Телеграф и телефон

Что такое звук?

Слово «телефон» происходит от двух греческих слов: «теле», что значит далеко, и «фоне» — звук.

В наши дни телефон известен всем. Но все ли знают, как устроен и работает телефонный аппарат?

Человеческий голос слышен на очень небольшом расстоянии. Как добиться того, чтобы наша речь была слышна далеко? Чтобы осуществить эту заманчивую идею, пробовали применять различные рупоры, полые трубы и т. д. Но все было тщетно.

Только во второй половине XIX века при помощи электричества научились передавать разговорную речь на далекое расстояние. Прежде чем рассказать об устройстве телефонных аппаратов, вспомним, что такое звук и как он распространяется.

Звуки окружают нас всюду. И всегда источником звуков служит колеблющееся тело. Например, мы ударяем по струне гитары — тотчас раздается звук. Приложив палец к струне, можно ощутить, что она движется — колеблется. Струна гитары звучит сначала громко, а затем все тише и тише, пока совсем не затихнет. Как только струна остановится, исчезнет звук.

Но почему колебания тела порождают звук?

Всякое звучащее тело не только само колеблется, но и передает колебания прилегающим к нему частицам окружающей среды, воздуха. Колебания воздуха достигают барабанной перепонки нашего уха и заставляют ее также колебаться. Колебания барабанной перепонки передаются во внутреннее ухо и вызывают в слуховом нерве раздражение, которое мы воспринимаем как звук.

Не всякие колебания воздуха слышны. Наше ухо улавливает только такие звуки, которые имеют частоту колебаний не менее 16 и не более 20 000 в секунду.

Для передачи звука на расстояние нужно очень небольшое количество энергии. Эта энергия и приводит в быстрое колебательное движение частицы воздуха на всем протяжении, где слышен звук.

Распространяясь с одинаковой силой во все стороны, звук затухает гораздо быстрее, чем увеличивается расстояние от его источника. С увеличением расстояния в два раза сила звука уменьшается в четыре раза; при увеличении расстояния в пять раз звук ослабевает уже в 25 раз. Иными словами, громкость звука уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния от источника звука.

Непосредственная передача звука по воздуху возможна на очень небольших расстояниях. Громкая человеческая речь слышна на расстоянии, равном приблизительно 100 метрам, и даже крик можно услышать на открытом воздухе на расстоянии не более 200 метров. При переговорах на сравнительно большом расстоянии, например между встречными пароходами, иногда применяют рупоры, так как при помощи рупора звуковые волны посылаются направленным пучком.

В некоторых случаях разговорную речь по длинным звукопроводам можно слышать на расстоянии до одного километра. Такой телефон из труб можно и сейчас встретить на некоторых старых пароходах. Им пользуются для передачи распоряжений в машинное отделение. Слова команды, передаваемые с капитанского мостика, отчетливо слышны в машинном отделении. Но представим себе, что ученым удалось найти способы посылать неослабевающие звуковые волны на расстояние в десятки и сотни километров. Можно ли, используя этот способ, разговаривать, например, из Москвы с Ленинградом?

Нет. Это было бы очень неудобно. Звуковая волна распространяется в воздухе очень медленно, всего со скоростью около 330 метров в секунду. Слово, произнесенное в Москве, будет услышано в Ленинграде только через 35 минут. В течение шестичасового разговора едва удалось бы обменяться десятью фразами. Ответа на вопрос пришлось бы ждать больше часа.

Таким образом, не только быстрое затухание звука, но и малая скорость его распространения не позволяют нам передавать нашу речь по воздуху на большое расстояние.

Передача звуков на большие расстояния стала возможна лишь после того, как был открыт способ превращения электрической энергии в звуковую и наоборот.

Магнит и его свойства

Уже в глубокой древности были известны необыкновенные свойства магнита. Но долгое время человек знал только естественные магниты — куски железной руды (магнитного железняка). Затем обнаружили, что если таким магнитом натереть какой-либо стальной предмет, например нож, то ор также начинает притягивать к себе железные тела, т. е. сам становится магнитом. Такие искусственные магниты теперь можно увидеть в самых разнообразных приборах.

В прошлом веке было сделано новое, очень важной открытие: оказалось, что магнитные свойства железа тесно связаны с его электрическими свойствами. Это можно доказать на таком простом опыте. Если постоянный электрический ток пропустить по проволоке, то она начинает притягивать к себе железные опилки, становится магнитом. Прекращается ток — и проволока теряет свои магнитные свойства.

После этого открытия был создан электромагнит. Его легко сделать. Возьмите немного изолированного провода, намотайте его на катушку. Внутри катушки поместите какой-нибудь стержень из мягкого железа. Если теперь от какого-либо источника тока, например от электрической батареи карманного фонаря, пропустить по обмотке ток, то железный стержень намагнитится и будет, как показано на рис. 13, притягивать железные предметы — ключ, гвоздь.

Рис. 13. Намагничивание железного стержня при включении тока в обмотку катушки.

Стоит выключить ток — и железный стержень тут же потеряет свои магнитные свойства: притянутые им предметы падают вниз.

Было установлено, что в зависимости от содержания в стали того или иного количества углерода она хорошо или плохо сохраняет свои магнитные свойства. Чем больше в стали углерода, тем лучше сохраняются магнитные свойства. Гвозди и многие другие предметы делаются из мягкой стали, в которой имеется только ничтожное количество углерода. Такая сталь не сохраняет магнитных свойств; в быту она часто называется железом. Специальные сорта стали, с примесью кобальта, хрома, никеля, позволяют изготовлять магниты очень большой силы.

Свойство стали намагничиваться широко используется в генераторах — машинах, вырабатывающих ток, в электродвигателях, в аппаратах телеграфной и телефонной связи и в электроизмерительных приборах.

А не существует ли обратной связи между электричеством и магнетизмом? Не вызовет ли магнит, помещенный внутри проволочной катушки, электрический ток в ее обмотке? Оказывается, электрический ток в обмотке катушки действительно появляется, но лишь тогда, когда магнит движется, например если магнит вставляется или вынимается из катушки.

Электрический ток появляется в обмотке катушки и в том случае, когда магнит неподвижен, а к нему приближают или удаляют от него какой-либо стальной предмет, изменяя тем самым силу магнитного поля. Это наглядно можно показать, если проделать такой несложный опыт (рис. 14).

