Un trasmettitore spark-gap è un dispositivo che genera onde elettromagnetiche a radiofrequenza utilizzando uno spinterometro .

I trasmettitori Spark gap sono stati i primi dispositivi a dimostrare la pratica trasmissione radio e sono stati la tecnologia standard per i primi tre decenni di radio (1887-1916). Successivamente, sono stati sviluppati trasmettitori più efficienti basati su macchine rotanti come gli alternatori ad alta velocità Alexanderson e i generatori statici Poulsen Arc . [1]

La maggior parte degli operatori, tuttavia, preferiva ancora i trasmettitori di scintilla a causa del loro design semplice e perché l’ onda portante (portante) si fermava quando veniva rilasciato il tasto telegrafico, che lasciava che l’operatore “ascoltasse attraverso” una risposta. Con altri tipi di trasmettitori, il trasportatore non può essere controllato così facilmente e hanno richiesto misure elaborate per modulare il portante e per impedire la dispersione del trasmettitore dalla de-sensibilizzazione del ricevitore.

Dopo la prima guerra mondiale , furono resi disponibili trasmettitori notevolmente migliorati basati su valvole a vuoto , che superarono questi problemi, e verso la fine degli anni ’20 gli unici trasmettitori di scintilla ancora in funzionamento regolare erano installazioni “legacy” su navi militari. Anche quando sono stati installati trasmettitori basati su tubi a vuoto, molte navi hanno conservato i loro trasmettitori di scintilla grezzi ma affidabili come backup di emergenza. Tuttavia, nel 1940, la tecnologia non era più utilizzata per la comunicazione. L’uso del trasmettitore spark-gap ha portato molti radio-operatori a essere soprannominati “Sparks” molto tempo dopo aver smesso di usare i trasmettitori di scintille. Ancora oggi, il verbo tedesco funk , letteralmente “scintillare”, significa anche “inviare un messaggio radio o un segnale”.

Storia

Ulteriori informazioni: Cronologia della radio e invenzione della radio

Gli effetti di scintille che causavano ” azioni a distanza ” inspiegabili , come indurre scintille in dispositivi vicini, erano stati notati da scienziati e sperimentatori ben prima dell’invenzione della radio . Numerosi esperimenti furono condotti da Joseph Henry (1842), Thomas Edison (1875) e David Edward Hughes (1878). [2] [3] [4] Senza altra teoria per spiegare il fenomeno, di solito veniva cancellato come induzione elettromagnetica .

Nel 1886, dopo aver notato un insolito innesco indotto da una spirale di Riess , il fisico Heinrich Hertz concluse che questo fenomeno poteva essere usato per verificare scientificamente le previsioni di James Clerk Maxwell sull’elettromagnetismo . Hertz ha utilizzato un trasmettitore di spinterometro sintonizzato e un rilevatore di spinterometro sintonizzato (costituito da un loop di filo collegato a un piccolo spinterometro) situato a pochi metri dalla sorgente. In una serie di esperimenti, Hertz verificò che le onde elettromagnetiche venivano prodotte dal trasmettitore: quando il trasmettitore scintillava, piccole scintille apparivano anche attraverso lo spinterometro del ricevitore, che poteva essere visto al microscopio.

Molti sperimentatori hanno utilizzato l’impostazione dello spinterometro per indagare ulteriormente sul nuovo fenomeno “radio” dell’onda Hertziana , tra cui Oliver Lodge e altri investigatori “Maxwelliani”. L’ingegnere serbo americano Nikola Tesla ha proposto metodi per sincronizzare le scintille con l’uscita di picco di un alternatore, che ha brevettato nel 1896 [5], mentre perseguiva un sistema di illuminazione wireless e di distribuzione dell’energia basato sulle sue teorie di conduzione / etere . [6] [7] [8] [9]

L’inventore italiano Guglielmo Marconi utilizzò un trasmettitore spark-gap nei suoi esperimenti per sviluppare il fenomeno radio in un sistema di telegrafia wireless nei primi anni del 1890. Nel 1895 riuscì a trasmettere su una distanza di 1 1/4 miglia. Il suo primo trasmettitore consisteva in una bobina di induzione collegata tra un’antenna a filo e terra, con uno spinterometro su di esso. Ogni volta che la bobina di induzione pulsava, l’antenna veniva momentaneamente caricata fino a decine (a volte centinaia) di migliaia di volt fino a quando lo spinterometro iniziava ad arco. Questo fungeva da interruttore, collegando essenzialmente l’antenna carica a terra e producendo una breve scarica di radiazione elettromagnetica.

