Alexandersonův alternátor - Alexanderson alternator
An Alexandersonův alternátor je rotační stroj vynalezl Ernst Alexanderson v roce 1904 pro generování vysokofrekvenčních střídavý proud pro použití jako rádiový vysílač. Bylo to jedno z prvních zařízení schopných generovat spojité rádiové vlny potřebné pro přenos amplitudová modulace (zvuk) rádiem. To bylo používáno od asi 1910 v nemnoho “supervelmoc” dlouhovlnný radiotelegrafie stanic pro přenos transeceanských zpráv pomocí Morseova abeceda na podobné stanice po celém světě.
Ačkoli zastaralý brzy 1920 kvůli vývoji vakuová trubice vysílače, Alexandersonův alternátor byl nadále používán až do druhá světová válka. Je na seznam milníků IEEE jako klíčový úspěch v elektrotechnika.[1]
Dějiny
Předchozí vývoj
Po rádiové vlny byly objeveny v roce 1887, první generaci rádiové vysílače, vysílače jiskřiště, vyrobil řetězce z tlumené vlny pulzy rádiových vln, které rychle vymizely na nulu. V 90. letech 19. století bylo zjištěno, že tlumené vlny mají nevýhody; jejich energie byla rozprostřena do široka frekvence šířka pásma vysílače na různých frekvencích se navzájem rušily a nemohly být modulovaný se zvukovým signálem pro přenos zvuku. Snahy byly vynalezeny na vysílače, které by mohly produkovat spojité vlny, sinusový střídavý proud na jedné frekvenci.
Na přednášce z roku 1891 Frederick Thomas Trouton poukázal na to, že pokud je elektrický alternátor byly provozovány dostatečně velkou rychlostí cyklu (to znamená, že pokud by se otáčel dostatečně rychle a byl postaven s dostatečně velkým počtem magnetických pólů na své armatuře), generoval by spojité vlny na rádiové frekvenci.[2] Začínání s Elihu Thomson v roce 1889,[3][4][5][6] řada výzkumníků postavila vysokofrekvenční alternátory, Nikola Tesla[7][8] (1891, 15 kHz), Salomons a Pyke[8] (1891, 9 kHz), Parsons and Ewing (1892, 14 kHz.), Siemens[8] (5 kHz), B. G. Lamme[8] (1902, 10 kHz), ale žádný nebyl schopen dosáhnout frekvencí požadovaných pro rádiový přenos, nad 20 kHz.[5]
Konstrukce
V roce 1904 Reginald Fessenden smluvně s General Electric pro alternátor, který generoval frekvenci 100 000 hertzů[Citace je zapotřebí ] pro rádio s nepřetržitými vlnami. Alternátor navrhl Ernst Alexanderson. Alexandersonův alternátor byl značně používán pro dlouhé vlny rádiové komunikace pobřežními stanicemi, ale byl příliš velký a těžký na to, aby mohl být instalován na většinu lodí. V roce 1906 byly dodány první alternátory o výkonu 50 kilowattů. Jedním z nich byl Reginald Fessenden v Brant Rock, Massachusetts, další do John Hays Hammond, Jr. v Gloucester, Massachusetts a další do Americká společnost Marconi v New Brunswick, New Jersey.
Alexanderson obdrží patent na své zařízení v roce 1911. Alexandersonův alternátor následoval Fessendenův rotační vysílač jiskřiště jako druhý rádiový vysílač, který měl být modulovaný nést lidský hlas. Až do vynálezu vakuová trubice (ventil) oscilátory v roce 1913 jako Armstrongův oscilátor, Alexandersonův alternátor byl důležitý vysoce výkonný rádio vysílač a povoleno amplitudová modulace rádiový přenos lidského hlasu. Poslední zbývající funkční Alexandersonův alternátor je u Vysílač VLF Grimeton ve Švédsku a v pravidelné službě byl až do roku 1996. Je provozován ještě několik minut Alexanderson Day, což je buď poslední neděle v červnu nebo první neděle v červenci každý rok.
