История автоматических вычислителей: вычислители на лампах - часть 1

Лекция курса "Языки и методы программирования"
История автоматических вычислителей: вычислители на лампах - часть 1 (история радио, ламповый усилитель)
- Передача информации через электромагнитное поле, поле постоянного заряда, поле переменного тока
- Генераторы переменного тока
- Генрих Рудольф Герц: искровой генератор электромагнитного поля, приёмник - антенна со слабой искрой
- Радио: беспроволочный телеграф
- Передатчик: генератор высоковольтной искры
- Приёмник искрового сигнала: когерер
- Когерер, демонстрация работы беспроволочного телеграфа на основе высоковольтной искры
- Эдуард Бранли, Оливер Джозеф Лодж, Александр Степанович Попов
- Коммерческий беспроволочный телеграф: Гульельмо Маркони
- Проблема усиления сигналов беспроволочного телеграфа, электронные лампы (вакуумные трубки)
- Термоэлектронная эмиссия
- Томас Алва Эдисон
- Джон Амброз Флеминг, клапан Флеминга, выпрямление переменного тока в постоянный
- Ли де Форест, усилитель слабого электрического сигнала на основе вакуумной лампы, Триод (Аудион)
- Проблема усиления голосового сигнала в проводном телефоне, развитие идей де Фореста в компании AT&T
- Появление коммерческого усилителя на лампах: расширение проводных телефонных сетей по площадям континетнов, появление радио, передающего голос
- Лампы vs реле: достоинства и недостатки

16 марта 2023 (ранние версии: весна 2022)

1. Радио (беспроволочный телеграф), электронные вакуумные лампы, вычислители на лампах, архитектура имени Джона фон Неймана часть 1: история радио, ламповый усилитель
2. Передача информации через электромагнитное поле
14. Поле переменного тока
27. Генераторы переменного тока • Искра — пробой разрыва в проводнике (заряженные частицы колеблются в антенне туда-сюда) • Конденсатор + катушка индуктивности • Мотор-генератор переменного тока • Ламповый генератор импульсов • Кварцевый осциллятор (осциллирующий кристалл — механические колебания)
28. Генрих Рудольф Герц (1857 — 1894) • ru.wikipedia.org/wiki/Герц,_Генрих_Рудольф • Немецкий физик • 1886 — 1888: провел серию экспериментов, подтвердивших на практике возможность взаимодействия через электромагнитное поле • Подтвердил уравнения Максвела, описывающие электродинамику электрических и магнитных полей
30. Генератор электромагнитного поля • Батарея • Высоковольтный трансформатор • Длинная антенна узким разрывом для пробоя искры • Ключ для создания искры • Искра создаёт кратковременный переменный ток в антенне, • переменный ток генерирует кратковременную переменную волну электромагнитного поля
31. Приёмник • Антенна со слабой искрой • Круглый контур с тонкой щелью для пробоя искры • Волны магнитного поля генерируют ток в контуре, достаточный для пробоя искры • Режим приёма: «есть поле» / «нет поля»
45. Радио (беспроволочный телеграф)
46. Радио • Как телеграф, только без проводов • Сначала: передача сигнала на расстояние там, где сложно провести провода (например, общение с кораблем) • Мощный генератор магнитного поля — передатчик • Магнитное поле генерирует в проводнике (антенне) переменный ток — приёмник
47. Передатчик • Генератор высоковольтной искры
48. Приёмник? • Антенна с искрой в качестве приёмника не годится — разряд слишком слабый и кратковременный
49. Эдуард Бранли (1844 — 1940) • ru.wikipedia.org/wiki/Бранли,_Эдуард • Французский физик, изобретатель, инженер • 1891 г.: изобрел когерер — устройство для определения электромагнитных волн
51. Когерер • От coherence — связность, связь • Колба с выведенными проводами по концам, внутри металлические опилки • Начальное состояние: опилки рассыпаны в колбе, высокое сопротивление — ток не идёт • Кратковременный импульс магнитного поля слепляет опилки — сопротивление падает, устройство превращается в проводник
57. • Режим приёма: «есть поле» / «нет поля» • Чтобы принять следующий сигнал, опилки нужно снова разбить • Чтобы разбить опилки, контейнер с опилками встряхивали вручную • Один шаг до практического устройства
61. Оливер Джозеф Лодж (1851 — 1940) • ru.wikipedia.org/wiki/Лодж %2C_Оливер_Джозеф • Английский физик и изобретатель • Продемонстрировал передачу и приём сигнала по волнам радио с устройством на основе когерера