Mentre i vari sistemi primitivi di trasmettitori di scintilla funzionavano abbastanza bene da dimostrare il concetto di telegrafia senza fili, i primitivi gruppi di spinterometri usati avevano alcuni gravi difetti. Il problema più grande era che la potenza massima che poteva essere trasmessa era direttamente determinata dalla quantità di carica elettrica che l’antenna poteva contenere. Poiché la capacità di antenne pratiche è piuttosto piccola, l’unico modo per ottenere una potenza di uscita ragionevole era caricarlo a tensioni molto elevate. Tuttavia, ciò ha reso impossibile la trasmissione in condizioni piovose o addirittura umide. Inoltre, ha richiesto uno spinterometro abbastanza ampio, con una resistenza elettrica molto elevata, con il risultato che la maggior parte dell’energia elettrica è stata utilizzata semplicemente per riscaldare l’aria nello spinterometro. [10]

Un altro problema con il trasmettitore di scintilla era il risultato della forma della forma d’onda prodotta da ogni raffica di radiazioni elettromagnetiche. Questi trasmettitori irradiano un segnale a banda larga estremamente “sporco” che potrebbe interferire enormemente con le trasmissioni sulle frequenze vicine. Gli apparecchi riceventi relativamente vicini a tale trasmettitore avevano intere sezioni di una banda mascherate da questo rumore a banda larga.

Nonostante questi difetti, Marconi è stato in grado di generare un interesse sufficiente dall’Ammiragliato britannico in questi sistemi originariamente grezzi per finanziare infine lo sviluppo di un servizio di telegrafia wirelesscommerciale tra Stati Uniti ed Europa utilizzando attrezzature notevolmente migliorate.

I primi tentativi di trasmissione della voce di Reginald Fessenden impiegarono una scintilla che funzionava a circa 10.000 scintille al secondo. Per modulare questo trasmettitore ha inserito un microfono in carbonio in serie con il cavo di alimentazione. Ha sperimentato grandi difficoltà nel raggiungere un suono intelligibile . Almeno un trasmettitore audio ad alta potenza utilizzava il raffreddamento ad acqua per il microfono.

Nel 1905 un trasmettitore di scintilla “all’avanguardia” generò un segnale avente una lunghezza d’onda tra 250 metri (1,2 MHz) e 550 metri (545 kHz). 600 metri ( 500 kHz ) sono diventati la frequenza internazionale di soccorso . I ricevitori erano semplici rivelatori magnetici non amplificati o rivelatori elettrolitici . Questo in seguito ha lasciato il posto ai famosi e più sensibili set di cristalli di galena . I sintonizzatori erano primitivi o inesistenti. I primi radioamatori costruiti trasmettitori divario di potenza scintilla bassi utilizzando la bobina di scintilla da Ford Modello T automobili . Ma una tipica stazione commerciale nel 1916 potrebbe includere un trasformatore da 1/2 kW che forniva 14.000 volt , un condensatore a otto sezioni e uno spazio rotante in grado di gestire una corrente di picco di diverse centinaia di ampere. citazione necessaria ]

Le installazioni a bordo della nave usavano solitamente un motore a corrente continua (di solito fuori dalla fornitura di corrente continua della nave) per pilotare un alternatore la cui uscita a corrente alternata veniva poi portata a 10.000-14.000 volt da un trasformatore. Si trattava di una soluzione molto comoda, dal momento che il segnale poteva essere facilmente modulato semplicemente collegando un relè tra l’uscita dell’alternatore a tensione relativamente bassa e l’avvolgimento primario del trasformatore e attivandolo con la chiave morse . (A volte le unità a potenza ridotta utilizzavano il tasto morse per commutare direttamente l’AC, ma ciò richiedeva una chiave più pesante che rendeva più difficile il suo funzionamento).

