L'amplification avant l'invention des tubes et des transistors


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Les téléphones sont plus anciens que les tubes à vide et bien sûr les transistors. Comment l'amplification du signal a-t-elle été effectuée?

Je parle de la technologie, pas des détails.

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Quelques informations supplémentaires que j'aurais dû donner au début:

  • La question est limitée à la téléphonie
  • Les équipements expérimentaux ne m'intéressent pas. Disons par exemple que l'équipement aurait dû être fabriqué en quantité supérieure à 30 pièces, ou mieux que ce soit un produit commercial.
  • Je ne suis pas seulement intéressé par les solutions purement électriques: cela peut être mécanique, hydraulique ... (mais sans répéteurs humains!)
  • Les adaptations d'impédance (acoustiques ou électriques ...) ne sont pas considérées ici comme des amplifications.

RESUME DES REPONSES

  • Il n'y avait aucune amplification entre le microphone et le casque, même pour une transmission de 1200 km, mais il était nécessaire de crier d'un côté et de silence absolu de l'autre (voir la réponse de WhatRoughBeast)

  • le microphone à charbon est lui-même un amplificateur. La définition générale d’un amplificateur n’est pas toujours très facile (voir la réponse d’Ali Chen et la deuxième réponse de BillF, si vous pouvez suivre), mais il suffit de dire qu’un haut-parleur électrodynamique couplé à un microphone au carbone est un amplificateur électrique (voir ci-dessous). réponse hack et BillF première réponse). J'ajoute que les autres types de microphones sont des atténuateurs (d'où la question)

  • les meilleures lignes téléphoniques ont une perte de seulement 0,04 dB / km en audiofréquence. (comparez avec 10dB / km à 300kHz pour nos lignes téléphoniques)

  • Le moindre son qu'un humain puisse supporter dépasse de plus de 80 dB le plus bas qu'il puisse entendre. (Commentaire de RussellBorogove). Il est possible que le son à l'intérieur du cornet (voir réponse peufeu) soit encore plus fort que ce qu'un humain peut supporter.

Merci pour les contributions.


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L’ampli n’a pas besoin d’amplification du micro-granule de carbone dans l’écouteur électromagnétique. Vous seriez surpris de voir quels amplificateurs existaient avant les tubes et les transistors. Recherchez l’amplificateur mécano-acoustique à tambour rotatif - sonorisation plutôt que téléphone, cabestan, pas d’énergie libre!
Neil_UK

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Rechercher dans un amplificateur magnétique ou un réacteur saturable. en.wikipedia.org/wiki/amplificateur magnétique
Szymon

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Un relais fonctionnerait assez bien pour certaines applications. Non, ce n'est pas linéaire, et oui c'est lent, mais ça amplifie un signal.
user3528438

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@ user35284338 Votre commentaire est une blague
andre314

Grâce à @ next-hack answer, je découvre que les microphones au carbone sont capables d’amplifier une grande puissance (X100 selon une source Internet non vérifiée).
andre314

Réponses:


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Ça ne l'était pas.

Au début (environ 1890), la téléphonie longue distance se faisait à partir de cabines insonorisées et utilisait souvent des téléphones non standard (4 fils). New York à Chicago était la limite de gamme. En 1911, l'utilisation de bobines de chargement a permis la communication de New York à Denver. Notez, cependant, que c'était assez frustrant et impliquait beaucoup de cris.

En 1915, le premier appel transcontinental a été passé, avec une amplification utilisant le tube à vide audion.


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Et puis, 90 ans plus tard, le "smartphone" a été inventé et, en plaçant astucieusement un micro de qualité médiocre dans un napperon animé, à une distance considérable de la bouche, la technique du "assez frustrant et crier" a été réinventée. Cela a été complété par le "casque" qui, en utilisant une électronique de pointe, est capable de simuler l’effet de la personne qui parle est coincée à l’autre bout d’un long tuyau de drainage avec une chaussette pleine à craquer dans la bouche.
Ian Bland

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Pourriez-vous développer les "téléphones non standard (4 fils)"? Était-ce une sorte d'arrangement des sens Kelvin, ou juste une paire dans chaque direction, ou autre chose?
pericynthion

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@pericynthion - 1 paire par direction.
WhatRoughBeast

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Vous voulez dire 1200 km sans aucune amplification! ?
andre314

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@andre - Yup. Mais notez la nécessité d'une pièce insonorisée. Le signal reçu était très faible. De plus, le système à 4 fils signifiait aucune perte dans la bobine hybride.
WhatRoughBeast

