Voir la source de Émetteur à arc

{{sources à lier|date=octobre 2012}}

L''''émetteur à arc''', aussi appelé '''convertisseur à arc''' ou '''arc de Poulsen''', selon le nom de son inventeur [[Valdemar Poulsen]], est utilisé pour convertir du [[courant continu]] en [[Radioélectricité|énergie radioélectrique]]<ref name="Patent789449">{{cite patent |inventor-first=Valdemar |inventor-last=Poulsen |inventorlink=Valdemar Poulsen |country-code=US |patent-number=789449 |titre=Method of producing alternating currents with a high number of vibrations |publication-date=10 June 1903 |issue-date=9 May 1905}}.</ref>{{,}}<ref name="Poulsen">{{ouvrage|langue=en |nature ouvrage= conférence|prénom=Valdemar |nom=Poulsen |lien auteur=Valdemar Poulsen |titre=System for producing continuous electric oscillations |collection=Transactions of the International Electrical Congress, St. Louis, 1904, Vol.&nbsp;2 |pages=963–971 |éditeur=J. R. Lyon Co. |date=12 September 1904 |url=https://books.google.com/books?id=JHgSAAAAYAAJ&pg=PA963 |consulté le=22 September 2013}}.</ref>. Il a été utilisé comme [[émetteur radio]] de 1903 jusqu'aux années 1920, lorsqu'il a été remplacé par des émetteurs à [[tube à vide]]. Ce circuit est l'un des premiers émetteurs capables de générer des ondes sinusoïdales continues et il a été l'une des premières technologies utilisées pour transmettre du son ([[modulation d'amplitude]]) par radio. Cet appareil est inscrit à la liste des évènements importants de l'IEEE (''[[Institute of Electrical and Electronics Engineers]]'', Institut du génie électronique et électrique [[États-Unis|américain]]).

== Historique ==

[[Fichier:Berliner Poulsen arc ship radiotelephone-colorized.jpg|thumb|Sur un navire, un des premiers émetteurs à arc radiotélégraphique et radiotéléphonique expérimental vers 1920.]]

[[Elihu Thomson]] a découvert qu'un arc au carbone shunté par un circuit accordé en série "chantait". Cet "arc chantant" était probablement limité aux fréquences audio<ref name="Little 1921 125">{{Harvsp|Little|1921|p=125}}</ref><!-- cette référence contredit partiellement les déclarations ci-dessous. Certaines sources Google indiquent que Duddell a breveté l'"arc chantant" -->. Le [[National Institute of Standards and Technology|Bureau des normes américain]] attribue à William Duddell le circuit résonant shunt vers 1900<ref>{{Harvsp|Bureau des normes|1922|p=404}}.</ref>.

L'ingénieur et électrophysicien britannique [[William Duddell]] a réalisé un [[Circuit LC|circuit résonnant]] en utilisant une [[Lampe à arc|lampe à arc au carbone]] qui oscille aux fréquences audio, ce qui lui valut le surnom d'« arc chantant » (vers [[1899 en science|1899]]). Dudell estime qu'il est impossible de faire osciller son arc aux [[Onde radio|fréquences radio]].

[[Fichier:Poulsen's first arc converter.jpg|vignette|Le premier convertisseur à arc de Poulsen, en 1903.]]
L'ingénieur danois [[Valdemar Poulsen]]<ref>Qui a présenté le « télégraphone » (le premier [[Bande magnétique|enregistreur magnétique]]) à l'[[Exposition universelle de 1900|exposition universelle de Paris en 1900]].</ref> 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 {{nobr|200 [[Hertz|kHz]]}} qui est [[brevet]]é en [[1903 en science|1903]]. Les premières années, ce type d'émetteurs continue à s'appeler à [[émetteur à arc chantant]]. Les oscillations auto-entretenues linéaires et non-linéaires générées par l'arc chantant sont étudiées en détail notamment par [[André Blondel]]<ref>{{article|auteur=M. Blondel|lien auteur=André Blondel|périodique=Journal de Physique Théorique et Appliquée 5 |pages=77-97 |année =1906
|DOI=10.1051/jphystap:01906005007700
|titre=Sur les phénomènes de l'arc chantant}}.</ref>.

