Amplifikasi sebelum tabung dan transistor ditemukan

Telepon lebih tua dari tabung hampa udara dan tentu saja transistor. Bagaimana amplifikasi sinyal dilakukan?

Maksud saya teknologinya, bukan detailnya.

SUNTING

Beberapa informasi tambahan yang seharusnya saya berikan di awal:

• Pertanyaannya terbatas pada telepon
• Saya tidak tertarik dengan peralatan eksperimental. Katakanlah misalnya bahwa peralatan tersebut harus dilakukan dalam jumlah lebih dari 30 buah, atau lebih baik itu telah menjadi produk komersial.
• Saya tidak hanya tertarik pada solusi listrik murni: itu bisa mekanis, hidrolik ... (tetapi tanpa repeater manusia!)
• adaptasi impedansi (akustik atau listrik ...) tidak dianggap di sini sebagai amplifikasi.

IKHTISAR JAWABAN

• Tidak ada amplifikasi antara mikrofon dan headphone, bahkan untuk transmisi 1.200 km, tetapi berteriak diperlukan di satu sisi, dan benar-benar keheningan di sisi lain (lihat jawaban WhatRoughBeast)

• mikrofon karbon itu sendiri adalah penguat. The umum definisi penguat tidak selalu sangat mudah (lihat Ali Chen jawaban, dan jawaban kedua BillF, jika Anda dapat mengikuti), tetapi cukup untuk mengatakan bahwa seorang pembicara electrodynamic digabungkan ke mikrofon karbon adalah listrik penguat (lihat berikutnya- jawaban hack dan jawaban pertama BillF). Saya menambahkan bahwa jenis mikrofon lainnya adalah attenuator (maka pertanyaannya)

• saluran telepon terbaik hanya kehilangan 0,04dB / km pada frekuensi audio. (bandingkan dengan 10dB / km pada 300kHz untuk saluran telepon kami)

• Suara paling lemah yang bisa ditanggung manusia adalah lebih dari 80dB di atas yang terendah yang bisa didengarnya. (Komentar RussellBorogove). Mungkin saja bunyi di dalam klakson (lihat jawaban peufeu) bahkan lebih keras daripada yang bisa dilakukan manusia.

Terima kasih atas kontribusinya.

Bukan itu.

Pada hari-hari awal (ca 1890) telepon jarak jauh dilakukan dari bilik kedap suara dan sering menggunakan telepon non-standar (4-kawat). New York ke Chicago adalah batas jangkauan. Pada 1911, penggunaan gulungan pemuatan memungkinkan komunikasi dari New York ke Denver. Namun, perhatikan bahwa ini cukup membuat frustrasi dan melibatkan banyak teriakan.

Pada tahun 1915 panggilan lintas benua pertama dibuat, dengan amplifikasi menggunakan tabung vakum audion.

Amplifikasi, sebelum amplifier tabung tersedia, dapat dicapai dengan beberapa cara. Beberapa dari mereka adalah:

• Menggunakan speaker elektrodinamik yang dipasangkan dengan mikrofon karbon, untuk membentuk repeater.
• Menggunakan resistensi negatif dari lampu merkuri (bahkan jika itu sifat fisik dari resistensi negatif tidak dipahami).
• Menggunakan penguat magnetik (masih digunakan dengan baik setelah era tabung dan transistor, dan bahkan hari ini di beberapa aplikasi). Amplifier magnetik pada awalnya digunakan sebagai saklar pada akhir 1800, dan mereka digunakan sebagai amplifier ketika tabung sudah tersedia, tetapi keandalan tinggi sangat penting.

Corong yang seharusnya Anda teriakkan sebenarnya adalah sebuah tanduk:

Tanduk adalah transformator akustik, mereka biasanya digunakan sebaliknya: transduser tekanan tinggi ("driver kompresi") dipasang di tenggorokan, dan tanduk menghasilkan gelombang akustik tekanan rendah di ujung lainnya dengan permukaan yang jauh lebih besar area, yang menghasilkan daya akustik yang tinggi. Pada dasarnya sebuah megafon:

Tapi mereka bekerja dua arah. Ketika dipasang pada mikrofon, seluruh area permukaan "mulut" tanduk digunakan untuk memasukkan gelombang akustik, dan di sisi lain menghasilkan tekanan yang jauh lebih tinggi, yang meningkatkan sinyal yang tersedia untuk mikrofon primitif pada hari itu .. .

