Émetteur à étincelles - Définition
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Introduction
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
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
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.
