convertidor de arco

El convertidor de arco , a veces llamado transmisor de arco o arco de Poulsen en honor al ingeniero danés Valdemar Poulsen, quien lo inventó en 1903, ^{[ 1 ] [ 2 ]} fue una variedad de transmisor de chispa utilizado en los inicios de la telegrafía inalámbrica . El convertidor de arco utilizaba un arco eléctrico para convertir la corriente continua en corriente alterna de radiofrecuencia . Se utilizó como transmisor de radio desde 1903 hasta la década de 1920, cuando fue reemplazado por transmisores de tubos de vacío . Fue uno de los primeros transmisores capaces de generar ondas sinusoidales continuas y una de las primeras tecnologías utilizadas para transmitir sonido ( modulación de amplitud ) por radio. Figura en la lista de Hitos del IEEE como un logro histórico en ingeniería eléctrica . ^{[ 3 ]}

En 1892, Elihu Thomson presentó una solicitud de patente para generar corriente de alta frecuencia de hasta 50 kHz a partir de corriente continua, utilizando un arco eléctrico . En 1900, William Duddell demostró el "arco cantor" al conectar un circuito resonante sintonizado al arco. Valdemar Poulsen logró aumentar la eficiencia al hacer que el arco ardiera en vapor de hidrógeno en lugar de aire, alcanzando frecuencias de 150 kHz. ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]}

Para 1903, Poulsen y Peder Oluf Pedersen habían desarrollado un sistema de radio de onda continua funcional para telefonía y telegrafía. Se formó un consorcio en Copenhague y, en 1906, se estableció una estación en Lyngby . Ese mismo año, la Amalgamated Radio Telegraph Company adquirió los derechos de patente y estableció una estación en Cullercoats . En 1907, C. Lorenz AG adquirió los derechos y estableció una estación en Weissensee (Berlín) . Para 1908, esta estación ya transmitía voz y música con Lyngby. En 1909, Cyril Frank Elwell fundó la Poulsen Wireless Telephone and Telegraph Company y, para 1910, las estaciones de Sacramento y Stockton, California, ya estaban en comunicación. Posteriormente, se estableció una planta de fabricación en Palo Alto y, en 1913, la Armada de los Estados Unidos encargó un arco de 100 kilovatios . En 1911, Beach Thompson se hizo cargo de la compañía y la renombró Federal Telegraph Company ; los transmisores pasaron a conocerse como Federal Arcs. Para 1912, la compañía había establecido trece estaciones en la costa oeste, además de Chicago, Kansas City y Fort Worth, con una estación repetidora en Phoenix. ^{[ 7 ] : 120–132}

En 1922, la Oficina de Normas declaró: «El arco es el aparato transmisor más utilizado para trabajos de alta potencia y larga distancia. Se estima que el arco es ahora responsable del 80 por ciento de toda la energía que se irradia al espacio con fines radioeléctricos durante un tiempo determinado, sin tener en cuenta las estaciones de radioaficionados». ^{[ 8 ]}

Este nuevo y más refinado método para generar señales de radio de onda continua fue desarrollado inicialmente por el inventor danés Valdemar Poulsen . Los transmisores de chispa que se utilizaban en aquel entonces producían ondas amortiguadas , lo que desperdiciaba gran parte de su potencia radiada al transmitir fuertes armónicos en múltiples frecuencias que saturaban el espectro de radiofrecuencia con interferencias. El convertidor de arco de Poulsen producía ondas continuas (CW) sin amortiguación en una sola frecuencia.

Existen tres tipos de osciladores de arco: ^{[ 9 ]}

Arco de Duddell (y otros tipos tempranos)

En el primer tipo de oscilador de arco, la corriente alterna en el condensador _i₀ es mucho menor que la corriente continua de alimentación i₁ , y el arco nunca se extingue durante un ciclo de salida. El arco de Duddell es un ejemplo del primer tipo, pero este no resulta práctico para transmisores de radiofrecuencia _.

Arco de Poulsen

En el segundo tipo de oscilador de arco, la corriente de descarga de CA del condensador es lo suficientemente grande como para extinguir el arco, pero no lo suficientemente grande como para reiniciarlo en la dirección opuesta. Este segundo tipo es el arco de Poulsen.

chispa apagada

En el tercer tipo de oscilador de arco, el arco se extingue, pero puede volver a encenderse cuando la corriente del condensador se invierte. El tercer caso corresponde a un espacio de chispa apagado y produce oscilaciones amortiguadas.

