Amplificación antes de que se inventaran las válvulas y los transistores

no lo fue

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

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

La amplificación, antes de que estuvieran disponibles los amplificadores de válvulas, se podía lograr de varias maneras. Algunos de ellos son:

• Utilizando un parlante electrodinámico acoplado a un micrófono de carbón, para formar un repetidor.
• Usando la resistencia negativa de una lámpara de mercurio (incluso si no se entendió la naturaleza física de la resistencia negativa).
• Usando 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 usaron inicialmente como un interruptor a fines de 1800, y se usaron como amplificadores cuando ya había válvulas disponibles, pero la alta confiabilidad era muy importante.

El embudo en el 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") se monta en la garganta y la bocina emite una onda acústica de baja presión en el otro extremo con una superficie mucho más grande. lo que se traduce en una alta potencia acústica. Básicamente un megáfono:

Pero funcionan en ambos sentidos. Cuando se monta en un micrófono, toda el área de la superficie de la "boca" de la bocina se utiliza para la entrada de ondas acústicas, y en el otro extremo emite una presión mucho mayor, lo que aumenta la señal disponible para los micrófonos primitivos de la época. .

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 suelen sonar un poco "honky".

El sistema telefónico de tubo de prevacío usaba exactamente el micrófono de gránulos de carbono como amplificador. Lo que inventó Bell fue el uso de esencialmente el mismo dispositivo como altavoz y 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 carbón 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, 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. Su objeción fue precisamente el rango limitado.)

El micrófono de carbón fue inventado por Thomas Edison, y él y todos los demás involucrados sabían exactamente lo que estaba pasando (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 carbón también se usó en un amplificador analógico eléctrico temprano llamado "relé telefónico", que era esencialmente un receptor de teléfono acoplado mecánicamente a un botón de carbón. Hay mucha información sobre las primeras tecnologías de amplificación en un libro de H. Peter Friedrichs llamado Instruments of Amplification: Fun with Homemade Tubes, Transistors, and More (2003).

Si se pregunta por qué solo conocemos la contribución de Bell al teléfono, cuando en realidad fue Edison quien hizo que el sistema fuera escalable, culpe a J. Pierpont Morgan. Impuso la estructura de los cuasimonopolios de alta tecnología de principios del siglo XX en una reorganización de empresas que hacían cumplir las licencias de patentes necesarias. 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 EE. UU.

Mi propio interés en esta historia se remonta a unos años atrás, cuando investigaba si algún sistema tecnológico había tenido éxito alguna vez en escalar (por más de un factor de 10) sin el uso de un elemento de ganancia. La razón por la que esto era y es de interés son los reclamos de computación cuántica y reversible, por ejemplo, que no pueden tener elementos de ganancia. Incluyo en los "elementos de amplificación" cosas tales como el palo agitador en la fogata del Paleolítico, las válvulas de paleta en las esclusas de los canales y el acelerador de la máquina de vapor. Parecía que el primer sistema telefónico 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 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 cien pies (más o menos) de largo. Puede hablar por el auricular (no se requieren pilas) y en el otro auricular la persona puede escucharlo. Funcionó en ambas direcciones, es decir, había un pequeño altavoz (que también funcionaba como micrófono) conectado con dos cables a otro pequeño altavoz en el auricular distante.

Se basó en que el altavoz tuviera una eficiencia de alrededor del 10 %, es decir, acoplaba alrededor del 10 % de la potencia acústica que recibía y esto se convertía en alrededor del 1 % de la potencia de sonido original en el otro extremo. Era suficiente para mantener una conversación y no necesitaba pilas.

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

Si pudieras llamarlo amplificación, se hizo en el micrófono de carbón al que hablas. Se aplicó un voltaje a través del elemento de carbón 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, prácticamente todo lo que atravesó la señal la 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.

Antes de los tubos de vacío y la amplificación de transistores, la mayor parte de la amplificación del sonido se realizaba a nivel acústico, por medio de bocinas exponenciales. La amplificación se produce mediante la creación de un sonido direccional y una mejor coincidencia entre la impedancia acústica del aire libre y la membrana del transductor. Un ejemplo más simple de esta técnica es colocar ambas palmas de las manos alrededor de la boca al gritar en público o usar un cono de papel.

Un mejor diseño fue el fonógrafo de Edison, wikipedia .

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

Como ya escribió 'andre' 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 de la era anterior a la amplificación, probablemente el siguiente factor más importante en la usabilidad era 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 en claro que el objetivo del diseño era 'sin distorsión', no 'sin pérdida'.

Las bobinas de carga inductivas utilizadas para aproximarse a la "condición de Heaviside" eran esencialmente elementos pasivos. Naturalmente, también eran algo resistivos, por lo tanto, incluso aumentaban marginalmente las pérdidas de potencia/amplitud. Pero la ventaja de la reducción de la distorsión superó eso.

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

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

Permítanme esbozar una teoría general de los sistemas activos y la ganancia. Un sistema activo es aquel que contiene un "motor generalizado", que es un mecanismo que se basa en alguna fuente de energía libre de Helmholtz para empujar a otro sistema (la "carga") fuera del equilibrio térmico. En las tecnologías eléctricas, el voltaje es específicamente energía libre de Helmholtz (que ahora algunos 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 energía para encender un motor, digamos, que la energía que entrega, 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 potencia. Si la acción del motor es continua, la salida se mide como 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 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 desee que funcione el sistema. Pero, esta 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 se puede caracterizar 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.

Puede utilizar este marco conceptual para describir prácticamente cualquier cosa que haga algo. Un ejercicio particularmente divertido es volver atrás y observar los mecanismos de las caricaturas de Rube Goldberg e identificar las fuentes de energía, los mecanismos de control y alguna estimación de la ganancia involucrada. Si la ganancia general es menor, la acción se desvanecerá y la máquina se detendrá antes de que se active la acción final.

Hay un libro maravilloso que deberías ver: "Instrumentos de amplificación" de HP Friedrichs (AC7ZL). Brinda mucha información sobre amplificadores de audio de 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 se requería 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 carbón!