Émetteur à arc

Sur un navire, un des premiers émetteur à arc radiotélégraphique et radiotéléphonique expérimental vers 1920.

L'ingénieur et électrophysicien britannique William Duddell a réalisé un circuit résonnant en utilisant une lampe à arc au carbone qui oscille aux fréquences audio, ce qui lui valut le surnom d'« arc chantant ». Dudell estime qu'il est impossible de faire osciller son arc aux fréquences radio.

Valdemar Poulsen[1] s'empare de la question et réussit à élever l'efficacité et la fréquence aux niveaux souhaités ; l'émetteur à arc de Poulsen génère des fréquences jusqu'à 200 kHz qui est breveté en 1903.

En 1906, après quelques années de mise au point, la technologie de l'émetteur à arc est transférée en Allemagne et en Grande-Bretagne par Poulsen, son collaborateur Peder Oluf Pedersen, ainsi que leurs bailleurs de fond.

En 1909, Cyril F. Elwell rachète les brevets américains et quelques émetteurs à arc. Du coup, les développements en Europe et aux États-Unis sont très différents. En Europe la technologie de Poulsen rencontre de grosses difficultés à s'implanter pendant plusieurs années, alors qu'aux États-Unis un système de radiotélégraphie largement répandu a très vite vu le jour. Plus tard, l'US Navy adopte le système Poulsen à son tour. Seul l'émetteur à arc à conversion de fréquence passive peut convenir à l'usage portable ou maritime. L'émetteur à arc de Poulsen est le système de radio mobile le plus important durant une dizaine d'années, jusqu'à l'apparition des tubes électroniques à vide.

Exemple et principe : émetteur à arc

Si on place en dérivation sur un arc électrique « A » (jaillissant entre deux électrodes reliées à une source continue) une capacité suivie d’une bobine, on constate que ce circuit résonateur « LC » est le siège d’oscillations entretenues. Les oscillations entretenues sont couplées à l'antenne radioélectrique qui permet d'émettre l'onde radio. Ce matériel est simple et robuste, avec un rendement d'environ 40 %.

Sous son aspect industriel pour la marine, l’arc est soufflé par un électroaimant, ceci dans le but de l’allonger pour obtenir une meilleure stabilité ; la cathode (–) est en carbone, l’anode (+) en cuivre et refroidie par une circulation d’eau ; l’arc jaillit dans une atmosphère de vapeur d’alcool ; la tension appliquée est de l’ordre de 600 volts, la fréquence obtenue de 500 kHz, avec une puissance de l’ordre de plusieurs kilowatts.

Avec une tension d'alimentation de 50 volts, l’intensité absorbée est de l’ordre de 8 ampères, la fréquence obtenue de 500 kHz avec une puissance de l’ordre de 150 watts dans le circuit L C.

Le circuit LC permettent d'émettre sur une fréquence définie:

• Le condensateur C₂ et l'inductance L forment un circuit oscillant radioélectrique permettent d'émettre sur une fréquence définie et utilisant une bande de fréquence.
• La fréquence de résonance ${\displaystyle f_{0}}$ en hertz du circuit d'accord, L en henry, C₂ en farad :

${\displaystyle f_{0}={1 \over {2\pi {\sqrt {LC}}}}}$.

Pour qu'il y ait résonance, la résistance R en ohm du circuit d'accord doit être la plus faible possible : ${\displaystyle R\leq {\sqrt {4L \over {C}}}}$

Schéma simplifié d'un émetteur à arc radiotélégraphique.

Contrairement à l'émetteur à étincelles, l'émetteur à arc de Poulsen génère une onde entretenue, ou onde continue, ce qui est une donnée très importante car les ondes amorties sont moins efficaces et créent des interférences en s'étalant sur une grande partie de la bande de fréquences utilisée. Cette méthode sophistiquée de production d'ondes radioélectriques est développée, à l'origine, par Valdemar Poulsen, un chercheur danois.

L'émetteur à arc de Poulsen peut être comparé à un poste de soudure à l'arc en continu, muni d'un circuit accordé connecté au travers de l'arc. Les caractéristiques de la résistance négative de l'arc électrique permet la création d'une oscillation de relaxation qui convertit le courant continu en énergie radioélectrique. L'émetteur à arc consiste en une chambre de bronze refroidie à l'eau dans laquelle se produit l'arc dans de l'hydrogène entre une cathode de carbone et une anode de cuivre refroidie elle aussi par un circuit d'eau. Sur le dessus et le dessous de cette chambre se trouvent deux séries de bobinages qui entourent les deux pôles du circuit magnétique et leurs procurent l'énergie. Ces pôles pénètrent dans la chambre, de part et d'autre de l'arc, et génèrent un champ magnétique. Ce champ permet de stabiliser l'arc et améliore l'efficacité résultante du système. Aujourd'hui encore on peut trouver des oscillateurs basés sur le principe de la résistance négative, comme la diode à effet tunnel par exemple.

Schéma simplifié d'un émetteur à arc de Poulsen.

Étant donné que l'arc met un certain temps à s'amorcer et à se stabiliser, on ne peut pas manipuler cet émetteur en tout–ou–rien pour la télégraphie. On utilise donc une sorte de modulation par déplacement de fréquence. Dans ce cas, l'arc est en fonctionnement permanent et une partie du circuit LC (une ou deux spires) est en court-circuit lorsque le manipulateur est abaissé. Ainsi l'émission se fera sur deux fréquences différentes selon que le manipulateur est abaissé ou non. Si ces fréquences sont suffisamment différentes (de l'ordre de 5 %), et que la station de réception est suffisamment sélective, l'opérateur pourra entendre de la télégraphie classique lorsqu'il est réglé sur la fréquence correspondant au manipulateur en position abaissée. Le lieutenant de vaisseau W. A. Eaton de l'US Navy a réussi à éliminer l'émission sur la seconde fréquences — lorsque le manipulateur est en position relevée — en envoyant son émission sur une charge résistive non-inductive et non-rayonnante ; de cette façon, seule la fréquence correspondant au manipulateur abaissé est émise.

Le système est très efficace sur les bandes de fréquences de quelques kilohertz à quelques dizaines de kilohertz. On emploie des multiplicateurs de fréquence passifs pour élever la fréquence d'émission à des valeurs utilisables. Le multiplicateur de fréquence et le coupleur d'antenne doivent être suffisamment sélectifs pour éliminer le fort taux d'harmoniques de l'émetteur à arc.

Dans l'émetteur à arc radiotéléphonique créé en 1904, un transformateur T1 module l'alimentation de l'arc électrique E. L'émetteur transmet une modulation d'amplitude en radiotéléphonie sur la fréquence de résonance du circuit T2 et C. Ce transformateur T1 est alimenté par une source d'énergie P modulée par un microphone à charbon. Ce procédé obsolète est à présent abandonné.

• 
  Frederick Collins, inventeur du dispositif de radiotéléphonie sans fil.
• 
  Schéma de principe : émetteur à arc radiotéléphonique.

• (en) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « Arc converter » (voir la liste des auteurs).