فرستنده جرقه شکاف
فرستنده جرقه-وقفه، فرستنده‌ای قدیمی است که موج‌های رادیویی را با استفاده از جرقه وقفه الکتریکی تولید می‌کرد. فرستنده‌های جرقه وقفه، نخستین گونه‌های فرستنده بی‌سیم و مهمترین وسیله مورد استفاده در تلگراف بی‌سیم در سه دهه نخست رادیو (از ۱۸۸۷ تا پایان جنگ جهانی اول) بودند. فیزیک‌دان آلمانی هاینریش هرتز در سال ۱۸۸۷ نخستین فرستنده جرقه وقفه را با کشف موج‌های رادیویی و مطالعه ویژگی‌های آنها در آن زمان ساخت.
فرستنده‌های وقفه جرقه وقفه نخستین دستگاه‌هایی بودند که برای نشان دادن انتقال رادیوی عملی، و فناوری استاندارد برای سه دهه نخست رادیو (۱۹۱۶-۱۸۸۷) بودند. بعدها، فرستنده‌های کارآمدتر بر پایه ماشین‌های دوار مانند بلندرهای سریع الکساندرسون و ژنراتورهای خازنی Poulsen ساخته شدند.
با این حال اکثر اپراتورها، به دلیل طراحی نامحدودشان، ترجیح دادند فرستنده‌های جرقه وقفه را ترجیح می‌دادند و چون موجک حامل (حامل) هنگامی که کلید تلگراف منتشر شد متوقف شد و اجازه داد که اپراتور "از طریق" برای پاسخ پاسخ دهد. با انواع دیگر فرستنده، حامل را نمی‌توان به راحتی کنترل کرد، و آن‌ها نیاز به اقدامات دقیق برای مدولاسیون حامل برای جلوگیری از نشت فرستنده از حساس کردن گیرنده دارند.
پس از جنگ جهانی اول، فرستنده‌های بسیار بهبود یافته بر پایه لوله‌های خلاء در دسترس قرار گرفتند که این مشکلات را برطرف می‌کردند و در اواخر دهه ۱۹۲۰ تنها فرستنده‌های جرقه وقفه هنوز در عملیات منظم نصب می‌شدند. حتی زمانی که فرستنده‌های بر پایه لوله خلاء نصب شده بودند، بسیاری از کشتی‌ها فرستنده‌های جرقه وقفه‌ای خام، اما قابل اعتماد خود را به عنوان پشتیبان اضطراری نگه داشتند. با این حال، تا سال ۱۹۴۰، این فناوری دیگر برای ارتباطات استفاده نشد. استفاده از فرستنده جرقه وقفه منجر به بسیاری از اپراتورهای رادیویی شد که به نام "Sparks" نامیده می‌شدند، مدت‌ها پس از اینکه استفاده از فرستنده‌های جرقه وقفه‌ای متوقف شد. حتی امروز، فعل آلمانی "funken"، به معنای لفظی "جرقه‌زدن"، به معنای "ارسال یک پیام رادیویی یا سیگنال" هم هست.
اثرات جرقه وقفه‌هایی که ناشی از "اقدام در فاصله" ناشی از توضیحاتی نظیر ایجاد جرقه وقفه در دستگاه‌های اطراف آن بود، توسط دانشمندان و آزمایش کنندگان به خوبی قبل از اختراع رادیو متوجه شد. آزمایش‌های گسترده توسط جوزف هنری (۱۸۴۲)، توماس ادیسون (۱۸۷۵) و دیوید ادوارد هیوز (۱۸۷۸) انجام شد. [۲] [۳] [۴] با هیچ تئوری دیگری برای توضیح پدیده، آن را معمولاً به عنوان القای الکترومغناطیسی نوشته شده‌است.
هینریش هرتز، فیزیکدان در سال ۱۸۸۶، بعد از اینکه متوجه جرقه وقفه ناشی از ناخوشایند در یک مارپیچ رئیس شد، این پدیده را به اثبات رساند تا پیش‌بینی‌های جیمز کلرک ماکسول دربارهٔ الکترومغناطیس را تأیید کند. هرتز یک فرستنده جرقه وقفه‌ای تنظیم شده و یک آشکارساز فاصلهٔ جرقه وقفه‌ای تنظیم شده (شامل یک حلقهٔ سیم متصل به وقفه جرقه وقفه‌ای کوچک) که چند متر از منبع قرار دارد. در یک سری از آزمایش‌ها، هرتز تأیید کرد که امواج الکترومغناطیسی توسط فرستنده تولید می‌شوند: هنگامی که فرستنده جرقه وقفه زد، جرقه وقفه‌های کوچک نیز در فاصله جرقه وقفهٔ گیرنده دیده می‌شود که می‌تواند تحت یک میکروسکوپ دیده شود.
