Claude Barbier Radio-club F5ILY d’Antibes

Cours de préparation

à l’examen de RADIO AMATEUR

Deuxième Partie

L’électronique

La Radio Les Appareils de mesure

Le monde de l’électronique

Sujets Pages Sujets Pages La matière 1 - Les trois montages du transistor 9 - Constitution d’un atome 1 - Montage à émetteur commun 9

- Composition des atomes (tableau) 2 - Montage à base commune 9 - Montage à collecteur commun 10 Les tubes à vide 3

- La diode 3 - Les transistors à effet de champ 10 - La Triode 3 - Montage à source commune 10 - La Tétrode 4 - Montage à source commune 11 - La Pentode - Montage à drain commun 11 Les semi-conducteurs 4 - Le transistor Darlington 11 - La diode 5 - Le thyristor 11 - Caractéristiques des diodes 5 - Le diac 11

- Barrière de potentiel 5 - Le triac 11 - Tension inverse 5 - La diode comme redresseur de courant 5 Les circuits intégrés 11

- Montage avec transfo à point milieu 6 Les circuits logiques 12 - Montage avec pont de diodes 6 - Circuit Inverseur 12 - La diode et l’extra-courant de rupture 6 - Circuit ET (AND) et NON-ET (NAND) 12 - Autres types de diodes 6 - Circuit OU et NON-OU (NOR) 12

- Diodes Varicap 6 - Circuit OU EXCLUSIF 12 - Diodes Zener 6 - Diodes Electro-Luminescentes (LED’s) 7 L’Amplificateur opérationnel 13 - Photodiodes 7 - L’AOP utilisé en ampli non inverseur 13

- Diodes à effet tunnel 7 - L’AOP utilisé en ampli inverseur 14 - Diodes à effet Gunn 7 - Diodes Schottky 7 Le NE555 15 - Le 555 testeur de tension 15 Les transistors 7 - Le 555 temporisateur (monostable) 15 - Le transistor de type PNP 7 - Le 555 oscillateur (astable) 16 - Le transistor de type NPN 8

- Caractéristiques des transistors 8 - Le Gain en tension : a (alpha) 8 - Le Gain en courant : b (bêta) 8

- Polarisation des transistors 8 - Tension de polarisation 8 - Montage simple 8 - Montage un peu plus stable 8 - Montage stable 8

Le monde de la Radio

Sujets Pages Sujets Pages - Onde - Longueur d’onde 17 1- Le Microphone 26 Les oscillateurs 18 Le micro à charbon 26 - Montage Hartley 18 Le micro électro-dynamique 26 - Montage Colpitts 18 2- Modulation d’Amplitude de l’onde HF 26 - Montage Clapp 19 Emission de type BLU 27 - Oscillateur Pierce 19 Le Module équilibré 28 Propriétés et limites des oscillateurs 19 Emission en Modulation de fréquence 29 Fréquence fondamentale et harmoniques 19 - L’excursion de fréquence 29 L'oscillateur contrôlé par tension (VCO) 19 - Le modulateur de fréquence 29 La boucle à verrouillage de phase ( PLL) 20 L’émetteur FM 29 Propagation des ondes dans l’espace 20 Les récepteurs 30 - Les couches de l'atmosphère 20 - Généralités 30 - ondes de sol - Fading 20 - Montage superhétérodyne 30 - ondes ionosphériques 21 - Fréquence image 31 Le fading (évanouissement) 21 Qualités attendues d'un étage HF 31 Qualités attendues d'un étage FI 31 Les lignes de transmission 21 Synoptique d’un récepteur 31 La ligne coaxiale 21 - étage ampli HF (ou RF), 31 La ligne bifilaire 22 - étage mélangeur 31 Adaptations des impédances 22 - étage ampli MF (ou FI) 31

Ligne ¼ d’onde ou multiple IMPAIR 22 - étage d’amplification du signal BF 31 Ligne ½ onde ou multiple PAIR 22 La démodulation 32 - AM : détecteur d’enveloppe 32 Les antennes 22 - BLU, CW : détecteur de produit 32 L’antenne quart d’onde 22 - FM : Limiteur + discriminateur 33 Antenne doublet demi-onde 23 Antenne doublet repliée "trombone" 24 Autres dispositifs utilisés en réception 33 Antenne Yagi 24 - Contrôle Automatique de Gain (CAG) 33 Couplage d’antennes 24 - Le silencieux (Squelch) 33 Paramètres d’une antenne (R-k-T-P) 24 - Le S-mètre 33 Le ROS (en Anglais: SWR) 24 - Le calibrateur à quartz 34 Le Coefficient de réflexion : k 25 Le TOS (Taux d’Ondes Stationnaires) 25 Caractéristiques des récepteurs 34 La Puissance réfléchie 25 - La sélectivité 34 La P.I.R.E. 25 - L'élimination de la fréquence image 34 - La sensibilité 34 Les émetteurs 25 La stabilité 34 L’émission de type CW 26 - L’intermodulation 34 Emission en modulation d’amplitude 26 - La transmodulation 34

Les appareils de mesures

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Appareils Pages

Le multimètre 35 - Mesure d'intensité d’un courant: fonction "ampèremètre" 35 - Fonctionnement avec du courant alternatif 36 - Mesure d’une tension: fonction Voltmètre 36 - Sensibilité d’un voltmètre 36

- Mesures en courant alternatif 36 - Mesure d’une résistance : fonction "ohmmètre". 36 - Mesure de la puissance consommée: le wattmètre. 37 - Le wattmètre analogique 37 - Le wattmètre numérique 37

Les erreurs dans les mesures 37 - L’incertitude absolue 38 - L’incertitude relative 38 Mesure d’une fréquence 38 - L’oscilloscope 38 1- Le tube cathodique 38 2- Le balayage horizontal 38 - Le fréquencemètre numérique

- L’ondemètre à absorption 39 - Le DIPmètre 39 - L’analyseur de spectre 39 Appareils de mesures spécifiques aux émissions radio 40 Affichage du R.O.S. 40 Affichage de la puissance délivrée à une antenne 41

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Le monde de l’électronique

Ce qu’on appelle l’électronique se rapporte à tous les composants dits « actifs » (diodes, transistors, etc…) par opposition aux composants « passifs » (résistances, condensateurs, bobines). L’électronique est née grâce à une plus grande connaissance de la matière. La matière Pendant des siècles, il était admis que la matière était constituée de grains minuscules, « éléments premiers de la matière », qui, par définition, ne pouvaient pas être divisés ou coupés, d’où leur appellation d’atomes1. Au 18ème siècle, on commença à faire la distinction entre « corps simples » comme l’oxygène, l’hydrogène, et « corps composés » tels que l’eau ou l’air. Du coup on parlera de « molécules » pour désigner l’élément le plus petit d’un corps composé. Puis à la fin du 19ème siècle, la découverte de la radioactivité (certains matériaux émettent des particules pouvant impressionner une plaque photographique à travers une planche de bois), ainsi que d’autres travaux, amenèrent à la conclusion qu’un atome étaient constitués de particules électriques et qu’il se présentait en fait comme un système solaire en réduction ! Constitution d’un atome Un atome ressemble au système solaire. Il comprend un "soleil" appelé «noyau », fait de charges électriques positives (protons) et neutres (neutrons). Des "planètes" gravitent autour de ce "soleil". ce sont les "électrons", charges électriques négatives dont le nombre varie selon le type de matière (1 pour l'Hydrogène, élément le plus léger, 92 pour l'Uranium, élément le plus lourd). Il y a en principe le même nombre d'électrons que de protons et un nombre égal ou supérieur de neutrons. L'atome est donc électriquement neutre et tient à le rester. Soumis à la force électromagnétique (des charges électriques de même signe se repoussent, et de signe contraire s'attirent), les électrons sont attirés par le noyau mais maintenus sur orbite grâce à la force centrifuge provoquée par leur vitesse de rotation (1015 tours / seconde) autour du noyau. Il n’existe que 7 orbites possibles autour du noyau (K est celle la plus près du noyau, Q la plus éloignée) pour loger les 92 électrons de tous les éléments2. Chaque orbite ne peut contenir qu’un nombre précis d'électrons (K: 2, L-M: 8, N-P: 18, Q: 32). Parmi tous les électrons situés en périphérie, certains jouent un rôle particulier : ils assurent les liaisons avec les autres atomes; les chimistes les appellent "électrons de valence". (Chaque atome se positionne vis-à-vis de ses voisins en utilisant ses électrons de valence). Il y a un maximum de 8 électrons de valence dans un atome.

1 Le mot « atome » est composé du préfixe « a » qui en grec est le signe de négation (qu’on retrouve par exemple, dans les mots: asocial, apolitique ou atypique) et du suffixe « tomé » qui signifie « couper » (qu’on retrouve en chirurgie dans les mots comme : lobotomie, hystérectomie…). 2 L’homme a créé d’autres éléments comme l’einsteinium, le curium et autre fermium qu‘on ne trouve évidemment pas à l ‘état naturel.

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Ainsi, pour des atomes ayant 4 électrons de valence, chaque atome sera entouré par 4 autres. Le tableau ci-contre indique pour les principaux atomes, leur nombre total d’électrons (nombre qui indique aussi leur rang au sein des 92 éléments naturels répertoriés et classifiés par Mendeleïev en 1869), ainsi que leur nombre d’électrons de valence. Normalement, les électrons périphériques restent bien sagement en orbite autour de leur noyau; mais il arrive que par suite d'un frottement ou d'un échauffement, ou tout simplement parce leur noyau n’exerce sur eux qu’une attraction minimum, certains d'entre eux se libèrent de l'attraction de leur noyau pour gagner l‘orbite externe d‘un atome voisin. C'est ce qui se passe dans l'expérience du bâtonnet de résine ou du tube de verre que l'on frotte. Dans le premier cas, la résine récupère des électrons de la laine sur laquelle il a été frotté et se charge donc négativement. Dans le cas du tube de verre frotté sur du cuir, ce sont des électrons du tube qui se déposent sur le cuir. Le verre se trouve alors en manque d'électrons et donc se charge positivement. Mais c’est aussi ce qui se passe avec les matériaux « conducteurs de l ‘électricité » comme le cuivre. Dès qu’un électron périphérique quitte son orbite, il se retrouve sur l’orbite externe d’un atome voisin, ce qui a pour effet de faire deux mécontents: l’atome « gagnant » devient négatif du fait de l ‘acquisition d’une charge négative … et ça ne lui plait pas. Il va donc expulser l’intrus au plus vite pour qu’il aille se faire voir ailleurs. Quant à l’atome « perdant », il devient positif, ce qui le met « en manque » et il va faire tout ce qu’il peut pour récupérer sa charge manquante. Très rapidement cette situation aboutit à un grouillement d’électrons dans tout le matériau. C’est-ce qu’un observateur (avec de bons yeux) pourrait observer dans tous les « bons conducteurs d’électricité » ! Si on branche une pile aux bornes d’un « bon conducteur d’électricité », le pôle + va attirer les électrons baladeurs les plus proches, rendant du même coup leurs atomes positifs qui, à leur tour, vont attirer d’autres électrons baladeurs. L’épidémie va se propager jusqu’au pôle - de la pile qui, à son tour, va fournir des électrons. Ce qui veut dire qu’un courant électronique s’est établi entre le - et le + de la pile. Cette découverte pose un sérieux problème car elle montre que le « courant électrique » est en fait un « courant électronique » qui circule en sens inverse de celui des coulombs qui semblent bien n’avoir jamais avoir existé ! On ne peut pas jeter aux orties les millions d ‘appareils de mesure qui sont en circulation et qui indiquent l‘inverse. On prend alors une décision digne d’un jugement de Salomon : on décrète qu’il existe certes un courant électronique circulant du moins vers le plus, mais qu’il sert de support au courant électrique permettant aux coulombs de circuler du plus vers le moins !

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Les tubes à vide En 1879, Thomas Edison invente l’ampoule électrique à partir d’une idée simple: un filament traversé par un courant électrique peut être « chauffé à blanc » et donc produire de la lumière, mais l’oxygène de l’air va le « brûler » très rapidement. En plaçant ce filament à l’intérieur d’une ampoule où l’on a fait le vide, on évite sa destruction. Les premiers filaments sont à base de carbone et l’on constate très vite que la paroi interne de l’ampoule se noircit, du fait d’un dépôt de carbone émis par le filament. Un Anglais, Thomas Crookes, a alors l’idée d’entourer le filament d’un manchon baptisé « plaque » et de connecter les deux éléments aux bornes d’un ampèremètre. Il constate alors que ce dernier indique un très faible courant « électrique » circulant entre la plaque le filament - ce qui correspond, de fait, à un courant « électronique » circulant du filament vers la plaque. En connectant la borne + d’une pile au manchon et la borne - au filament, il constate alors que le courant devient beaucoup plus important. La diode La découverte de Crookes apporte aussi une solution à l’utilisation du courant alternatif qui jusqu’à présent, ne pouvait pas être employé à la place du courant continu (en galvanoplastie, par exemple). En effet, le courant ne circule que si la plaque est positive par rapport au filament. En cas de polarisation inverse, aucun courant ne circule. Ce dispositif va servir de « diode »3 : le filament sera baptisé « cathode » et la plaque « anode ». Par la suite, la fonction « cathode » et la fonction filament seront souvent dissociées: le filament servant à chauffer la cathode ayant son propre circuit. La Triode Sachant que les électrons (négatifs) sont repoussés par une tension négative et attirés par une tension positive, l’Américain Lee De Forest a l’idée en 1906 d’intercaler une grille entre cathode et plaque. Du coup, la diode augmentée d’une électrode prendra le nom de triode (De Forest avait baptisé son invention du nom d‘ « Audion »). Il constate ainsi que lorsque la tension grille (Vg) est fortement négative par rapport à celle de la cathode (curseur du potentiomètre en position B), il n’y a plus aucun courant plaque (Ip). Au fur et à mesure que le curseur remonte vers A, la tension grille devient moins négative et le courant plaque devient plus important (une tension grille pouvant être supérieure à celle de la cathode provoquerait encore une augmentation du courant plaque, mais jusqu’à une certaine valeur seulement, Ip finissant par se stabiliser). Mais ce qui est le plus remarquable, c’est une faible variation de la tension grille provoque une forte variation du courant plaque; Lee de Forest a ainsi réalisé un amplificateur.