I trasmettitori di spinterometri generano segnali a banda abbastanza larga. Quando la più efficiente modalità di trasmissione delle onde continue (CW) divenne più facile da produrre e l’ affollamento della banda e le interferenzepeggiorarono, i trasmettitori spark-gap e le onde smorzate furono legiferate dalle nuove lunghezze d’onda più brevi dal trattato internazionale e rimpiazzate da convertitori ad arco Poulsen e ad alta frequenza alternatori , che hanno sviluppato una frequenza del trasmettitore ben definita. Questi approcci successivamente hanno ceduto al tubo a vuotola tecnologia e l’era elettrica della radio finirono. Molto tempo dopo che gli operatori non usavano più i trasmettitori spark gap per le comunicazioni, i militari li usavano per l’inceppamento radio . Ancora nel 1955 un autobus giocattolo radiocomandato giapponese utilizzava un trasmettitore a scintilla e un ricevitore a coherer ; la scintilla era visibile dietro un foglio di plastica trasparente blu.

Gli oscillatori Spark gap sono ancora utilizzati per generare alta tensione ad alta frequenza per avviare archi di saldatura nella saldatura ad arco di tungsteno . [11] I potenti generatori di impulsi spinterometrici sono ancora utilizzati per simulare EMP . La maggior parte dei lampioni a scarica di gas ad alta potenza (mercurio e vapori di sodio) utilizzano ancora trasmettitori di scintilla modificati come accenditori di accensione. citazione necessaria ]

Operazione

La funzione dello spinterometro è di presentare inizialmente un’elevata resistenza al circuito in modo tale che il condensatore C1 possa caricarsi. Quando viene raggiunta la tensione di breakdown del gap, l’aria nel gap si ionizza, la resistenza attraverso lo spazio è drasticamente inferiore e un impulso di corrente scorre attraverso l’arco al resto del circuito. Lo spazio è impostato in modo che lo scarico coincida con un massimo o quasi massimo di carica in C1 ed è come se un interruttore ad alta velocità fosse attivato al momento giusto per consentire al condensatore C1 di scaricare l’energia immagazzinata nell’altro circuito elementi. Questo impulso di energia viene scambiato rapidamente avanti e indietro tra gli elementi C2 e L e assume la forma di un’oscillazione smorzataa una frequenza radio. Lo scambio di energia avanti e indietro è sotto forma di corrente alternata e onda di tensione con gran parte dell’energia che fluisce verso l’antenna.

Queste onde sono chiamate “onde smorzate” perché l’onda tende a “estinguersi” o “smorzare” tra le scariche dello spinterometro in contrasto con le onde continue moderne (CW), che non si estinguono. Poiché le “onde smorzate” sono un treno di onde triangolari a frequenza radio spaziata regolarmente che si verificano ad una frequenza audio, i primi rivelatori di cristallo, magnetico e Fleming li sentivano come una nota musicale, ricca di armoniche, rendendo facile per l’orecchio umano “copia” i messaggi e identifica le stazioni con il loro suono unico, anche in condizioni avverse.

Lo scambio di energia in questo tipo di oscillatore avviene ad una frequenza o frequenza determinata dalla frequenza di risonanza del suo “circuito del serbatoio” che è composta dalla capacità combinata di C1 e C2 e dall’induttanza di L, notoriamente noto come circuito LC . La capacità di C2 era generalmente piccola e generalmente non è mostrata nella maggior parte dei diagrammi. C2 rappresenta la capacità del circuito parassita, ma C1 era relativamente grande sia in termini di dimensioni che di capacità in modo da poter immagazzinare la grande quantità di energia ad alta tensione necessaria per la trasmissione ad alta potenza (P = EI). Alcune installazioni avevano interi edifici dedicati al condensatore C1 (come nel trasmettitore Cape Breton). Le bobine di induttanza (L) erano relativamente piccole in modo che l’intero circuito potesse risuonare ad una frequenza ragionevolmente “alta”, dato il grande valore di C1. Frequenze molto superiori a 1 MHz non erano pratici, perché L non poteva essere elettricamente più piccolo e non abbastanza energia poteva essere immagazzinata in un piccolo C1, anche se sarebbe stato necessario un piccolo C1 a causa delle caratteristiche di risonanza delle frequenze di “onde corte”.