Las ondas continuas o "sin amortiguación" (CW) eran una característica importante, ya que el uso de ondas amortiguadas de los transmisores de chispa resultaba en una menor eficiencia del transmisor y una menor efectividad de las comunicaciones, al tiempo que contaminaba el espectro de radiofrecuencia con interferencias.

El convertidor de arco de Poulsen tenía un circuito sintonizado conectado a través del arco. El convertidor consistía en una cámara donde el arco ardía en gas hidrógeno entre un cátodo de carbono y un ánodo de cobre refrigerado por agua . Por encima y por debajo de esta cámara había dos bobinas de campo en serie que rodeaban y energizaban los dos polos del circuito magnético. Estos polos se proyectaban hacia el interior de la cámara, uno a cada lado del arco, para generar un campo magnético .

Su funcionamiento era más eficaz en el rango de frecuencias comprendido entre unos pocos kilohercios y unas pocas decenas de kilohercios. La sintonización de la antena debía ser lo suficientemente selectiva como para suprimir los armónicos del convertidor de arco .

Dado que el arco tardaba un tiempo en encenderse y funcionar de forma estable, no se podía utilizar la modulación por desplazamiento de frecuencia normal. En su lugar, se empleó una forma de modulación por desplazamiento de frecuencia . ^{[ 10 ]} En este método de onda de compensación , el arco funcionaba continuamente y la llave alteraba la frecuencia del arco entre un uno y un cinco por ciento. La señal en la frecuencia no deseada se denominaba onda de compensación . En transmisores de arco de hasta 70  kW, la llave normalmente cortocircuitaba algunas espiras en la bobina de la antena. ^{[ 11 ]} Para arcos más grandes, la salida del arco se acoplaba mediante transformador al inductor de la antena y la llave cortocircuitaba algunas espiras inferiores del secundario conectado a tierra. ^{[ 12 ]} Por lo tanto, la "marca" (llave cerrada) se enviaba a una frecuencia y el "espacio" (llave abierta) a otra. Si estas frecuencias estaban lo suficientemente separadas y el receptor de la estación receptora tenía la selectividad adecuada , la estación receptora oiría CW estándar cuando sintonizara a la frecuencia de la "marca".

El método de onda de compensación utilizaba un gran ancho de banda del espectro. No solo transmitía en las dos frecuencias previstas, sino también en sus armónicos. Los convertidores de arco son ricos en armónicos. Alrededor de 1921, la Conferencia Internacional Preliminar de Comunicaciones ^{[ 13 ]} prohibió el método de onda de compensación debido a la gran cantidad de interferencias que causaba. ^{[ 4 ]}

La necesidad de emitir señales a dos frecuencias diferentes se eliminó con el desarrollo de métodos de onda única . ^{[ 14 ]} En un método de onda única, denominado método de ignición , el arco se iniciaba y se detenía mediante la llave. La cámara de arco tenía una varilla percutora que cortocircuitaba los dos electrodos a través de una resistencia y extinguía el arco. La llave energizaba un electroimán que movía la varilla percutora y volvía a encender el arco. Para que este método funcionara, la cámara de arco debía estar caliente. El método era viable para convertidores de arco de hasta aproximadamente 5  kW.

El segundo método de onda unidireccional es el método de absorción , que implica dos circuitos sintonizados y una llave de un polo, doble tiro y de cierre antes de la desconexión. Cuando la llave está hacia abajo, el arco se conecta a la bobina y la antena sintonizadas. Cuando la llave está hacia arriba, el arco se conecta a una antena ficticia sintonizada llamada derivación trasera . La derivación trasera era un segundo circuito sintonizado compuesto por un inductor, un condensador y una resistencia de carga en serie. ^{[ 15 ] [ 16 ]} Este segundo circuito está sintonizado aproximadamente a la misma frecuencia que la frecuencia transmitida; mantiene el arco activo y absorbe la potencia del transmisor. El método de absorción se debe aparentemente a W. A. ​​Eaton. ^{[ 4 ]}

El diseño del circuito de conmutación para el método de absorción es fundamental. Al conmutar un arco de alto voltaje, los contactos del interruptor deben contar con algún tipo de supresión de arco. Eaton utilizaba electroimanes accionados por la llave telegráfica que operaban un relé. Este relé empleaba cuatro conjuntos de contactos de interruptor en serie para cada una de las dos trayectorias (una hacia la antena y otra hacia la derivación posterior). Cada contacto del relé estaba conectado mediante una resistencia. En consecuencia, el interruptor nunca se abría completamente, pero se producía una gran atenuación. ^{[ 17 ]}