3 « diode » est fabriqué avec le préfixe « dia » qui en grec correspond au chiffre 2 et le suffixe « ode » vient du mot grec « hodos » signifiant chemin (dont est issu notre mot « route »). On peut donc traduire « Diode » par « double voie », ce qui peut paraître curieux, puisque la diode ressemble plutôt à une voie à sens unique !

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En traçant la courbe montrant les valeurs du courant plaque en fonction des valeurs de la tension grille (courbe appelée Ip-Vg), on constate que cette courbe présente une pente d’autant plus accentuée que son pouvoir amplificateur est élevé. On constate aussi qu’en début et en fin de courbe, la forme n’est pas linéaire, ce qui va déterminer une polarisation de la grille pour utiliser son pouvoir amplificateur dans la partie linéaire. La Tétrode L’invention de la triode marque véritablement le début de l’ère de la Radio. Mais son utilisation va montrer ses limites dès qu’on va vouloir travailler avec des fréquences relativement élevées. Il se produit alors des oscillations parasites tout à fait insupportables. Le coupable va être identifié comme étant le couple grille-plaque qui fait condensateur et qui modifie les valeurs du circuit associé à la triode. Seule possibilité: augmenter la distance entre ces deux éléments pour diminuer la valeur de cette capacité parasite. - Mais cela va entraîner un problème: les électrons ayant plus de distance à parcourir pour arriver à la plaque s’ « essoufflent » avant d’y arriver et le courant plaque dégringole. On a alors l’idée de rajouter une grille accélératrice entre la première grille et la plaque et qu‘on porte au potentiel Plus. Cette grille est baptisée écran pendant que la première grille prend l’appellation de grille de commande). Du coup, on passe de la triode à la tétrode (quatre électrodes). La Pentode Les ennuis ne sont pas terminés avec la tétrode : certains électrons arrivant un peu vite sur la plaque rebondissent et filent vers l’écran, provoquant un courant écran tout à fait nuisible à l’amplification ! - Qu’à cela ne tienne: on va rajouter une grille dite « suppresseuse » entre l’écran et la plaque. Cette grille portée à la tension de la cathode va ainsi « repousser » les électrons ayant rebondi et ceux-ci retournent sur la plaque ! Avec cette nouvelle électrode, on obtient finalement un tube amplificateur sans reproche qui prend le nom de Pentode. Ce tube est tellement bon qu’il est encore en usage aujourd’hui dans certains montages « Haute-fidélité». Les semi-conducteurs Lorsqu'un atome a plus de 4 électrons de valence, il souhaite les garder et aura plutôt tendance à vouloir en « récupérer » d’autres. Il fait partie de la famille des isolants. A l'inverse, un atome dont la couche externe comporte moins de 4 électrons de valence fait partie de la famille des conducteurs. Le Silicium ou le Germanium qui ont 4 électrons de valence se situent entre les deux catégories: ils sont "à moitié "conducteurs" et à moitié "isolants". D’où leur appellation de « semi-conducteurs ». Dans un barreau de silicium (ou de germanium), si on ajoute une matière "dopante" (arsenic ou antimoine) possédant 5 électrons de valence, le « mariage » entre ces différents atomes va être « bancal » : un électron de valence des atomes d‘arsenic sera "non "adopté", et ces atomes vont considérer celui-ci comme étant « en trop », bien que tous les atomes soient restés neutres (équilibre entre protons des noyaux et tous les électrons). On dit que la matière obtenue est de type

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"N" (négatif) (pseudo-excès d’électrons négatifs) . A l'inverse, en ajoutant une matière "dopante" (Bore, Gallium ou Indium) qui ne possède que 3 électrons de valence, on obtient une matière dont les atomes de silicium (ou de germanium) se trouvent avec un électron de valence « en l’air » et se considérent (à tort) comme demandeurs d’électrons. On dit que la matière obtenue est de type "P" (positif). La diode En mettant en réunissant bout à bout un barreau de silicium (ou de germanium) dopé à l'Arsenic (type « N ») avec un barreau dopé au Bore (type « P ») , le côté « P » va vouloir attirer les électrons que le côté « N » prétend avoir en trop ! Et là, les atomes des deux bords vont s’y opposer : pas question pour eux de ne plus être électriquement neutres. Du coup, il s’en suit ce qu’on appelle une « tension de seuil » ou « barrière de potentiel » : les électrons sont « tiraillés » par le côté P et retenus par le côté N. En connectant une la borne + d’une pile au côté P et la borne - au côté N, on augmente le « tiraillement » au-delà de ce que les atomes peuvent supporter et un flot d‘électrons va circuler depuis la borne - jusqu’à la borne +. A l’inverse, si on connecte la pile en sens inverse, le « tiraillement » de la pile ne sera pas coordonné avec celui de la barrière de potentiel et aucun électron ne circulera. On réalise ainsi une diode qui laisse passer le courant dans un sens et pas dans l’autre. La figure ci-contre représente la diode qui vient d’être décrite. L’anode (A) représente le côté « P » et la cathode (K) le côté « N ». La partie inférieure de la figure montre comment se présente une diode avec le repère indiquant le côté où se trouve la cathode. Les premières diodes étaient faites par la jonction de deux barreaux N et P. Aujourd‘hui, on réalise les diodes en utilisant un seul barreau aux extrémités desquelles on insère simultanément les éléments « de dopage ». Caractéristiques à savoir La première caractéristique est implicite et de ce fait, rarement donnée par les constructeurs - du moins, pour les diodes standard - il vaut donc mieux la retenir. ¤ C’est la barrière de potentiel ou tension de seuil : elle est de 0,3 volt pour les diodes au germanium et de 0,6 volt pour les diodes au silicium. Les deux autres caractéristiques sont données par les constructeurs. Il s’agit de : ¤ La tension inverse que peut supporter une diode montée « en inverse », c’est-à-dire: anode côté - et cathode côté +. Au-delà de cette tension, la diode risque de « claquer ». ¤ Le Courant direct maximum admissible : Plus le courant autorisé sera important, et plus la diode sera grosse ! La diode comme « redresseur » de courant (ou de tout signal) alternatif Le terme « redresseur » est ambigu : une diode laisse passer les alternances positives et pas les autres comme le montre le montage ci-contre. En sortie de diode, on trouve donc une alternance sur deux. La tension moyenne U en sortie se calcule par la formule: U moyen. = Uc / π = 0,318 Uc (Uc: tension de crête ou tension max.)

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N.B. Rappelons que la tension moyenne d’un courant alternatif est nulle (la tension d’une alternance est « neutralisée » par celle de la suivante). Deux montages permettent de « redresser » toutes les alternances; du coup, la tension moyenne double en sortie et la formule pour la calculer devient : U moyen. = 2Uc / π = 0,636 Uc 1- Utilisation d’un transformateur avec point milieu au secondaire Entre le point C et les deux points A et B on trouve des tensions inversées: à chaque instant, les deux tensions sont égales mais de signes opposés. Il ya donc toujours une des deux diodes qui laisse passer une alternance. 2- Utilisation d’un pont de diodes Pendant l’alternance positive, le courant emprunte D2 pour l’aller et D3 pour le retour. Pendant l‘alternance négative, le courant emprunte D4 pour l’aller et D1 pour le retour. N.B. Quand on les deux alternances sont redressées, on n’obtient pas du courant continu en sortie, mais un courant dont la tension varie entre 0 et U.max; et sa fréquence est double de celui de l‘entrée. Pour obtenir quelque chose qui ressemble à du courant continu, il faut ajouter (au moins) un condensateur qui va servir de « réservoir à coulombs », amortissant ainsi les variations de tension. Et sans débit en sortie, le condensateur se chargera à la valeur U.max. La diode contre l’extra-courant de rupture Rappelons que lorsque le courant est interrompu dans une bobine, celle-ci se transforme en générateur en créant une tension inverse destinée à maintenir le passage du courant qui la traverse, et c‘est l‘extra-courant de rupture. Lorsque le rôle d’interrupteur est tenu par un circuit électronique, ce dernier se trouve brutalement soumis à l’« extra-tension » générée par la bobine et il n’est pas du tout conçu pour y résister. Pour éviter tout dommage, on monte donc en inverse une diode en parallèle avec la bobine (d’un relais par exemple) et lorsqu’apparaît l’ « extra-tension », celle-ci est court-circuitée par la diode. Autres types de diodes Les diodes Varicap Utilisé en montage inverse, ce type de diode (représentée ci-contre) se comporte comme un condensateur dont la valeur varie en fonction de la tension à ses bornes; on dispose ainsi d’un condensateur variable qui permet de faire varier une fréquence dans un circuit oscillant . Les diodes Zener A la différence des diodes standard qui «claque» dès que la tension inverse dépasse une certaine valeur, les diodes Zener (représentée ci-contre) se contentent de laisser passer le courant tout en maintenant sa tension maximum inverse à la même valeur. On utilise cette caractéristique pour stabiliser une tension. Les Diodes Electro-Luminescentes (Light Emetting Diode ou LED en Anglais)

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Ces diodes prennent de plus en plus d’importance car elles consomment peu de courant (10 à 20 milliampères pour certaines) et peuvent fonctionner sous de faibles tensions ( 1,5 à 2 volts). Elles sont utilisées en sens direct et émettent une lumière dans le spectre visible ou invisible (Infra-Rouge). Elles servent de voyants dans de nombreux appareils, dans les tableaux de bord, mais on les rencontre maintenant dans des lampes d’ éclairage, et même dans les feux de signalisation. Les photodiodes Ce sont des diodes branchées « en inverse » mais qui peuvent laisser passer plus ou moins de courant en fonction de l’éclairement qu’elles reçoivent. Les diodes à effet tunnel Ces diodes sont utilisées comme commutateurs rapides dans les circuits amplificateurs ou oscillants en VHF, ou comme bistables de mémoires. Les diodes à effet Gunn Elles sont utilisées comme osculatrices dans les hyperfréquences, car l’effet Gunn permet l’apparition d’oscillations rapides dans des diodes soumises à un champ électrique. Les diodes Schottky Elles permettent la détection ou le mélange de signaux aux hyperfréquences. Les transistors En 1953, les chercheurs du Laboratoire Bell (USA) trouvent le moyen de convaincre une diode montée en inverse de laisser passer du courant, et ce, d’une façon contrôlée. - Dans un premier temps, ils vont réaliser une sorte de double diode à cathode commune qu’ils alimentent comme indiqué sur la figure 1. Cela ne va rien donner, ce qui est normal, car si les coulombs peuvent traverser D1, ils se retrouvent devant D2 montée en inverse. - Ils branchent alors un fil près de la jonction K-A de D2 qu’ils relient au potentiel 0 via une résistance variable Rv et un galvanomètre G1 (figure 2). Ils constatent alors qu’un courant (disons: I1) circule dans G1, mais qu’un courant - nettement plus important - (disons I2), circule aussi dans G2 ! Chose très intéressante, I2 reste proportionnel à I1 quand on modifie la valeur de Rv ! Ce phénomène fut défini comme « modification de la résistance inverse d’une diode par effet de transfert »; et comme en Amérique on aime bien simplifier, cela devint: « Résistance par transfert », soit en Anglais: « Transfer Resistor » et en simplifiant un peu plus : « Transistor », mot qui va finalement désigner le composant lui-même. Le Transistor de type PNP L’anode de D1 (de type P) prend le nom d’ « Emetteur » , la double cathode (de type N), celui de : « Base » et l’anode de D2 (de type P) celui de : « Collecteur ». Quant à la représentation du transistor, elle se simplifie pour devenir celle montrée ci-contre. L’ensemble de ces trois éléments justifiant l’appellation de « transistor de type PNP ». Le transistor peut donc être vu comme une résistance connectée entre

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l’émetteur et le collecteur, avec une valeur pouvant varier entre l’infini (pas de courant émetteur-base) et quelques ohms (courant de base maximum), et cela, en fonction du courant circulant entre émetteur et base. Quand ce courant est nul, le collecteur est isolé. Le transistor peut donc être utilisé, soit comme amplificateur de signal, soit comme une sorte d’interrupteur pour commander un relais, par exemple. Le Transistor de type NPN Pour que le collecteur puisse fournir un potentiel zéro - et non positif - quand le transistor conduit, on va créer un autre type de transistor composé de l‘association : Cathode - double Anode - Cathode, ce qui va former le « transistor de type NPN ». Rien de bien différent dans le principe: un courant base-émetteur engendre un courant collecteur-émetteur. Le sens des courants est inverse, mais c’est le même principe. Caractéristiques des transistors ¤ Le Gain en tension (peu employé) s‘exprime par la lettre α (alpha) Rc C’est le rapport entre la Résistance collecteur et la résistance émetteur : α = ------- Re ¤ Le Gain en courant (très employé) s’exprime par la lettre β (bêta) Ic C’est le rapport entre le courant collecteur et le courant base β = ---

Ib

Polarisation des transistors Le couple émetteur-base est une diode fonctionnant en mode direct. Les signaux appliqués à son entrée doivent donc vaincre la tension de seuil (0,5-0,7 volt). Or ces signaux ont souvent des valeurs n’excèdant pas quelques millivolts. D’où la nécessité d’avoir une « tension de polarisation » sur la diode pour qu’un léger courant base existe, même en l’absence de signal. Il existe plusieurs possibilités pour obtenir ce résultat. Montage simple Le courant à travers la base est déterminé par une résistance branchée entre le + et la base (fig. A). C’est simple, mais l’inconvénient, c‘est que toute variation de la tension d’alimentation se trouve amplifiée aux bornes de Rc, la résistance montée en sortie du collecteur, d’où une distorsion du signal à amplifier ! Montage un peu plus stable Sur la figure B, on voit que la résistance de polarisation de la base Rb se trouve sous le contrôle de la résistance R qui relie le + au collecteur. Toute variation de tension de l’alimentation entraîne bien une augmentation du courant collecteur, mais cela provoque immédiatement une chute de tension plus importante aux bornes de R, ce qui a pour conséquence d’abaisser la tension au point B, et donc de diminuer le courant base. La polarisation de la base se trouve donc relativement bien régulée. Montage stable C’est le montage généralement adopté. Sur la figure C, on peut voir que la base est relié au point milieu A situé entre les deux résistances R1 et R2. Ce pont de résistances divise la tension d’alimentation tout en gardant un rapport constant entre les deux tensions à leurs bornes. Du coup, on obtient une bonne stabilité de la valeur de la tension régnant au point A.

