In der Elektronik, einer Verstärkerspule oder Lastrolle ist eine Rolle (Induktor), der Kopplung keinem anderen Stromkreis zur Verfügung stellt, aber in einen Stromkreis eingefügt wird, um seine Induktanz zu vergrößern. Der Begriff hervorgebracht im 19. Jahrhundert für Induktoren hat gepflegt, Verzerrung in Unterseeboottelegraf-Kabeln zu verhindern. Verstärkerspulen werden noch in langen Kabeln verwendet. Der Begriff wird auch für Induktoren in Antennen, oder zwischen der Antenne und seinem feedline gebraucht, um eine elektrisch kurze Antenne widerhallend an seiner Betriebsfrequenz zu machen.

Verstärkerspulen sind als Rollen von Pupin nach Mihajlo Pupin (besonders wenn verwendet, für die Bedingung von Heaviside) archaisch bekannt, und der Prozess des Einfügens von ihnen wird manchmal pupinization genannt.

Geschichte

Das Bedürfnis nach Verstärkerspulen wurde von Oliver Heaviside im Studieren der enttäuschenden langsamen Geschwindigkeit des Transatlantischen Telegraf-Kabels entdeckt. Er hat beschlossen, dass zusätzliche Induktanz erforderlich war, Umfang und verzögerte Verzerrung des übersandten Signals zu verhindern. Die mathematische Bedingung für die distortionless Übertragung ist als die Bedingung von Heaviside bekannt. Vorherige Telegraf-Linien wurden über Land kürzer folglich weniger Verzögerung oder gehabt, und das Bedürfnis nach der Extrainduktanz war nicht so groß. Unterseebootkommunikationskabel sind besonders dem Problem unterworfen, aber Anfang des 20. Jahrhunderts mit erwogenen Paaren wurden häufig unaufhörlich durch das Eisenband aber nicht getrennt durch Lastrollen geladen.

Anwendungen

Stimmenstromkreise

Eine allgemeine Anwendung von Verstärkerspulen soll die Sprechfrequenz-Umfang-Ansprecheigenschaften der gedrehten erwogenen Paare in einem Telefonkabel verbessern. Weil gedrehtes Paar ein erwogenes Format ist, muss Hälfte der Verstärkerspule in jedes Bein des Paares eingefügt werden, um das Gleichgewicht aufrechtzuerhalten. Es ist für beide diese windings üblich, auf demselben Kern gebildet zu werden. Das vergrößert die Flussverkettungen, ohne die die Zahl dessen die Rolle anmacht, würde vergrößert werden müssen.

Verstärkerspulen eingefügt regelmäßig der Reihe nach mit einem Paar von Leitungen reduzieren die Verdünnung an den höheren Sprechfrequenzen bis zur Abkürzungsfrequenz des Filters des niedrigen Passes, der durch die Induktanz der Rollen (plus die verteilte Induktanz der Leitungen) und die verteilte Kapazität zwischen den Leitungen gebildet ist. Über der Abkürzungsfrequenz nimmt Verdünnung schnell zu. Je kürzer der Zwischenraum zwischen den Rollen, desto höher die Abkürzungsfrequenz.

Es sollte betont werden, dass die Abkürzungswirkung ein Kunsterzeugnis ist, zusammengelegte Induktoren zu verwenden. Mit ladenden Methoden mit der dauernden verteilten Induktanz gibt es keine Abkürzung.

Ohne Verstärkerspulen wird die Linienantwort durch den Widerstand und die Kapazität der Linie mit der Verdünnung beherrscht, die freundlich mit der Frequenz zunimmt. Mit Verstärkerspulen genau der richtigen Induktanz herrschen weder Kapazität noch Induktanz vor: Die Antwort ist flach, Wellenformen sind unverzerrt, und der charakteristische Scheinwiderstand ist bis zur Abkürzungsfrequenz widerspenstig. Die zusammenfallende Bildung eines Audiofrequenzfilters ist auch in diesem Geräusch vorteilhaft wird reduziert.

