Un alternador Alexanderson es una máquina giratoria inventada por Ernst Alexanderson en 1904 para la generación de corriente alterna de alta frecuencia para su uso como transmisor de radio . Fue uno de los primeros dispositivos capaces de generar las ondas de radio continuas necesarias para la transmisión de modulación de amplitud (sonido) por radio. Se utilizó desde aproximadamente 1910 en unas pocas estaciones de radiotelegrafía de onda larga de "superpotencias" para transmitir el tráfico de mensajes transoceánicos por código Morse a estaciones similares en todo el mundo.
Aunque obsoleto a principios de la década de 1920 debido al desarrollo de transmisores de tubo de vacío , el alternador Alexanderson continuó utilizándose hasta la Segunda Guerra Mundial . Está en la lista de hitos de IEEE como un logro clave en ingeniería eléctrica . [1]
Historia
Desarrollos previos
Después del descubrimiento de las ondas de radio en 1887, la primera generación de transmisores de radio , los transmisores de chispa , produjeron cadenas de ondas amortiguadas , pulsos de ondas de radio que se extinguieron rápidamente a cero. En la década de 1890 se comprendió que las olas amortiguadas tenían desventajas; su energía se distribuía en un amplio ancho de banda de frecuencia, de modo que los transmisores de diferentes frecuencias interferían entre sí y no podían modularse con una señal de audio para transmitir sonido. Se hicieron esfuerzos para inventar transmisores que produjeran ondas continuas , una corriente alterna sinusoidal en una sola frecuencia.
En una conferencia de 1891, Frederick Thomas Trouton señaló que, si un alternador eléctrico funcionara a una velocidad de ciclo lo suficientemente grande (es decir, si girara lo suficientemente rápido y estuviera construido con un número suficientemente grande de polos magnéticos en su armadura) generar ondas continuas en radiofrecuencia. [2] Comenzando con Elihu Thomson en 1889, [3] [4] [5] [6] una serie de investigadores construyó alternadores de alta frecuencia, Nikola Tesla [7] [8] (1891, 15 kHz), Salomons y Pyke [ 8] (1891, 9 kHz), Parsons y Ewing (1892, 14 kHz.), Siemens [8] (5 kHz), BG Lamme [8] (1902, 10 kHz), pero ninguno pudo alcanzar las frecuencias requeridas. para transmisión por radio, por encima de 20 kHz. [5]
Construcción
En 1904, Reginald Fessenden contrató a General Electric para un alternador que generaba una frecuencia de 100.000 hercios [ cita requerida ] para radio de onda continua. El alternador fue diseñado por Ernst Alexanderson . El alternador Alexanderson se utilizaba mucho para las comunicaciones por radio de onda larga en las estaciones costeras, pero era demasiado grande y pesado para instalarlo en la mayoría de los barcos. En 1906 se entregaron los primeros alternadores de 50 kilovatios. Uno fue para Reginald Fessenden en Brant Rock, Massachusetts , otro para John Hays Hammond, Jr. en Gloucester, Massachusetts y otro para la American Marconi Company en New Brunswick, Nueva Jersey .
Alexanderson recibiría una patente en 1911 para su dispositivo. El alternador Alexanderson siguió al transmisor de chispa giratorio de Fessenden como el segundo transmisor de radio que se modula para transmitir la voz humana. Hasta la invención de los osciladores de tubo de vacío (válvula) en 1913, como el oscilador Armstrong , el alternador Alexanderson era un importante transmisor de radio de alta potencia y permitía la transmisión de radio de modulación de amplitud de la voz humana. El último alternador Alexanderson operable que queda está en el transmisor VLF Grimeton en Suecia y estuvo en servicio regular hasta 1996. Continúa funcionando durante unos minutos el Día de Alexanderson , que es el último domingo de junio o el primer domingo de julio de cada año. .
