Будущее начинается сегодня

Автоматические вместо ручных

 

 

С первых лет появления телефонов изобретатели задумались над созданием более совершенных, автоматических телефонных станций. В 1887 г. инженер К. А. Мосцицкий спроектировал «самодействующий» центральный коммутатор. Работали над созданием автоматических телефонных станций и иностранные ученые. Но до Великой Октябрьской Социалистической революции у нас в стране не было ни одной такой станции. Сейчас в наших городах работают сотни АТС. Число их увеличивается из года в год. Правда, оборудование автоматической станции обходится в несколько раз дороже, чем ручной. Но зато она не требует телефонисток, и, в конечном счете, все расходы на строительство окупаются в течение нескольких лет.

Основа автоматической телефонии — два электромагнитных устройства. Первое — это реле. Устройство и действие электромагнита известны. Реле представляет собой электромагнит, якорь которого замыкает, размыкает или переключает контактные пружины. С его помощью производятся различные включения и переключения электрических цепей.

Принцип работы искателя.

Второе — искатель. Это переключатель, приводимый в действие электромагнитом. Когда по обмотке электромагнита пройдет ток, якорь искателя притянется и «собачка» повернет храповик на один зубец, а металлическая щетка перейдет на один контакт. Сколько раз замкнется цепь тока при помощи ключа, на столько контактов перейдет щетка искателя, осуществляя требуемое соединение. Конечно, искатели автоматических телефонных станций устроены значительно сложнее, но работают все они по такому принципу.

Абонент замыкает электрическую цепь не ключом, а посредством номеронабирателя. Что происходит при этом на станции? В зависимости от количества абонентов станции номер может быть одно-, двух-, трех-, четырех-, пяти-и шестизначный. Шестизначный номер обычно включает какую-либо букву. Сделано это для облегчения его запоминания. Буквой обозначают районную телефонную станцию, если их в городе несколько.

Набрав букву, абонент попадает на районную станцию. Набирая следующие цифры, он заставляет работать ряд реле и искателей. Первый искатель найдет группу абонентов, состоящую, например, из тысячи, в которой находится требуемый абонент, следующий — из ста, и, наконец, последний искатель — линию вызываемого абонента.

Оборудование автоматической телефонной станции состоит из многих искателей и реле. Эти устройства нужны не только для соединения абонентов, но и для подачи им сигналов, указывающих, что можно набрать номер. Они определяют, не занята ли линия абонента, и сообщают об этом вызывающему. Они же, наконец, посылают вызов абоненту и после окончания разговора приводят все механизмы в прежнее положение.

На автоматической телефонной станции есть зал, в котором на специальных стойках размещены все устройства для соединения абонентов. Их работа никогда не прекращается, всегда слышно характерное потрескивание и щелканье: ведь постоянно кто-либо из абонентов вызывает станцию и приборы находятся в действии.

В помещении электропитающей установки есть аккумуляторы. Они питают током все приборы станции и все аппараты абонентов. Электрический ток расходится по тысячам проводов. На случай прекращения подачи электроэнергии установлены двигатели внутреннего сгорания и генераторы.

Обычная емкость АТС городов 5-10 тыс. номеров. Для предприятий, учреждений, колхозов и совхозов имеются автоматические телефонные станции на 10-100 номеров. Автоматический «зал» станции на 20 номеров представляет собой ящик примерно такого размера, как телевизор «Темп». Приборы этой станции очень точны, не требуют постоянного наблюдения и могут месяцами работать без проверки.

Через материки и океаны

 

 

Вы хотите переговорить по телефону, например из Минска, с человеком, который живет на Сахалине. Для этого прежде всего нужно позвонить на междугородную телефонную станцию и заказать разговор. Если в вашей квартире нет телефона, можно пойти на переговорный пункт и говорить оттуда. Вас не смущает расстояние между Минском и Сахалином. А ведь электрическому току придется проделать огромный путь по проводам воздушных линий, подземным кабелям, через многоводные сибирские реки и морской пролив, отделяющий Сахалин от материка, чтобы донести до вас желанный голос.