بسیاری از آزمایش کنندگان از ایجاد فاصله جرقه وقفه برای بررسی بیشتر پدیده موج "Hertzian" (رادیو) جدید، از جمله الیور جوزف لوج و دیگر پژوهشگران "ماکسولین" استفاده کردند. مهندس آمریکایی کروات نیکولا تسلا روش‌هایی را پیشنهاد کرد. وی دستگاهی ساخت که شامل چندین الکترود بود که در فاصله مساوی دور روتور قرار داده شده بود سپس با سرعت زیاد توسط یک موتور چرخانده شده که باعث ایجاد جرقه در هنگام عبور از کنار الکترود ثابت می‌شد.
مخترع ایتالیایی گولیلمو مارکونی در آزمایش‌های خود از فرستنده جرقه وقفه استفاده کرد تا پدیده رادیویی را در یک سیستم بی‌سیم تلگراف در اوایل دهه ۱۸۹۰ توسعه دهد. در سال ۱۸۹۵ او موفق به انتقال بیش از ۱ ۱/۴ مایل. نخستین فرستنده او شامل یک سیم پیچ القایی متصل بین آنتن سیم و زمین، با یک وقفه جرقه وقفه در آن بود. هر بار که سیم‌پیچ القایی پالس شد، آنتن به‌طور موقت به ده‌ها (گاهی صدها) هزار ولت تا زمانی که وقفه جرقه وقفه شروع به قوس کرد، بارگیری شد. این به عنوان یک سوئیچ عمل می‌کند، اساساً آنتن شارژ شده را به زمین متصل می‌کند و موجب تشدید اشعه الکترومغناطیسی می‌شود.
در حالی که سیستم‌های مختلف زودرس فرستنده‌های جرقه وقفه‌ای به اندازه کافی برای اثبات مفهوم تلگراف بی‌سیم کار می‌کردند، مجموعه‌های اولیه وقفه جرقه وقفه‌ای دارای نقص‌های شدید بودند. بزرگترین مشکل این بود که حداکثر توان که می‌تواند منتقل شود به‌طور مستقیم تعیین می‌شود که میزان شارژ الکتریکی آن چگونه می‌تواند باشد. از آنجایی که ظرفیت آنتن‌های عملی بسیار کوچک است، تنها راه برای دریافت یک خروجی معقول، این بود که آن را به ولتاژ بسیار بالا بسپاریم. با این حال، این انتقال در شرایط بارانی یا حتی مرطوب امکان‌پذیر نبود. همچنین، یک وقفه جرقه وقفه کاملاً وسیع و با مقاومت الکتریکی بسیار بالا به وجود آمد و در نتیجه اکثر انرژی الکتریکی به سادگی برای گرم کردن هوا در وقفه جرقه وقفه استفاده شد [۱۰].
مشکل دیگر با فرستنده جرقه وقفه در نتیجه شکل موج تولید شده توسط هر انفجار تابش الکترومغناطیسی بود. این فرستنده‌ها یک سیگنال باند بسیار "کثیف" را منتشر کردند که می‌تواند تا حد زیادی با انتقال در بسامد‌های مجاور تداخل داشته باشد. مجموعه‌های دریافت‌کننده نسبتاً نزدیک به چنین فرستنده دارای بخش‌های کامل یک باند که توسط این نویز باند وسیع پوشانده می‌شود.
با وجود این نقصان، مارکونی توانست منافع کافی از دریاسالار دریای بریتانیا را در این سیستم‌های اولیه خالص تولید کند تا سرانجام خدمات تلگراف تجاری تجاری بین ایالات متحده و اروپا را با استفاده از تجهیزات بسیار پیشرفته‌ای تأمین مالی کند.
نخستین تلاش برای فرستادن صدای ریگینالد فسندن، فرستنده جرقه وقفه‌ای بود که در حدود ۱۰۰۰۰ جرقه وقفه در ثانیه عمل می‌کرد. برای تغییر این فرستنده، او یک میکروفون کربنی را به صورت سریال با منبع تغذیه قرار داده است. او در دستیابی به صدای قابل فهم، با مشکل مواجه شد. حداقل یک فرستنده صوتی قدرتمند از خنک‌کننده آب برای میکروفون استفاده می‌کند.
