Station radiotélégraphique d'un chalutier. Émetteur à étincelles à gauche.
Un émetteur à étincelles est un dispositif destiné à produire des ondes électromagnétiques aux fréquences radioélectriques. Ces appareils servaient d'émetteurs pour la plupart des transmissions en télégraphie sans fil au cours des trente premières années du développement de la radio (1887–1916) et ont servi aux toutes premières démonstrations de transmission hertzienne.
Les années qui ont suivi ont vu l'apparition d'émetteurs plus efficaces avec l'alternateur d'Alexanderson et l'émetteur à arcs de Valdemar Poulsen, mais les émetteurs à étincelles gardaient la préférence de la plupart des opérateurs en raison de leur conception simple et aussi parce que la porteuse cessait d'être émise dès que la clef du manipulateur de code Morse était relâchée ce qui permettait d'écouter une réponse éventuelle entre les signaux. De plus, avec les autres modèles d'émetteurs, on ne peut pas contrôler la porteuse aussi aisément et il faut des dispositifs assez élaborés pour moduler la porteuse d'une part, et séparer les antennes d'émission et de réception d'autre part.
Après la première Guerre mondiale, on commence à trouver des tubes électroniques qui permettent de simplifier ces problèmes si bien qu'à la fin des années 1920 les seuls émetteurs à étincelles opérationnels qui subsistaient faisaient partie de l'« héritage du passé » des navires. En effet, malgré l'installation de stations radioélectriques à tubes électroniques, de nombreux navires avaient conservé leur émetteur à étincelles — primitif, mais fiable — comme système de secours. En plus du poste émetteur normal, le navire doit avoir à son bord un poste de secours ayant une portée de 80 milles pour les stations radios de première classe et une portée de 50 milles pour les stations radios de deuxième classe.
La technologie est définitivement abandonnée vers 1940. L'utilisation des émetteurs à étincelles avait donné aux opérateurs le surnom d'« étincelles » (sparks), c'est un vocable qui a survécu longtemps aux émetteurs du même nom.
Historique
L'étude de l'histoire de la radio montre que l'émetteur à étincelles a été inventé par plusieurs personnes, souvent concurrentes l'une de l'autre. En 1862 James Clerk Maxwell prévoit la propagation des ondes radioélectriques dans le vide.
Développement
Un éclateur.
En 1887 David Edward Hughes utilise un éclateur pour produire un signal radioélectrique et couvre une portée de 500 m. En 1888, le physicien Heinrich Hertz décide de vérifier les prédictions de Maxwell. Hertz emploie un émetteur à étincelles et un détecteur à éclateur consistant en une boucle de fil conducteur connectée à un petit éclateur situé à quelques mètres de l'émetteur. Par une série d'expérimentations en UHF, Hertz vérifie que des ondes électromagnétiques sont produites par l'émetteur : lorsque l'émetteur produit une étincelle, de toutes petites étincelles visibles au microscope apparaissent dans l'éclateur du récepteur.
Nikola Tesla invente son système radioélectrique en 1893 et développe plus tard un émetteur à « ondes amorties » qui produit une porteuse beaucoup plus cohérente en créant bien moins d'interférences tout en présentant une meilleure efficacité. De plus, le système — indépendant du taux d'humidité de l'air — peut être utilisé quelles que soient les conditions météorologiques.
Tesla poursuit l'adaptation de ses technologies haute tension et haute fréquence à la radio. En couplant la bobine de réception sur la fréquence de la bobine de l'émetteur, il montre que la réception peut être considérablement améliorée grâce à ce système résonant. Tesla est l'un des premiers à faire breveter un système fiable de production des ondes radio, « Method of Operating Arc-Lamps » (Mode opératoire des lampes à arc) le 10 mars 1891. Tesla est aussi à l'origine de différents éclateurs rotatifs, à refroidissement et à étincelles amorties, supportant des puissances élevées.
Marconi et la TSF
Marconi expérimente des transmissions en télégraphie sans fil dès le début des années 1890. En 1895 il réussit une portée de près de trois kilomètres. Son premier émetteur était constitué d'une bobine d'induction, branchée entre le fil d'une antenne et la terre, et d'un éclateur connecté en parallèle avec la bobine. À chaque fois que la bobine d'induction est excitée, l'antenne se charge temporairement à des dizaines (voire des centaines) de kilovolts jusqu'à ce que l'éclateur produise un arc. Il se comporte comme un interrupteur en reliant l'antenne chargée à la terre et en produisant ainsi une rafale très brève de rayonnement électromagnétique.