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L'amplification, avant que les amplificateurs à tubes soient disponibles, pouvait être réalisée de plusieurs manières. Certains d'entre eux sont:

  • Utilisation d'un haut-parleur électrodynamique couplé à un microphone au carbone pour former un répéteur.
  • Utilisation de la résistance négative d'une lampe à mercure (même si la nature physique de la résistance négative n'a pas été comprise).
  • Utilisation d'un amplificateur magnétique (encore utilisé bien après l'ère des tubes et transistors, et même aujourd'hui dans certaines applications). Les amplificateurs magnétiques ont été utilisés à la fin des années 1800 comme interrupteurs, puis comme amplificateurs lorsque des tubes étaient déjà disponibles, mais une fiabilité élevée était très importante.

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Les amplificateurs magnétiques ont fourni l’énergie nécessaire pour déplacer des courants de 1 000 tonnes de navires de guerre, pour une visée asservie de précision.
analogsystemsrf

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L'entonnoir dans lequel vous êtes censé crier est en fait un cornet:

entrez la description de l'image ici

Les cornes sont des transformateurs acoustiques, elles sont généralement utilisées dans l'autre sens: un transducteur haute pression ("moteur de compression") est monté sur la gorge et le cornet émet une onde acoustique basse pression à l'autre extrémité avec une surface beaucoup plus grande zone, ce qui entraîne une puissance acoustique élevée. Fondamentalement, un mégaphone:

entrez la description de l'image ici

Mais ils travaillent dans les deux sens. Lorsqu'il est monté sur un microphone, toute la surface de la "bouche" du cornet est utilisée pour entrer des ondes acoustiques et à l'autre extrémité, une pression beaucoup plus élevée augmente le signal disponible pour les microphones primitifs du jour. .

Ce n'est pas une amplification car c'est purement passif, mais je suis sûr que ça a aidé.

Remarque: les cornes se déforment également à cause des réflexions internes et des modes de résonance, raison pour laquelle elles sonnent généralement un peu "honky".


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But they work both ways- Branchez vos écouteurs dans la prise microphone, allumez un enregistreur de son et voyez par vous-même. Avertissement: Peut impliquer de crier pour obtenir des résultats satisfaisants.
Tejas Kale

Les appareils audio sont des transducteurs. Les antennes peuvent donc fonctionner dans les deux sens. J'ajouterais que les aides auditives concentrent le son de la même manière que les cornes de microphone des anciens téléphones. Bien sûr, tout est fait maintenant avec l'électronique. Mais je craque toujours quand je vois de vieilles photos d'hommes âgés tenant une grosse corne à leurs oreilles en disant: "Hein?"
SDsolar

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Le système téléphonique à tubes sous vide utilisait exactement le microphone à granules de carbone comme amplificateur. Ce que Bell a inventé, c’est l’utilisation essentiellement du même appareil que le haut-parleur et le microphone. Nous appelons maintenant cela le microphone dynamique. Le système de Bell n’avait aucun mécanisme de gain; il ne présentait aucun avantage intrinsèque en ce qui concerne la portée de la communication par rapport à deux boîtes de conserve reliées par une chaîne. La gamme pratique était un petit nombre de pâtés de maisons.

Le microphone à charbon a la propriété requise d’un amplificateur: il fonctionne essentiellement comme une valve. Ainsi, le signal électrique peut avoir une puissance beaucoup plus grande que le signal acoustique. C’est l’invention qui a fait du téléphone un jouet, un système de télécommunication. (En passant, la fameuse citation des dirigeants de Western Union selon laquelle ils ne voyaient aucune application pratique du téléphone de Bell «à l'heure actuelle» faisait spécifiquement référence aux brevets de Bell, ce qui leur avait été offert. l'objection était précisément la gamme limitée.)

Le microphone à carbone a été inventé par Thomas Edison et lui-même et tous les autres intervenants savaient exactement ce qui se passait (amplification) et pourquoi cela était nécessaire à la croissance du système téléphonique. L'histoire est détaillée, du moins du point de vue d'Edison, dans un livre de son avocat en brevets, Frank Lewis Dyer, Edison, Sa vie et ses inventions, chapitre 9. (Disponible à l' adresse http://www.gutenberg.org/files/820 /820-h/820-h.htm ). Le microphone à charbon était également utilisé dans un des premiers amplificateurs analogiques électriques appelé "relais téléphonique", qui était essentiellement un récepteur téléphonique couplé mécaniquement à un bouton en carbone. Un livre de H. Peter Friedrichs intitulé Instruments d'amplification: amuser avec des tubes faits maison, des transistors, etc. (2003) contient de nombreuses informations sur les premières technologies d'amplification.

