Текст книги "100 знаменитых изобретений"

Телевидение

Телевидение основано на следующем принципе. В телецентре передаваемое изображение проектируется объективом на светочувствительную пластинку в специальной электронно-лучевой трубке. Эта пластинка состоит из мелких, изолированных друг от друга фотоячеек (фотоэлементов), в которых при различной их освещенности возникают электрические заряды различной силы. Электронный луч, выходящий из хвостовой части электронно-лучевой трубки, с большой скоростью и в определенной последовательности обегает все фотоячейки и снимает возникающие там заряды, превращая их в импульсы различной силы. Эти импульсы, усиленные и соответственно обработанные, передаются как видеосигналы и принимаются в телевизионном приемнике. Важнейшей частью этого приемника является приемная телевизионная трубка, имеющая флюоресцирующий экран, покрытый специальным веществом – люминофором.

Электронный луч в трубке, действуя синхронно с передающей станцией, с определенной скоростью обегает экран. Скорость движения электронного луча по экрану новейших телевизоров достигает почти 30 тыс. км/ч. Различная сила принимаемых сигналов вызывает в каждой точке приемного экрана различную силу свечения состава. Это и дает при быстрой смене кадров изображение, которое проектируется на экран. Телевизионное вещание можно рассматривать как высшую форму радиовещания, соединяющее в себе одновременно передачу по радио звука и изображения.

Идея передачи неподвижных изображений по проводам электрической линии связи была высказана еще в середине XIX в., вскоре после изобретения электромагнитного телеграфа. В 1875 г. в США была предложена система одновременной передачи изображения по отдельным точкам электрическими сигналами по телеграфным проводам, основанная на использовании селеновых фотоэлементов. Однако подобные устройства были чрезвычайно громоздкими из-за большого количества соединительных проводов и поэтому практического применения не получили.

Первое усовершенствование в области передачи изображения на расстояние разработал в 1878 г. французский ученый Де Пайва. Он предложил поочередную передачу по одной паре проводов электрических импульсов, интенсивность которых соответствует степени освещенности отдельного фотоэлемента «трубки». Однако технические средства того времени не позволяли осуществить эту идею на практике.

В истории развития телевидения особенно важным было изобретение так называемого «электрического телескопа», предложенного в 1884 г. немецким изобретателем П. II. Нипковым. Изобретение Нипкова положило начало разработке принципа механического разложения (развертки) изображения на элементы. У Нипкова для развертки применялся непрозрачный вращающийся диск со спирально расположенными отверстиями малого диаметра.

На приемной станции электрические импульсы преобразовывались в световые сигналы с помощью плоской неоновой лампы, благодаря быстрому изменению яркости ее свечения (в зависимости от изменения подводимого к электродам лампы напряжения сигнала). И наконец, при помощи аналогичного диска, вращающегося синхронно, воспроизводилось изображение (порядка 2×3 см). Правильное изображение получалось лишь тогда, когда диски передатчика и приемника вращались строго синхронно, чего достигнуть в то время было очень трудно. Установление необходимости синхронизации передающего и приемного устройства явилось очередным этапом развития телевизионных систем. Это позволило в последующем обходиться одним каналом связи между передатчиком и приемником.

В 1907 г. русский ученый Б. Л. Розинг предложил для воспроизведения телевизионных изображений использовать электронно-лучевую трубку.

Он использовал механическую систему развертки для передачи изображения, а электронную – для приема, и применил щелочные фотоэлементы с внешним фотоэффектом вместо селеновых. Сигналы от фотоэлемента подавались на пластины конденсатора, между которыми проходил электронный пучок, что вместе со специальной диафрагмой с отверстием позволяло осуществлять управление яркостью свечения экрана.

Создав действующую модель телевизора с единственной лампой – приемной электронно-лучевой трубкой, Б. Л. Розинг в 1911 г. получил простейшее изображение в виде 3–4-х параллельных линий, осуществив, по его терминологии, «катодную телескопию».

Современные электронно-лучевые трубки – результат работ многих изобретателей. Сначала – в 10–20-х годах XX в. – эти трубки имели серьезные недостатки, например, не было устройств для усиления импульсов, из-за несовершенства электронных ламп. В начале 20-х годов высказывались идеи об использовании радио для передачи изображений, проводились первые опытные телепередачи на большие расстояния.