63. • 1 июня 1894: продемонстрировал на заседании Британской ассоциации содействия развитию науки приём электромагнитных волн от искрового передатчика • Расстояние 40 м • Для приёма следующего сигнала когерер необходимо встряхивать • Смысл доработки — обратная связь: когерер автоматически сбрасывается молоточком после каждого сигнала и переходит в состояния готовности принимать следующий импульс • Работу над проектом не продолжил
64. Александр Степанович Попов (1859 — 1905) • ru.wikipedia.org/wiki/Попов%2C_Александр_Степанович • Русский физик и электротехники, изобретатель, первый русский радиотехник • Пионер и изобретатель в области беспроволочной телеграфии — системы связи для передачи информации по беспроводному каналу • Внедрение в РИ рентгеновских установок для военной медицины
66. Демонстрация беспроволочного телеграфа • 7 мая 1895 года (12 марта 1896??): доклад с практической демонстрацией перед Русским физико- химическим обществом • Передатчик: искра + ключ (азбука Морзе) • Приёмник: когерер + молоточек + звонок • Расстояние — 40 метров (250 м???) • Первое сообщение: «Генрих Герц»
67. • Развернута экспериментальная принимающая станция на острове Гогланд (Финский залив) • Установлены передатчики на кораблях • 1899 г. спасение броненосца «Генерал- адмирал Апраксин» • Грозоотметчик (природная искра — как и в искровом передатчике)
74. Wireless World, 6 мая 1925
76. Гульельмо Маркони (1874 — 1937) • ru.wikipedia.org/wiki/Маркони%2C_Гульельмо • Итальянский радиотехник, предприниматель • Нобелевская премия по физике за 1909 «в знак признания их вклада в развитие беспроволочной телеграфии»
79. Коммерческий беспроволочный телеграф • Июнь 1895: экспериментальная установка в поместье отца • (по одной из изданных биографий первый удачный сигнал — весна 1895-го, но документальных свидетельств нет) • Передача: искра + ключ • Приём: когерер + молоточек • (базовая часть, как у Лоджа и Попова, но были и новшества — сам Маркони говорит про высокую заземленную антенну)
80. Коммерческий беспроволочный телеграф • Коммерция, сеть, корабли, Титаник, • Эксперименты с передачей сообщения через Атлантику (был объявлен успешным, но есть вероятность, что приёмник сработал от природных разрядов в атмосфере — как «грозоотметчик»)
97. Итак
98. • Когерер — это, как и реле, двоичный переключатель • Но, в отличие от реле, состояние регулирует не провод, а беспроводной сигнал • Хотя когерер является переключателем, здесь он нас интересует только как веха в развитии беспроводной связи
99. • Проводной телеграф на суше хорошо работал и масштабировался и так • Хотя получилось сделать надежное устройство на новом физическом принципе, радикальных экономических преимуществ по сравнению с проводом оно не давало • Это тоже не голос, а дискретные сообщения точка-тире • Преимущество можно искать там, куда сложно протянуть провода • Сценарии Попова и Маркони: связь с кораблями
100. • Маркони хотел организовать связь между континентами — через Атлантический океан • Для реализации этого сценария существовали фундаментальные препятствия, о которых Маркони не мог знать, — например, на таком расстоянии роль играла кривизна Земли • Но на пути продолжения исследований хватало и более насущных проблем — когерер не был достаточно чувствителен и достаточно надежен для экспериментов с электромагнитным полем
101. Электронные лампы (вакуумные трубки)
102. Томас Алва Эдисон (1847 — 1931) • ru.wikipedia.org/wiki/Эдисон%2C_Томас_Алва • американский изобретатель, предприниматель • в США 1093 патента, около 3 тысяч — в других странах • создатель фонографа; • усовершенствовал телеграф, телефон, киноаппаратуру • разработал один из первых коммерчески успешных вариантов электрической лампы накаливания, которая была доработкой других вариантов
105. Термоэлектронная эмиссия • Февраль 1880: Эдисон заметил, что некоторые его лампы с металлической нитью со временем покрываются внутри налетом, который ухудшает их осветительные свойства • Начал разбираться и обнаружил, что налет создаёт раскалённая нить, и что от нежелательного эффекта можно избавиться, если разместить под нитью дополнительный электрод • Т. е. поток частиц заряжен • Провёл в этом направлении кой-какие исследования, зарегистрировал по ходу дела кой-какие патенты (патент 15 ноября 1883), подключил к работе работавшего на него инженера Джона Флеминга
