เครื่องแปลงอาร์ค

เครื่องแปลงอาร์คบางครั้งเรียกว่าเครื่องส่งอาร์คหรือPoulsen arcตามชื่อวิศวกรชาวเดนมาร์กValdemar Poulsenผู้ประดิษฐ์เครื่องนี้ขึ้นในปี 1903 ^{[1] [2] เป็น} เครื่องส่งประกายไฟชนิดหนึ่งที่ใช้ในโทรเลขไร้สาย ในยุคแรกๆ เครื่องแปลงอาร์คใช้ไฟฟ้ากระแสตรงในการแปลงไฟฟ้ากระแสตรง เป็น ไฟฟ้ากระแสสลับ ความถี่วิทยุเครื่องนี้ใช้เป็นเครื่องส่งวิทยุตั้งแต่ปี 1903 จนถึงปี 1920 เมื่อถูกแทนที่ด้วย เครื่องส่ง หลอดสุญญากาศเครื่องนี้เป็นหนึ่งในเครื่องส่งเครื่องแรกๆ ที่สามารถสร้างคลื่นไซน์ต่อเนื่องได้และเป็นหนึ่งในเทคโนโลยีแรกๆ ที่ใช้ในการส่งเสียง ( การมอดูเลตแอมพลิจูด ) ทางวิทยุ นอกจากนี้ยังอยู่ในรายชื่อ IEEE Milestonesในฐานะความสำเร็จทางประวัติศาสตร์ด้านวิศวกรรมไฟฟ้า [ ^3]

Elihu Thomsonค้นพบว่าอาร์กคาร์บอนที่เชื่อมกับวงจรปรับแบบอนุกรมจะ "ส่งเสียงร้อง" "อาร์กส่งเสียงร้อง" นี้อาจจำกัดอยู่แค่ความถี่เสียง^[4]สำนักงานมาตรฐานให้เครดิตวิลเลียม ดัดเดลล์กับวงจรเรโซแนนซ์เชื่อมในราวปี 1900 ^[5]

วิศวกรชาวอังกฤษวิลเลียม ดัดเดลล์ค้นพบวิธีการสร้างวงจรเรโซแนนซ์โดยใช้หลอดไฟคาร์บอนอาร์ก "อาร์กดนตรี" ของดัดเดลล์ทำงานที่ความถี่เสียง และดัดเดลล์เองก็สรุปว่าเป็นไปไม่ได้ ที่ จะทำให้อาร์กสั่นที่ความถี่วิทยุ

Valdemar Poulsenประสบความสำเร็จในการเพิ่มประสิทธิภาพและความถี่ให้ถึงระดับที่ต้องการ อาร์กของ Poulsen สามารถสร้างความถี่ได้สูงถึง 200  กิโลเฮิรตซ์และได้รับการจดสิทธิบัตรในปี 1903

หลังจากผ่านไปไม่กี่ปีของการพัฒนาเทคโนโลยี อาร์ค ก็ถูกโอนไปยังเยอรมนีและบริเตนใหญ่ในปี 1906 โดย Poulsen, Peder Oluf Pedersen ผู้ร่วมงานของเขาและผู้สนับสนุนทางการเงินของพวกเขา ในปี 1909 Cyril Frank Elwellได้ซื้อสิทธิบัตรของอเมริกาและตัวแปลงอาร์คบางส่วนการพัฒนาในยุโรปและสหรัฐอเมริกา ในเวลาต่อมา ค่อนข้างแตกต่างกัน เนื่องจากในยุโรปมีปัญหาอย่างหนักในการนำเทคโนโลยี Poulsen มาใช้เป็นเวลาหลายปี ในขณะที่ในสหรัฐอเมริกา ระบบ โทรเลขวิทยุ เชิงพาณิชย์แบบขยาย ได้ถูกจัดตั้งขึ้นในไม่ช้ากับบริษัท Federal Telegraphต่อมากองทัพเรือสหรัฐฯได้นำระบบ Poulsen มาใช้ด้วยเช่นกัน มีเพียงตัวแปลงอาร์คที่มีการแปลงความถี่แบบพาสซีฟเท่านั้นที่เหมาะสำหรับการใช้งานแบบพกพาและทางทะเล ทำให้กลายเป็น ระบบ วิทยุเคลื่อนที่ ที่สำคัญที่สุด เป็นเวลาประมาณหนึ่งทศวรรษ จนกระทั่งถูกแทนที่ด้วยระบบ หลอดสุญญากาศ