К 30-м годам XX в., благодаря достижениям в разработке ламповых усилителей, фотоэлементов и вакуумной техники, положение изменилось. Внимание к электронно-лучевым трубкам возросло, и они вытеснили механические системы с диском Нипкова.

Развивая принцип работы приемной трубки, В. К. Зворыкин в 1929 г. в США создал приемную трубку с электростатической фокусировкой, названную им кинескопом. Аналогичные исследования велись и в Советском Союзе. К концу 30-х годов в СССР были созданы приемные трубки с магнитной фокусировкой и магнитным отклонением. В современных кинескопах обычно используется электромагнитная система управления лучом.

В современных передающих телевизионных трубках элементы оптического изображения преобразуются посредством фотоэффекта в электрические сигналы. Первую передающую телевизионную трубку, основанную на этих принципах, предложил в 1923 г. В. К. Зворыкин. Передача изображения в трубке была основана на разложении изображения, проектируемого на многоэлементный (мозаичный) фотокатод электронным лучом. Однако эта трубка не получила применения. В 1928 г. в США была создана передающая трубка имэдж-диссектор, также обладавшая рядом крупных недостатков.

Более совершенными явились телевизионные трубки, в которых использовался эффект накопления зарядов (в частности иконоскоп). Именно разработка работоспособной конструкции трубки с накоплением электрических зарядов явилась поворотным пунктом в развитии телевидения.

Идея трубки с емкостным накоплением заряда была предложена в 1930 г. советским физиком А. П. Константиновым и жившим в США В. К. Зворыкиным. В 1931–1932 гг. С. И. Китаевым было разработано устройство передающей электронно-лучевой трубки с мозаичным фотокатодом и переносом электронного изображения быстрыми электронами. Одновременно В. К. Зворыкин создает такую трубку и в США, где она получила название иконоскоп. Принцип действия и конструкция мозаичных фотокатодов трубок Китаева и Зворыкина были сходны. В 1933 г. инженер А. В. Москвин создает первый в Советском Союзе иконоскоп.

Иконоскоп – передающая телевизионная трубка с односторонней мозаикой и вторичной электронной эмиссией. Главной частью иконоскопа является мозаика, мозаичный фотокатод – пластинка слюды, покрытая с одной стороны большим количеством (несколько миллионов) зерен серебра (элементарных миниатюрных катодов) с нанесенным на них цезием, а с другой стороны – слоем металла. Импульсы разной силы (переменный ток, представляющий собой сигнал изображения и протекающий по замкнутой цепи на участке мозаика – нагрузка – мозаика) усиливаются и передаются на принимающую станцию.

Появление иконоскопа открыло новый, современный этап в развитии телевидения. В 1933 г. советскими учеными П. В. Тимофеевым и П. В. Шмаковым была создана новая конструкции передающей трубки. В этой трубке, названной по принципу своего действия иконоскопом с переносом изображения, или супериконоскопом, было два электрода – фотокатод и мозаичная мишень. Оптическое изображение проецировалось не на мозаику, а на сплошной полупрозрачный фотокатод с последующим переносом изображения на мозаику, которая подвергалась развертке электронным лучом. За счет вторичной эмиссии достигалось усиление электронного изображения, что улучшило качество изображения.

В 1931 г. в нескольких городах СССР начались регулярные передачи механического телевидения. В 1932 г. была осуществлена первая передача движущегося изображения. Регулярные телепередачи начались в 1936 г. почти одновременно в Германии и Великобритании. В СССР регулярные телепередачи начались в Москве и Ленинграде в 1939 г., в США – в 1941 году.

В 1939 г. американские инженеры А. Розе и X. Ямсем создали ортикон, в котором электроны в развертывающем луче обладают малой скоростью, что, в основном, устраняло вторичную эмиссию электронов из мозаики.

В 1943 г. А. Розе, П. Венмер и X. Лоу создали суперортикон, в котором были объединены положительные стороны супериконоскопа и ортикона. В этой конструкции была применена двухсторонняя емкостная мишень (мозаика). В суперортиконе достигается разделение областей заряда и разряда мозаики, перенос электронного изображения, а также усиление сигнала изображения электронным умножителем. Эта трубка является наиболее чувствительной современной передающей телевизионной трубкой. Чувствительность суперортикона намного превосходит чувствительность ортикона. Появление суперортикона сделало возможным передачу хорошего изображения не только из специально оборудованных освещенных студий, но и из театров, со спортивных площадок.