DSL

Wenn Verstärkerspulen im Platz sind, bleibt Signalverdünnung niedrig für Signale innerhalb des passband der Übertragungslinie, aber nimmt schnell für Frequenzen über der Audioabkürzungsfrequenz zu. So, wenn das Paar nachher wiederverwendet wird, um Anwendungen zu unterstützen, die höhere Frequenzen verlangen (wie analoge oder digitale Transportunternehmen-Systeme oder DSL), müssen irgendwelche Verstärkerspulen, die auf der Linie da gewesen sind, entfernt oder durch diejenige ersetzt werden, die zu DSL durchsichtig ist. Das Verwenden von Rollen mit parallelen Kondensatoren wird einen Filter mit der Topologie eines M-abgeleiteten Filters bilden, und ein Band von Frequenzen über der Abkürzung wird auch passiert.

Wenn sie, als nicht entfernt werden, wenn der Unterzeichnete ist

eine verlängerte Entfernung (z.B mehr als 4 Meilen) vom

Zentralverwaltung, DSL kann nicht unterstützt werden. Das geschieht manchmal in dichten, wachsenden Gebieten (Thema dem häufigen nationalen numerierenden Schema-Wiederverteilen) wie das Südliche Kalifornien gegen Ende der 1990er Jahre und Anfang des 21. Jahrhunderts.

Transportunternehmen-Systeme

Amerikaner früh und Mitte von Telefonkabel des 20. Jahrhunderts hatten Lastrollen an Zwischenräumen einer Meile (1.61 km) gewöhnlich in Rolle-Fällen, die viele halten. Die Rollen müssen entfernt werden, um hohe Frequenzen zu passieren, aber die Rolle-Fälle haben günstige Plätze für Wiederholende für DigitalT-Transportunternehmen-Systeme zur Verfügung gestellt, die 1.5 Mbit/s über diese Entfernung tragen konnten. Wegen schmalerer Straßen und höherer Kosten von Kupfer hatten europäische Kabel dünnere Leitungen und haben nähere Zwischenräume gebraucht. Zwischenräume eines Kilometers haben europäischen Systemen erlaubt, 2 Mbit/s zu tragen.

Radioantenne

Eine (bewegliche) Radioantenne, kürzer als eine Viertel-Wellenlänge aus praktischen Gründen, präsentiert kapazitive Reaktanz einer Übertragungslinie. Das kann durch das Einfügen einer gleichen und entgegengesetzten (induktiven) Reaktanz der Reihe nach, mittels einer Verstärkerspule normalerweise an der Basis oder dem Zentrum der Antenne annulliert werden. Folglich präsentiert die Antenne einen der Übertragungslinie (wünschenswerten) Widerstand.

Gleichung von Campbell

Die Gleichung von Campbell ist eine Beziehung wegen George Ashley Campbells, für die einer geladenen Linie unveränderliche Fortpflanzung vorauszusagen. Es wird als festgesetzt;

:

:where,

: ist die Fortpflanzung, die der ausgeladenen Linie unveränderlich

ist

: ist die Fortpflanzung, die der geladenen Linie unveränderlich

ist

: ist der Zwischenraum zwischen Rollen auf der geladenen Linie

: ist der Scheinwiderstand einer Verstärkerspule und

: ist der charakteristische Scheinwiderstand der ausgeladenen Linie.

Freundliche Faustregel von mehr Ingenieur besteht darin, dass die ungefähre Voraussetzung für Abstand-Verstärkerspulen zehn Rollen pro Wellenlänge der maximalen Frequenz ist, die wird übersendet. Diese Annäherung kann durch das Behandeln der geladenen Linie als ein unveränderlicher k Filter und die Verwendung der Bildfiltertheorie darauf erreicht werden. Durch aus der grundlegenden Bildfiltertheorie die winkelige Abkürzungsfrequenz und der charakteristische Scheinwiderstand eines niedrigen Passes unveränderlicher k Filter wird gegeben;

: und,

:where und sind die Hälfte von Abteilungselement-Werten.

Von diesen grundlegenden Gleichungen können die notwendige Verstärkerspule-Induktanz und der Rolle-Abstand gefunden werden;

: und,

:where C ist die Kapazität pro Einheitslänge der Linie.

Das Ausdrücken davon in Bezug auf die Zahl von Rollen pro Abkürzungswellenlänge-Erträge;

:

:where v ist die Geschwindigkeit der Fortpflanzung des fraglichen Kabels.

