Amplificação antes da invenção de tubos e transistores

Os telefones são mais antigos que os tubos de vácuo e, claro, os transistores. Como foi feita a amplificação do sinal?

Quero dizer a tecnologia, não os detalhes.

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Algumas informações adicionais que eu deveria ter fornecido no início:

• A questão é restrita à telefonia
• Não estou interessado em equipamentos experimentais Digamos, por exemplo, que o equipamento deveria ter sido fabricado em quantidades superiores a 30 peças, ou melhor, que tenha sido um produto comercial.
• Não estou interessado apenas em soluções puramente elétricas: pode ser mecânico, hidráulico ... (mas sem repetidores humanos!)
• adaptações de impedância (acústica ou elétrica ...) não são consideradas aqui como amplificação.

RESUMO DAS RESPOSTAS

• Não havia amplificação entre o microfone e o fone de ouvido, mesmo para uma transmissão de 1200 km, mas era necessário gritar de um lado e silêncio absoluto do outro lado (consulte a resposta WhatRoughBeast)

• o próprio microfone de carbono é um amplificador. A definição geral de um amplificador nem sempre é muito fácil (veja a resposta de Ali Chen e a segunda resposta do BillF, se você pode seguir), mas basta dizer que um alto-falante eletrodinâmico acoplado a um microfone de carbono é um amplificador elétrico (veja a próxima hackear resposta e BillF primeira resposta). Acrescento que os outros tipos de microfones são atenuadores (daí a questão)

• as melhores linhas telefônicas perdem apenas 0,04dB / km na frequência de áudio. (compare com 10dB / km a 300kHz para nossas linhas telefônicas)

• O som mais alto que um humano pode suportar é mais do que 80dB acima do mais baixo que pode ouvir. (Comentário RussellBorogove). É possível que o som dentro da buzina (veja a resposta peufeu) seja ainda mais alto do que aquilo que um humano pode suportar.

Obrigado pelas contribuições.

Não foi.

Nos primeiros dias (cerca de 1890), a telefonia de longa distância era feita a partir de cabines à prova de som e frequentemente usando telefones não padrão (4 fios). Nova York para Chicago era o limite de alcance. Em 1911, o uso de bobinas de carregamento permitiu a comunicação de Nova York a Denver. Note, porém, que isso foi bastante frustrante e envolveu muitos gritos.

Em 1915, foi realizada a primeira chamada transcontinental, com amplificação usando o tubo de vácuo de audição.

A amplificação, antes que os amplificadores valvulados estivessem disponíveis, poderia ser alcançada de várias maneiras. Alguns deles são:

• Usando um alto-falante eletrodinâmico acoplado a um microfone de carbono, para formar um repetidor.
• Usando a resistência negativa de uma lâmpada de mercúrio (mesmo que a natureza física da resistência negativa não tenha sido entendida).
• Usando um amplificador magnético (ainda usado bem após a era dos tubos e transistores, e ainda hoje em algumas aplicações). Os amplificadores magnéticos foram usados ​​inicialmente como um interruptor no final de 1800, e foram usados ​​como amplificadores quando os tubos já estavam disponíveis, mas a alta confiabilidade era muito importante.

O funil que você deveria gritar é na verdade um chifre:

As buzinas são transformadores acústicos, geralmente são usadas ao contrário: um transdutor de alta pressão ("driver de compressão") é montado na garganta e a buzina emite uma onda acústica de baixa pressão na outra extremidade, com uma superfície muito maior área, o que resulta em alta potência acústica. Basicamente um megafone:

Mas eles funcionam nos dois sentidos. Quando montada em um microfone, toda a superfície da "boca" da buzina é usada para entrada de ondas acústicas e, na outra extremidade, gera uma pressão muito maior, o que aumenta o sinal disponível para os microfones primitivos do dia. .

Isso não é amplificação, pois é puramente passivo, mas tenho certeza que ajudou.

Nota: as buzinas também distorcem devido a reflexões internas e modos de ressonância, razão pela qual geralmente soam um pouco "honky".

O sistema telefônico pré-tubo de vácuo usava exatamente o microfone de granulado de carbono como amplificador. O que Bell inventou foi o uso essencialmente do mesmo dispositivo que o alto-falante e o microfone. Agora chamamos isso de microfone dinâmico. O sistema de Bell não tinha mecanismo de ganho; não tinha vantagem intrínseca em relação ao alcance da comunicação sobre duas latas conectadas por um barbante. O alcance prático era um pequeno número de quarteirões da cidade.