В 20-е годы начались работы по передаче цветных изображений. В 1925 г. советский инженер И. А. Адамян, предложил принцип последовательной передачи трех основных цветов изображения. Однако в то время еще не было условий для его реализации.

В процессе совершенствования техники телевидения системы цветного телевидения реализовывались в двух основных вариантах.

Первый вариант – последовательная передача цветных изображений с достаточно большой скоростью. Разложение цветов на три основные составляющие и воспроизведение их при приеме осуществляется при помощи вращающегося дискового трехцветного светофильтра. Он устанавливался между рассматриваемым объектом и фотокатодом передающей трубки, с одной стороны, и перед экраном приемной трубки, с другой. Каждому цветному кадру соответствует свой импульс, который усиливается и последовательно передается, как и в черно-белом телевидении. Ввиду того, что количество импульсов здесь увеличивается в три раза, вместо 25 кадров в секунду нужно передавать 75 кадров – трижды каждый кадр – через красный, зеленый и синий светофильтры.

Впервые опыт цветного телевидения по этому принципу был осуществлен на малом экране Дж. Бэрдом в Англии в 1928 году.

Хотя цветное телевидение с кадровой сменой цветов при помощи вращающегося диска являлось наиболее простым, оно имело ряд недостатков: при передаче происходило изменение цветов из-за набегания одного цвета на другой, а при быстром движении объекта возникали цветные ореолы.

Второй вариант был основан на одновременной передаче цветов. Здесь тоже необходимо разложение всей гаммы цветов на три основных цвета, но их передача и прием осуществляются одновременно при помощи трех передающих и трех приемных трубок со своими каналами связи. Он также имел свои недостатки: были необходимы тройной комплект видеоустройств как в передатчике, так и в приемнике и расширенная (утроенная) по сравнению со стандартом черно-белого телевидения полоса видеочастот. Возникали трудности и в регулировке приема. Долго не удавалось добиться оптического совмещения трех изображений на общем экране. Обе эти системы были несовместимы с черно-белым телевидением.

В 1953 г. была разработана система цветного телевидения с одновременной передачей цветов без увеличения полосы частот видеосигналов. Она совместима с черно-белым телевидением и делает возможным просмотр цветной передачи на телевизорах черно-белого изображения, при этом на цветном телеприемнике можно смотреть черно-белое изображение обычной программы. Главной частью телеприемника такой системы является специальная приемная трубка с трехлучевым круглым трехцветным экраном. В передающей камере имеются три трубки со светофильтрами.

В 50-е годы был сконструирован плоский кинескоп в форме прямоугольного параллелепипеда, упростивший схему цветного телевизора. В нем внутренняя поверхность передней стенки колбы имела цветной мозаичный флуоресцирующий слой. Непосредственно за экраном размещалась так называемая теневая маска – непрозрачная для электронного луча защитная пластинка с огромным количеством небольших отверстий, а сама трубка имела трехлучевую электронную пушку (катод) и сложную систему развертки. Для получения в нужной точке нужного цвета, электронный пучок проходил через маску так, что каждый из трех лучей возбуждал в соответствующей точке цветную мозаику экрана, создавая пятно определенного цвета. Маска производит разделение цветных составляющих. Большое количество близко расположенных отдельных точек разного цвета на таком экране сливалось при просмотре в общую цветную картину.

Передача телевизионного сигнала ограничивается прямой видимостью, поэтому антенны транслирующих станций устанавливали на высоких объектах или строили специальные вышки. Позже стали строить небольшие ретранслирующие станции, расположенные на расстоянии прямой видимости. После начала космических полетов стали запускать специальные спутники связи. Нескольких таких спутников достаточно, чтобы ретранслировать сигналы в любую точку Земли.