Geschichte

Oliver Heaviside

Der Ursprung der Verstärkerspule kann in der Arbeit von Oliver Heaviside auf der Theorie von Übertragungslinien gefunden werden. Heaviside (1881) hat die Linie als ein Netz unendlich klein kleiner Stromkreis-Elemente vertreten. Indem er seine betriebliche Rechnung auf die Analyse dieses Netzes angewandt hat, hat er (1887) entdeckt, was bekannt als die Bedingung von Heaviside geworden ist. Das ist die Bedingung, die in der Größenordnung von einer Übertragung unten eine Linie erfüllt werden muss, um von der Verzerrung frei zu sein. Die Bedingung von Heaviside besteht darin, dass der Linienreihe-Scheinwiderstand, Z, zum Linienrangieren-Eintritt, Y an allen Frequenzen proportional sein muss. In Bezug auf die primären Linienkoeffizienten ist das die Bedingung;

:

:where;

: ist der Reihe-Widerstand der Linie pro Einheitslänge

: ist die Reihe-Selbstinduktanz der Linie pro Einheitslänge

: ist die Rangieren-Leckage-Leitfähigkeit des Linienisolators pro Einheitslänge

: ist die Rangieren-Kapazität zwischen den Linienleitern pro Einheitslänge

Heaviside war bewusst, dass diese Bedingung in den praktischen Telegraf-Kabeln im Gebrauch an seinem Tag nicht entsprochen wurde. Im Allgemeinen würde ein echtes Kabel, haben

:

Das ist hauptsächlich wegen des niedrigen Werts der Leckage durch den Kabelisolator, der in modernen Kabeln noch ausgesprochener ist, die bessere Isolatoren haben als am Tag von Heaviside. Um die Bedingung zu entsprechen, sind die Wahlen deshalb zu versuchen, G oder L zu vergrößern oder R oder C zu vermindern. Das Verringern R verlangt größere Leiter. Kupfer war bereits im Gebrauch in Telegraf-Kabeln, und das ist der sehr beste knapp am Verwenden von Silber verfügbare Leiter. Das Verringern R bedeutet, mehr Kupfer und ein teureres Kabel zu verwenden. Das Verringern C würde auch ein größeres Kabel (obwohl nicht notwendigerweise mehr Kupfer) bedeuten. Erhöhung G ist hoch unerwünscht, während sie Verzerrung reduzieren würde, würde sie zur gleichen Zeit den Signalverlust vergrößern. Heaviside hat in Betracht gezogen, aber, hat diese Möglichkeit zurückgewiesen, die ihn mit der Strategie verlassen hat, L als die Weise zu vergrößern, Verzerrung zu reduzieren.

Heaviside sofort (1887) hat mehrere Methoden vorgeschlagen, die Induktanz, einschließlich des Abstands die Leiter weiter einzeln zu vergrößern und den Isolator mit Eisenstaub zu laden. Schließlich hat Heaviside den Vorschlag (1893) gemacht, getrennte Induktoren an Zwischenräumen entlang der Linie zu verwenden. Jedoch hat er nie geschafft, den britischen GPO zu überzeugen, die Idee aufzunehmen. Brittain schreibt das dem Misserfolg von Heaviside zu, Technikdetails auf der Größe und dem Abstand der Rollen für besondere Kabelrahmen zur Verfügung zu stellen. Der exzentrische Charakter und das Setzen von Heaviside von sich abgesondert von der Errichtung können auch eine Rolle in ihrem Ignorieren von ihm gespielt haben.

John Stone

John S. Stone hat für American Telephone & Telegraph Company (AT&T) gearbeitet und war erst, um zu versuchen, die Ideen von Heaviside zum echten Fernmeldewesen anzuwenden. Die Idee von Stone (1896) war, ein bimetallisches Eisenkupferkabel zu verwenden, das er patentiert hatte. Dieses Kabel von Stone würde die Linieninduktanz wegen des Eiseninhalts vergrößern und hatte das Potenzial, um die Bedingung von Heaviside zu entsprechen. Jedoch hat Stone die Gesellschaft 1899 verlassen, und die Idee wurde nie durchgeführt.