La Primera Guerra Mundial y la formación de RCA
El estallido de la Primera Guerra Mundial obligó a las naciones europeas a abandonar temporalmente el desarrollo de redes de comunicaciones por radio internacionales, mientras que Estados Unidos aumentó sus esfuerzos para desarrollar la radio transoceánica. Al final de la guerra, el alternador Alexanderson estaba funcionando para proporcionar de manera confiable un servicio de radio transoceánico. British Marconi ofreció a General Electric $ 5,000 en negocios a cambio de derechos exclusivos para usar el alternador, pero justo cuando el acuerdo estaba a punto de concretarse, el presidente estadounidense Woodrow Wilson solicitó que GE rechazara la oferta, lo que habría dado a los británicos (que estaban líder en cables submarinos ) dominio sobre las comunicaciones por radio en todo el mundo. GE cumplió con la solicitud y se unió a American Telephone and Telegraph (AT&T), United Fruit Company , Western Electric Company y Westinghouse Electric and Manufacturing Company para formar Radio Corporation of America (RCA), dando a las empresas estadounidenses el control de la radio estadounidense. por primera vez. [9]
Estaciones
Thorn L. Mayes identificó la producción de diez pares de alternadores Alexanderson de 200 KW, con un total de 20 transmisores, en el período hasta 1924: [10]
No. | Localización | Indicativo de llamada | Longitud de onda (m) | Frecuencia (kHz) | Instalado | Inactivo | Desguazado | Observaciones |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | New Brunswick, Nueva Jersey , EE. UU. | WII | 13,761 | 21,8 | 6/1918 | 1948 | 1953 | Reemplazó un alternador de 50 KW instalado en febrero de 1917 |
2 | WRT | 13,274 | 22,6 | 2/1920 | 1948 | 1953 | ||
3 | Marion, Massachusetts , Estados Unidos | WQR | 13,423 | 22,3 | 4/1920 | 1932 | 1961 | Reemplazo de un transmisor de chispa temporizada Marconi |
4 | OSM | 11,628 | 25,8 | 7/1922 | 1932 | 1969 | A Haiku, Hawaii en 1942 | |
5 | Bolinas, California , Estados Unidos | KET | 13,100 | 22,9 | 10/1920 | 1930 | 1946 | Reemplazo de un transmisor de chispa temporizada Marconi |
6 | KET | 15,600 | 19,2 | 1921 | 1930 | 1969 | A Haiku, Hawaii en 1942 | |
7 | Radio Central, Rocky Point, Nueva York , EE. UU. | WQK | 16,484 | 18,2 | 19/1121 | 1948 | 1951 | |
8 | WSS | 15.957 | 18,8 | 1921 | 1948 | A Marion, Massachusetts, 1949. Posteriormente, Smithsonian Institution . | ||
9 | Kahuku, Hawái , EE. UU. | KGI | 16,120 | 18,6 | 1920 | 1930 | 1938 | |
10 | KIE | 16.667 | 18.0 | 1921 | 1930 | 1938 | ||
11 | Tuckerton, Nueva Jersey , EE. UU. | WCI | 16.304 | 18,4 | 3/1921 | 1948 | 1955 | Reemplazo de un alternador Goldschmidt |
12 | WGG | 13,575 | 22,1 | 1922 | 1948 | 1955 | ||
13 | Caernarvon, Gales, Reino Unido | MUU | 14,111 | 21,2 | 4/1921 | 1939 | ||
14 | GLC | 9.592 | 31,3 | 1921 | 1939 | |||
15 | Varberg, Suecia | SAQ | 17.442 | 17.2 | 1924 | 1946 | 1960 | Inicialmente 18.600 m, conexión en paralelo |
dieciséis | SAQ | 17.442 | 17.2 | 1924 | 1946 | Operacional | Conservado en Grimeton, Suecia. | |
17 | Varsovia, Polonia | AXO | 21,127 | 14,2 | 12/1923 | Detenido por el ejército alemán 9/1939, que destruyó las estaciones en 1945 | ||
18 | AXL | 18.293 | 16,4 | 1923 | ||||
19 | Pernambuco, Recife, Brasil | Nunca | 1927 | Entregado en 1924, devuelto a Radio Central Rocky Point en 1926 porque ahora estaban disponibles transmisores de tubo de vacío más eficientes | ||||
20 | Nunca | 1927 |
Uso militar de EE. UU. Durante y después de la Segunda Guerra Mundial
A partir de 1941, la Marina y la Fuerza Aérea de los EE. UU. Pusieron en servicio siete de los veinte alternadores originales de 200 KW: [11]
No. | Localización | Call Sign | Ubicación original | Operación Marina | Operación de la Fuerza Aérea | Desguazado |
---|---|---|---|---|---|---|
1 | Haiku, Hawái | Marion, Massachusetts (OSM) | 1942-1946 | 1947-1957 | 1969 | |
2 | Bolinas, California (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, Nueva Jersey | Tuckerton, Nueva Jersey (WCI) | 1942-1948 | 1955 | ||
6 | Tuckerton, Nueva Jersey (WGG) | 1942-1948 | 1955 | |||
7 | Bolinas, California | Bolinas, California (KET) | 1942-1946 | 1946 |
Durante la Segunda Guerra Mundial, la Marina de los Estados Unidos reconoció la necesidad de transmisiones confiables de onda larga distante (VLF) a la flota del Pacífico. Se construyó una nueva instalación en Haiku en Hawai, donde se instalaron dos alternadores Alexanderson de 200 KW transferidos desde el continente. La Marina también operó un transmisor existente en Bolinas, California, nuevamente para la comunicación con el océano Pacífico. [13] Ambos alternadores Haiku se vendieron para su rescate en 1969, posiblemente a Kreger Company of California.