Телеграф

Передавать информацию на расстояние люди научились еще в древности. Считается, что еще при Юлии Цезаре в I в. до н. э. в армии Древнего Рима существовала своеобразная телеграфная служба. Информация передавалась при помощи горящих факелов. Например, один взмах факела обозначал «враг приближается», два – «все в порядке» и т. п. Примерно такая же сигнализация существовала и у запорожских казаков. На высоких местах устанавливались бочки со смолой на расстоянии прямой видимости друг от друга.

Кроме оптических способов передачи информации существовали и акустические. Так, до сих пор африканские племена передают информацию при помощи тамтамов.

В 1791 г. во Франции Клод Шапп изобрел оптический телеграф. В 1794 г. линия оптического телеграфа соединила Париж и Лилль, расстояние между которыми было 225 км. Передающее семафорное устройство из подвижных реек устанавливалось на башне. Линию оптического телеграфа составляла цепочка башен, расположенных на расстоянии прямой видимости. Передача осуществлялась от одной башни к другой, поэтому требовала длительного времени. Работа телеграфа полностью зависела от атмосферных условий.

В 1794 г. оптический телеграф создал русский механик И. П. Кулибин. Его система семафоров была подобна системе Шаппа. Код для передачи сигналов был сведен Кулибиным к одной таблице и был более совершенным, поскольку увеличивал скорость передачи сигналов.

В 1839 г. начала работу самая длинная в мире линия оптического телеграфа, соединившая Петербург и Варшаву. Ее протяженность – 1200 км. Она действовала на протяжении 15 лет.

В XVIII в. были изучены свойства электричества, в частности, была обнаружена способность электрических зарядов с большой скоростью распространяться по изолированному проводнику. Это послужило основой для изобретения электрического телеграфа.

Первое предложение об электростатическом телеграфе было опубликовано в 1753 г. в Шотландии анонимным автором, который рекомендовал, подвесив на изоляторах проволоки, количество которых было бы равно количеству букв в алфавите, посылать по соответствующей проволоке электрический заряд, под действием которого на приемном конце притянется бумажка с обозначенной на ней буквой. Испанский инженер Ф. Сальва осуществил в 1785 г. эту идею, построив телеграфную линию между Мадридом и Аранхуэсом протяженностью в 50 км.

Однако опыты эти были неудачными. Для осуществления электрической связи нужен электрический ток, который в те годы был еще неизвестен. В 1800 г. итальянский ученый А. Вольта создал первый электрохимический источник постоянного тока. И уже в 1801 г. Ф. Сальва попытался создать электрохимический телеграф. В 1809 г. баварский анатом С. Т. Земмеринг представил Мюнхенской академии наук свой проект электрохимического телеграфа. Этот проект и получил наибольшую известность.

В телеграфе Земмеринга, как и раньше, использовался сигнальный сосуд, но с водой не простой, а подкисленной. В сосуде размещалось 25 электородов, 24 из которых обозначали отдельную букву. Они были соединены с вольтовым столбом, установленным на передающей станции. Сигнал в виде электрического тока посылался по проводам и обнаруживался по пузырькам газа, выделявшимся на электродах при электролизе подкисленной воды. Но регистрация сигналов с помощью пузырьков была неудобна и ненадежна. Хотя впоследствии количество сосудов и было сокращено, проект был сдан в архив. Для электрической связи нужен был не только ток, но и удобный способ регистрации сигналов.

В 1820 г. датский ученый Г.-Х. Эрстед открыл магнитное действие тока. В том же году французский физик Андре-Мари Ампер нашел способ усиления действия тока на магнитную стрелку: для этого провод надо было намотать спиралью.

Электрический телеграф был разработан П. Л. Шиллингом в 1828–1832 годах. Его действие основано на визуальном приеме кодовых знаков. Приемная часть телеграфа представляла собой укрепленную на нити магнитную стрелку, находившуюся внутри рамки, обтекаемой током. В зависимости от направления тока в рамке стрелка могла поворачиваться в ту или другую сторону. Вместе со стрелкой поворачивался и небольшой картонный диск, укрепленный на той же нити. Используя два направления тока, общий обратный провод и оригинальный код, составленный из комбинаций отклонений дисков шести мультипликаторов, Шиллинг смог передавать все буквы алфавита и цифры, ограничившись всего восемью проводами, соединяющими передающую и приемную станции. На современной терминологии код, использовавшийся Шиллингом, называется параллельным (одновременная передача кодовых знаков), шестизначным, или шестиэлементным (шесть кодовых знаков), и бинарным (каждый кодовый знак имеет одно из двух значений).

