История автоматических вычислителей: вычислители на транзисторах - часть 1

Лекция курса "Языки и методы программирования"
История автоматических вычислителей: вычислители на транзисторах - часть 1 (радио и проводящие свойства кристаллов — конец 19-го — начало 20-го века)
- Твердотельный диод, твердотельный усилитель, проводящие свойства кристалла
- Опять радио — как дальше развивались события
- Беспроволочный телеграф на искрах
- Модуляция несущего сигнала: передача звука — голос и музыка
- Можно ли передавать звук по электромагнитным волнам от искр?
- Реджинальд Обри Фессенден: амплитудная модуляция искрового сигнала звуковым
сигналом
- Звук по искрам (приёмник): выпрямление сигнала в приёмнике для работы динамика
- Аудитория звукового вещания эпохи первых экспериментов: кто мог слушать звук по искровому радио?
- Равномерные непрерывные радиоволны
- Эрнст Фредерик Александерсон: генератора переменного тока достаточной частоты, передача сообщений через Атлантику
- Беспроволочный телеграф на непрерывных волнах
- Широкое вещание: голос и музыка на непрерывных волнах
- Передача: амплитудная модуляция
- Приёмники: задача выпрямления, избирательность частот
- Детекторные приёмники: ламповые выпрямители, кристаллические выпрямители
- Кристаллические диоды-выпрямители: «кошачий ус»
- Карл Фердинанд Браун
- Приёмники: проблема усиления сигнала
- Приёмники прямого усиления
- Приёмники с усилением на основе генератора локальных электрических колебаний (супергетеродины)
- Элементная база супергетеродинов: генераторы колебаний на лампах, кристаллический генератор колебаний
- Кристаллический генератор колебаний (осциллирующие кристаллы): кристадин Лосева
- Нижегородская радиолаборатория (НРЛ), Олег Владимирович Лосев
- Кристадин Лосева: публикации в западной прессе
- Итак: лампы vs кристаллы в начале-середине 20-го века

27 апреля 2023 (ранние версии: весна 2022)

Transcript

1. Вычислители на транзисторах (твердотельные кристаллические электронные реле) часть-1: радио и проводящие свойства кристаллов — конец 19-го — начало 20-го века
2. • История реле, Крис Макдоналд, февраль 2022 dmkpress.com/catalog/ computer/hardware/97 8-5-97060-993-4/
3. Материалы • Олег Лосев — познавший электронную тайну кристалла, В.А. Самсонов, 2015
4. Материалы • Веб-архив • Ютюб • Википедия • Хабр • Прочий Интернет
5. Твердотельный диод, твердотельный усилитель, проводящие свойства кристалла
6. Опять радио — как дальше развивались события
7. Беспроволочный телеграф на искрах • Герц, Бранли, Лодж, Попов, Маркони • Передатчик: искровой разряд + ключ Гейла (азбука Морзе) • Сигнал: точка-тире (азбука Морзе) • Приёмник: когерер + звонок + молоточек
11. Модуляция несущего сигнала: передача звука — голос и музыка
18. Можно ли передавать звук по электромагнитным волнам от искр?
19. Реджинальд Обри Фессенден (1866 - 1932) • Канадский а американский изобретатель, пионер радио • Амплитудная модуляция искрового сигнала звуковым сигналом • Передатчик: генератор последовательности искр, следующих одна за одной максимально близко, чтобы создать подобие непрерывного сигнала • Приёмник: выпрямитель на основе терморезистора (до лампы Флеминга!) + динамик (наушники — телефоны)
27. Замечание: здесь на картинке генератор переменного тока, а не искра, но смысл тот же (todo)
28. Звук по искрам (приёмник) • Динамики издают звук от колебаний однополярного тока • Поле искры генерирует в антенне переменный ток изменяющейся полярности • Динамик будет издавать звук, если вставить в цепь приёмника выпрямитель (диод) • В случае с первыми экспериментами Фессенден использовал приёмник собственной конструкции с собственными выпрямителем
33. Аудитория звукового вещания эпохи первых экспериментов (кто мог слушать звук по искровому радио?)
34. Кто мог слушать? • Первое время: сам Фессенден или обладатель приёмника такой же специальной конструкции (т. е. скорее всего мало кто) • Похожие эксперименты проводил примерно в это же время Ли де Форест (автор триода) • При этом в литературе сообщают, что они почти сразу проводили эксперименты с вещанием звука на «широкую» (по тем меркам) аудиторию • Меинстрим этого времени — приёмники на когерерах • Кто же мог принять и услышать такой звуковой сигнал?
