Усиление до изобретения трубок и транзисторов

Телефоны старше, чем вакуумные трубки и, конечно, транзисторы. Как было сделано усиление сигнала?

Я имею в виду технологию, а не детали.

РЕДАКТИРОВАТЬ

Некоторые дополнительные сведения, которые я должен был дать в начале:

• Вопрос ограничен телефонией
• Меня не интересует экспериментальное оборудование. Скажем, например, что оборудование должно быть сделано в количестве более 30 штук или лучше, чем коммерческое изделие.
• Меня интересуют не только чисто электрические решения: это могут быть механические, гидравлические ... (но без человеческих повторителей!)
• Адаптация импеданса (акустическая или электрическая ...) здесь не рассматривается как усиление.

РЕЗЮМЕ ОТВЕТОВ

• Не было никакого усиления между микрофоном и наушниками, даже при передаче на 1200 км, но крик был необходим с одной стороны, и абсолютная тишина с другой стороны (см. Ответ WhatRoughBeast)

• Карбоновый микрофон сам по себе является усилителем. Общее определение усилителя не всегда очень легко (см Али Чэнь ответа, и BillF второго ответ, если вы можете следовать), но достаточно сказать , что электродинамический громкоговоритель , соединенный с угольным микрофоном является электрическим усилителем (см next- взломать ответ и BillF первый ответ). Добавлю, что другие виды микрофонов являются аттенюаторами (отсюда и вопрос)

• лучшие телефонные линии имеют потерю всего 0,04 дБ / км на звуковой частоте. (сравните с 10 дБ / км при 300 кГц для наших телефонных линий)

• Самый низкий звук, который может выдержать человек, находится на 80 дБ выше самого низкого его уровня. (RussellBorogove комментарий). Вполне возможно, что звук внутри рога (см. Ответ peufeu) еще громче, чем может выдержать человек.

Спасибо за вклад.

Не было

В первые дни (около 1890 г.) междугородная телефония осуществлялась из звукоизолированных кабин и часто с использованием нестандартных (4-проводных) телефонов. Нью-Йорк в Чикаго был пределом по дальности. К 1911 году использование загрузочных катушек позволило осуществлять связь из Нью-Йорка в Денвер. Заметьте, однако, что это было довольно неприятно и вызвало много криков.

В 1915 году был сделан первый трансконтинентальный вызов с усилением с использованием вакуумной трубки audion.

Усиление до того, как ламповые усилители стали доступны, могло быть достигнуто несколькими способами. Некоторые из них:

• Использование электродинамического динамика, соединенного с угольным микрофоном, для формирования повторителя.
• Использование отрицательного сопротивления ртутной лампы (даже если это физическая природа отрицательного сопротивления не была понята).
• Использование магнитного усилителя (по-прежнему используется значительно после эпохи ламп и транзисторов, и даже сегодня в некоторых приложениях). Магнитные усилители были первоначально использованы в качестве переключателя в конце 1800 года, и они использовались в качестве усилителей, когда лампы уже были доступны, но высокая надежность была очень важна.

Воронка, в которую вы должны орать, на самом деле - это рог:

Рожки - это акустические трансформаторы, их обычно используют наоборот: датчик высокого давления («компрессионный привод») установлен на горле, а рог выдает акустическую волну низкого давления на другом конце с гораздо большей поверхностью площадь, которая приводит к высокой акустической мощности. В основном мегафон:

Но они работают в обе стороны. При установке на микрофон вся площадь «рта» рога используется для ввода акустических волн, а на другом конце он выдает намного более высокое давление, что увеличивает сигнал, доступный для примитивных микрофонов того времени. ,

Это не усиление, поскольку оно чисто пассивное, но я уверен, что оно помогло.

Примечание: рога также искажаются из-за внутренних отражений и резонансных режимов, поэтому они обычно звучат немного «хонко».

В телефонной системе с вакуумными трубками в качестве усилителя использовался именно микрофон с углеродными гранулами. Белл изобрел использование практически того же устройства, что и динамик и микрофон. Теперь мы называем это динамический микрофон. Система Белла не имела механизма усиления; оно не имело внутреннего преимущества в отношении дальности связи по двум жестяным банкам, соединенным цепочкой. Практическим полигоном было небольшое количество городских кварталов.

Углеродный микрофон обладает необходимым свойством усилителя: он функционирует в основном как клапан. Таким образом, электрический сигнал может иметь гораздо большую мощность, чем акустический сигнал. Это было изобретение, которое превратило телефон из игрушки в телекоммуникационную систему. (Кстати, знаменитая цитата из руководства Western Union о том, что они не могли увидеть практического применения телефона Белла «в настоящее время», была конкретно связана с патентами Белла, что им и было предложено. возражение было именно ограниченным диапазоном.)