106. Термоэлектронная эмиссия • Эдисон имел на этот эффект некоторые планы — хотел сделать на его основе новое устройство, но в итоге направление забросил • Как выяснилось, суть эффекта — излучение электронов из некоторых металлических проводников, нагретых до высокой температуры (~630 градусов С) • Явление назвали термоэлектронной эмиссией (так же называли эффект Эдисона) • (замечания: 1. на тот момент про электроны никто не знал; 2. до Эдисона этот эффект наблюдало еще несколько человек)
107. Джон Амброз Флеминг (1849 — 1945) • ru.wikipedia.org/wiki/Флеминг,_Джон_Амброз • Английский ученый, инженер, изобретатель • Изобрёл ламповый диод — выпрямитель тока, превращает переменный ток (с изменяющейся полярность) в постоянный (с постоянной полярностью)
109. Клапан Флеминга • Флеминг работал на Эдисона, потом на Маркони • В ~1904-м году после сомнительного эксперимента передачи сигнала через Атлантику хотел сделать новый детектор радиоволн • Идея: магнитное поле возбудит в приёмной антенне ток, этот ток можно измерить специальным устройством • Измерители тока (гальванометры) работали с постоянным током (с одной стороны цепи — плюс, с другой — минус) • А радиоволна от искрового передатчика генерирует в приемнике переменный ток (плюс и минус постоянно меняются местами)
111. • Вспомнил про эффект термоэлектронной эмиссии, который еще раньше заметил Эдисон, и над которым Флеминг работал по его поручению • (термоэлектронная эмиссия — излучение электронов из металла при нагреве) • Эдисон тогда не дал развитие этому направлению • Флеминг сделал на основе этого эффекта преобразователь переменного тока в постоянный (выпрямитель), т. е. диод
112. Картинки с лампами: • Electronics at Work - 1943 (Complete) www.youtube.com/watch?v=hwutHPYGgfU • How Vacuum Tubes Work www.youtube.com/watch?v=nA_tgIygvNo (подрезанная версия — конкретно про лампы с дополнительными подписями к картинкам)
121. • Включив такую лампу-диод последовательно в цепь с гальванометром, у него получилось сделать измеритель силы радиосигнала • Todo: был ролик ютюб, где детектор Флеминга был собран полностью • Но дальше он работу не двинул
122. Ли де Форест (1873 — 1961) • ru.wikipedia.org/wiki/Форест,_Ли_де • Американский изобретатель, предприниматель • История карьеры в качестве изобретателя и бизнесмена довольно занимательна (но сейчас не будем тратить на это время) • 1906: изобрел и разработал первый усилитель электрического сигнала на основе вакуумной лампы • Отталкивался от изобретения Флеминга • Новшество появилось во многом благодаря тому, что де Форест хотел обойти его патент
124. Триод (Аудион) • ~1906 г.: Де Форест хотел построить усилитель слабого сигнала на основе вакуумной лампы • Так, чтобы слабый электрический сигнал управлял более сильным электрическим сигналом • (т. е. реле на основе лампы, но не совсем)
131. • Слабый сигнал, идущий с принимающей антенны, попадает на решетку внутри лампы • Отрицательный заряд решетки тормозит поток поток электронов внутри лампы • Чем больше отрицательный заряд на решетке, тем сильнее тормозится поток • Вплоть до того, что поток электроном полностью останавливается (лампа перестаёт проводить ток) • Таким образом, слабый ток с антенны управляет сильным током, проходящим через лампу
132. • Причем не только в режиме вкл / выкл (как электромеханическое реле) • А плавно (происходит модуляция сильного сигнала слабым) • Таким образом, такой механизм можно было использовать не только для усиления дискретного сигнала «точка-тире» (как на телеграфе) • Но и для усиления непрерывного сигнала (который передавал по телефонным проводам голос)
135. • Сам де Форест не очень хорошо понимал, как работает его собственный усилитель (хромала матчасть) • Он думал, что ток внутри лампы обеспечивает поток ионов (заряженный газ), поэтому рекомендовал не откачивать из лампы полностью воздух, хотя нужно было сделать нечто противоположное • Он сделал тестовое устройство, которое даже установили на корабль, но дальше дело не пошло • (Хотя: в википедии пишут об экспериментах с передачей звука: todo - разобраться) • Варианты усилителя самого де Фореста работали не очень хорошо, технология обрела популярность только после последовавших доработок другими людьми и в другой сфере...
