Amplificación antes de que se inventaran los tubos y transistores

No lo fue.

En los primeros días (ca 1890), la telefonía de larga distancia se realizaba desde cabinas insonorizadas y, a menudo, utilizaba 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 desde Nueva York a Denver. Sin embargo, tenga en cuenta que esto fue bastante frustrante e involucró muchos gritos.

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

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

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

El embudo en el que se supone que debes gritar es en realidad una bocina:

Lasbocinassontransformadoresacústicos,usualmenteseusanalrevés:untransductordealtapresión("controlador de compresión") está montado en la garganta, y la bocina emite una onda acústica de baja presión en el otro extremo con una Área de superficie mucho mayor, lo que resulta en una alta potencia acústica. Básicamente un megáfono:

Perofuncionanenambossentidos.Cuandosemontaenunmicrófono,todaeláreadesuperficiedela"boca" de la bocina se usa para ingresar ondas acústicas, y en el otro extremo produce una presión mucho mayor, 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 de tubos de vacío previo usó exactamente el micrófono de granulado de carbono como amplificador. Lo que Bell inventó fue el uso de esencialmente el mismo dispositivo que el altavoz y el micrófono. Ahora llamamos a esto el micrófono dinámico. El sistema de Bell no tenía ningún mecanismo de ganancia; no tenía ninguna ventaja intrínseca con respecto al rango de comunicación en dos latas conectadas por una cadena. El rango práctico era un pequeño número de bloques 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 hizo que el teléfono pasara 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 este momento" se refería específicamente a las patentes de Bell, que es lo que se les había ofrecido. La objeción era precisamente el rango limitado.)

El micrófono de carbono fue inventado por Thomas Edison, y él y todos los demás involucrados sabían exactamente qué estaba pasando (amplificación) y por qué era necesario para el crecimiento del sistema telefónico. La historia es detallada, 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 enlace ). El micrófono de carbono también se usó en un amplificador analógico eléctrico temprano llamado "relé de teléfono" que era esencialmente un receptor de teléfono acoplado mecánicamente a un botón de carbono. Hay mucha información sobre las primeras tecnologías de amplificación en un libro de H. Peter Friedrichs llamado Instrumentos de amplificación: Diversión con tubos hechos en casa, transistores y más (2003).

Si se pregunta por qué es que solo conocemos la contribución de Bell al teléfono, cuando realmente fue Edison quien hizo escalable el sistema, culpe a J. Pierpont Morgan. Impuso la estructura de los cuasi monopolios de alta tecnología de principios del siglo XX en una reorganización de las empresas que hicieron cumplir las licencias de patentes necesarias. En esencia, a Bell se le dio lo que se convirtió en AT & T ya Edison se le dio GE. Fue Morgan quien hizo cumplir una interpretación de amplio alcance de las patentes de Bell, no cualquier persona relacionada con el sistema de patentes de EE. UU.

Mi propio interés en esta historia se remonta a algunos años cuando estaba analizando si algún sistema tecnológico alguna vez había logrado escalar (por 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 computación cuántica y reversible, por ejemplo, que no pueden tener elementos de ganancia. Incluyo en "elementos de amplificación" cosas tales como la vara de agitación en la fogata del Paleolítico, las válvulas de paleta en las esclusas del canal y el acelerador de la máquina de vapor. Parecía que el sistema de teléfono 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 realizó la amplificación de la señal?

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

Se basó en que el altavoz tenía aproximadamente un 10% de eficiencia, es decir, se acopló en aproximadamente el 10% de la potencia acústica que recibió y esto se convirtió en aproximadamente el 1% de la potencia de sonido original en el otro extremo. Era suficiente para mantener una conversación y no necesitaba baterías.

Hay una compañía que (la última vez que miré) produjo teléfonos "alimentados por sonido" para entornos de gases inflamables porque son intrínsecamente seguros y no causarán una explosión, es decir, esta tecnología todavía se usa.

Si pudiera llamarlo amplificación, se hizo en el micrófono de carbono en el que habla. Se aplicó un voltaje a través del elemento de carbono del micrófono. Las ondas de sonido 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 lo atenuaría hasta cierto punto: cables, transformadores, etc. Como se señala en el artículo de Wikipedia, los micrófonos de carbono pueden formar la base de un amplificador, pero no uno muy bueno. p>     

Antes de los tubos de vacío y la amplificación de transistores, la mayor parte de la amplificación del sonido se realizó a nivel acústico, por medio de bocinas exponenciales. La amplificación se produce mediante la creación de un sonido direccional y una mejor correspondencia entre la impedancia acústica del aire libre y la membrana del transductor. Un ejemplo más simple de esta técnica es mantener ambas palmas alrededor de su boca cuando grita en público, o el uso de un cono de papel.

Un mejor diseño fue el Edison Phonograph, wikipedia .

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

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

Para las primeras líneas telefónicas en la era anterior a la amplificación, probablemente el siguiente factor más importante en la facilidad de uso 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 de Heaviside' (+ referencias) muestra lo que se hizo y deja 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 eran algo resistentes, por lo que incluso aumentaban ligeramente las pérdidas de potencia / amplitud. Pero la ventaja en la reducción de la distorsión superó eso.

En algunas fuentes, este resultado bueno e incluso dramático se ha descrito de manera bastante confusa, si no como "amplificación", entonces ciertamente como que las bobinas "reducen la atenuación" (por ejemplo, here ). Por supuesto, lo malo que se redujo fue la confusión 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 y la pérdida de potencia / amplitud, entonces puede que esté bien, pero las fuentes no lo aclaran).

Permítanme delinear una teoría general de sistemas activos y ganancias. Un sistema activo es aquel 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 el 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, por ejemplo, que la potencia que entrega, tiene una proposición perdedora. La relación entre la energía suministrada 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 potencia. 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 relación de estas cantidades. Pero, a menudo tenemos casos en los que una entrada discreta de energía puede controlar una potencia continua. Los MOSFET de gran geometría 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 qué tan rápido desea 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 única de energía para cambiar su estado. Así, una locomotora puede caracterizarse por su producto de ancho de banda de ganancia.

El caso restante es donde se requiere una entrada continua de energía 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.

Puedes usar este marco conceptual para describir virtualmente cualquier cosa que haga algo. Un ejercicio particularmente divertido es regresar y observar 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 que la acción, la acción se apagará y la máquina se detendrá antes de que se active la acción final.

Hay un libro maravilloso que debería ver: "Instruments of Amplification" por H. P. Friedrichs (AC7ZL). Ofrece mucha información sobre los amplificadores de audio de micro de carbono, los triodos de llama, los arcos de carbono y otras ideas extrañas. Los relés electromecánicos comenzaron su vida como amplificadores de señales de telégrafo discretas, pero hubo intentos de usarlos como amplificadores de potencia de audio.

Debido a que muchos de estos comentarios negativos fueron necesarios para obtener algo como una respuesta lineal.

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