на холодный электрод, но не наоборот. Но только в 1904 году, когда перед ним встала задача обнаружения радиоволн, он понял, что этот факт можно использовать на практике. Индикатор Эдисона позволит только направленным в одну сторону импульсам переменного тока преодолевать разрыв между нитью и пластиной, что даст постоянный и однонаправленный поток.

Флеминг взял одну лампу, соединил её последовательно с гальванометром и включил искровой передатчик. Вуаля – зеркальце повернулось, и луч света сдвинулся на шкале. Сработало. Он мог точно измерить входящий радиосигнал.


Прототипы клапана Флеминга. Анод находится в середине нитевой петли (горячего катода)

Флеминг назвал своё изобретение «клапаном», поскольку оно пропускало электричество только в одну сторону. Говоря более общим электротехническим языком, это был выпрямитель – способ преобразования переменного тока в постоянный. Потом его назвали диодом, поскольку в нём было два электрода – горячий катод (нить), испускавший электричество, и холодный анод (пластина), получавший его. Флеминг ввёл в дизайн несколько улучшений, но по сути устройство не отличалось от индикаторной лампы, изготовленной Эдисоном. Её переход в новое качество произошёл в результате изменения образа мыслей – такое явление мы уже видели многократно. Изменение произошло в мире идей в голове Флеминга, а не в мире вещей вне её.

Сам по себе клапан Флеминга был полезным. Это было лучшее полевое устройство для измерения радиосигналов, и неплохой детектор сам по себе. Но мир он не потряс. Взрывной рост электроники начался только после того, как Ли де Форест добавил третий электрод и превратил клапан в реле.

Прослушивание


У Ли де Фореста было необычное воспитание для учащегося из Йеля. Его отец, преподобный Генри де Форест, был ветераном Гражданской войны из Нью-Йорка, пастором конгрегациональной церкви, и свято верил в то, что как проповедник должен распространять божественный свет знаний и правосудия. Повинуясь зову долга, он принял приглашение стать президентом Талладегского колледжа в Алабаме. Колледж был осован после Гражданской войны Американской миссионерской ассоциацией, базировавшейся в Нью-Йорке. Он предназначался для обучения и наставления местных чернокожих жителей. Там Ли ощутил себя между молотом и наковальней – местные негры унижали его за наивность и трусость, а местные белые – за то, что он был янки.

И тем не менее, юношей де Форест выработал твёрдую уверенность в себе. Он обнаружил у себя склонность к механике и изобретениям – его масштабная модель локомотива стала местным чудом. Ещё в подростковом возрасте, обучаясь в Талладеге, он решил посвятить свою жизнь изобретениям. Затем, будучи молодым человеком и обитая в городе Нью-Хэйвен, сын пастора сбросил с себя последние религиозные убеждения. Они постепенно уходили из-за знакомства с дарвинизмом, а затем их как ветром сдуло после безвременной кончины его отца. Но чувство наличия у него предназначения не покидало де Фореста – он считал себя гением и стремился стать вторым Николой Теслой, богатым, знаменитым и загадочным волшебником эпохи электричества. Его одноклассники из Йельского университета считали его самодовольным пустозвоном. Его, возможно, можно назвать наименее популярным человеком из всех встречавшихся в нашей истории.


де Форест, ок.1900

Закончив обучение в Йельском университете в 1899 году, де Форест выбрал освоение набиравшего обороты искусства передачи беспроводных сигналов в качестве пути к богатству и славе. В последовавшие десятилетия он штурмовал этот путь с великой решимостью и уверенностью, и без всяких колебаний. Началось всё с совместной работы де Фореста и его партнёра Эда Смайта в Чикаго. Смайт держал их предприятие на плаву при помощи регулярных платежей, и вместе они разработали собственный детектор радиоволн, состоящий из двух металлических пластин, соединявшихся клеем, который де Форест называл «пастой» [goo]. Но де Форест не мог долго ждать наград за свою гениальность. Он избавился от Смайта и скооперировался с сомнительным финансистом из Нью-Йорка по имени Абрахам Уайт [иронически сменившего своё имя с данного ему при рождении, Шварц, чтобы скрыть свои тёмные делишки. Уайт/White – (англ.) белый, Шварц/Schwarz – (нем.) чёрный / прим. перев.], открыв компанию De Forest Wireless Telegraph Company.

