Amplificación antes de inventar tubos y transistores

Los teléfonos son más antiguos que los tubos de vacío y, por supuesto, los transistores. ¿Cómo se hizo la amplificación de señal?

Me refiero a la tecnología, no a los detalles.

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Algunas informaciones adicionales que debería haber dado al principio:

• La pregunta está restringida a la telefonía.
• No me interesan los equipos experimentales. Digamos, por ejemplo, que el equipo debería haberse fabricado en cantidades superiores a 30 piezas, o mejor dicho, que haya sido un producto comercial.
• No solo estoy interesado en soluciones puramente eléctricas: puede ser mecánico, hidráulico ... (¡pero sin repetidores humanos!)
• Las adaptaciones de impedancia (acústicas o eléctricas ...) no se consideran aquí como amplificación.

RESUMEN DE LAS RESPUESTAS

• No hubo ninguna amplificación entre el micrófono y los auriculares, incluso para una transmisión de 1200 km, pero fue necesario gritar en un lado y silencio absoluto en el otro lado (vea la respuesta WhatRoughBeast)

• El micrófono de carbono en sí es un amplificador. La definición general de un amplificador no siempre es muy fácil (vea la respuesta de Ali Chen y la segunda respuesta de BillF, si puede seguir), pero es suficiente decir que un altavoz electrodinámico acoplado a un micrófono de carbono es un amplificador eléctrico (vea a continuación) hackear respuesta y BillF primera respuesta). Agrego que los otros tipos de micrófonos son atenuadores (de ahí la pregunta)

• Las mejores líneas telefónicas tienen una pérdida de solo 0.04dB / km en frecuencia de audio. (compare con 10dB / km a 300kHz para nuestras líneas telefónicas)

• El sonido más fuerte que un humano puede soportar es más de 80 dB por encima del más bajo que puede oír. (Comentario de RussellBorogove). Es posible que el sonido dentro de la bocina (vea la respuesta de peufeu) sea aún más fuerte de lo que un humano puede soportar.

Gracias por las contribuciones

No lo fue.

En los primeros días (ca 1890), la telefonía de larga distancia se hacía desde cabinas insonorizadas y, a menudo, utilizando teléfonos no estándar (4 hilos). Nueva York a Chicago era el límite en el rango. Para 1911, el uso de bobinas de carga permitía la comunicación de Nueva York a Denver. Tenga en cuenta, sin embargo, que esto fue bastante frustrante e implicó muchos gritos.

En 1915 se realizó la primera llamada transcontinental, con amplificación utilizando el tubo de vacío audion.

La amplificación, antes de que los amplificadores de tubo estuvieran disponibles, podría lograrse de varias maneras. Algunos de ellos son:

• Usando un altavoz electrodinámico acoplado a un micrófono de carbono, para formar un repetidor.
• Usar la resistencia negativa de una lámpara de mercurio (incluso si no se entendía la naturaleza física de la resistencia negativa).
• Usar un amplificador magnético (todavía se usa mucho después de la era de los tubos y transistores, e incluso hoy en algunas aplicaciones) Los amplificadores magnéticos se usaron inicialmente como un interruptor a fines de 1800, y se usaron como amplificadores cuando los tubos ya estaban disponibles, pero la alta confiabilidad era muy importante.

El embudo al que se supone que debes gritar es en realidad un cuerno:

Las bocinas son transformadores acústicos, generalmente se usan al revés: un transductor de alta presión ("controlador de compresión") está montado en la garganta, y la bocina emite una onda acústica de baja presión en el otro extremo con una superficie mucho más grande área, lo que resulta en alta potencia acústica. Básicamente un megáfono:

Pero funcionan en ambos sentidos. Cuando se monta en un micrófono, toda la superficie de la "boca" de la bocina se usa para introducir ondas acústicas, y en el otro extremo emite una presión mucho más alta, lo que aumenta la señal disponible para los micrófonos primitivos del día. .

Esto no es amplificación ya que es puramente pasivo, pero estoy seguro de que ayudó.

Nota: las bocinas también se distorsionan debido a los reflejos internos y los modos de resonancia, por lo que generalmente suenan un poco "honky".

El sistema telefónico previo al tubo de vacío utilizaba exactamente el micrófono de granulado de carbono como amplificador. Lo que Bell inventó fue el uso esencialmente del mismo dispositivo que el altavoz y el micrófono. Ahora llamamos a esto el micrófono dinámico. El sistema de Bell no tenía mecanismo de ganancia; no tenía ninguna ventaja intrínseca con respecto al rango de comunicación sobre dos latas conectadas por una cuerda. El alcance práctico era un pequeño número de manzanas de la ciudad.