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Les trois montages possibles d’un transistor Il y a toujours deux points d’entrée et deux points de sortie qu‘on pourrait qualifier de « plus » et de « moins »; or un transistor n’a que trois électrodes. Il s’en suit nécessairement qu‘on aura une électrode commune en entrée et en sortie - et trois montages possibles. Montage à émetteur commun

Montage très employé. L’émetteur est au potentiel zéro; le signal d’entrée est appliqué entre base et émetteur, et celui de sortie est capté en sortie collecteur. Dans le montage pratique, la chute de tension dans la résistance placée entre + et collecteur est proportionnelle au courant collecteur, lui-même proportionnel au potentiel appliqué sur la base. De ce fait, le signal de sortie est en opposition de phase avec celui d’entrée. Noter la présentation de ce montage sur le MINITEL tel qu’il apparaît aux candidats à l’examen de la licence de radioamateur. Utilisations : amplificateur et déphaseur Caractéristiques Gain en courant et tension très élevé (plusieurs centaines de fois). Impédance d’entrée moyenne (200-2000 Ω) Impédance de sortie élevée (de 10 à 100 kΩ) Signal de sortie en opposition de phase avec celui d’entrée

Montage à base commune Comme pour le montage à émetteur commun, le signal est appliqué entre émetteur et base, mais ici, une alternance positive remonte le potentiel de l’émetteur. La tension émetteur-base va donc diminuer, provoquant une baisse du courant base et, par là, du courant collecteur. Résultat: un signal positif provoque une augmentation de la tension collecteur. Le signal en sortie est donc en phase avec celui de l’entrée. Utilisations : amplificateur et oscillateur H.F. Caractéristiques Gain en courant faible, mais gain en tension très élevé (plusieurs centaines de fois).

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Impédance d’entrée faible (10-150 Ω) Impédance de sortie élevée (0,5 à 2 MΩ) Signal de sortie en phase avec celui d’entrée

Montage à collecteur commun Les signaux d’entrée sont appliqués sur la base et ceux de sortie sont recueillis au niveau de l’émetteur. Le gain en tension est nul car ce montage se comporte comme un suiveur de tension, mais le gain en courant est très important. Utilisations : Pour alimenter une faible impédance (haut-parleurs, par exemple) Caractéristiques Gain en courant élevé, mais gain en tension aux environs de 1 Impédance d’entrée moyenne (quelques milliers d’ohms) Impédance de sortie faible (quelques dizaines d’ohms) Signal de sortie en phase avec celui d’entrée

Les transistors à effet de champ Les transistors de ce type (appelés FET en Anglais - pour Field Effect Transistor: transistor à effet de champ) sont constitués d’un barreau de semi-conducteur de type P ou N appelé « canal » avec, aux extrémités, deux électrodes appelées respectivement « SOURCE » et « DRAIN ». Au milieu du barreau, on trouve une bague de semi-conducteur de type opposé à celui du canal (P si le canal est de type N, et vice-versa). Cette bague est reliée à une électrode appelée « PORTE » (en Anglais: GATE). Contrairement à ce qui se passe dans un transistor standard dont l’amplification est liée à l’intensité d’un courant dans la base, ici, le courant entre drain et source est contrôlé par la tension appliquée sur la porte - exactement comme cela se passe dans une triode où le courant anode-cathode est contrôlé par la grille. Comme il n’y a pas de courant Porte, l’impédance d’entrée est très élevée. Comme pour les transistors standard, on peut monter un FET de trois façons différentes : Le montage

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à source commune : Ce montage peut être comparé au montage émetteur commun et se caractérise par une très grande impédance d’entrée. Le montage à source commune: comparable au montage à base commune, il se caractérise par une faible impédance d’entrée. Le montage à drain commun: comparable au montage à collecteur commun, il se caractérise par une impédance d’entrée très grande et une impédance de sortie très basse. Autres types de transistors et assimilés Le transistor Darlington C ‘est en fait deux transistors montés dans un même boîtier. Le signal amplifié par le premier transistor est directement appliqué à l’entrée du deuxième. Du coup le gain obtenu en sortie est LE PRODUIT des gains des deux transistors et donc très important. Le thyristor C ‘est une sorte de diode possédant deux sorties sur sa cathode. Tant que l’une d’elle, appelée « gâchette » n’est traversée par aucun courant, la diode ne conduit pas. Dès qu’un courant traverse la gâchette, la diode se met à conduire, et même si le « courant gâchette » s’arrête, la diode continuera à laisser passer le courant. Seule une coupure de tension (ou de ligne) permettra de l’arrêter. Le diac Un diac comprend deux diodes montées en opposition, ce qui permet au courant électrique de passer dans un sens comme dans l’autre. A priori, on peut se demander à quoi peut servir un tel montage ! Son intérêt réside dans le fait que ces diodes ont une barrière de potentiel élevée, comprise entre 28 et 42 volts (les diacs standard ont une tension de seuil de 32 volts). Les diacs servent principalement de « gâchette » dans l’utilisation d’un thyristor (ou d’un triac que l’on va voir). Le triac Alors que le thyristor permet le passage du courant continu dès qu’un courant « gâchette » circule, le triac, lui, va laisser passer le courant alternatif de la même façon. Un triac, c’est donc comme un diac dont la barrière de potentiel est contrôlée par une gâchette. Les circuits intégrés L’intégration dans un seul composant de plusieurs transistors, résistances et autres, répond à la fois à un souci de limiter les connexions extérieures et les capacités parasites, la place occupée, … et les frais de main-d’œuvre. Le boîtier d’un circuit intégré (C.I.) peut ainsi contenir des dizaines de composants et se présente la plupart du temps sous la forme d’un « chip » - pour utiliser l’expression anglaise - avec un nombre de « pattes » pouvant varier de 6 à 40. Chaque C.I. peut ainsi remplir une fonction à lui tout seul. Parmi tous ceux qui existent, et ils sont nombreux (citons au hasard : les compteurs binaires et hexadécimaux, les diviseurs de fréquences,

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les décodeurs, etc…), nous allons nous attarder sur certains d‘entre eux : les circuits logiques, les amplificateurs opérationnels, et pour terminer, un petit circuit terriblement pratique : le NE555. Les circuits logiques Ces circuits permettent de réaliser des opérations relevant de l’algèbre logique (d‘où le qualificatif de ces circuits) qui travaille en binaire, c‘est-à-dire en utilisant uniquement la notion de 1 et de zéro. N.B. Les Anglais utilisent la notion « on » aussi bien pour indiquer qu’un interrupteur est fermé que pour indiquer qu’une lampe est allumée et celle de « off » pour indiquer l’inverse. Cela correspond assez bien à cette notion de 1 et de zéro. Les circuits logiques ont tous en commun (sauf un que l’on va voir tout de suite ) d’avoir deux entrées et une sortie. Et selon la fonction du circuit, les tensions présentes en entrée (+ ou 0), vont conditionner la tension en sortie qui ne pourra prendre que deux valeurs : +U (correspondant au 1), ou 0. Le circuit Inverseur Ce circuit inverse tout simplement la tension qu’on lui présente à l’entrée. Si la tension à l’entrée est au potentiel +U, on trouve 0 volt en sortie, et vice-versa. Mathématiquement parlant, cela correspond à la fonction NON (NOT en Anglais). Voici maintenant les trois circuits logiques de base à deux entrées : le circuit ET (en Anglais AND) - le circuit OU (en Anglais OR) - et le circuit OU EXCLUSIF (en Anglais EXCLUSIVE OR). Le circuit ET (AND) et son complément NON-ET (NAND) Ce circuit fournit une tension +U en sortie si l’entrée A et l’entrée B sont à une tension +U. Dans tous les autre cas, la sortie sera au potentiel 0. En d’autres termes, la sortie est à l’état haut quand les deux entrées sont-elles-mêmes à l’état haut. Dans les autres cas, la sortie reste à l’état bas. Le circuit complémentaire NON_ET (NAND) fournit évidemment en sortie des tensions inverses. Le circuit OU et son complément NON-OU (NOR) Le circuit OU fournit une tension +U en sortie si l’entrée A, ou l’entrée B, ou les deux, sont au potentiel +U. La sortie sera donc à la tension 0 si A et B sont au potentiel 0. En d’autres termes, la sortie est à l’état haut quand l’une des deux entrées est à l’état haut, ou les deux. Les tensions de sortie sont également inversées pour le circuit complémentaire. Le circuit OU EXCLUSIF Le circuit OU EXCLUSIF fournit une tension +U en sortie si l’entrée A

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ou l’entrée B -mais pas les deux - sont au potentiel +U. En d’autres termes, la sortie est à l’état haut quand une des deux entrées, et seulement une seule, est à l’état haut. L’Amplificateur opérationnel L'Amplificateur Opérationnel, plus simplement appelé: Ampli-Op ou AOP, a été conçu à l'origine pour effectuer des "Opérations" de type arithmétique, comme les additions ou les soustractions, d'où son qualificatif. Les électroniciens s'étant aperçu que ce composant offrait plein de possibilités, se sont mis à l'utiliser dans tous les domaines, comme la robotique ou la Hi-Fi. L'AOP comporte deux alimentations « symétriques » (si l’une est à +12 volts et l’autre à -12 volts, la différence de potentiel entre les deux sera de 24 volts)n deux entrées et une sortie. Une entrée, référencée "-", est dite « Inverseuse », et l'autre, référencée "+" est dite "Non-Inverseuse" ou « Suiveuse ». Pour l'AOP type 741, les tensions fournies sont de + et - 15 volts maximum, et la tension des signaux d'entrée ne doit pas dépasser 13v. Le courant de sortie maximum est de 25 milliampères. En principe, un AOP a une Impédance d'entrée, un gain en tension et une bande passante infinis. En réalité, ces trois caractéristiques n'ont pas des valeurs infinies, mais cependant très grandes (le gain atteint 100.000 !). L'AOP va constamment surveiller la différence de potentiel entre ses deux entrées et amplifier cette différence. Si l'entrée "+" (Suiveuse) a une tension supérieure, on obtiendra en sortie une tension positive. Si la différence est "en faveur" de l'entrée "-", on obtiendra en sortie une tension négative. Du fait de son fort coefficient d'amplification, la plus petite différence de tension entre les deux entrées va suffire à produire en sortie une tension maximum négative ou positive. Cette particularité pourra être utilisée, par exemple, pour comparer des tensions dont les variations sont relativement faibles. Néanmoins, si les deux tensions restaient à des valeurs très proches, on risquerait de voir la sortie de l'AOP "osciller" de +U à -U. A cause de ce risque d'oscillation, l'AOP ne peut pas être utilisé "tel quel" pour une amplification linéaire des signaux de faible valeur. On peut néanmoins y arriver en prélevant une partie du signal de sortie pour le renvoyer sur l'entrée, (principe de la réaction), au prix, il est vrai d'une limitation du gain (sans importance, vu la valeur très élevée de celui-ci). L'AOP utilisé en ampli non inverseur Soit le schéma ci-contre: Supposons que l'entrée "+" (non inverseuse) soit soumise à une tension de +1v et que l'entrée "-" soit connectée entre 2 résistances de 10 K-ohms, dont l'une (Rs) est reliée à la sortie de l'AOP, et l'autre (Re) au potentiel 0. Au début de la mise sous tension, l'entrée "-" est à 0 V, ce qui "favorise" l'entrée "+", d'où une tension de sortie (Vs) positive. Quand la tension de sortie Us atteint 1,9999 V (disons 2 V, pour arrondir), la tension sur l'entrée "-" atteint 0,9999 V (disons 1 V pour arrondir), cela, à cause du pont de résistances entre la sortie de l'AOP et le 0 V. A partir de ce moment, la tension en sortie va se stabiliser: toute augmentation de celle-ci ayant tendance à "favoriser" l'entrée "-" au détriment de l'entée "+", ce qui se traduirait par une diminution de la tension de sortie. Ce montage permet, en quelque sorte, de doubler la tension (1 V en entrée, 2 V en sortie). Si pour Re, on mettait une résistance 3 fois + grande (30 K), la tension de sortie atteindrait + 4 V avant que la tension d'entrée côté "-" n'atteigne 1 V. Nous aurions alors une tension de sortie 4 fois plus grande que celle d'entrée. Tout se passe donc "comme si" l'AOP "s'arrangeait" pour que la

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différence de potentiel entre ses deux entrées reste nulle. Nous pouvons donc écrire que le gain en tension se calcule ainsi: Rs + Re Rs G = ------- = --- + 1 Re Re Si nous supprimons Re (Re devient alors infini et Rs/Re devient nul), nous obtenons alors un ampli ayant alors un gain de 1 (même tension en entrée et en sortie). Pour un modèle courant d'AOP, Rs peut être court-circuitée. On obtient alors un "composant" dont l'impédance d'entrée est très élevée et celle de sortie très faible, avec une tension en sortie qui "suit" celle de l'entrée. Un tel montage est appelé "suiveur de tension" et sert d'adaptateur d'impédance: La tension appliquée à l‘entrée de l‘AOP n‘est pas perturbée par le circuit situé en aval puisque l’impédance d’entrée de l’AOP est pratiquement infini. Quant à la tension présente en sortie de l’AOP (la même que celle à son entrée), elle ne sera pas « polluée » par l’impédance de sortie de l’AOP qui est insignifiante. L'AOP utilisé en ampli inverseur Dans ce montage, le signal d'entrée est appliqué sur l'entrée inverseuse. La boucle de réaction est identique au montage précédent. Par contre, l'entrée "+" est à la masse. Pour comprendre le fonctionnement de ce montage, il faut se rappeler que l'AOP "s'arrange" pour que la d.d.p. ntre ses deux entrées reste nulle. En reprenant une Rs et une Re de 10K et une tension d'entrée de +1 V, et sachant que l'AOP va s'arranger pour que la tension sur son entrée "-" soit la même que celle de l'entrée "+", c-à-d nulle, on peut en déduire la tension en sortie sera de -1 V. Si on prenait une valeur de 30 K pour Rs, l'AOP "serait obligé de faire en sorte" que Vs passe à -3 V, pour que la tension sur son entrée "-" reste à 0. Le gain en tension se calcule donc ainsi: -Rs G = --- Re Le NE555 Le « 555 » , est un composant à tout faire (ou presque) de l'électronique. Appelé officiellement "temporisateur" ("timer" en anglais). Il est largement utilisé en électronique, car outre sa fonction « officielle » de temporisateur, il permet des applications aussi diverses que: oscillateur, thermostat, contrôles de luminosité, d'humidité, etc... Il fonctionne sous des tensions comprises entre 5 et 15 volts avec une consommation de quelques milliampères (en version C-MOS4) et il peut fournir 100 mA en sortie (temporairement: 200 mA). N.B. En Anglais, on "SET" un circuit pour l’activer, et il devient alors "ON". A l'inverse, quand on désactive un circuit, on "RESET" le circuit qui devient "OFF".