První světová válka a vznik RCA
Vypuknutí první světová válka přinutil evropské národy dočasně upustit od rozvoje mezinárodních radiových komunikačních sítí, zatímco Spojené státy zvýšily úsilí o rozvoj zaoceánského rádia. Na konci války Alexandersonův alternátor pracoval tak, aby spolehlivě zajišťoval transoceanskou rádiovou službu. Britský Marconi nabídl General Electric 5 000 dolarů v podnikání výměnou za výlučná práva na používání alternátoru, ale právě když se dohoda chystala projít, americký prezident Woodrow Wilson požádal GE, aby odmítla nabídku, která by poskytla Britům (kteří byli lídrem v podmořské kabely ) dominance nad celosvětovou rádiovou komunikací. GE žádosti vyhověla a připojila se k Americký telefon a telegraf (AT&T) United Fruit Company, Western Electric Company a Westinghouse Electric and Manufacturing Company tvořit Radio Corporation of America (RCA), což americkým společnostem dává poprvé kontrolu nad americkým rádiem.[9]
Stanice
Thorn L. Mayes identifikoval v období do roku 1924 výrobu deseti párů 200 KW Alexandersonových alternátorů, celkem 20 vysílačů:[10]
| Ne. | Umístění | Volání podepsat | Vlnová délka (m) | Frekvence (kHz) | Nainstalováno | Naprázdno | Sešrotován | Poznámky |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | New Brunswick, New Jersey, USA | WII | 13,761 | 21.8 | 6/1918 | 1948 | 1953 | Vyměněn alternátor o výkonu 50 KW instalovaný v únoru 1917 |
| 2 | WRT | 13,274 | 22.6 | 2/1920 | 1948 | 1953 | ||
| 3 | Marion, Massachusetts, USA | WQR | 13,423 | 22.3 | 4/1920 | 1932 | 1961 | Vyměněn vysílač jisker s časováním Marconi |
| 4 | WSO | 11,628 | 25.8 | 7/1922 | 1932 | 1969 | Na Haiku na Havaji v roce 1942 | |
| 5 | Bolinas, Kalifornie, USA | KET | 13,100 | 22.9 | 10/1920 | 1930 | 1946 | Vyměněn vysílač jisker s časováním Marconi |
| 6 | KET | 15,600 | 19.2 | 1921 | 1930 | 1969 | Na Haiku na Havaji v roce 1942 | |
| 7 | Radio Central, Rocky Point, New York, USA | WQK | 16,484 | 18.2 | 11/1921 | 1948 | 1951 | |
| 8 | WSS | 15,957 | 18.8 | 1921 | 1948 | Marion, Massachusetts 1949. Později Smithsonian Institution. | ||
| 9 | Kahuku, Havaj, USA | KGI | 16,120 | 18.6 | 1920 | 1930 | 1938 | |
| 10 | KIE | 16,667 | 18.0 | 1921 | 1930 | 1938 | ||
| 11 | Tuckerton, New Jersey, USA | WCI | 16,304 | 18.4 | 3/1921 | 1948 | 1955 | Vyměněno a Goldschmidt alternátor |
| 12 | WGG | 13,575 | 22.1 | 1922 | 1948 | 1955 | ||
| 13 | Caernarvon, Wales, Velká Británie | MUU | 14,111 | 21.2 | 4/1921 | 1939 | ||
| 14 | GLC | 9,592 | 31.3 | 1921 | 1939 | |||
| 15 | Varberg, Švédsko | SAQ | 17,442 | 17.2 | 1924 | 1946 | 1960 | Zpočátku 18 600 m, paralelní připojení |
| 16 | SAQ | 17,442 | 17.2 | 1924 | 1946 | Provozní | Zachováno ve Grimetonu ve Švédsku. | |
| 17 | Varšava, Polsko | AXO | 21,127 | 14.2 | 12/1923 | Zajat německou armádou 9/1939, která zničila stanice v roce 1945 | ||
| 18 | AXL | 18,293 | 16.4 | 1923 | ||||
| 19 | Pernambuco, Recife, Brazílie | nikdy | 1927 | Doručeno v roce 1924, v roce 1926 se vrátil do Radio Central Rocky Point, protože nyní byly k dispozici účinnější elektronkové vysílače | ||||
| 20 | nikdy | 1927 |
Americké vojenské použití během druhé světové války a po ní
Od roku 1941 bylo sedm z dvaceti původních 200 KW alternátorů uvedeno do provozu americkým námořnictvem a letectvem:[11]
| Ne. | Umístění | Volání Podepsat | Originál Umístění | Námořnictvo Úkon | Letectvo Úkon | Sešrotován |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | Haiku, Havaj | Marion, Massachusetts (WSO) | 1942-1946 | 1947-1957 | 1969 | |
| 2 | Bolinas, Kalifornie (KET) | 1942-1946 | 1947-1957 | 1969 | ||
| 3 | Marion, Massachusetts | Marion, Massachusetts (WQR) | 1941-1948 | 1949-1957 | 1961 | |
| 4 | AFA2[12] | Radio Central (WSS) | 1949-1957 | Smithsonian | ||
| 5 | Tuckerton, New Jersey | Tuckerton, New Jersey (WCI) | 1942-1948 | 1955 | ||
| 6 | Tuckerton, New Jersey (WGG) | 1942-1948 | 1955 | |||
| 7 | Bolinas, Kalifornie | Bolinas, Kalifornie (KET) | 1942-1946 | 1946 |
Během druhé světové války americké námořnictvo uznalo potřebu spolehlivého dálkového přenosu dlouhých vln (VLF) do tichomořské flotily. Na Haiku na Havaji bylo postaveno nové zařízení, kde byly instalovány dva alternátory Alexanderson o výkonu 200 KW přenesené z pevniny. Námořnictvo také provozovalo stávající vysílač v Bolinas v Kalifornii, opět pro komunikaci v Tichém oceánu.[13] Oba alternátory Haiku byly prodány k záchraně v roce 1969, případně společnosti Kreger Company of California.