Si vous vous demandez pourquoi nous ne connaissons que la contribution de Bell au téléphone, alors que c’est vraiment Edison qui a rendu le système évolutif, blâme J. Pierpont Morgan. Il a imposé la structure de quasi-monopoles de haute technologie du début du XXe siècle dans le cadre d'une réorganisation des entreprises appliquant les licences de brevets nécessaires. Essentiellement, Bell a reçu ce qui est devenu AT & T et Edison a reçu GE. Ce sont Morgan qui a imposé une interprétation large des brevets de Bell, et non des personnes liées au système américain des brevets.

Mon propre intérêt pour cette histoire remonte à quelques années, alors que je cherchais à savoir si un système technologique avait jamais réussi à s’adapter (d’un facteur supérieur à 10) sans utiliser d’élément de gain. Cela a été et reste d’intérêt pour les revendications relatives à l’informatique réversible et quantique, par exemple, qui ne peuvent pas comporter d’éléments de gain. J'inclus dans les "éléments d'amplification" des éléments tels que le bâtonnet dans le feu de camp du Paléolithique, les vannes à palettes dans les écluses du canal et les gaz du moteur à vapeur. Il est apparu que le système téléphonique ancien était l'exception. En fait, il s’est avéré être l’exemple absolument classique d’un concept de système qui n’allait nulle part jusqu’à ce que l’élément de gain soit inventé.


Mon vocabulaire anglais est limité, mais je dirais qu'une valve (je veux dire le tube à vide) est plutôt une diode. Tu ne veux pas dire plutôt une triode?
andre314

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Par "soupape", j'entends un mécanisme qui peut contrôler de manière externe un débit. Pensez aux vannes avec des poignées qui contrôlent le débit d'eau. Les Britanniques utilisaient initialement le mot "valve" pour désigner la diode à vide de Fleming; ici, l'analogie avec la tuyauterie est la "valve anti-retour" qui permet l'écoulement dans un seul sens et ne comporte aucune partie mobile de l'extérieur. Lorsque de Forest inventa la triode, l'utilisation britannique de "valve" fut également appliquée à ces nouveaux appareils. Notez que les vannes de contrôle et les clapets anti-retour étaient des éléments importants de la haute technologie de l'époque, le moteur à vapeur, et donc des analogies utiles.
BillF

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Les téléphones sont plus anciens que les tubes à vide et bien sûr les transistors. Comment l'amplification du signal a-t-elle été effectuée?

Je me souviens que lorsque j'étais enfant, vous pouviez acheter un combiné en plastique relié à un autre combiné en plastique par une paire de fils de 100 pieds de long environ. Vous pouvez parler dans le combiné (pas besoin de piles) et sur l’autre combiné, la personne peut vous entendre. Cela fonctionnait dans les deux sens, c’est-à-dire qu’il y avait un petit haut-parleur (qui servait également de microphone) relié par deux fils à un autre petit haut-parleur du combiné distant.

Elle s’appuyait sur une efficacité d’environ 10% du haut-parleur, c’est-à-dire qu’elle couplait environ 10% de la puissance acoustique reçue et que celle-ci était convertie en environ 1% de la puissance sonore initiale à l’autre extrémité. C’était suffisant pour tenir une conversation et cela n’avait pas besoin de piles.

Il y a une société qui (la dernière fois que j'ai regardé) a fabriqué des téléphones "à sonorisation" pour les environnements de gaz inflammables, car ils sont intrinsèquement sûrs et ne provoqueront pas d'explosion, c'est-à-dire que cette technologie est toujours utilisée aujourd'hui.


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... et vous vouliez fabriquer le son, c'est pourquoi vous êtes aujourd'hui ingénieur en électronique analogique.
andre314

2
Et l'armée les utilise parce qu'ils fonctionnent même lorsque le courant est coupé.
Loren Pechtel

100 pieds ... Je sais que ce n'est pas amusant pour les garçons de ~ 9 ans, mais crier n'aurait-il pas fonctionné mieux? :-)
yo '

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Si vous pouviez appeler cela de l'amplification, cela a été fait dans le microphone à charbon dans lequel vous parlez. Une tension a été appliquée sur l'élément en carbone du microphone. Les ondes sonores modifiaient la résistance de l'élément en produisant un courant variable. Cela peut produire un signal électrique plus puissant que le son d'origine. A partir de là, pratiquement tout ce que le signal a traversé l'atténuerait dans une certaine mesure - fils, transformateurs, etc. Comme indiqué dans l'article de Wikipedia, les microphones au carbone peuvent constituer la base d'un amplificateur, mais pas très bon.


