Les oscillateurs convertissent une entrée CC (la tension d’alimentation) en une sortie CA (la forme d’onde), qui peut avoir une large gamme de formes et de fréquences d’ondes différentes qui peuvent être de nature compliquée ou de simples ondes sinusoïdales selon l’application.
Les oscillateurs sont également utilisés dans de nombreux équipements de test produisant des ondes sinusoïdales, des formes d’ondes carrées, en dents de scie ou triangulaires ou simplement un train d’impulsions de largeur variable ou constante. Les oscillateurs LC sont couramment utilisés dans les circuits radiofréquences en raison de leurs bonnes caractéristiques de bruit de phase et de leur facilité de mise en œuvre.
Un oscillateur est essentiellement un amplificateur à « rétroaction positive », ou rétroaction régénérative (en phase) et l’un des nombreux problèmes de la conception de circuits électroniques consiste à empêcher les amplificateurs d’osciller tout en essayant de faire osciller les oscillateurs.
Les oscillateurs fonctionnent parce qu’ils surmontent les pertes de leur circuit résonateur de rétroaction soit sous la forme d’un condensateur, d’une inductance ou des deux dans le même circuit en appliquant de l’énergie continue à la fréquence requise dans ce circuit résonateur. En d’autres termes, un oscillateur est un amplificateur qui utilise une rétroaction positive qui génère une fréquence de sortie sans utiliser de signal d’entrée.
Ainsi, les oscillateurs sont des circuits autonomes générant une forme d’onde de sortie périodique à une fréquence précise et pour que tout circuit électronique fonctionne comme un oscillateur, il doit avoir les trois caractéristiques suivantes.
- Une certaine forme d’amplification
- Rétroaction positive (régénération)
- Un réseau de rétroaction de détermination de fréquence
Un oscillateur a un petit amplificateur de rétroaction de signal avec un gain en boucle ouverte égal ou légèrement supérieur à un pour que les oscillations commencent mais pour continuer les oscillations, le gain moyen de la boucle doit revenir à l’unité. En plus de ces composants réactifs, un dispositif amplificateur tel qu’un Amplificateur Opérationnel ou un Transistor Bipolaire est nécessaire.
Contrairement à un amplificateur, il n’y a pas d’entrée CA externe requise pour faire fonctionner l’oscillateur car l’énergie d’alimentation CC est convertie par l’oscillateur en énergie CA à la fréquence requise.
Circuit de rétroaction de base de l’oscillateur
Où : β est une fraction de rétroaction.
Gain de l’oscillateur Sans rétroaction
Gain de l’oscillateur Avec rétroaction
Les oscillateurs sont des circuits qui génèrent une forme d’onde de sortie de tension continue à une fréquence requise, les valeurs des inductances, des condensateurs ou des résistances formant un circuit de réservoir résonant LC sélectif en fréquence et un réseau de rétroaction. Ce réseau de rétroaction est un réseau d’atténuation qui a un gain inférieur à un (β<1) et démarre des oscillations lorsque Aß>1 qui revient à l’unité (Aß=1) une fois que les oscillations commencent.
La fréquence des oscillateurs LC est contrôlée à l’aide d’un circuit inductif/ capacitif (LC) accordé ou résonant, la fréquence de sortie résultante étant connue sous le nom de fréquence d’oscillation. En faisant de la rétroaction des oscillateurs un réseau réactif, l’angle de phase de la rétroaction varie en fonction de la fréquence, ce qui est appelé déphasage.
Il existe essentiellement des types d’oscillateurs
- 1. Oscillateurs sinusoïdaux – ils sont connus sous le nom d’oscillateurs harmoniques et sont généralement un oscillateur de type « LC Tuned-feedback” ou « RC tuned-feedback” qui génère une forme d’onde purement sinusoïdale d’amplitude et de fréquence constantes.
- 2. Oscillateurs non sinusoïdaux – ceux-ci sont connus sous le nom d’oscillateurs de relaxation et génèrent des formes d’ondes non sinusoïdales complexes qui changent très rapidement d’une condition de stabilité à une autre, telles que des formes d’ondes de type « Onde carrée”, « onde triangulaire” ou « Onde en dents de scie”.