Na konci 40. let 20. století převzalo letectvo kontrolu nad zařízeními Haiku a Marion v Massachusetts. Letectvo zjistilo, že dlouhovlnné přenosy byly spolehlivější než krátkovlnné při zasílání informací o počasí arktickým vědcům i základnám v Grónsku, Labradoru a na Islandu. Dva vysílače Marion byly používány do roku 1957. Jeden byl vyřazen v roce 1961 a druhý byl údajně předán Úřadu pro standardy USA[14] a uloženy ve skladu Smithsonian Institution.[15]
Design
Alexandersonův alternátor pracuje podobně jako střídavý elektrický generátor, ale generuje vysokofrekvenční proud ve vysokofrekvenčním rozsahu velmi nízkých frekvencí (VLF). Rotor nemá žádné vodivé vinutí ani elektrické spojení; sestává z pevného disku z magnetické oceli s vysokou pevností v tahu, s úzkými štěrbinami vyříznutými po obvodu, aby se vytvořila řada úzkých "zubů", které fungují jako magnetické póly. Prostor mezi zuby je vyplněn nemagnetickým materiálem, aby měl rotor hladký povrch pro snížení aerodynamického odporu. Rotor se otáčí vysokou rychlostí pomocí elektromotoru.
Stroj pracuje podle proměnných neochota (podobně jako elektrický kytarový snímač ), změna magnetický tok spojující dvě cívky. Obvod rotoru obklopuje kruhový železný stator s průřezem ve tvaru C, rozdělený na úzké póly, stejný počet jako rotor, nesoucí dvě sady cívek. Jedna sada cívek je napájena stejnosměrný proud a vytváří magnetické pole ve vzduchové mezeře ve statoru, které prochází axiálně (do strany) rotorem.
Při otáčení rotoru je v mezeře mezi každou dvojicí statorových pólů střídavě buď železná část disku, což umožňuje překonat mezeru vysokým magnetickým tokem, nebo je ve statorové mezeře nemagnetická štěrbina, což umožňuje méně magnetické tok projít. Magnetický tok statorem se tedy mění sinusově rychlou rychlostí. Tyto změny toku indukují a rádiová frekvence napětí ve druhé sadě cívek na statoru.
RF kolektorové cívky jsou všechny propojeny výstupem transformátor, jehož sekundární vinutí je připojeno k obvodu antény. Modulace nebo telegrafické klíčování vysokofrekvenční energie bylo provedeno a magnetický zesilovač, který byl také použit pro amplitudová modulace a hlasové přenosy.
The frekvence proudu generovaného Alexandersonovým alternátorem v hertz je součinem počtu pólů rotoru a otáček za sekundu. Vyšší rádiové frekvence tedy vyžadují více pólů, vyšší rychlost otáčení nebo obojí. Alexandersonovy alternátory byly použity k výrobě rádiových vln v velmi nízká frekvence (VLF) range, pro transkontinentální bezdrátovou komunikaci. Typický alternátor s výstupní frekvencí 100 kHz měl 300 pólů a otáčel se při 20 000 otáčkách za minutu (RPM) (333 otáček za sekundu). Aby se dosáhlo vysokého výkonu, musela být vůle mezi rotorem a statorem udržována pouze na 1 mm. Výroba přesných strojů otáčejících se tak vysokou rychlostí představovala mnoho nových problémů a Alexandersonovy vysílače byly objemné a velmi drahé.
