Transmițător de scânteie

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare

Un transmițător de scânteie (sau scânteie ) este un aparat pentru generarea undelor electromagnetice de frecvență radio. Aceste dispozitive au servit ca emițătoare pentru majoritatea sistemelor de telegrafie fără fir în primele trei decenii de radio ( 1885 - 1916 ), iar primele demonstrații ale radiourilor de lucru au fost efectuate folosind acest tip de dispozitiv. În ultimii ani, s-au dezvoltat emițătoare mai eficiente bazate pe alternatoarele de mare viteză ale lui Alexanderson și generatoarele de arc Poulsen, deși emițătorii de scânteie au continuat să fie preferați de mulți operatori atât pentru proiectarea lor, cât și pentru faptul că emițătorul a încetat să genereze o undă purtătoare imediat ce cheia Codului Morse a fost eliberată, permițând operatorului să audă un răspuns anticipat „prin” care este între un semnal transmis și altul. undă purtătoare și pentru a separa antena de recepție de cea de transmisie.

După Primul Război Mondial, au devenit disponibile emițătoare cu tuburi mult îmbunătățite care au depășit aceste probleme. La sfârșitul anului 1920 , singurele emițătoare de scânteie care încă funcționau erau legate de instalarea pe bărci navale. Chiar și atunci când au fost instalate emițătoare pe bază de tuburi de vid, multe bărci și-au păstrat transmițătoarele brute, dar utilizabile, ca unități de urgență.

Istorie

Istoria radioului arată că emițătorul de scânteie a fost produsul multor oameni care lucrau adesea în competiție. În 1862 James Clerk Maxwell a prezis propagarea undelor electromagnetice prin vid, iar în 1888 fizicianul Heinrich Rudolf Hertz a fost primul care a verificat predicțiile lui Maxwell. Hertz a folosit un transmițător de scânteie reglat și un detector de arc reglat corespunzător (format dintr-un cerc al unui cablu metalic întrerupt de o scânteie mică) plasat la câțiva metri distanță. Într-o serie de experimente de undă cu frecvență foarte înaltă ( UHF ), Hertz a verificat că undele electromagnetice au fost produse de transmițător. Când emițătorul a emis scânteia, au apărut mici scântei prin fanta de scânteie receptoare, care au putut fi văzute printr-un microscop.

Nikola Tesla a dezvoltat așa-numitul sistem de „cuplare amortizată” care a produs o undă purtătoare mult mai coerentă, mai puține interferențe, a funcționat mult mai eficient și a putut fi utilizată în toate condițiile meteorologice.

Un tip de transmițător de scânteie Nikola Tesla
Sursa : HS Norrie, „Bobine inductive: Cum să le realizăm, să le folosim și să le reparăm”. Norman H. Schneider, 1907, ediția a patra, New York.

Tesla a condus aplicarea tehnologiei sale de înaltă tensiune și frecvență înaltă la radio. Prin reglarea unei bobine de recepție la o frecvență specifică utilizată în bobina de transmisie, el a arătat că puterea de ieșire a unui receptor radio poate fi enorm amplificată prin acțiune rezonantă. Tesla a fost primul care a brevetat un mijloc de producere a practicilor de frecvență radio (a se vedea brevetul SUA 447.920 , Metoda de utilizare a lămpilor cu arc (10 martie 1891 )). Tesla a inventat, de asemenea, o varietate de fante de scânteie rotative, răcite și amortizate capabile să atingă niveluri mari de putere. Marconi, inspirat de diverși experimentatori (în principal Tesla ), a început apoi să dezvolte telegrafie fără fir folosind emițătoare de arc de mare putere.

Marconi a început să experimenteze telegrafia fără fir din 1895 până în 1900 . Primul său transmițător a fost extrem de grosolan, constând în nimic mai mult decât o bobină de inducție conectată între un cablu de antenă și o masă, cu un spațiu de scânteie peste el. De fiecare dată când bobina a pulsat, antena a fost încărcată momentan la zeci (uneori sute) de mii de volți până când fanta de scânteie a început să emită scântei. Acesta a funcționat ca un comutator, conectând în esență antena încărcată la sol, producând o explozie foarte scurtă de radiație electromagnetică.

