アークコンバータ

1918 年頃、米国海軍が世界中の艦隊と通信するために沿岸無線局で使用した 1 メガワットの Poulsen アーク送信機。これまでに製造された最大のアーク送信機の 1 つです。

アーク変換器は、時にはアーク送信機、もしくは1903年に発明したデンマークの技術者ヴァルデマール・ポールセンにちなんでポールセンアークと呼ばれる、初期の無線通信で使用された火花送信機の一種でした。 [ 1 ] [ 2 ]アーク変換器は、直流電気を無線周波数交流に変換するために電気アークを使用しました。1903年から1920年代に真空管送信機に置き換えられるまで、無線送信機として使用されました。連続正弦波を生成できる最初の送信機の1つであり、無線で音（振幅変調）を送信するために使用された最初の技術の1つでした。電気工学の歴史的業績としてIEEEマイルストーンのリストに掲載されています。[ 3 ]

歴史

ポールセンの最初のアークコンバーター、1903年

1892年、エリヒュー・トムソンは、電気アークを用いて直流から最大50kHzの高周波電流を発生させる特許を出願しました。1900年、ウィリアム・ダデルは、同調共振回路をアークに並列接続することで「シンギングアーク」を実証しました。ヴァルデマール・ポールセンは、アークを空気ではなく水素蒸気中で燃焼させることで効率を高め、150kHzの周波数を実現しました。[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]

1903年までに、ポールセンとペーダー・オルフ・ペーダーセンは、電話と電信に使える実用的な連続波無線システムを開発していました。コペンハーゲンにシンジケートが結成され、1906年にリュンビーに局が設立されました。1906年に、アマルガメイテッド・ラジオ・テレグラフ・カンパニーが特許を取得し、カラーコートに局が設立されました。 1907年に、 C・ロレンツAGがこの権利を取得し、ヴァイセンゼー（ベルリン）に局を設立しました。1908年までに、この局はリュンビーと音声や音楽を送信していました。1909年、シリル・フランク・エルウェルがポールセン無線電話電信会社を設立し、1910年までにはカリフォルニア州サクラメントとストックトンの局が通信を開始しました。その後、パロアルトに製造施設が設立され、1913年に米国海軍が100キロワットのアークを発注しました。 1911年、ビーチ・トンプソンが会社を買収し、社名をフェデラル・テレグラフ・カンパニーと改名しました。送信機はフェデラル・アークスとして知られるようになりました。1912年までに、同社は西海岸に13の送信所、シカゴ、カンザスシティ、フォートワースに加え、フェニックスにも中継局を設置しました。[ 7 ] : 120–132

1922年、アメリカ合衆国規格協会は「アークは高出力長距離通信に最も広く使用されている送信装置である。現在では、アマチュア無線局を除いて、一定時間内に無線目的で宇宙に放射されるエネルギーの80%がアークによるものと推定されている」と述べた。[ 8 ]

説明

この新しく、より洗練された連続波無線信号生成方法は、デンマークの発明家ヴァルデマール・ポールセンによって最初に開発されました。当時使用されていたスパークギャップ送信機は減衰波を生成し、放射電力の大部分を複数の周波数で強い高調波を送信することで無駄にしていました。この高調波はRFスペクトルを干渉波で満たしていました。ポールセンのアークコンバータは、単一周波数で 減衰のない連続波​​（CW）を生成しました。

アーク発振器には3つのタイプがある。[ 9 ]

ダデルアーク（およびその他の初期のタイプ）
最初のタイプのアーク発振器では、コンデンサーの交流電流i 0は直流電源電流i 1よりもはるかに小さく、出力サイクル中はアークが消えることはありません。ダッデルアークは最初のタイプの例ですが、RF送信機には実用的ではありません。
ポールセンアーク
2番目のタイプのアーク発振器では、コンデンサの交流放電電流はアークを消弧させるには十分ですが、逆方向にアークを再開させるには十分ではありません。この2番目のタイプはポールセンアークです。
消火スパークギャップ
3番目のタイプのアーク発振器では、アークは消滅しますが、コンデンサ電流が反転すると再点火する可能性があります。3番目のケースは、スパークギャップが消弧し、減衰振動が発生するケースです。