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 fonds.

En 1909, les brevets américains ainsi que quelques convertisseurs d'arc ont été achetés par {{lien|fr=Cyril Frank Elwell}}. {{pourquoi|Du coup, les développements en [[Europe]] et aux [[États-Unis]] sont très différents<!-- ça ne semble pas logique, si il a acheté des brevets américains! -->}}, car en [[Europe]] il y a eu de graves difficultés pendant de nombreuses années pour mettre en œuvre la technologie de Poulsen, alors qu'aux États-Unis, un système commercial étendu de [[télégraphie|radiotélégraphie]] a été rapidement établi avec la {{lien|fr=Federal Telegraph Company}}. Plus tard, la [[Marine américaine]] a également adopté le système de Poulsen. Seul le convertisseur à arc avec conversion de fréquence passive était adapté à une utilisation portable et maritime. Cela en a fait le système de {{lien|fr=mobile radio}} le plus important pendant une dizaine d'années, jusqu'à ce qu'il soit supplanté par les systèmes à [[tube à vide]].

== Principe de l'émetteur à arc ==
[[Fichier:Émetteur à arc.JPG|thumb|Exemple et principe : émetteur à arc]]

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

[[Fichier:Poulsen arc converter circuit.png|vignette|upright=0.7|Circuit de base d'un convertisseur à arc, tiré de l'article de Poulsen de 1904 (indications ajoutées).]]
Sous son aspect industriel pour la marine, l’arc est soufflé par un [[électroaimant]] « ''M'' », 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 {{nobr|600 volts}}, la fréquence obtenue de [[500 kHz (maritime et aéronautique)|{{unité|500|kHz}}]], avec une puissance de l’ordre de plusieurs kilowatts.

Avec une tension d'alimentation de {{nobr|50 volts}}, l’intensité absorbée est de l’ordre de {{nobr|8 ampères}}, la fréquence obtenue de {{unité|500|kHz}} avec une puissance de l’ordre de {{nobr|150 [[watt]]s}} dans le [[Circuit LC|circuit L C]].

Le circuit LC permettent d'émettre sur une fréquence définie:
* Le [[Condensateur (électricité)|condensateur '''C{{ind|2}}''']] et l'[[inductance]] '''L''' forment un [[Circuit LC|circuit oscillant radioélectrique]] permettent d'émettre sur une fréquence définie et utilisant une [[Circuit LC#Sélectivité|bande de fréquence]].
* La fréquence de [[résonance]] <math>f_0</math> en [[hertz]] du [[Circuit LC|circuit d'accord]], '''L''' en [[henry (unité)|henry]], '''C{{ind|2}}''' en [[farad]] :
: <math>f_0 = {1 \over {2 \pi \sqrt{LC}}}</math>.
Pour qu'il y ait [[résonance]], la résistance R en [[Ohm (unité)|ohm]] du circuit d'accord doit être la plus faible possible : <math>R\le {\sqrt{4L \over {C}}}</math>

== Description ==
[[Fichier:Emetteur arc cw 1.jpg|thumb|upright|Schéma simplifié d'un émetteur à arc [[radiotélégraphie|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 [[Danemark|danois]].

L'émetteur à arc de Poulsen peut être comparé à un poste de [[Soudage à l’arc à l’électrode enrobée|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 [[Bobine (électricité)|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 [[Oscillateur (électronique)|oscillateur]]s basés sur le principe de la résistance négative, comme la [[diode à effet tunnel]] par exemple.
[[Fichier:Arc de Poulsen.svg|thumb|upright|left|Schéma simplifié d'un émetteur à arc de Poulsen.]]