Entièrement d'accord. Il n’est pas clair pour moi comment calculer un gain de puissance entre un domaine acoustique et un domaine électrique, mais comme "un haut-parleur électrodynamique couplé à un microphone au carbone" a un gain (purement électrique), il est clair que quelque chose a un gain et le micro est nécessaire
andre314

@andre ne sait pas non plus comment calculer le gain pour un microphone au carbone, mais il existe une relation entre la pression acoustique appliquée à l'élément carbone et la résistance électrique de l'élément. L'énergie acoustique entraîne la pression qui varie dans le temps sur l'élément; une tension d'entrée continue commande le courant de ligne via une résistance variable dans le temps dans l'élément. L'énergie acoustique elle-même ne génère pas le signal électrique, elle ne forme que le courant entraîné par la tension d'alimentation. Comme lorsque vous allumez une lumière - votre doigt sur l'interrupteur ne l'allume pas.
Anthony X

@andre l'unité commune est le pouvoir. 1 Pa * 1 m ^ 3 / s = 1 N * 1 m / s = 1 V * 1 A = 1 W :)
hobbs

L'estimation du débit (terme m ^ 3 / s) semble être la partie difficile, mais il est peut-être juste d'utiliser la vitesse du son multipliée par la zone d'ouverture effective de l'embout buccal, multipliée par le temps
nécessaire

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Avant l’amplification des tubes à vide et des transistors, la majeure partie de l’amplification du son était réalisée au niveau acoustique, au moyen de cornes exponentielles. L'amplification se produit par la création d'un son directionnel et par une meilleure adéquation entre l'impédance acoustique de l'air libre et la membrane du transducteur. Un exemple simple de cette technique consiste à tenir les deux mains autour de votre bouche lorsque vous criez en public ou à utiliser un cône en papier.

Le phonographe Edison, wikipedia, était un meilleur modèle .

entrez la description de l'image ici


Oui, mais le klaxon est un appareil passif (puisqu'il n'est pas alimenté). Cela aide à résoudre le problème du manque de puissance dans le signal, mais ma question est de savoir où sont les éléments (le cas échéant) qui permettent une amplification de puissance (ces éléments ont absolument besoin d’une source de puissance, sinon nous avons inventé le mouvement perpétuel). )
andre314

En d'autres termes: il faut amplifier une quantité exprimée en Watts (Non Volt, Ampère, Pascal, Barres, mètres (pour le déplacement) ... toute quantité pouvant être ajoutée à une même fréquence). Notre oreille est sensible au déplacement (d'une membrane interne dans l'oreille), nous sentons donc une amplification mais ce n'est pas vraiment une adaptation (c'est une adaptation d'impédance)
andre314

... une adaptation d'impédance qui minimise la perte de puissance entre la source et la charge, mais ne crée pas de puissance.
andre314

@andre, vous devrez probablement clarifier votre question.
Ale..chenski

Terminé. Merci ! (s'il vous plaît, n'enlevez pas votre réponse, c'est l'occasion de clarifier ce point)
andre314

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Voici un complément aux réponses déjà proposées pour clarifier le rôle d’un troisième facteur parfois lié (avec confusion) à l’atténuation / amplification.

Comme "andre" l'a déjà écrit dans l'un de ses commentaires, "l'atténuation n'est pas le seul facteur limitant" (dans la facilité d'utilisation du signal téléphonique).

Pour les premières lignes téléphoniques de l’époque avant l’amplification, le facteur le plus important en termes de convivialité était probablement l’ampleur de la distorsion du signal, en particulier la distorsion de phase.

Les bobines de chargement, conçues et appliquées conformément à la théorie de Heaviside sur le comportement des lignes de transmission, ont considérablement réduit la distorsion. Cette description de la "condition Heaviside" (+ références) montre ce qui a été fait et indique clairement que l'objectif de conception était "pas de distorsion", pas "pas de perte".

Les bobines de chargement inductives utilisées pour se rapprocher de la «condition de Heaviside» étaient essentiellement des éléments passifs. Naturellement, ils étaient aussi quelque peu résistants, d’où même des pertes de puissance / amplitude en augmentation marginale. Mais l'avantage d'une distorsion réduite l'emportait sur cela.

Dans certaines sources, ce bon résultat, voire dramatique, a été décrit de manière assez confuse, sinon comme «amplification», alors certainement comme cela, les bobines «atténuent» (par exemple ici ). Bien entendu, la mauvaise chose qui a été réduite est le garbling et l’inutilisabilité du signal en raison de la distorsion, et non la perte de puissance ou d’amplitude en tant que telle.

