아크 컨버터

thumb|1918년 경 미국 해군이 전 세계 함대와 통신하기 위해 해안 무선국에서 사용한 1메가와트 폴센 아크 송신기. 지금까지 제작된 가장 큰 아크 송신기 중 하나이다.

아크 컨버터()는 때때로 아크 송신기() 또는 1903년 이를 발명한 덴마크 엔지니어 발데마르 폴센(Valdemar Poulsen)의 이름을 따서 폴센 아크()라고도 불리며, 초기 무선 전신에 사용된 불꽃 송신기의 일종이다. 아크 컨버터는 아크 방전을 사용하여 직류 전기를 무선주파수 교류로 변환한다. 이것은 1903년부터 진공관 송신기로 대체되는 1920년대까지 무선 송신기로 사용되었다. 연속적인 사인파를 생성할 수 있는 최초의 송신기 중 하나였으며, 라디오로 소리(진폭 변조)를 전송하는 데 사용된 최초의 기술 중 하나였다. 전기공학 분야의 역사적 성과로서 IEEE 마일스톤 목록에 등재되어 있다.

 역사 
thumb|1903년에 제작된 폴센의 첫 번째 아크 컨버터
1892년, 엘리후 톰슨은 아크 방전을 사용하여 직류로부터 최대 50 kHz의 고주파 전류를 생성하는 특허를 출원했다. 1900년, 윌리엄 더델(William Duddell)은 아크에 동조 공진 회로를 병렬로 연결하여 "노래하는 아크"(singing arc)를 시연했다. 발데마르 폴센은 공기 대신 수소 증기 속에서 아크를 연소시켜 효율을 높이는 데 성공했고, 150 kHz의 주파수를 달성했다.

1903년까지 폴센과 페데르 올루프 페데르센(Peder Oluf Pedersen)은 전화 및 전신을 위한 실용적인 연속파 무선 시스템을 개발했다. 코펜하겐에서 신디케이트가 결성되었고, 1906년 륑뷔(Lyngby)에 스테이션이 설립되었다. 1906년 특허권은 Amalgamated Radio Telegraph Company에 인수되었고 컬러코츠(Cullercoats)에 스테이션이 세워졌다. 1907년에는 C. 로렌츠 AG가 권리를 인수하여 바이센제 (베를린)에 스테이션을 세웠다. 1908년까지 이 스테이션은 륑뷔와 음성 및 음악을 송수신했다. 1909년, 시릴 프랭크 엘웰(Cyril Frank Elwell)은 Poulsen Wireless Telephone and Telegraph Company를 설립했으며, 1910년까지 새크라멘토와 스톡턴 (캘리포니아주)의 스테이션들이 통신을 주고받았다. 그 후 팔로알토에 제조 시설이 설립되었고, 1913년 미국 해군은 100 킬로와트 아크를 주문했다. 1911년 비치 톰슨(Beach Thompson)이 회사를 인수하여 페더럴 텔레그래프 컴퍼니(Federal Telegraph Company)로 이름을 바꿨고, 송신기들은 페더럴 아크로 알려지게 되었다. 1912년까지 이 회사는 서부 해안에 13개의 스테이션을 세웠으며, 시카고, 캔자스시티, 포트워스를 포함하고 피닉스에 중계국을 두었다.

1922년, 표준국은 "아크는 고출력, 장거리 통신에 가장 널리 사용되는 송신 장치이다. 아마추어 스테이션을 제외하면, 일정 시간 동안 무선 목적으로 공간에 실제로 방사되는 모든 에너지의 80%를 현재 아크가 담당하고 있는 것으로 추정된다"고 밝혔다.

 설명 
연속파 무선 신호를 생성하기 위한 이 새롭고 더 정교한 방법은 처음에 덴마크의 발명가 발데마르 폴센에 의해 개발되었다. 당시 사용되던 불꽃 간극 송신기는 감쇠파(damped wave)를 생성하여, 무선주파수 스펙트럼을 간섭으로 채우는 여러 주파수의 강한 고조파를 전송하는 데 방사 전력의 상당 부분을 낭비했다. 폴센의 아크 컨버터는 단일 주파수에서 비감쇠파 또는 연속파(CW)를 생성했다.