Ini bukan amplifikasi karena murni pasif, tapi saya yakin itu membantu.

Catatan: klakson juga berubah bentuk karena pantulan internal dan mode resonansi, itulah sebabnya mereka biasanya terdengar agak "honky".

Sistem telepon pra-vakum-tabung menggunakan mikrofon karbon-granul sebagai penguat. Apa yang ditemukan Bell adalah penggunaan perangkat yang pada dasarnya sama dengan speaker dan mikrofon. Sekarang kami menyebutnya mikrofon dinamis. Sistem Bell tidak memiliki mekanisme penguatan; itu tidak memiliki keunggulan intrinsik sehubungan dengan rentang komunikasi melalui dua kaleng yang dihubungkan oleh string. Rentang praktisnya adalah sejumlah kecil blok kota.

Mikrofon karbon memiliki properti penguat yang diperlukan: pada dasarnya berfungsi sebagai katup. Dengan demikian, sinyal listrik dapat memiliki daya yang jauh lebih besar daripada sinyal akustik. Ini adalah penemuan yang menjadikan telepon dari mainan menjadi sistem telekomunikasi. (Omong-omong, kutipan terkenal dari eksekutif Western Union, bahwa mereka tidak dapat melihat aplikasi praktis dari telepon Bell 'pada saat ini' secara khusus mengacu pada paten Bell, yang merupakan apa yang telah mereka tawarkan. Keberatan justru kisaran terbatas.)

Mikrofon karbon diciptakan oleh Thomas Edison, dan dia dan semua orang yang terlibat tahu persis apa yang sedang terjadi (amplifikasi) dan mengapa itu diperlukan untuk pertumbuhan sistem telepon. Kisah ini dirinci, setidaknya dari sudut pandang Edison dalam sebuah buku yang ditulis oleh pengacara patennya, Frank Lewis Dyer, Edison His Life and Inventionsions, Bab 9. (Tersedia dari http://www.gutenberg.org/files/820 /820-h/820-h.htm ). Mikrofon karbon juga digunakan dalam penguat analog listrik awal yang disebut "relai telepon" yang pada dasarnya adalah penerima telepon yang secara mekanis digabungkan ke tombol karbon. Ada banyak informasi tentang teknologi penguat awal dalam sebuah buku karya H. Peter Friedrichs yang disebut Instruments of Amplification: Fun with Homemade Tubes, Transistor, and More (2003).

Jika Anda bertanya-tanya mengapa kita hanya tahu tentang kontribusi Bell pada telepon, padahal benar-benar Edison yang membuat sistem scalable, salahkan J. Pierpont Morgan. Dia memberlakukan struktur monopoli semi-teknologi tinggi awal abad ke-20 dalam reorgainisasi perusahaan-perusahaan yang memberlakukan lisensi paten yang diperlukan. Intinya Bell diberi apa yang menjadi AT&T dan Edison diberi GE. Morgan yang menerapkan interpretasi lingkup luas atas paten Bell, bukan siapa pun yang terhubung dengan sistem Paten AS.

Ketertarikan saya sendiri pada sejarah ini kembali beberapa tahun ketika saya melihat apakah suatu sistem teknologi pernah berhasil dalam penskalaan (lebih dari katakanlah faktor 10) tanpa menggunakan elemen penguatan. Alasan bahwa ini dan yang menarik adalah klaim untuk komputasi reversibel dan kuantum, misalnya, yang tidak dapat memiliki elemen gain. Saya memasukkan "elemen amplifikasi" seperti tongkat pengaduk di api unggun Paleolitikum, katup dayung di kunci kanal, dan throttle mesin uap. Tampaknya sistem telepon awal adalah pengecualian. Bahkan ternyata itu adalah contoh yang benar-benar klasik dari konsep sistem yang tidak menuju ke mana-mana sampai elemen gain ditemukan.

