Des condensateurs et des inductances peuvent être combinés pour créer des circuits résonnants, qui ont des caractéristiques de fréquence prononcées. La quantité de capacité et d’inductance de ces dispositifs détermine à la fois la fréquence de résonance et la netteté de la courbe de réponse (connue sous le nom de Q) que ces circuits présentent.

Si la capacité et l’inductance sont en parallèle, à la résonance, le circuit LC parallèle agit comme un circuit ouvert, le courant du circuit étant déterminé par toute résistance dans le circuit. Ainsi, l’impédance totale d’un circuit résonnant parallèle à la résonance devient juste la valeur de la résistance.

Il existe de nombreuses applications pour les circuits résonnants, y compris l’accord sélectif dans les émetteurs et récepteurs radio et la suppression des harmoniques indésirables.

Dans une discussion sur l’oscillateur LC, c’est la résonance parallèle qui est intéressante. Une inductance et un condensateur en configuration parallèle sont connus comme un circuit réservoir. Une condition de résonance se produit dans le circuit lorsque
XC = XL ou 1/2πfC = 2πfL

Où f est la fréquence et C est la capacité et L est l’inductance.

La résonance se produit lorsque les réactances inductive et capacitive sont égales, c’est-à-dire 2πfL = 1/2πfC. Cela ne peut se produire qu’à une certaine fréquence. L’équation peut être simplifiée en :

À partir de cette information, il est possible, connaissant les paramètres capacitifs et inductifs d’un circuit, de trouver la fréquence de résonance. Alternativement, si une fréquence de résonance donnée est souhaitée, les valeurs de L et C peuvent être choisies.

Dans un circuit résonant, Q dénote la qualité. Q est le pic (c’est-à-dire le maximum) d’énergie stockée dans un circuit résonnant par rapport à l’énergie dissipée au cours d’un cycle. C’est le rapport entre la fréquence de résonance fr et la largeur de bande Bw. La bande passante étant au dénominateur, un circuit ayant un Q plus élevé aura une bande passante plus faible : Q = fr/Bw

Mais il faut préciser que dans certaines applications, le Q d’un circuit résonant est intentionnellement réduit. Cela peut être fait en introduisant une résistance de « gâchage de Q ». En plus d’être important dans les circuits électroniques, Q est pertinent dans les systèmes mécaniques, acoustiques, optiques et autres oscillants.

Généralement, un oscillateur dans un circuit électronique convertit la tension d’alimentation continue en une sortie alternative, qui peut consister en une variété de formes d’onde, de fréquences, d’amplitudes et de rapports cycliques. Ou la sortie peut être une onde sinusoïdale de base sans autre contenu harmonique.

Un oscillateur LC, un sous-type d’oscillateur électronique, est souvent vu dans les applications de radiofréquence en raison de sa sortie de haute qualité et de sa conception simple. Il se compose d’un amplificateur incorporant une rétroaction positive (régénérative) en conjonction avec un circuit résonnant LC avec un paramètre Q approprié.

L’objectif lors de la construction d’un amplificateur est de concevoir un circuit qui n’entrera pas en oscillation. Dans un amplificateur qui n’est pas destiné à fonctionner comme un oscillateur, une quantité limitée de rétroaction positive peut être utilisée pour augmenter le gain. Une résistance variable peut être placée en série avec la rétroaction pour empêcher le circuit d’entrer en oscillation. Dans un auditorium équipé d’un système de sonorisation, il est nécessaire de maintenir une séparation entre le haut-parleur et le microphone pour contrôler la rétroaction et empêcher l’oscillation. La distance entre le microphone et le haut-parleur se comporte comme une résistance pour les ondes de fréquence audio.

Les oscillateurs LC (contrairement aux oscillateurs RC, qui sont non résonnants et basés uniquement sur une constante de temps) sont accordés pour sonner à une fréquence spécifique en fonction de l’interaction des réactances capacitives et inductives. Ils sont analogues aux résonateurs électromécaniques tels que les oscillateurs à quartz.

Le processus de mesure de la fréquence de résonance d’un circuit oscillateur commence par le couplage d’un générateur de signaux RF au circuit. Le couplage entre le générateur et l’oscillateur doit être lâche. Sinon, la résistance de sortie du générateur peut charger le circuit et réduire son Q.

Puis nous réglons le générateur sur la fréquence à laquelle nous voulons mesurer le Q. Nous ajustons le circuit oscillateur (souvent en tournant le condensateur d’accord) pour voir une tension maximale dans une sonde d’oscilloscope connectée au circuit réservoir. Le circuit est maintenant en résonance, cette fréquence est la fréquence de résonance du circuit.

Nous mesurons alors la tension du circuit oscillateur à la fréquence de résonance. Nous faisons varier la fréquence du générateur un peu au-dessus et au-dessous de la résonance et nous déterminons les deux fréquences où la tension sur le circuit est 0,707 fois la valeur à la résonance. La tension à 0,707 fois la résonance est le point -3 dB.

La largeur de bande de l’oscillateur est la différence entre les fréquences correspondant à ces deux points 0,707. Alors Q est la fréquence de résonance divisée par cette largeur de bande.

Le montage de test comprend généralement un générateur de signaux, une bobine de couplage, un oscilloscope et une sonde 1:100. La sortie du générateur de signaux se connecte à la bobine de couplage ayant environ 50 tours. Pour les fréquences de l’ordre du mégahertz, nous plaçons la bobine de couplage à environ 20 cm du circuit de l’oscillateur. La distance de 20 cm est destinée à donner un couplage lâche entre la bobine et l’oscillateur.