Résonance de l’oscillateur
Lorsqu’une tension constante mais de fréquence variable est appliquée à un circuit constitué d’une inductance, d’un condensateur et d’une résistance, la réactance des circuits Condensateur/Résistance et Inductance /Résistance doit changer à la fois l’amplitude et la phase du signal de sortie par rapport au signal d’entrée en raison de la réactance des composants utilisés.
Aux hautes fréquences, la réactance d’un condensateur est très faible agissant comme un court-circuit tandis que la réactance de l’inducteur est élevée agissant comme un circuit ouvert. Aux basses fréquences, l’inverse est vrai, la réactance du condensateur agit comme un circuit ouvert et la réactance de l’inducteur agit comme un court-circuit.
Entre ces deux extrêmes, la combinaison de l’inductance et du condensateur produit un circuit « Accordé” ou « Résonnant” qui a une Fréquence de Résonance, (ƒr) dans laquelle les réactances capacitive et inductive sont égales et s’annulent l’une l’autre, ne laissant que la résistance du circuit pour s’opposer à la circulation du courant. Cela signifie qu’il n’y a pas de déphasage car le courant est en phase avec la tension. Considérez le circuit ci-dessous.
Circuit de réservoir d’oscillateur LC de base
Le circuit se compose d’une bobine inductive, L et d’un condensateur, C. Le condensateur stocke de l’énergie sous la forme d’un champ électrostatique et qui produit une potentiel (tension statique) à travers ses plaques, tandis que la bobine inductive stocke son énergie sous la forme d’un champ électromagnétique. Le condensateur est chargé jusqu’à la tension d’alimentation CC, V en mettant l’interrupteur en position A. Lorsque le condensateur est complètement chargé, l’interrupteur passe à la position B.
Le condensateur chargé est maintenant connecté en parallèle à travers la bobine inductive, de sorte que le condensateur commence à se décharger à travers la bobine. La tension aux bornes de C commence à baisser lorsque le courant traversant la bobine commence à augmenter.
Ce courant ascendant crée un champ électromagnétique autour de la bobine qui résiste à ce flux de courant. Lorsque le condensateur, C est complètement déchargé de l’énergie qui était initialement stockée dans le condensateur, C en tant que champ électrostatique est maintenant stocké dans la bobine inductive, L en tant que champ électromagnétique autour des enroulements des bobines.
Comme il n’y a plus de tension externe dans le circuit pour maintenir le courant dans la bobine, il commence à tomber lorsque le champ électromagnétique commence à s’effondrer. Une cem arrière est induite dans la bobine (e =-Ldi / dt) en maintenant le courant dans la direction d’origine.
Ce courant charge le condensateur, C avec la polarité opposée à sa charge d’origine. C continue de se charger jusqu’à ce que le courant diminue à zéro et que le champ électromagnétique de la bobine se soit complètement effondré.
L’énergie initialement introduite dans le circuit par l’intermédiaire de l’interrupteur, a été renvoyée au condensateur qui présente à nouveau un potentiel de tension électrostatique aux bornes de celui-ci, bien qu’il soit maintenant de polarité opposée. Le condensateur commence maintenant à se décharger à nouveau à travers la bobine et l’ensemble du processus est répété. La polarité de la tension change au fur et à mesure que l’énergie est transmise entre le condensateur et l’inducteur, produisant une forme d’onde de tension et de courant sinusoïdaux de type alternatif.
Ce processus constitue alors la base d’un circuit de réservoir d’oscillateurs LC et théoriquement ce va-et-vient se poursuivra indéfiniment. Cependant, les choses ne sont pas parfaites et chaque fois que de l’énergie est transférée du condensateur, C à l’inductance, L et retour de L à C, des pertes d’énergie se produisent qui réduisent les oscillations à zéro au fil du temps.