Oltre alle dimensioni e alla robustezza dei componenti dell’oscillatore, anche le componenti a bassa frequenza erano robuste. Questo perché una grande forza elettromotrice indotta si verifica quando la scintilla viene colpito, causando un ceppo sul isolamento nel primario del trasformatore . Per ovviare a ciò, la costruzione di gruppi anche a bassa potenza era molto solida e una bobina di induttanza a radiofrequenza o un resistore (R mostrato in questo diagramma) era necessaria per proteggere il trasformatore o la bobina di induzione. Il tasto del telegrafo (essenzialmente un interruttore di accensione / spegnimento facile da usare) molte volte doveva trasportare correnti e tensioni elevate e quindi anche in generale era anche abbastanza robusto.

Benché onnipresente nella prima radio, il trasmettitore spark gap è stato infine condannato dal suo spettro di frequenze estremamente ampio e dall’uscita delle onde smorzate . Le onde smorzate erano eccellenti per il radiotelegrafio con i primi rivelatori radio, ma sono molto dispendiosi di larghezza di banda . Ciò ha limitato il numero di stazioni che potrebbero utilizzare efficacemente una banda, a causa dell’interferenza. Inoltre, un’ampia larghezza di banda significava che il trasmettitore diffondeva intelligenza utile su un ampio spettro e solo una frazione della potenza di trasmissione era utile per le comunicazioni. Infine, l’onda smorzata è già una forma di modulazione di ampiezza(AM) e non può essere ulteriormente modulato per la voce con qualsiasi intelligibilità. Solo gli oscillatori a onda continua resi possibili dalla tecnologia del tubo a vuoto potevano fornire alta frequenza (HF) e oltre, e solo il loro avvento ha reso possibile la trasmissione efficiente di radiotelegrafia e voce / dati.

Spark Spaces

Articolo principale: Spark gap

Un semplice spinterometro consiste in due elettrodi conduttori separati da uno spazio immerso in un gas (tipicamente aria ). Quando viene applicata una tensione sufficientemente alta , una scintilla colma il vuoto, ionizzando il gas e riducendo drasticamente la sua resistenza elettrica . Una corrente elettrica scorre quindi fino a quando il percorso del gas ionizzato viene interrotto o la corrente viene ridotta al di sotto di un valore minimo chiamato ” corrente di mantenimento “. Questo di solito si verifica quando la tensioneattraverso lo spazio si abbassa sufficientemente, ma il processo può anche essere aiutato raffreddando il canale della scintilla o separando fisicamente gli elettrodi. Ciò interrompe il filamento conduttivo del gas ionizzato, consentendo al condensatore di ricaricarsi e consentendo la ripetizione del ciclo di ricarica / scarica. L’azione di ionizzare il gas è abbastanza improvvisa e violenta ( dirompente ) e crea un suono acuto (che va da uno scatto per una candela , ad un forte scoppio)per un divario più ampio). Il rumore proveniente dal meccanismo a scintilla, specialmente dai trasmettitori di potenza superiore, era così forte che poteva seriamente interferire con la capacità dell’operatore di ricevere messaggi dopo la trasmissione. Meccanismi più potenti di spinterometro sono stati isolati dalla postazione dell’operatore in uno spazio isolato chiamato una stanza silenziosa , che, quando la radio trasmetteva, era tutt’altro che silenzioso all’interno. Lo spinterometro produce anche luce e calore .