Deși acest lucru a funcționat suficient de bine pentru a demonstra conceptul de telegrafie fără fir, a avut de fapt defecte grave. Cea mai mare problemă a fost că puterea maximă care ar putea fi emisă a fost determinată direct de cantitatea de încărcare electrică pe care o poate păstra antena. Deoarece capacitatea antenei este destul de mică, singura modalitate de a găsi o putere rezonabilă a fost să o încărcați la tensiuni foarte mari. Cu toate acestea, acest lucru a făcut imposibilă transmisia în condiții de umezeală sau ploi. Apoi, a fost necesară o deschidere de scânteie destul de mare, cu o rezistență electrică foarte mare, cu rezultatul că cea mai mare parte a energiei electrice a fost utilizată pur și simplu pentru a încălzi aerul din scânteia.

Cealaltă problemă a fost că, datorită duratei foarte scurte a fiecărei explozii de radiații electromagnetice, sistemul a radiat un semnal de bandă extrem de „murdar”, care era aproape imposibil de acordat dacă ascultătorul dorea să examineze o stație diferită. În ciuda acestui fapt, Marconi a reușit să stabilească un serviciu comercial de telegrafie fără fir care a deservit Statele Unite și Europa .

Primele încercări ale lui Reginald Fessenden de a transmite vocea folosind un emițător de scânteie care funcționează la aproximativ 10.000 de descărcări pe secundă. Pentru a modula acest transmițător a introdus un microfon din carbon în serie cu sursa de alimentare. A experimentat marea dificultate în a face sunet sonor.

În 1905, un emițător de scânteie „de ultimă generație” a generat un semnal având o lungime de undă cuprinsă între 250 de metri (1,2 MHz ) și 550 de metri (545 kHz ). Cea de 600 de metri (500 kHz) a devenit frecvența de securitate internațională. Receptorii erau simpli detectoare neamplificate, de obicei coerente (o cantitate mică de pulbere de metal conținută liber între electrozi metalici). Acest lucru a dat ulterior loc faimoaselor seturi de cristale de galena mai sensibile. Tunerele erau primitive sau inexistente. Operatorii radio amatori de la început au construit emițătoare de scânteie cu putere redusă care foloseau bobina de aprindere a automobilului Ford Model T. Dar o stație comercială tipică din 1916 ar putea include un transformator de jumătate de katt Watt care generează 14.000 de volți , un condensator în opt secțiuni și o deschidere rotativă capabilă să gestioneze un vârf de curent de multe sute de amperi .

Instalațiile de la bordul navelor foloseau de obicei un motor de curent continuu (navele aveau de obicei surse de lumină de curent continuu) pentru a acționa un alternator a cărui putere a crescut apoi la 10.000 - 14.000 volți dintr-un transformator .

Transmițătoarele de scânteie au generat semnale destul de mari. Pe măsură ce modul mai eficient de transmisie cu undă continuă (CW) a devenit mai ușor de produs și benzile s-au suprapus și interferențele s-au înrăutățit, emițătorii de scânteie și de undă amortizată au fost legalizați pe noi lungimi de undă mai scurte printr-un tratat internațional și înlocuitori de convertoare de arc Poulsen și frecvență înaltă alternatoare care au dezvoltat o frecvență de transmisie mai clară. Aceste abordări au produs ulterior tehnologia tuburilor de vid și „epoca electrică” a radioului s-a încheiat. La ceva timp după ce au încetat să mai fie folosite pentru comunicații, transmițătoarele de scânteie au fost folosite pentru a bloca aparatele de radio. Oscilatoarele de scânteie sunt încă utilizate pentru a genera frecvență înaltă și tensiune înaltă pentru a iniția arcuri de sudură TIG . Pentru a simula EMP sunt încă folosite generatoare de scântei pulsante puternice. În majoritatea lămpilor foarte puternice cu descărcare de gaz de stradă (vapori de mercur și sodiu), emițătoarele modificate ale spațiului de scânteie sunt încă utilizate ca întrerupătoare de aprindere.

Operațiune

Un circuit tipic al emițătorului de scânteie.
Legenda :
capacitate - C 1 și C 2 ;
rezistor - R;
inductanță - L.

Transmițătorul de scânteie este foarte simplu de utilizat, dar are probleme tehnice semnificative datorate în mare parte unei forțe electromotoare induse foarte mare atunci când este generată descărcarea, ceea ce provoacă o defecțiune a izolației transformatorului primar. Pentru a depăși acest lucru, construcția chiar și a aparatelor cu putere redusă a fost foarte solidă. Unda amortizată de ieșire a fost foarte perturbată în lățimea de bandă, ceea ce a limitat numărul de stații care ar putea comunica efectiv fără a interfera unul cu celălalt.