Cette action oscillatoire de transfert d’énergie entre le condensateur, C et l’inducteur, L se poursuivrait indéfiniment s’il n’y avait pas de pertes d’énergie à l’intérieur du circuit. L’énergie électrique est perdue dans la résistance continue ou réelle de la bobine des inducteurs, dans le diélectrique du condensateur et dans le rayonnement du circuit, de sorte que l’oscillation diminue régulièrement jusqu’à ce qu’elle disparaisse complètement et que le processus s’arrête.
Ensuite, dans un circuit LC pratique, l’amplitude de la tension oscillatoire diminue à chaque demi-cycle d’oscillation et finira par disparaître jusqu’à zéro. Les oscillations sont alors dites » amorties « , la quantité d’amortissement étant déterminée par la qualité ou facteur Q du circuit.
Oscillations amorties
La fréquence de la tension oscillatoire dépend de la valeur de l’inductance et de la capacité dans le circuit de réservoir LC. On sait maintenant que pour que la résonance se produise dans le circuit de la cuve, il doit y avoir un point de fréquence où la valeur de XC, la réactance capacitive est la même que la valeur de XL, la réactance inductive (XL = XC) et qui va donc s’annuler l’une l’autre en ne laissant que la résistance CONTINUE dans le circuit pour s’opposer à la circulation du courant.
Si nous plaçons maintenant la courbe de réactance inductive de l’inducteur au-dessus de la courbe de réactance capacitive du condensateur de sorte que les deux courbes soient sur les mêmes axes fréquentiels, le point d’intersection nous donnera le point de fréquence de résonance, (ƒr ou wr) comme indiqué ci-dessous.
Fréquence de résonance
Où: ƒr est en Hertz, L est en Henries et C est en Farads.
Alors la fréquence à laquelle cela se produira est donnée comme suit:
Ensuite, en simplifiant l’équation ci-dessus, nous obtenons l’équation finale pour la fréquence de résonance, ƒr dans un circuit LC accordé comme:
Fréquence de résonance d’un oscillateur LC
- Où:
- L est l’Inductance en Henries
- C est la Capacité en Farads
- ƒr est la Fréquence de sortie en Hertz
Cette équation montre que si L ou C sont diminués, la fréquence augmente. On donne couramment à cette fréquence de sortie l’abréviation de (ƒr) pour l’identifier comme la » fréquence de résonance ”.
Pour maintenir les oscillations dans un circuit de réservoir LC, nous devons remplacer toute l’énergie perdue dans chaque oscillation et maintenir également l’amplitude de ces oscillations à un niveau constant. La quantité d’énergie remplacée doit donc être égale à l’énergie perdue au cours de chaque cycle.
Si l’énergie remplacée est trop importante, l’amplitude augmentera jusqu’à ce que le clippage des rails d’alimentation se produise. Alternativement, si la quantité d’énergie remplacée est trop faible, l’amplitude finirait par diminuer jusqu’à zéro avec le temps et les oscillations s’arrêteraient.
Le moyen le plus simple de remplacer cette énergie perdue est de prendre une partie de la sortie du circuit de réservoir LC, de l’amplifier puis de la réinjecter dans le circuit LC. Ce processus peut être réalisé à l’aide d’un amplificateur de tension utilisant comme dispositif actif un amplificateur op, un transistor FET ou bipolaire. Cependant, si le gain de boucle de l’amplificateur de rétroaction est trop faible, l’oscillation souhaitée se désintègre et si elle est trop importante, la forme d’onde se déforme.
Pour produire une oscillation constante, le niveau de l’énergie renvoyée au réseau LC doit être contrôlé avec précision. Ensuite, il doit y avoir une forme de contrôle automatique de l’amplitude ou du gain lorsque l’amplitude essaie de varier d’une tension de référence vers le haut ou vers le bas.
Pour maintenir une oscillation stable, le gain global du circuit doit être égal à un ou une unité. Moins et les oscillations ne commenceront pas ou ne s’éteindront pas à zéro, plus les oscillations se produiront mais l’amplitude sera coupée par les rails d’alimentation provoquant une distorsion. Considérez le circuit ci-dessous.
Circuit d’oscillateur LC à transistor de base
Un transistor bipolaire est utilisé comme amplificateur d’oscillateurs LC, le circuit de réservoir LC accordé servant de charge de collecteur. Une autre bobine L2 est connectée entre la base et l’émetteur du transistor dont le champ électromagnétique est « mutuellement” couplé à celui de la bobine L.