ในปี 1922 สำนักงานมาตรฐานได้ระบุว่า "อาร์กเป็นอุปกรณ์ส่งสัญญาณที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดสำหรับงานระยะไกลที่มีกำลังส่งสูง โดยประมาณว่าปัจจุบันอาร์กเป็นสาเหตุของพลังงานร้อยละ 80 ของพลังงานทั้งหมดที่แผ่ออกไปสู่อวกาศเพื่อวัตถุประสงค์ทางวิทยุในช่วงเวลาหนึ่ง ทำให้สถานีสมัครเล่นไม่ได้รับการพิจารณา" ^[6]

วิธีการใหม่ที่ได้รับการปรับปรุงให้ดีขึ้นนี้สำหรับการสร้างสัญญาณวิทยุคลื่นต่อเนื่องได้รับการพัฒนาขึ้นโดยValdemar Poulsen นักประดิษฐ์ชาวเดนมาร์ก เครื่องส่งสัญญาณช่องว่างประกายไฟที่ใช้ในเวลานั้นผลิตคลื่นที่ถูกทำให้ลดทอนซึ่งสูญเสียพลังงานที่แผ่ออกมาจำนวนมากในการส่งฮาร์โมนิกที่แรงบนความถี่หลายความถี่ที่ทำให้สเปกตรัม RF เกิดการรบกวน ตัวแปลงอาร์ก ของ Poulsenผลิตคลื่นที่ไม่ทำให้ลดทอนหรือต่อเนื่อง (CW) บนความถี่เดียว

มีสามประเภทสำหรับออสซิลเลเตอร์อาร์ค: ^[7]

อาร์กดัดเดลล์ (และอาร์กอื่น ๆ ในยุคแรก)

ในออสซิลเลเตอร์อาร์กประเภทแรก กระแสไฟฟ้าสลับในคอนเดนเซอร์i0มีค่าน้อยกว่ากระแสไฟฟ้าจ่าย DC i1 มาก_และอาร์กจะไม่ดับในระหว่างรอบเอาต์พุต อาร์กดัดเดลล์เป็นตัวอย่างของประเภทแรก แต่ประเภทแรกไม่เหมาะสำหรับเครื่องส่งสัญญาณ_RF

ส่วนโค้งของพูลเซน

ในออสซิลเลเตอร์อาร์กประเภทที่สอง กระแสไฟ AC ของคอนเดนเซอร์จะมากพอที่จะดับอาร์กได้ แต่ไม่มากพอที่จะเริ่มอาร์กใหม่ในทิศทางตรงข้าม ประเภทที่สองนี้คืออาร์กพูลเซน

ช่องว่างประกายไฟดับ

ในออสซิลเลเตอร์อาร์กประเภทที่สาม อาร์กจะดับลงแต่สามารถจุดไฟขึ้นใหม่ได้เมื่อกระแสของคอนเดนเซอร์กลับทิศทาง กรณีที่สามคือช่องว่างประกายไฟที่ถูกดับลงและก่อให้เกิดการสั่นแบบหน่วง

คลื่น ต่อเนื่องหรือ 'ไม่ถูกลดทอน' (CW) ถือเป็นคุณลักษณะที่สำคัญ เนื่องจากการใช้คลื่นที่ถูกลดทอนจากเครื่องส่งสัญญาณแบบประกายไฟทำให้ประสิทธิภาพของเครื่องส่งสัญญาณและประสิทธิผลในการสื่อสารลดลง ขณะเดียวกันก็ทำให้สเปกตรัม RF เต็มไปด้วยสัญญาณรบกวน

เครื่องแปลงไฟฟ้าแบบ Poulsen Arc มีวงจรปรับจูนที่เชื่อมต่อข้ามส่วนโค้ง เครื่องแปลงไฟฟ้าแบบ Arc ประกอบด้วยห้องที่ส่วนโค้งถูกเผาไหม้ใน ก๊าซ ไฮโดรเจนระหว่างแคโทดคาร์บอน และ แอโนดทองแดงที่ระบายความร้อนด้วยน้ำด้านบนและด้านล่างของห้องนี้ มีขดลวดสนาม แบบอนุกรมสองขดลวด ที่ล้อมรอบและให้พลังงานแก่ขั้วทั้งสองของวงจรแม่เหล็ก ขั้วเหล่านี้ยื่นเข้าไปในห้อง โดยแต่ละขั้วอยู่ด้านละหนึ่งส่วนส่วนโค้งเพื่อให้เกิดสนาม แม่เหล็ก