در سال ۱۹۰۵ یک فرستنده جرقه وقفه‌ای "حالت هنر" یک سیگنال با طول موج ۲۵۰ متری (۱.۲ مگاهرتز) و ۵۵۰ متری (۵۴۵ کیلوهرتز) ایجاد کرد. ۶۰۰ متر (۵۰۰ کیلوهرتز) به بسامد پراکندگی بین‌المللی تبدیل شده‌است. گیرنده ها، آشکارسازهای مغناطیسی ساده و یا آشکارسازهای الکترولیتی بودند. این بعد به مجموعه‌های کریستال گالنای مشهور و حساس‌تر راه یافت. تونرها ابتدایی یا وجود نداشتند اپراتورهای رادیویی آماتور ابتدا فرستنده‌های گشتاور کم توان را با استفاده از سیم‌پیچ جرقه وقفه از خودروهای مدل فورد فورد ساخته‌اند. اما یک ایستگاه تجاری معمولی در سال ۱۹۱۶ ممکن است شامل یک ترانسفورماتور ۲/۱ کیلوواتی باشد که ۱۴۰۰۰ ولت را خنک کند، یک خازن هشت بخش و یک حفره دوار که بتواند جریان حداکثر چند صد آمپر را تأمین کند.
نصب و راه اندازی کشتی معمولاً از یک موتور DC استفاده می‌کند (معمولاً از منبع تغذیه دیجیتال کشتی استفاده می‌شود) برای هدایت یک ژنراتور که خروجی AC آن توسط ترانسفورماتور افزایش یافته تا ۱۰،۰۰۰ تا ۱۴،۰۰۰ ولت. این یک آرایش بسیار راحت بود، زیرا سیگنال می‌تواند به آسانی توسط اتصال یک رله بین خروجی مبدل ولتاژ نسبتاً کم ولتاژ و سیم پیچ اولیه ترانسفورماتور و فعال شدن آن با کلید مورس تنظیم شود. (دستگاه‌های پایین‌تر گاهی اوقات از کلید مورس برای مستقیماً سوئیچ AC استفاده می‌کردند، اما این کار نیاز به کلید سنگین‌تر داشت و کار را سخت‌تر می‌کرد).
فرستنده‌های وقفه جرقه وقفه تولید سیگنال‌های باند بسامد نسبتاً بالایی دارند. به عنوان روش انتقال مؤثرتر امواج پیوسته (CW) برای تولید آسان‌تر بود و باند نفوذ و تداخل بدتر شد، فرستنده‌های جرقه وقفه و امواج خنثی توسط معاهده‌های بین‌المللی با طول موج کوتاه‌تر به تصویب رسیدند و جایگزین‌های قوس الکتریکی Poulsen و بسامد بالا مبدل ها، که یک بسامد فرستنده را به خوبی تعریف کرده‌اند. این روش‌ها بعداً به فناوری خلاء لوله‌ها و "سن الکتریکی" رادیویی پایان یافت. مدت‌ها بعد از اینکه اپراتورها دیگر فرستنده‌های وقفه جرقه وقفه‌ای را برای ارتباطات استفاده نمی‌کردند، ارتش آن‌ها را برای ردیابی رادیو استفاده می‌کرد. در اواخر سال ۱۹۵۵ یک اتوبوس اسباب بازی با رادیو ژاپنی از یک گیرنده جرقه وقفه و گیرنده استفاده کرد. جرقه وقفه در پشت یک ورق پلاستیکی شفاف آبی دیده شد.
نوسانگرهای وقفه جرقه وقفه‌ای هنوز برای تولید ولتاژ بالا با بسامد بالا برای شروع کوک‌های جوشکاری در جوشکاری قوس تنگستن استفاده می‌شوند. ژنراتورهای پالس شارژر قدرتمند هنوز برای شبیه‌سازی EMP استفاده می‌شوند. بیشتر چراغ‌های خیابانی با گاز بادی (جیوه و بخار سدیم) همچنان به عنوان سوئیچ‌های سوئیچ از فرستنده‌های جرقه وقفه‌ای استفاده می‌شود.
عملکرد وقفه جرقه وقفه در ابتدا مقاومت بالا به مدار را به گونه‌ای که C1 خازن مجاز به شارژ وجود دارد. هنگامی که ولتاژ وقفه وقفه رسیده‌است، هوا در فاصله یونیزه می‌شود، مقاومت در برابر فاصله به‌طور چشمگیری پایین‌تر است و پالس جریان در سراسر قوس به طرف دیگر مدار جریان می یابد. وقفه تنظیم شده‌است به گونه‌ای که تخلیه با حداکثر یا نزدیک به حداکثر بار در C1 منطبق است و به نظر می‌رسد سوئیچ با سرعت بالا در لحظه مناسب روشن می‌شود تا خازن C1 قادر به تخلیه انرژی ذخیره شده خود را به مدار دیگر عناصر. این پالس انرژی به سرعت به سمت جلو و عقب بین عناصر C2 و L منتقل می‌شود و به شکل یک نوسان تضعیف می‌شود در بسامد رادیویی. مبادله برگشت و عقب در شکل موج جریان متناوب و ولتاژ با بیشتر انرژی که به آنتن منتقل می‌شود.