În forma sa cea mai simplă, un transmițător de scânteie constă dintr-un scânteie conectat pe un circuit oscilator format dintr-un condensator și inductanță în serie sau paralel. Într-un circuit tipic al emițătorului, o sursă de înaltă tensiune (prezentată în diagramă ca o baterie, dar de obicei un transformator de înaltă tensiune) încarcă un condensator (C1 în figură) printr-un rezistor până când are loc descărcarea, apoi un curent de impuls trece prin condensator (C2 în figură). Inductanța și condensatorul din dreapta fantei de scânteie formează circuitul rezonant. După ce a fost excitat de impulsul curent, oscilația se descompune rapid pe măsură ce energia este radiată din antenă. Datorită debutului rapid și a amortizării oscilației, pulsul de frecvență radio ocupă o bandă largă de frecvențe.

Funcția distanței de scânteie este de a da inițial o rezistență ridicată circuitului pentru a permite condensatorului să se încarce. Când se atinge tensiunea de rupere a distanței de scânteie, aceasta prezintă o rezistență scăzută la circuit, determinând descărcarea condensatorului. Descărcarea prin descărcarea conductivă ia forma unei oscilații amortizate, determinată de frecvența de rezonanță a circuitului LC.

Lacune de scânteie

Un spațiu simplu de scânteie constă din doi electrozi separați de un distanțier scufundat într-un gaz (de obicei aer). Când se aplică o tensiune suficient de mare, o descărcare electrică va uni cei doi electrozi, ionizând gazul și reducând drastic rezistența sa electrică. Un curent electric curge apoi până când calea aerului ionizat este rupt sau curentul este redus sub o valoare minimă numită „curent de reținere”. Acest lucru se întâmplă de obicei atunci când tensiunea dintre electrozi scade suficient, dar procesul poate fi însoțit și de răcirea canalului de descărcare sau separarea fizică a electrozilor. Aceasta rupe calea conductivă a gazului ionizat, permițând condensatorului să se reîncarce și permițând repetarea ciclului de încărcare / descărcare. Acțiunea de ionizare a gazului este extrem de imediată și violentă (distributivă) și creează un sunet clar (între un „snap” pentru o bujie sau un „bang” puternic pentru o distanță mai mare de electrozi). Decalajul de scânteie eliberează, de asemenea, lumină și căldură.

Constructie

SparkGap-Tesla.png

Distanța de scânteie utilizată în primele emițătoare radio a variat în construcție în funcție de puterea utilizată. Unele erau foarte simple, constând din unul sau mai multe distanțieri (statici) conectați în serie, în timp ce altele erau semnificativ mai complexe. Deoarece descărcările au fost fierbinți și erozive, acoperirea și răcirea electrodului au fost probleme constante. Pe măsură ce puterea emițătorului a crescut, a crescut și problema răcirii.

Răcirea se referă la acțiunea de stingere a arcului electric emis anterior în spațiul de scânteie. Acest lucru este considerabil mai dificil decât defectarea inițială a descărcării în spațiu (între electrozi). Un spațiu rece care nu este încă activ nu conține gaz ionizat. Odată ce tensiunea dintre electrozi atinge nivelul de defalcare, moleculele de gaz sunt ionizate foarte rapid de-a lungul unei căi, creând un arc electric fierbinte, sau plasmă, constând dintr-un număr mare de ioni liberi și electroni între electrozi. Arcul transportă, de asemenea, o parte a electrozilor incandescenți. Regiunile incandescente contribuie la electroni liberi prin emisie termionică și vapori metalici ușor ionizați. Amestecul de ioni și electroni liberi din plasmă este extrem de conductiv, rezultând o scădere bruscă a rezistenței electrice în decalajul dintre electrozi. Acest arc extrem de conductiv necesită circuite oscilante eficiente cu bănci de condensatoare. Cu toate acestea, curentul oscilant susține, de asemenea, arcul și, până când se stinge, banca de condensatori nu poate fi reîncărcată pentru următorul impuls.