4 La version C-MOS est une version faisant appel, non au silicium et au germanium, mais à des oxydes spéciaux (MOS signifiant: Metal Oxyde Semi-conductor).

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Description Le 555 a la forme d'un carré d'environ 1 cm de côté, muni de 8 contacts et d'un repère en forme de demi-lune sur le dessus de son côté gauche. Ses contacts ont les fonctions suivantes: Patte 1 (GROUND): alimentation du 0 volt et mise à la masse. Patte 2 (SET): sert à activer le 555; réagit à des impulsions « de type

moins » qu'on définira plus loin. Patte 3 (OUTPUT): c'est la sortie; elle présente une tension "plus" si le

555 est "ON" et est isolée s'il est "OFF". Patte 4 (RESET) normalement connecté au + (du 0 V sur cette patte force le 555 "OFF"

pendant tout le temps - et seulement pendant ce temps - où cette condition 0 V existe - permet de contrôler l‘activation du 555).

Patte 5(CONTROL V): rarement utilisée (utilisé pour contrôler la fréquence d’oscillation du 555 quand il est utilisé dans la fonction VCO: Voltage Controlled Oscillator: Oscillateur dont la fréquence est contrôlé par tension. Hormis cette utilisation, il est conseillé de relier la patte 5 au 0 V via un condensateur de 100 nF.

Patte 6 (RESET) : sert à désactiver le 555 - réagit à des impulsions de type plus qu'on définira plus loin.

Patte 7 (DISCHARGE): est au potentiel 0 quand le 555 est OFF; elle est isolée quand il est ON. Utilisée dans la fonction TEMPORISATEUR et OSCILLATEUR pour décharger le condensateur mis dans le circuit.

Patte 8 (Vcc) : alimentation du "plus". N.B. Une tension est de type "plus" si elle est égale ou supérieure à 63 % de la tension présente sur la patte 8. Une tension est de type "moins" si sa valeur est comprise entre 0 et 37 % de la tension maximum5. Une tension de valeur comprise entre 1/3 et 2/3 de la valeur maximum est donc sans effet. Ceci permet un effet d'hystérésis (inertie) dans la mise "ON" ou "OFF" du 555 (un thermostat à qui on demande une température de 20° coupera en fait le chauffage à 20°5 pour le relancer quand la température sera descendue à 19,5°). Utilisation du 555 en testeur de tension La tension à analyser est appliquée simultanément sur les pattes 2 et 6 reliées entre elles. Pour une tension (V) de 12 volts appliquée en patte 8 , le 555 "basculera ON" pour V comprise entre 0 et 4 volts, et "OFF" pour V comprise entre 8 et 12 volts. Il faut calculer la résistance à installer entre le + et les patte 6 et 2, et celle à installer entre ces mêmes pattes et le 0 Volt, pour adapter le montage au problème à résoudre. Utilisation du 555 en temporisateur (montage monostable) Les pattes 6 et 7 sont réunies entre elles. Partant de ces pattes, une résistance est connectée au +, et un condensateur est connecté au 0 Volt. Lorsqu'une impulsion "de type moins" est appliquée sur la patte 2, le 555 passe "ON" et la patte 7 devient isolée. Le condensateur se charge alors à travers la résistance et la tension à ses bornes monte; quand elle atteint 63 %de V, le 555 est forcé "OFF". Utilisation du 555 en oscillateur (montage astable)

5 Rappelons que ces valeurs correspondent à celles des tensions présentes aux bornes d’un condensateur et qui sont fonctions de la constante de temps de charge ou de décharge.

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Dans cette application, les pattes 6 et 2 sont réunies ensemble; partant de ce point, un condensateur (C) sera relié au 0 Volt, et une résistance (R2) sera reliée à la patte 7 d'où une autre résistance (R1) sera, elle, connectée au +. A la mise sous tension, C étant vide, une tension "de type moins" est donc appliquée sur la patte 2, ce qui force le 555 ON. La sortie de la patte 7 devient isolée et C va donc se charger via R1 et R2, faisant ainsi grimper la tension aux bornes des pattes 6 et 2. Quand la tension atteint les 63 % de V, le 555 est RESET (par la patte 6) et devient OFF. La patte 7 se retrouve alors au potentiel 0 et du coup, C se décharge via R2; la tension sur la patte 2 diminue donc, et quand sa valeur arrive au tiers de V, le 555 peut repasser ON..., et ainsi de suite. N.B. Le temps de charge de C dépend des valeurs de R1 et R2, alors que le temps de décharge ne dépend que de R2; il en résulte que le temps où le 555 est ON est forcément supérieur à celui où il est OFF. Si l'on veut avoir les mêmes valeurs de temps ON et OFF, on utilise R1 = R2, et on monte une diode en parallèle sur R2: elle se comportera comme un court-circuit pendant le temps ON, ce qui fait que le temps de charge dépendra seulement de R1; par contre, en période OFF, la diode forcera C à se décharger uniquement via R2; comme R1 = R2, on aura ainsi le même temps de "OFF" et de "ON".

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Le monde de la Radio

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Dans le chapitre "le monde du courant alternatif", on a vu qu’un condensateur se déchargeant dans une bobine générait des oscillations allant en s’amortissant (génération d’ondes amorties). En reprenant cette expérience en 1886, Heinrich Hertz constate que ces oscillations peuvent produire une étincelle dans un autre circuit situé quelques mètres de là - prouvant ainsi que des oscillations électriques "rayonnent" de l’énergie et que celle-ci peut être captée à distance. C’est le début de la Radio (du latin "Radius" qui signifie rayon). Quelques années plus tard, en 1897, le Croate Nikolas Tesla, en couplant l’oscillateur à ce qui va être appelé une antenne, réussira à envoyer un signal qui sera détecté 33 km plus loin. Avec un générateur de 220 kW et une antenne de 80 mètres de haut il atteindra une portée de 1000 km en 1899 ! Les premiers émetteurs vont utiliser cette technique: au rythme de l’alphabet Morse, un manipulateur commandant un relais, va charger et décharger un condensateur dans une bobine reliée à une antenne (le relais servant certes à la charge et décharge du condensateur, mais aussi à éviter que l’opérateur ne s‘électrocute !). Grâce à l’invention de la triode, et plus tard à celle du transistor, on va être capable de réaliser des oscillateurs "à ondes entretenues", ce qui permettra, entre autres, la transmission de la voix... Onde et longueur d’onde La chute d’un caillou dans une mare génère des ondulations (ou ondes) se propageant en cercles concentriques qui vont en s’agrandissant mais dont l’amplitude décroît peu à peu, pour finir par disparaître (ondes amorties). Un flotteur placé sur le parcours de ces ondes monte et descend au rythme d’alternances "positives" et "négatives" (par rapport au niveau de l’eau en période "calme"), mais ne se déplace pas par rapport au fond. C’est l’énergie qui se déplace, et non les masses d’eau. Il y a là une analogie évidente avec les oscillations générées par la décharge d’un condensateur dans une bobine et se propageant dans l’espace. Et c’est pourquoi ces oscillations sont appelées "ondes amorties". Qu’appelle-t-on longueur d’onde ? Le courant électrique se déplace à la même vitesse que la lumière: 300.000 km par seconde. S’il est alternatif, les alternances positives et négatives vont se succéder le long du fil qui les transporte (ou, on vient de le voir, dans l’espace), et si la fréquence est de un cycle par seconde, les premiers coulombs du début de cycle auront parcouru 300.000 km au moment où ceux terminant la fin du cycle sortiront du générateur. Autrement dit, un cycle complet occupera une longueur de 300.000 km; cette valeur s’appelle longueur d’onde. Si la fréquence du courant est de 100.000 cycles par seconde (100 kHertz), ils vont "occuper" les 300.000 km de fil, et chaque cycle « occupera" une longueur de 300.000 km / 100.000 = 3 km. On dit que 100 kHertz correspond à une longueur d’onde de 3.000 mètres - D’où la formule pour calculer la longueur d’onde d’une fréquence : 300 λ = ---- λ s’exprimant en mètres, et F en Mhz F

VLF Very Low Frequency Très basse Fréquence 3 - 30 kHz

LF Low Frequency Basse Fréquence 31 - 300 kHz

MF Medium Frequency Moyenne Fréquence 301 - 3000 kHz

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Les oscillateurs Tous les oscillateurs fonctionnent sur le même principe: Une partie des variation de tension dans le circuit de sortie est "réinjectée" en valeur inverse dans le circuit d’entée (où se trouve un couple L-C). Du coup, toute augmentation de tension sera suivie d’une diminution... et vice-versa. Et ce, au rythme de la fréquence du couple L-C placé à l‘entrée. C’est le principe de la réaction. N.B. On n’obtient pas vraiment du courant alternatif, mais du courant de forme sinusoïdale constamment positif. Le montage Hartley Voyons son fonctionnement en détail. A la mise sous tension, un courant émetteur s’établit via la portion inférieure de la bobine. Celle-ci génère alors une tension "tendant à s’opposer..." (on connaît la suite). Cette tension "dans l’autre sens" se communique à la bobine tout entière, et donc aussi à la base qui se retrouve alors "moins positive". Du coup, le courant base diminue, et ...le courant émetteur aussi. Cette variation provoque alors une variation inverse au niveau de la bobine... qui réagit en conséquence en augmentant la tension base... et ainsi de suite ! Le tout se faisant au rythme de la fréquence de résonance de L-C. Le montage Colpitts L’inconvénient de l’oscillateur Hartley est qu’il n’est pas facile de trouver le bon endroit sur la bobine pour obtenir un niveau correct de signal sur la base. L’oscillateur Colpitts pallie cet inconvénient: deux condensateurs jouent le rôle de répartiteur de tension et l’émetteur du transistor est connecté entre les deux. Le montage Clapp C’est simplement un dérivé du montage Colpitts; il est aussi appelé: "montage Colpitts à accord série". Il permet une meilleure stabilité.

HF High Frequency Haute Fréquence 3 - 30 MHz VHF Very High Frequency Très Haute Fréquence 31 - 300 MHz

UHF Ultra High Frequency Ultra Haute Fréquence 301 - 3000 MHz

SHF Super High Frequency Super Haute Fréquence 30 - 300 GHz

Ondes Radio Longueur d'Onde Fréquence Appellation

D. Décamétriques 100 m à 10 m 3 à 30 MHz H.F. M. Métriques 10 m à 1 m 31 à 300 MHz V.H.F. d. Décimétriques 1 m à 10 cm 301 à 3000 MHz U.H.F. c. Centimétriques 10 cm à 1 cm 3 à 30 GHz S.H.F.

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L’oscillateur Pierce Ici, le circuit L-C est remplacé par un quartz monté entre deux armatures faisant office de condensateur. Le quartz a en effet la propriété d’osciller mécaniquement lorsqu’il est mis sous tension, et, en même temps, de générer une tension alternative extrêmement stable qui correspond à sa fréquence de vibration. Propriétés et limites des oscillateurs On attend des oscillateurs qu’ils génèrent des fréquences stables, mais aussi, qu’ils puissent être utilisés dans des plages de fréquences relativement larges. ¤ Grâce au condensateur variable dont il peut être équipé, le montage Clapp peut osciller dans une plage de fréquences assez grande, mais dépend des qualités mécaniques de ses composants, lesquels ont une fâcheuse tendance à varier avec la température ! Du coup, ils se produit une certaine dérive de fréquence, défaut qui commence à se faire sentir quand on aborde les ondes décamétriques pour devenir prohibitif quand on veut travailler en VHF. L’oscillateur Pierce, lui, ne fonctionne qu’à la fréquence de résonance du quartz qui lui est affecté, mais on peut quand même gagner un petit supplément, comme on va le voir maintenant. Fréquence fondamentale et harmoniques ¤ Quand on parle d’une fréquence, on devrait plutôt dire: « fréquence fondamentale », car toute fréquence est composée d’une fréquence « dominante » et d’harmoniques qui sont des multiples de cette fréquence , séparées les unes des autres par la valeur d’une octave. ¤ Mais l’amplitude des harmoniques diminue au fur et à mesure qu’on s‘éloigne de la fréquence fondamentale. Du coup, elles sont difficilement exploitables au-delà de trois octaves. ¤ Grâce à un amplificateur accordé sur une harmonique, on va donc « privilégier » celle-ci au détriment de la fondamentale, et ainsi obtenir une fréquence autre que celle d‘origine. Oscillateur contrôlé par tension: le VCO Pendant des décennies, le condensateur variable (CV) utilisé dans les oscillateurs était composé d’un jeu de lames métalliques fixes, parallèles et solidaires les unes des autres - et d’un autre jeu, mobile, pouvant s’insérer plus ou moins dans le premier, faisant varier la surface des lames en présence, modifiant ainsi la valeur capacitive de l‘ensemble. L’apparition de la diode VARICAP va permettre de remplacer ce composant coûteux: Un simple potentiomètre dont on fait varier la valeur va contrôler la tension appliquée sur cette diode montée en inverse, qui, du coup va vois sa capacité modifiée. C’est-ce qu’on appelle le VCO (pour Voltage Controlled Oscillator en Anglais) La boucle à verrouillage de phase (en Anglai: PLL - pour Phase Locked Loop) Le PLL va combiner les avantages du VCO (plage de fréquences étendue) et ceux d‘un oscillateur à quartz (stabilité). Un comparateur de phase contrôle à la fois la fréquence générée par un VCO et celle produite par