아크 발진기에는 세 가지 유형이 있다.
 더델 아크 (및 기타 초기 유형) 첫 번째 유형의 아크 발진기에서는 콘덴서의 교류 전류 가 직류 공급 전류 보다 훨씬 작으며, 출력 사이클 동안 아크가 결코 꺼지지 않는다. 더델 아크가 이 첫 번째 유형의 예시이지만, 무선주파수 송신기에는 실용적이지 않다.

 폴센 아크 두 번째 유형의 아크 발진기에서는 콘덴서의 교류 방전 전류가 아크를 끄기에 충분히 크지만, 반대 방향으로 아크를 다시 시작할 만큼 크지는 않다. 이 두 번째 유형이 폴센 아크이다.

 퀜칭 불꽃 간극(Quenched spark gap) 세 번째 유형의 아크 발진기에서는 아크가 꺼지지만 콘덴서 전류가 역전될 때 다시 점화될 수 있다. 세 번째 사례는 퀜칭 불꽃 간극이며 감쇠 진동을 생성한다.

연속파 또는 '비감쇠파'(CW)는 중요한 특징이었는데, 불꽃 간극 송신기의 감쇠파를 사용하면 송신기 효율과 통신 효과가 떨어지고 무선주파수 스펙트럼을 간섭으로 오염시켰기 때문이다.

thumb|upright=0.7|폴센의 1904년 논문에 실린 기본 아크 컨버터 회로(라벨 추가됨).
폴센 아크 컨버터는 아크에 동조 회로가 연결되어 있었다. 아크 컨버터는 탄소 캐소드와 수냉식 구리 애노드 사이의 수소 가스 속에서 아크가 연소되는 챔버로 구성되었다. 이 챔버의 위아래에는 자기 회로의 두 극을 둘러싸고 에너지를 공급하는 두 개의 직렬 계자권선이 있었다. 이 극들은 자기장을 제공하기 위해 아크의 양쪽에 하나씩 챔버 안으로 돌출되어 있었다.

수 킬로헤르츠에서 수십 킬로헤르츠의 주파수 범위에서 작동할 때 가장 성공적이었다. 안테나 동조는 아크 컨버터의 고조파를 억제할 수 있을 만큼 충분히 선택적이어야 했다.

 키잉 
아크가 발생하여 안정적으로 작동하는 데 시간이 걸렸기 때문에 일반적인 온-오프 키잉은 사용할 수 없었다. 대신 주파수 편이 변조의 일종이 사용되었다. 이 보상파(compensation-wave) 방식에서는 아크가 지속적으로 작동하고, 키가 아크의 주파수를 1~5% 정도 변화시켰다. 원치 않는 주파수의 신호를 보상파라고 불렀다. 최대 70 kW의 아크 송신기에서 키는 일반적으로 안테나 코일의 몇 턴을 단락시켰다. 더 큰 아크의 경우, 아크 출력을 변압기를 통해 안테나 인덕터에 결합하고, 키는 접지된 2차측의 하단 몇 턴을 단락시켰다. 따라서 "마크"(키 닫힘)는 한 주파수에서 전송되고, "스페이스"(키 열림)는 다른 주파수에서 전송되었다. 이 주파수들이 충분히 떨어져 있고 수신국 수신기의 선택도가 충분하다면, 수신국은 "마크" 주파수에 맞췄을 때 표준 CW를 들을 수 있었다.

보상파 방식은 많은 스펙트럼 대역폭을 사용했다. 의도한 두 주파수뿐만 아니라 그 주파수들의 고조파도 전송했기 때문이다. 아크 컨버터는 고조파가 풍부하다. 1921년경 예비 국제 통신 회의(Preliminary International Communications Conference)는 너무 많은 간섭을 일으킨다는 이유로 보상파 방식을 금지했다.

두 가지 다른 주파수에서 신호를 방출해야 하는 필요성은 단일파(uniwave) 방식의 개발로 해결되었다. 점화 방식이라 불리는 한 가지 단일파 방식에서는 키잉이 아크를 시작하고 멈추게 했다. 아크 챔버에는 저항을 통해 두 전극을 단락시켜 아크를 끄는 타격봉(striker rod)이 있었다. 키는 타격봉을 움직여 아크를 다시 점화시키는 전자석에 에너지를 공급했다. 이 방식이 작동하려면 아크 챔버가 뜨거워야 했다. 이 방식은 약 5 kW까지의 아크 컨버터에 적용 가능했다.