Řízení frekvence
Výstupní frekvence vysílače je úměrná rychlosti rotoru. Aby byla udržována konstantní frekvence, byla rychlost otáčení elektromotoru řízena zpětnou vazbou. V jedné metodě je vzorek výstupního signálu aplikován na high-Q vyladěný obvod, jehož rezonanční frekvence je mírně nad výstupní frekvencí. Frekvence generátoru klesá na „plášti“ impedanční křivky obvodu LC, kde se impedance rychle zvyšuje s frekvencí. Výstup obvodu LC je usměrněn a výsledné napětí je porovnáno s konstantním referenčním napětím, aby se vytvořil zpětnovazební signál pro řízení otáček motoru. Pokud je výstupní frekvence příliš vysoká, zvyšuje se impedance LC obvodu a klesá amplituda RF signálu procházejícího LC obvodem. Zpětnovazební signál k motoru klesá a motor zpomaluje. Výstupní frekvence alternátoru je tedy „uzamčena“ na rezonanční frekvenci laděného obvodu.
Soupravy byly postaveny tak, aby pracovaly na vlnových délkách 10 500 až 24 000 metrů (28,57 až 12,5 KHz). Toho bylo dosaženo třemi designovými proměnnými. Alternátory byly postaveny s 1220 nebo 976 nebo 772 póly. K dispozici byly tři převodovky s převodovými poměry 2,675 - 2,973 a 3,324 a hnací motor s 900 otáčkami za minutu pracoval při skluzu 4% až 20%, což poskytovalo rychlosti 864 až 720 RPM. Vysílače instalované v Evropě, pracující na 50 cyklů, měly kvůli nižší rychlosti hnacího motoru rozsah vlnových délek 12 500 až 28 800 metrů.
Výkonnostní výhody
Velký Alexandersonův alternátor by mohl produkovat 500 kW výstupní vysokofrekvenční energie a byl by chlazen vodou nebo olejem. Jeden takový stroj měl ve vinutí statoru 600 párů pólů a rotor byl poháněn rychlostí 2170 otáček za minutu pro výstupní frekvenci blízkou 21,7 kHz. K získání vyšších frekvencí byly zapotřebí vyšší rychlosti rotoru, až 20 000 ot / min.
Spolu s převodník oblouku vynalezený v roce 1903, Alexandersonův alternátor byl jedním z prvních generovaných rádiových vysílačů spojité vlny. Naproti tomu dříve vysílače jiskřiště vygeneroval řetězec tlumené vlny. Byly elektricky „hlučné“; energie vysílače byla rozprostřena v širokém frekvenčním rozsahu, takže interferovaly s jinými přenosy a fungovaly neefektivně. U vysílače s kontinuálními vlnami byla veškerá energie koncentrována v úzkém prostoru frekvenční pásmo, takže pro daný výstupní výkon mohli komunikovat na delší vzdálenosti. Kromě toho mohou být spojité vlny modulovaný s zvukový signál nést zvuk. Alexandersonův alternátor byl jedním z prvních vysílačů, které se používaly DOPOLEDNE přenos.
Alexandersonův alternátor produkoval "čistší" spojité vlny než konvertor oblouku, jehož nesinusový výstup generoval významné harmonické, takže alternátor byl preferován pro dálkovou telegrafii.
Nevýhody
Kvůli extrémně vysoké rychlosti otáčení ve srovnání s běžným alternátorem vyžadoval Alexandersonův alternátor nepřetržitou údržbu kvalifikovaným personálem. Efektivní mazání a chlazení olejem nebo vodou bylo nezbytné pro spolehlivost, kterou bylo obtížné dosáhnout s tehdy dostupnými mazivy. Ve skutečnosti časná vydání královské námořnictvo „Admirality Handbook of Wireless Telegraphy“ to pokrývá dosti podrobně, většinou jako vysvětlení, proč námořnictvo tuto konkrétní technologii nepoužilo. Americké námořnictvo to však udělalo.
Dalšími významnými problémy bylo, že změna pracovní frekvence byla zdlouhavým a komplikovaným procesem a na rozdíl od jiskrového vysílače nemohl být signál nosné zapnut a vypnut dle libosti. Druhý problém značně komplikoval „naslouchání“ (tj. Zastavení přenosu, aby bylo možné poslouchat jakoukoli odpověď). Existovalo také riziko, že by to umožnilo nepřátelským plavidlům detekovat přítomnost lodi.