จะประสบความสำเร็จมากที่สุดเมื่อใช้งานในช่วงความถี่ไม่กี่กิโลเฮิรตซ์ถึงไม่กี่สิบกิโลเฮิรตซ์การปรับจูนเสาอากาศจะต้องเลือกสรรอย่างแม่นยำเพียงพอที่จะระงับฮาร์มอนิก ของตัวแปลงอา ร์ ก

เนื่องจากอาร์คใช้เวลาพอสมควรในการกระทบและทำงานในลักษณะที่เสถียร จึงไม่สามารถใช้คีย์เปิด-ปิด ปกติได้ แต่ จะใช้คีย์เปลี่ยนความถี่แทน^[8]ในวิธีคลื่นชดเชย นี้ อาร์คจะทำงานอย่างต่อเนื่อง และคีย์จะเปลี่ยนความถี่ของอาร์คหนึ่งถึงห้าเปอร์เซ็นต์ สัญญาณที่ความถี่ที่ไม่ต้องการเรียกว่าคลื่นชดเชยในเครื่องส่งอาร์คที่มีกำลังไฟฟ้าสูงสุดถึง 70 กิโลวัตต์ คีย์มักจะลัดวงจรขดลวดเสาอากาศสองสามรอบ^[9]สำหรับอาร์คขนาดใหญ่ เอาต์พุตของอาร์คจะเป็นหม้อแปลงที่ต่อกับตัวเหนี่ยวนำเสาอากาศ และคีย์จะลัดวงจรขดลวดรองที่ต่อลงดินสองสามรอบ^[10]ดังนั้น "เครื่องหมาย" (คีย์ปิด) จึงถูกส่งที่ความถี่หนึ่ง และ "ช่องว่าง" (คีย์เปิด) ที่ความถี่อื่น หากความถี่เหล่านี้ห่างกันเพียงพอ และเครื่องรับ ของสถานีรับ มีการเลือก ที่เพียงพอ สถานีรับจะได้ยิน CW มาตรฐานเมื่อปรับไปที่ความถี่ "เครื่องหมาย"

วิธีการคลื่นชดเชยใช้แบนด์วิดท์สเปกตรัมจำนวนมาก ไม่เพียงแต่ส่งผ่านความถี่ที่ต้องการสองความถี่เท่านั้น แต่ยังรวมถึงฮาร์มอนิกของความถี่เหล่านั้นด้วย ตัวแปลงอาร์กมีฮาร์มอนิกมากมาย ในราวปี 1921 การประชุมการสื่อสารระหว่างประเทศเบื้องต้น^[11]ได้ห้ามใช้วิธีคลื่นชดเชยเนื่องจากทำให้เกิดสัญญาณรบกวนมากเกินไป^[4]

ความจำเป็นในการส่งสัญญาณที่ความถี่สองความถี่ที่แตกต่างกันถูกกำจัดโดยการพัฒนาของวิธีการยูนิเวฟ [ ^12]ในวิธีการยูนิเวฟวิธีหนึ่งที่เรียกว่าวิธีการจุดระเบิดการกดกุญแจจะเริ่มต้นและหยุดอาร์ค ห้องอาร์คจะมี แท่ง จุดระเบิดซึ่งจะลัดวงจรอิเล็กโทรดทั้งสองผ่านตัวต้านทานและดับอาร์ค กุญแจจะจ่ายพลังงานให้กับแม่เหล็กไฟฟ้าที่จะเคลื่อนย้ายแท่งจุดระเบิดและจุดอาร์คอีกครั้ง เพื่อให้วิธีนี้ใช้งานได้ ห้องอาร์คจะต้องร้อน วิธีนี้เหมาะสำหรับตัวแปลงอาร์คที่มีกำลังไฟฟ้าสูงสุดประมาณ 5 กิโลวัตต์