Рис. 14. Возникновение электрического тока в обмотке катушки при приближении (или удалении) стального диска к магниту.

На стальной сердечник, представляющий собой постоянный магнит, наденем катушку с обмоткой из тонкого изолированного провода. Быстро приближая к сердечнику (или удаляя от него) какой-либо стальной предмет, например стальной диск, увидим, что стрелка гальванометра на мгновение отклонится, т. е. в обмотке катушки появится электрический ток.

Эти свойства магнита и были использованы при устройстве электромагнитного телефона.

Первый электромагнитный телефон

Магнит с надетой на него катушкой, на которой нанесена обмотка из изолированного провода, поместили в полую деревянную трубку. Один конец трубки закрыли тонкой стальной пластинкой — мембраной, которая оказалась около одного из полюсов магнита. Получился электромагнитный телефон, или, как называют упрощенно, телефонная трубка. При помощи двух таких трубок оказалось возможным устроить одностороннюю телефонную связь, как это показано на рис. 15.

Рис. 15. Односторонняя передача разговорной речи при помощи двух телефонных трубок.

Один из собеседников (слева на рисунке) говорит в тот конец трубки, который закрыт мембраной. Звуковые волны приводят мембрану в быстрое колебательное движение. Мембрана то удаляется, то приближается к магниту. От этого в обмотке катушки возникает электрический ток, который передается по проводам линии связи. Второй собеседник, который слушает передачу, держит свою телефонную трубку около уха. Электрический ток, проходя по обмотке этой трубки, то усиливает, то ослабляет притяжение мембраны к магниту. В результате мембрана во второй трубке начинает колебаться в такт с первой мембраной, повторяя все ее движения.

Эти колебания мембраны создают звуковые волны, и второй собеседник услышит сказанное первым собеседником на другом конце линии связи.

Создание микрофона

Первый электромагнитный телефон был несовершенен. Этот аппарат позволял вести разговор только на расстоянии до двух километров. Чем больше было расстояние между говорящими, тем громче приходилось кричать в трубку. Причина заключалась в том, что мембрана электромагнитного телефона лишь незначительную часть звуковой энергии превращала в электрическую.

Как же улучшить действие телефона? Ученые отказались от способа передачи речи при помощи только телефонных трубок. Был изобретен новый способ превращения звуковых колебаний в электрические.

При опытах по измерению электрической проводимости различных тел было обнаружено одно интересное явление. Оказалось, что если поперек двух палочек из прессованного угля положить третью палочку, то получится очень чувствительное устройство, которое может преобразовывать в электрический ток самые ничтожные воздушные колебания.

Соединим угольные палочки проводами с полюсами электрической батареи, как это показано на рис. 16.

Рис. 16. Применение микрофона для передачи разговорной речи.

В один из проводов, идущих от батареи, включим телефонную трубку. Ничего особенного при этом не произойдет, только в момент включения в трубке раздастся легкий щелчок. Но вот мы начинаем говорить, и тотчас же на другом конце провода раздаются звуки нашего голоса.

Что же происходит с угольными палочками при разговоре? Оказывается, в местах их соприкосновения электрическая проводимость резко меняется. Дело в том, что величина электрической проводимости между угольными палочками зависит от того, насколько плотно они прижимаются друг к другу. Чем сильнее прижата верхняя палочка к двум нижним, тем лучше контакт между ними. От этого уменьшается сопротивление электрическому току, проходящему через места соприкосновения палочек.

Как только сопротивление уменьшается, ток в телефонной трубке сразу же возрастает и ее мембрана сильнее притягивается к магниту.

Звуковые волны заставляют угольные палочки то прижиматься друг к другу, то отходить назад. В такт с колебаниями воздуха происходит и изменение тока в линии. Когда разговор прекращается, сопротивление контактов между угольными палочками становится постоянным.

Такой прибор чувствителен к очень слабым звукам. Он позволяет передавать их на гораздо большее расстояние, чем электромагнитная телефонная трубка. На довольно большом расстоянии слышен не только обычный разговор, но и шепот. Этот прибор получил название угольного микрофона. В современных микрофонах палочки заменены угольным порошком, к которому прикасается тонкая угольная или стальная мембрана. В порошке гораздо больше точек соприкосновения, чем у трех угольных палочек. От этого микрофон приобретает большую чувствительность.

В современном телефонном аппарате передающий прибор, микрофон, и принимающий, телефон, соединены в один общий прибор, называемый в технике микротелефоном. В быту микротелефон называют разговорной трубкой или телефонной трубкой. Внешний вид ее хорошо знаком каждому. Трубка из полированной пластмассы сделана так, чтобы ее было удобно держать рукой. На одном из концов трубки укреплен телефон, на другом — микрофон.

Телефон и микрофон защищены крышками с отверстиями. Под крышкой телефона (рис. 17) находится круглая стальная пластинка — мембрана, а под ней — две катушки электромагнита, к которым притягивается мембрана при прохождении по этим катушкам электрического тока. Под катушками помещены кольцеобразные постоянные магниты.

Рис. 17. Части телефона: 1 — корпус (внутри корпуса видны катушки, надетые на полюсные наконечники), 2 — кольцеобразные магниты, 3 — полюсные наконечники, 4 — катушки, 5 — мембрана, 6 — прокладка, 7 — крышка.

Микрофон в телефонных аппаратах последних выпусков делается неразборным, в виде закрытого капсюля, разрез которого показан на рис. 18. Под двойной крышкой микрофона находятся: фигурная мембрана из тонкой латуни, подвижный электрод, угольный порошок и неподвижный электрод. Электроды включаются в электрическую цепь.

Рис. 18. Микрофон.

На каком же расстоянии позволяет вести разговор современный телефонный аппарат?

В настоящее время существуют линии телефонной связи на тысячи километров. При этом величина электрического тока, который идет от одного телефонного аппарата к другому, постепенно уменьшается. Уменьшение тока тем больше, чем длиннее провод и чем он хуже изолирован. Потери тока в линии приводят к тому, что на расстоянии нескольких десятков километров разговор по телефону еле слышен. Поэтому на дальних линиях связи устанавливают усилители. Они похожи на ламповые радиоприемники.