Une « inductance mutuelle” existe entre les deux circuits et le courant changeant circulant dans un circuit de bobine induit, par induction électromagnétique, une tension de potentiel dans l’autre (effet transformateur) de sorte que les oscillations se produisent dans le circuit accordé, de l’énergie électromagnétique est transférée de la bobine L à la bobine L2 et une tension de même fréquence que celle du circuit accordé est appliquée entre la base et l’émetteur du transistor. De cette manière, la tension de contre-réaction automatique nécessaire est appliquée au transistor amplificateur.
La quantité de rétroaction peut être augmentée ou diminuée en modifiant le couplage entre les deux bobines L et L2. Lorsque le circuit oscille, son impédance est résistive et les tensions du collecteur et de la base sont déphasées de 180o. Afin de maintenir les oscillations (appelées stabilité de fréquence), la tension appliquée au circuit accordé doit être « en phase” avec les oscillations se produisant dans le circuit accordé.
Par conséquent, nous devons introduire un déphasage supplémentaire de 180o dans le chemin de rétroaction entre le collecteur et la base. Ceci est réalisé en enroulant la bobine de L2 dans le bon sens par rapport à la bobine L nous donnant les relations d’amplitude et de phase correctes pour le circuit oscillateur ou en connectant un réseau de déphasage entre la sortie et l’entrée de l’amplificateur.
L’Oscillateur LC est donc un « Oscillateur Sinusoïdal » ou un « Oscillateur Harmonique » comme on l’appelle plus communément. Les oscillateurs LC peuvent générer des ondes sinusoïdales à haute fréquence pour une utilisation dans des applications de type radiofréquence (RF), l’amplificateur à transistor étant un transistor bipolaire ou FET.
Les oscillateurs harmoniques se présentent sous de nombreuses formes car il existe de nombreuses façons de construire un réseau de filtres LC et un amplificateur, les plus courantes étant l’oscillateur Hartley LC, l’Oscillateur Colpitts LC, l’Oscillateur Armstrong et l’Oscillateur Clapp pour n’en nommer que quelques-uns.
Exemple d’oscillateur LC No1
Une inductance de 200mH et un condensateur de 10pF sont connectés en parallèle pour créer un circuit de réservoir d’oscillateur LC. Calculez la fréquence d’oscillation.
Ensuite, nous pouvons voir dans l’exemple ci-dessus qu’en diminuant la valeur de la capacité, C ou de l’inductance, L aura pour effet d’augmenter la fréquence d’oscillation du circuit de réservoir LC.
Résumé des oscillateurs LC
Les conditions de base requises pour un circuit de réservoir résonant d’oscillateur LC sont données comme suit.
- Pour que les oscillations existent, un circuit oscillateur DOIT contenir un composant réactif (dépendant de la fréquence) soit un « Inducteur”, (L) ou un « condensateur”, (C) ainsi qu’une source d’alimentation CC.
- Dans un circuit simple inductance-condensateur, circuit LC, les oscillations s’amortissent au fil du temps en raison des pertes de composants et de circuits.
- Une amplification de tension est nécessaire pour surmonter ces pertes de circuit et fournir un gain positif.
- Le gain global de l’amplificateur doit être supérieur à un, unité.
- Les oscillations peuvent être maintenues en renvoyant une partie de la tension de sortie au circuit accordé qui est de l’amplitude correcte et en phase, (0o).
- Les oscillations ne peuvent se produire que lorsque le retour est « Positif » (auto-régénération).
- Le déphasage global du circuit doit être nul ou 360o de sorte que le signal de sortie du réseau de rétroaction soit « en phase » avec le signal d’entrée.
Dans le prochain tutoriel sur les oscillateurs, nous examinerons le fonctionnement de l’un des circuits d’oscillateur LC les plus courants qui utilise deux bobines d’inductance pour former une inductance à prise centrale dans son circuit de réservoir résonant. Ce type de circuit oscillateur LC est communément appelé oscillateur Hartley.