El micrófono de carbono tiene la propiedad requerida de un amplificador: funciona básicamente como una válvula. Por lo tanto, la señal eléctrica puede tener una potencia mucho mayor que la señal acústica. Este fue el invento que llevó al teléfono de ser un juguete a ser un sistema de telecomunicaciones. (Por cierto, la famosa cita de los ejecutivos de Western Union, de que no podían ver ninguna aplicación práctica del teléfono de Bell 'en la actualidad' se refería específicamente a las patentes de Bell, que es lo que se les había ofrecido. la objeción fue precisamente el rango limitado).

El micrófono de carbono fue inventado por Thomas Edison, y él y todos los demás involucrados sabían exactamente lo que estaba sucediendo (amplificación) y por qué era necesario para el crecimiento del sistema telefónico. La historia se detalla, al menos desde el punto de vista de Edison en un libro escrito por su abogado de patentes, Frank Lewis Dyer, Edison His Life and Inventions, Capítulo 9. (Disponible en http://www.gutenberg.org/files/820 /820-h/820-h.htm ). El micrófono de carbono también se usó en un amplificador analógico eléctrico temprano llamado "relé telefónico", que era esencialmente un receptor telefónico acoplado mecánicamente a un botón de carbón. Hay mucha información sobre las primeras tecnologías de amplificadores en un libro de H. Peter Friedrichs titulado Instrumentos de amplificación: diversión con tubos caseros, transistores y más (2003).

Si se pregunta por qué es que solo sabemos de la contribución de Bell al teléfono, cuando fue realmente Edison quien hizo el sistema escalable, culpe a J. Pierpont Morgan. Impuso la estructura de cuasimonopolios de alta tecnología de principios del siglo XX en una reorganización de las empresas que exigieron la licencia de patentes necesaria. En esencia, Bell recibió lo que se convirtió en AT&T y Edison recibió GE. Fue Morgan quien hizo cumplir una interpretación de amplio alcance de las patentes de Bell, no nadie relacionado con el sistema de patentes de los Estados Unidos.

Mi propio interés en esta historia se remonta unos años atrás cuando estaba investigando si algún sistema tecnológico había logrado escalar (en más de un factor de 10) sin el uso de un elemento de ganancia. La razón por la que esto fue y es de interés son las afirmaciones de la computación reversible y cuántica, por ejemplo, que no puede tener elementos de ganancia. Incluyo en "elementos de amplificación" cosas como la varilla de agitación en la fogata paleolítica, las válvulas de paleta en las cerraduras de los canales y el acelerador de la máquina de vapor. Parecía que el sistema telefónico temprano era la excepción. De hecho, resultó ser el ejemplo absolutamente clásico de un concepto de sistema que no iba a ninguna parte hasta que se inventó el elemento de ganancia.

Los teléfonos son más antiguos que los tubos de vacío y, por supuesto, los transistores. ¿Cómo se hizo la amplificación de señal?

Recuerdo que cuando era niño, podías comprar un auricular de plástico que se conectaba a otro auricular de plástico a través de un par de cables de cien pies (más o menos) de largo. Puede hablar por el auricular (no se requieren baterías) y en el otro auricular la persona puede escucharlo. Funcionó en ambas direcciones, es decir, había un pequeño altavoz (que funcionaba como un micrófono) conectado con dos cables a otro pequeño altavoz en el auricular distante.

Se basó en que el altavoz era aproximadamente un 10% eficiente, es decir, acoplaba aproximadamente el 10% de la potencia acústica que recibía y esto se convirtió en aproximadamente el 1% de la potencia de sonido original en el otro extremo. Fue suficiente para mantener una conversación y no necesitaba pilas.

Hay una compañía que (la última vez que miré) produjo teléfonos "con sonido" para entornos de gases inflamables porque son intrínsecamente seguros y no causarán una explosión, es decir, esta tecnología todavía está en uso hoy en día.

Si pudieras llamarlo amplificación, se hizo en el micrófono de carbono en el que hablas. Se aplicó un voltaje a través del elemento de carbono del micrófono. Las ondas sonoras alteraron la resistencia del elemento produciendo una corriente variable. Esto puede producir una señal eléctrica más potente que el sonido original. A partir de ahí, casi todo lo que atraviesa la señal la atenuaría hasta cierto punto: cables, transformadores, etc. Como se señaló en el artículo de Wikipedia, los micrófonos de carbono pueden formar la base de un amplificador, pero no uno muy bueno.

Antes de los tubos de vacío y la amplificación del transistor, la mayoría de la amplificación del sonido se realizaba a nivel acústico, por medio de bocinas exponenciales. La amplificación se produce mediante la creación de sonido direccional y una mejor coincidencia entre la impedancia acústica del aire abierto y la membrana del transductor. Un ejemplo más simple de esta técnica es sostener ambas palmas alrededor de su boca cuando grita en público o utiliza un cono de papel.

Un mejor diseño fue el fonógrafo Edison, wikipedia .

Aquí hay un suplemento a las respuestas ya ofrecidas, para aclarar el papel de un tercer factor a veces vinculado (confusamente) con atenuación / amplificación.