Сама деятельность компании была второстепенной для обоих наших героев. Уайт пользовался невежеством людей для набивания карманов. Он выманивал миллионы у инвесторов, изо всех сил пытавшихся не отстать от ожидаемого бума радио. А де Форест, благодаря обильному поступлению средств указанных «лохов», сконцентрировался на том, чтобы доказать свой гений через разработку новой американской системы беспроводной передачи информации (по контрасту с европейской, разработанной Маркони и др.).

К несчастью для американской системы, детектор де Фореста работал не особенно хорошо. На какое-то время он решил эту проблему, позаимствовав запатентованный дизайн Реджинальда Фессендена на детектор под названием «жидкий бареттер» – два платиновых провода, погружённых в ванночку из серной кислоты. Фессенден подал в суд иск из-за нарушения патента – и эту тяжбу он очевидно выиграл бы. Де Форест не мог успокоиться, пока не придумал бы новый детектор, принадлежавший только ему. Осенью 1906-го он объявил о создании такого детектора. На двух разных встречах в Американском института электротехники де Форест описывал свой новый беспроводной детектор, названный им «Аудионом». Но его реальное происхождение вызывает сомнения.

Какое-то время попытки де Фореста построить новый детектор вращались вокруг прохождения тока через пламя горелки Бунзена, которое, по его мнению, могло быть асимметричным проводником. Идея, судя по всему, успехом не увенчалась. В какой-то момент в 1905 году он узнал о клапане Флеминга. Де Форест вбил себе в голову, что этот клапан и его устройство на основе горелки в принципе ничем не отличались – если заменить горячую нить пламенем, и накрыть его стеклянной колбой, чтобы ограничить газ, то получится тот же клапан. Он разработал серию патентов, повторявших историю предшествовавших клапану Флеминга изобретений при помощи детекторов на основе газового пламени. Он, очевидно, хотел присвоить себе приоритет в изобретении, обойдя патент Флеминга, поскольку работы с горелкой Бунзена предшествовали работу Флеминга (они шли с 1900-го года).

Невозможно сказать, был ли это самообман или мошенничество, но в результате появился патент де Фореста от августа 1906 на «опустошённый стеклянный сосуд, содержащий два раздельных электрода, между которыми существует газовая среда, которая при достаточном нагреве становится проводником и образует чувствительный элемент». Оборудование и функционирование устройства принадлежат Флемингу, а объяснение его работы – де Форесту. Де Форест в результате проиграл патентный спор, хотя это и заняло десять лет.

Нетерпеливый читатель уже может начать интересоваться тем, почему мы тратим так много времени на этого человека, чей самопровозглашённый гений состоял в выдаче чужих идей за свои? Причина состоит в тех преобразованиях, что претерпел Аудион за последние несколько месяцев 1906 года.

К тому времени у де Фореста не было работы. Уайт с партнёрами избежали ответственности в связи с иском Фессендена, создав новую компанию, United Wireless, и одолжив ей активы American De Forest за сумму в $1. Де Фореста выгнали с $1000 отступных и несколькими бесполезными патентами на руках, включая и патент на Аудион. Привыкнув к расточительному образу жизни, он столкнулся с серьёзными финансовыми трудностями и отчаянно пытался превратить Аудион в большой успех.

Чтобы понять, что случилось далее, важно знать, что де Форест считал, что изобрёл реле – по контрасту с выпрямителем Флеминга. Он сделал свой Аудион, подсоединив батарею к холодной пластине клапана, и считал, что сигнал в антенной схеме (соединённой с горячей нитью) модулировал более мощный ток в схеме батареи. Он ошибался: это были не две схемы, батарея просто смещала сигнал с антенны, а не усиливала его.