Bien que ce système fonctionne suffisamment bien pour démontrer qu'il est possible de communiquer en télégraphie sans fil, il présente tout de même de graves défauts. Le problème principal est que la valeur de la puissance émise dépend directement de la charge électrique que l'antenne peut supporter. Comme la capacité d'une antenne est relativement faible, la seule façon d'obtenir une puissance suffisamment élevée est d'augmenter considérablement la tension électrique de charge. Du coup, en raison des hautes tensions utilisées, les transmissions sont impossibles en cas de pluie, ou en cas d'humidité atmosphérique importante. De plus, ces tensions élevées obligent à utiliser un éclateur de grande dimension avec une très forte résistance électrique ce qui fait que la plus grande partie de l'énergie est perdue dans le chauffage de l'air contenu dans l'éclateur.
En raison de la durée très brève de chaque rafale de rayonnement électromagnétique le système génère un signal « sale » de très mauvaise qualité en termes de pureté qui, de ce fait, est quasiment impossible à filtrer pour que l'opérateur puisse écouter une autre station. Malgré cela, Marconi réussit à intéresser suffisamment l'amirauté britannique aux systèmes existants, pourtant très embryonnaires, pour faire financer un système commercial de télégraphie sans fil entre les États-Unis et l'Europe. Le matériel utilisé est alors très sensiblement amélioré.
Apogée et déclin
La première tentative de Reginald Fessenden pour transmettre la parole met en œuvre un émetteur à étincelles produisant environ 10 000 étincelles par seconde. Pour moduler l'émission il branche un microphone à charbon directement en série sur l'alimentation. Il éprouve beaucoup de difficultés à rendre le son intelligible. Dans le cas d'un émetteur de forte puissance, le microphone devait être refroidit par eau.
En 1905, un émetteur à étincelles extrêmement « sophistiqué » permet d'atteindre des longueurs d'onde entre 250 m (1,2 MHz) et 550 m (545 kHz). La longueur d'onde de 600 mètres (500 kHz) est choisie comme fréquence internationale de détresse. Les récepteurs sont simples et utilisent des détecteurs magnétiques ou des détecteurs électrolytiques sans amplification. Ce dernier type de détecteur a cédé sa place au fameux poste à galène, plus sensible.
Dès 1913 l'émetteur radiotélégraphique à ondes amorties de bord (marine) travaille sur des longueurs d'ondes normalisées : 775 mètres (387 kHz), 750 mètres (400 kHz), 725 mètres (414 kHz), 700 mètres (428,5 kHz), 650 mètres (461,5 kHz), 600 mètres (500 kHz). Les petits bateaux ne pouvant pas travailler en radiotélégraphie sur la longueur d'onde de 600 mètres utilisent la longueur d'onde de 300 mètres (1 000 kHz). En aéronautique, l'émetteur à ondes amorties de bord opère sur la longueur d'onde de 900 mètres (333,3 kHz). En vol, on déroulait une antenne pendante filaire pour établir les communications radios avec le poste radiotélégraphique type S1 ou le poste radiotélégraphique type C.O.K. 12 de 12 canaux de 500 W.
Les syntoniseurs sont très rudimentaires ou quasiment inexistants. Les tout premiers opérateurs radioamateurs construisent des émetteurs à étincelles de faible puissance à partir de bobines d'allumage automobiles de type Ruhmkorff, provenant de Ford T. Cependant, une station de transmission commerciale classique de 1916 peut comprendre un transformateur de ½ kilowatt, un condensateur à huit cellules et un éclateur à décharges périodiques susceptible de supporter des pointes de courant de plusieurs centaines d'ampères.
À bord des navires on utilise habituellement un moteur à courant continu — indépendant du circuit de courant continu du bord — pour faire tourner un alternateur dont la tension de sortie est élevée à 10 000 V / 14 000 V à l'aide d'un transformateur.
Les émetteurs à étincelles produisent des signaux qui occupent des largeurs de bandes très conséquentes. Étant donné que les systèmes à onde continue, plus efficaces, deviennent plus simples à fabriquer et aussi que les bandes deviennent de plus en plus occupées — augmentant ainsi les risques d'interférences — les émetteurs à étincelles ou à ondes amorties sont exclus des nouvelles bandes de fréquences plus élevées par un traité international et remplacés par l'alternateur d'Alexanderson et l'émetteur à arcs de Valdemar Poulsen qui permettent d'émettre sur une fréquence mieux définie et utilisant une bande plus étroite. Plus tard, l'arrivée des tubes électroniques clôt l'ère de la radio « électrique ».