Слабые токи, которые возникают в антенне при работе радиостанции, в радиоприемнике усиливаются радиолампами. В радиоприемник поступает ток в миллион раз больший, чем тот, который был принят антенной. Усиливаются также и телефонные токи. Разница с телефонной передачей заключается в том, что в радиоприемнике усиление одностороннее: от антенны к радиоприемнику, а в телефонной линии — двустороннее, так как передача разговора идет в обоих направлениях. Современная техника телефонной связи позволяет осуществить телефонный разговор между Москвой и самыми удаленными окраинами нашей Родины.

Современные телефонные аппараты

Промышленность выпускает телефонные аппараты двух систем. В каждом аппарате одной системы имеется своя электрическая батарея для питания микрофона. Это — аппарат системы МБ. В аппаратах другой системы используется общая, центральная батарея, которая помещается на телефонной станции. Это — аппараты системы ЦБ.

Снаружи телефонного аппарата МБ имеется рукоятка индуктора, т. е. маленького генератора переменного тока. Для вызова абонента рукоятку нужно вращать. При вращении рукоятки индуктора в нем вырабатывается электрический ток, который по проводам поступает на телефонную станцию. Там он приводит в действие вызывные приборы телефонистки.

Один, два, три поворота рукоятки индуктора — и станция получает сигнал вызова. Для подачи сигнала отбоя, который указал бы телефонистке на окончание разговора, нужно положить на рычаг аппарата трубку и два-три раза повернуть рукоятку индуктора.

Иначе работают аппараты с центральной батареей — аппараты ЦБ. Вызов станции абонентом аппарата ЦБ происходит автоматически, как только трубку снимут с рычага. При этом тотчас замыкается цепь питания микрофона. Достаточно положить трубку на рычаг, и на станцию сразу же автоматически передается сигнал отбоя.

Телефонные аппараты системы МБ применяются главным образом для сельской внутрирайонной связи, телефонные аппараты системы ЦБ — на городских телефонных станциях.

В аппарате ЦБ, так же как и в аппарате МБ, имеется разговорный прибор — микротелефон, а в качестве вызывного прибора применяется электрический звонок. Кроме того, в аппарате ЦБ имеется трансформатор — прибор для повышения напряжения переменного тока, и конденсатор, включаемый последовательно с электрическим звонком.

Конденсатор преграждает дорогу в звонок постоянному току от центральной батареи, а переменный ток, посылаемый с телефонной станции при вызове абонента, пропускает.

Когда телефонный аппарат бездействует и его трубка находится на рычаге, он совершенно не потребляет электрической энергии. Но вот с телефонной станции пришел сигнал вызова. Зазвонил электрический звонок. Абонент снимает трубку с рычага аппарата. В то же мгновение разрывается цепь звонка, звонок перестает звонить. Рычаг под действием пружины поднимается вверх и замыкает цепь микротелефона. Можно начинать разговор.

Когда абонент кладет трубку на рычаг аппарата, вновь автоматически выключается микротелефон, а звонок и конденсатор, наоборот, включаются. Телефонный аппарат снова готов принять вызов со станции.

К телефонным аппаратам системы ЦБ относится и автоматический телефонный аппарат, снабженный номеронабирателем. Телефонные аппараты с номеронабирателями включаются в автоматические телефонные станции, о которых будет рассказано ниже.

От каждого телефонного аппарата отходят два провода. Чтобы получить возможность быстрого соединения каждого аппарата с аппаратом любого другого абонента телефонной сети, провода от аппаратов всех абонентов (так называемые абонентские линии) подаются на телефонную станцию данного города. Для устройства абонентских линий применяются либо воздушные провода, подвешенные на столбах (или стойках), либо кабели.

Что же представляют собой телефонные станции?

Ручные телефонные станции

Телефонные станции бывают ручные и автоматические. Познакомимся с ручной телефонной станцией.

Основным оборудованием ручной телефонной станции является телефонный коммутатор, служащий для соединения абонентских линий друг с другом. Коммутаторы, как и телефонные аппараты, применяются также двух систем: системы МБ, если коммутатор предназначен для включения в него телефонных аппаратов с местной батареей, и системы ЦБ, если коммутатор предназначен для включения в него телефонных аппаратов, которые обслуживаются одной центральной батареей, установленной на телефонной станции. Общий вид наиболее распространенного коммутатора системы ЦБ на 120 номеров показан на рис. 19.

Рис. 19. Телефонный коммутатор системы ЦБ.

Это — высокий шкаф, к которому приделан небольшой столик. Из отверстий в крышке столика выглядывают металлические стерженьки штепселей. Штепсели соединены со шнурами. На одном конце каждого шнура находится «опросный» штепсель, а на другом — «вызывной».

Эти шнуры и служат для соединения концов абонентских линий двух аппаратов. В нижней части лицевой стенки коммутатора правильными рядами расположены латунные «гнезда», похожие на гнезда в обычной штепсельной розетке электроосвещения. Это — так называемое местное поле коммутатора.

Каждая абонентская линия заканчивается в местном поле собственным гнездом и вызывной лампочкой. Сколько аппаратов можно включить в коммутатор, столько имеется и гнезд в местном поле. При вызове станции абонентом телефонистка вставляет опросный штепсель в гнездо вызывающего абонента в местном поле, а вызывной штепсель этого шнура — в гнездо вызываемого абонента. Но это последнее гнездо расположено, как увидим дальше, уже в другом, так называемом многократном, поле коммутатора, которое тоже обозначено на рис. 19.

Зачем же нужны гнезда этого многократного поля?

Емкость обычного коммутатора системы ЦБ равна 120 номерам. Если станцию надо оборудовать, например, на 600 абонентов, то устанавливают пять коммутаторов. Чтобы телефонистка каждого коммутатора, не вставая со своего рабочего места, могла производить соединения с любым из всех абонентов станции, в верхней части коммутатора устраивается многократное поле. Там монтированы такие же гнезда, как и в местном поле, но уже без вызывных лампочек. Если общая емкость всей станции составляет 600 номеров, то в многократном поле имеется 600 гнезд. В этом случае одно многократное поле устраивается на двух-трех рядом расположенных коммутаторах. Под гнездами многократного поля лампочек нет, они не нужны.

На том же рис. 19 видно, что рядом с каждой парой штепселей находится так называемый опросно-вызывной ключ. С помощью этого ключа (точнее, переключателя) телефонистка соединяет свой микрофон с линией вызывающего абонента, а также посылает вызов вызываемому абоненту.

