Leçon N°36-1

LEÇON N°36-1 NIVEAU 2

LE COURS

Apprendre l’électronique en partant de zéro Les oscillateurs HF

La théorie

Dans le domaine de l’émission, les jeunes, avec la soif de connaître qui les caractérise, sont toujours à la recherche de documents expliquant comment concevoir et construire un émetteur. Hélas, bien peu de livres traitent de ce sujet de manière vraiment satisfaisante : ils sont en effet trop théoriques et bourrés de formules mathématiques complexes et rebutantes. Les jeunes ont besoin d’entendre un langage simple permettant de comprendre très vite comment fonctionne un émetteur.

C’est justement pour combler cette attente que nous vous proposons cette Leçon 36, en deux parties, consacrée aux oscillateurs HF, soit l’étage de base de tout émetteur. Vous le constaterez vous-mêmes, la haute fréquence n’est pas aussi difficile que certains le soutiennent car, lorsque nous vous aurons révélé tous les petits (et les grands !) secrets à connaître absolument pour pouvoir la pratiquer, vous serez en mesure de réaliser tout seuls n’importe quel émetteur.

a deuxième partie (pratique) vous accompagnera dans le montage d’un VFO, d’une sonde de charge et d’un très petit émetteur FM : votre satisfaction sera grande quand vous constaterez que vous réussissez à envoyer une voix ou des sons à dis- tance et ce sans les galères que vous redoutiez ! La leçon suivante (Leçon numéro 37) vous initiera aux oscilla- teurs à quartz, aux récepteurs super- hétérodynes et aux amplificateurs de puissance.

Mais nous n’en sommes pas là : com- mençons, dans cette première par- tie, par un peu de théorie déjà orien-

tée, vous allez le voir, vers la mise en œuvre concrète.

Depuis les temps les plus reculés l’homme a toujours cherché un moyen pour communiquer à longue distance et le premier à résoudre ce problème ne fut pas l’homme blanc : en effet, les premiers explorateurs du continent africain découvrent que les autochto- nes envoient leurs messages à dis- tance en frappant des troncs d’arbres. Les pionniers, en traversant l’Amé- rique du Nord, remarquent que les Peaux-rouges informent leur tribu de l’approche d’un troupeau de bisons ou d’un adversaire menaçant, avec des nuages de fumée.

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LE COURS

L’homme blanc, lui, se considérant plus progressiste, envoyait ses mes- sages à grande distance en se ser- vant de pigeons voyageurs. C’est seu- lement après l’invention du téléphone qu’il entre en possession d’un moyen de communication très valable mais présentant un inconvénient majeur : la nécessité de dérouler des kilomè- tres de fil, ce qui limite à la terre ferme, excluant la mer et les mobiles (bateaux, voitures et aéronefs).

En 1895 l’invention de la radio résout le problème. Aujourd’hui, il lui suffit d’acheter une petite radio constituée de quelques transistors pour capter paroles, musiques et tous autres messages transmis à des milliers de kilomètres, ou bien un minuscule téléphone portable pour communiquer immédiatement une information à son voisin de palier ou à un parent à Papeete ou à Vancouver.

Si, grâce à la radio, la voix humaine ne connaît plus d’obstacle, il est néces- saire que les jeunes étudiant l’élec- tronique sachent comment recevoir un signal radio, mais également comment émettre un signal : cette leçon est con- sacrée à ce dernier point.

Nombreux sont encore aujourd’hui ceux qui considèrent la HF délicate et difficile : mais c’est parce qu’ils n’ont pas trouvé des sources valables expli- quant simplement tout ce qu’il faut savoir. Certaines revues, en effet, vou- draient l’enseigner, mais elles se con- tentent de copier les schémas des publications américaines, ou les notes d’applications des constructeurs, sans les essayer, sans avoir monté effecti- vement le circuit : le lecteur confiant est alors “jeté en pâture” au hasard !

Le montage ne fonctionne pas et quand le lecteur demande de l’aide à la revue, il s’entend répondre que pour réussir en HF il faut être un bon connaisseur et disposer d’un labo spécifique avec fréquencemètre, analyseur de spectre et oscilloscope. Cette déconvenue fait souvent de lui quelqu’un de méfiant désormais envers tout ce qui touche à la HF. En fait, les instruments de mesure susnommés sont utiles mais non strictement nécessaires et les premiers techniciens n’en disposaient pas… et pour cause ! Ils se conten- taient d’un simple galvanomètre qu’on n’appelait pas encore multimètre.

Si vous suivez attentivement cette leçon, vous verrez qu’il est plus facile de construire un émetteur qu’un récep- teur ou un amplificateur BF.