Como 'andre' ya escribió en uno de sus comentarios, 'la atenuación no es el único factor limitante' (en la usabilidad de la señal telefónica).

Para las primeras líneas telefónicas en la era anterior a la amplificación, probablemente el siguiente factor más importante en la usabilidad fue el grado de distorsión de la señal, especialmente la distorsión de fase.

Las bobinas de carga, diseñadas y aplicadas de acuerdo con la teoría del comportamiento de la línea de transmisión de Heaviside, redujeron en gran medida la distorsión. Esta descripción de la 'condición Heaviside' (+ referencias) muestra lo que se hizo y deja en claro que el objetivo del diseño era 'sin distorsión', no 'sin pérdida'.

Las bobinas de carga inductivas utilizadas para aproximar la 'condición de Heaviside' eran esencialmente elementos pasivos. Naturalmente, también fueron algo resistentes, por lo tanto, incluso aumentaron marginalmente las pérdidas de potencia / amplitud. Pero la ventaja en la distorsión reducida superó eso.

En algunas fuentes, este resultado bueno e incluso dramático ha sido descrito de manera bastante confusa, si no como "amplificación", y ciertamente como que las bobinas "reducen la atenuación" (por ejemplo, aquí ). Por supuesto, lo malo que se redujo fue la distorsión y la inutilidad de la señal debido a la distorsión, no la pérdida de potencia o amplitud como tal.

(Si el significado de 'atenuación' puede tomarse de manera lo suficientemente amplia como para cubrir la pérdida de inteligibilidad, así como la pérdida de potencia / amplitud, entonces tal vez esté bien, pero las fuentes no lo aclaran).

Permítanme esbozar una teoría general de sistemas activos y ganancias. Un sistema activo es uno que contiene un "motor generalizado", que es un mecanismo que recurre a alguna fuente de energía libre de Helmholtz para empujar a otro sistema (la "carga") lejos del equilibrio térmico. En tecnologías eléctricas, el voltaje es específicamente energía libre de Helmholtz (que algunos ahora llaman "exergía") por carga. Y el equilibrio térmico es cada nodo en potencial de tierra.

Los motores útiles tendrán algún mecanismo para controlar su acción, y una pregunta clave es ¿cuánta energía o potencia absorbe el mecanismo de control? Obviamente, si se necesita más potencia para encender un motor, digamos, que la potencia que ofrece, tiene una propuesta perdedora. La relación entre la energía entregada a la carga y la energía absorbida por el mecanismo de control es la ganancia. (Por supuesto, los sistemas que llamamos amplificadores cumplen con esta definición de "motor").

Ahora, hay una pregunta sobre si necesitamos usar energía o poder. Si la acción del motor es continua, la salida se mide como una potencia. Si el mecanismo de control también absorbe energía continuamente, la entrada también es una potencia y la ganancia es solo la proporción de estas cantidades. Pero, a menudo tenemos casos en los que una entrada discreta de energía puede controlar una potencia continua. Los MOSFET de geometría grande funcionan de esta manera. Lo que podemos citar es la potencia de salida sobre la energía de entrada, y obtenemos un número que tiene unidades de frecuencia. Por supuesto, sabemos cómo interpretar esto como un producto de ancho de banda de ganancia: la ganancia depende de la rapidez con la que desee que funcione el sistema. Pero, esto sigue siendo una medida relevante de ganancia.

Tomemos el ejemplo de una locomotora de vapor: la potencia de salida es bastante obvia, pero el mecanismo de control es el acelerador, que requiere una entrada de energía única para cambiar su estado. Por lo tanto, una locomotora puede caracterizarse por su producto de ancho de banda de ganancia.

El caso restante es donde se requiere una entrada continua de potencia para mantener algo de energía neta en la carga. Los músculos funcionan de esta manera, pero casi ningún sistema tecnológicamente útil funciona de esta manera.

Puede usar este marco conceptual para describir prácticamente cualquier cosa que haga algo. Un ejercicio particularmente divertido es volver y mirar los mecanismos de dibujos animados de Rube Goldberg e identificar las fuentes de energía, los mecanismos de control y algunas estimaciones de la ganancia involucrada. Si la ganancia general es menor, la acción desaparecerá y la máquina se detendrá antes de que se active la acción final.

Hay un libro maravilloso que debería ver: "Instrumentos de amplificación" de HP Friedrichs (AC7ZL). Brinda mucha información sobre amplificadores de audio con micrófono de carbono, triodos de llama, arcos de carbono y otras ideas extrañas. Los relés electromecánicos comenzaron su vida como amplificadores de señales telegráficas discretas, pero hubo intentos de usarlos como amplificadores de potencia de audio.

Para muchos de estos comentarios negativos era necesario obtener algo así como una respuesta lineal.

Google Voice of the Crystal, o vaya al sitio web de ARRL. ¡Diviértete, pero no te quedes ciego ni quemes la casa con tu arco de carbono!