(Si le sens du terme "atténuation" peut être pris assez largement pour couvrir la perte d'intelligibilité ainsi que la perte de puissance / amplitude, alors peut-être d'accord, mais les sources ne le disent pas clairement.)


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Permettez-moi d'esquisser une théorie générale des systèmes actifs et du gain. Un système actif est un système qui contient un "moteur généralisé", mécanisme qui fait appel à une source d'énergie libre de Helmholtz pour repousser un autre système (la "charge") de l'équilibre thermique. Dans les technologies électriques, la tension correspond spécifiquement à l’énergie libre de Helmholtz (que certains appellent maintenant "exergie") par charge. Et l'équilibre thermique est chaque nœud au potentiel de la terre.

Les moteurs utiles auront un mécanisme pour contrôler leur action, et une question clé est de savoir quelle quantité d'énergie ou de puissance le mécanisme de contrôle absorbe-t-il? De toute évidence, s'il faut plus de puissance pour allumer un moteur, disons, que la puissance qu'il fournit, vous perdez la proposition. Le rapport entre l'énergie fournie à la charge et l'énergie absorbée par le mécanisme de commande constitue le gain. (Bien entendu, les systèmes que nous appelons amplificateurs répondent à cette définition de "moteur".)

Maintenant, il y a une question de savoir si nous avons besoin d'utiliser de l'énergie ou du pouvoir. Si l'action du moteur est continue, le rendement est mesuré en tant que puissance. Si le mécanisme de contrôle absorbe également de manière continue de l'énergie, l'entrée est également une puissance et le gain est simplement le rapport de ces quantités. Mais nous avons souvent des cas où une entrée discrète d'énergie peut contrôler une puissance continue. Les MOSFET à grande géométrie fonctionnent de cette façon. Ce que nous pouvons citer est la puissance de sortie par rapport à l'énergie d'entrée, et nous obtenons un nombre qui a des unités de fréquence. Bien sûr, nous savons comment interpréter cela comme un produit à gain de bande passante: le gain dépend de la rapidité avec laquelle vous voulez que le système fonctionne. Mais, cela reste une mesure pertinente du gain.

Prenons l'exemple d'une locomotive à vapeur: la puissance de sortie est plutôt évidente, mais le mécanisme de commande est le papillon des gaz, ce qui nécessite une entrée d'énergie ponctuelle pour changer d'état. Ainsi, une locomotive peut être caractérisée par son produit gain-bande passante.

Le cas restant est celui où une entrée de puissance continue est nécessaire pour maintenir une certaine quantité d’énergie nette dans la charge. Les muscles fonctionnent de cette façon, mais pratiquement aucun système technologiquement utile ne fonctionne de la sorte.

Vous pouvez utiliser ce cadre conceptuel pour décrire pratiquement tout ce qui fait quelque chose. Un exercice particulièrement amusant consiste à revenir en arrière et à regarder les mécanismes de dessin animé de Rube Goldberg, et à identifier les sources d'énergie, les mécanismes de contrôle et certaines estimations du gain impliqué. Si le gain global est inférieur à 1, l'action disparaîtra et la machine s'arrêtera avant que l'action finale ne soit déclenchée.


Cela me rappelle des automatismes, où l'unité de réponse impulsionnelle est le Hz (!), Lorsque l'entrée et la sortie sont homogènes (par exemple, les volts)
andre314

Pas la même chose?
andre314

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Votre "réponse" intéressante dépasse la question, même si je pense que votre motivation n'est pas de récolter des points de réputation.
andre314

Il y avait une certaine hésitation à appeler le processus de conversion acoustique à électronique "gain", alors j'ai simplement essayé de montrer en quoi le gain est en réalité une propriété universelle des technologies.
BillF

Merci. Mon hésitation était plus élémentaire: comment définir la puissance réelle reçue par la membrane du microphone (sans parler d’adaptation d’impédance acoustique, autre difficulté). Mais peu importe.
Andre314

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Il y a un livre merveilleux que vous devriez voir: "Instruments of Amplification" de HP Friedrichs (AC7ZL). Il fournit de nombreuses informations sur les amplificateurs audio Carbon Mike, les triodes de flamme, les arcs de carbone et d'autres idées étranges. Les relais électromécaniques ont débuté comme amplificateurs de signaux télégraphiques discrets, mais des tentatives ont été faites pour les utiliser comme amplificateurs de puissance audio.

Pour la plupart de ces réactions négatives, il fallait obtenir quelque chose comme une réponse linéaire.

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