チューブとトランジスタが発明される前の増幅

電話は真空管やもちろんトランジスタよりも古いです。信号増幅はどのように行われましたか？

私は技術ではなく、詳細を意味します。

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最初に与えておくべき追加情報：

• 質問は電話に限定されています
• 私は実験装置には興味がありません。たとえば、装置は30個以上の量で行われるべきだったとか、市販の製品であったほうが良いと言います。
• 私は純粋に電気的なソリューションに興味があるだけではありません：それは機械的、油圧的...（人間のリピーターなし！）
• インピーダンス適応（音響または電気...）は、ここでは増幅とは見なされません。

回答の要約

• 1200kmの伝送でも、マイクとヘッドフォンの間には増幅はありませんでしたが、一方では叫び声が必要であり、他方では絶対的な静寂が必要でした（WhatRoughBeastの回答を参照）

• カーボンマイク自体がアンプです。一般的なアンプの定義は、常に非常に簡単ではありません（アリ・チェンの答えを見て、BillF二答え、あなたが続くことができるならば）、カーボンマイクに接続された電話者であることを言っていればよい電気アンプ（ネクスト見ます回答をハックし、BillFに最初に答えます）。私は、他の種類のマイクは減衰器であると付け加えます（そのため質問です）

• 最高の電話回線の損失は、オーディオ周波数でわずか0.04dB / kmです。（電話回線では300kHzで10dB / kmと比較してください）

• 人間が耐えられる最大の音は、耳で聞こえる最低音よりも80dB以上高くなります。（RussellBorogoveのコメント）。ホーンの内側の音（peufeuの回答を参照）は、人間が立つことができる音よりもさらに大きい可能性があります。

貢献してくれてありがとう。

そうではなかった。

初期（1890年頃）に、長距離電話は防音ブースから行われ、多くの場合、非標準（4線式）の電話を使用していました。ニューヨークからシカゴが範囲の制限でした。1911年までに、ローディングコイルの使用により、ニューヨークからデンバーへの通信が可能になりました。ただし、これは非常にイライラさせられ、多くの叫び声が含まれることに注意してください。

1915年に最初の大陸横断呼び出しが行われ、オーディオ真空管を使用した増幅が行われました。

真空管アンプが使用可能になる前の増幅は、いくつかの方法で実現できました。それらのいくつかは次のとおりです。

• カーボンマイクに結合された動電型スピーカーを使用して、リピーターを形成します。
• 水銀灯の負性抵抗を使用する（たとえ負性抵抗の物理的性質が理解されていなくても）。
• 磁気増幅器を使用します（真空管やトランジスタ時代の後、さらに一部のアプリケーションでは現在でも使用されています）。磁気増幅器は、1800年後半にスイッチとして最初に使用され、真空管がすでに利用可能であったときに増幅器として使用されましたが、高い信頼性が非常に重要でした。

あなたが叫ぶことになっている漏斗は、実際にはホーンです：

ホーンは音響変換器であり、通常は逆の方法で使用されます。高圧トランスデューサー（「圧縮ドライバー」）がスロートに取り付けられ、ホーンは反対側でより大きな表面を持つ低圧音響波を出力します。領域、これにより高い音響出力が得られます。基本的にメガホン：

しかし、それらは両方の方法で機能します。マイクに取り付けると、ホーンの「口」の全表面が音波を入力するために使用され、反対側でははるかに高い圧力を出力し、それによりその日の原始的なマイクで利用できる信号が増加します。 。

これは純粋に受動的であるため増幅ではありませんが、助けになったと確信しています。

注：ホーンも内部反射と共鳴モードのために歪むため、通常は少し「ホンキー」に聞こえます。

真空管式電話システムでは、カーボングラニュールマイクをアンプとして使用していました。ベルが発明したのは、スピーカーとマイクと本質的に同じデバイスの使用です。これをダイナミックマイクと呼びます。ベルのシステムにはゲイン機構がありませんでした。文字列で接続された2つのブリキ缶を介した通信範囲に関して、本質的な利点はありませんでした。実用的な範囲は、少数の都市ブロックでした。

カーボンマイクにはアンプに必要な特性があり、基本的にバルブとして機能します。したがって、電気信号は音響信号よりもはるかに大きな出力を持つことができます。これは、電話をおもちゃから電気通信システムに変えた発明でした。（ところで、ウェスタンユニオンの幹部からの有名な引用は、「現時点では」ベルの電話の実用的なアプリケーションをまったく見ることができなかったということは、特にベルの特許に関連していた。異議はまさに限られた範囲でした。）