วิธียูนิเวฟที่สองคือวิธีการดูดซับซึ่งเกี่ยวข้องกับวงจรที่ปรับจูนสองวงจรและ คีย์ แบบขั้วเดี่ยว โยนสองครั้งทำก่อนตัด เมื่อคีย์อยู่ด้านล่าง อาร์คจะเชื่อมต่อกับคอยล์เสาอากาศที่ปรับจูนแล้วและเสาอากาศ เมื่อคีย์อยู่ด้านบน อาร์คจะเชื่อมต่อกับเสาอากาศจำลอง ที่ปรับจูน แล้วที่เรียกว่าแบ็คชันต์ แบ็คชันต์เป็นวงจรที่ปรับจูนแล้วที่สองซึ่งประกอบด้วยตัวเหนี่ยวนำ ตัวเก็บประจุ และตัวต้านทานโหลดที่ต่ออนุกรมกัน^{[13] [14]}วงจรที่สองนี้ปรับจูนให้มีความถี่เกือบเท่ากับความถี่ที่ส่ง โดยจะทำให้อาร์คทำงานต่อไป และดูดซับพลังงานของเครื่องส่งสัญญาณ วิธีการดูดซับนี้เห็นได้ชัดว่าเกิดจาก WA Eaton ^[4]

การออกแบบวงจรสวิตชิ่งสำหรับวิธีการดูดซับนั้นมีความสำคัญ เนื่องจากเป็นการสวิตชิ่งอาร์คไฟฟ้าแรงสูง ดังนั้นหน้าสัมผัสของสวิตช์จะต้องมีการระงับอาร์คในรูปแบบใดรูปแบบหนึ่ง อีตันมีแม่เหล็กไฟฟ้าแบบคีย์ไดรฟ์โทรเลขซึ่งควบคุมรีเลย์ รีเลย์ดังกล่าวใช้หน้าสัมผัสสวิตช์สี่ชุดต่ออนุกรมสำหรับแต่ละเส้นทางทั้งสองเส้นทาง (หนึ่งชุดไปยังเสาอากาศและอีกชุดหนึ่งไปยังแบ็คชันต์) หน้าสัมผัสรีเลย์แต่ละชุดจะเชื่อมต่อกันด้วยตัวต้านทาน ดังนั้น สวิตช์จึงไม่เคยเปิดอย่างสมบูรณ์ แต่มีการลดทอนจำนวนมาก^[15]

• ประวัติความเป็นมาของวิทยุ
• เครื่องส่งสัญญาณ
• วาล์วอาร์คปรอท
• ติ๊กเกอร์

• สำนักงานมาตรฐาน (พ.ศ. 2465) หลักการพื้นฐานในการสื่อสารทางวิทยุ (ฉบับที่ 2) กองสัญญาณกองทัพบกสหรัฐISBN 9781440078590, แผ่นพับการสื่อสารทางวิทยุ. แก้ไขล่าสุดเมื่อวันที่ 24 เมษายน พ.ศ. 2464 http://www.forgottenbooks.org
• Eaton, WA (เมษายน 1921), "คำอธิบายของระบบส่งสัญญาณ Uni-Wave สำหรับเครื่องส่งสัญญาณ Arc", Electric Journal , 18 : 114–115
• Little, DG (เมษายน 1921) "การสื่อสารวิทยุคลื่นต่อเนื่อง" Electric Journal , 18 : 124–129. เอลิฮู ทอมสันทำบทร้องเพลงก่อนดัดเดลล์ หน้า 125