連続波または「非減衰」波 (CW) は重要な特徴でした。これは、スパークギャップ送信機からの減衰波を使用すると、送信機の効率と通信の有効性が低下し、干渉によって RF スペクトルが汚染されるためです。

基本的なアーク コンバータの回路。Poulsen の 1904 年の論文より (ラベルを追加)。

ポールセン社のアークコンバータは、アーク両端に同調回路が接続されていました。アークコンバータは、炭素陰極と水冷銅陽極の間で水素ガス中でアークが燃焼するチャンバーで構成されていました。このチャンバーの上下には、磁気回路の2つの極を囲み、通電する2つの直列の界磁コイルがありました。これらの極は、アークの両側に1つずつチャンバー内に突出し、磁場を形成していました。

数キロヘルツから数十キロヘルツの周波数範囲で動作させたときに最も効果がありました。アンテナのチューニングは、アークコンバータの高調波を抑制するために十分に選択的である必要がありました。

キーイング

アークが点弧して安定的に動作するまでにはある程度の時間がかかるため、通常のオンオフ変調方式は使用できませんでした。代わりに、周波数シフト変調方式が採用されました。[ 10 ]この補償波方式では、アークは連続的に動作し、キーによってアーク周波数が1～5%変化します。不要な周波数の信号は補償波と呼ばれます。70kWまでのアーク送信機では、キーによってアンテナコイルの巻線が数ターン短絡するのが一般的でした。[ 11 ]より大きなアークの場合、アーク出力はアンテナインダクタにトランス結合され、キーによって接地された二次側の巻線が数ターン短絡されます。[ 12 ]したがって、「マーク」（キーが閉じている状態）は1つの周波数で送信され、「スペース」（キーが開いている状態）は別の周波数で送信されます。これらの周波数が十分に離れており、受信局の受信機が十分な選択性を備えている場合、受信局は「マーク」周波数に同調することで標準CWを受信することができます。

補償波方式は、多くのスペクトル帯域幅を消費しました。この方式は、意図した2つの周波数だけでなく、それらの高調波も伝送します。アーク変換器は高調波を多く含みます。1921年頃、予備国際通信会議[ 13 ]は、補償波方式が干渉を過度に引き起こすとしてこの方式を禁止しました[ 4 ] 。

2つの異なる周波数で信号を送信する必要性は、ユニウェーブ方式の開発によって排除されました。[ 14 ]ユニウェーブ方式の一つである点火方式では、キー操作によってアークの始動と停止を行います。アークチャンバーにはストライカーロッドが備えられており、抵抗器を介して2つの電極を短絡させてアークを消火します。キーは電磁石に通電し、ストライカーロッドを動かしてアークを再点火します。この方式が機能するには、アークチャンバーを高温にしておく必要がありました。この方式は、約5kWまでのアークコンバータに適用可能でした。

2つ目のユニウェーブ方式は吸収方式で、2つの同調回路と単極双投のメーク・ビフォア・ブレーク・キーを使用する。キーが押されているとき、アークは同調アンテナコイルとアンテナに接続される。キーが上がっているとき、アークはバックシャントと呼ばれる同調ダミーアンテナに接続される。バックシャントは、インダクタ、コンデンサ、負荷抵抗器が直列に接続された2つ目の同調回路である。[ 15 ] [ 16 ]この2つ目の回路は送信周波数とほぼ同じ周波数に同調されており、アークを流し続け、送信機の電力を吸収する。吸収方式はW・A・イートンによって考案されたとみられる。[ 4 ]

吸収方式のスイッチング回路の設計は重要です。高電圧アークをスイッチングするため、スイッチの接点には何らかのアーク抑制機構が必要です。イートンは、リレーを作動させる電信キー駆動用電磁石を製造していました。このリレーは、2つの経路（アンテナへの経路とバックシャントへの経路）それぞれに、4組のスイッチ接点を直列に接続していました。各リレー接点は抵抗器によってブリッジされていました。そのため、スイッチは完全に開路することはありませんでしたが、大きな減衰がありました。[ 17 ]

