Когда я был маленький, я много раз разбирал старые телефоны, и вот только сейчас, к седым годам понял, что никогда не задавался вопросом, как они работали. А работало все очень интересно.
Начнем с номеронабирателя. Телефон подключен к сети двумя проводами. Номеронабиратель — дисковый. Когда вы взводите диск, контакты блокируются, а когда отпускаете — диск возвращается назад и выдает в линию серию прерываний/импульсов. Но как сделали так, чтобы он возвращался с постоянной скоростью (это 10 импульсов в секунду)?
Он работал на основе центробежного фрикционного регулятора. Механика (редуктор) разгоняла ось регулятора до тысяч оборотов в минуту. На оси сидели два грузика с фрикционными накладками (считай тормозами). Центробежная сила прижимала их к неподвижному барабану, создавая тормозное усилие. Это прямой наследник центробежного регулятора Уатта, позволявший механизму работать стабильно независимо от того, как резко вы отпустили диск.
Далее. АТС соединила вас с другом. Вы говорите одновременно, и звук передается и туда, и оттуда по двум проводам — почему двух, а не четыре понятно? Ну хорошо, а вот почему вы не слышите сами себя слишком громко, ведь микрофон шлет звук туда же, откуда его слышит «динамик»?
Я вот быстро ответить не смог. Пошел гуглить. Так вот, оказывается, за это отвечал специальный дифференциальный трансформатор. Там ток от микрофона разветвляется: часть идет в линию к другу, а часть — в «балансный контур» (цепочку из резистора и конденсатора внутри телефона), имитирующую сопротивление линии. Обмотки трансформатора намотаны встречно: магнитные потоки от тока в линию и тока в балансный контур взаимно уничтожаются в той обмотке, что идет к динамику. Инженеры специально настраивали баланс не идеально, оставляя «местный эффект» — тихий звук собственного голоса, чтобы телефон не казался «мертвым». А вот входящий сигнал от друга разбалансировать нечем (с вашей стороны тишина), поэтому он свободно проходит на динамик.
Теперь про микрофон. В то время транзисторов в телефонах не было, но сигнал был громким. Секрет — в конструкции микрофона, он — угольный. По сути, это коробочка с угольным порошком и подвижной мембраной. Звук изо рта сжимает и разжимает порошок, меняя его сопротивление. Микрофон не генерирует ток, а модулирует мощный ток, идущий от АТС. По сути, он работал как усилитель. Со временем уголь слеживался, и слышимость падала — отсюда была привычка стучать трубкой, чтобы «встряхнуть» порошок.
А вот динамик был нормальный, электромагнитный. Хотя не совсем. Если бы внутри был просто электромагнит (без постоянного магнита), телефон бы безбожно искажал голос. Электромагнит притягивает железо независимо от полярности тока. Если подать синусоиду (голос), то мембрана притягивалась бы и на положительной полуволне, и на отрицательной. Результат: частота звука удвоилась бы, и вы слышали бы не голос друга, а непонятное высокочастотное жужжание. Постоянный магнит решает эту проблему: Он создает «преднатяг». Мембрана всегда притянута к магниту со средней силой. Когда приходит «плюс» сигнала, магнитное поле усиливается и мембрана прогибается сильнее. Когда приходит «минус» сигнала, поле ослабевает и мембрана отпружинивает назад.
Сейчас в современном динамике сила строго зависит от направления тока. Плюс толкает, минус тянет. Поэтому «удвоения частоты», которого боялись инженеры старых телефонов, здесь физически возникнуть не может. Мембране не нужен «преднатяг» магнитом, ей нужно просто висеть в покое.
Интересно, что принцип старых электромагнитных капсюлей (мембрана из металла + «якорь») используется сейчас в самых дорогих внутриканальных наушниках — гуглите «арматурные наушники» (цена там 500 баксов где-то).
Напряжение в телефонной сети было отрицательное — минус 48/60 вольт. Плюс заземлен, а «живой» провод — это минус. Зачем? Оказывается, это защита от электрохимической коррозии. Кабели лежат в сырой земле. Если бы на жиле был «плюс» (анод), при повреждении изоляции медь растворялась бы (электролиз) и кабель сгнивал. С «минусом» (катод) ионы металла, наоборот, стремятся осесть на провод из почвы, что продлевало жизнь кабеля на десятилетия.