Răcire de descărcare

Multe metode au fost aplicate pentru răcirea arcului electric

  • Jeturi de aer care se răcesc, se comprimă și suflă literalmente plasma,
  • Descărcătoarele multiple de plăci ale lui Max Wien pentru a răci arcurile în goluri de putere medie, cunoscute sub numele de „descărcări de fluierare” datorită zgomotelor lor caracteristice,
  • Utilizarea diferitelor gaze, cum ar fi hidrogenul, care se răcește foarte eficient, producând o răcire superioară a electrozilor,
  • Un câmp magnetic (dintr-o pereche de magneți permanenți sau poli ai unui electromagnet) orientat în unghi drept cu distanța pentru a comprima și a răci arcul.

Rotiți scântei

Necesitatea stingerii arcurilor în emițătoare de putere crescândă a dus la dezvoltarea unor fante de scânteie rotative. Aceste dispozitive au fost utilizate cu surse de alimentare de curent alternativ, au produs o descărcare mai lină și puteau utiliza mai multă energie decât lacurile de scânteie statice convenționale. Discul interior de filare metalic avea de obicei o serie de proeminențe în jurul circumferinței. O descărcare s-ar fi format atunci când două dintre proeminențe s-au aliniat cu două contacte externe care transportă tensiune înaltă. Arcurile rezultate au fost rapid comprimate, răcite și întrerupte cu rotația discului.

Scânteile rotative funcționează în două moduri, sincron și asincron: cel sincron era acționat de un motor sincron CA pentru a funcționa la o viteză fixă, iar emisia de descărcare era în relație directă cu forma de undă a sursei de alimentare CA. a reîncărcat banca de condensatori. Punctul din forma de undă în care distanțele erau cele mai apropiate a fost modificat prin ajustarea poziției rotorului pe brațul motorului în raport cu știfturile statorului. Prin reglarea corespunzătoare a distanțierului sincron, a fost posibil să existe emisia de descărcare numai la vârfurile de tensiune de intrare. Această tehnică a permis circuitului condensatorului să emită descărcări numai la vârfuri de tensiune succesive, astfel încât să dezvolte energia maximă din banca condensatoarelor complet încărcate de fiecare dată când a lovit arcul electric. Rata de rupere a fost astfel stabilită la dublul frecvenței puterii de intrare (de obicei 100 până la 120 de pauze pe secundă). Atunci când sunt proiectate și reglate corespunzător, sistemele sincrone de decalare a scânteii au dezvoltat cele mai mari cantități de energie pentru antenă. Cu toate acestea, acoperirea electrodului ar fi schimbat progresiv punctul de emisie al descărcării, astfel încât să fie uneori dificil de menținut constant. Tesla a fost primul care le-a construit și le-a folosit din 1893 și înainte le-a numit controlere de circuite.

Decalajele asincrone erau mai frecvente. În cele asincrone, rotația motorului nu avea o relație fixă ​​în raport cu forma de undă de intrare a sursei de curent alternativ. A funcționat destul de bine și a fost mult mai ușor de întreținut. Folosind un număr mai mare de proeminențe rotative sau o rotație mai mare, multe dintre ele au funcționat la intervale de rupere de 400 de descărcări pe secundă. Deoarece descărcarea ar putea fi emisă mai des decât forma de undă de polaritate alternativă, banca de condensatori a fost încărcată și descărcată mai repede decât una sincronă. Cu toate acestea, fiecare descărcare a avut loc la o tensiune variabilă și a fost aproape întotdeauna mai mică decât vârful substanțial de tensiune obținut cu un decalaj sincron.

Distanțele de scânteie rotative au servit la modificarea reglării transmițătorului, deoarece schimbarea numărului de proeminențe sau a vitezei de rotație a schimbat frecvența descărcării care era audibilă în receptoarele cu detectoare care ar putea determina modulația semnalului de descărcare. Acest lucru a permis ascultătorilor să facă distincția între diferite emițătoare care au fost reglate nominal la aceeași frecvență. Un sistem tipic de scânteie multiplă de mare putere (așa cum se mai numea și) folosea un comutator rotativ cu diametrul de 9 până la 24 inci, cu șase sau 12 proeminențe pe roată, rupând de obicei câteva sute de volți. Puterea de ieșire a unei scântei rotative a fost pornită și oprită de operator folosind un tip special de cheie telegrafică care a alimentat sursa de alimentare de înaltă tensiune. Cheia a fost construită cu contacte mari pentru a transporta curenți intensi care curg în partea de joasă tensiune (primară) a transformatorului de înaltă tensiune (cheltuită mai mult de 20 amperi).

Alte proiecte

linkuri externe

Controlul autorității GND ( DE ) 4559676-1