Но эта ошибка стала критичной, поскольку привела де Фореста к экспериментам с третьим электродом в колбе, который должен был ещё больше разъединить две схемы этого «реле». Сначала он добавлял второй холодный электрод рядом с первым, но затем, возможно под влиянием управляющих механизмов, используемых физиками для перенаправления лучей в электронно-лучевых устройствах, он передвинул электрод на место между нитью и первичной пластиной. Он решил, что такое положение может прерывать поток электричества, и изменил форму третьего электрода с пластины на волнистый провод, напоминавший рашпер – и назвал его «сеткой».


Триод Аудион 1908 года. Нить (разорванная) слева – катод, волнистый провод – сетка, закруглённая металлическая пластина – анод. У него всё ещё есть резьба, как у обычной лампочки.

И это уже действительно было реле. Слабый ток (такой, какой получается у радиоантенны), поданный на сетку, мог контролировать гораздо более сильный ток между нитью и пластиной, отталкивая заряженные частицы, пытавшиеся переходить между ними. Этот детектор работал гораздо лучше клапана, поскольку он не просто выпрямлял, но и усиливал радиосигнал. И, как и клапан (и в отличие от когерера) он мог выдавать постоянный сигнал, что давало возможность создавать не только радиотелеграф, но и радиотелефон (а в дальнейшем – передачу голоса и музыки).

На практике он работал не особенно хорошо. Аудионы де Фореста были привередливыми, быстро сгорали, на их производстве недоставало постоянства качества, и в качестве усилителей они были неэффективны. Для того, чтобы конкретный Аудион правильно работал, требовалось подстраивать под него электрические параметры схемы.

Тем не менее, де Форест верил в своё изобретение. Для его рекламы он организовал новую компанию, De Forest Radio Telephone Company, но продажи оказались мизерными. Самым большим успехом была продажа оборудования на флот для внутрифлотской телефонии во время кругосветного плавания "Великого белого флота". Однако командующий флотом, не имея времени на то, чтобы заставить передатчики и приёмники де Фореста работать и обучить команду их использованию, велел запаковать их и оставить в хранилище. Более того, новая компания де Фореста, руководимая последователем Абрахама Уайта, была не более порядочной, чем предыдущая. В дополнение к своим неудачам он вскоре попал под обвинение в мошенничестве.

За пять лет Аудион ничего не достиг. И снова телефон сыграет ключевую роль в разработке цифрового реле, на этот раз спасая многообещающую, но непроверенную технологию, находившуюся на грани забвения.

И снова телефон


Сеть связи на дальние расстояния была центральной нервной системой AT&T. Она связывала воедино множество местных компаний и предоставляла ключевое конкурентное преимущество по истечению срока патентов Белла. Присоединившись к сети AT&T новый клиент мог, теоретически, дозвониться до всех остальных подписчиков, находившихся в тысячах километров от него – хотя на самом деле звонки на дальние расстояния делали редко. Также сеть была материальной основой для всеобъемлющей идеологии компании «Одна политика, одна система, универсальный сервис».

Но с началом второго десятилетия двадцатого века эта сеть добралась до физического максимума. Чем дальше тянулись телефонные провода, тем слабее и шумнее становился проходивший по ним сигнал, и в итоге речь становилась практически неразличимой. Из-за этого в США было на самом деле две сети AT&T, разделённые континентальным хребтом.

Для восточной сети колышком был Нью-Йорк, а механические репитеры и катушки Пупина – привязью, определявшей, как далеко мог дойти человеческий голос. Но эти технологии были не всесильны. Катушки изменяли электрические свойства телефонной схемы, уменьшая ослабление голосовых частот – но они могли лишь уменьшить его, а не устранить. Механические репитеры (всего лишь телефонный динамик, соединённый с усиливающим микрофоном) добавляли шум с каждым повтором. Линия 1911 года от Нью-Йорка до Денвера довела эту привязь до максимальной длины. О том, чтобы протянуть сеть на весь континент, и речи не было. Однако в 1909 году Джон Карти, главный инженер AT&T, публично пообещал сделать именно это. Он пообещал сделать это за пять лет – ко времени начала Панамо-Тихоокеанской международной выставки в Сан-Франциско в 1915-м.