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un quartz (ou une de ses harmoniques). Toute différence dans la comparaison déclenche une variation de la tension appliquée sur le VCO, ramenant la fréquence de celui-ci « dans le droit chemin ». La propagation des ondes dans l’espace Pour comprendre comment se fait la propagation des ondes radio dans l’espace, voyons d’abord voir comment est constituée notre atmosphère. Celle-ci est divisée en plusieurs couches : La troposphère, lieu où la température décroît uniformément d’environ 5° quand on s’élève de

1000 mètres, qui part du sol pour atteindre 9 km aux pôles et 18 km à l’équateur. La stratosphère, qui s’élève jusqu’à 50 km, et où la température reste constante. La mésosphère, qui s’élève jusqu’à 80 km, avec une température qui décroît. L’ionosphère, qui s’élève jusqu’à 350 km, zone qui subit le bombardement des rayons solaires

où on trouve différentes couches "ionisées"6 par ce bombardement. On y trouve différentes sous-couches, qui servent de "miroirs réfléchissants" pour les ondes : - La couche D, située entre 80 et 90 km, elle disparaît pendant la nuit - La couche E, située entre 90 et 110 km. - La couche F1, située entre 150 et 200 km, elle disparaît pendant la nuit - La couche F2, qui s’élève jusqu’à 350 km. C’est dans les couches F1 et F2 qu’on trouve un maximum de particules ionisées. L’exosphère succède à l’ionosphère: il y a encore quelques molécules d’air jusqu’à une altitude

de 9600 km. Les ondes radioélectriques se propagent de deux façons à partir d’une antenne : - en ondes de sol - en ondes ionosphériques Le fading (évanouissement) Plusieurs ondes peuvent arriver au même endroit en ayant parcouru des distances différentes. Du coup il se produit un déphasage entre elles, ce qui se traduit par ce qu’on appelle du "fading". Cela se traduit par des variations d’intensité du signal reçu, ou des distorsions. L’onde sol Elle peut avoir trois composantes: - une onde de surface qui suit la surface du sol et qui est peu à peu absorbée par celui-ci, et ce, d’autant plus vite que la fréquence est faible.. - une onde directe dont le comportement ressemble de plus en plus à celui d’un rayon lumineux, au fur et à mesure que la fréquence augmente. - une onde réfléchie, si la configuration du sol le permet. L’onde ionosphérique Lorsqu’une onde HF aborde les couches ionisées, elle peut, selon l’angle d’attaque, être absorbée, réfractée (elle traverse la couche mais change de direction) ou carrément réfléchie, auquel cas elle

6 Sous l’effet du bombardement des molécules d’air par les radiations solaires (U.V., rayons X, etc...), les atomes perdent leur état neutre pour devenir positifs ou négatifs, selon qu’il "récupèrent" des électrons ou qu’ils en perdent.

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retourne vers le sol et peut alors refaire cette gymnastique plusieurs fois. Grâce à ce phénomène, on peut "trafiquer" avec des correspondants situés aux antipodes ! N.B. Entre la fin de portée de l’onde directe et le début de réception de l’onde réfléchie, il existe une zone de silence dont l’étendue peut varier en fonction de l’heure, de la saison et du lieu… Aux environs de 30 MHz, le phénomène de réflexion devient aléatoire. La limite est appelée "fréquence critique". Celle-ci varie en fonction de nombreux paramètres (heure, saison, situation géographique). A un moment donné, il existe une fréquence maximale d’utilisation appelée MUF (Maximum Usable Frequency). Les fréquences supérieures à 30 MHz traversent les couches ionisées pour aller se perdre dans l’infini. Mais pour ces fréquences, il reste quand même l’onde directe qui se comporte comme un rayon lumineux: elle se propage en ligne droite et est arrêtée par les obstacles - c’est pourquoi on a besoin de tant de ré-émetteurs pour la Télévision et les téléphones portables qui travaillent avec ces fréquences. Les lignes de transmission Une ligne supposée infinie présenterait une impédance en tous points semblable. Cette impédance dite « impédance caractéristique » dépend : - de la valeur inductive de la ligne par unité de longueur, - de la capacité de la ligne par unité de longueur Elle a pour formule: (Z en Οhms, L en Henrys par mètre - C en Farads par mètre) La connexion entre l’émetteur et l’élément rayonnant qu’est l’antenne nécessite le plus souvent une ligne de transmission. Il en existe deux types : La ligne coaxiale Elle est constituée d’un fil isolé appelé « âme » entouré par une gaine également isolée comprenant un treillage métallique relié à la masse. Ce type de ligne est dit « asymétrique » car l’âme et le treillage n’ont pas les mêmes caractéristiques. L‘impédance caractéristique d‘un « coax » est donné par la formule suivante : Z = 138 log D / d Z en Ohms - D: diamètre extérieur du câble (tresse de masse) - d : diamètre du brin central (en mm) La ligne bifilaire Cette ligne est dite « symétrique » car elle est constituée par deux fils de mêmes caractéristiques, parallèles, mais séparés par des entretoises isolantes, l’ensemble formant une sorte d’ « échelle à grenouille ». L‘impédance caractéristique d‘un bifilaire est donné par la formule suivante :

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Z = 276 log D / d Z en Ohms - D: distance entre les deux centres - r : rayon de l’un des fils _ (en mm) Adaptations des impédances Ligne ¼ d’onde ou multiple IMPAIR La ligne reliant l’émetteur à l’antenne doit avoir une impédance qui soit compatible avec celle de l’antenne et celle de l’émetteur. On la calcule par la formule : ZL: Impédance de la ligne - ZA: impédance de l’antenne - ZG: impédance du générateur (l’émetteur) - en Ohms. Ligne ½ onde ou multiple PAIR Quand une ligne a une longueur égale à une demi-onde ou à un de ses multiples pairs, l’impédance de l’antenne est égale à celle de l ‘émetteur : ZA = ZG Les antennes Il n’existe pas d‘antenne parfaite ! Ce serait un conducteur de longueur infinie et de résistance nulle. L’énergie générée par l’émetteur se propageant le long de l’antenne et décroissant lentement au fur et à mesure qu’elle est rayonnée. Au bout d’une certaine distance, il n‘y aurait plus ni tension, ni courant dans cette antenne. Dans une antenne réelle, on peut considérer le courant qui la traverse comme une série de charges électriques qui se suivent, avec des valeurs chaque fois différentes (fonction de la valeur sinusoïdale de l’onde), qui rebondissent en arrivant au bout de l’antenne, comme une balle arrivant contre un mur. Ce rebond correspond à un changement de sens dans le courant, et comme on peut admettre que deux charges qui se suivent ont des valeurs sensiblement identiques, on peut admettre que le courant "arrivant" et le courant "repartant" s’annulent mutuellement. La valeur du courant en bout d’antenne sera donc toujours nulle. En retournant en direction de la source, les charges "descendantes" croisent les charges "montantes" et comme elles n’ont pas été générées au même moment, le courant mesuré en chaque point de l’antenne représente la différence entre charges "montantes" et "descendantes". Si l‘antenne est « à la bonne longueur », il se forme un système d’ondes stationnaires formées de nœuds et de ventres espacés l‘un de l‘autre par une distance égale à λ / 2. L’antenne quart d’onde Par définition, la longueur d’une antenne quart d’onde est égale au quart de la longueur d’onde de la fréquence qui lui est appliquée. Pour mieux comprendre son fonctionnement, soulignons que : - Une onde se compose de deux alternances, une positive et l’autre négative, le tout formant un cycle de 360° (une alternance "occupe donc 180°). - Dans une onde, toute charge électrique d’une certaine valeur a son équivalence "en sens inverse" dans l’alternance qui suit, 180° plus tard. Le demi-tour qu’effectue l’onde en bout d’antenne est donc équivalent à un retard de 180° (ou déphasage de 180°). - Ainsi, en arrivant au bout de l’antenne, la charge a pris un retard de 90° par rapport à celle qui est

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en train de quitter l’émetteur. - En faisant demi-tour, elle "prend" encore un retard supplémentaire de 180°. - En arrivant à l’émetteur, son retard sur le signal "émetteur" a augmenté de 90°, soit un cumul de 360° (ou 0°) ! Cela veut dire que la charge qui est de retour se trouve parfaitement "en phase" avec la charge qui est en train de quitter l’émetteur à ce moment-là: même valeur et même signe. Du coup, l’émetteur ne se rend compte de rien : pour lui, l’antenne a une longueur infinie... ! Si l’antenne est plus courte que l/4, les charges qui reviennent à leur point de départ arrivent trop tôt (déphasage de moins de 360 degrés): la tension est "en retard" par rapport à l’intensité (déphasage de type capacitif). On peut remédier à ce problème par l’adjonction d’une bobine en série avec l’antenne. A l’inverse, avec une antenne trop longue, la tension arrive "en retard" (type inductif) et le remède consistera à ajouter un condensateur pour "raccourcir" l’antenne. N.B. La tension le long de l’antenne a des valeurs inverses de celles du courant. Sa valeur est donc maximum au bout de l’antenne, et minimum côté émetteur. Dans la réalité, à cause de capacités parasites, la longueur de l’antenne doit être légèrement inférieure à λ / 4 et on prend pour valeur : L = 0,95 λ / 4 Les antennes quart d’onde sont des antennes verticales (Ground Plane G.P. en Anglais) omnidirectionnelles (rayonnant de la même façon dans toutes les directions) . Leur impédance d’entrée est de de 36 Ohms avec un plan de sol perpendiculaire à l’antenne. Quand l’antenne est montée sur un toit, le plan de sol est remplacé par des radians (petits brins métalliques reliés à la masse) placés horizontalement. ¤ Si les radians sont inclinés à 120°, l’impédance augmente à 50 Ohms, ¤ et pour des radians inclinés à 180°, l’impédance atteint 75 Ohms. La longueur des radians se calcule par la formule : L (m) = 71,5 / F (MHz) Antenne doublet demi-onde Le doublet est constitué de deux antennes quart d’onde alignées l’une dans le prolongement de l’autre et connectées chacune à un pôle du générateur (dans le montage quart d’onde, un des pôles de l’émetteur est relié à la masse). Les charges électriques font le même voyage aller-retour dans chaque demi-antenne que précédemment avec le même résultat: un déphasage de 360° au retour des charges. N.B. Dans ce montage, le courant est encore minimum aux extrémités et il est maximum au centre, là où l’émetteur est connecté; et c’est l’inverse pour la tension. Le rayonnement est privilégié dans les deux directions perpendiculaires à l’antenne. l’impédance d’entrée d’une telle antenne est pratiquement le double que pour une antenne G.P. : 73 Ohms. Antenne doublet demi-onde repliée Cette antenne dite "antenne trombone", à cause de sa forme, a une impédance de 300 Ohms et

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comporte les mêmes éléments que le doublet demi-onde, avec, en plus, un brin replié, ayant aussi une longueur égale à λ / 2, soit une longueur totale égale à λ − une alternance positive pour une partie et une alternance pour l’autre. (fig. A). Pour comprendre son fonctionnement, on va supposer que la partie A-B est traversée par l’alternance positive et la partie B-C par l’alternance négative (fig. B). B-C repliée provoque un « retournement de 180° du signal. Du coup, l’alternance qui la traverse se retrouve en phase avec celle dans A-B. Le rayonnement dans ces deux parties se trouve donc doublé par rapport à celui obtenu avec un doublet « standard ». Antenne Yagi C’est une antenne très directive comportant un doublet complété par des brins placés à distance convenable servant d’élément réflecteur et directeurs. Le nombre d’éléments directeurs conditionnant sa directivité. Couplage d’antennes Avec plusieurs antennes en parallèle, on obtient un meilleur rendement, mais elles doivent toutes avoir la même impédance. Si le gain d’une antenne est de x dB, une antenne supplémentaire portera le gain à : G = xdB + 3 dB. En ajoutant deux autres antennes, le gain deviendra : G x dB + 6 dB. Autrement dit : chaque doublement du nombre d’antennes apporte un gain de 3 dB. L’impédance résultant d’un couplage d’antennes se calcule en divisant l’impédance d’une antenne par le nombre. Paramètres mesurables d’une antenne (R-k-T-P) Le ROS (Rapport d’Ondes Stationnaires - en Anglais: SWR pour Stationnary Waves Ratio) Quand une antenne est à la bonne longueur, les ondes partant de l’émetteur (ondes incidentes) croisent harmonieusement celles qui y retournent (ondes réfléchies), formant des ondes stationnaires avec des ventres et des nœuds de tension parfaitement stables tous les quarts d‘onde. On dit que l’antenne est accordée. C’est le cas lorsque l‘impédance de l‘antenne (ZA) est la même que celle de l’émetteur (ZG). Le Rapport d’ondes stationnaires est donc celui qui existe entre ces deux impédances. Au mieux, il est égal à 1, au pire, à une valeur supérieure. On le calcule de la façon suivante : R.O.S. = ZA / ZG ou : ZG / ZA (le résultat doit toujours être égal ou supérieur à 1). k : le Coefficient de réflexion Dans une antenne accordée, toute l’énergie émise est rayonnée. Dans le cas contraire, une partie de celle-ci est réfléchie. Le coefficient de réflexion permet d’en déterminer l’importance. Son calcul se fait par la formule suivante : k = ROS - 1 / ROS + 1

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Le TOS (Taux d’Ondes Stationnaires) C’est la même chose que le coefficient de réflexion, mais exprimé en pourcentage : TOS (%) = 100 x k La Puissance réfléchie Elle se calcule en pourcentage par rapport à la Puissance incidente et s’obtient par la formule : Pr (%) = 100 x k2 Ainsi, dans le cas où 20 % de l’énergie est réfléchie, le pourcentage de la puissance réfléchie sera de : (0,2)2 = 0,04 x 100 = 4 (soit 4 %) - ce qui signifie que 4 % de l’énergie est réfléchie et 96 % est rayonnée. Si donc l’émetteur délivre 100 watts à l‘antenne, seuls 96 watts seront rayonnés. Rapport entre ROS, Puissance incidente et Puissance réfléchie Quand on connaît la valeur des Puissances Incidente et Réfléchie, on peut aussi calculer le ROS par la formule : La P.I.R.E. La Puissance Isotrope Rayonnée Equivalente (en Anglais: Effective Radiated Power - ERP) tient compte du gain de l’antenne. Avec un gain de 3 dB, une antenne recevant une puissance de 100 watts en rayonnera le double, soit 200 watts.