35. Кто мог слушать? • Приёмники на когерере не могут издавать непрерывный звук (кроме дискретных звонков или писков) • (Замечание: приемники на корегерах использовали наушники для оповещения о принятом сигнале, но звук в них возбуждали не колебания тока в антенне, а дискретное замыкание контакта локальной цепи) • После появления лампы-диода Флеминга вместо когерера наушники стали использовать по-новому — звук в них возбуждали колебания тока в приёмной антенне (todo: фактчек)
37. Кто мог слушать? • Но передавали и слушали всё тот же дискретный сигнал (точка-тире — Морзе) • При этом такой приёмник может издавать «полноценный» звук (голос или музыку) — сигнал от искры, модулированный формой звуковой волны
38. Звук по искрам • Т. о. с распространением первых диодных приёмников с наушниками (телефонами) можно было экспериментировать с передачей звука на «широкую» аудиторию (хотя эти приёмники для этого не были предназначены) • Основная аудитория тогда — операторы телеграфных радиостанций на суше и на кораблях (возможно, раодиолюбители-энтузиасты)
40. Звук по искрам • Кандидаты на первые развлекательные широковещательные трансляции (броадкасты): Фессенден, де Форест (первенство Фессендена ставят под сомнение) • ~1906 • (broadcast — разбрасывать семена в разные стороны в поле при посеве) • Качество сигнала — крайне низкое
42. Равномерные непрерывные радиоволны
44. • То, что электрический ток переменной полярности может быть использован для генерации радиоволн, предполагал еще Никола Тесла • Он же, как и некоторое количество других изобретателей, разработал генератор переменного тока • Однако для передачи сигнала радио они работали на слишком низкой частоте (передающая и приёмная антенны должны быть слишком велики) • (скорее всего это так, но это не точно — todo)
45. • Фессенден хотел использовать непрерывный сигнал, но во время первых опытов не было устройства, позволявшего генерировать переменный сигнал достаточной частоты • Задача его сконструировать — не такая простая с инженерных позиций • Больше того, по теоретическим представлениям того времени, равномерный переменный ток не мог генерировать волны радио — считалось, что на это способны только искры, а иные представления считались маргинальными • (к примеру, Флеминг критиковал идею передачи сигнала радио при помощи генератора равномерного переменного электрического тока, но потом отказался от критики, когда действенность этого подхода уже стала очевидной)
46. Эрнст Фредерик Александерсон (1878 — 1975) • Для создания генератора переменного тока достаточной частоты Фессенден обратился в компанию General Electric • На решение задачи назначили инженера Александерсона • (до него еще один инженер не справился)
48. • Технически понятно, как должно работать устройство: в основе будет большой вращающийся мотор • Но на практике сделать мотор, который будет вращаться с достаточной скоростью, и при этом в процессе не развалится на части, было не очень просто • Александерсон справился с задачей • Работа началась в 1904, закончилась — в 1906 • Передача сообщений через Атлантику (на искрах, правда уже и так передавали)
50. было стало
51. Беспроволочный телеграф на непрерывных волнах
52. • Генератор непрерывного переменного тока показал себя как лучший способ создавать волны радио, чем искры • Через некоторое время выяснилось, что источником непрерывных гармонических колебаний высокой частоты может служить ламповый триод — это сделало технику гораздо более надежной и доступной • Компания Маркони (todo: фактчек) и прочие связисты взяли технологию на вооружение, но использовали её для передачи азбуки Морзе • В таком виде это примерно существовало в течение 1-й Мирвой войны и до её конца
54. • Со звуком тоже экспериментировали, но качество всё еще хромало — нужно было подтянуть элементную базу (ветка с развитием лампового триода в телефонных компаниях) • Базовые техники передачи звука по непрерывным волнам — амплитудная модуляция, разделение частот • Направления применения: • беспроводной телефон (расширение телефонных сетей: корабль — корабль, корабль — суша, воздушное судно — суша, суша — суша через океан и т. п.) и • широкое вещание (нечто новое, чего не было раньше)
55. Замечание • Где-то здесь появляется еще одна ветка истории — кварцевый генератор механических колебаний • Его использовали на передающих станциях для обеспечения качества (?) передающей частоты • Продолжение в вычислительной технике — генератор тактового сигнала для вычислительного процессора
56. Широкое вещание: голос и музыка на непрерывных волнах