П. Л. Шиллинг положил начало кодоимпульсному методу, который широко применяется в современной телемеханике. Заслуживает также внимания использование в данной конструкции телеграфа специального жидкостного демпфера, нашедшего позднее применение в различных электрических приборах.

В процессе разработки проекта подводной телеграфной линии Петергоф – Кронштадт (1837 г.) Шиллингом был впервые применен каучук для изоляции подводного кабеля, а также указана возможность использования воды или земли в качестве обратного провода.

Впоследствии, усложнив код, П. Л. Шиллинг обходился одной стрелкой и одной парой проводов. Затем появилось много модификаций одно-, двух-, трех-, пятистрелочного телеграфа, которые находили практическое применение.

В 1843 г. была построена линия, соединявшая Петербург и Царское Село, протяженностью 25 км.

В конструкциях стрелочных телеграфных аппаратов различных авторов были и удачные находки. Среди них следует отметить электромагнитное реле Ч. Уитстона и однопроводную систему передачи К-А. Штейнгеля. Реле служило для своеобразного усиления слабых токов, позволяя с их помощью коммутировать (включать и выключать) цепь с относительно большим током. Однопроводная же линия связи упрощала соединение передающей и приемной станции. В такой линии один из пары проводов был убран и заменен заземлением – закопанными в землю металлическими пластинами, к которым присоединялись освободившиеся концы проводов на передающей и приемной станциях. При использовании заземления ток течет только по одному проводу линии связи, а избыток зарядов в передающей и приемной станциях стекает в землю.

Стрелочный телеграф имел ряд недостатков, в частности, он не позволял автоматически записывать принятые сигналы. Несмотря на это, даже в конце XIX и начале XX в. он использовался для передачи команд на больших кораблях.

Для создания самопишущего электромагнитного телеграфа нужны были новые идеи. Пришли они, однако, не от ученых и инженеров. Новая идея родилась у американского художника Самуэля Морзе, который в 1837 г. изобрел конструкцию самопишущего телеграфного аппарата. В следующем году С. Морзе разработал код для своего телеграфа. В разработке конструкции аппарата и телеграфного кода Самуэлю Морзе оказывал помощь американский эксперт Альфред Вейл. Наконец-то телеграф оправдал свое название и стал писать на расстоянии.

В 1844 г. первая коммерческая телеграфная линия системы Морзе соединила столицу США, Вашингтон, с Балтимором на атлантическом побережье, и с тех пор электромагнитный телеграф начал свое победное шествие по всем странам мира. Этот успех был обусловлен как широкими возможностями самопишущей телеграфии, так и простотой конструкции нового аппарата в сочетании с простотой азбуки Морзе.

Телеграфная система Морзе позволяла увеличить скорость передачи до десятков букв в минуту (около 15 слов в минуту). Следующий этап в становлении телеграфа заключался в объединении телеграфа и пишущей машинки. Вместо телеграфного аппарата, пишущего азбукой Морзе, получился буквопечатающий телеграфный аппарат. В современных системах буквопечатающей телеграфии используется для передачи разных символов специальный трехрегистровый пятизначный код.

В 1855 г. английский изобретатель Д. Э. Юз разработал буквопечатающий аппарат. В основу его работы был положен принцип синхронного движения скользуна передатчика и колеса приемника. Опытный телеграфист на этом аппарате мог бы осуществлять передачу со скоростью до 40 слов в минуту.

Рост производительности телеграфных аппаратов стал ограничиваться возможностями телеграфистов. При длительной работе они могли передавать 240–300 букв в минуту. Необходимо было заменить ручную работу механизмами, которые бы предварительно фиксировали информацию, а затем передавали ее с постоянной скоростью без участия человека. Для этого телеграммы стали записывать на перфоленту.

В 1858 г. англичанин Ч. Уитстон создал реперфоратор – устройство для пробивания отверстий в бумажной ленте в соответствии с сигналами азбуки Морзе, поступающего от телеграфного передатчика. Одновременно он пробивает равномерный ряд отверстий, облегчающих протягивание ленты. Реперфоратор применяют при приеме телеграмм на транзитных телеграфных станциях. Последующая их передача осуществляется с помощью трансмиттера – устройства, в котором комбинации знаков автоматически преобразуются в электрические сигналы.

