Amplificazione prima dell'invenzione di tubi e transistor

I telefoni sono più vecchi dei tubi a vuoto e ovviamente dei transistor. Come è stata eseguita l'amplificazione del segnale?

Intendo la tecnologia, non i dettagli.

MODIFICARE

Alcune informazioni aggiuntive che avrei dovuto dare all'inizio:

• La domanda è limitata alla telefonia
• Non mi interessano le apparecchiature sperimentali Supponiamo ad esempio che le apparecchiature avrebbero dovuto essere realizzate in quantità superiore a 30 pezzi, o meglio che fosse un prodotto commerciale.
• Non sono solo interessato a soluzioni puramente elettriche: può essere meccanico, idraulico ... (ma senza ripetitori umani!)
• adattamenti di impedenza (acustici o elettrici ...) non sono considerati qui come amplificazione.

SINTESI DELLE RISPOSTE

• Non c'era alcuna amplificazione tra il microfono e la cuffia, anche per una trasmissione di 1200 km, ma da un lato era necessario urlare e dall'altro lato il silenzio assoluto (vedi risposta WhatRoughBeast)

• il microfono al carbonio stesso è un amplificatore. La definizione generale di un amplificatore non è sempre molto semplice (vedi la risposta di Ali Chen e la seconda risposta di BillF, se puoi seguire), ma è sufficiente dire che un altoparlante elettrodinamico accoppiato a un microfono al carbonio è un amplificatore elettrico (vedi il prossimo- risposta hack e prima risposta di BillF). Aggiungo che gli altri tipi di microfoni sono attenuatori (da qui la domanda)

• le migliori linee telefoniche hanno una perdita di soli 0,04 dB / km alla frequenza audio. (confronta con 10dB / km a 300kHz per le nostre linee telefoniche)

• Il suono più basso che un essere umano può sopportare è di oltre 80 dB al di sopra del più basso che riesca a sentire. (Commento di RussellBorogove). È possibile che il suono all'interno del clacson (vedi risposta peufeu) sia ancora più forte di quello che un essere umano può sopportare.

Grazie per il contributo

Non lo era.

All'inizio (circa 1890) la telefonia a lunga distanza veniva effettuata da cabine insonorizzate e spesso utilizzava telefoni non standard (a 4 fili). Da New York a Chicago era il limite di distanza. Nel 1911, l'uso delle bobine di caricamento consentiva la comunicazione da New York a Denver. Si noti, tuttavia, che questo è stato piuttosto frustrante e ha comportato molte urla.

Nel 1915 fu fatta la prima chiamata transcontinentale, con amplificazione usando il tubo del vuoto audion.

L'amplificazione, prima che fossero disponibili amplificatori a valvole, potrebbe essere ottenuta in diversi modi. Alcuni di loro sono:

• Utilizzando un altoparlante elettrodinamico accoppiato a un microfono a carbone, per formare un ripetitore.
• Usando la resistenza negativa di una lampada al mercurio (anche se non si capiva la natura fisica della resistenza negativa).
• Usando un amplificatore magnetico (ancora usato ben dopo l'era del tubo e del transistor, e ancora oggi in alcune applicazioni). Gli amplificatori magnetici furono inizialmente utilizzati come switch alla fine del 1800 e furono usati come amplificatori quando le valvole erano già disponibili, ma l'alta affidabilità era molto importante.

L'imbuto che dovresti urlare è in realtà un corno:

I clacson sono trasformatori acustici, di solito vengono utilizzati al contrario: un trasduttore ad alta pressione ("driver di compressione") è montato sulla gola e il clacson emette un'onda acustica a bassa pressione sull'altra estremità con una superficie molto più ampia area, che si traduce in elevata potenza acustica. Fondamentalmente un megafono:

Ma funzionano in entrambi i modi. Se montato su un microfono, l'intera superficie della "bocca" del corno viene utilizzata per immettere onde acustiche e all'altra estremità emette una pressione molto più elevata, che aumenta il segnale disponibile per i microfoni primitivi del giorno. .

Questa non è amplificazione in quanto è puramente passiva, ma sono sicuro che abbia aiutato.

Nota: le trombe si distorcono anche a causa dei riflessi interni e delle modalità di risonanza, motivo per cui di solito suonano un po '"clandestini".

Il sistema telefonico pre-vuoto utilizzava esattamente il microfono a granuli di carbonio come amplificatore. Quello che Bell ha inventato è stato l'uso essenzialmente dello stesso dispositivo di altoparlante e microfono. Ora lo chiamiamo microfono dinamico. Il sistema di Bell non aveva alcun meccanismo di guadagno; non aveva alcun vantaggio intrinseco rispetto al raggio di comunicazione su due scatole di latta collegate da una stringa. La gamma pratica era un piccolo numero di isolati.

Il microfono al carbonio ha la proprietà richiesta di un amplificatore: funziona fondamentalmente come una valvola. Pertanto, il segnale elettrico può avere una potenza molto più grande del segnale acustico. Questa è stata l'invenzione che ha portato il telefono da un giocattolo ad un sistema di telecomunicazione. (A proposito, la famosa citazione dei dirigenti di Western Union, secondo cui non potevano vedere nessuna applicazione pratica del telefono di Bell "al momento" era specificamente in riferimento ai brevetti di Bell, che è ciò che era stato loro offerto. l'obiezione era precisamente la gamma limitata.)