Углеродный микрофон был изобретен Томасом Эдисоном, и он и все остальные участники точно знали, что происходит (усиление) и почему это было необходимо для развития телефонной системы. История подробно изложена, по крайней мере, с точки зрения Эдисона, в книге, написанной его патентным поверенным Фрэнком Льюисом Дайером, Эдисон «Его жизнь и изобретения», глава 9. (Доступно по адресу: http://www.gutenberg.org/files/820 / 820-h/820-h.htm ). Углеродный микрофон также использовался в раннем электрическом аналоговом усилителе, который назывался «телефонное реле» и представлял собой телефонный приемник, механически связанный с кнопкой углерода. Существует много информации о ранних технологиях усилителей в книге Х. Питера Фридрихса под названием «Инструменты усиления: удовольствие от самодельных трубок, транзисторов и многого другого» (2003).

Если вам интересно, почему мы знаем только о вкладе Белла в телефон, когда это был действительно Эдисон, который сделал систему масштабируемой, вините Дж. Пьерпонта Моргана. Он ввел структуру высокотехнологичных квазимонополий начала 20-го века в реорганизацию компаний, которые обеспечили необходимое лицензирование патентов. По сути, Беллу дали то, что стало AT & T, а Эдисону дали GE. Именно Морган обеспечил широкую интерпретацию патентов Белла, а не кого-либо, связанного с патентной системой США.

Мой собственный интерес к этой истории уходит в прошлое на несколько лет, когда я изучал, удалось ли какой-либо технологической системе когда-либо масштабировать (более чем в 10 раз) без использования элемента усиления. Причиной того, что это было и есть интерес, являются требования к обратимым и квантовым вычислениям, например, которые не могут иметь элементы усиления. Я включаю в «элементы усиления» такие вещи, как перемешивающая палка в костре палеолита, лопастные клапаны в шлюзовых каналах и дроссельная заслонка парового двигателя. Оказалось, что ранняя телефонная система была исключением. Фактически это оказался абсолютно классический пример концепции системы, которая никуда не делась, пока не был изобретен элемент усиления.

Телефоны старше, чем вакуумные трубки и, конечно, транзисторы. Как было сделано усиление сигнала?

Я помню, когда я был ребенком, вы могли купить пластиковую трубку, которая подключалась к другой пластиковой трубке через пару проводов длиной около ста футов (или около того). Вы можете говорить в трубку (батарейки не требуются), а за другой трубкой человек может вас услышать. Он работал в обоих направлениях, то есть был небольшой громкоговоритель (который дублировал микрофон), соединенный двумя проводами с другим маленьким громкоговорителем в удаленной трубке.

Он полагался на то, что громкоговоритель эффективен на 10%, т. Е. Он соединял около 10% акустической мощности, которую он получал, и он был преобразован в примерно 1% от первоначальной звуковой мощности на другом конце. Этого было достаточно, чтобы провести разговор, и ему не нужны батарейки.

Есть компания, которая (в последний раз, когда я смотрел) производила телефоны со звуковым питанием для горючих газов, потому что они искробезопасны и не вызывают взрыва, т.е. эта технология все еще используется сегодня.

Если бы вы могли назвать это усилением, это было сделано в карбоновом микрофоне, в который вы говорите. Напряжение подавалось на углеродный элемент микрофона. Звуковые волны изменяли сопротивление элемента, создавая переменный ток. Это может произвести электрический сигнал, более сильный, чем оригинальный звук. Оттуда почти все, через что проходил сигнал, в некоторой степени ослабило бы его - провода, трансформаторы и т. Д. Как отмечалось в статье в Википедии, карбоновые микрофоны могут служить основой усилителя, но не очень хорошим.

До вакуумных трубок и транзисторного усиления наибольшее усиление звука осуществлялось на акустическом уровне с помощью экспоненциальных сигналов. Усиление происходит посредством создания направленного звука и лучшего согласования между акустическим импедансом открытого воздуха и мембраной преобразователя. Один из самых простых примеров этой техники - держать ладони вокруг рта при крике на публике или использовании бумажного конуса.

Лучшим дизайном был Фонограф Эдисона, Википедия .

Вот дополнение к уже предложенным ответам, чтобы прояснить роль третьего фактора, иногда связанного (смешанно) с ослаблением / усилением.