A finales de la década de 1940, la Fuerza Aérea asumió el control de las instalaciones de Haiku y Marion, Massachusetts. La Fuerza Aérea descubrió que las transmisiones de onda larga eran más confiables que las de onda corta al enviar información meteorológica a los investigadores del Ártico, así como a bases en Groenlandia, Labrador e Islandia. Los dos transmisores Marion se utilizaron hasta 1957. Uno se desechó en 1961 y el otro, según se informa, se entregó a la Oficina de Normas de los Estados Unidos [14] y se almacenó en un almacén de la Institución Smithsonian. [15]
Diseño
El alternador Alexanderson funciona de manera similar a un generador eléctrico de CA, pero genera una corriente de frecuencia más alta, en el rango de frecuencia de radio de muy baja frecuencia (VLF). El rotor no tiene devanados conductores ni conexiones eléctricas; Consiste en un disco sólido de acero magnético de alta resistencia a la tracción, con ranuras estrechas cortadas en su circunferencia para crear una serie de "dientes" estrechos que funcionan como polos magnéticos. El espacio entre los dientes está relleno con material no magnético, para darle al rotor una superficie lisa para disminuir la resistencia aerodinámica. El rotor gira a alta velocidad mediante un motor eléctrico.
La máquina funciona por desgana variable (similar a una pastilla de guitarra eléctrica ), cambiando el flujo magnético que une dos bobinas. La periferia del rotor está abrazada por un estator de hierro circular con una sección transversal en forma de C, dividido en polos estrechos, el mismo número que tiene el rotor, que lleva dos juegos de bobinas. Un conjunto de bobinas se energiza con corriente continua y produce un campo magnético en el espacio de aire en el estator, que pasa axialmente (lateralmente) a través del rotor.
A medida que el rotor gira, alternativamente hay una sección de hierro del disco en el espacio entre cada par de polos del estator, lo que permite que un alto flujo magnético cruce el espacio, o bien, hay una ranura no magnética en el espacio del estator, lo que permite menos magnetismo. flujo para pasar. Por tanto, el flujo magnético a través del estator varía sinusoidalmente a una velocidad rápida. Estos cambios en el flujo inducen un voltaje de radiofrecuencia en un segundo conjunto de bobinas en el estator.
Las bobinas del colector de RF están todas interconectadas por un transformador de salida , cuyo devanado secundario está conectado al circuito de la antena. La modulación o codificación telegráfica de la energía de radiofrecuencia se realizó mediante un amplificador magnético , que también se utilizó para la modulación de amplitud y las transmisiones de voz.
La frecuencia de la corriente generada por un alternador Alexanderson en hercios es el producto del número de polos del rotor y las revoluciones por segundo. Por lo tanto, las frecuencias de radio más altas requieren más polos, una velocidad de rotación más alta o ambos. Los alternadores Alexanderson se utilizaron para producir ondas de radio en el rango de muy baja frecuencia (VLF), para la comunicación inalámbrica transcontinental. Un alternador típico con una frecuencia de salida de 100 kHz tenía 300 polos y giraba a 20.000 revoluciones por minuto (RPM) (333 revoluciones por segundo). Para producir una alta potencia, la holgura entre el rotor y el estator debía mantenerse en solo 1 mm. La fabricación de máquinas de precisión que giraban a velocidades tan altas presentaba muchos problemas nuevos, y los transmisores Alexanderson eran voluminosos y muy costosos.