=== Modulation et techniques de compensation ===
Étant donné que l'arc met un certain temps à s'amorcer et à se stabiliser, on ne peut pas manipuler cet émetteur en [[modulation tout ou rien]] (OOK) 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 [[Récepteur radio|station de réception]] est suffisamment sélective, l'opérateur pourra entendre le signal acoustique de la télégraphie classique lorsqu'il est réglé sur la fréquence correspondant au manipulateur en position abaissée. Dans cette méthode dite "méthode de l'onde de compensation", l'arc fonctionne en continu et le manipulateur modifie la fréquence de l'arc de un à cinq pour cent. Le signal à la fréquence non désirée était appelé "onde de compensation" ({{en anglais|compensation-wave}}). Dans les émetteurs à arc d'une puissance allant jusqu'à {{unité|70|kW}}, le manipulateur court-circuite généralement quelques tours de la bobine d'accord de l'antenne<ref>{{Harvsp|Bureau of Standards|1922|loc=figure 228}}. Le circuit accordé résonnant en série était la bobine d'antenne en série avec l'antenne.</ref>. Pour les arcs de puissance plus importante, la sortie de l'arc était couplée par transformateur à l'inducteur de l'antenne, et le manipulateur court-circuitait quelques tours inférieurs du secondaire mis à la terre<ref>{{Harvsp|Bureau of Standards|1922|loc=figure 229}}</ref>. Par conséquent, la "marque" (manipulateur fermé) était envoyée à une fréquence, et l'"espace" (manipulateur ouvert) à une autre fréquence. Si ces fréquences étaient suffisamment éloignées l'une de l'autre et que le [[Récepteur radio|récepteur]] de la station réceptrice avait une [[Sélectivité (radio)|sélectivité]] adéquate, la station réceptrice entendait le signal CW standard lorsqu'elle était syntonisée sur la fréquence de la "marque".

La méthode de l'onde de compensation utilise une grande partie de la largeur de bande du [[spectre d'émission]]. Elle transmet non seulement sur les deux fréquences prévues, mais aussi sur les [[Harmonique (physique)|harmonique]]s de ces fréquences. Les émissions des émetteurs d'arc de Poulsen sont riches en harmoniques. Vers [[1921 en science|1921]], la Conférence internationale préliminaire sur les communications<ref>Possiblement la Conférence internationale préliminaire sur les communications électriques, 1920 ; voir [https://www.archives.gov/research/guide-fed-records/groups/043.html] - chapitre 43.2.11</ref> a interdit la méthode de l'onde de compensation parce qu'elle causait trop d'interférences<ref name="Little 1921 125"/>.

La nécessité d'émettre des signaux à deux fréquences différentes a été éliminée par le développement de "méthodes à onde unique"<ref>{{Harvsp|Bureau of Standards|1922|pp=416-419}}</ref>. Dans une première méthode à onde unique, appelée "méthode d'allumage", le manipulateur de contact démarre et arrête l'arc. La chambre d'arc est équipée d'une tige "percuteur" qui court-circuite les deux électrodes par l'intermédiaire d'une résistance et éteint l'arc. Le manipulateur mettait sous tension un électro-aimant qui déplaçait le percuteur et rallumait l'arc. Pour que cette méthode fonctionne, la chambre d'arc doit être chaude. Cette méthode était utilisable pour les convertisseurs d'arc jusqu'à environ {{unité|5|kW}}.

Le [[lieutenant de vaisseau]] {{nobr|W. A. Eaton}} de l'US Navy a réussi à éliminer l'émission sur la seconde fréquence — lorsque le manipulateur est en position relevée — en envoyant son émission sur une charge [[Résistance (composant)|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 [[multiplicateur de fréquence|multiplicateurs de fréquence]] passifs pour élever la fréquence d'émission à des valeurs utilisables. Le multiplicateur de fréquence et le [[Adaptateur d'antenne|coupleur d'antenne]] doivent être suffisamment sélectifs pour éliminer le fort taux d'harmoniques de l'émetteur à arc.