Figure 288 : Avant l’invention du télépho- ne, l’homme blanc communique à distan- ce par télégraphe en transmettant des traits et des points (alphabet Morse). La première ligne télégraphique fut inaugu- rée aux Etats-Unis entre Washington et Baltimore le 24 mai 1844.

L’étage oscillateur HF

Pour réaliser tout émetteur, il est nécessaire de partir d’un oscillateur produisant un signal HF. Si nous vou- lons, par exemple, émettre en Ondes Moyennes, il faut avant tout réaliser un oscillateur HF produisant ces fréquen- ces. Si l’on veut émettre sur 14,5 MHz, soit sur la gamme Ondes Courtes, il est nécessaire de réaliser un étage oscillateur produisant un signal HF sur la fréquence de 14,5 MHz. Pour émet- tre sur la gamme des 88 à 108 MHz, il faut réaliser un étage oscillateur pou- vant produire ces fréquences.

L1

C1

Figure 289 : Pour s’accorder sur une fréquence, il faut un circuit constitué d’une self L1 avec, en pa- rallèle, un condensateur C1.

L1

C1

Figure 290 : Au lieu d’utiliser un condensateur à capacité fixe, dans tous les circuits d’accord, on utili- se, en parallèle à la self L1, un con- densateur variable ou un condensa- teur ajustable C1.

Figure 285 : Les autochtones d’Afrique utilisent depuis longtemps la percussion de troncs d’arbres pour envoyer leurs messages à distance.

Figure 286 : Ceux d’Amérique du Nord, les Peaux rouges, se servaient de nua- ges de fumée pour avertir leurs tribus de l’arrivée des Visages pâles redoutés.

Figure 287 : Le téléphone est utilisé pour la première fois en Amérique, au début de l’année 1877.

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Fréquence MHz = 159 :

C1 pF x L1 µH

L1 µH = 25 300 : ( MHz x MHz ) x C1 pF

C1 pF = 25 300 : ( MHz x MHz ) x L1 µH

Figure 291 : Au tableau noir, toutes les formules permettant de trouver les va- leurs de fréquence, capacité et inductance.

Etant donné que la puissance délivrée par un étage oscillateur est dérisoire, pour l’augmenter, il suffit d’ajouter à sa suite des étages amplificateurs de puissance, comme d’ailleurs on le fait pour les amplificateurs BF. En effet, lorsqu’en BF nous amplifions le signal capté par un microphone avec un seul transistor, celui-ci n’est pas en mesure de fournir en sortie une puissance suffisante pour piloter un haut-parleur de 30 ou même de 5 W. Pour ce faire, il est nécessaire d’am- plifier le signal reçu par le microphone avec des transistors de puissance jus- qu’à l’obtention des watts requis.

Sachant que les oscillateurs fournis- sent en sortie quelques milliwatts seulement, pour réaliser un émetteur de 3 ou 50 W, il faut amplifier ce signal avec des transistors de puis- sance jusqu’à obtenir la puissance (les watts) requis.

Le choix du transistor oscillateur

Pour réaliser un étage oscillateur, il faut choisir des transistors ayant un gain non inférieur à 50. Avec un gain inférieur, la puissance sera plus faible. Pour connaître le gain d’un transistor, vous pouvez réaliser le Testeur de tran- sistors EN5014 proposé dans la Leçon 17 du numéro 17 d’ELM.

En plus du gain, il est nécessaire de choisir un transistor ayant une fré- quence de coupure supérieure à celle sur laquelle on veut le faire osciller. La fréquence de coupure est la fréquence limite que le transistor est en mesure d’amplifier. Si les caractéristiques d’un transistor indiquent une fréquence de coupure de 30 MHz, nous pouvons réa- liser un oscillateur oscillant sur n’im- porte quelle fréquence de 0,01 MHz jusqu’à 29 MHz, mais nous ne pour- rons pas le faire osciller au-delà d’une fréquence de 30 MHz. Pour réaliser un étage oscillateur produisant une fré- quence de 150 MHz, nous devons choi- sir un transistor dont la fréquence de coupure soit supérieure à 200 MHz.

La fréquence de coupure d’un transis- tor peut être comparée à la vitesse maximale qu’une voiture peut attein- dre. Si un véhicule peut atteindre une vitesse maximale de 90 km/h, une per- sonne peut s’y déplacer à 30, 50 ou 80 km/h mais pas à plus de 90 km/h. Si notre voiture peut aller à 200 km/h, nous pouvons nous y déplacer à 30, 50, 80 et même 195 km/h mais pas à plus de 200 km/h.