カーボンマイクはトーマスエジソンによって発明され、彼と関係者全員が、何が起こっているのか（増幅）と電話システムの成長に必要な理由を正確に知っていました。少なくとも彼の弁理士、フランク・ルイス・ダイアー、エジソンの生涯と発明、第9章で書かれた本の中で、少なくともエジソンの観点から物語は詳述されています。（http://www.gutenberg.org/files/820から入手可能）/820-h/820-h.htm）。カーボンマイクは、「電話リレー」と呼ばれる初期の電気アナログアンプでも使用されていました。これは本質的に、カーボンボタンに機械的に結合された電話受信機でした。H. Peter Friedrichsによる「Instrument of Amplification：Fun with Homemade Tubes、Transistors、and（2003）」という本には、初期のアンプ技術に関する多くの情報があります。

システムをスケーラブルにしたのは本当にエジソンだったのに、電話に対するベルの貢献しかわからないのはなぜなのか疑問に思うなら、J。Pierpont Morganのせいだ。彼は、20世紀初頭のハイテク準独占の構造を、必要な特許ライセンスを実施する企業の再編成に押し付けました。本質的に、ベルにはAT＆Tになったものが与えられ、エジソンにはGEが与えられました。ベルの特許の広い範囲の解釈を実施したのはモーガンであり、米国特許システムに関連する人は誰もいませんでした。

この歴史に対する私自身の興味は、ゲイン要素を使用せずに（たとえば10倍以上）スケーリングに成功した技術システムがあるかどうかを検討していた数年前に遡ります。これが興味の対象であった理由は、たとえば、ゲイン要素を持つことができない可逆および量子コンピューティングの主張です。旧石器時代のキャンプファイヤーの攪拌棒、運河のロックのパドル弁、蒸気エンジンのスロットルなどの「増幅要素」に含めます。初期の電話システムは例外だったようです。実際、それはゲイン要素が発明されるまでどこにも行かないシステム概念の絶対に古典的な例であることが判明しました。

電話は真空管やもちろんトランジスタよりも古いです。信号増幅はどのように行われましたか？

子供の頃、長さ100フィート（またはそれ以上）のワイヤーで別のプラスチック製ハンドセットに接続されたプラスチック製ハンドセットを購入できたことを覚えています。受話器に向かって話すことができ（バッテリーは必要ありません）、もう一方の受話器では相手にあなたの声が聞こえます。それは両方向で機能しました。つまり、小さなスピーカー（マイクを兼ねる）が2本のワイヤで遠くのハンドセットの別の小さなスピーカーに接続されていました。

ラウドスピーカーの効率が約10％であることに依存していました。つまり、受信した音響パワーの約10％を結合し、これを反対側の元の音響パワーの約1％に変換しました。会話をするのに十分で、バッテリーは必要ありませんでした。

前回、私が見た会社は、本質的に安全で爆発を引き起こさないため、可燃性ガス環境向けの「サウンド駆動」電話を製造しました。つまり、この技術は現在も使用されています。

あなたがそれを増幅と呼ぶことができるなら、それはあなたが話すカーボンマイクで行われました。マイクのカーボン要素に電圧が印加されました。音波は要素の抵抗を変化させ、変化する電流を生成しました。これにより、元の音よりも強力な電気信号を生成できます。そこから、信号が通過したほとんどすべて-ワイヤ、トランスなど、ある程度減衰します。Wikipediaの記事で述べたように、カーボンマイクはアンプの基礎を形成できますが、あまり良いものではありません。

真空管とトランジスタ増幅の前に、音のほとんどの増幅は、指数関数的なホーンによって音響レベルで行われました。増幅は、指向性の音を作成することによって行われ、オープンエアの音響インピーダンスとトランスデューサーの膜との間のより良好なマッチングを実現します。このテクニックの最も簡単な例の1つは、大声で叫ぶときや紙コーンを使用するときに、両手のひらを口の周りに保持することです。