Такие автоматически действующие (необслуживаемые) усилительные пункты устанавливаются на кабельных магистралях. На поверхности земли виден только люк.

По мере своего движения по проводам энергия электрического тока уменьшается, или, как говорят, затухает. Значит, дальность передачи ограничивается? Почему яге по телефону, не напрягая голоса, можно разговаривать за тысячи километров? Подобно тому как автомобилю, совершающему дальний путь, приходится по дороге заправляться горючим, на линии тоже «добавляют» энергию электрических колебаний — лишь в этом случае они дойдут до нужной станции и их энергии будет достаточно, чтобы привести в действие мембрану телефона.

Немало ученых думало над тем, как увеличить дальность телефонирования. Предлагались различные способы. Но только с появлением электронной лампы в технике связи произошел настоящий переворот и появилась возможность телефонировать на любые расстояния. Десятки миллионов электронных ламп работают сейчас в различных областях техники. Миллионы их работают в аппаратуре связи.

Впервые телефонный усилитель на электронных лампах был создан русским ученым В. И. Коваленковым в 1915 г. Практически его применили только в 1922 г. на линии связи Москва, Кремль — Петроград, Смольный.

Вы говорите по телефону. Электрические колебания, возбуждаемые микрофоном, пройдут через городскую и междугородную телефонные станции и отправятся в далекий путь. На определенных промежутках своего пути они будут получать «подкрепление» в специальном пункте, оборудованном ламповыми усилителями (рис. 8). Современная усилительная аппаратура очень сложна: электронные лампы, трансформаторы, конденсаторы. Применяются здесь и полупроводниковые приборы.

На высокой частоте

 

 

Строительство линий связи — не простое дело. Оно требует огромных материальных затрат и труда. Для постройки 1 тыс. км двухпроводной воздушной линии связи требуется 470 вагонов различных материалов. Чтобы проложить 800 км подземного кабеля, необходимо перевезти 50 тыс. Т различных грузов и выполнить свыше 1 млн. м³ земляных работ. Можно себе представить, как вырастают эти объемы в масштабе всей нашей страны!

Не случайно поэтому именно советские ученые одними из первых разрешили задачу совмещения нескольких связей на одной линии.

Задумывались ли вы над тем, почему, слушая игру оркестра, мы различаем звучание отдельных инструментов? Да потому, что частота звуковых колебаний каждого инструмента различна. Весь оркестр создает сумму колебаний, в которой каждое колебание существует как бы независимо от других. Подобным свойством обладают и электрические колебания. Нетрудно настроить радиоприемник на нужную волну: электромагнитные волны, излучаемые различными радиостанциями, не смешиваются в эфире, их можно отделить.

Токи различных частот проходят по линии связи независимо друг от друга.

Если в линию связи включить несколько электрических генераторов, то вырабатываемые ими токи разных частот также не смешиваются. В конце линии можно включить специальные фильтры, состоящие из конденсаторов и катушек, выделить каждый ток и направить его в определенный приемник. Фильтр может, например, пропустить токи с частотами от 50 до 100, от 200 до 1000, от 5000 до 10 000 гц. Это важное свойство электрических колебаний и использовали ученые.

Если для телеграфирования применить переменный ток и использовать при этом токи высоких частот, можно по одной двухпроводной цепи осуществить большое число телефонно-телеграфных связей, уплотнить линию. Одна связь не будет мешать другой. Для увеличения дальности связи применяются усилители высокой частоты. А для уплотнения линий создана аппаратура, в которой электронная лампа работает как генератор, выпрямитель и усилитель.

Частота звуковых колебаний, создаваемых голосом человека, составляет 100-8500 гц. Однако для нормального телефонного разговора достаточно воспроизводить колебания от 300 до 2400 гц.

Для передачи радиопрограмм по проводам полоса частот должна включать частоты до 8ч-10 тыс. гц.

