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

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.

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.

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.

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

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:

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".

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.

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.

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.

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 .

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.)

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.

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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