Cette deuxième méthode à onde unique est appelée la "méthode d'absorption", et elle implique deux circuits accordés et un un manipulateur à fermeture avant rupture [[Commutateur (électromécanique)|SPDT]]. Lorsque le manipulateur est abaissé, l'arc est connecté à la bobine d'accord de l'antenne et à l'antenne. Lorsque le manipulateur est en position haute, l'arc est connecté à une {{lien|trad=Dummy load|fr=charge fictive|texte=antenne fictive}} accordée appelée "shunt arrière". Le shunt arrière était un second circuit accordé consistant en une inductance, un condensateur et une résistance de charge en série<ref>{{Harvsp|Bureau of Standards|1922|loc=figure 229-A}}</ref>{{,}}<ref>{{Harvsp|Eaton|1921}}</ref>. Ce second circuit est accordé à peu près à la même fréquence que la fréquence transmise ; il maintient l'arc en fonctionnement et absorbe la puissance de l'émetteur. L'invention de la méthode d'absorption est apparemment due à W. A. Eaton<ref name="Little 1921 125"/>.

Une autre technique de conception du circuit de commutation par la méthode d'absorption existe et occupe une place importante. Il s'agit de la commutation d'un arc à haute tension, les contacts du commutateur doivent donc être dotés d'une certaine forme de suppression d'arc. Eaton a fait en sorte que le manipulateur du télégraphe actionne des électro-aimants qui commandent un relais. Ce relais utilisait quatre jeux de contacts de commutation en série pour chacun des deux chemins (un vers l'antenne et un vers le shunt arrière). Chaque contact de relais était ponté par une résistance. Par conséquent, le commutateur n'était jamais complètement ouvert, mais il y avait beaucoup d'atténuation<ref>{{Harvsp|Eaton|1921|p=115}}</ref>.

== Radiotéléphonie ==
Dans l'émetteur à arc [[radiotéléphonie|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.
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Frederick Collins Inventor 1904.jpg|Frederick Collins, inventeur du dispositif de radiotéléphonie sans fil.
Radiotéléphonie arc.JPG|Schéma de principe : émetteur à arc radiotéléphonique.
</gallery>

== Histoire des émetteurs de puissance à arc ==
En 1912, les premiers émetteurs commerciaux à arc de puissance HF construits pour la marine militaire américaine atteignent {{unité|25|kW}}. Cette technologie permet d'atteindre des navires en mer en se passant de la technologie des câbles sous-marins saturés par le nombre limité de communications.
[[Fichier:Poulsen arc 1MW transmitter.jpg|vignette |Émetteur à arc de {{unité|1|MW}} équipant l'[[émetteur de Lafayette]] (fabriqué par Federal Telegraph Co., 1919).]]
L'émetteur le plus puissant au monde réalisé sur ce principe est celui de l'[[émetteur de Lafayette]] construit à la fin de la [[Première Guerre mondiale|première guerre mondiale]] (entre 1918 et 1920) pour des liaisons transatlantiques; il consommait une puissance de {{unité|1|MW}} pour une puissance moyenne émise de {{unité|500|kW}} avec un électro-aimant de 17000 gauss pesant {{nobr|60 tonnes}}.
Son fabricant Federal Telegraph Co.<ref name=wartime>{{chapitre |langue=en|url=https://babel.hathitrust.org/cgi/pt?id=uiug.30112064674325&view=1up&seq=253 |titre chapitre=Wartime Expansion of United States Naval Communications System|titre ouvrage=History of Communications-Electronics in the United States Navy|auteur=Captain Linwood S. Howeth, USN (Retired)|date=1963|passage= 237–251, 253}}.</ref> prévoyait la construction d'émetteurs jusqu'à {{unité|5|MW}} mais le faible rendement et le coût de ce système associé à la pollution spectrale générée par le procédé de [[modulation de fréquence]] ont mis fin à la dizaine d'années de suprématie de cette technologie plébiscitée par la marine militaire américaine. La technologie des émetteurs à lampe et son coût réduit ont fini par s'imposer notamment avec l'explosion des stations de radiodiffusion commerciale dans les [[années 1920]].