Il microfono a carbone è stato inventato da Thomas Edison e lui e tutti gli altri coinvolti sapevano esattamente cosa stava succedendo (amplificazione) e perché era necessario per la crescita del sistema telefonico. La storia è dettagliata, almeno dal punto di vista di Edison in un libro scritto dal suo avvocato specializzato in brevetti, Frank Lewis Dyer, Edison His Life and Inventions, Capitolo 9. (Disponibile da http://www.gutenberg.org/files/820 /820-h/820-h.htm ). Il microfono a carbone era anche usato in un antico amplificatore analogico elettrico chiamato "relè telefonico" che era essenzialmente un ricevitore telefonico accoppiato meccanicamente a un pulsante carbone. Ci sono molte informazioni sulle prime tecnologie di amplificazione in un libro di H. Peter Friedrichs intitolato Instruments of Amplification: Fun with Homemade Tubes, Transistors, and More (2003).

Se ti stai chiedendo perché è che conosciamo solo il contributo di Bell al telefono, quando è stato davvero Edison a rendere scalabile il sistema, dai la colpa a J. Pierpont Morgan. Ha imposto la struttura dei quasi-monopoli high-tech dei primi del 20 ° secolo in un rimodellamento delle società che hanno imposto le necessarie licenze di brevetto. In sostanza a Bell fu dato quello che divenne AT&T e Edison a GE. Fu Morgan a imporre un'interpretazione di ampia portata dei brevetti di Bell, non chiunque fosse collegato al sistema brevettuale degli Stati Uniti.

Il mio interesse per questa storia risale a qualche anno quando stavo esaminando se un sistema tecnologico fosse mai riuscito a ridimensionare (di più di un fattore 10) senza l'uso di un elemento di guadagno. La ragione per cui questo era ed è di interesse sono le affermazioni per il calcolo reversibile e quantistico, per esempio, che non possono avere elementi di guadagno. Includo in "elementi di amplificazione" cose come lo stick di agitazione nel fuoco del paleolitico, le valvole a paletta nelle serrature dei canali e l'acceleratore del motore a vapore. Sembrava che il primo sistema telefonico fosse l'eccezione. In effetti si è rivelato l'esempio assolutamente classico di un concetto di sistema che non andava da nessuna parte fino a quando non è stato inventato l'elemento guadagno.

I telefoni sono più vecchi dei tubi a vuoto e ovviamente dei transistor. Come è stata eseguita l'amplificazione del segnale?

Ricordo che quando ero bambino potevi comprare un microtelefono di plastica collegato a un altro microtelefono di plastica su un paio di fili lunghi circa trenta metri. Potresti parlare nel ricevitore (non sono necessarie batterie) e all'altro ricevitore la persona potrebbe sentirti. Funzionava in entrambe le direzioni, cioè c'era un piccolo altoparlante (che raddoppiava come un microfono) collegato con due fili a un altro piccolo altoparlante nel ricevitore remoto.

Faceva affidamento sul fatto che l'altoparlante fosse efficiente per circa il 10%, ovvero accoppiava circa il 10% della potenza acustica ricevuta e questo veniva convertito in circa l'1% della potenza sonora originale all'altra estremità. Bastava tenere una conversazione e non aveva bisogno di batterie.

C'è una società che (l'ultima volta che ho guardato) ha prodotto telefoni "alimentati dal suono" per ambienti di gas infiammabili perché sono intrinsecamente sicuri e non causeranno un'esplosione, ovvero questa tecnologia è ancora in uso oggi.

Se potessi chiamarlo amplificazione, è stato fatto nel microfono a carbone in cui parli. Una tensione è stata applicata attraverso l'elemento in carbonio del microfono. Le onde sonore hanno alterato la resistenza dell'elemento producendo una corrente variabile. Ciò può produrre un segnale elettrico più potente del suono originale. Da lì, praticamente tutto il segnale che lo attraversava lo attenuerebbe fino a un certo punto - fili, trasformatori, ecc. Come notato nell'articolo di Wikipedia, i microfoni al carbonio possono costituire la base di un amplificatore, ma non molto buono.

Prima dell'amplificazione dei tubi a vuoto e dei transistor, la maggior parte dell'amplificazione del suono veniva eseguita a livello acustico, mediante trombe esponenziali. L'amplificazione avviene mediante la creazione di un suono direzionale e una migliore corrispondenza tra impedenza acustica dell'aria aperta e membrana del trasduttore. Un esempio più semplice di questa tecnica è tenere entrambi i palmi attorno alla bocca quando si urla in pubblico o si usa un cono di carta.

Un design migliore è stato il fonografo Edison, Wikipedia .

Ecco un supplemento alle risposte già offerte, per chiarire il ruolo di un terzo fattore a volte collegato (in modo confuso) all'attenuazione / amplificazione.