Longtemps après n'avoir plus été utilisés pour les télécommunications, les émetteurs à étincelles reprennent du service dans les stations de brouillage radio.
Usages restants
Cohéreur. Tube à limaille.
En 1955, un autobus jouet radiocommandé de fabrication japonaise utilise un émetteur à étincelles et un récepteur à cohéreur. Sur l'émetteur, les étincelles étaient visibles au travers d'une lucarne de plastique bleu.
Les émetteurs a étincelles sont toujours utilisés pour produire des hautes tensions à haute fréquence et initier les arcs dans le cas du soudage TIG (Tungsten Inert Gas). De puissants générateurs d'impulsions à éclateur permettent de simuler des impulsions électromagnétiques. La plupart des candélabres à lampes à décharge dans un gaz (vapeur de sodium ou de mercure) utilisent toujours des émetteurs à étincelles modifiés comme igniteur.
Principe de fonctionnement
Schéma d'un émetteur à étincelles.
Le fonctionnement d'un émetteur à étincelles type bobine Tesla est simple mais présente des problèmes techniques importants en raison des courants d'induction électromagnétiques très forts au moment de l'étincelle qui provoquent un défaut d'isolation dans le primaire du transformateur. Pour éviter ce problème, la fabrication de systèmes, même de faible puissance, doit être de très grande qualité. Notons aussi qu'un système à onde amortie est très gourmand en bande passante ce qui limite énormément le nombre de stations pouvant opérer en même temps sans se gêner.
Dans sa forme la plus élémentaire, un émetteur à étincelles comporte un éclateur connecté à travers un oscillateur composé d'un condensateur et d'une inductance soit en série, soit en parallèle. Dans un circuit d'émission classique, une source haute tension (représentée sur le schéma par une batterie d'accumulateurs, mais qui est en réalité un transformateur haute tension) charge un condensateur (C sur la figure) à travers une résistance jusqu'à ce que l'éclateur crée une décharge ; enfin une impulsion de courant passe à travers le condensateur (C sur la figure). Le condensateur et l'inductance forment un circuit oscillant. Après avoir été excité par l'impulsion de courant, l'oscillation décroît rapidement parce que son énergie est émise par l'antenne. En raison de l'attaque et de la décroissance rapide de l'oscillation, l'impulsion radioélectrique occupe une large bande de fréquences.
Le rôle de l'éclateur est de se comporter, dans un premier temps, comme une forte résistance électrique qui permet la charge du condensateur. Ensuite, quand la tension de claquage est atteinte, sa résistance décroît brutalement et le condensateur se décharge. La décharge à travers l'arc (étincelle) prend la forme d'une oscillation amortie dont la fréquence est déterminée par le circuit de résonance inductance L / condensateur C couplé avec l’antenne qui constitue le circuit rayonnant.
Une émission en ondes amorties est donc composée d’une série de trains d’ondes et s’il y a n décharges par seconde du condensateur dans le circuit oscillant, l’émission comportera des oscillations de n trains d’ondes par seconde et à la réception, on entendra après détection un son de hauteur n.
La puissance mise en jeu dans le circuit oscillant émetteur est : P = ½•C•U•n
P : en watts.
C : en farads.
U : en volts. ( tension appliquée au condensateur C )
n : nombre de décharges du condensateur C par seconde.
Exemple: C de 1 microfarad, U de 1000 volts, n de 800 décharges par seconde, P sera de 400 watts dans le circuit L C (à la réception le signal est comparable à de la télégraphie type A2A modulé en 800 Hz). À la réception des ondes amorties d’un émetteur à bobine Tesla, l’écoute se rapproche de la tonalité saccadée d’une flûte. À la réception des ondes amorties d’un émetteur à Bobine de Ruhmkorff, l’écoute se rapproche d’un roulement ou d’un crépitement.
Le condensateur peut être chargé, soit par du courant alternatif, soit par du courant continu « haché », élevé à la valeur de tension voulue.
On désigne le « type d'ondes amorties » par la lettre B (avant 1982) : Ondes composées de séries successives d'oscillations dont l'amplitude, après avoir atteint un maximum, diminue graduellement, les trains d'ondes étant manipules suivant un code télégraphique. Ce procédé est à présent abandonné.