Когда абонент снимает с телефонного аппарата трубку, то на коммутаторе около определенного гнезда в местном поле вспыхивает огонек вызывной электрической лампочки. Увидев его, телефонистка вставляет в это гнездо опросный штепсель соединительного шнура и затем переводит опросно-вызывной ключ «на себя». Этим она подключается к линии вызывающего абонента. Узнав, с каким номером телефона он хочет соединиться, она находит в многократном поле на коммутаторе нужное гнездо линии вызываемого абонента. В многократном поле гнезда на коммутаторе расположены в определенном порядке и имеют свои номера. Телефонистка вставляет в найденное гнездо второй конец соединительного шнура (с вызывным штепселем) и, передвинув головку опросно-вызывного ключа «от себя», посылает в линию с помощью индуктора вызов. Электрический звонок в телефонном аппарате вызываемого абонента приходит в действие. Услышав звонок, абонент снимает с рычага аппарата трубку и вступает в разговор.

Как только абоненты закончат разговор и положат трубки на аппараты, в коммутаторе тотчас загорятся отбойные лампочки, сигнализирующие об окончании разговора. Телефонистка разъединяет аппараты абонентов, вынимая из гнезд штепсели соединительного шнура, после чего отбойные лампочки потухают.

Таким образом, у каждой телефонистки, кроме гнезд своих абонентов (в местном поле), имеются гнезда всех других абонентов телефонной станции (в многократном поле). Потому каждого из своих абонентов телефонистка может соединить с любым другим абонентом станции. Но всякий раз, прежде чем соединить своего вызывающего абонента с другим (вызываемым) абонентом, телефонистка производит пробу на занятость линии. Концом штепселя она касается нужного гнезда в многократном поле. Если при этом телефонистка в своем головном телефоне услышит легкий треск (щелчок), то это означает, что линия вызываемого абонента занята. В нагрудный микрофон телефонистка произносит слово «занято» и отключает аппарат вызывающего абонента.

Автоматические телефонные станции

Чем отличается автоматическая телефонная станция (сокращенно АТС) от ручной телефонной станции? На АТС. телефонистку заменяют электромеханические приборы — реле и искатели. Вся работа по соединению абонентов осуществляется искателями, движением которых управляют реле.

Каждое реле состоит из катушки, якоря и контактных пружин. Обмотка катушки реле сделана из большого числа витков тонкого изолированного медного провода. Катушка надета на стальной стержень, называемый сердечником. Якорь — небольшая стальная пластинка.

Когда тока в обмотке катушки нет, якорь не притягивается сердечником. Но при включении тока сердечник намагничивается и притягивает к себе якорь, который при этом замыкает контактные пружины — упругие металлические пластинки, на концах которых приклепаны контакты, сделанные обычно из серебра. При замыкании и размыкании контактов включаются или выключаются электрические цепи. Таким образом, реле с контактами играет роль выключателя. Разница между комнатным электрическим выключателем и реле состоит в том, что выключатель надо приводить в действие рукой, а реле автоматически замыкает или размыкает электрическую цепь при пропускании тока через его обмотку.

Телефонные реле устанавливаются не только на автоматических, но и на ручных телефонных станциях. На ручных станциях они включают или выключают сигнальные лампочки в коммутаторе.

Как же абонент даст знать на автоматическую станцию о том, что ему требуется соединение с другим абонентом? Так как искатель не может реагировать на голос абонента, как это делает телефонистка, то каждому телефонному аппарату (системы ЦБ), включенному в АТС, придается дополнительное устройство в виде номеронабирателя.

Внешний вид номеронабирателя знаком многим из вас. Это — диск с десятью круглыми отверстиями, в которые вставляется палец при наборе нужного номера телефона. Против каждого отверстия выгравирована буква. Буквы идут по алфавиту, начиная с буквы «А» и кончая буквой «Л». Пропущена лишь буква «3». Это сделали для того, чтобы не вызвать ошибки при наборе номера, так как буква «3» очень похожа на цифру «три».

Через отверстия диска отчетливо видны цифры, нанесенные на неподвижной части номеронабирателя. Последняя, десятая, цифра — это «0» (ноль). Около этой цифры расположен небольшой металлический упор, в который упирается палец при наборе номера телефона.

Но зачем нужны, кроме цифр, еще и буквы? Дело в том, что в зависимости от емкости городской телефонной сети номер телефона может содержать от трех до шести цифр. Номер телефона из шести цифр запомнить довольно трудно. В этом случае вместо первой цифры номера применяется буква. Каждая буква обозначает район города или районную автоматическую телефонную станцию.

Итак, вы набираете нужный вам номер. Но вращение диска номеронабирателя на приборы АТС никакого действия еще не оказывает. Вы только заводите спиральную пружину, помещенную внутри номеронабирателя. Но вот палец коснулся упора, и вы отпускаете диск. Под действием пружины диск возвращается назад. Обратное движение диска происходит строго равномерно, с заранее отрегулированной скоростью.

При обратном ходе диска номеронабирателя посредством особых контактов в линию автоматически посылается прерывистый ток, состоящий из отдельных посылок — импульсов. Каждый импульс — это одно включение и следующий за ним обрыв тока.

Цифрам на доске соответствует определенное число импульсов. При наборе, например, цифры «1» посылается один импульс, при наборе цифры «2» — два импульса и так далее. Ноль (0) соответствует посылке десяти импульсов тока в линию.

При наборе шестизначного номера с телефонного аппарата посылается на станцию шесть серий импульсов.

Импульсы электрического тока, создаваемые в абонентской линии при наборе номера, воспринимаются на станции импульсным реле, которое управляет движением искателей.

Вторым основным прибором на АТС является искатель. Это — более сложный по сравнению с реле прибор. Для пояснения принципа его устройства заметим пока, что в корпусе искателя имеется набор металлических контактных пластин, изолированных друг от друга и от самого корпуса. Такие пластины располагаются по дуге окружности. К этим пластинам припаиваются концы проводников, идущих к тем абонентским линиям, среди которых искатель должен отыскивать нужную линию вызываемого абонента. Затем в искателе имеется щетка, сделанная из тонкого листового пружинящего металла (например, латуни). Щетка укреплена на оси искателя, причем изолирована от этой оси. При вращении оси искателя конец щетки скользит по указанным неподвижным контактам. Наконец, в искателе имеется движущий механизм, состоящий из электромагнита с якорем, и собачка храпового колеса, насаженного на ось искателя.