Первым, кто сумел сделать возможным такое предприятие при помощи нового телефонного усилителя, был не американец, а наследник богатой венской семьи, интересовавшийся наукой. Будучи молодым, Роберт фон Либен при помощи средств своих родителей купил телефонную производственную компанию и вознамерился сделать усилитель для телефонных разговоров. К 1906-му он сделал реле на основе электронно-лучевых трубок, к тому времени повсеместно использовавшихся в физических экспериментах (а позже ставших основой для доминирующей в XX веке технологии видеоэкранов). Слабый входящий сигнал контролировал электромагнит, изгибавший луч, модулировавший более сильный ток в главной схеме.

К 1910-му фон Либен с коллегами, Юджином Рейзом и Зигмундом Страуссом, узнали об Аудионе де Фореста и заменили магнит в трубке сеткой, контролировавшей катодные лучи – этот дизайн был самым эффективным и превосходил все разработки, сделанные на тот момент в США. Немецкая телефонная сеть вскоре взяла на вооружение усилитель фон Либена. В 1914 году благодаря ей смог состояться нервный телефонный звонок командира Восточной Прусской армии в немецкий штаб, расположенный в 1000 километрах от него, в Кобленце. Это заставило начальника штаба отправить генералов Гинденберга и Людендорфа на восток, к вечной славе и с тяжёлыми последствиями. Такие же усилители позже соединяли немецкий штаб с полевыми армиями на юге и востоке вплоть до Македонии и Румынии.


Копия усовершенствованного катодно-лучевого реле фон Либена. Катод внизу, анод – это катушка вверху, а сетка – круглая металлическая фольга в середине.

Однако языковые и географические барьеры, а также война, привели к тому, что такой дизайн не дошёл до США, а вскоре его уже опередили другие события.

А в это время де Форест покинул загибающуюся Radio Telephone Company в 1911 году и сбежал в Калифорнию. Там он устроился в Федеральную телеграфную компанию в Пало-Альто, основанную стэнфордским выпускником Цирилом Элвелом. Номинально де Форест должен был работать над усилителем, повышающим громкость выходного сигнала федерального радиоприёмника. На самом деле он, Герберт ван Эттан (опытный телефонный инженер) и Чарльз Логвуд (разработчик приёмника) занялись созданием телефонного усилителя, чтобы втроём получить приз от AT&T, который, по слухам, составлял $1 млн.

Для этого де Форест достал с антресолей Аудион, и к 1912 году у них с коллегами уже было устройство, готовое для демонстрации в телефонной компании. Оно состояло из нескольких соединённых последовательно Аудионов, создававших усиление в несколько этапов, и ещё нескольких вспомогательных компонентов. Устройство, в принципе, работало – оно могло усилить сигнал достаточно, чтобы вы услышали, как падает носовой платок или как тикают карманные часы. Но лишь при токах и напряжениях слишком малых для того, чтобы быть полезными в телефонии. При повышении тока Аудионы начинали испускать голубое свечение, а сигнал превращался в шум. Но телефонщики были достаточно заинтересованы для того, чтобы отдать устройство своим инженерам и посмотреть, что они с ним смогут сделать. Так получилось, что один из них, молодой физик Гарольд Арнольд совершенно точно знал, как исправить усилитель от Федерального телеграфа.

Пришло время обсудить, каким образом работали клапан и Аудион. Ключевое понимание, необходимое для объяснения их работы, появилось в Лаборатории Кэвендиша в Кембридже – интеллектуальном центре новой электронной физики. В 1899 году там Дж. Дж. Томсон показал в экспериментах с катодно-лучевыми трубками, что частица, обладающая массой, и ставшая известной позднее, как электрон, переносит ток с катода на анод. В следующие несколько лет Оуэн Ричардсон, коллега Томсона, развил это предположение в математическую теорию термоэлектронной эмиссии.