Control de frecuencia
La frecuencia de salida del transmisor es proporcional a la velocidad del rotor. Para mantener la frecuencia constante, la velocidad de giro del motor eléctrico se controló con un circuito de retroalimentación. En un método, se aplica una muestra de la señal de salida a un circuito sintonizado de alta Q , cuya frecuencia de resonancia está ligeramente por encima de la frecuencia de salida. La frecuencia del generador cae en la "falda" de la curva de impedancia del circuito LC, donde la impedancia aumenta rápidamente con la frecuencia. La salida del circuito LC se rectifica y el voltaje resultante se compara con un voltaje de referencia constante para producir una señal de retroalimentación para controlar la velocidad del motor. Si la frecuencia de salida es demasiado alta, la impedancia presentada por el circuito LC aumenta y la amplitud de la señal de RF que atraviesa el circuito LC disminuye. La señal de retroalimentación al motor cae y el motor se ralentiza. Por tanto, la frecuencia de salida del alternador está "bloqueada" a la frecuencia resonante del circuito sintonizado.
Los equipos fueron construidos para operar en longitudes de onda de 10.500 a 24.000 metros (28.57 a 12.5 KHz). Esto se logró mediante tres variables de diseño. Los alternadores se construyeron con 1220 o 976 o 772 polos. Había tres cajas de engranajes disponibles con relaciones de 2.675-2.973 y 3.324 y el motor de accionamiento de 900 RPM funcionaba con deslizamientos de 4% a 20%, dando velocidades de 864 a 720 RPM. Los transmisores instalados en Europa, que funcionan con una potencia de 50 ciclos, tenían un rango de longitud de onda de 12, 500 a 28, 800 metros debido a la menor velocidad del motor impulsor.
Ventajas de rendimiento
Un gran alternador Alexanderson podría producir 500 kW de energía de radiofrecuencia de salida y estaría refrigerado por agua o aceite. Una de esas máquinas tenía 600 pares de polos en el devanado del estator y el rotor funcionaba a 2170 RPM, para una frecuencia de salida cercana a 21,7 kHz. Para obtener frecuencias más altas, se requirieron velocidades de rotor más altas, hasta 20.000 RPM.
Junto con el convertidor de arco inventado en 1903, el alternador Alexanderson fue uno de los primeros transmisores de radio que generó ondas continuas . Por el contrario, los primeros transmisores de chispas generaban una serie de ondas amortiguadas . Estos eran eléctricamente "ruidosos"; la energía del transmisor se distribuía en un amplio rango de frecuencias, por lo que interferían con otras transmisiones y funcionaban de forma ineficaz. Con un transmisor de onda continua, toda la energía se concentraba dentro de una banda de frecuencia estrecha , por lo que para una potencia de salida determinada podían comunicarse a distancias más largas. Además, las ondas continuas podrían modularse con una señal de audio para transportar el sonido. El alternador Alexanderson fue uno de los primeros transmisores que se utilizaron para la transmisión de AM .
El alternador Alexanderson producía ondas continuas "más puras" que el convertidor de arco, cuya salida no sinusoidal generaba armónicos significativos , por lo que se prefirió el alternador para la telegrafía de larga distancia.
Desventajas
Debido a la velocidad de rotación extremadamente alta en comparación con un alternador convencional, el alternador Alexanderson requería un mantenimiento continuo por parte de personal calificado. La lubricación eficiente y el enfriamiento por aceite o agua eran esenciales para la confiabilidad, lo que era difícil de lograr con los lubricantes disponibles en ese momento. De hecho, las primeras ediciones del "Manual del Almirantazgo de Telegrafía Inalámbrica" de la Royal Navy cubren esto con considerable detalle, principalmente como una explicación de por qué la Marina no usó esa tecnología en particular. Sin embargo, la Marina de los EE. UU. Lo hizo.
Otros problemas importantes fueron que cambiar la frecuencia de operación era un proceso largo y complicado y, a diferencia de un transmisor de chispa, la señal portadora no se podía encender y apagar a voluntad. El último problema complicó enormemente la "escucha completa" (es decir, detener la transmisión para escuchar cualquier respuesta). También existía el riesgo de que permitiera a los barcos enemigos detectar la presencia del barco.
Debido a los límites de la cantidad de polos y velocidad de rotación de una máquina, el alternador Alexanderson es capaz de frecuencias de transmisión de generación de hasta alrededor de 600 kHz en la parte inferior media de la onda de la banda, con onda corta y frecuencias más altas ser físicamente imposible.