두 번째 단일파 방식은 흡수 방식이며, 두 개의 동조 회로와 단극 쌍투, make-before-break 키를 포함한다. 키를 눌렀을 때 아크는 동조된 안테나 코일과 안테나에 연결된다. 키를 뗐을 때 아크는 백 션트(back shunt)라고 불리는 동조된 의사 안테나에 연결된다. 백 션트는 인덕터, 커패시터, 부하 저항이 직렬로 구성된 두 번째 동조 회로였다. 이 두 번째 회로는 전송 주파수와 거의 동일한 주파수로 동조되어 아크가 계속 작동하도록 유지하며 송신기 전력을 흡수한다. 흡수 방식은 W. A. 이튼(W. A. Eaton)에 의한 것으로 보인다.

흡수 방식을 위한 스위칭 회로 설계는 중요하다. 고전압 아크를 스위칭하기 때문에 스위치의 접점에는 어떤 형태로든 아크 억제 기능이 있어야 한다. 이튼은 전신 키가 릴레이를 작동시키는 전자석을 구동하게 했다. 그 릴레이는 두 경로(안테나 경로와 백 션트 경로) 각각에 대해 네 세트의 직렬 스위치 접점을 사용했다. 각 릴레이 접점은 저항으로 브리지되었다. 결과적으로 스위치는 결코 완전히 열리지 않았지만 감쇠가 매우 컸다.

 같이 보기 
 라디오의 역사
 송신기
 수은 아크 밸브
 티커

 각주 

. Revised to April 24, 1921. http://www.forgottenbooks.org

. 엘리후 톰슨은 더델보다 먼저 노래하는 아크를 만들었다, p. 125.

 더 읽어보기 

. 1925년 당시의 라디오 역사. 25쪽: "미국의 엘리후 톰슨 교수는 고주파 전류를 생성하는 아크 방식에 대한 특허를 신청했다. 그의 발명은 자기 소호 장치와 오늘날 아크의 다른 필수 기능들을 포함했지만, 전극은 금속이었고 가스 챔버에 밀폐되지 않았다." 미국 특허 500630 인용. 30–31쪽 (1900): "런던의 윌리엄 뒤 부아 더델은 직류 공급에서 교류를 생성하는 정적 방식에 대한 특허를 신청했는데, 이 방식은 1892년 엘리후 톰슨의 방식과 매우 유사했다. 더델은 탄소 전극을 제안했지만 자기 소호 장치는 제안하지 않았다. 그는 자신의 발명이 고주파와 일정한 진폭의 진동을 생성하는 데 사용될 수 있으며, 특히 '송신기를 동조시킬 필요가 있는' 무선 전신에서 이점이 있을 것이라고 밝혔다. 더델의 발명(영국 특허 21,629/00)은 폴센 아크의 기초가 되었으며, 폰 레펠(Von Lepel)이 진화시킨 흥미로운 송신기의 기초가 되었다." 31쪽 (1903): "코펜하겐의 발데마르 폴센은 1900년 더델이 공개한 발전기에 1892년 톰슨이 제안한 자기 소호 장치, 그리고 아크를 담글 수 있는 수소 함유 증기를 추가하여 특허 신청에 성공했다. (영국 특허 15,599/03; 미국 특허 789,449.)" 또한 IV장, 75–77쪽, "The Poulsen Arc". C. F. 엘웰에 의한 정교화.

 Cyril Frank Elwell - Pioneer of American and European Wireless Communications, Talking Pictures and founder of C.F. Elwell Limited, 1922-1925 by Ian L. Sanders. Published by Castle Ridge Press, 2013. (엘웰에 의한 미국 및 유럽에서의 아크 발생기 개발 상세 설명.)

 외부 링크 
 http://oz6gh.byethost33.com/poulsenarc.htm, Modulation of the Poulsen arc, from the book Radio Telephony, 1918 by Alfred N. Goldsmith.
 https://web.archive.org/web/20120210081832/http://www.stenomuseet.dk/person/hb.ukref.htm, English summary of the Danish Ph.D. dissertation, The Arc Transmitter - a Comparative Study of the Invention, Development and Innovation of the Poulsen System in Denmark, England and the United States, by Hans Buhl, 1995
 http://pe2bz.philpem.me.uk/Comm/-%20ELF-VLF/-%20Info/-%20History/PoulsenArcOscillator/poulsen1.htm
 https://www.gukit.ru/sites/default/files/ogpage_files/2017/09/Dugovoy_peredatchik.pdf - From the electric arc of Petrov to the radio broadcast of speech.

분류:무선공학
분류:아크 방전
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