La fréquence d’émission

La fréquence d’émission est déter- minée par le circuit d’accord (figure 289), composé d’une self et d’un

A B O N N E Z - V O U S A

R4

C5

C4

C1

R2

C2

L1

R1

TR1

B

C

E

R3

C3

Figure 292 : Dans un schéma élec- trique, tous les points de masse sont toujours situés à côté des composants, afin d’éviter les croi- sements complexes de fils rendant le schéma illisible.

C1

L1

R2

C4

R4

C5

R1

C2

TR1

C

E

B

R3

C3

MASSE

Figure 293 : Dans un étage oscillateur ou amplificateur HF, on ne doit jamais relier à des points de masse éloignés les extrémités des condensateurs et des résistances, au risque de faire auto- osciller le circuit.

C2

TR1 C

R2

B

R4

E

R3

C4

C5

L1

R1

C1

C3

MASSE

Figure 294 : Toutes les extrémités des résistances ou des condensa- teurs présents dans notre oscilla- teur sont reliées à une unique piste de masse (R1, C4).

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condensateur. Si pour connaître la capacité d’un condensateur il suffit de lire sa valeur en pF écrite sur son boîtier ou son enrobage, connaî- tre l’inductance en µH d’une self est en revanche un peu plus difficile : en effet, si l’on ne dispose pas d’un inductancemètre numérique, il n’y a qu’une seule possibilité, calculer sa valeur en µH en utilisant la formule et les exemples reportés en fin de leçon (seconde par tie).

L’inductance d’une self et la capacité d’un condensateur

Connaissant la valeur en µH d’une self L1 et celle en pF d’un condensateur C1 en parallèle (figure 289), il est possible de calculer avec une bonne approxima- tion la fréquence produite en utilisant la formule :

fréquence MHz = 159 : racine C1 pF x L1 µH.

Connaissant la valeur en MHz de la fréquence que l’on veut produire et la valeur en pF de C1, il est possible de calculer avec une bonne approximation la valeur de la self en µH en utilisant la formule :

L1 µH = 25 300 : [(MHz x MHz) x C1 pF].

Connaissant la valeur en MHz de la fréquence que l’on veut produire et la valeur en µH de L1, il est possible de calculer avec une bonne approximation la valeur du condensateur en pF en uti- lisant la formule :

C1 pF = 25 300 : [(MHz x MHz) x L1 µH].

Note : Le symbole µH signifie micro- henry et pF picofarad. Si nous voulons réaliser un étage oscillateur produisant une fréquence de 90 MHz en utilisant un condensa- teur de 30 pF, calculons tout d’abord la valeur en µH de L1 :

L1 µH = 25 300 : [(MHz x MHz) x C1 pF] soit 25 300 : [(90 x 90) x 30] = 0,1 µH.

Donc une self de 0,1 µH en parallèle avec un condensateur de 30 pF don- nera, en théorie, une fréquence de :

159 : racine 30 x 0,1 = 91,79 MHz.

Une fréquence trouvée par calcul mathématique est toujours approxi- mative, car elle ne tient pas compte

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CÔTÉ CHAUD

B

C

E

CÔTÉ FROID

Figure 295 : Le côté froid de cette self est celui relié à la masse et le côté chaud est celui relié à la base.

NOYAU

NOYAU

COTÉ CHAUD

COTÉ FROID

B

C

E

Figure 296 : Le côté froid de cette self est celui relié au + et le côté chaud celui relié au collecteur.

de la tolérance des composants (envi- ron 10 %) ni des capacités parasites (inconnues) du circuit. Si cette capacité parasite est de 5 pF, en l’ajoutant à celle du condensateur, nous obtenons 35 pF environ et, avec cette capacité totale, l’oscillation se fera sur :

159 : racine 35 x 0,1 = 84,98 MHz.

Comme il est difficile de connaître cette valeur de capacité parasite, dans tous les circuits d’accord, on insère, à la place du condensateur de capacité fixe, un condensateur variable ou ajus-

table (figure 290) pouvant être réglé jusqu’à l’obtention de la fréquence d’oscillation désirée.

Les secrets des oscillateurs

Les oscillateurs permettant une varia- tion de la fréquence par variation de la capacité du condensateur (conden- sateur variable ou ajustable) monté en parallèle à la self, s’appellent des VFO ou “Variable Frequency Oscilla- tor” (oscillateur à fréquence variable). Les figures 298 à 301 présentent

DIMINUE INDUCTANCE

AUGMENTE INDUCTANCE

Figure 297 : Si vous bobinez des selfs à spires espacées, n’oubliez pas qu’en espaçant les spires vous diminuez l’inductance et qu’en les serrant vous l’aug- mentez.