Принципиально важно передать по линии полосу частот. Конечно, если включить в линию несколько генераторов, создающих колебания одинаковых полос частот, то на другом конце никакими фильтрами их друг от друга не отделишь. Это равносильно тому, что пытаться говорить одновременно по двадцати телефонным аппаратам, включенным в одну линию. Передачу колебаний одинаковых частот по одной линии можно осуществить лишь при условии, что частота токов разная. С помощью тока высокой частоты как бы переносят электрические колебания звуковой частоты. Поэтому его и называют несущим током. Чтобы он стал переносчиком звуковых колебаний, на него надо «наложить» их, т. е. модулировать ток высокой частоты звуковыми колебаниями.

Пропустим через микрофон переменный ток от генератора. При разговоре перед микрофоном амплитуда переменного тока будет изменяться в соответствии с колебаниями мембраны, т. е. в соответствии с звуковыми колебаниями. В результате получатся колебания высокой частоты, которые способны проходить через определенный фильтр. Но они как бы несут на себе звуковые колебания.

Каждый ток, несущий звуковые колебания, можно выделить фильтром из общей массы передаваемых токов, а на приеме отделить колебания высокой частоты от звуковых. Эту работу выполняют демодуляторы — специальные устройства, применяемые в аппаратуре высокочастотного телефонирования.

Модуляция токов высокой частоты; внизу — частота, получаемая на телеграфе.

Теоретически по одной линии связи можно одновременно передавать сколько угодно телефонных разговоров, если применить нужное количество генераторов, вырабатывающих токи несущих частот, например 4000, 8000, 12 000, 16 000, 20 000 гц и т. д.

Несущую высокую частоту можно модулировать. Но частота телеграфных сигналов значительно меньше частоты звуковых колебаний. Поэтому в качестве несущих для них можно применить токи звуковых (тональных) частот. На этом принципе создана аппаратура тонального телеграфирования.

Современная аппаратура высокочастотного телефонирования позволяет по одной двухпроводной воздушной линии из цветного металла получить 16 одновременных телефонных переговоров. Взамен одного телефонного разговора получают 18 телеграфных связей или одну фототелеграфную, а вместо двух телефонных разговоров осуществляют передачу радиопрограмм. На кабельных линиях связи аппаратура уплотнения дает возможность получать до 60 одновременных телефонных разговоров. «Замена» телефонных связей на телеграфные остается прежней.

Многим знаком коаксиальный кабель: с его помощью соединяют антенну с телевизионным приемником. Возможности уплотнения подобных кабелей телефонными разговорами велики. По двум кабелям, каждый из которых толщиной не более пальца, можно осуществить 1800 и более телефонных разговоров, а также передавать телевизионные программы.

Современная аппаратура высокочастотного телефонирования очень похожа на радиоаппаратуру. Она обеспечивает передачу телефонных разговоров, телеграфирование, передачу программ телевидения и радиовещания. Гигантские кабельные магистрали пересекают нашу страну, сложные автоматически управляемые устройства обеспечивают высококачественную связь; сотни приборов бдительно следят за состоянием линий, чутко реагируют на малейшее изменение в качестве передач.

Будущее начинается сегодня

 

 

Аппаратура высокочастотного телефонирования.

В наше время бурного развития техники трудно представить себе, как далеко пойдет использование открытий, которые сделаны и будут еще сделаны учеными и изобретателями. Но будущее начинается сегодня, оно входит в жизнь на наших глазах.

Что будет с проводной связью? Не «умрет» ли она с развитием радио и радиорелейной связи?

Уверенно можно сказать: «Нет!» Развиваясь на базе радиотехнических методов, проводная связь гармонически дополняет радиосвязь. В некоторых отношениях она имеет преимущества, в особенности при связи по кабелям. Это — устойчивость, отсутствие атмосферных помех, неограниченная возможность уплотнения.

Можно ожидать, что воздушные линии связи постепенно исчезнут и будут заменены под-земными. Между городами будут проложены кабельные магистрали, обеспечивающие сотни телефонных и телеграфных связей. Связь полностью автоматизируется. Любой город можно будет вызвать, набрав его условный номер на аппарате. Автоматические телефонные станции вытеснят ручные. Недалек тот день, когда в АТС все реле и искатели будут заменены полупроводниковыми и электронными приборами. Такие станции уже есть. Телеграммы сами будут выбирать себе путь в соответствии с присвоенным каждой из них маршрутом. Такая аппаратура тоже создана.