Чтобы понять сущность работы искателей от импульсов тока, рассмотрим упрощенную схему автоматической телефонной станции, в которую включено только четыре абонентских аппарата (на рис. 20 показано всего два из них).

Рис. 20 Упрощенная схема автоматической телефонной станции на четыре номера.

На такой станции линия каждого аппарата должна быть соединена с отдельным искателем. Эту линию связи для простоты возьмем однопроводную, вторым проводом будет земля. В каждом искателе, как мы говорили раньше, имеются: контактное поле из четырех контактов; затем щетка Щ, укрепленная на храповом колесе ХК, причем щетка вращается вместе с колесом на одной оси, и, наконец, соединенный с электрической батареей Б электромагнит ЭМ, являющийся движущим механизмом.

Контакты всех искателей соединяются между собой многократно (запараллеливаются) для того, чтобы при помощи любого искателя можно было получить соединение с каждым из четырех абонентов. Аппарат каждого абонента снабжается дополнительно ключом К; при нажатии на этот ключ линия абонента выключается.

Мы уже знаем, что когда микротелефон аппарата системы ЦБ находится в положении покоя, то линия абонента разомкнута конденсатором. При снятии же микротелефона линия абонента замыкается через контакт рычага и спокойный контакт ключа К и ток от станционной батареи Б будет проходить через обмотку электромагнита ЭМ. Тогда якорь Я этого электромагнита притягивается, растягивает пружину П якоря и переводит имеющуюся на его конце собачку к следующему зубцу колеса ХК, но пока не приводит этого колеса в движение.

Теперь допустим, что вы — абонент аппарата № 1 — желаете получить соединение с аппаратом № 4. Вы нажимаете ключ К, цепь тока обрывается, электромагнит размагничивается, и пружина возвращает якорь в положение покоя. При этом собачка повернет храповое колесо на один зубец. Вместе с этим колесом повернется и щетка, которая остановится на первом контакте. Снова надо три раза подряд нажать ключ, в результате чего щетка перейдет на четвертый контакт и аппарат № 1 будет соединен с аппаратом № 4. Теперь остается послать абоненту № 4 вызов при помощи электрического звонка, и вы можете с ним разговаривать. Окончив разговор, надо установить щетку искателя в первоначальное положение (слева от первого контакта) и этим подготовить искатель к новому вызову. Таким образом, при каждой посылке в линию импульса тока искатель поворачивается на один зубец, или, как говорят, делает один шаг; отсюда и название шагового искателя.

Конечно, автоматическая телефонная станция на несколько сотен или тысяч номеров устроена значительно сложнее, чем рассмотренная нами миниатюрная станция на четыре номера, но принцип работы искателей у нее тот же.

На АТС шаговой системы применяется так называемый подъемно-вращательный искатель емкостью на сто телефонных линий. На оси такого искателя укреплены три контактные щетки. Они могут не только вращаться на оси искателя, но и подниматься и опускаться по ней. Подъем и поворот щеток искателя производится двумя электромагнитами. Один служит для подъема щеток, другой — для их вращения. В искателе имеется три группы контактов по десяти рядов в каждой. Три группы контактов нужны для трех проводов: каждый абонентский аппарат, как мы знаем, соединяется со станцией двумя проводами, а при помощи третьего провода определяется (делается проба), свободна ли в данный момент линия вызываемого абонента или занята. Каждый ряд в свою очередь состоит из десяти контактов, расположенных по окружности. Таким образом, один такой искатель обслуживает целых сто трехпроводных телефонных линий.

При поступлении импульсов тока в обмотку подъемного электромагнита он шаг за шагом поднимает щетки искателя вверх. Но вот найден нужный ряд, щетки останавливаются, и тогда начинает работать второй электромагнит — вращающий. Он передвигает контактные щетки шаг за шагом вправо. Шаг, другой, третий… — и, наконец, щетки касаются контакта, к которому присоединена нужная телефонная линия. Электромагнит выключается, и щетки тотчас останавливаются.

От каждого аппарата на телефонную станцию протянуто, как было сказано, два воздушных провода или две тонкие изолированные друг от друга жилы кабеля. Пока с рычага аппарата не снята трубка, в линии связи тока нет.

Что же происходит на шаговой АТС, когда вы снимете трубку с рычага аппарата?

Когда трубка снимается с рычага, в корпусе телефонного аппарата плотно прижимаются друг к другу две маленькие металлические пластинки с контактами, замыкающими электрическую цепь. Через аппарат начинает проходить ток с телефонной станции. Сигнал вызова с аппарата абонента, снявшего трубку, поступает в телефонное реле, которым заканчивается линия каждого телефонного аппарата. Оно называется линейным. Это реле пускает в ход так называемый предыскатель, имеющий в своем контактном поле только 10 контактов. Конец щетки предыскателя быстро пробегает по контактам, к которым присоединены линии искателей. На автоматической телефонной станции смонтированы тысячи искателей, осуществляющих соединение аппаратов друг с другом. В тот момент, когда вы сняли с рычага аппарата трубку, некоторые из этих искателей оказываются уже занятыми. Другие же искатели свободны. Нужно быстро разыскать один из свободных искателей и с ним соединиться.

Передвижение щеток предыскателя происходит очень быстро. «Шаг» с одного контакта на соседний длится примерно две сотые секунды. За это время предыскатель успевает «почувствовать», свободен или занят искатель, соединенный с данным контактом. Если он занят, то щетки предыскателя тотчас же переходят на следующий контакт, а если свободен, то останавливаются на нем.

Почти не бывает таких случаев, когда одновременно заняты все искатели станции. Практически самое большое количество разговоров, происходящих одновременно, около десяти на каждые сто абонентов.

Когда щетки предыскателя находят первый незанятый искатель, тотчас же срабатывает еще одно телефонное реле, называемое разделительным. Разделительное реле немедленно останавливает предыскатель, и его щетки останавливаются на контакте, соединенном со свободным искателем. При этом сразу же срабатывает и ряд других телефонных реле.

Одно из этих реле посылает в трубку вызывающего абонента сигнал о готовности обслужить вызов. В трубке раздается непрерывный гудок. Теперь вы можете набирать номер.