Émetteur à ondes amorties de bord (marine)
Station radiotélégraphique type : émetteur à ondes amorties.
L'émetteur radiotélégraphique de bord est alimenté par le même alternateur et transformateur que l'émetteur à arc qu'il remplace. L’alternateur est monté en bout d’arbre avec le moteur M alimenté par la dynamo du bord. Cette dynamo se trouve dans la salle des machines et risque par conséquent d’être noyée prématurément en cas d'avarie grave, c’est pourquoi il est prévu une alimentation de secours à « vibrateur » qui peut être branchée grâce à l’inverseur. Cette alimentation de secours doit obligatoirement se trouver dans les parties élevées du navire.
A1 (de gauche) est un ampèremètre qui permet de mesurer le courant primaire, At (de droite) est l’ampèremètre thermique d’antenne. V est le variomètre d’antenne permettant de parfaire le réglage de celle-ci sur la longueur d’onde désirée.
La bobine L utilise comme condensateur le volume de l'espace entre les spires et entre le circuit d'antenne et la Masse (électricité) ; seule la bobine L est accordable (sans condensateur visible).
Le vibrateur fournit du courant continu haché permettant d’utiliser un transformateur élévateur de tension à partir de sources à basse tension.
Ce matériel est simple et robuste, avec un rendement d'environ 50%. Cependant ces émetteurs ont l'inconvénient de rayonner sur une large bande de fréquence avec une émission très riche en harmoniques et dérivent en fréquence. Ce procédé est à présent abandonné.
Éclateur
Un éclateur simple se compose de deux électrodes conductrices dont l'espace interélectrode est immergé dans un gaz (l'air le plus souvent). Lorsqu'on applique une haute tension suffisante, une étincelle se forme dans l'espace entre les deux électrodes, cette étincelle ionise le gaz du milieu réduisant ainsi brutalement sa résistance électrique à un niveau très faible. Un courant électrique traverse alors le gaz jusqu'à ce que le chemin de gaz ionisé se casse ou que la valeur du courant descende en deçà d'une valeur appelée « courant de maintien ». Ceci a lieu d'habitude lorsque la tension entre les électrodes chute suffisamment, mais peut aussi être provoqué en refroidissant le chemin de l'étincelle ou encore en séparant physiquement les électrodes l'une de l'autre. En « cassant » ainsi la conductivité du gaz ionisé le condensateur peut se recharger et le cycle charge–décharge recommence. L'ionisation du gaz est à la fois brutale et violente (disruptif) et crée un son très sec allant du simple claquement pour une bougie d'allumageautomobile à une véritable déflagration dans le cas d'un espace interélectrode important. À ce moment, l'éclateur produit également de la lumière et de la chaleur.
Construction
Les premiers éclateurs montés dans les émetteurs radio sont de fabrications différentes selon la puissance mise en œuvre. Certains sont relativement simples est formés de plusieurs éclateurs à écartement fixe montés en série, d'autres sont sensiblement plus complexes. Parce que les électrodes sont très chaudes et érosives, leur refroidissement et leur usure sont une préoccupation constante. De plus, la puissance des émetteurs augmentant, apparaît le problème de l'« étouffement » de l'arc.
Par « étouffement » on entend le fait d'éteindre l'arc précédent formé dans l'éclateur. Ceci est infiniment plus délicat que d'envisager l'interruption simple de l'arc. À froid, un éclateur ne produisant pas d'étincelles ne contient pas de gaz ionisé. Une fois que la tension de rupture est atteinte entre les deux électrodes, les molécules de gaz de l'espace interélectrode sont extrêmement ionisées selon un chemin créant un arc électrique très chaud, ou plasma, qui consiste en un grand nombre d'ions ou d'électrons libres situés entre les deux électrodes. La chaleur de l'arc rend incandescente une partie des électrodes ce qui contribue à la création d'électrons libres par émission thermoïonique, ainsi que la création de vapeur de métal. Le mélange des ions et des électrons libres dans le plasma est extrêmement conducteur ce qui conduit à une chute importante et brutale de la résistance électrique dans l'espace interélectrode. Cet arc très conducteur permet la naissance d'oscillations dans le circuit LC. En revanche, le courant oscillant entretient l'arc jusqu'à ce qu'il soit étouffé, et pendant ce temps, le condensateur ne peut pas être rechargé pour l'impulsion suivante.