George Campbell

George Campbell war ein anderer AT&T Ingenieur, der für sie in ihrer Bostoner Möglichkeit arbeitet. Campbell wurde mit dem Fortsetzen der Untersuchung des bimetallischen Kabels des Steins beschäftigt, aber hat bald das zu Gunsten von der Verstärkerspule-Idee aufgegeben. Das war eine unabhängige Entdeckung, Campbell, der der Arbeit von Heaviside im Entdecken der Bedingung von Heaviside, aber anscheinend nicht bewusst des Vorschlags von Heaviside bewusst ist, Verstärkerspulen zu verwenden, um eine Linie zu zwingen, es zu entsprechen. Die Motivation für die Änderung der Richtung war das beschränkte Budget von Campbell.

Campbell strengte sich an, eine praktische Demonstration über einen echten Telefonweg mit dem Budget aufzustellen, er war zugeteilt worden. Nach dem Betrachten, dass seine künstlichen Liniensimulatoren zusammengelegte Bestandteile aber nicht die verteilten in einer echten Linie gefundenen Mengen verwendet haben, hat er sich gefragt, ob er die Induktanz mit zusammengelegten Bestandteilen nicht einfügen konnte, anstatt die verteilte Linie des Steins zu verwenden. Als seine Berechnungen gezeigt haben, dass die Einsteigeschächte auf Telefonwegen genug eng miteinander im Stande sein sollten, die Verstärkerspulen ohne den Aufwand entweder die Notwendigkeit habend einzufügen, den Weg umzugraben oder neue Kabel anzulegen, hat er sich zu diesem neuen Plan geändert. Die allererste Demonstration von Verstärkerspulen auf einem Telefonkabel war auf einer 46-Meilenlänge des so genannten Pittsburger Kabels (der Test war wirklich in Boston, das Kabel war vorher verwendet worden, um in Pittsburgh zu prüfen), am 6. September 1899 ausgeführt von Campbell selbst und seinem Helfer. Das erste Telefonkabel mit geladenen in den öffentlichen Dienst gestellten Linien war zwischen Ebene von Jamaika und Westnewton in Boston am 18. Mai 1900.

Die Arbeit von Campbell an Verstärkerspulen hat die theoretische Grundlage für seine nachfolgende Arbeit an Filtern geschaffen, die sich erwiesen haben, für die gleichzeitig sendende Frequenzabteilung so wichtig zu sein. Die Abkürzungsphänomene von Verstärkerspulen, einer unerwünschten Nebenwirkung, können ausgenutzt werden, um eine wünschenswerte Filterfrequenzantwort zu erzeugen.

Michael Pupin

Michael Pupin, Erfinder und serbischer Einwanderer in die USA, hat auch eine Rolle in der Geschichte von Verstärkerspulen gespielt. Pupin hat ein konkurrierendes Patent zu demjenigen von Campbell abgelegt. Dieses Patent der Daten von Pupin von 1899. Es gibt ein früheres Patent (1894, abgelegter Dezember 1893), der manchmal als das Verstärkerspule-Patent von Pupin zitiert wird, aber, tatsächlich, etwas anderes ist. Die Verwirrung ist leicht zu verstehen, Pupin selbst behauptet, dass er der erste Gedanke an der Idee von Verstärkerspulen, während man einen Berg 1894 besteigt, obwohl es nichts von ihm veröffentlicht damals gibt.

Das 1894 Patent von Pupin "lädt" die Linie mit Kondensatoren aber nicht Induktoren, ein Schema, das als kritisiert theoretisch rissig gemacht werden und nie in die Praxis umgesetzt worden ist. Um zur Verwirrung beizutragen, hat eine Variante des von Pupin vorgeschlagenen Kondensatorschemas wirklich tatsächlich Rollen. Jedoch sind diese nicht beabsichtigt, um die Linie in jedem Fall zu ersetzen. Sie sollen dort Gleichstrom-Kontinuität zur Linie bloß wieder herstellen, so dass es mit der regelmäßigen Ausrüstung geprüft werden kann. Pupin stellt fest, dass die Induktanz so groß sein soll, dass sie alle AC-Signale über 50 Hz blockieren wird. Folglich fügt nur der Kondensator hinzu, dass jeder bedeutende Scheinwiderstand zur Linie und "den Rollen keinen materiellen Einfluss auf die Ergebnisse, bevor bemerkt, ausüben wird".