Как уже писал «андре» в одном из своих комментариев, «затухание - не единственный ограничивающий фактор» (в использовании телефонного сигнала).

Для ранних телефонных линий в эпоху до усиления, вероятно, следующим наиболее важным фактором в удобстве использования была степень искажения сигнала, особенно искажения фазы.

Нагрузочные катушки, разработанные и примененные в соответствии с теорией поведения линии электропередачи Хевисайда, значительно снижают искажения. Это описание «состояния Хевисайда» (+ ссылки) показывает, что было сделано, и проясняет, что целью проекта было «без искажений», а не «без потерь».

Катушки индуктивной нагрузки, используемые для аппроксимации «условия Хевисайда», были по существу пассивными элементами. Они, естественно, также были несколько резистивными, поэтому даже незначительно увеличивали потери мощности / амплитуды. Но преимущество в уменьшении искажений перевесило это.

В некоторых источниках этот хороший и даже драматический результат был довольно запутанно описан, если не как «усиление», то, конечно, как то, что катушки «уменьшали затухание» (например, здесь ). Конечно, было плохо из-за искажений и неработоспособности сигнала из-за искажения, а не потери мощности или амплитуды как таковой.

(Если значение «ослабление» можно принять достаточно широко, чтобы охватить потерю разборчивости, а также потерю мощности / амплитуды, тогда, возможно, все в порядке, но источники не дают этого понять.)

Позвольте мне изложить общую теорию активных систем и усиления. Активная система - это система, которая содержит «обобщенный двигатель», который представляет собой механизм, который использует некоторый источник свободной энергии Гельмгольца, чтобы оттолкнуть другую систему («нагрузку») от теплового равновесия. В электрических технологиях напряжение - это, в частности, свободная энергия Гельмгольца (которую некоторые сейчас называют «эксергией») на заряд. А тепловое равновесие - это каждый узел с потенциалом земли.

У полезных двигателей будет какой-то механизм для управления их действием, и ключевой вопрос заключается в том, сколько энергии или мощности поглощает механизм управления? Очевидно, что для включения, скажем, большей мощности двигателя, чем той мощности, которую он выдает, у вас есть проигрышное предложение. Отношение энергии, подаваемой к нагрузке, к энергии, поглощаемой механизмом управления, является коэффициентом усиления. (Конечно, системы, которые мы называем усилителями, соответствуют этому определению «двигателя».)

Теперь возникает вопрос о том, нужно ли нам использовать энергию или мощность. Если работа двигателя непрерывна, мощность измеряется как мощность. Если механизм управления также непрерывно поглощает энергию, входной сигнал также является мощностью, а коэффициент усиления является только отношением этих величин. Но у нас часто бывают случаи, когда дискретный ввод энергии может контролировать непрерывную мощность. MOSFET с большой геометрией работают таким образом. То, что мы можем процитировать, это выходная мощность над входной энергией, и мы получаем число, которое имеет единицы частоты. Конечно, мы знаем, как интерпретировать это как продукт с усилением: выигрыш зависит от того, насколько быстро вы хотите, чтобы система работала. Но это все еще актуальная мера выгоды.

Возьмем пример паровоза: выходная мощность довольно очевидна, но механизм управления - это дроссельная заслонка, которая требует единовременного ввода энергии для изменения его состояния. Таким образом, локомотив может быть охарактеризован его произведением в полосе усиления

В остальном случае требуется постоянный ввод мощности для поддержания некоторой полезной энергии в нагрузке. Мышцы работают таким образом, но вряд ли какие-либо технологически полезные системы работают таким образом.

Вы можете использовать эту концептуальную основу для описания практически всего, что что-то делает. Особенно забавное упражнение состоит в том, чтобы вернуться и посмотреть на карикатурные механизмы Рубе Голдберга и определить источники энергии, механизмы управления и некоторую оценку выигрыша. Если общее усиление меньше единицы, действие прекращается, и машина останавливается до того, как будет запущено последнее действие.

Есть замечательная книга, которую вы должны увидеть: «Инструменты усиления» HP Friedrichs (AC7ZL). Он дает много информации об аудио усилителях с карбоновым микрофоном, пламенных триодах, углеродных дугах и других странных идеях. Электромеханические реле начали свою жизнь в качестве усилителей дискретных телеграфных сигналов, но были попытки использовать их в качестве усилителей мощности звука.

Для многих из этих отрицательных отзывов требовалось получить что-то вроде линейного отклика.

Google Voice of the Crystal или зайдите на сайт ARRL. Веселитесь, но не ослепайте и не сжигайте дом своей угольной дугой!