-o-o-o-o- Les émetteurs Les premiers émetteurs étaient constitués d’un simple circuit oscillant produisant des ondes amorties transmises vers une antenne sous forme de points et de traits, suivant le code Morse, et ce, grâce à un manipulateur. L’invention des tubes à vide va donner naissance à des générateurs d’ondes non amorties (oscillateurs Hartley, Colpitts, à quartz. ..), suivis, un peu plus tard, d’oscillateurs plus complexes (PLL) mariant la stabilité du quartz et la souplesse du VFO. De nouvelles fonctions vont apparaître: transmission de signaux "audio" (voix, musique) obtenus en "modulant" un signal HF à partir d’un signal BF. Ce sera la Modulation d’Amplitude. Puis, pour diminuer la bande passante due à cette technique, on utilisera un peu plus tard la BLU (Bande latérale Unique - en Anglais: Single Side Band). Enfin, pour améliorer la qualité de la réception, on se tournera vers la Modulation de fréquence (en

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Anglais: FM, pour Frequency Modulation). Voyons tout cela en détail. L’émission de type CW C’est le plus le plus simple: un oscillateur génère en continu une fréquence stable (CW signifie en anglais: "Continuous Wave" - Onde continue). Les oscillations sont transmises à un étage amplificateur de puissance (P.A.: Power Amplifier en Anglais) via un circuit tampon (Buffer en Anglais) placé pour protéger l’oscillateur de toute perturbation pouvant intervenir en aval. Au rythme de l’alphabet Morse généré par un manipulateur, le P.A. envoie des signaux cours (points) ou longs (traits) vers l’antenne. L’émission de type modulation d’amplitude (A.M.) Pour transmettre une onde HF modulée par la BF, il faut : 1- pouvoir transformer les vibrations mécaniques en vibrations électriques: c’est le microphone. 2- Moduler le signal haute fréquence pour lui faire intégrer la BF. Dans un premier temps, le plus simple est d’utiliser la Modulation d’Amplitude (A.M. en Anglais). 1- Le Microphone Familièrement appelé "Micro", il existe déjà depuis l’invention du téléphone. Différentes techniques sont utilisées. Le micro à charbon Chronologiquement c’est le premier utilisé. C’est une boîte contenant de la poudre de charbon (du charbon des cornues, pas de l’anthracite !) compressée et dont le couvercle vibre sous l’effet des ondes sonores. Cela entraîne des variations de résistance de la poudre, que l’on transforme variations de courant. La qualité des sons est à tout juste acceptable et sera remplacé par le micro électro-dynamique qui utilise le phénomène de l’induction. Le micro électro-dynamique On garde la même boîte, mais on retire la poudre pour y mettre un bobinage. Le couvercle est aimanté et vibre comme précédemment. Cela génère des variations de champ magnétique induisant des courants dans la bobine. 2- Modulation d’Amplitude de l’onde HF L’amplitude du courant HF est contrôlée par la tension BF. On utilisera d’abord des tubes à vide, puis plus tard, des transistors. Le résultat est un signal HF présentant une "enveloppe" double suivant les variations de la tension BF. Cette enveloppe est plus ou moins prononcée selon le rapport entre l’amplitude du signal BF (AB) et celle du signal HF (AH). Cela dépend de ce qu’on appelle l’indice de modulation égal à : AB m = ----- AH

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Ce qui correspond à un taux de modulation : T (%) = 100 x m Quand m est supérieur à 1, il y a surmodulation, et donc, distorsion du signal. La figure A montre une modulation égale à 35 % et celle égale à 100 %. La modulation d’amplitude présente deux inconvénients: ¤ Sensibilité aux variations de propagation : Tout ce qui impacte l’amplitude du signal influe évidemment sur la qualité de la BF qui est "transportée". ¤ Largeur importante de la "bande passante" : Quand deux fréquences se trouvent ensemble, il s’en suit un "battement" tel qu’il y a à la fois addition et soustraction de leurs valeurs. Ainsi, pour un signal HF de valeur 1 mHz "rencontrant" une BF 10 kHZ, la place occupée par l’onde modulée dans le spectre des fréquences commence à 990 kHz (F0 - F2) pour se terminer à 1010 kHz (F0 + F1) (fig. B). Ce qui fait que là où on peut "loger" 100 émetteurs travaillant en CW, on ne pourra guère en loger plus de 10 en modulation d’amplitude ! L’émetteur AM n’est guère plus complexe que l’émetteur CW: Le P.A. reçoit en entrée le signal d’un modulateur qui a lui-même reçu, d’une part celui de l’oscillateur, et d’autre part, celui de l’ampli BF. L’émission de type BLU (Bande Latérale Unique - Single Side Band en Anglais) - On peut diminuer de moitié la largeur de la bande passante avec un filtre à quartz travaillant en filtre passe-bande. Mais cela pose un problème: En AM, si on suppose qu’un émetteur travaille avec une fréquence porteuse de 1 mHz et une BF de 4 kHz, la bande passante entière va se situer entre 996 kHz et 1004 kHz. Donc, en réception, il suffit d’avoir un récepteur avec une bande passante de 8 mHz et accordé sur 1 mHz. Et là, pas de problème ! Mais si, avec le même exemple, on filtre la bande passante en sortie de modulation, la demi-bande supérieure (BLS - en Anglais: SSB-U) va se situer entre 1000 et 1004 kHz et la demi-bande inférieure (BLI - en Anglais: SSB-L), entre 1000 et 1004 kHz. Dans les deux cas, la bande passante n’est plus que de 4 kHz, mais le récepteur, lui, doit être accordé au milieu de la bande, soit: 1002 kHz dans le premier cas et 998 kHz dans le second, et non 1 mHz, comme en émission. Alors, pour éviter cet ennui en BLU, on va utiliser deux oscillateurs (à quartz - pour la stabilité). Un commutateur permettra d’affecter l’un à la BLI, et l’autre à la BLS. Le premier "tournant à 1002 kHz, et l’autre, à 998 kHz. On dispose donc, au choix, de deux bandes passantes: l’une de 998 à 1006 si on a choisi la BLI, et l’autre de 994 à 1002 si on a choisi la BLS. Le filtre à quartz situé après modulation "cadré" entre 998 et 1002 va « écrêmer » la double bande

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et ne garder que la partie supérieure (en BLS) ou la partie inférieure (en BLI). Du coup, quelle que soit la demi-bande choisie, le récepteur, lui, pourra être accordé sur 1 mHz, comme si de rien n’était. Le Module équilibré Pourquoi émettre une porteuse quand il n’y a pas de BF ? Poser la question, c’est y répondre: on va s’arranger pour qu’aucune porteuse ne soit émise lorsque le signal HF n’est pas modulé; cela fera des économies d’énergie et on n’embêtera pas les autres usagers qui ont envie de transmettre ! Et pour cela, on utilise le modulateur équilibré. Schéma de principe et fonctionnement. Le modulateur équilibré est composé d’une entrée BF (secondaire du transfo T1), d’une entrée HF (secondaire du transfo T2), d’un pont de diodes, et d’une sortie "HF modulée" (primaire de T3). En l’absence de signal BF, le signal de la porteuse atteint la sortie par deux chemins opposés (qui offrent les mêmes facilités). Du coup, les deux courants circulant dans les deux portions du primaire de T3 s’annulent mutuellement et rien n’apparaît aux bornes de T3. Par contre, quand un signal BF se présente aux bornes de T1, il "contrarie" les deux courants HF circulant dans les deux portions de son secondaire, et un courant HF modulé apparaît aux bornes de T3, courant dont l’amplitude est proportionnelle à celle du signal BF. ¤ Une alternance positive du signal HF part du point A, passe ensuite par B, puis par C, D, E, F, G avant d’arriver à H. ¤ De B, la même alternance passe par K, L, M, N, G avant de se retrouver à H. - On a donc deux courants identiques mais en opposition de phase dans le primaire de T3. Pour une alternance négative, on retrouve le

même double parcours : ¤ Une alternance négative du signal HF part du point H, passe ensuite par G, puis par F, E, D, C, B avant d’arriver à A. ¤ De G, la même alternance passe par N, M, L, K, B avant de se retrouver à A. Dans les deux cas, on a aussi deux demi-courants HF identiques dans le secondaire de T1, mais en opposition de phase. L’apparition d’un signal BF « déséquilibre » cette belle symétrie. Le résultat apparaît aux bornes de T3 sous la forme d’une HF modulée « deux bandes » dont l’amplitude est proportionnelle à celle du signal BF. L’émission en Modulation de fréquence (FM) Dans les émissions en modulation d’amplitude ou BLU, l’onde porteuse HF est modulée en amplitude par le signal BF. L’inconvénient, parfois majeur, est que toutes modifications de cette amplitude, dues aux phénomènes atmosphériques (orages) ou de propagation (fading), impactent la qualité de réception. D’où l’idée de faire varier, non plus l’amplitude, mais la fréquence de la porteuse au rythme de la fréquence audio (BF). Bien entendu, il faut quand même que le signal modulé en fréquence ait une amplitude minimum pour permettre un bon confort d’écoute.

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Mais la modulation de fréquence nécessite une large bande passante, et donc des fréquences HF suffisamment élevées, rarement en dessous de 30 mHz. L’excursion de fréquence Dans ce type d’émission, il est nécessaire que l’on puisse avoir une fréquence de référence stable, mais malgré les progrès effectués dans la réalisation des composants, la porteuse d’un émetteur n’est pas d’une stabilité absolue. Cette dérive, appelée "excursion de fréquence" a évidemment beaucoup d’importance pour ce type d’émission, d’où la nécessité de lui fixer des valeurs limites de tolérance. Elles sont de : +/- 3 kHz pour les bandes inférieures à 29,7 mHz +/- 7,5 kHz pour les bandes comprises entre 29,7 et 440 mHz.

Pour une fréquence BF (f) de 3 kHz maximale, et une excursion (ΔF) de 3 kHz, la largeur de bande nécessaire sera donc égale à : 2 x (ΔF + f) = 2 x (3 + 3) = 12 kHz. Pour une émission en HI-FI, la bande passante de la BF est au moins de 20 kHz et l’excursion de fréquence admise est de 7,5 kHz pour une HF de 100 mHz. La bande passante retenue sera donc de : 2 x (7,5 + 20) = 55 kHz ! Le modulateur de fréquence Pour moduler la porteuse HF en fréquence , on utilise un Modulateur de fréquence qui va agir sur le circuit oscillant de type L-C générant la HF (baptisé VFO -Voltage Frequency Oscillator). Le modulateur de fréquence modifie la réactance capacitive du VFO grâce à une diode VARICAP soumise à la tension variable de la BF. L’émetteur FM Le signal BF, après amplification, est « ajusté » en amplitude par le filtre de préaccentuation7 avant d’être appliqué sur la VARICAP du module à réactance. Ce dernier contrôle alors la fréquence de l’oscillateur (VFO), et la HF modulée sortant du VFO est envoyée vers le P.A. après, éventuellement, qu’une de ses harmoniques ait été retenue et favorisée par le multiplicateur de fréquence. Les récepteurs Tous les récepteurs sont conçus selon les mêmes principes: 1- On trouve d’abord un étage Ampli HF (ou RF pour: Radio Frequency) destiné à: ¤ sélectionner une fréquence (et donc à éliminer les autres) grâce à un circuit bouchon de type LC dont le condensateur variable permet d’explorer toute une plage de fréquences. ¤ Amplifier ce signal HF avant d’être transmis pour démodulation.

7 La préaccentuation consiste à amplifier d’avantage les signaux aigus avant leur arrivée dans le modulateur à réactance, car ce dernier a tendance à les défavoriser au profit des graves.