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sommé par le transistor serait plus important et non pas son rende- ment.

5 - Si le VFO est utilisé pour piloter des transistors de puissance, il est toujours vivement conseillé de le faire suivre par un étage sépara- teur constitué d’un FET ou d’un transistor : cet étage séparateur, n’amplifiant pas le signal, sert seu- lement à ne pas surcharger l’étage oscillateur. Si le signal produit est amplifié par des transistors de puissance, il est préférable de blin- der l’étage oscillateur en le proté- geant avec un boîtier métallique : ainsi, on évite que la self oscilla- trice ne capte par voie inductive le signal HF présent à la sortie du final de puissance, ce qui rendrait le montage instable.

6 - Le transistor ou FET utilisé n’a pas besoin de consommer un courant élevé. Le courant d’un transistor oscillateur doit être d’environ 10 à 12 mA et celui d’un FET de 9 à 10 mA.

Les schémas de VFO

Les pages suivantes vous proposent quelques schémas électriques de dif- férents VFO lesquels, une fois mon- tés, fonctionnent tout de suite. Si l’étage oscillateur utilise un transis- tor, tournez le curseur du trimmer pour obtenir un courant de 10 à 11 mA et s’il utilise un FET, de 6 à 7 mA. Sous chaque schéma, nous avons repor té aussi la valeur de la tension lue sur la sonde de charge EN5037 (réalisation dans la deuxième par tie) reliée à la sor tie de l’étage oscilla-

teur (figure 315). Le Tableau 15 est très utile pour savoir quelles fréquen- ces minimales et maximales on peut obtenir en mettant en œuvre une self dont la valeur en µH figure dans la deuxième colonne et un condensa- teur en parallèle (condensateur varia- ble ou condensateur ajustable) dont la capacité en pF est dans la troi- sième colonne. Pour l’agrémenter, les autres colonnes indiquent le diamètre du suppor t, le nombre de spires, le diamètre du fil et la longueur totale de l’enroulement de la self.

Pour bobiner les selfs, vous pouvez aussi utiliser un suppor t d’un diamè- tre différent de celui indiqué (même chose pour le diamètre du fil) : si vous prenez un diamètre plus petit, vous devez enrouler plus de spires et si vous choisissez un diamètre plus grand, moins de spires. Si, après avoir réalisé la self, vous constatez que l’oscillateur ne par vient pas à atteindre les fréquences hautes de la gamme choisie, coupez quelques spi- res et si ce sont les fréquences bas- ses qui se trouvent hors d’atteinte, vous pouvez monter en parallèle avec le condensateur ajustable un conden- sateur céramique fixe de 10, 12 ou 18 pF. Si la self est à spires espa- cées, pour descendre en fréquence, il suffit de serrer les spires davantage et pour monter en fréquence de les espacer davantage (figure 297).

Si vous utilisez un support (cela s’ap- pelle un mandrin) avec noyau ferroma- gnétique, donc un mandrin à noyau (figures 295 et 296), n’oubliez pas qu’au plus vous vissez ce noyau à l’in- térieur du mandrin au plus vous aug- mentez la valeur en µH (l’inductance) (cid:1) de la self.

les schémas classiques des oscilla- teurs à transistors et les figures 302 à 305 ceux à FET. Vous le voyez, les schémas sont très simples, mais pour les faire fonctionner, il faut respecter quelques règles fondamentales :

1 - Monter le condensateur d’accord (mais ce peut être une diode vari- cap) très près des deux extrémités de la self.

2 - Faire des connexions très courtes entre le réseau d’accord L/C et le transistor, surtout si l’on veut dépasser 15 MHz.

3 - Les extrémités des résistances et du condensateur allant à la masse ne doivent pas être reliées au hasard à une piste quelcon- que de masse (figure 293), car l’étage oscillateur risquerait de produire une infinité de fréquen- ces indésirables. Tous les compo- sants d’un étage oscillateur doi- vent être reliés à une unique piste de masse. La figure 294 vous donne un exemple dans lequel C4 est relié à la même piste de masse que L1, C1 et R1.

4 - Si la self d’accord est pourvue d’un noyau ferromagnétique, ce dernier est à insérer du côté froid de la self. On entend par “côté froid” le côté de la self dont l’ex- trémité du fil est reliée à la masse (figure 295). Si la self est reliée au collecteur du transistor, le côté froid est celui dont l’extrémité du fil est reliée au positif de la tension d’alimentation (figure 296). Si l’on insérait ce noyau du côté opposé (côté chaud), l’oscillateur fonction- nerait aussi, mais le courant con-