En 1922, le [[NIST|Bureau des normes américain]] a déclaré que {{citation|l'arc est l'appareil de transmission le plus utilisé pour les travaux à grande puissance et à longue distance. On estime que l'arc est aujourd'hui à l'origine de 80 % de toute l'énergie effectivement émise dans l'espace à des fins radiophoniques pendant une période donnée, si l'on exclut les stations d'amateurs<ref>{{Harvsp|Bureau des normes|1922|p=400}}</ref>.}}

== Notes et références ==
{{Références}}
{{Traduction/Référence|en|Arc converter|271383229}}

== Voir aussi ==
=== Articles connexes ===
* [[Histoire de la radio]]
* [[Émetteur d'ondes radioélectriques]]
* [[Émetteur à étincelles]]
* [[Émetteur à ondes amorties]]
* [[Télégraphie sans fil]]
* [[Émetteur de Lafayette]]

=== Sources ===
* Les conférences de Poincaré sur la TSF. [[Henri Poincaré]] parle des émetteurs à arc. Revue ''La lumière électrique'', tome IV, {{2e|série}} ({{n°|52}}, {{date-|26 décembre 1908}}), {{p.|387-393}}. Conférence de 1908 en ligne et commentée sur le site [http://www.bibnum.education.fr/sciencesdeling%C3%A9nieur/t%C3%A9l%C3%A9communications/les-conf%C3%A9rences-de-poincar%C3%A9-sur-la-tsf BibNum].
* {{en}} ''Principles of Radio Communication'' (Principes de radio communication), Morecroft JH, Pinto A & Curry WA;  [[John Wiley & Sons]] Inc (New York), 1921.
* {{en}} ''History of Communications-Electronics in the United States Navy'' (Histoire des communications électroniques dans la Marine des États-Unis), Capitaine de vaisseau Linwood S. Howeth, [[United States Navy|US Navy]] (retraité), U.S. Govt. Print. Office, 1963.

==Liens externes==
* {{chapitre|langue=en|url=http://oz6gh.byethost33.com/poulsenarc.htm|titre chapitre=Modulation of the Poulsen arc|titre ouvrage= Radio Telephony|année= 1918 |auteur ouvrage= Alfred N. Goldsmith}}. La page en ligne présente également des articles encyclopédiques sur l'arc de Poulsen ({{en}} Harmsworth's Wireless Encyclopedia (1924) ; {{de}} Grundriss der Funken-Telegraphie (1920)) et des photos d'équipements historiques.
* {{Lien web|langue=en|url=http://www.stenomuseet.dk/person/hb.ukref.htm|archive-url=https://web.archive.org/web/20120210081832/http://www.stenomuseet.dk/person/hb.ukref.htm|titre=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'', |auteur=Hans Buhl|année= 1995|site=stenomuseet.dk|archive-date=2012-02-10|consulté le=8 septembre 2023}}.
*{{lien web|langue=en|auteur1=|auteur=David L. Quinlan|url=https://pe2bz.philpem.me.uk/Comm/-%20ELF-VLF/-%20Info/-%20History/PoulsenArcOscillator/poulsen1.htm|titre=A Working Poulsen Arc Oscillator - Revisiting A Longwave Transmitting Classic|site=pe2bz.philpem.me.uk|consulté le=8 septembre 2023}}.
{{Liens}}

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{{DEFAULTSORT:Emetteur a etincelles}}
[[Catégorie:Science et technique liée à l'histoire de la radio]]
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