Spegnere l’arco

L’estinzione si riferisce all’atto di estinguere l’arco precedentemente stabilito all’interno dello spinterometro. Questo è molto più difficile dell’avvio della rottura della scintilla nel gap. Quando la potenza del trasmettitore è aumentata, si è verificato il problema della tempra .

Uno spinterometro freddo e non infiammabile non contiene gas ionizzati . Una volta che la tensione attraverso lo spazio raggiunge la sua tensione di rottura, le molecole di gas nello spazio vengono ionizzate molto rapidamente lungo un percorso, creando un arco elettrico caldo , o plasma , che consiste di un gran numero di ioni e elettroni liberi tra gli elettrodi . L’arco riscalda anche parte degli elettrodi a incandescenza . Le regioni incandescenti contribuiscono con elettroni liberi tramite emissione di gas termici e (facilmente ionizzati). La miscela di ioni e elettroni liberi nel plasma è altamente conduttiva, causando un forte calo della resistenza elettrica del gap . Questo arco altamente conduttivo supporta efficienzaoscillazioni del circuito del serbatoio . Tuttavia, la corrente oscillante sostiene anche l’arco e, fino a quando non può essere spento, il condensatore del serbatoio non può essere ricaricato per l’impulso successivo.

Sono stati applicati diversi metodi per estinguere l’arco.

  • Getti d’aria che si raffreddano, si allungano e letteralmente “spengono” il plasma,
  • scaricatore multi-piastra di Max Wien per raffreddare gli archi in set di scintille a media potenza, noto come “scintilla di fischio” per il suo segnale distintivo,
  • utilizzando un gas diverso, come l’ idrogeno , che si dissipi in modo più efficiente fornendo un raffreddamento degli elettrodi più efficace,
  • un campo magnetico (da una coppia di magneti permanenti o poli di un elettromagnete ) orientato ad angolo retto rispetto allo spazio per allungare e raffreddare l’arco.

Magnetico

Le lacune di scintilla nei primi trasmettitori radio variavano nella costruzione, a seconda della potenza che dovevano gestire. Alcuni erano abbastanza semplici, costituiti da uno o più gap fissi ( statici ) collegati in serie, mentre altri erano significativamente più complessi. Poiché le scintille erano piuttosto calde ed erosive, l’usura e il raffreddamento dell’elettrodo erano problemi costanti.

Differenze rotatorie

La necessità di estinguere gli archi in trasmettitori di potenza sempre più alti ha portato allo sviluppo dello spinterometro rotante. Questi dispositivi utilizzavano un’alimentazione a corrente alternata , producevano una scintilla più regolare e potevano gestire una maggiore potenza rispetto alle tradizionali scariche statiche. Un disco metallico rotante interno aveva tipicamente un numero di perni sul suo bordo esterno. Una scarica si è verificata quando due perni erano allineati con due contatti esterni che trasportavano l’alta tensione. Gli archi risultanti si sono rapidamente allungati, raffreddati e si sono rotti mentre il disco ruotava.

Spazi rotanti gestiti in due modalità, sincrono e asincrono . Una fessura sincrona era pilotata da un motore a corrente alternata sincrono in modo da funzionare a una velocità fissa e il divario sparato in diretta relazione alla forma d’ onda dell’alimentazione AC che ricaricava il condensatore del serbatoio. L’operatore ha cambiato il punto nella forma d’onda in cui gli spazi erano più vicini regolando la posizione del rotore sull’albero motore rispetto ai prigionieri dello statore. Regolando opportunamente il gap sincrono, era possibile avere il gap gap solo ai picchi di tensione della corrente in ingresso. Questa tecnica ha fatto si che il circuito del serbatoio si attivasse solo a successivi picchi di tensione, fornendo in tal modo la massima energia dal condensatore del serbatoio completamente carico ogni volta che il gap sparava. Il tasso di interruzione è stato quindi fissato al doppio della frequenza di alimentazione in ingresso (in genere, 100 o 120 interruzioni / secondo, corrispondenti all’alimentazione a 50 Hz o 60 Hz). Se correttamente progettati e regolati, i sistemi di spinterometri sincroni forniscono la massima potenza all’antenna. Tuttavia, l’usura dell’elettrodo ha progressivamente modificato il punto di infiammabilità del divario , quindi le lacune sincrone erano alquanto caratteriali e difficili da mantenere.