• Historia de la radio
• Transmisor
• Válvula de arco de mercurio
• Tikker

• Oficina de Normas (1922), Principios subyacentes a la radiocomunicación (segunda  edición), Cuerpo de Señales del Ejército de los EE. UU., ISBN 9781440078590Folleto de comunicaciones por radio{{citation}}ISBN / Incompatibilidad de fechas ( ayuda ) . Revisado el 24 de abril de 1921. http://www.forgottenbooks.org
• Eaton, WA (abril de 1921), "Descripción de un sistema de señalización de onda única para transmisores de arco" , Electric Journal , 18 : 114–115
• Little, DG (abril de 1921), "Comunicación por radio de onda continua" , Electric Journal , 18 : 124–129. Elihu Thomson hizo un arco de canto antes que Duddell, pág.  125.

• Elwell, CF (1923), "El generador de arco de Poulsen", Nature , 112 (2824), Londres: Ernest Benn Limited: 860, Bibcode : 1923Natur.112R.860. , doi : 10.1038/112860b0 , S2CID 4124106 
• Howeth, Linwood S. (1963), Historia de las comunicaciones y la electrónica en la Armada de los Estados Unidos , Oficina de Imprenta del Gobierno de los Estados Unidos
• Morecroft, JH; Pinto, A.; Curry, WA (1921), Principios de la radiocomunicación , Nueva York: John Wiley & Sons Inc.
• Morse, AH (1925), Radio: Beam and Broadcast , Londres: Ernest Benn LimitedHistoria de la radio en 1925. Página 25: «El profesor Elihu Thomson, de Estados Unidos, solicitó una patente para un método de arco eléctrico para producir corrientes de alta frecuencia. Su invento incorporaba un sistema de extinción magnética y otras características esenciales del arco eléctrico actual, pero los electrodos eran de metal y no estaban encerrados en una cámara de gas». Cita la patente estadounidense 500630, páginas 30-31 (1900): «William Du Bois Duddell, de Londres, solicitó una patente para un método estático de generación de corrientes alternas a partir de una fuente de corriente continua, método que seguía muy de cerca el de Elihu Thomson de 1892. Duddell sugirió electrodos de carbono, pero no propuso la extinción magnética. Afirmó que su invención podía utilizarse para producir oscilaciones de alta frecuencia y amplitud constante que podían "utilizarse con ventaja en la telegrafía inalámbrica", especialmente cuando "era necesario sintonizar el transmisor a la sintonía". La invención de Duddell (Patente Británica 21.629/00) se convirtió en la base del Arco de Poulsen, y también de un interesante transmisor desarrollado por Von Lepel». Página 31 (1903): «Valdemar Poulsen, de Copenhague, solicitó con éxito una patente para un generador, tal como lo describió Duddell en 1900, además de la extinción magnética propuesta por Thomson en 1892, y un vapor hidrogenado en el que sumergir el arco. (Patente británica 15.599/03; Patente estadounidense 789.449)». Véase también el cap. IV, págs. 75-77, «El arco de Poulsen». Perfeccionamientos de C.F. Elwell.
• Pedersen, PO (agosto de 1917), "Sobre el arco de Poulsen y su teoría" , Actas del Instituto de Ingenieros de Radio , 5 (4): 255–319 , En la actualidad no existe una teoría realmente satisfactoria del funcionamiento del arco de Poulsen, siendo una teoría satisfactoria aquella que permita calcular los resultados, dados los datos necesarios.
• Cyril Frank Elwell - Pionero de las comunicaciones inalámbricas estadounidenses y europeas, del cine sonoro y fundador de CF Elwell Limited, 1922-1925, por Ian L. Sanders. Publicado por Castle Ridge Press, 2013. (Detalla el desarrollo del generador de arco en Estados Unidos y Europa por Elwell).

• http://oz6gh.byethost33.com/poulsenarc.htm , Modulación del arco de Poulsen , del libro Radio Telephony , 1918 de Alfred N. Goldsmith.
• https://web.archive.org/web/20120210081832/http://www.stenomuseet.dk/person/hb.ukref.htm , Resumen en inglés de la tesis doctoral danesa, El transmisor de arco: un estudio comparativo de la invención, el desarrollo y la innovación del sistema Poulsen en Dinamarca, Inglaterra y Estados Unidos , de 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 - Del arco eléctrico de Petrov a la transmisión radiofónica del discurso.