Come "andre" ha già scritto in uno dei suoi commenti, "l'attenuazione non è l'unico fattore limitante" (nell'usabilità del segnale telefonico).

Per le prime linee telefoniche nell'era precedente all'amplificazione, probabilmente il successivo fattore più importante nell'usabilità era l'entità della distorsione del segnale, in particolare la distorsione di fase.

Le bobine di caricamento, progettate e applicate secondo la teoria di Heaviside sul comportamento delle linee di trasmissione, hanno notevolmente ridotto la distorsione. Questa descrizione della "condizione di Heaviside" (+ riferimenti) mostra ciò che è stato fatto e chiarisce che l'obiettivo del progetto era "nessuna distorsione", non "nessuna perdita".

Le bobine di caricamento induttive utilizzate per approssimare la "condizione di Heaviside" erano essenzialmente elementi passivi. Erano naturalmente anche un po 'resistivi, quindi aumentavano anche marginalmente le perdite di potenza / ampiezza. Ma il vantaggio della riduzione della distorsione era superiore a quello.

In alcune fonti, questo risultato positivo e persino drammatico è stato descritto in modo piuttosto confuso, se non come "amplificazione", quindi certamente come "attenuazione ridotta" delle bobine (ad esempio qui ). Naturalmente la cosa negativa ridotta era la confusione e l'insolvibilità del segnale a causa della distorsione, non la perdita di potenza o di ampiezza in quanto tale.

(Se il significato di "attenuazione" può essere preso abbastanza ampiamente per coprire la perdita di intelligibilità e la perdita di potenza / ampiezza, allora forse va bene, ma le fonti non lo rendono chiaro.)

Vorrei delineare una teoria generale dei sistemi attivi e del guadagno. Un sistema attivo è uno che contiene un "motore generalizzato", che è un meccanismo che attinge da una fonte di energia libera di Helmholtz per spingere un altro sistema (il "carico") lontano dall'equilibrio termico. Nelle tecnologie elettriche la tensione è specificamente energia libera di Helmholtz (che alcuni chiamano ora "exergia") per carica. E l'equilibrio termico è ogni nodo al potenziale di terra.

I motori utili avranno qualche meccanismo per controllare la loro azione, e una domanda chiave è quanta energia o potenza assorbe il meccanismo di controllo? Ovviamente, se ci vuole più energia per accendere un motore, diciamo, della potenza che fornisce, hai una proposta persa. Il rapporto tra l'energia erogata al carico e l'energia assorbita dal meccanismo di controllo è il guadagno. (Naturalmente i sistemi che chiamiamo amplificatori soddisfano questa definizione di "motore").

Ora, c'è una domanda se dobbiamo usare energia o potere. Se l'azione del motore è continua, l'uscita viene misurata come potenza. Se anche il meccanismo di controllo assorbe continuamente energia, anche l'ingresso è una potenza e il guadagno è solo il rapporto di queste quantità. Ma spesso abbiamo casi in cui un input discreto di energia può controllare una potenza continua. I MOSFET a geometria grande funzionano in questo modo. Ciò che possiamo citare è la potenza di uscita sull'energia di ingresso e otteniamo un numero che ha unità di frequenza. Ovviamente sappiamo come interpretarlo come un prodotto con banda di guadagno: il guadagno dipende dalla velocità con cui si desidera che il sistema funzioni. Ma questa è ancora una misura rilevante di guadagno.

Prendiamo l'esempio di una locomotiva a vapore: la potenza di uscita è piuttosto ovvia, ma il meccanismo di controllo è l'acceleratore, che richiede un input una tantum di energia per cambiare il suo stato. Pertanto una locomotiva può essere caratterizzata dal suo prodotto con ampiezza di banda di guadagno.

Il caso rimanente è dove è richiesto un input continuo di energia per mantenere un po 'di energia netta nel carico. I muscoli funzionano in questo modo, ma quasi nessun sistema tecnologicamente utile funziona in questo modo.

È possibile utilizzare questo framework concettuale per descrivere praticamente tutto ciò che fa qualcosa. Un esercizio particolarmente divertente è tornare indietro e guardare i meccanismi dei cartoni animati di Rube Goldberg e identificare le fonti di energia, i meccanismi di controllo e alcune stime del guadagno in questione. Se il guadagno complessivo è inferiore a quello, l'azione si spegne e la macchina si bloccherà prima dell'azione finale.

C'è un libro meraviglioso che dovresti vedere: "Instruments of Amplification" di HP Friedrichs (AC7ZL). Fornisce molte informazioni su amplificatori audio per microfono a carbone, triodi di fiamma, archi di carbonio e altre idee strane. I relè elettromeccanici hanno iniziato la loro vita come amplificatori di segnali telegrafici discreti, ma ci sono stati tentativi di usarli come amplificatori di potenza audio.

Per molti di questi feedback negativi è stato richiesto di ottenere qualcosa di simile a una risposta lineare.

Google Voice of the Crystal o vai al sito Web ARRL. Divertiti, ma non diventare cieco o bruciare la casa con il tuo arco di carbonio!