57. • После окончания 1-й Мировой войны новые эксперименты с широким вещанием звука — инженеры компании Маркони по личной инициативе • Появляются первые радиостанции с резервированными частотами и регулярным расписанием вещания • Приёмники — профессиональные инженеры, энтузиасты- любители, первые серийные образцы • Интерес публики (хайтек, хайп) • Новые изобретения широко освещаются в популярных ежемесячных или еженедельных журналах, с подробным описанием, печатают принципиальные схемы
60. Базовые техники • Амплитудная модуляция сигнала выбранной частоты — на стороне передатчика • Избирательность частот (фильтры частот) — на стороне приёмника
61. Передача
62. Модуляция (амплитудная) • То же, что искры, только аккуратнее • Можно выбирать разную частоту (в зависимости от настроек передающей станции) • (сообщения от искровых передатчиков неотличимы в общем эфире)
68. Приёмники
71. Мультиплекс • Отправка нескольких сигналов по одному каналу связи • Эксперименты проводились с проводным телеграфом — одновременная передача нескольких сообщений по одному проводу • Радио: сигналы от нескольких радиостанций в общем эфире — на антенне одного приёмника
73. • Todo: стрелки сверху — нужно выделить частоты
76. Избирательность частот • Фильтры частот — элементная база: конденсаторы, катушки индуктивности • Чтобы начать приём сигнала с выбранной частоты, нужно выставить параметры катушки индуктивности и параметры конденсатора • Конструкция как катушки, так и конденсатора подразумевала вариативность для ручной подстройки • Катушка индуктивности с фиксированными параметрами + конденсатор с фиксированными параметрами позволят принимать сигнал определенной частоты
77. Варианты конструкции • Детекторные приёмники (диоды) • Приёмники прямого усиления • Супергетеродины
78. Детекторные приёмники, кристаллические выпрямители
79. Детекторные приёмники • Выпрямление слабого сигнала с антенны • (чтобы можно было подключить динамик) • Внешнего источника питания не требуется (антенна + заземление) • Усилительного эффекта НЕТ • (сигнал радиостанции должен быть мощный или радиостанция должна быть близко) • антенна → переменный ток → выпрямитель (диод) → постоянный ток → наушники
80. Детекторные приёмники • Не нужны батарейки — работает от тока, генерируемого полем передатчика • Избирательность: конденсатор + катушка • Проблемы: сложно настраивать + слабый сигнал • Элементная база: кристаллы, лампы (диод Флеминга)
81. Подстройка на частоту • Нужно подкрутить настройки катушки (количество витков) • И настройки конденсатора (ёмкость — площадь противостоящих обкладок) • Правильная комбинация даст возможность слушать сигнал с желаемой радиостанции • Неправильная комбинация даст белый шум в динамике • Поиск подходящей комбинации может быть не вполне тривиальной задачей
85. Замечание (todo) • На этих картинках передатчик, но подстроечные элементы те же
86. Элементная база • Ламповые диоды-выпрямители (Флеминг) • Кристаллические диоды-выпрямители («кошачий ус»)
87. «Кошачий ус»
88. Карл Фердинанд Браун (1850 — 1918) • Немецкий физик • 1874: обнаружил, что проводимость кристаллов сульфидов металлов зависит от направления тока: • они ведут себя как проводники при одной полярности подачи напряжения и как изоляторы — при другой • (т. е. как выпрямители, или диоды)
90. Кристаллический выпрямитель • Тонкая иголка касается поверхности кристалла • Полюс-1 — иголка, полюс-2 — кристалл • Вариант полярности-1: ток течет • Вариант полярности-2: ток не течет
91. «Кошачий ус» • 1894: Браун придумал использовать эффект для создания устройства — детектора радиоволн (когерер — 1890-й год; опыт Лоджа — 1894-й) • Общий принцип работы — аналогично лампе-диоду Флеминга (1904), физика — абсолютно разные явления • С началом экспериментов с широким вещанием обрели популярность среди энтузиастов — любителей радио в качестве главного элемента детекторного приёмника
94. Приёмник на «Кошачьем усе» • Антенна + фильтр частоты + диод-выпрямитель на кристалле + наушники • Преимущества: легко изготовить (особенно по сравнению с лампами), дешево, энергию не ест • Проблема: точку контакта для выпрямления очень сложно найти и легко потерять • Итого: с лампами в промышленности конкурировать не может, распространено в среде радиолюбителей • (хотя были и серийные корпусированные образцы)
98. Приёмники прямого усиления
99. Приёмники прямого усиления • (слабый сигнал от антенны управляет сильным сигналом с батареи) • Элементная база: электронные вакуумные лампы — триоды (де Форест, Bell Labs) • Альтернатив лампам нет (на тот момент) • Расцвет радио • антенна → переменный ток → выпрямитель-усилитель → внешний источник питания → постоянный ток → наушники