این امواج "امواج خنثی" نامیده می‌شود زیرا موج می‌رود بین خروجی‌های جرقه وقفه‌ای که در مقایسه با امواج پیوسته مدرن (CW) خاموش می‌شوند و یا خنثی می‌کنند. از آنجا که امواج خازنی یک قطار از امواج مثلث بسامد رادیویی به‌طور منظم است که در سرعت صوت دیده می‌شوند، آشکارسازهای شار کریستال، مغناطیسی و فلمینگ آن‌ها را به عنوان یادداشت‌های موسیقی، غنی از هارمونیک ها، آن‌ها را برای صدای انسان آسان می‌کند "کپی" پیام‌ها و شناسایی ایستگاه‌های صدای منحصر به فرد خود، حتی در شرایط نامطلوب.
تبادل انرژی در این نوع نوسانگر با سرعت یا بسامد تعیین شده توسط بسامد رزونانس مدار "مخزن" آن انجام می‌شود که از ظرفیت مخلوط C1 و C2 تشکیل شده و القایی L، که به‌طور خاص به عنوان مدار LC شناخته می‌شود. ظرفیت C2 به‌طور کلی کوچک بود و به‌طور کلی در اکثر نمودارها نشان داده نمی‌شود. C2 نشان دهنده خازن جریان ولتاژ است، اما C1 نسبتاً بزرگ بود هر دو در اندازه و ظرفیت به گونه‌ای که می‌تواند مقدار زیادی از انرژی ولتاژ بالا لازم برای انتقال قدرت بالا (P = EI) ذخیره کنید. بعضی از تأسیسات، کل ساختمان‌ها را به خازن C1 اختصاص دادند (مانند فرستنده کیپ برتون). سیم‌پیچ‌های القایی (L) نسبتاً کوچک بودند به گونه‌ای که کل مدار می‌تواند در بسامد منطقی "بالا" با توجه به مقدار بزرگ C1. بسامد بسیار بالاتر از ۱ مگاهرتز غیر عملی بود، چرا که L نمی‌توانست الکتریسیته کوچکتر شود و انرژی کافی در یک C1 کوچک ذخیره نشود، هر چند کوچک C1 به دلیل ویژگی‌های رزونانس بسامد‌های کوتاه مدت ضروری بود.
علاوه بر اندازه و استحکام اجزای نوسان ساز، اجزای بسامد پایین نیز به همان اندازه قوی بودند. این به این دلیل است که یک EMF القا شده بسیار بزرگ رخ می‌دهد زمانی که جرقه وقفه افتاده است، باعث ایجاد فشار بر عایق در ترانسفورماتور اولیه. برای غلبه بر این، ساخت و ساز حتی کم قدرت مجموعه بسیار محکم بود و یک بسامد رادیویی یا دیافراگم یا مقاومت (R نشان داده شده در این نمودار) برای حفاظت از ترانسفورماتور یا سیم پیچ القایی مورد نیاز بود. کلید تلگراف (اساساً آسان برای روشن / خاموش کردن سوئیچ) چندین بار مجبور بود که جریانهای بزرگ و ولتاژ بالا را حمل کند و از این رو نیز عموماً بسیار قوی بود.
اگرچه در رادیوی اولیه همه جا حاضر بود، فرستنده وقفه جرقه وقفه‌ای توسط طیف بسامد بسیار وسیع و خروجی موج خنثی شد. امواج خنثی برای رادیو تلگراف با رادیو اکتیوهای اولیه بسیار عالی بودند، اما پهنای باند بسیار ناپایدار هستند. این تعداد تعداد ایستگاه‌هایی را که می‌تواند به‌طور مؤثر از یک گروه استفاده کند، به دلیل دخالت محدود می‌کند. همچنین، پهنای باند گسترده به این معنی بود که فرستنده اطلاعات مفیدی را در طیف وسیعی پخش می‌کرد و فقط یک بخش از قدرت ارسال برای ارتباطات مفید بود. در نهایت، موج خنک‌کننده در حال حاضر یک شکل از مدولاسیون دامنه (AM) است و نمی‌تواند بیشتر برای صدای با هر روشنی قابل تنظیم باشد. تنها نوسانگرهای مداوم موجب شده توسط فناوری لوله‌های خلاء می‌توانند بسامد بالا (HF) و فراتر از آن را فراهم آورند و تنها ظهور آن‌ها امکان انتقال رادیو تلگراف و انتقال صدا / داده را فراهم می‌سازد.