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2- L’étage de démodulation chargé de "récupérer" la composante BF (audio) transportée par le signal HF. Le dispositif utilisé pour y parvenir dépend du type d’émission auquel on a à faire. On verra cela plus en détail. 3- Après démodulation, le signal BF est alors amplifié en puissance avant d’être envoyé vers un haut-parleur. Au début la Radio, on travaille uniquement en mode CW (Morse), et un peu plus tard, en modulation d’amplitude (AM). Les fréquences HF utilisées restent basses (Les "Grandes Ondes" ou GO, se situent entre 150 et 350 kHz). Mais assez vite, on commence à monter en fréquence en utilisant les "Petites Ondes" ou PO, (entre 350 et 1600 kHz)8, et on constate alors que la démodulation a du mal à suivre ! Il faut donc résoudre ce problème, et les récepteurs de première génération, utilisant la technique dite "à amplification directe", vont être remplacés par des postes utilisant la technique dite "à changement de fréquence" ou "superhétérodyne". Le montage superhétérodyne Ce montage utilise le phénomène de "battement" déjà observé en émission A.M. et qui fait que deux fréquences f1 et f2 en génèrent deux autres : l’une, de valeur : f1 + f2 et l’autre, de valeur : f1- f2 (si f1 > f2) ou f2 - f1 (si f2 > f1) Un oscillateur local couplé mécaniquement au circuit d’accord d’antenne va générer une fréquence, soit inférieure (montage infradyne), soit supérieure (montage supradyne) à la fréquence à recevoir, et un mélangeur suivi d’un filtre, permettra d’avoir en sortie une fréquence HF de valeur constante. Cette fréquence constante9 , baptisée "Moyenne Fréquence" ou MF, puis plus tard, "fréquence intermédiaire" (FI) 10, est alors amplifiée avant d’être envoyée à l’étage de détection. Cela aboutit aux deux formules suivantes : - en infradyne : Fm = Fr - Fo - en supradyne : Fm = Fo - Fr - Fo : Fréquence de l’Oscillateur local - Fr : Fréquence Radio provenant de l’antenne - Fm : Fréquence Moyenne obtenue après mélange de Fo et Fr Mais en résolvant ce problème, on en crée un autre: celui de la fréquence image. La fréquence image

8 Les Ondes Courtes (OC) longtemps délaissées seront alors uniquement exploitées par les Radioamateurs. Ils sauront si bien en tirer partie qu’on leur retirera cette exclusivité un peu plus tard ! 9 La valeur de 455 kHz fut retenue comme fréquence intermédiaire. Par la suite, on ajouta celle de 9 mHz quand on commença à travailler avec des fréquences plus élevées (Sur 144 mHz, un premier changement de fréquence donne une Fm de 9 mHz, et un deuxième, la Fm de 455 kHz). 10 L’appellation officielle de Fréquence Intermédiaire (FI) risquant de rendre confuses les explications qui vont suivre, l’abréviation Fm (pour fréquence moyenne) sera donc utilisée en lieu et place de FI. Mais le jour de l’examen, il faudra faire attention aux termes utilisées

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Supposons que la Fm retenue soit de 700 kHz. Avec une fréquence HF à recevoir de 1200 kHz, et l’oscillateur tournant en infradyne à 500 kHz (700 kHz plus bas), on obtient : - par soustraction, la fréquence Fm attendue de 700 kHz (1200 - 500) - par addition, la fréquence de 1900 kHz qui sera éliminée par le filtre Fm accordé en permanence sur 700 kHz. Le problème semble donc résolu: le détecteur travaille bien à 700 kHz. Mais supposons qu’une autre émission ait lieu sur la fréquence de 200 kHz. Avec un ampli HF relativement "perméable", le mélangeur va recevoir tout ou une partie de ce deuxième signal. Le mélangeur lui, ne se contente pas de faire l’opération: 1200 - 500; il fait aussi l’addition 200 + 500, ce qui donne 700 dans les deux cas. Du coup, l’étage MF se retrouve avec deux émissions pour le prix d’une ! 200 kHz est la fréquence image de 700 kHz dans ce cas de figure. Les deux formules suivantes font la synthèse de ce qui vient d’être vu : - en infradyne : Fim = Fo - Fm - en supradyne : Fim = Fo + Fm Fo : Fréquence de l’Oscillateur local - Fim : Fréquence Image Fm : Fréquence Moyenne obtenue après mélange de Fo et Fr Les qualités demandées à l’étage HF sont donc : - un gain en amplification le plus important possible, - une élimination de la fréquence image la meilleure possible. Les qualités demandées à l’étage FI sont d’avoir une bonne sélectivité, c’est-à-dire, la faculté de séparer deux émissions l’une de l’autre. En pratique, un étage FI de bonne qualité aura une bande passante de 12 kHz en FM (bande étroite), de 2,5 kHz en BLU et de seulement 500 Hz en CW. Synoptique d’un récepteur Tous les récepteurs comportent donc : - un étage ampli HF (ou RF), - un étage mélangeur recevant également le signal d’un oscillateur, - un étage ampli MF (ou FI) (Au delà de 30 mHz, le récepteur comportera deux changements de fréquence). - un étage de démodulation dont l’appellation change selon le type de modulation à traiter. - un étage d’amplification du signal BF pour délivrer une puissance suffisante au haut-parleur. La démodulation

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Récepteur AM : le détecteur d’enveloppe Cette fonction est tenue par une diode capable de réagir rapidement aux changements de tension. Après détection, seule la moitié de l’"enveloppe" entourant le signal HF est disponible, ce qui correspond bien au signal BF d’origine. Celui-ci est alors transmis à l’étage d’amplification BF. Réception en BLU En BLU, il n’y a plus d’onde porteuse permanente, et on ne reçoit qu’une bande latérale, supérieure (BLS) ou inférieure (BLI). On doit donc reconstituer l’onde porteuse (en fait à une valeur légèrement supérieure à la FI si on est en BLI et légèrement inférieure si on est en BLS). Cela se fait grâce à : l’étage «Oscillateur à Fréquence de Battement » (en Anglais: BFO pour (Beating Frequency

Oscillator). Généralement constitué par 2 quartz (meilleure stabilité) - l’un est utilisé pour la BLI, l’autre pour la BLS). L’étage détecteur de produit.

Dans cet étage va se faire le mélange de ce qui arrive du BFO et de l’étage FI. En sortie, on obtient alors un signal identique au signal "à enveloppe" d’une émission AM qui peut donc être redressé de la même façon. Réception en CW La démarche est la même que pour une réception en BLU; la seule différence, c’est qu’on fait osciller le BFO à une fréquence supérieure d’environ 800 Hz à celle de la FI. On obtient ainsi une fréquence audible en sortie du détecteur de produit. Réception de la FM Il s’agit de transformer un signal variant en fréquences par un autre qui varie en amplitude. Ce travail est confié au discriminateur. Mais celui-ci a besoin de recevoir des signaux ayant une amplitude constante, ce qu’on fait grâce à un étage limiteur placé entre l’ampli FI et le discriminateur. Le limiteur de tension

Son rôle est d’éliminer toute variation de l’amplitude du signal sortant de l’étage FI (parasites, orage...), mais il doit aussi exécuter une désaccentuation consistant à atténuer l’amplification des aigus 11. Le discriminateur

En réception, un circuit LC permet de favoriser une fréquence au détriment des autres. La courbe

11 Contrairement à ce que fait le modulateur à réactance en émission, le discriminateur a tendance à trop favoriser les aigus !

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ci-contre permet de visualiser ce qui se passe: l’amplitude du signal reçu est maximum à la résonance, puis diminue au fur et à mesure que l’on s’éloigne de cette valeur. Lorsqu’un tel circuit reçoit un signal modulé en fréquence, l’amplitude de ce dernier sera maximum pour la fréquence de la porteuse, et moindre dès qu’on s’en éloigne. C’est sur ce principe qu’est construit le discriminateur. Il est constitué de deux circuits LC montés symétriquement et accordés sur la fréquence de la porteuse. En l’absence de modulation, les deux tensions présentes à leurs bornes sont identiques et s’annulent l’une l’autre. Dès qu’une modulation apparaît, les deux tensions sont déséquilibrées et il en résulte une différence de potentiel aux bornes du circuit. Cette DDP étant proportionnelle aux écarts de fréquence, on obtient donc des variations d’amplitude à la place de variations de fréquences - et il ne reste plus qu’à transmettre ces variations de tension à l’étage d’amplification BF. Dispositifs complémentaires utilisés en réception Le Contrôle Automatique de Gain (C.A.G.) La réception en AM, BLU ou CW soufre d’un problème : l’amplitude du signal HF dépend des conditions de propagation et de l’éloignement plus ou moins grand de l’émetteur. Ce qui impacte l’amplitude des signaux audio. Et il est pénible de devoir sans arrêt ajuster le niveau du son à cause des variations de puissance du signal HF. D’autre par, un signal HF trop puissant va se traduire par une saturation de l’amplification BF, d’où des distorsions. D’où l’idée d’un Contrôle Automatique de Gain. Pour cela, une partie du signal BF redressé est renvoyée en amont pour contrôler la polarisation de l’étage « ampli FI », et parfois aussi, celui de l’ « ampli HF » en atténuant les signaux FI et HF trop puissants. Le silencieux (Squelch) C’est un dispositif utilisé en FM. Lorsque la porteuse n’est pas modulée, on note un bruit de fond assez désagréable en sortie BF. Pour supprimer celui-ci, le squelch abaisse ou supprime l’amplification BF, ce qui est un moyen radical de résoudre le problème ! Le S-mètre Cet appareil indique la force du signal arrivant à l’entrée de certains récepteurs (radioamateurs -notamment). Il est gradué en « S »12, chaque graduation correspondant à un doublement de la tension d’entrée, soit à chaque fois un gain de 6 dB. S1 correspond en général à une valeur de 0,2 μV, ce qui, pour S9 donne une valeur de 50 μV. S S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 μV 0,2 0,39 0,78 1,56 3,12 6,25 12,5 25 50 On utilise pour cela une fraction du signal FI qui est proportionnel à la force du signal reçu et qu‘on redresse avant de l’envoyer dans le S-mètre. Le calibration à quartz Ce dispositif permet de pouvoir étalonner un récepteur lorsqu’on ne dispose pas de fréquencemètre. Il comprend un oscillateur à quartz suivi par une série de diviseurs de fréquence, ce qui permet

12 En anglais, le mot « force » se traduit par « strength », ce qui explique l’appellation de S-mètre.

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d’obtenir des sous-multiples de la valeur initiale. Celle-ci générant normalement des harmoniques, on a donc aussi la possibilité d’obtenir des fréquences de valeurs 2F, 3F, 4F, … Caractéristiques des récepteurs La sélectivité Un récepteur sera d’autant plus sélectif qu’il aura de facilités à séparer deux émissions de fréquences voisines. Cette responsabilité incombe principalement aux étages FI. L’élimination de la fréquence image C’est le circuit d’amplification HF qui est en charge de résoudre ce problème. La sensibilité Un récepteur est jugé sensible quand il est capable de faire la différence entre des signaux faibles et le « bruit » d’origine atmosphérique ou industrielle. Il faut aussi noter qu’un récepteur génère son propre « bruit » causé par l’agitation des électrons dans ses circuits. La sensibilité s’exprime donc par le rapport entre la force d’un signal et celle du bruit. Ce rapport « signal / bruit » s‘exprime en décibel (les valeurs acceptables retenues sont de 10 dB en BLU et en CW, et de 13 dB en FM). La stabilité Cette caractéristique est importante quand le récepteur travaille dans des bandes de fréquence étroites (CW ou BLU). La stabilité dépendra de la qualité de l’Oscillateur local utilisé pour le changement de fréquence. L’intermodulation Lorsqu’un étage (amplificateur ou mélangeur) a coefficient d’amplification trop élevé ou non linéaire, les harmoniques de la fréquence à laquelle il travaille sont suffisamment importantes pour être prises en compte et vont « battre » entre elles dans l‘étage mélangeur. En sortie de celui-ci on trouve alors un ensemble de fréquences tout à fait indésirables … ! C’est pourquoi le CAG trouve toute son utilité en limitant le gain de l’ampli HF quand les signaux reçus par celui-ci sont trop puissants. La transmodulation Un signal relativement puissant et dont la fréquence est voisine du signal qu’on veut écouter risque de « moduler » ce dernier. Ce défaut est encore dû à un coefficient d’amplification trop élevé ou non linéaire de l’étage HF ou mélangeur.

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Les appareils de mesure

Appareils de mesures à usage universel

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Ces appareils de mesures sont dits analogiques lorsque l’affichage des valeurs ne se fait pas directement, mais "par analogie", grâce, le plus souvent, à une aiguille se positionnant devant un cadran gradué. C’est le cas lorsqu’on utilise un galvanomètre 13 comme instrument de base. Les appareils sont dits numériques 14 quand les valeurs s’affichent directement grâce à des modules d’affichage (afficheurs LCD, à LED’s, ...) qui font appel à des circuits électroniques. Le multimètre Le multimètre est un appareil à usage multiple (son nom le laisse deviner !) qui permet de mesurer différentes grandeurs électriques, telles que tension, intensité, résistance, capacité, ... Qu’il soit analogique ou numérique, le module de base présente les mêmes caractéristiques : 1- une résistance interne très faible (maxi: quelques ohms) 2- il ne peut être traversé que par un faible courant (quelques milliampères, voire quelques microampères). Pour cette raison, le terme "galvanomètre" sera utilisé, que l’on ait à faire à un multimètre de type analogique ou numérique. Mesure de l’intensité d’un courant C’est la fonction "ampèremètre" 15 du multimètre qui est utilisée. Deux caractéristiques sont à noter à propos de l’ampèremètre : ¤ Il doit être traversé par le courant à mesurer, et donc placé en série avec le circuit concerné. ¤ Pour que la mesure ait une signification, la résistance de l’ampèremètre doit être négligeable par rapport à celle du circuit. On l’a vu, le module de base ne supporte qu’un faible courant. De ce fait, la mesure de courants plus importants (plusieurs ampères, par exemple) nécessite de dériver une grande partie du courant à travers un "shunt" 16 placé en parallèle avec l’ampèremètre. - Ainsi, un module de base supportant un maximum de 1 mA et qui doit mesurer un courant pouvant atteindre 100 mA devra être équipé d’un shunt dérivant 99 mA (donc ayant une résistance 99 fois plus faible que celle du module de base !). La résistance du shunt (Rs) sera donc calculée selon la loi d’Ohm en tenant compte de la résistance du galvanomètre (Rg) selon la formule suivante : RS = Rg x Ig / IT - Ig (Ig: courant dans le galvanomètre, IT: courant total) Formule qui peut également de la façon suivante : RS = Rg / m-1 (m: rapport du courant total sur le courant dans le galvanomètre) Fonctionnement avec du courant alternatif

13 Rappelons le fonctionnement du galvanomètre: Les valeurs mesurées sont indiquées grâce à une aiguille se déplaçant devant un cadran qui comporte en général plusieurs échelles. L’aiguille est solidaire d’un cadre mobile constitué par un grand nombre de spires bobinées (fil fin recouvert d’un verni isolant).Ce cadre est placé dans le champ magnétique d’un aimant, et lorsqu’il est parcouru par un courant, il subit une force ("en courant dans un champ je me déplace") qui provoque sa rotation autour d’un axe. Cet axe est solidaire de ressorts spiraux qui exercent un couple de rappel.Soumis à ces deux forces, le cadre prend alors une position d’équilibre qui dépend de l’intensité du courant qui le parcourt. 14 "Chiffre" en Anglais se dit "Digit", d’où le qualificatif de "digital" parfois employé pour désigner ce type d’appareil. 15 on pourra aussi parler de milliampèremètre ou de microampèremètre selon les possibilités de l’appareil. 16 "shunt" signifie "dérivation" en anglais.