Амброз Флеминг, инженер, работавший на расстоянии короткой поездки на поезде от Кембриджа, был знаком с этими работами. Ему было ясно, что его клапан работает благодаря термоэлектронной эмиссии электронов с нагретой нити, пересекавших вакуумный разрыв до холодного анода. Но вакуум в индикаторной лампе был не глубоким – для обычной лампочки этого было и не нужно. Достаточно было откачать столько кислорода, чтобы нить не загоралась. Флеминг понял, что для наилучшей работы клапана его нужно опустошить как можно тщательнее, чтобы оставшийся газ не мешал потоку электронов.

Де Форест этого не понял. Поскольку он пришёл к клапану и Аудиону через эксперименты с горелкой Бунзена, его убеждение было противоположным – что горячий ионизированный газ был рабочим телом устройства, и что полное его удаление приведёт к прекращению работы. Именно поэтому Аудион так нестабильно и неудовлетворительно работал в качестве радиоприёмника, и поэтому он излучал голубой свет.

Арнольд в AT&T оказался в идеальной ситуации для исправления ошибки де Фореста. Он был физиком, учившимся у Роберта Милликена в Чикагском университете, и был нанят специально для того, чтобы применять свои познания в новой электронной физике к задаче построения телефонной сети от побережья до побережья. Он знал, что лампа Аудиона будет лучше всего работать в почти идеальном вакууме, знал, что новейшие насосы могут добиться такого вакуума, знал, что новый тип нити, покрытой оксидом, вместе с увеличенной пластиной и сеткой также смогут увеличить поток электронов. Короче, он превратил Аудион в электронную лампу, чудотворца электронной эры.

У AT&T появился мощный усилитель, необходимый для строительства трансконтинентальной линии – не было только прав на его использование. Представители компании недоверчиво вели себя на переговорах с де Форестом, но завели отдельную беседу через стороннего адвоката, сумевшего приобрести права на использование Аудиона в качестве телефонного усилителя за $50 000 (около $1,25 млн в долларах 2017 года). Линия Нью-Йорк – Сан-Франциско открылась как раз вовремя, но больше как триумф технической виртуозности и корпоративной рекламы, чем как средство общения. Стоимость разговоров была настолько космической, что почти никто не мог ею пользоваться.

Электронная эра


Настоящая электронная лампа стала корнем абсолютно нового древа электронных компонентов. Как и реле, электронная лампа постоянно расширяла возможности своего применения, когда инженеры находили новые способы подстраивать её устройство для решения конкретных задач. Рост племени "-одов" не закончился с диодами и триодами. Он продолжился с тетродом, добавившим дополнительную сетку, поддерживавшую усиление с ростом элементов в схеме. Следом появлялись пентоды, гептоды, и даже октоды. Появились тиратроны, заполненные ртутным паром, светившиеся зловещим голубым светом. Миниатюрные лампы размером с мизинец на ноге или даже жёлудь. Лампы с катодом косвенного накала, в которых жужжание источника переменного тока не нарушало сигнал. Книжка «Сага электронной лампы» [Saga of the Vacuum Tube], описывающая рост индустрии ламп до 1930 года, перечисляет более 1000 различных моделей по их индексу – хотя многие из них были незаконными копиями от незаслуживающих доверия брендов: Альтрон, Перфектрон, Супертрон, Вольтрон, и т.п.



Важнее разнообразия форм было разнообразие применений электронной лампы. Регенеративные схемы превращали триод в передатчик – создававший гладкие и постоянные синусоидальные волны, без шумных искр, способный идеально передавать звук. С когерером и искрами в 1901 году Маркони едва мог передавать небольшой отрывок азбуки Морзе через узкую часть Атлантики. В 1915-м при помощи электронной лампы в качестве передатчика и приёмника AT&T могла передавать человеческий голос из Арлингтона, Виргиния до Гонолулу – в два раза большее расстояние. К 1920-м они скомбинировали телефонию на длинных расстояниях с высококачественным звуковым широковещанием и создали первые радиосети. Таким образом, вскоре вся нация могла слушать по радио один и тот же голос, будь то Рузвельт или Гитлер.