Étouffement de l'arc
Il existe différentes méthodes pour étouffer un arc :
un jet d'air comprimé qui refroidit, allonge puis « souffle » le plasma ;
le multi-plate discharger de Max Wien pour refroidir les arcs des émetteurs à étincelles de moyenne puissance est plus connu sous le nom d'« étincelle sifflante » (whistling spark) en raison de leur signal caractéristique ;
l'usage d'un gaz différent, l'hydrogène par exemple, qui éteint l'arc plus efficacement car le refroidissement des électrodes est meilleur ;
un champ magnétique produit soit par deux aimants permanents, soit par les pôles d'un électroaimant, orientés à angle droit par rapport à l'espace interélectrode, qui étirent et refroidissent l'arc.
Éclateur à décharges périodiques
L'extinction des arcs sur des émetteurs de plus en plus puissants a conduit au développement de l'éclateur à décharges périodiques. Ce système est utilisé avec une alimentation en courant alternatif qui produit des étincelles plus régulières et autorise des puissances supérieures aux émetteurs à étincelles conventionnels. Le dispositif comporte un disque rotatif interne qui est muni d'électrodes à sa périphérie qui viennent se placer face à des conducteurs situés sur la partie fixe autour du disque. Chaque fois qu'une des électrodes du disque se trouve dans l'alignement d'un des contacts sous haute tension, un arc apparait. En raison de la rotation du disque cet arc est rapidement étiré, puis refroidi et éteint.
Les éclateurs à décharges périodiques peuvent opérer en mode synchrone ou asynchrone. L'éclateur synchrone est piloté par un moteur synchrone à courant alternatif tournant à une vitesse fixe, et le rythme de production des étincelles est directement lié à la forme d'onde du courant alternatif qui recharge le condensateur du circuit oscillant final. Le point de l'onde correspondant au moment où les éclateurs sont au plus près peut être modifié en ajustant la position du rotor sur l'axe du moteur par rapport aux contacts du stator. En ajustant convenablement l'éclateur, l'arc ne sera produit que sur un pic de tension d'alimentation. Le taux de rupture est donc fixé à deux fois la fréquence d'alimentation soit, en général, de 100 à 120 ruptures par seconde. Les émetteurs à étincelles synchrones — lorsqu'ils sont convenablement réglés — délivrent la plus grosse partie de l'énergie à l'antenne. Cependant, l'usure progressive des électrodes modifie le point de déclenchement de l'arc ce qui complique la maintenance de ces équipements.
Les éclateurs asynchrones sont beaucoup plus courants. Dans ce cas, la vitesse de rotation du moteur est indépendante de la forme d'onde de la tension d'alimentation. Les éclateurs asynchrones fonctionnent très bien et sont beaucoup plus faciles à entretenir que les éclateurs synchrones. En augmentant le nombre des électrodes, ou en accroissant la vitesse de rotation du moteur, on peut atteindre des taux de rupture supérieurs à 400 ruptures par seconde. Étant donné que l'on peut obtenir un nombre d'étincelles supérieur au nombre d'inversions de polarité de la tension d'alimentation, le condensateur du circuit oscillant de puissance peut être chargé et déchargé plus rapidement que dans le cas d'un éclateur synchrone. En revanche, les décharges se produiront à des tensions différentes et inférieures à celles d'un pic de tension d'un éclateur synchrone.
Les éclateurs rotatifs permettent également de modifier la tonalité de l'émetteur car, soit en changeant le nombre d'électrodes, soit en faisant varier la vitesse de rotation du rotor, la fréquence de production des étincelles est modifiée. Ce changement est perceptible avec des récepteurs équipés des filtres appropriés, et ainsi l'opérateur est capable de distinguer les signaux d'émetteurs différents opérant sur la même fréquence. Classiquement, un émetteur à décharges périodiques de forte puissance fonctionne à l'aide d'un disque rotatif de 20 cm à 60 cm de diamètre, muni de 6 à 12 pointes qui permettent de commuter plusieurs milliers de volts.
La sortie d'un éclateur à décharges périodiques est commutée par un manipulateur de télégraphie spécial placé dans la ligne d'alimentation du système producteur de haute tension. Le manipulateur est muni de contacts importants pour supporter les courants élevés — qui peuvent être supérieurs à 20 A — du primaire basse tension du système d'alimentation.
Postes radiotélégraphiques en 1922
Stations côtières françaises travaillant en ondes amorties sur la longueur d'onde de 600 mètres (500 kHz) et sur la longueur d'onde de 300 mètres (1 000 kHz) au 1 mars 1922 ( ):