参照

参考文献

  1. ^ US 789449、Poulsen、Valdemar、「高振動数の交流電流を生成する方法」、1903年6月10日公開、1905年5月9日発行 
  2. ^ Poulsen, Valdemar (1904年9月12日). 「連続電気振動発生システム」 . Transactions of the International Electrical Congress, St. Louis, 1904, Vol. 2. JR Lyon Co. pp.  963– 971. 2013年9月22日閲覧。
  3. ^ 「マイルストーン：ポールセン・アーク無線送信機、1902年」 IEEEグローバル歴史ネットワークIEEE 2011年7月29日閲覧。
  4. ^ a b cリトル 1921、125ページ
  5. ^標準局 1922年、404ページ
  6. ^マクニコル、ドナルド（1946年）『ラジオの宇宙征服：無線通信における実験的台頭』ニューヨーク：マレーヒルブックス社、  pp.70-72。
  7. ^ a bヒュー・エイトキン（1985年）『連続波：アメリカのラジオ技術と1900-1932年』プリンストン大学出版局、p. 52-53,112-117. ISBN 0691023905。
  8. ^標準局 1922年、400ページ
  9. ^標準局 1922年、404～405ページ
  10. ^標準局 1922年、415～416ページ
  11. ^ 1922年規格協会、図228。直列共振同調回路は、アンテナと直列に接続されたアンテナコイルになります。
  12. ^ 1922年英国規格協会、図229
  13. ^ 1920年の国際電気通信会議予備会議の記録と思われる。https ://www.archives.gov/research/guide-fed-records/groups/043.htmlの43.2.11を
  14. ^標準局 1922年、416～419ページ
  15. ^ 1922年規格協会、図229-A
  16. ^イートン 1921
  17. ^イートン 1921、115ページ

さらに読む

  • Elwell, CF (1923)、「The Poulsen Arc Generator」、Nature、112 (2824)、ロンドン：Ernest Benn Limited：860、Bibcode：1923Natur.112R.860.、doi：10.1038/112860b0、S2CID  4124106
  • ハウエス、リンウッド・S.（1963年）、アメリカ海軍における通信・電子機器の歴史、米国政府印刷局
  • Morecroft, JH; Pinto, A.; Curry, WA (1921)、「無線通信の原理」、ニューヨーク：John Wiley & Sons Inc.
  • モース、AH（1925）、ラジオ：ビーム・アンド・ブロードキャスト、ロンドン：アーネスト・ベン・リミテッド1925年のラジオの歴史。25ページ：「アメリカのエリヒュー・トムソン教授は、高周波電流を発生させるアーク法の特許を申請しました。彼の発明は、磁気ブローアウトなど、今日のアークの基本的な特徴を取り入れていましたが、電極は金属製で、ガス室に封入されていませんでした。」米国特許500630を引用。30～31ページ（1900年）：「ロンドンのウィリアム・デュ・ボイス・ダデルは、直流電源から交流電流を発生させる静的方法に関する特許を出願した。この方法は、1892年のエリヒュー・トムソンの方法を非常に忠実に踏襲していた。ダデルは炭素電極を提案したが、磁気ブローアウトは提案しなかった。彼は、この発明は高周波かつ定振幅の振動を発生させるのに使用できると述べ、特に「送信機を同調させる必要がある」場合に「無線通信に有利に利用できる」と述べた。ダデルの発明（英国特許21,629/00）は、ポールセン・アーク、そしてフォン・レペルが開発した興味深い送信機の基礎となった。」 31ページ（1903年）：「コペンハーゲンのヴァルデマール・ポールセンは、1900年にダデルが開示した発電機、トムソンが1892年に提案した磁気ブローアウト、そしてアークを浸すための水素蒸気に関する特許を申請し、成功した。（英国特許15,599/03；米国特許789,449）」また、第IV章75～77ページ「ポールセン・アーク」。C.F.エルウェルによる改良。
  • Pedersen, PO (1917 年 8 月)、「Poulsen アークとその理論について」、Proceedings of the Institute of Radio Engineers、5 (4): 255– 319、Poulsen アークの動作に関する本当に満足のいく理論は現在のところ存在しません。満足のいく理論とは、結果の計算を可能にし、必要なデータが提供される理論です。
  • シリル・フランク・エルウェル - アメリカとヨーロッパの無線通信のパイオニア、トーキング・ピクチャーズ、そしてCFエルウェル・リミテッドの創設者（1922-1925年） - イアン・L・サンダース著。キャッスルリッジ・プレス社、2013年刊。（エルウェルによるアメリカとヨーロッパにおけるアーク発生器の開発について詳述。）
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