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Pour qu’un ampèremètre puisse mesurer du courant alternatif, il faut incorporer à l’appareil un pont de diodes qui fera office de redresseur. Les valeurs indiquées sont des valeurs efficaces. Petite restriction: l’appareil ne peut fonctionner que pour un courant alternatif "industriel", c-à-d ayant des fréquences ne dépassant pas les 100 Hz et de forme sinusoïdale. Pour des fréquences supérieures ou ayant une autre forme, il faut faire appel à du matériel spécialisé 17. Mesure d’une tension C’est la fonction Voltmètre de l’appareil qui est utilisée. Deux caractéristiques à retenir : - Le voltmètre se branche en parallèle avec le circuit (ou le générateur) dont on veut connaître la tension à ses bornes. - Le voltmètre doit présenter une résistance la plus grande possible pour ne pas être un "élément perturbateur" (il doit prélever un minimum de courant au circuit ou au générateur). Pour obtenir ce résultat, on utilise le module de base auquel on ajoute une résistance placée en série 18 . Sensibilité d’un voltmètre La résistance que présente un voltmètre détermine sa sensibilité. Celle-ci s’exprime en Ohms par volt ( o/V) par la formule : S = 1 / Imax (Imax: intensité maximum supportée par le galvanomètre) Exemple, un voltmètre utilisé pour mesurer des tensions de 100 volts maxi, et ayant une sensibilité de 30.000 ohms par volt présente une résistance de 3 mégohms. Mesures en courant alternatif Les mesures se font après redressement du courant (pont de diodes) et les valeurs trouvées sont des valeurs efficaces. Mesure d’une résistance La mesure d’une résistance se fait avec la fonction "ohmmètre". - Dans un ohmmètre analogique, la valeur d’une résistance s’obtient en mesurant le courant qu’elle laisse passer; une résistance de valeur infinie (ou coupée) correspond à courant nul et une résistance nulle (court-circuit) provoquera la déviation maximum de l’aiguille. Une pile de valeur (en principe) constante fournit le courant nécessaire. Une résistance réglable permet d’ajuster la valeur zéro ohm. Un jeu de résistances calibrées qu’on met en série avec la résistance à mesurer permet d’utiliser plusieurs échelles de valeurs allant de quelques ohms à plusieurs centaines de kilo-ohms. - Dans un ohmmètre numérique, un dispositif électronique fournit un courant constant qui traverse la résistance à mesurer. De ce fait, la valeur de la résistance sera proportionnelle à la tension aux bornes de celle-ci

17 Pour mesurer des valeurs (tension ou courant) alternatives non sinusoïdales, on utilise des appareils numériques travaillant de la façon suivante:- élévation au carré de la valeur d’entrée- filtrage du résultat (filtre passe-bas) pour obtenir une valeur moyenne- extraction de la racine carrée de la valeur moyenne pour obtenir la valeur efficace. 18 Comme on est amené à mesurer des tension dans différentes gammes de valeurs, on dispose de toute une batterie de résistances.

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et la valeur correspondante en ohms sera lue sur les graduations adéquates. Mesure de la puissance consommée La puissance consommée par une charge se mesure grâce à un wattmètre. Le wattmètre analogique - En courant continu, il fait appel à deux bobines, l’une fixe, est traversée par le courant (I) alimentant la charge, l’autre mobile, est traversée par un courant proportionnel à la tension d’utilisation (U). Les deux champs générés s’opposent et provoquent une répulsion de la bobine mobile qui sera proportionnelle à I et à U, et donc à la puissance consommée. Une aiguille solidaire de la bobine mobile indique la valeur de cette puissance. - En courant alternatif sinusoïdal de fréquence industrielle, on retrouve le même schéma, avec en plus, un pont redresseur de courant, et l’aiguille indique alors une puissance efficace. - En courant alternatif pour des hautes fréquences, on utilise un wattmètre numérique qui fait appel à l’électronique. Il existe néanmoins un appareil analogique qui affiche la valeur de la puissance délivrée par un émetteur. Ce sujet sera traité dans un paragraphe se rapportant aux appareils de mesures dédiés à l’émission radio. Le wattmètre numérique Alors que le principe de fonctionnement du wattmètre analogique est basé sur la formule P = UI, le wattmètre numérique, lui, fonctionne en utilisant la formule P = U2 / R. Après avoir détecté la valeur R de la résistance de charge, ainsi que la tension U à ses bornes, un calculateur intégré calcule U2, puis effectuer la division U2 / R, avant de traduire le résultat par une tension qui est affichée en watts. Les erreurs dans les mesures Des erreurs peuvent être commises lorsqu’on effectue une mesure. Elles peuvent être dues: - à l’appareil dont la précision est insuffisante. - ou accidentelles (par exemple des mauvais contacts intermittents). ¤ Les erreurs peuvent être systématiques : - par exemple, quand il y a un décalage entre le zéro du cadran et la position de repos de l’aiguille. ¤ Ou occasionnelles : - Quand, par exemple, le parallaxe introduit une erreur d’observation de la position de l’aiguille d’un appareil analogique. L’incertitude absolue C’est la différence entre la valeur mesurée et la valeur réelle d’une mesure. L’incertitude relative c’est l’écart (le plus souvent exprimée en pourcentage) entre la valeur indiquée par l’aiguille et la valeur réelle. Il faut noter que la mesure d’une tension de 20 V avec un écart de 1 V est moins précise que celle d’une tension de 100 V à 1 V près. Dans le premier cas, l’incertitude relative est de 1/20, soit 5%, alors que dans le second, elle n’est que de 1/100 = 1%. Mesure d’une fréquence La mesure d’une fréquence se fait avec un oscilloscope, ou un fréquencemètre numérique. L’oscilloscope L’oscilloscope est un appareil qui permet de visualiser un signal électrique sur un écran et d’en

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mesurer l’amplitude et la fréquence. L’élément principal qui le constitue est un tube à vide appelé "tube cathodique", comportant un écran revêtu de whilhelmite 19, un oxyde de zinc qui a la propriété de devenir luminescent quand il est bombardé par des électrons. 1- Le tube cathodique C’est un tube à vide dans lequel un filament chauffe une cathode qui émet des électrons. Un écran percé d’un orifice et baptisé Wehnelt est placé en sortie de cathode. Il est porté à un potentiel négatif par rapport à la cathode, ce qui permet, grâce à un potentiomètre, de régler le flux d’électrons qui "atterrira" plus ou moins brutalement sur l’écran, donnant ainsi une trace plus ou moins lumineuse. Des anodes placées sur le trajet des électrons ont pour fonction d’accélérer et de concentrer le flux électronique. Un dépôt métallique sur le verre autour de l’écran est relié à la dernière anode pour récupérer les électrons qui se sont échappés du faisceau. La concentration du flux permet d’obtenir un faisceau étroit d’électrons qui arrivent en un point de l’écran appelé spot. En appliquant une tension entre les plaques de déviation (entrée X pour les plaques verticales: déviation horizontale, et entrée Y pour les plaques horizontales: déviation verticale), on crée entre elles un champ électrique qui provoque la déviation du faisceau d’électrons, entraînant un déplacement plus ou moins important du spot sur l’écran en fonction de la tension appliquée entre les plaques. 2- Le balayage horizontal Son rôle est de faire en sorte que le spot se déplace à vitesse constante sur l’axe horizontal, en synchronisme avec le signal à étudier. L’axe horizontal est donc gradué en unité de temps. Pour obtenir ce déplacement, une tension en "dents de scie" est appliquée sur les plaques de déviation horizontale à l’aide d’une "base de temps" fonctionnant grâce à la charge et la décharge d’un condensateur dont la durée peut être paramétrée. Pendant le retour du spot de la droite vers la gauche de l’écran, la tension négative appliquée sur le wehnelt permet l’extinction du signal. Le signal à étudier passe d’abord par un étage d’entrée dont le rôle est d’adapter l’amplitude du signal à la taille de l’écran. Il est ensuite appliqué aux plaques de déviation verticale. Le fréquencemètre numérique Cet appareil permet de connaître la fréquence d’un signal avec une grande précision. Le principe de fonctionnement est le suivant : - Le signal dont on veut mesurer la fréquence est appliqué à un étage de "mise en forme carrée" pour qu’il soit assimilable par le circuit logique de comptage qui va être utilisé. Auparavant, si la fréquence est très élevée (UHF), le signal passe d’abord par un circuit diviseur de fréquence. - Le signal mis en forme arrive alors sur une patte d’entrée d’un circuit ET dont l’autre entrée reçoit

19 La whilhelmite fut découverte dans les Laboratoire Philips de Hollande après la première guerre mondiale. A cet époque, la reine Wilhelmine régnait sur ce pays, ce qui explique l’appellation donnée à cet oxyde.

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le signal d’une base de temps qui détermine le temps de comptage (en principe une seconde) et contrôler le démarrage du compteur et sa remise à zéro. - La sortie du circuit ET alimente alors l’entrée de l’étage compteur (circuit logique type CD4xxx) dont la sortie est connectée à l’étage "affichage". L’ondemètre à absorption Cet appareil permet d’avoir une idée relativement précise de la fréquence HF à laquelle travaille un oscillateur, un étage amplificateur ou de puissance. Placé à proximité de l’étage à contrôler, il absorbe une partie de l’énergie émise et l’absorption est maximum quand le circuit LC de l’ondemètre est accordé sur la fréquence du circuit de l’étage. Le courant devient alors maximum dans l’ondemètre, ce qui provoque, après redressement, la déviation maximum de l’aiguille du microampère associé. Le cadran situé derrière l’aiguille étant étalonné en fréquence. Le DIPmètre Il permet également de connaître la fréquence HF à laquelle travaille un circuit LC, mais son fonctionnement est l’inverse de celui de l’ondemètre. Quand on l’approche d’un circuit oscillant, il absorbe une fraction de l’énergie rayonnée, et l’absorption devient maximum quand la fréquence du DIPmètre est égale à celle du circuit oscillant. A ce moment-là, il se produit une brusque diminution de la tension 20 aux bornes de ce dernier, ce qui se constate sur un appareil de mesure. L’analyseur de spectre Un signal alternatif comprend en fait plusieurs fréquences: la fréquence fondamentale F, ainsi que des fréquences harmoniques, multiples de F (un multiple correspondant à une octave) : 2F, 3F, etc... L’amplitude de ces fréquences diminue au fur et à mesure que le rang de l’harmonique augmente. L’analyseur de spectre va permettre de visualiser (sur un écran cathodique) l’amplitude de ces fréquences, et de connaître la largeur de la bande qu’elles occupent. Principe de fonctionnement - Un générateur de tension "en dents de scie" contrôle la fréquence d’un oscillateur Celle-ci va varier, couvrant une bande incluant toutes les harmoniques possibles du signal à analyser (la fréquence augmente proportionnellement à la tension, puis revient à celle du début quand la tension retombe à zéro). - Un mélangeur reçoit le signal à analyser (de fréquence F), ainsi que celui produit par l’oscillateur de l’analyseur (de fréquence Fo). Ce mélangeur travaille en mode supradyne (Fo > Fs) et effectue la soustraction Fo - Fs. - En sortie, un filtre passe-bande ne laisse passer qu’une seule fréquence "Fi"; celle-ci n’apparaîtra donc que pour des valeurs : Fo - Fs = Fi, 2Fo - 2Fs = Fi, 3Fo - 3Fs = Fi, ..., correspondant aux fréquences fondamentale ou harmoniques de Fs. - Prenons l’exemple d’un signal de 100 kHz traité avec un analyseur dont l’oscillateur "tourne" entre 100 et 450 kHz et un filtre passe bande "calé" sur 30 kHz. - Avec F = 100 kHz et Fo = 130 kHz: Fo - F donne 30 kHz et le signal traverse le filtre et on peut donc visualiser son amplitude.

20 Cette chute de tension brusque est appelé un trou, mot qui en Anglais, peut se traduire par DIP.

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- Il ne se passe plus rien jusqu’à ce que Fo atteigne 230 kHz, ce qui, avec la première harmonique égale à 200 kHz va de nouveau donner par soustraction, une une Fi de 30 kHz. - Et ainsi de suite...

Appareils de mesures spécifiques aux émissions radio

Affichage du R.O.S. On utilise un ROS-mètre (S-meter). Cet appareil placé entre la sortie de l’émetteur et l’entré de l’antenne permet de voir l’accord de cette dernière par rapport à la fréquence du signal émis. Le nom anglais de l’appareil est issu de l’abréviation S.W.R (pour Stationnary Wave Ratio - qui correspond en Français au R.O.S. : rapport d’onde stationnaire). Quand l’antenne est accordée à la fréquence du signal, les signaux incident et réfléchi ont la même amplitude, et le rapport entre ondes incidentes et ondes réfléchies est donc égal à 1. Si le rapport ondes réfléchies / ondes incidentes est supérieur à 1 (R.O.S supérieur à 1), il y a lieu de corriger la "longueur fictive" de l’antenne grâce à une boîte d’accord (un circuit LC dont on peut faire varier les valeurs). Exemple de ROS-mètre La mesure du R.O.S. se fait grâce à deux circuits composés chacun d’un fil en série avec une diode. Ceux-ci sont placés parallèlement à la ligne de transmission et à proximité d’elle. Par induction, il apparaît une tension aux bornes des deux circuits, l’une étant proportionnelle à celle du signal incident, l’autre étant proportionnelle à celle du signal réfléchi. Les deux tensions sont appliquées aux bornes d’un voltmètre gradué de 1 à 10. En cas d’égalité (antenne correctement accordée), l’aiguille reste sur la valeur 1. Dans le cas contraire, elle indique la présence d’ondes stationnaires en quantité plus ou moins importante selon la valeur affichée. Affichage de la puissance délivrée à une antenne On utilise un wattmètre analogique qui fonctionne de la façon suivante: Une fraction de la tension HF est prélevée en sortie du PA et divisée par un pont de deux condensateurs, avant d’être redressée et appliquée à travers une résistance aux bornes d’un galvanomètre (dont le cadran est gradué en watts). A la place du galvanomètre, on peut trouver un dispositif d’affichage à LED’s qui présente moins d’inertie dans l’affichage.

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