Скажем, вы набираете номер телефона В1-38-77[2]. При наборе буквы «В» в линию посылается серия, состоящая из трех импульсов, так как буква «В» соответствует цифре «3». Дальше снова заводится и отпускается диск, в линию посылается вторая серия, состоящая в данном случае из одного импульса. Затем идут серии по три импульса, по восьми и, наконец, две серии по семи импульсов.

При наборе первой серии импульсов вступает в действие подъемный электромагнит искателя, поднимающий щетки вверх до третьего ряда контактов. После этого он автоматически отключается.

Затем автоматически включается вращающий электромагнит искателя, поворачивающий поднятые щетки вправо до тех пор, пока они не остановятся на одном из свободных контактов. К этим контактам присоединены другие искатели, находящиеся на АТС района В.

Вторая серия, состоящая в нашем случае из одного импульса, заставляет работать один из свободных искателей, и в результате телефон оказывается соединенным с районной АТС В-1.

Следующие две серии импульсов от номеронабирателя заставляют работать подъемно-вращательные искатели, установленные на АТС В-1. Эти искатели находят группу абонентов, к которой относится нужный номер телефона. В данном случае сначала отыскивается третья тысяча, а затем восьмая сотня. И, наконец, последний искатель — линейный — соединяет ваш телефонный аппарат с тем аппаратом, который вам нужен.

Искатели, отыскивающие требуемую районную АТС, соответствующую тысячную группу абонентов, соответствующую сотню абонентов, а также линейные искатели, отыскивающие нужную телефонную линию вызываемого абонента, устроены совершенно одинаково. И работают они все удивительно быстро. Щетки искателя менее чем за полсекунды обходят все десять контактов.

Что же происходит дальше? Линия вызываемого абонента может оказаться свободной или занятой. Пробу линии на занятость производит специальное реле. Оно так и называется: пробное реле.

Если вызываемый абонент уже с кем-то разговаривает, то после набора номера пробное реле включает прибор, который посылает в линию частые прерывистые гудки, означающие, что линия вызываемого абонента занята. Услышав их, надо положить трубку на рычаг аппарата, а не ждать, когда линия освободится. Если даже она освободится, все равно соединения не получится.

Если же линия вызываемого абонента свободна, пробное реле немедленно включает сигнал вызова. Одновременно этот же сигнал посылается и вызывающему абоненту. Он слышит в своей трубке продолжительные редкие гудки, означающие, что вызываемый телефон свободен.

Вызываемый абонент, услышав звонок, снимает со своего аппарата трубку и приступает к разговору. И сразу же, как только этот абонент снимет трубку, срабатывает так называемое ответное реле. Гудки прекращаются, а линии аппаратов обоих абонентов будут соединены друг с другом, и они могут разговаривать.

Наконец, абоненты закончили свой разговор и повесили трубки. Реле тотчас же выключаются, а щетки искателей, которые участвовали в соединении абонентов, автоматически возвращаются в первоначальное, исходное положение.

Кроме шаговой АТС, существуют АТС и других систем. У нас работает много так называемых АТС с машинным приводом. Машинная АТС имеет ряд значительных особенностей по сравнению с шаговой АТС. Например, на машинной АТС применяется искатель емкостью в 500 линий. Щетка такого искателя в отличие от шагового искателя может двигаться только в горизонтальной плоскости по двум направлениям: по окружности искателя (круговое движение) и по радиальному направлению. Номер телефона, набранный абонентом по десятичной системе, очень сложный и «умный» прибор — регистр пересчитывает по той системе, по которой ведется счет контактов. Для приведения в действие искателей применяются специальные электродвигатели (машинный привод).

У нас имеются учреждения и предприятия, назначение которых — обслуживание населения в особо срочном порядке. Чтобы позвонить туда, нужно быстро и безошибочно набрать двузначный номер. Набор шестизначного номера длился бы, конечно, дольше, чем двузначного. Кроме того, в спешке, волнуясь, легко перепутать номер телефона, состоящий из шести знаков.

Предположим, что у вас в кухне испортился кран газовой плиты. Помещение быстро наполняется газом, опасным для здоровья и жизни. Открыв в кухне настежь окна, вы подходите к телефонному аппарату и набираете двузначный номер телефона «04». Через короткое время к вам на помощь приедут работники аварийной службы и устранят повреждение.

По телефону с двузначным номером «05» вы можете вызвать бюро обслуживания, по телефону «09» — справочное бюро, по «01» — пожарную охрану, по «03» — скорую медицинскую помощь.

Исправность аппаратуры и телефонных линий для этих вызовов находится под особо тщательным контролем. Соединения с учреждениями срочного обслуживания производятся в несколько раз быстрее, чем с обычными абонентами. На станциях ручного обслуживания телефонистка соединяет с каждым из этих учреждений, не спрашивая их номера.

А как работают телефоны-автоматы общего пользования? Прежде чем пользоваться телефоном-автоматом, в его копилку надо опустить пятнадцатикопеечную монету, а затем снять трубку с рычага. От тяжести монеты замыкаются электрические контакты внутри автомата, и аппарат включается в линию. В этот момент в трубке слышится продолжительный гудок; это — сигнал о том, что вы можете набирать номер. Если разговор не состоится, аппарат возвратит монету обратно.

В больших городах по телефону вы можете проверить время. Сняв трубку с рычага телефонного аппарата, вы набираете номер говорящих часов. В трубке слышится отчетливо произнесенная фраза, например: «десять часов двадцать семь минут». Если через две минуты снова набрать номер говорящих часов, то со станции ответят: «десять часов двадцать девять минут». Сколько бы раз вы ни вызывали говорящие часы, они неизменно дадут вам точный ответ. Кто же отвечает вам по телефону?

На автоматической телефонной станции установлен аппарат, главной частью которого служит небольшой металлический барабан; на его поверхности укреплена кинопленка. На пленке записан звук человеческого голоса. На одной части барабана помещена кинопленка с записью часов: один час, два часа, и так до двадцати трех часов включительно. На другой части барабана — кинопленка с записью минут: одна минута, две минуты, и так до пятидесяти девяти минут. Эти записи читают два одинаково устроенных прибора, которые называются оптическими звукоснимателями. Один прибор читает часы, другой — минуты.