Gesetzlicher Kampf

Heaviside hat nie seine Idee patentiert; tatsächlich hat er keinen kommerziellen Vorteil von einigen seiner Arbeit genommen. Trotz der gesetzlichen Streite, die diese Erfindung umgeben, ist es fraglos, dass Campbell erst war, um wirklich einen Telefonstromkreis mit Verstärkerspulen zu bauen. Es kann auch wenige Zweifel geben, dass Heaviside erst war, um zu veröffentlichen, und viele den Vorrang von Pupin diskutieren würden.

AT&T hat mit einem gesetzlichen Kampf mit Pupin über seinen Anspruch gekämpft. Pupin war erst, um zu patentieren, aber Campbell hatte bereits praktische Demonstrationen geführt, bevor Pupin sogar sein Patent (Dezember 1899) abgelegt hatte. Die Verzögerung von Campbell im Feilstaub war wegen der langsamen inneren Anstiftungen

AT&T.

Jedoch AT&T dumm gelöscht von der vorgeschlagenen offenen Anwendung von Campbell alle Tische und Graphen, die über den genauen Wert der Induktanz ausführlich berichten, die erforderlich wäre, bevor, wurde das Patent vorgelegt. Seitdem das Patent von Pupin eine (weniger genaue) Formel enthalten hat, AT&T war für Ansprüche der unvollständigen Enthüllung offen. Das Fürchten, dass es eine Gefahr gab, dass der Kampf mit der Erfindung enden würde, die unpatentfähig wegen der vorherigen Veröffentlichung von Heaviside wird erklärt, haben sie sich dafür entschieden, von der Herausforderung abzustehen und eine Auswahl auf das Patent von Pupin für eine jährliche Gebühr zu kaufen, so dass AT&T beide Patente kontrollieren würde. Vor dem Januar 1901 war Pupin für 200,000 $ und vor 1917 bezahlt worden, als AT&T Monopol geendet hat und Zahlungen aufgehört haben, hatte er insgesamt 455,000 $ erhalten.

Vorteil für AT&T

Die Erfindung ist von enormer Wichtigkeit zu AT&T gewesen. Telefonkabel konnten jetzt an zweimal die Entfernung vorher möglich, oder wechselweise, ein Kabel der Hälfte der vorherigen Qualität gewöhnt sein (und gekostet) konnte über dieselbe Entfernung verwendet werden. Als sie in Betracht gezogen haben, ob man Campbell erlaubt, mit der Demonstration weiterzumachen, hatten ihre Ingenieure eingeschätzt, dass sie gestanden haben, um 700,000 $ in neuen Installationskosten in New York und New Jersey allein zu sparen. Es ist geschätzt worden, dass AT&T $ 100 Millionen im ersten Viertel des 20. Jahrhunderts gespart hat. Heaviside, der all das begonnen hat, ist mit nichts weggegangen. Er wurde eine Scheinzahlung angeboten, aber würde nicht akzeptieren, den Kredit für seine Arbeit wollend. Er hat ironisch bemerkt, dass, wenn seine vorherige Veröffentlichung zugelassen worden war, sie sich "einmischen würde... mit dem Fluss von Dollars in der richtigen Richtung...".

Kabel von Krarup

Verstärkerspulen waren nicht ohne ihre Probleme. In schweren Seekabeln waren Verstärkerspulen schwierig zu liegen. Diskontinuitäten, wo die Rollen verursachte Betonungen im Kabel während des Legens installiert wurden. Ohne große Sorge könnte sich das Kabel lösen und würde schwierig sein zu reparieren. Ein zweites Problem bestand darin, dass die materielle Wissenschaft der Zeit Schwierigkeiten hatte, das Gelenk zwischen Rolle und Kabel gegen den Eingang des Meerwassers siegelnd. Als das vorgekommen ist, wurde das Kabel zerstört.

Ein dänischer Ingenieur, Carl Emil Krarup, hat eine Form des unaufhörlich geladenen Kabels erfunden, das diese Probleme behoben hat und das Kabel für ihn genannt wird. Kabel von Krarup hat Eisenleitungen unaufhörlich verwunden um den Hauptkupferleiter mit angrenzenden Umdrehungen im Kontakt mit einander. Dieses Kabel war der erste Gebrauch des dauernden Ladens auf jedem Fernmeldekabel. 1902 hat Krarup sowohl sein Papier auf diesem Thema geschrieben als auch hat die Installation des ersten Kabels zwischen Helsingør (Dänemark) und Helsingborg (Schweden) gesehen.