• Elwell, CF (1923), "เครื่องกำเนิดอาร์ค Poulsen", Nature , 112 (2824), London: Ernest Benn Limited: 860, Bibcode :1923Natur.112R.860., doi : 10.1038/112860b0 , S2CID  4124106
• Howeth, Linwood S. (1963), ประวัติศาสตร์การสื่อสาร-อิเล็กทรอนิกส์ในกองทัพเรือสหรัฐอเมริกา , โรงพิมพ์รัฐบาลสหรัฐอเมริกา
• Morecroft, JH; Pinto, A.; Curry, WA (1921), หลักการสื่อสารทางวิทยุนิวยอร์ก: John Wiley & Sons Inc.
• มอร์ส, เอเอช (1925), วิทยุ: บีมแอนด์บรอดคาสต์, ลอนดอน: เออร์เนสต์ เบนน์ ลิมิเต็ดประวัติศาสตร์ของวิทยุในปี 1925 หน้า 25: "ศาสตราจารย์ Elihu Thomson จากอเมริกาได้ยื่นขอจดสิทธิบัตรเกี่ยวกับวิธีการสร้างกระแสไฟฟ้าความถี่สูงโดยใช้อาร์ก สิ่งประดิษฐ์ของเขาประกอบด้วยการเป่าด้วยแม่เหล็กและคุณสมบัติสำคัญอื่นๆ ของอาร์กในปัจจุบัน แต่ขั้วไฟฟ้าทำด้วยโลหะและไม่ได้บรรจุอยู่ในห้องรมแก๊ส" อ้างอิงจากสิทธิบัตรสหรัฐอเมริกาหมายเลข 500630 หน้า 30–31 (1900): "วิลเลียม ดูบัวส์ ดัดเดลล์ จากลอนดอน ยื่นขอจดสิทธิบัตรสำหรับวิธีคงที่ในการสร้างกระแสไฟฟ้าสลับจากแหล่งจ่ายไฟตรง ซึ่งวิธีการนี้ใกล้เคียงกับแนวทางของเอลิฮู ทอมสันในปี 1892 มาก ดัดเดลล์เสนอให้ใช้ขั้วไฟฟ้าคาร์บอน แต่เขาเสนอว่าไม่ควรใช้การระเบิดแม่เหล็ก เขาบอกว่าสิ่งประดิษฐ์ของเขาสามารถใช้สร้างการสั่นที่มีความถี่สูงและแอมพลิจูดคงที่ ซึ่ง "สามารถนำไปใช้ให้เกิดประโยชน์ในโทรเลขไร้สาย" โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อ "จำเป็นต้องปรับเครื่องส่งสัญญาณให้สอดคล้องกับความถี่" สิ่งประดิษฐ์ของดัดเดลล์ (Br. Pat. 21,629/00) กลายมาเป็นพื้นฐานของ Poulsen Arc และยังเป็นเครื่องส่งสัญญาณที่น่าสนใจซึ่งพัฒนาโดยฟอน เลเปลอีกด้วย" หน้า 31 (1903): "Valdemar Poulsen แห่งโคเปนเฮเกน ยื่นขอจดสิทธิบัตรเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสำเร็จตามที่ Duddell เปิดเผยในปี 1900 รวมถึงเครื่องเป่าลมแม่เหล็กที่เสนอโดย Thomson ในปี 1892 และไอไฮโดรเจนที่ใช้จุ่มอาร์ก (Br. Pate 15,599/03; US Patent 789,449)" นอกจากนี้ยังมี Ch. IV, pp 75–77, "The Poulsen Arc" การปรับปรุงโดย CF Elwell
• Pedersen, PO (สิงหาคม 1917), "On the Poulsen Arc and its Theory", Proceedings of the Institute of Radio Engineers , 5 (4): 255–319 ทฤษฎีที่น่าพอใจจริงๆ เกี่ยวกับการทำงานของ Poulsen arc ยังไม่มีอยู่ในปัจจุบัน ทฤษฎีที่น่าพอใจคือทฤษฎีที่จะทำให้สามารถคำนวณผลลัพธ์ได้ โดยต้องให้ข้อมูลที่จำเป็น
• Cyril Frank Elwell - ผู้บุกเบิกการสื่อสารไร้สายในอเมริกาและยุโรป Talking Pictures และผู้ก่อตั้ง CF Elwell Limited ตั้งแต่ปี 1922-1925 โดย Ian L. Sanders ตีพิมพ์โดย Castle Ridge Press ในปี 2013 (รายละเอียดเกี่ยวกับการพัฒนาเครื่องกำเนิดอาร์คในสหรัฐอเมริกาและยุโรปโดย Elwell)

• http://oz6gh.byethost33.com/poulsenarc.htm, Modulation of the Poulsen arc , จากหนังสือRadio Telephony , 1918 โดย Alfred N. Goldsmith
• https://web.archive.org/web/20120210081832/http://www.stenomuseet.dk/person/hb.ukref.htm บทสรุปภาษาอังกฤษของวิทยานิพนธ์ระดับปริญญาเอกของเดนมาร์ก เรื่องThe Arc Transmitter - การศึกษาวิจัยเชิงเปรียบเทียบการประดิษฐ์ การพัฒนา และนวัตกรรมของระบบ Poulsen ในเดนมาร์ก อังกฤษ และสหรัฐอเมริกาโดย Hans Buhl, 1995
• http://pe2bz.philpem.me.uk/Comm/-%20ELF-VLF/-%20Info/-%20History/PoulsenArcOscillator/poulsen1.htm
• https://www.gukit.ru/sites/default/files/ogpage_files/2017/09/Dugovoy_peredatchik.pdf - จากอาร์คไฟฟ้าของเปตรอฟสู่การออกอากาศทางวิทยุของคำพูด