Разговаривая по телефону, можно будет видеть собеседника.

Фототелеграфную связь получает большинство городов. Начнется передача цветных изображений. Скорость передачи телеграмм всех видов возрастет в несколько раз. На линиях появятся видеотелефоны, позволяющие видеть при разговоре собеседника. И такие аппараты уже есть.

Сложные электронные приборы обеспечат контроль за состоянием линий и качеством связи. Большинство усилительных пунктов будет управляться автоматически, на расстоянии. Такие усилительные пункты уже действуют на кабельных магистралях. Все передовое, новое, что создают советские люди, найдет применение в одной из интереснейших отраслей техники — в проводной связи!

Автомат исправляет ошибки Создан телетайп (буквопечатающий телеграфный аппарат), который автоматически исправляет ошибки, возникающие при передаче. В новой системе любой знак передается семью импульсами тока, причем каждой букве соответствует определенная комбинация из трех положительных и четырех отрицательных импульсов. Простое электронное устройство на приемной стороне проверяет каждый поступивший знак с точки зрения соотношения положительных и отрицательных импульсов. Если вследствие каких-либо помех при передаче возникает ошибка, то это соотношение нарушается. Специальное устройство прекращает прием и посылает к передатчику сигнал-запрос. Поступив в электронное устройство передатчика, он прекращает передачу последующего текста и вызывает повторную передачу знака, который был искажен. Повторение продолжается до тех пор, пока знак не будет принят правильно.

 

Мир электроники

 

 

1 — кристаллический детектор, выпрямитель слабых высокочастотных токов; применялся в начале века в радиотех-нике; 2 — высоковольтный кенотрон; применяется для питания постоянным током рентгеновских трубок, электрофильтров; рабочее напряжение до 200 тыс. в; ток — десятые доли ампера; 3 — одноанодный ртутный выпрямитель; из подобных вентилей составляются мощные многофазные установки на напряжения до 3 тыс. в и токи до 10 тыс. а для питания электротранспорта, электролитических ванн; 4 — многоанодный ртутный выпрямитель в металлическом корпусе; применяется для тех же целей, что и предыдущий; 5 — игнитрон, ртутный выпрямитель, в котором источник электронов (светлое пятно на катоде) периодически создается зажигателем (игнайтером) из полупроводника; 6 — высоковольтный секционированный ртутный вентиль; применяется для преобразования переменных токов высокого напряжения (100—200 кв) в постоянный ток, а также для обратного преобразования постоянного тока в переменный; 7 — двуханодный вентиль с накаленным вольфрамовым торированным катодом с наполнением инертным газом (аргоном); применяется в низковольтных цепях, например для зарядки аккумуляторов; 8 — сульфидный (полупроводниковый) выпрямитель; применяется иногда для выпрямления сильных токов низкого напряжения низкой частоты; 9 — двуханодный кенотрон; широко используется для питания ламповых радиоприемников от сети переменного тока; 10 — германиевый точечный диод, миниатюрный полупроводниковый вентиль; применяется в радиотехнических, радиолокационных, а также автоматических устройствах; 11 — столбик, собранный из селеновых вентилей (шайб); применяется для зарядки аккумуляторов, а также в различных устройствах автоматики и связи.

Электроника — наука, которая изучает движение заряженных частиц атома — электронов и ионов — в разреженных газах и вакууме, их переход через границы между металлом, газами и полупроводниками. Электроника — это и отрасль техники. Она занимается приборами, в которых мириады электронов и ионов летают в разреженных газах, преодолевают энергетические барьеры, вырываются из металлов в газ или полупроводник.

И мощные ртутные выпрямители, дающие ток для трамваев, троллейбусов, электропоездов, и всевозможные радиолампы, без которых невозможна современная электросвязь, и различные электрические источники света, и рентгеновские трубки, и электронные микроскопы, и сверхвысоковольтные ускорители заряженных частиц — все это приборы электроники.