Le lacune asincrone erano considerevolmente più comuni. In uno spazio asincrono, la rotazione del motore non aveva una relazione fissa rispetto alla forma d’onda CA in ingresso. Gli spazi asincroni funzionavano abbastanza bene e erano molto più facili da mantenere. Usando un numero maggiore di perni rotanti o una maggiore velocità di rotazione, molti spazi asincroni funzionavano a velocità di rottura superiori a 400 rotture / secondo. Poiché il divario potrebbe sparare più spesso di quanto la forma d’onda in ingresso potrebbe cambiare polarità , il condensatore del serbatoio viene caricato e scaricato più rapidamente di un intervallo sincrono. Tuttavia, ogni scarica si verificava a una tensione diversa, che era quasi sempre inferiore alla tensione di picco costante di una fessura sincrona.

Gli spazi rotanti hanno anche alterato il tono del trasmettitore, dal momento che la modifica del numero di tacchetti o della velocità di rotazione ha modificato la frequenza di scarica della scintilla. Questo era udibile nei ricevitori con rivelatori che potevano rilevare la modulazione sul segnale di scintilla, che consentiva agli ascoltatori di distinguere tra diversi trasmettitori che erano nominalmente sintonizzati sulla stessa frequenza. Un tipico sistema a scintilla multipla ad alta potenza (come veniva anche chiamato) utilizzava un commutatore rotante con diametro da 9 a 24 pollici (da 230 a 610 mm) con da 6 a 12 perni, tipicamente con diverse migliaia di volt.

L’uscita di un trasmettitore spinterometrico rotativo è stata attivata e disattivata dall’operatore utilizzando un tipo speciale di tasto telegrafico che ha commutato l’alimentazione andando all’alimentatore ad alta tensione. La chiave è stata progettata con grandi contatti per trasportare la corrente pesante che fluiva nel lato di bassa tensione (primario) del trasformatore di alta tensione (spesso superiore a 20 amp ). In alternativa è stato utilizzato un relè per effettuare la commutazione effettiva.

Vedi anche

  • coherer
  • Radio di cristallo
  • Ricevitore radio
  • Radio antica
  • Interferenza della televisione (interferenze elettriche)
  • Radio amatoriale

Riferimenti

  1. Salta su^ Terman, Frederick Emmons (1937). Radio Engineering (2a ed.). New York: McGraw-Hill Book Co. pp. 6-9 . Estratto il 14 settembre 2015 .
  2. Salta in alto^ TK Sarkar, Robert Mailloux, Arthur A. Oliner, M. Salazar-Palma, Dipak L. Sengupta, Storia del wireless, John Wiley & Sons – 2006, pagine 258-261
  3. Salta su^ Christopher H. Sterling, Enciclopedia di Radio 3-Volume, Routledge – 2004, pagina 831
  4. Salta su^ Anand Kumar Sethi, Il business dell’elettronica: una storia concisa, Palgrave Macmillan – 2013, pagina 22
  5. Salta su^ Ken Beauchamp, Storia di Telegraphy, pagina 193
  6. Salta su^ “Marconi Wireless Tel. Co. v. Stati Uniti 320 US 1” . Corte Suprema degli Stati Uniti . Justia . 1943 . Estratto il 12 settembre 2015 .
  7. Salta su^ Radio: Brian Regal, La storia della vita di una tecnologia, pagina 22
  8. Saltate^ W. Bernard Carlson, Tesla: Inventore del Età elettrico, pagina 132
  9. Salta su^ Brian Regal, Radio: La storia della vita di una tecnologia, pagina 23
  10. Salta su^ AB Rolfe-Martin (1914). “IX Spark Gaps and Dischargers”. Telegrafia senza fili . Londra: Adam e Charles Black. p. 103. l’efficienza è del 25%
  11. Salta su^ [1] Archiviatoil 16 maggio 2006, sullaWayback Machine.

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