Запись звука на кинопленку делается с помощью электрической лампы, световые лучи которой отражаются от полуцилиндрического зеркальца, образуя пишущий световой штрих («зайчик»). Этот световой «зайчик», попадая на движущуюся кинопленку, оставляет на ней след — «дорожку». Зеркальце, создающее «зайчик», связано с мембраной микрофона. Когда перед микрофоном говорят, то колебания микрофона передаются зеркальцу, в результате этого яркость «зайчика» изменяется. Поэтому изменяется и ширина «дорожки», которую делает «зайчик» на кинопленке. Таким образом, на кинопленке получается запись звуков, произнесенных перед микрофоном.

Записанные на кинопленку звуки (слова) читают с помощью оптического звукоснимателя. Для этого направляют световой «зайчик» на «дорожку» заготовленной кинопленки. В зависимости от ширины дорожки от нее отражается больше или меньше света. Отражаемый от кинопленки свет «зайчика» попадает в установленный поблизости от барабана прибор, называемый фотоэлементом.

Фотоэлемент превращает световые лучи в электрические токи различной величины. Величина токов в фотоэлементе меняется в зависимости от количества света, отражаемого от кинопленки и попадающего в фотоэлемент. Вот эти-то токи, пройдя через усилитель и линию связи, попадают в нашу телефонную трубку, где они превращаются в звуки.

На исходе каждой минуты звукосниматель передвигается вдоль барабана на следующую звуковую дорожку. После того как он пройдет пятьдесят девять дорожек, снова возвращается на дорожку с записью «0» минут. И в это же время звукосниматель, читающий часы, перемещается на соседнюю звуковую дорожку. Все движения звукоснимателей и барабана производятся автоматически, в строгой зависимости от точных, выверенных часов.

Телефонные реле, искатели и другие приборы, применяемые на телефонных станциях, широко используются также на заводах, электростанциях и других предприятиях для автоматизации отдельных этапов производственных процессов.

16 разговоров по одной паре проводов

Для устройства в городе телефонной связи, кроме телефонной станции (например, АТС на несколько тысяч номеров), по всей территории города надо проложить кабели или воздушные провода для соединения телефонных аппаратов, установленных у абонентов, со станцией. Об устройстве таких линейных сооружений рассказано ниже. Сейчас заметим только, что стоимость линейных сооружений для городской телефонной сети примерно в два раза больше стоимости оборудования телефонной станции. Еще дороже по сравнению со станционными сооружениями те кабели и воздушные провода, которые приходится прокладывать на сотни и тысячи километров между междугородными телефонными станциями (МТС).

Естественно возникает вопрос: а можно ли по одной линии связи вести одновременно не один, а несколько телефонных разговоров? Над этой проблемой работали многие ученые и инженеры.

Еще в 1880 году военный связист Г. Г. Игнатьев впервые в мире произвел опыт передачи по одной линии связи телеграммы и телефонного разговора. Он использовал свойство конденсатора пропускать переменный ток и задерживать постоянный. Переменный ток, возникающий при телефонном разговоре, свободно проходит через конденсатор, а постоянный — задерживается. Поэтому для постоянного тока был дан другой путь: через катушку, состоящую из большого числа витков изолированного провода. Такая катушка (катушка индуктивности) пропускает постоянный ток и, наоборот, задерживает переменный ток.

При помощи конденсатора и катушек индуктивности Игнатьеву удалось передать по одному проводу одновременно телеграмму и телефонный разговор. Токи, приходящие с линии, на станции разделились: постоянный ток шел в телеграфный аппарат, переменный — через конденсатор в телефон.

В настоящее время по одной паре проводов осуществляется несколько телефонных разговоров. Для этого используются переменные токи различной частоты.

Известно, что обычный переменный ток осветительной сети сто раз в секунду меняет свое направление. Частота тока в этом случае равна 50 полным колебаниям в секунду, или, как принято обозначать в технике, 50 герцам. При телефонных же переговорах используются переменные токи с частотами от 300 до 2400 герц. Это — так называемые токи звуковой частоты.

Переменные токи звуковой частоты преобразовывают с помощью особых устройств в токи со значительно большей частотой — до 150 тысяч герц. С применением токов такой высокой частоты и организуется передача нескольких телефонных разговоров одновременно по одной паре проводов. Для каждого разговора отводится определенная «полоса» частот. Например, одна пара абонентов ведет разговор, пользуясь токами звуковой частоты от 300 до 2400 герц; для следующих трех пар абонентов выделяются три полосы высокой частоты в пределах от 6300 до 14 700 герц; для пятой пары абонентов выделенная полоса частот начинается с 36 000 герц.

Но почему же говорящие не мешают друг другу? Дело в том, что в общей широкой полосе спектра частот для каждого разговора выделяются отдельные участки этой полосы, которые не перекрывают один другого. Более того, между этими участками полосы частот оставляются небольшие промежутки, «барьеры». Благодаря этому невидимому барьеру абоненты и не мешают друг другу. В дополнение к этому на междугородных телефонных станциях устанавливают специальные приборы — электрические фильтры, включаемые в абонентские линии. Каждый фильтр является «ограничителем» и пропускает токи только определенной полосы частот (для каждого разговора) и задерживает все другие токи.

Аппараты и приборы, которые позволяют по одной паре проводов осуществлять одновременно несколько телефонных разговоров, называются аппаратурой уплотнения. Пользуясь аппаратурой уплотнения системы К-24, по двум парам кабельных жил, выделенных из двух рядов проложенных кабелей, можно организовать 24 одновременных разговора (24-канальная система). Следовательно, в этом случае одновременно пользуются телефонной связью 48 абонентов.

Наиболее же распространенными системами уплотнения воздушных линий связи являются системы В-3 и В-12. Пользуясь аппаратурой уплотнения этих систем, по одной паре воздушных проводов можно вести 16 одновременных разговоров.

Более усовершенствованной является разрабатываемая аппаратура уплотнения системы К-60. С применением такой системы по двум парам жил, выделенным из двух рядом проложенных кабелей, можно будет организовать 60 одновременных разговоров (60-канальная система).

Проводные линии связи

Мы уже говорили, что для работы двух телеграфных или телефонных аппаратов их необходимо соединить друг с другом линией связи. Наиболее простая линия связи состоит из одного или двух металлических проводов.

В горах Алтая и Кавказа, в степях Украины, в сибирской тайге — повсюду можно увидеть ровный ряд столбов с фарфоровыми изоляторами и укрепленными на них проводами — это воздушные линии связи. Сотни тысяч километров проводов подвешены на линиях связи нашей страны.