Многие сотни типов электронных приборов применяются в современной промышленности, в исследовательских лабораториях, в быту. Без них не может обойтись ни один современный самолет или корабль. Они управляют сложными автоматическими агрегатами, на фабриках и заводах создают высокочастотные токи для закалки стали и для выплавки высококачественных сплавов.

В основе технической электроники лежат физические законы, открытые в конце XIX и в начале XX в. Вот главные из них.

Электроны и ионы вырываются из металлов при нагревании, при освещении лучами видимого и невидимого света, при ударах стремительно летящих электронов и ионов.

Двигаясь в разреженных газах, электроны и ионы под действием электрических и магнитных полей изменяют свою скорость и направление. Сталкиваясь с нейтральными атомами газов и паров, электроны возбуждают эти атомы, выбивают из них электроны, заставляют атомы испускать кванты электромагнитного излучения.

На стыке некоторых полупроводников, а также полупроводников и металлов образуются особого рода электрические поля — энергетические барьеры. Они свободно пропускают электроны лишь в одном направлении и затрудняют их обратный переход.

Последние годы наряду с электроникой вакуумных приборов усиленно развивается полупроводниковая электроника. Она имеет дело с движением электрических зарядов внутри твердых тел — полупроводников: кристаллов кремния, германия и некоторых других материалов (см. «Полупроводники в технике»).

Различные методы получения и формирования потоков заряженных частиц, различные принципы управления и использования их применяются в приборах электроники во всевозможных сочетаниях. Конструктивные формы и размеры этих приборов очень разнообразны. Есть приборы меньше спичечной головки. Чтобы их разглядеть, нужна лупа. В современных вычислительных машинах работает много сотен сверхминиатюрных электронных приборов — реле, усилителей, выпрямителей. Чтобы обеспечить энергией маломощный германиевый генератор, достаточно взять гальванический элемент с цинковым катодом, размером в копейку.

Приборами электроники можно преобразовывать мощности и в десятки тысяч киловатт. Сейчас созданы ртутные вентили на токи в сотни ампер и на напряжения в десятки тысяч вольт. Такой вентиль выше человека и весит несколько сот килограммов. Приборы «сильноточной электроники» замечательны по своей экономичности. Ртутные и другие ионные вентили (например, газотроны с накаленным оксидным катодом) часто имеют к. п. д. выше 99%, т. е. потери в них составляют меньше 1% от преобразуемой мощности.

1 — миниатюрная приемно-усилительная лампа; 2— лампа бегущей волны; усиливает колебания сверхвысоких частот; усиливает сантиметровые и даже миллиметровые волны; 3 — мощная усилительная радиолампа, применяемая в радиопередатчиках и в трансляционных узлах; 4 — металлическая приемно-усилительная лампа; представитель многочисленной группы ламп, широко применяемых в радиотехнике и других отраслях народного хозяйства; 5 и 6 — лампы типа «желудь»; имеют малые размеры; применяются для усиления высоких частот; 7—фотоэлектронный умножитель, усилитель, в котором используйся явление вторичной электронной эмиссии; 8—обычная приемно-усилительная радиолампа в стеклянном баллоне; применяется для тех же целей, что и металлическая лампа (4); V — полупроводниковый триод (транзистор); в последние годы подобные усилители применяются все шире; 10 — тиратрон (газовый триод); в прохождении тока через прибор участвуют не только электроны, но и ионы; прибор инерционен и может применяться только в низкочастотных цепях.

Приборы «слаботочной электроники» применяются для связи, управления и контроля.

Поэтому от них требуются иные качества. Они должны улавливать самые слабые сигналы, точнейшим образом воспроизводить их, без искажения усиливать. Вредные шумы и помехи должны быть минимальными.

Электроника теснейшим образом связана с радиотехникой — техникой токов высокой частоты. Приборы радиоэлектроники составляют значительную часть всех электронных приборов. В жизни современного человечества нет такой области, в которой в той или иной мере не использовались бы средства радиоэлектроники.