O microfone de carbono tem a propriedade necessária de um amplificador: funciona basicamente como uma válvula. Assim, o sinal elétrico pode ter uma potência muito maior que o sinal acústico. Esta foi a invenção que levou o telefone de ser um brinquedo para ser um sistema de telecomunicações. (A propósito, a famosa citação dos executivos da Western Union, de que eles não podiam ver nenhuma aplicação prática do telefone da Bell 'no momento' era especificamente uma referência às patentes da Bell, que é o que elas haviam sido oferecidas. objeção era precisamente o alcance limitado.)

O microfone de carbono foi inventado por Thomas Edison, e ele e todos os outros envolvidos sabiam exatamente o que estava acontecendo (amplificação) e por que era necessário para o crescimento do sistema telefônico. A história é detalhada, pelo menos do ponto de vista de Edison, em um livro escrito por seu advogado de patentes, Frank Lewis Dyer, Edison His Life and Inventions, capítulo 9. (Disponível em http://www.gutenberg.org/files/820 /820-h/820-h.htm ). O microfone de carbono também foi usado em um amplificador analógico elétrico chamado "relé de telefone", que era essencialmente um receptor de telefone acoplado mecanicamente a um botão de carbono. Há muitas informações sobre as primeiras tecnologias de amplificadores em um livro de H. Peter Friedrichs, chamado Instrumentos de Amplificação: Diversão com Tubos Caseiros, Transistores e Mais (2003).

Se você está se perguntando por que é que sabemos apenas da contribuição de Bell para o telefone, quando foi realmente Edison quem tornou o sistema escalável, culpe J. Pierpont Morgan. Ele impôs a estrutura dos quase-monopólios de alta tecnologia do início do século 20 em uma reorganização de empresas que aplicaram o necessário licenciamento de patentes. Em essência, Bell recebeu o que se tornou AT&T e Edison recebeu a GE. Foi Morgan quem aplicou uma interpretação abrangente das patentes de Bell, e não alguém conectado ao sistema de patentes dos EUA.

Meu próprio interesse nessa história remonta alguns anos quando eu estava analisando se algum sistema tecnológico havia conseguido escalar (por mais que o fator 10) sem o uso de um elemento de ganho. A razão pela qual isso foi e é de interesse são as reivindicações de computação reversível e quântica, por exemplo, que não podem ter elementos de ganho. Incluo em "elementos de amplificação" coisas como o agitador na fogueira do Paleolítico, as válvulas de pás nas fechaduras do canal e o acelerador do motor a vapor. Parecia que o sistema telefônico inicial era a exceção. Na verdade, acabou sendo o exemplo absolutamente clássico de um conceito de sistema que não chegava a lugar nenhum até que o elemento de ganho fosse inventado.

Os telefones são mais antigos que os tubos de vácuo e, claro, os transistores. Como foi feita a amplificação do sinal?

Lembro que quando eu era criança, você podia comprar um aparelho de plástico conectado a outro aparelho de plástico por um par de fios com cerca de trinta metros de comprimento. Você pode falar no telefone (não são necessárias pilhas) e no outro telefone a pessoa pode ouvi-lo. Funcionou em ambas as direções, ou seja, havia um pequeno alto-falante (que também funcionava como microfone) conectado com dois fios a outro pequeno alto-falante no telefone distante.

Ele dependia do alto-falante ser cerca de 10% eficiente, ou seja, ele acoplava cerca de 10% da potência acústica recebida e isso foi convertido em cerca de 1% da potência sonora original na outra extremidade. Foi o suficiente para manter uma conversa e não precisava de baterias.

Há uma empresa que (da última vez que olhei) produziu telefones "alimentados por som" para ambientes com gases inflamáveis, porque eles são intrinsecamente seguros e não causam uma explosão, ou seja, essa tecnologia ainda está em uso hoje.

Se você pudesse chamá-lo de amplificação, isso foi feito no microfone de carbono no qual você fala. Uma voltagem foi aplicada através do elemento de carbono do microfone. As ondas sonoras alteraram a resistência do elemento, produzindo uma corrente variável. Isso pode produzir um sinal elétrico mais poderoso que o som original. A partir daí, praticamente tudo o que o sinal passou atenuaria até certo ponto - fios, transformadores, etc. Como observado no artigo da Wikipedia, os microfones de carbono podem formar a base de um amplificador, mas não muito bom.

Antes dos tubos de vácuo e da amplificação do transistor, a maior amplificação do som era feita no nível acústico, por meio de buzinas exponenciais. A amplificação ocorre por meio da criação de som direcional e melhor correspondência entre a impedância acústica do ar livre e a membrana do transdutor. Um exemplo mais simples dessa técnica é segurar as palmas das mãos ao redor da boca ao gritar em público ou usar um cone de papel.

Um design melhor foi o Edison Phonograph, da Wikipedia .

Aqui está um complemento para as respostas já oferecidas, para esclarecer o papel de um terceiro fator, algumas vezes ligado (confusamente) à atenuação / amplificação.