Kvůli omezením počtu pólů a rychlosti otáčení stroje je Alexandersonův alternátor schopen generovat přenosové frekvence až kolem 600 kHz v nižších Střední vlna kapela, s Krátkovlnný a vyšší frekvence jsou fyzicky nemožné.
Viz také
Reference
- ^ „Milníky: Alexanderson Radio Alternátor, 1904“. Síť IEEE Global History. IEEE. Citováno 29. července 2011.
- ^ „Záření elektrické energie“ Frederick Trouton, Elektrikář (Londýn), 22. ledna 1892, strana 302.
- ^ „Nový střídavý generátor prof. Thomsona“. Elektrotechnik. Elektrotechnik Co. 11 (154): 437. 15. dubna 1891. Citováno 18. dubna 2015.
- ^ Thomson, Elihu (12. září 1890). "dopis". Elektrikář. Londýn. 25: 529–530. Citováno 18. dubna 2015.
- ^ A b Aitken, Hugh G.J. (2014). Continuous Wave: Technology and American Radio, 1900-1932. Princeton Univ. Lis. str. 53. ISBN 1400854601.
- ^ Fessenden, R. A. (1908). „Bezdrátové telefonování“. Výroční zpráva Smithsonian Institution. Vládní tiskárna: 172. Citováno 18. dubna 2015.
- ^ US patent 447 921 , Nikola Tesla "Generátor střídavého elektrického proudu"(10. března 1891)
- ^ A b C d Fleming, John Ambrose (1910). Principy telegrafie a telefonování pomocí elektrických vln, 2. vyd. London: Longmans, Green and Co., str. 5–10.
- ^ Harbord, J.G. (1929). "Obchodní využití rádia". The Annals of the American Academy. doi:10.1177 / 0002716229142001S09.
- ^ "Vysílače alternátoru Alexanderson 200 KW" (tabulka), Bezdrátová komunikace ve Spojených státech Thorn L. Mayes, The New England Wireless and Steam Museum, Inc., 1989, strana 182. Zahrnuje poznámku „Volací písmena a vlnové délky v metrech od seznamu RCA stanic dlouhých vln, 5. prosince 1928“. Byl přidán sloupec "Frekvence", který používá 300 000 metrů za sekundu jako rychlost světla pro výpočty.
- ^ „200 Kilowatt Alexanderson Transmitters Used in U.S.A. during and after WW II“ (tabulka), Mayes (1989), strana 183.
- ^ „Alexandersonův alternátor“ autor: Jerry Proc (jproc.ca)
- ^ Mayes (1989), strany 176-177.
- ^ Mayes (1989), strana 176.
- ^ Mayes (1989), citující korespondenci z 15. července 1976 od „velícího důstojníka USCG Station Hawaii“, strana 180.
Další čtení
- Antique Wireless Association - sloupec upravil Frank Lotito
- David E. Fisher a Marshall J. Fisher, Tube, vynález televize Counterpoint, Washington D.C. USA, (1996) ISBN 1-887178-17-1
- Hammond, John Winthrop. Muži a Volti, příběh General Electric. Philadelphia a New York: J. B. Lippincott (1941), str. 349–352, 372.
- Poznámky z jednání Navy Institute 1952 od M.G. Soubory Abernathy.
- Dopis M.G. Abernathy od G. Warrena Clarka, kapitán USNR (v důchodu)
- Dopis panu Mayesovi od poručíka Františka J. Kishima, vedoucího důstojníka USCG Omega Station Hawaii
- Milníky: Yosami Radio Transmitting Station, 1929
- E. F. W. Alexanderson, US patent 1 008 577 Vysokofrekvenční alternátor
- N. Tesla, US patent 447 921
externí odkazy
- „Největší bezdrátová stanice na světě“ (Radio Central), Kniha rozhlasu Charles Taussig, strany 312-327.
- „American Marconi Station, Marion, MA“ Henry Brown
- Alexanderson alternátory v údolí Haiku na Oahu David Jessup
- „Bezdrátová stanice Kahuku Marconi, O'ahu, Havaj“ autor: Jonathan H, 20. června 2007
- "Marion Mass. Alternátory" (obrazová galerie), David Jessup, 2012
- „Tuckerton Wireless 1912-1955“ (galerie)
- „The Radio Station SAQ Grimeton“ Alexandersonův alternátor zachován v UNESCO Světové dědictví UNESCO ve švédském Grimetonu