より良い設計は、エジソン蓄音機、ウィキペディアでした。

減衰/増幅に時々（混乱して）関連付けられる3番目の要因の役割を明確にするために、すでに提供されている答えの補足です。

「アンドレ」はすでに彼のコメントの1つで書いているように、「減衰が唯一の制限要因ではない」（電話信号の使いやすさ）。

増幅前の時代の初期の電話回線では、使いやすさの次の最も重要な要因は、おそらく信号歪み、特に位相歪みの程度でした。

ヘビサイドの伝送ラインの動作理論に従って設計および適用された負荷コイルは、歪みを大幅に低減しました。「ヘビーサイド条件」 （+参照）のこの説明は、何が行われたかを示し、設計目標が「損失なし」ではなく「歪みなし」であることを明確にします。

「ヘビサイド条件」を近似するために使用される誘導負荷コイルは、本質的に受動的な要素でした。それらは当然いくらか抵抗性であったため、わずかに電力/振幅損失が増加しました。しかし、歪みを軽減する利点はそれを上回りました。

一部の情報源では、この良好で劇的な結果は、「増幅」としてではなく、コイルが「減衰を低減」したとして、紛らわしいほど説明されています（例えば、ここ）。もちろん、低減された悪い点は、歪みによる信号の歪みと使用不能であり、電力損失や振幅損失自体ではありませんでした。

（「減衰」の意味を広く理解して、明瞭度の損失とパワー/振幅の損失をカバーできる場合、大丈夫かもしれませんが、ソースはそれを明確にしません。）

アクティブシステムとゲインの一般的な理論の概要を説明します。アクティブなシステムは、「一般化されたエンジン」を含むシステムです。これは、ヘルムホルツの自由エネルギーのソースを利用して、別のシステム（「負荷」）を熱平衡から遠ざけるメカニズムです。電気技術では、電圧は特に充電あたりのヘルムホルツ自由エネルギー（一部は現在「エクセルギー」と呼ばれています）です。そして、熱平衡は、接地電位にあるすべてのノードです。

有用なエンジンには、その動作を制御するメカニズムがありますが、重要な質問は、制御メカニズムがどのくらいのエネルギーまたは電力を吸収するかです。たとえば、モーターをオンにするのに、それが提供する電力よりも多くの電力が必要な場合、明らかに命題が失われます。制御メカニズムによって吸収されるエネルギーに対する負荷に供給されるエネルギーの比率がゲインです。（もちろん、私たちがアンプと呼ぶシステムは、この「エンジン」の定義を満たしています。）

ここで、エネルギーを使用する必要があるか、電力を使用する必要があるかについて疑問があります。エンジンの動作が連続的である場合、出力は出力として測定されます。制御メカニズムも継続的にエネルギーを吸収する場合、入力も電力であり、ゲインはこれらの量の比率にすぎません。しかし、エネルギーの離散入力が連続電力を制御できる場合がよくあります。大型のMOSFETはこのように機能します。引用できるのは、入力エネルギーに対する出力電力であり、周波数の単位を持つ数値を取得します。もちろん、これをゲイン帯域幅積として解釈する方法はわかっています。ゲインは、システムをどのくらい速く動作させるかによって異なります。しかし、これはまだゲインの関連する尺度です。

蒸気機関車の例を見てみましょう。出力はかなり明白ですが、制御メカニズムはスロットルであり、その状態を変更するにはエネルギーの1回の入力が必要です。したがって、機関車はそのゲイン帯域幅積によって特徴付けられます。

残りのケースは、負荷にいくらかの正味エネルギーを維持するために電力の連続入力が必要な場合です。筋肉はこのように機能しますが、技術的に有用なシステムがこのように機能することはほとんどありません。

この概念フレームワークを使用して、実質的に何かを行うことを記述できます。特に面白い練習は、ルーブ・ゴールドバーグの漫画のメカニズムに戻って見て、エネルギー源、制御メカニズム、および関与する利得の推定値を特定することです。全体のゲインが1未満の場合、アクションは消え、最終アクションがトリガーされる前にマシンが停止します。

あなたが見るべき素晴らしい本があります：HP Friedrichs（AC7ZL）による「Instruments of Amplification」。カーボンマイクオーディオアンプ、炎の三極管、カーボンアーク、その他の奇妙なアイデアに関する多くの情報を提供します。電気機械式リレーは、個別の電信信号の増幅器としての生活を始めましたが、オーディオパワーアンプとして使用する試みがありました。

これらの多くの負のフィードバックは、線形応答のようなものを得るために必要でした。

Google Voice of the Crystal、またはARRL Webサイトにアクセスします。楽しんでください。しかし、盲目になったり、カーボンアークで家を燃やしたりしないでください！