Como 'andre' já escreveu em um de seus comentários, 'atenuação não é o único fator limitante' (na usabilidade do sinal telefônico).

Para as primeiras linhas telefônicas da era anterior à amplificação, provavelmente o próximo fator mais importante na usabilidade era a extensão da distorção do sinal, especialmente a distorção de fase.

As bobinas de carregamento, projetadas e aplicadas de acordo com a teoria do comportamento da linha de transmissão de Heaviside, reduziram bastante a distorção. Esta descrição da 'condição Heaviside' (+ referências) mostra o que foi feito e deixa claro que o objetivo do projeto era 'sem distorção', não 'sem perda'.

As bobinas de carregamento indutivas usadas para aproximar a 'condição Heaviside' eram essencialmente elementos passivos. Eles eram naturalmente também um pouco resistivos, portanto, aumentando marginalmente as perdas de potência / amplitude. Mas a vantagem da distorção reduzida superou isso.

Em algumas fontes, esse resultado bom e até dramático foi descrito de maneira bastante confusa, se não como "amplicação", então certamente como as bobinas "reduziram a atenuação" (por exemplo, aqui ). É claro que a coisa ruim reduzida foi a distorção e a inutilização do sinal devido à distorção, não a perda de potência ou amplitude como tal.

(Se o significado de 'atenuação' puder ser adotado de maneira ampla o suficiente para cobrir a perda de inteligibilidade e a perda de potência / amplitude, talvez seja bom, mas as fontes não deixam isso claro.)

Deixe-me descrever uma teoria geral dos sistemas ativos e ganhos. Um sistema ativo é aquele que contém um "motor generalizado", que é um mecanismo que utiliza alguma fonte de energia livre de Helmholtz para empurrar outro sistema (a "carga") para longe do equilíbrio térmico. Nas tecnologias elétricas, a voltagem é especificamente energia livre de Helmholtz (que alguns agora chamam de "exergia") por carga. E o equilíbrio térmico é todo nó no potencial do solo.

Motores úteis terão algum mecanismo para controlar sua ação, e uma questão-chave é quanta energia ou potência o mecanismo de controle absorve? Obviamente, se é necessário mais energia para ligar um motor do que a energia que ele fornece, você tem uma proposta perdida. A proporção de energia entregue à carga e a energia absorvida pelo mecanismo de controle é o ganho. (É claro que os sistemas que chamamos de amplificadores atendem a essa definição de "mecanismo").

Agora, há uma pergunta sobre se precisamos usar energia ou poder. Se a ação do motor for contínua, a saída será medida como uma potência. Se o mecanismo de controle também absorve energia continuamente, a entrada também é uma potência e o ganho é apenas a proporção dessas quantidades. Porém, geralmente temos casos em que uma entrada discreta de energia pode controlar uma energia contínua. MOSFETs de geometria grande funcionam dessa maneira. O que podemos citar é a potência de saída sobre a energia de entrada e obtemos um número que possui unidades de frequência. É claro que sabemos como interpretar isso como um produto com ganho de largura de banda: o ganho depende da rapidez com que você deseja que o sistema funcione. Mas, ainda é uma medida relevante de ganho.

Tomemos o exemplo de uma locomotiva a vapor: a potência de saída é bastante óbvia, mas o mecanismo de controle é o acelerador, que requer uma entrada única de energia para mudar seu estado. Assim, uma locomotiva pode ser caracterizada por seu produto de ganho de largura de banda.

O caso restante é onde uma entrada contínua de energia é necessária para manter alguma energia líquida na carga. Músculos funcionam dessa maneira, mas quase nenhum sistema tecnologicamente útil funciona dessa maneira.

Você pode usar essa estrutura conceitual para descrever praticamente qualquer coisa que faça alguma coisa. Um exercício particularmente divertido é voltar e examinar os mecanismos de cartum de Rube Goldberg e identificar as fontes de energia, os mecanismos de controle e algumas estimativas dos ganhos envolvidos. Se o ganho geral for menor que o, a ação fracassará e a máquina travará antes que a ação final seja acionada.

Há um livro maravilhoso que você deve ver: "Instruments of Amplification", de HP Friedrichs (AC7ZL). Ele fornece muitas informações sobre amplificadores de áudio para microfones de carbono, triodos de chama, arcos de carbono e outras idéias estranhas. Os relés eletromecânicos começaram sua vida como amplificadores de sinais telegráficos discretos, mas houve tentativas de usá-los como amplificadores de potência de áudio.

Para muitos desses comentários negativos, era necessário obter algo como uma resposta linear.

Google Voice of the Crystal, ou acesse o site da ARRL. Divirta-se, mas não fique cego ou queime a casa com seu arco de carbono!