Kabel von Permalloy

Wenn auch Krarup Kabel Induktanz zur Linie hinzugefügt hat, hat es genug nicht hinzugefügt, um die Bedingung von Heaviside zu entsprechen. AT&T hat nach einem besseren Material mit der höheren magnetischen Durchdringbarkeit gesucht. 1914 hat Gustav Elmen permalloy entdeckt, ein magnetisches Nickel-Eisen hat Legierung ausgeglüht. Oliver E. Buckley, zusammen mit seinen Kollegen an Glockenlaboratorien, H. D. Arnold und Elmen, c.1915 hat eine Methode vorgeschlagen, Seekabel mit permalloy um die Kupferleiter gewickeltes Band zu bauen. Dieser Aufbau hat außerordentlich die Leistung des Kabels verbessert.

Das Kabel wurde in einer Probe in Bermuda 1923 geprüft. Das erste permalloy in Dienst zu stellende Kabel war zwischen New York und Horta (die Azoren) im September 1924. Kabel von Permalloy hat Signalgeschwindigkeit auf Unterseeboottelegraf-Kabeln ermöglicht, zu 2,000 Wörtern/Minute vergrößert zu werden, als 40 Wörter/Minute gut betrachtet wurden.

Mu-Metallkabel

Mu-Metall hat ähnliche magnetische Eigenschaften zu permalloy, aber die Hinzufügung von Kupfer zur Legierung vergrößert die Dehnbarkeit und erlaubt dem Metall, in die Leitung gezogen zu werden. Mu-Metallkabel ist leichter zu bauen als permalloy Kabel, das Mu-Metall, das Wunde um den Kernkupferleiter auf die ziemlich gleiche Weise als die Eisenleitung im Kabel von Krarup ist. Ein weiterer Vorteil mit dem Mu-Metallkabel besteht darin, dass der Aufbau sich zu einem variablen ladenden Profil leiht, wodurch das Laden zu den Enden zugespitzt wird.

Mu-Metall wurde (1923) von Telegraph Construction and Maintenance Company Ltd., London erfunden, wer das Kabel am Anfang für Western Union Telegraph Co gemacht hat. Westvereinigung war in der Konkurrenz mit AT&T und Western Electric Company, die permalloy verwendeten (das Patent für permalloy wurde durch den Westlichen Elektrisch gehalten).

Aktuelle Praxis

Geladenes Kabel ist nicht mehr eine nützliche Technologie für Unterseebootnachrichtenkabel, zuerst ersetzt durch das koaxiale Kabel zu sein, das elektrisch verwendet, hat Reihenwiederholende und dann durch das mit der Fasersehkabel angetrieben. Die Fertigung des geladenen Kabels geneigt in den 1930er Jahren und wurde dann durch andere Nachkriegs-Technologien ersetzt. Verstärkerspulen können noch in einem Telefon landlines heute gefunden werden, aber neue Installationen würden modernere Technologie verwenden.

Referenzen

Siehe auch

Elektrische Verlängerung

• Antenne-Tuner
• Unveränderlicher k Filter
• Ausgeladener Gespenst
• Schrei, J, Neuerung und die Kommunikationsrevolution, das Institut für Elektroingenieure, 2002.
• James E. Brittain, "Die Einführung der Verstärkerspule: George A. Campbell und Michael I. Pupin", Technologie und Kultur, Vol. 11, Nr. 1 (Januar 1970), Seiten 36-57, Die Universität von Johns Hopkins Presse im Auftrag der Gesellschaft für die Geschichte der Technologie.
• Heaviside, O, Elektrische Papiere, amerikanische Mathematische Gesellschaftsbuchhandlung, 1970 (drucken von 1892 nach).
• Huurdeman, AA, Die Weltgeschichte des Fernmeldewesens, Wiley-IEEE, der 2003
• Kragh, H, "Das Krarup Kabel: Erfindung und Frühe Entwicklung", Technologie und Kultur, Vol. 35, Nr. 1 (Januar 1994), Seiten 129-157, Veröffentlicht durch: Die Universität von Johns Hopkins Presse im Auftrag der Gesellschaft für die Geschichte der Technologie

Links

• Telefonkabel und das Laden, von 1911 Britannica