136. Опять телефон
137. • С потребностью усиления голосового сигнала в определенный момент столкнулись телефонные компании • в прошлый раз мы видели, что электромеханическое реле использовали в качестве усилителя для телеграфа, • а для телефона они нашли применение в качестве логики коммутации, т. е. соединения абонентов • При этом дальность связи абонентов телефона все еще была ограничена расстоянием затухания электрического сигнала в проводе
140. ВАРИАНТ С РЕЛЕ ДЛЯ ТЕЛЕФОНА НЕ ГОДИТСЯ
141. • Компании искали решения этой проблемы, но подходящего надежного способа не появлялось на горизонте • До тех пор, пока Ли де Форест не вышел на компанию AT&T (American Telephone and Telegraph Company) • Компания AT&T выкупила права на изобретение де Фореста (на тот момент довольно сырое) • и передала его в разработку собственным инженерам • Опытные инженеры AT&T сумели сделать из него надежное решение • И всё заверте …
145. Итак
146. • Электронная лампа, работающая в режиме усилителя, стала массовым компонентом на «все случаи жизни» — всевозможных характеристик, размеров, цен и т. п. (как и чуть раньше реле) • Телефонные компании смогли расширить голосовые сети по площади континентов • После серии изобретений, в т. ч. связанных с лампами, появилось радио, передающее без проводов голос • Ставшие доступными лампы начали использовать внутри радиоприемников для приема широковещательного сигнала — появились радиосети, охватывавшие население целых стран в качестве аудитории (1920-е годы)
149. • Искровые передатчики запретили по всему миру в 1930-х, т. к. они «били» в слишком широкий диапазон • Одновременная работа множества передатчиков в одной местности проблематична • Такие грубые и мощные импульсы мешали работе радиостанций нового типа
150. Итого
151. • У нас появился еще один переключатель — электронная вакуумная лампа • Основа технологии — управление потоком электронов, излучаемым нагретым металлом, внутри вакуума • Первая версия лампы — простой выпрямитель-детектор, развитие технологий беспроволочного телеграфа • Следующая веха — переключатель-усилитель, проектировался с прицелом на беспроводную связь, но нашел применение в проводной телефонии • Показав себя и получив развитие до промышленного качества, лампы превратились в типовой компонент множества инженерных систем (наряду с реле), в т. ч. вернулись в область беспроводной связи и стали фундаментом эпохи расцвета радио
152. • С этого момента исходим из того, что новый высокоскоростной переключатель у нас уже есть на руках • В отличие от дискретных реле, ламповый усилитель меняет состояние плавно — имеет бесконечное количество состояний • Но при необходимости их можно свести к двум дискретным состояниям, к примеру, введя пороговое значение посередине (всё, что выше — ПРАВДА, всё что ниже — ЛОЖЬ) • Т. е. логически лампы, как и реле, могут работать как переключатель ПРАВДА/ЛОЖЬ • Но, в отличие от реле, скорость переключения больше не ограничена механической составляющей — переключение может происходить со скоростью движения электронов, т. е. на световых скоростях
153. При этом • Лампы по сравнению с реле все еще обладали серьезными недостатками • Тёплые ламповые усилители сильно грелись (термоэлектронная эмиссия так и работает) • У них был недолгий срок жизни • Если реле использовались внутри коммутационных станций сотнями тысяч внутри одного коммутатора • То внутри радиоприемника было всего несколько ламп • Многие инженеры относились скептически к идее построить на лампах достаточно сложное устройство
154. Далее: вычисления на лампах