100. Приёмники прямого усиления • Плюс: слабый сигнал на антенне усиливается • Избирательность: конденсатор + катушка • Дальше — усилитель • Проблемы: сложно настраивать (как и детектор) • Элементная база: лампы (с появлением триода), других вариантов пока нет
101. Супергетеродины (приёмники с усилением на основе генератора локальных электрических колебаний)
102. Гетеродины • Гетеродин — генератор электрических колебаний • Позволяет усиливать целевой сигнал, передаваемый на несущей периодической волне (механизм сложения сигналов близкой частоты, биение) • Первое время так называли приёмники, использующие этот принцип • Позднее эти приёмники были вытеснены приёмниками супергетеродинами (использовали этот принцип в составе более сложной схемы), а гетеродином стали называть сам генератор колебаний
103. • Сигнал-1: колебания в антенне приёмника, вызываемые колебаниями электромагнитного поля передающей станции • Сигнал-2: колебания локального генератора
106. • Сумма двух сигналов близких частот — новый сигнал • Участки с одинаковым знаком складываются по модулю — усиливают друг друга и суммарную волну • Участки с противоположным знаком гасят друг друга — суммарная волна • Совпадение пиков одинакового знака — пик суммарной волны (биение) • Совпадение пиков противоположного знака — нижние точки амплитуды суммарной волны
107. • Сигнал-1: возьмем модулированный сигнал — исходный — колебания в антенне • Сигнал-2: гармонический сигнал — генератор локальных колебаний
111. • Сумма сигнала от генератора локальных колебаний и модулированного сигнала радио в антенне сохраняет форму звуковой волны на пиках частоты биения
112. • Увеличим амплитуду колебаний локального генератора
116. • Сумма сигнала от генератора локальных колебаний и модулированного сигнала радио в антенне сохраняет форму звуковой волны на пиках частоты биения • Генератор локальных колебаний питается от батареи • Если сигнал радио в антенне слабый, генератор колебаний его усилит, сохранив форму звуковой волны
117. Приёмники супергетеродины • История — с 1901-го (todo: ?) года • Начало идеи — гетеродины • Развитие идеи — супергетеродины • Использовались в 1920-е наряду с приёмниками прямого усиления, а затем их вытеснили • Расцвет радио (окончательный и бесповоротный)
118. Приёмники супергетеродины • Слабый переменный сигнал с антенны складывается с сильным периодическим сигналом с локального генератора (гетеродина) • Усиленный сигнал нужной радиостанции появляется на внутренней частоте биения, которая заранее известна • Частоту биения всё еще нужно фильтровать катушками и конденсаторами, но т. к. она известна заранее, их параметры подбираются жестко при проектировании приёмника и пользователью не нужно их подстраивать • Генератор периодического сигнала (генератор колебаний) питается от локального источника • Т. е. речь об усилении, но не таком, как с ламповым триодом
119. Супергетеродины • Плюс: слабый сигнал усиливается • Избирательность: сначала — генератор колебаний, подстройка частоты колебаний (крутить ручку легко) • далее фильтр — конденсатор + катушка, заранее настроенные на выбранную фиксированную частоту (перенастраивать не нужно)
122. Элементная база — генератор колебаний • Генераторы колебаний на лампах (на основе триода-усилителя) • Кристаллический генератор колебаний: кристадин Лосева
123. Осциллирующие кристаллы (oscillating crystals), кристадин Лосева
124. Нижегородская радиолаборатория (НРЛ), Олег Владимирович Лосев, кристаллический усилитель — кристадин Лосева
125. Нижегородская радиолаборатория • 1915: Тверь, радиостанция, Михаил Александрович Бонч-Бруевич проводит опыты с электричеством, налаживает технологию производства вакуумных ламп • Направление поддержано, налаживается серийное производство ламп • При тверской радиостанции создана радиолаборатория • 1918: лаборатория эвакуирована в Нижний Новгород (в условиях Гражданской войны) • «Положение о радиолаборатории с мастерской» подписано В. И. Лениным • Направления деятельности по элекровакуумному производству и развитию радиотелефонии признаны стратегически важными для страны • (особенно в условиях тогдашних санкций)
126. Олег Владимирович Лосев (1903 — 1942) • В 1918-м году вместе с радилабораторией приехал в Нижний Новгород из Твери • Увлекался радио, собирал собственные конструкции радиоприёмников (радиолюбительство — модное направление того времени) • Экспериментировал с кристаллическими детекторами («кошачий ус») • Хотел собрать гетеродин (генератор периодического сигнала для гетеродинного приёмника) более простой, чем ламповый