Telepon lebih tua dari tabung hampa udara dan tentu saja transistor. Bagaimana amplifikasi sinyal dilakukan?

Saya ingat ketika saya masih kecil, Anda bisa membeli handset plastik yang terhubung ke handset plastik lain melalui sepasang kabel yang panjangnya sekitar seratus kaki. Anda dapat berbicara ke handset (tidak perlu baterai) dan di handset lain orang tersebut dapat mendengar Anda. Ini bekerja di kedua arah yaitu ada loudspeaker kecil (yang berfungsi ganda sebagai mikrofon) yang terhubung dengan dua kabel ke loudspeaker kecil lainnya di handset yang jauh.

Itu bergantung pada pengeras suara menjadi sekitar 10% efisien yaitu itu digabungkan sekitar 10% dari daya akustik yang diterima dan ini dikonversi menjadi sekitar 1% dari kekuatan suara asli di ujung yang lain. Sudah cukup untuk melakukan percakapan dan tidak perlu baterai.

Ada sebuah perusahaan yang (terakhir kali saya melihat) menghasilkan telepon "bertenaga suara" untuk lingkungan gas yang mudah terbakar karena secara intrinsik aman dan tidak akan menyebabkan ledakan yaitu teknologi ini masih digunakan sampai sekarang.

Jika Anda bisa menyebutnya amplifikasi, itu dilakukan di mikrofon karbon di mana Anda berbicara. Tegangan diterapkan pada elemen karbon mikrofon. Gelombang suara mengubah resistensi elemen yang menghasilkan arus yang bervariasi. Ini dapat menghasilkan sinyal listrik yang lebih kuat daripada suara aslinya. Dari sana, hampir semua yang dilalui sinyal akan melemahkannya sampai tingkat tertentu - kabel, trafo, dll. Seperti disebutkan dalam artikel Wikipedia, mikrofon karbon dapat membentuk dasar penguat, tetapi bukan yang sangat bagus.

Sebelum tabung vakum dan amplifikasi transistor, sebagian besar amplifikasi suara dilakukan pada tingkat akustik, melalui klakson eksponensial. Amplifikasi terjadi dengan cara menciptakan suara terarah, dan lebih cocok antara impedansi akustik udara terbuka dan membran transduser. Salah satu contoh paling sederhana dari teknik ini adalah memegang kedua telapak tangan di sekitar mulut Anda ketika berteriak di depan umum, atau menggunakan kerucut kertas.

Desain yang lebih baik adalah Edison Phonograph, wikipedia .

Inilah suplemen untuk jawaban yang sudah ditawarkan, untuk mengklarifikasi peran faktor ketiga yang kadang-kadang dikaitkan (membingungkan) dengan pelemahan / penguatan.

Seperti yang 'andre' tulis dalam salah satu komentarnya, 'pelemahan bukan satu-satunya faktor pembatas' (dalam kegunaan sinyal telepon).

Untuk saluran telepon awal di era sebelum amplifikasi, mungkin faktor terpenting berikutnya dalam kegunaan adalah tingkat distorsi sinyal, terutama fase distorsi.

Memuat gulungan, dirancang dan diterapkan sesuai dengan teori Heaviside tentang perilaku saluran transmisi, sangat mengurangi distorsi. Deskripsi tentang 'kondisi Heaviside' (+ referensi) ini menunjukkan apa yang dilakukan dan menjelaskan bahwa tujuan desainnya adalah 'tanpa distorsi', bukan 'tanpa kehilangan'.

Koil pemuatan induktif yang digunakan untuk mendekati 'kondisi Heaviside' pada dasarnya adalah elemen pasif. Mereka secara alami juga agak resistif, karenanya bahkan sedikit kehilangan daya / amplitudo. Tetapi keuntungan dalam mengurangi distorsi melebihi itu.

Dalam beberapa sumber, hasil yang baik dan bahkan dramatis ini telah agak membingungkan dijelaskan, jika bukan sebagai 'amplikasi', maka tentu saja bahwa kumparan 'redaman berkurang' (misalnya di sini ). Tentu saja hal buruk yang berkurang adalah gangguan dan tidak dapat digunakannya sinyal karena distorsi, bukan kehilangan daya atau amplitudo.