Провода чаще всего голые, без изоляции. Одни из них стальные, другие алюминиевые, третьи медные. Для подвески проводов в столбы ввертываются стальные крюки. На каждый крюк насаживается фарфоровый изолятор, к которому при помощи мягкой вязочной проволоки укрепляется воздушный провод. На многопроводных линиях связи вместо крюков применяют траверсы со штырями.

Работы по устройству воздушных линий связи приходится вести на сотни километров, поэтому для ускорения и удешевления таких работ применяют специальные механизмы. Так, например, для рытья ям, в которых устанавливаются столбы (опоры), применяют бурильную машину, а установку столбов в заготовленные ямы производят с помощью крана-столбостава.

К изоляторам провода прикрепляются, как уже говорили, вязочной проволокой. Но, раньше чем закрепить провода на изоляторах, их регулируют, т. е. устанавливают одинаковое расстояние между соседними проводами. При этом натягивают провода не очень туго, а так, чтобы они несколько провисали, или, как говорят, имели установленную нормами стрелу провеса.

Это — одно из самых важных правил производящегося у нас массового строительства воздушных линий связи. Дело в том, что очень туго нельзя натягивать провода, так как зимой они укорачиваются и могут лопнуть.

Воздушные линии связи требуют постоянного присмотра. На них влияют атмосферные явления. Так, например, если на проводах появляется лед, то он создает дополнительную механическую нагрузку, в результате чего могут произойти обрывы проводов. При сильном гололеде на воздушных линиях связи могут произойти обрывы проводов и падение опор на значительных по длине участках. Тогда на магистральных линиях с многоканальной связью прекращается сообщение на многих телеграфно-телефонных связях. Чтобы не допустить такой аварии или быстро ликвидировать ее последствия, работники связи привлекают на помощь по заранее имеющейся договоренности временных рабочих из расположенных вблизи колхозов.

На воздушные линии связи влияют также сильный ветер, дождь, снег, иней. Иногда столбы подгнивают, и их приходится заменять новыми. Иногда разрушаются изоляторы, подчас ржавеют и обрываются провода и так далее. За целостью и исправностью воздушных линий связи круглосуточно следят участковые линейные надсмотрщики.

Наряду с воздушными линиями связи на городских телефонных сетях, а также на междугородных магистралях у нас имеется много кабельных линий связи. Подавляющее большинство их скрыто под землей, это — подземные кабельные линии связи.

Кабель представляет собой совокупность медных изолированных проводников (жил), свитых между собой попарно (или четверками) и заключенных на всем протяжении в гибкую защитную оболочку из свинца (так называемые освинцованные кабели). Для менее ответственных прокладок применяются кабели с пластмассовой (полихлорвиниловой) оболочкой.

Для городских телефонных сетей кабели изготовляются емкостью от одной пары до 1200 пар. Прокладываются они под землей в асбестоцементных или бетонных трубах, а иногда подвешиваются на стальных тросах, укрепленных на столбовых и стоечных линиях.

Кабели большой емкости, идущие от телефонной станции в разные части города, оканчиваются в так называемых распределительных шкафах, которые устанавливаются на тротуарах или внутри больших домов, а кабели меньшей емкости, идущие от распределительных шкафов, подводятся к распределительным коробкам (на стенах зданий) или кабельным ящикам (на столбах и стойках).

От распределительных коробок к телефонным аппаратам абонентские линии подаются однопарными кабелями, а от кабельных ящиков — воздушными проводами.

В распределительном шкафу любая пара жил кабеля, поданного со станции, может быть легко и быстро соединена с любой парой жил распределительного кабеля, введенного в данный шкаф. Это дает возможность переключить каждую абонентскую линию с одной пары жил ка другую (например, в случае неисправности данной пары жил или в случае переезда абонента в другое помещение) и включать новые абонентские линии без проведения каких-либо трудоемких работ.

На тех участках кабельной линии связи, которые находятся вне населенных пунктов, кабель прокладывается непосредственно в земле, без труб. Там в случае повреждения кабеля его можно беспрепятственно откопать, так как сверху нет искусственного покрова (например, асфальтового слоя). Для защиты от механических повреждений прокладываемые непосредственно в земле кабели снабжаются надежной броней из двух стальных лент 2, как это показано на рис. 21.

Рис. 21. Устройство подземного бронированного кабеля связи.

Наружный покров 1 у такого бронированного кабеля сделан из кабельной пряжи, пропитанной антисептиком. Это предохраняет оболочку кабеля от почвенной коррозии (разъедания). Медные жилы кабеля 6 изолированы друг от друга и скручены четверками. Весь пучок жил (в данном случае семь четверок) обмотан бумажной или тканевой лентой 5 и заключен в свинцовую оболочку 4. Для защиты свинцовой оболочки от механических воздействий стальных лент на нее наложена подушка 3 из кабельной пряжи.

Большим достижением в технике связи является новый тип кабеля, так называемый коаксиальный кабель. В отличие от многожильных кабелей для городских телефонных сетей в коаксиальном кабеле имеется всего несколько пар жил. Один проводник коаксиальной пары (внешний проводник) представляет собой, как показано на рис. 22, полую медную трубку, внутри которой посредством изоляционных шайб укреплена медная жила (внутренний проводник). Геометрические оси обоих проводников совпадают.

Рис. 22. Устройство коаксиального кабеля.

Чем же замечателен этот кабель?

Основное его достоинство — невосприимчивость к помехам от внешних источников, а также то, что энергия высоких частот, передаваемая по кабелю, не оказывает никакого электрического влияния на соседние цепи связи. Поэтому оказалось возможным осуществлять по одной коаксиальной паре не только большое число одновременных телефонных разговоров, но и передавать программы телевидения.

В местах соединений кабелей устраивают кабельные колодцы и выполняют ряд других работ. Кроме того, стоимость самого кабеля в несколько раз больше стоимости голых проводов, так как в кабеле требуется тщательное изолирование отдельных жил и всех жил вместе, а также устройство защитной оболочки для всего пучка жил. Поэтому устройство кабельной линии значительно дороже, чем воздушной. И тем не менее кабельные линии связи широко применяются, так как уложенный в почву кабель при эксплуатации не требует постоянного наблюдения.