В 1858 г. русский изобретатель Слонимский разработал метод одновременной передачи двух пар телеграфных сообщений в противоположных направлениях по одному проводу. Разновидность этого метода – дифференциальный дуплекс – широко применяется в телеграфии.

В 1869 г. Г. И. Морозов разработал аппаратуру частотного уплотнения линий связи. Это позволило передавать по одной линии несколько сообщений сигналами переменного тока разной частоты.

Проблему последовательного многократного телеграфирования по одному проводу решил француз Ж. Бодо. В 1872 г. он создал двукратный аппарат, скорость передачи в котором достигала 360 знаков в минуту. Примененный Бодо принцип временного уплотнения линии используется и в современных телеграфных аппаратах. Аппарат Бодо с небольшими изменениями эксплуатировался до середины XX в. Помимо телеграфного аппарата Бодо конструировал дешифраторы, печатающие механизмы и распределители.

В 1874 г. Т. А. Эдисон и Д. Преслот создали прибор с квадруплексной схемой, обеспечивавшей передачу по одной линии 4 телеграмм одновременно.

В 1880 г. Г. Г. Игнатьев предложил способ одновременного телеграфирования и телефонирования по одной линии.

Телеграф начал учиться рисовать в 1839 г., когда академик Б. С. Якоби создал самопишущий телеграф. В нем был применен принцип электрической синхронно-синфазной связи, который является сейчас одним из фундаментальных принципов современной техники дистанционной передачи и следящего электропривода. В телеграфах с синхронно-синфазной связью стрелки передающего и приемного аппаратов совершали равномерно-прерывистое шаговое движение, перемещаясь с одинаковой скоростью (синхронно) и занимая одинаковое пространственное положение (синфазно).

Но по-настоящему рисовать телеграф научился, когда начиная с 1843 г. стали возрождать в новом виде электрохимический телеграф, который искусно копировал и передавал любые изображения.

Практическое применение получил вариант такого телеграфа итальянского аббата Казелли, названный им пантелеграфом.

Принцип действия телеграфа прост: два железных острия на передающей и приемной станциях движутся синхронно по металлическим поверхностям, прочерчивая на них густую сеть параллельных линий. На передающей станции под острие подкладывают лист металлической фольги, на котором токонепроводящими чернилами нанесено передаваемое изображение. На приемной станции под острие подкладывают лист бумаги, пропитанный водным раствором железосинеродистого калия. При протекании тока такой раствор разлагается, окрашивая бумагу в синий цвет.

Когда непроводящий участок изображения на фольге разрывает электрическую цепь, в реле на приемной станции замыкаются контакты. Таким образом, под действием тока от батареи на листе под движущимся металлическим острием остается след в виде параллельных цветных штрихов, воспроизводящих передаваемое изображение.

В современной фототелеграфии считывающее острие заменено оптическим лучом. Он отражается непосредственно от бумаги с изображением и затем преобразуется фотоэлементом в электрический сигнал. В приемном фототелеграфном аппарате металлическое острие также заменено оптическим лучом от лампы, которая светится под действием принятого и усиленного электрического сигнала. Этот луч и рисует изображение на фотобумаге. Изменена также кинематика сканирования (перемещения) оптического луча: вместо качания маятника и поворота рычага использовано вращение барабана вокруг оси и его поступательное перемещение вдоль этой оси. При этом линия сканирования луча имеет вид густой спиральной линии.

Электрический телеграф явился первым электротехническим устройством, предназначенным для широкого практического использования.

Интенсивное развитие электрических телеграфов во второй половине XIX в. явилось одним из следствий промышленного переворота, когда бурно развивавшиеся производство, торговля и мореплавание потребовали создания более совершенных средств связи. Так, в 1860 г. в России было 160 телеграфных станций, общая длина линий связи составляла 27 000 км. К 1870 г. число станций возросло до 714, длина линий – до 91 000 км. В 1871 г. была открыта самая длинная в мире телеграфная линия, соединившая Москву и Владивосток. Ее протяженность – 12 000 км.

К началу XX в. общая протяженность телеграфных линий в мире составила 8 млн км.