(Jika arti 'atenuasi' dapat diambil secara luas untuk menutupi hilangnya kejelasan serta hilangnya daya / amplitudo, maka mungkin ok, tetapi sumber tidak menjelaskannya.)

Biarkan saya menguraikan teori umum tentang sistem aktif dan keuntungan. Sistem aktif adalah sistem yang mengandung "mesin umum," yang merupakan mekanisme yang memanfaatkan beberapa sumber energi bebas Helmholtz untuk mendorong sistem lain ("muatan") menjauh dari kesetimbangan termal. Dalam teknologi listrik, tegangan secara khusus adalah energi bebas Helmholtz (yang sekarang disebut beberapa "exergy") per charge. Dan kesetimbangan termal adalah setiap simpul di potensial tanah.

Mesin yang bermanfaat akan memiliki beberapa mekanisme untuk mengendalikan aksi mereka, dan pertanyaan kuncinya adalah berapa banyak energi atau daya yang diserap mekanisme kontrol? Jelas, jika dibutuhkan lebih banyak daya untuk menghidupkan motor, katakanlah, daripada daya yang diberikannya, Anda akan kehilangan proposisi. Rasio energi yang dikirim ke beban terhadap energi yang diserap oleh mekanisme kontrol adalah gain. (Tentu saja sistem yang kita sebut amplifier memenuhi definisi "mesin.")

Sekarang, ada pertanyaan tentang apakah kita perlu menggunakan energi atau tenaga. Jika aksi mesin kontinu, output diukur sebagai tenaga. Jika mekanisme kontrol juga terus menyerap energi, input juga merupakan kekuatan, dan keuntungannya hanya rasio dari jumlah ini. Tetapi, kita sering memiliki kasus di mana input energi yang terpisah dapat mengontrol daya yang berkelanjutan. MOSFET geometri besar bekerja dengan cara ini. Apa yang dapat kami kutip adalah daya keluaran terhadap energi input, dan kami mendapatkan angka yang memiliki satuan frekuensi. Tentu saja kita tahu bagaimana menafsirkan ini sebagai produk gain-bandwidth: keuntungan tergantung pada seberapa cepat Anda ingin sistem bekerja. Namun, ini masih merupakan ukuran keuntungan yang relevan.

Ambil contoh lokomotif uap: Daya output agak jelas, tetapi mekanisme kontrolnya adalah throttle, yang membutuhkan input energi satu kali untuk mengubah kondisinya. Dengan demikian lokomotif dapat dicirikan oleh produk gain-bandwidth-nya.

Kasing yang tersisa adalah di mana input daya kontinu diperlukan untuk mempertahankan beberapa energi bersih dalam beban. Otot bekerja dengan cara ini, tetapi hampir tidak ada sistem yang berguna secara teknologi bekerja dengan cara ini.

Anda dapat menggunakan kerangka kerja konseptual ini untuk menggambarkan hampir semua hal yang melakukan sesuatu. Latihan yang sangat lucu adalah kembali dan melihat mekanisme kartun Rube Goldberg, dan mengidentifikasi sumber energi, mekanisme kontrol, dan beberapa perkiraan perolehan yang terlibat. Jika keuntungan keseluruhan kurang satu, aksi akan gagal dan mesin akan berhenti sebelum aksi terakhir dipicu.

Ada buku bagus yang harus Anda lihat: "Instrumen Amplifikasi" oleh HP Friedrichs (AC7ZL). Ini memberikan banyak informasi tentang penguat audio mike karbon, triode api, busur karbon, dan ide-ide aneh lainnya. Relai elektromekanis memulai kehidupan mereka sebagai penguat sinyal telegraf terpisah, tetapi ada upaya untuk menggunakannya sebagai penguat daya audio.

Karena banyak dari umpan balik negatif ini diperlukan untuk mendapatkan sesuatu seperti respons linear.

Google Voice of the Crystal, atau buka situs web ARRL. Bersenang-senang, tapi jangan sampai buta atau membakar rumah dengan busur karbon Anda!