Ver también
- Día de Alexanderson
- Tonewheel
- Resolver (eléctrico)
Referencias
- ^ "Hitos: Alexanderson Radio Alternator, 1904" . Red de historia global IEEE . IEEE . Consultado el 29 de julio de 2011 .
- ^ "Radiación de energía eléctrica" por Frederick Trouton, The Electrician (Londres), 22 de enero de 1892, página 302.
- ^ "Nuevo generador alterno del Prof. Thomson" . El ingeniero eléctrico . Electric Engineer Co. 11 (154): 437. 15 de abril de 1891 . Consultado el 18 de abril de 2015 .
- ^ Thomson, Elihu (12 de septiembre de 1890). "carta" . El electricista . Londres. 25 : 529–530 . Consultado el 18 de abril de 2015 .
- ^ a b Aitken, Hugh GJ (2014). La onda continua: tecnología y radio estadounidense, 1900-1932 . Universidad de Princeton Prensa. pag. 53. ISBN 1400854601.
- ^ Fessenden, RA (1908). "Telefonía inalámbrica" . Informe anual de la Institución Smithsonian . Imprenta del gobierno: 172 . Consultado el 18 de abril de 2015 .
- ^ Patente estadounidense 447,921 , Nikola Tesla " Generador de corriente eléctrica alterna " (10 de marzo de 1891)
- ^ a b c d Fleming, John Ambrose (1910). Los principios de la telegrafía y telefonía por ondas eléctricas, 2ª Ed . Londres: Longmans, Green and Co. págs. 5–10.
- ^ Harbord, JG (1929). "Los usos comerciales de la radio". Los Anales de la Academia Americana . doi : 10.1177 / 0002716229142001S09 .
- ^ "Transmisores de alternador Alexanderson de 200 KW" (tabla), comunicación inalámbrica en los Estados Unidos por Thorn L. Mayes, The New England Wireless and Steam Museum, Inc., 1989, página 182. Incluye la nota "Call letters and wave length in a metros de RCA con listas de estaciones de onda larga, 5 de diciembre de 1928 ". Se ha añadido la columna "Frecuencia", utilizando 300.000 metros / segundo como velocidad de la luz para los cálculos.
- ^ "Transmisores Alexanderson de 200 kilovatios utilizados en Estados Unidos durante y después de la Segunda Guerra Mundial" (tabla), Mayes (1989), página 183.
- ^ "El alternador Alexanderson" por Jerry Proc (jproc.ca)
- ^ Mayes (1989), páginas 176-177.
- ^ Mayes (1989), página 176.
- ↑ Mayes (1989), que cita la correspondencia del 15 de julio de 1976 del "Comandante en jefe de la estación de USCG en Hawaii", página 180.
Otras lecturas
- Antique Wireless Association - columna editada por Frank Lotito
- David E. Fisher y Marshall J. Fisher, Tube, the Invention of Television Counterpoint, Washington DC, EE. UU., (1996) ISBN 1-887178-17-1
- Hammond, John Winthrop. Hombres y voltios, la historia de General Electric . Filadelfia y Nueva York: JB Lippincott (1941), págs. 349–352, 372.
- Notas de las actas del Navy Institute de 1952 de los archivos de MG Abernathy.
- Carta a MG Abernathy de G. Warren Clark Capitán USNR (Ret)
- Carta al Sr. Mayes del Teniente Francis J. Kishima Comandante en Jefe de la Estación Omega de la USCG en Hawái
- Hitos: estación de transmisión de radio Yosami, 1929
- EFW Alexanderson, Patente de EE . UU. 1.008.577 Alternador de alta frecuencia
- N. Tesla, Patente de EE . UU. 447,921
enlaces externos
- "La estación inalámbrica más grande del mundo" (Radio Central), El libro de la radio por Charles Taussig, páginas 312-327.
- "American Marconi Station, Marion, MA" por Henry Brown
- Alternadores Alexanderson en Haiku Valley, Oahu por David Jessup
- "Kahuku Marconi Wireless Station, O'ahu, Hawaii" por Jonathan H, 20 de junio de 2007
- "Marion Mass. Alternators" (galería de imágenes) por David Jessup, 2012
- "Tuckerton Wireless 1912-1955" (galería)
- Alternador Alexanderson "The Radio Station SAQ Grimeton" conservado en Grimeton, Suecia, declarado Patrimonio de la Humanidad por la UNESCO