128. • Конец 1921: в ходе целенаправленных экспериментов и удачным стечением обстоятельств обнаружил способность кристалла цинкита (оксид цинка) генерировать незатухающие колебания в электрическом контуре (то, что нужно для гетеродина) и давать эффект отрицательного сопротивления (эффект усиления(?)) • Январь 1922: собрал работающий гетеродинный приёмник с генератором колебаний из кристалла цинкита, который давал усиление слабого радиосигнала, аналогичное приёмнику с усилением на лампах • (детекторный приёмник без усиления давал гораздо более слабое звучание той же станции)
129. • 9 марта 1922 сделал доклад на научно- технической беседе Радиолаборатории • Описание эффекта и схему сборки приёмника опубликовали в журналах НРЛ • Выпущена небольшая партия приёмников • Приёмник возили на выставки в СССР и за границу
130. • 1924-1925: публикации в западной прессе (Франция, Великобритания, США: Wireless World, Radio-News и т. п. ) • Серия довольно объемных статей, отклик в среде специалистов и энтузиастов, ожидание перспектив • Акцент на генерацию колебаний для использования внутри супергетеродинных радиоприёмников • Эффект воспроизвели, попытки движения в сторону коммерции • Ключевые слова: oscillating crystals, amplifying crystals, crystodyne, Lossev • Приёмник окрестил «кристадином» (судя по всему, «кристалл+гетеродин») редактор журнала Radio News (и заодно зарегистрировал торговую марку)
140. • Приёмник давал эффект усиления, аналогичный некоторым моделям ламповых приёмников (в 15 раз), при этом был компактнее, дешевле, потреблял меньше электричества • НО: кристадин для работы требовал поиска особой точки на кристалле (как и «кошачий ус») • Это было существенным минусом со всеми вытекающими последствиями • Производство понятных и предсказуемых ламповых приёмников осталось в приоритете
141. • 1928: Лосев вместе с коллективом Радиолаборатории переехал в Ленинград • Продолжая исследования кристадина, Лосев обнаружил эффект холодного свечения кристаллов, через которые пропускают электрический ток (начало истории светодиода) • Еще позднее — обнаружил фотоэффект (способность кристалла под действием света генерировать электрический ток — световые панели)
142. • Информация об этих открытиях так же была опубликована, широко обсуждалась в мировом сообществе и т. п., но это другая история • История с кристаллическим усилителем развития не получила • Умер в блокадном Ленинграде от истощения в 1942 году
143. Олег Лосев (итого) • Кристадин (колебания и отрицательное сопротивление в кристалле) — путь к транзисторам • Светодиод («свет Лосева») — вся современная индустрия (где их только нет) • Фотоэффект (генерация электричества в кристалле под действием света) — основа солнечных панелей
144. Олег Лосев (итого) • Множество публикаций, в т. ч. на английском языке в мировой прессе, мировое признание • (изобретение окрестил «кристадином» западный журналист) • («свет Лосева» — эффект холодного свечения кристалла, был в ходу на западе по тем временам) • На базе колебательного эффекта разработан и пущен в небольшую серию радиоприёмник — кристадин • (схема приёмника и инструкция по сборке опубликована в журналах НРЛ)
145. • Наблюдал и исследовал явления эмпирически, • оставил множество задокументированных лабораторных экспериментов • Эффекты проявляли себя на поверхности кристалла, на ребрах (сколах) — в особых зонах кристалла
146. • Теоретического объяснения наблюдаемым эффектам дать не мог, т. к. не существовало научного фундамента • (квантовая теория электромагнитного поля — как минимум, получила развитие в 1940-х годах) • (версии объяснения кристадина: дырочная проводимость, туннельный эффект, но это не точно)
147. Итак (начало-середина 20-го века)
148. Итак (начало-середина 20-го века) • Лампы для радио — основной рабочий инструмент • Недостатки: сложны в изготовлении, относительно дороги, потребляют энергию, греются, могут в любой момент перегореть • Преимущества: предсказуемы и надежны в эксплуатации (пока не перегорит)
149. Итак (начало-середина 20-го века) • При этом есть устройства на основе кристаллов, которые могут выпрямлять и усиливать электрический ток • Выпрямители были известны гораздо раньше, чем лампы, усилители — первые эксперименты • Кристаллы показывают заманчивый потенциал: дешевизна, простота изготовления, доступность, компактность, низкое потребление энергии и т. п. • НО: крайне капризны, непредсказуемы и ненадежны для повседневной эксплуатации
150. Итак (начало-середина 20-го века) • Лампы: промышленное массовое производство • Кристаллы: любители, экспериментаторы, любители-экспериментаторы
151. Далее: радар, высокие частоты, изобретение транзистора — вторая четверть — середина 20-го века