Приборы электроники можно классифицировать и систематизировать различными способами. Их, например, делят на группы по среде, в которой происходит рабочий процесс: высоковакуумные (электронные), газовые (ионные) и полупроводниковые (селеновые, кремниевые, германиевые). Можно классифицировать их и по методам управления: приборы с электростатическим управлением, магнитным, комбинированным.

На рисунках изображены некоторые типичные приборы современной радиотехнической и промышленной электроники, систематизированные по признаку основной выполняемой ими работы. Чтобы собрать здесь различные приборы, пришлось их изобразить в разных масштабах — большинство значительно уменьшено против натуральных размеров, но некоторые пришлось увеличить.

На рисунке показана группа приборов, применяемых для выпрямления переменных токов (сильных и слабых). Выпрямление переменного тока — это простейшая функция. Ее обычно выполняют приборы, у которых есть лишь два электрода,— диоды. Они бывают электронными, ионными, полупроводниковыми.

Следующая, еще более обширная группа — это приборы, усиливающие электрические сигналы. Усилительные приборы имеют обычно три электрода. Это — триоды. Бывают усилители с еще большим числом электродов: четырехэлектродные — тетроды, пятиэлектродные — пентоды и т. д. Типов усилительных приборов очень много. Для усиления относительно медленных процессов — токов низких частот — можно применять ионные лампы (тиратроны, игнитроны). В области радиочастот основное место пока занимают приборы с чисто электронным разрядом. Чаще всего их делают с управляющими сетками. Для усиления сверхвысоких частот существуют лампы с бегущей волной.

1 — генераторная лампа мощностью в несколько киловатт с воздушным охлаждением; 2 — генераторная лампа мощностью 50 кет с водяным охлаждением анода; применяется в радиопередатчиках и высокочастотных электротермических установках; з—разборная генераторная лампа мощностью до тысячи киловатт; снабжена насосами, которые ее непрерывно откачивают во время работы; 4—лампа с плоским расположением электродов, так называемого «маячкового типа»; генерирует дециметровые и сантиметровые волны; 5—клистрон, генератор с группированным электронным потоком; может генерировать сантиметровые и даже миллиметровые волны; 6 — многорезонатор-ный магнетрон; широко применяется в радиолокационной технике; 7 — металлокерамический триод; применяется для получения ТВЧ как в импульсных, так и в непрерывных режимах генерирования; 8 — полупроводниковый генераторный триод.

С усилением тесно связано генерирование электромагнитных колебаний, т. е. превращение постоянного тока в переменный.

Еще в начале XX века выдающийся ученый М. А. Бонч-Бруевич создал в Нижегородской радиолаборатории мощные генераторные лампы с водяным охлаждением анода. Эти лампы дали возможность построить мощные передающие радиостанции, а также применить токи высокой частоты для промышленного нагрева. Бонч-Бруевич и его сотрудники создали также магнетронные генераторы, позволяющие получать большие мощности на волнах сантиметрового и миллиметрового диапазонов.

Важная группа приборов электроники — те, которые превращают энергию электрического тока в энергию различных видов излучений. Электронно-лучевые трубки, например, дают изображение в телевизионных приемниках. Высоковольтные трубки, в которых потоки быстрых электронов ударяют в «мишени» из тугоплавких металлов, дают рентгеновские и гамма-лучи. В эту же группу можно отнести электронные микроскопы и ускорители атомных частиц.

Наконец, последняя группа (она показана на рисунке 4 вместе с предыдущей группой) — это приборы, которые превращают различные виды излучений (видимый свет, инфракрасные, ультрафиолетовые, рентгеновские лучи) в электрический ток. Сюда относятся все фотоэлементы и передающие трубки телевидения.

Конечно, классификация, представленная здесь (деление всех приборов электроники на пять групп по принципу выполняемых ими функций), как и любая другая классификация, относительна и условна. Одни и те же типы приборов могут иногда выполнять разную работу. Например, одни и те же типы ламп с сетками часто применяют и для выпрямления, и для генерирования, и для усиления. Это относится и к чисто электронным и к ионным лампам (тиратронам).