Более того, возможность создавать передатчики, настроенные на точную и стабильную частоту, позволило телекоммуникационным инженерам реализовать давнюю мечту частотного мультиплекса, привлекавшую Александра Белла, Эдисона и остальных сорок лет назад. К 1923 году у AT&T была десятиканальная голосовая линия от Нью-Йорка до Питсбурга. Возможность передачи множества голосов по одному медному проводу радикально уменьшала стоимость дальних звонков, которая из-за дороговизны всегда была доступной только для самых богатых людей и предприятий. Увидев, на что способны электронные лампы, AT&T отправили своих адвокатов на выкуп дополнительных прав у де Фореста, с тем, чтобы обеспечить права на использование Аудиона во всех доступных областях применения. В сумме они заплатили ему $390 000, что в сегодняшних деньгах эквивалентно примерно $7,5 млн.

Почему же при такой разносторонности, электронные лампы не доминировали в первом поколении компьютеров так, как они доминировали в радио и другом телекоммуникационном оборудовании? Очевидно, что триод мог быть цифровым переключателем точно так же, как и реле. Настолько очевидно, что де Форест даже считал, что создал реле ещё до того, как он на самом деле его создал. И триод был гораздо более отзывчив, чем традиционное электромеханическое реле, поскольку у него не было необходимости физически передвигать якорь. Типичному реле на переключение требовалось несколько миллисекунд, а изменение потока от катода до анода из-за смены электрического потенциала на сетке было почти мгновенным.

Но у ламп был явный недостаток перед реле: их тенденция, по аналогии с их предшественниками, лампочками для освещения, перегорать. Время жизни изначального Аудиона де Фореста было настолько малым – порядка 100 часов – что у него в лампе содержалась запасная нить, которую нужно было подсоединять после перегорания первой. Это было очень плохо, но и после того, даже от ламп наилучшего качества нельзя было ожидать наработки большей, чем несколько тысяч часов. Для компьютеров с тысячами ламп, и длившимися часами вычислениями, это было серьёзной проблемой.

А реле, наоборот, по словам Джорджа Стибица, были «фантастически надёжными». Настолько, что он утверждал, что
Если набор U-образных реле начал бы свою работу в первом году нашей эры и переключал бы контакт раз в секунду, он бы всё ещё работал до сих пор. Первый сбой в контакте можно было бы ожидать не раньше, чем через тысячу лет, где-нибудь в 3000-м году.

Более того, не существовало опыта использования больших электронных схем, сравнимых с электромеханическими схемами телефонных инженеров. Радиоприёмники и другое оборудование могли содержать 5-10 ламп, но не сотни тысяч. Никто не знал, можно ли будет заставить работать компьютер с 5000 ламп. Выбрав реле вместо ламп, разработчики компьютеров сделали безопасный и консервативный выбор.

В следующей части мы увидим, как и почему эти сомнения удалось преодолеть.
Поделиться публикацией
AdBlock похитил этот баннер, но баннеры не зубы — отрастут

Подробнее
Реклама
Комментарии 5
  • 0
    А вообще да — если бы сейчас диоды назывались бы «клапанами» — возможно это было бы логичнее и правильнее.

    И проще для понимания (вроде и так — куда уж проще? — Ан нет)
    • +1
      Интересный экскурс в историю! :) Правда, есть нюансы перевода:
      Ламы с непрямым нагревом,


      Это на русском называется «катод косвенного накала».
      • +3

        А еще "решетка" по-русски — сетка.

        • +1
          Да и «решетку» принято называть сеткой.
        • 0
          Мне всегда было интересно как это работает и тут это хоть и не является основной темой, но затрагивается. Плюс история очень интересна. С нетерпением жду следующей части!

          Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.