Nous connectons ensuite la sonde au circuit de l’oscillateur. La prise de terre de la sonde doit être reliée au boîtier du condensateur de l’accordeur. La sonde se connecte à l’oscilloscope. La sonde constitue une petite charge du circuit, de sorte que le Q ne chute généralement pas beaucoup. Il existe également des sondes 1:1 et 1:10, mais elles peuvent charger le circuit de l’oscillateur. Une sonde 1:100 a généralement une résistance d’entrée de 100 MΩ et une capacité d’entrée de 4 pF.

En raison de l’atténuation de 100x dans la sonde, la sortie du générateur de signaux doit généralement être réglée assez haut.

Un générateur de balayage peut simplifier certains aspects de cette mesure. La « sortie de balayage » se connecte à l’entrée X de l’oscilloscope avec l’oscilloscope en mode X-Y. Le tracé de l’oscilloscope va maintenant de gauche à droite, la partie gauche étant la fréquence de départ et la partie droite la fréquence d’arrêt. Un bon endroit pour commencer est avec la fréquence de balayage réglée à environ 10 Hertz.

L’entrée Y de l’oscilloscope est connectée à l’oscillateur via la sonde 1:100. La sortie RF du générateur de balayage se connecte à la bobine de couplage, qui est placée à environ 20 cm de la bobine de l’oscillateur.

Nous pouvons tourner le condensateur d’accord et obtenir la courbe de l’oscillateur sur l’écran de l’oscilloscope. Le bouton d’amplitude du générateur de balayage règle la hauteur du pic de la courbe. Le grand avantage de cette méthode est que les changements de la fréquence de résonance du circuit de l’oscillateur sont directement visibles sur l’écran. De même, les changements de Q seront évidents car la hauteur du pic changera.

Les oscillateurs LC se présentent sous la forme de plusieurs sous-types :

– L’oscillateur d’Armstrong, inventé en 1912 par Edwin Armstrong, a été le premier oscillateur électronique, par opposition aux oscillateurs mécaniques comme le pendule qui existaient depuis toujours. L’oscillateur Armstrong était à l’origine utilisé dans les transmetteurs à tube à vide. Il a ensuite servi dans le récepteur régénératif où le signal RF provenant de l’antenne était couplé dans l’inductance LC au moyen d’une bobine auxiliaire. Cette bobine pouvait être ajustée pour empêcher le circuit d’osciller. Ce même circuit fonctionnait pour démoduler le signal RF.

– L’oscillateur Colpitts, inventé par Edwin Colpitts en 1918, tire sa rétroaction de ce qui peut être considéré comme une capacité à prise centrale. Il s’agit en fait d’un diviseur de tension composé de deux condensateurs en série. Le dispositif actif, un amplificateur, peut être un transistor à jonction bipolaire, un transistor à effet de champ, un amplificateur opérationnel ou un tube à vide. La sortie se reconnecte à l’entrée à travers un circuit LC accordé constituant un filtre passe-bande qui sonne à la fréquence désirée.

Un oscillateur de Colpitts peut fonctionner comme un oscillateur à fréquence variable – comme dans un récepteur superhétérodyne ou un analyseur de spectre – lorsque l’inducteur est rendu variable. Ceci au lieu d’accorder l’un des condensateurs ou en introduisant un condensateur variable séparé en série avec l’inducteur.

– Un oscillateur Hartley, inventé par Ralph Hartley en 1915, est une image miroir de l’oscillateur Colpitts. La différence est qu’au lieu d’une capacité à prise centrale associée à une inductance, il utilise une inductance à prise centrale associée à un condensateur. Le signal de rétroaction provient de l’inductance à prise centrale ou d’une connexion en série entre deux inductances.

Ces inductances n’ont pas besoin d’être mutuellement couplées, elles peuvent donc consister en deux bobines séparées connectées en série plutôt qu’en un seul dispositif à prise centrale. Dans la variante ayant une bobine à prise centrale, l’inductance est plus grande car les deux segments sont magnétiquement couplés.

Dans l’oscillateur Hartley, la fréquence peut être facilement ajustée en utilisant un condensateur variable. Le circuit est relativement simple, avec un faible nombre de composants. Un oscillateur très stable en fréquence peut être construit en substituant un résonateur à cristal de quartz au condensateur.

– L’oscillateur de Clapp, un autre dispositif LC, consiste de la même façon en un transistor ou un tube à vide avec un réseau de rétroaction basé sur l’interaction de l’inductance et de la capacité réglé sur la fréquence de fonctionnement désirée. Il a été inventé par James Clapp en 1948. Il ressemble au circuit de Colpitts, avec un troisième condensateur placé en série avec l’inductance. C’est une amélioration par rapport à l’oscillateur de Colpitts, dans lequel l’oscillation peut ne pas survenir à certaines fréquences faisant des trous dans le spectre.

– L’oscillateur de Peltz diffère des oscillateurs de Colpitts, Clapp et Hartley en ce qu’il utilise deux transistors plutôt qu’un seul dispositif d’amplification. Comme les autres oscillateurs, l’objectif est de fournir un gain combiné supérieur à l’unité à la fréquence de résonance de manière à entretenir l’oscillation.

Un transistor peut être configuré comme un amplificateur à base commune et l’autre comme un émetteur suiveur. Le réservoir LC, dont l’impédance est minimale à la fréquence de résonance, présente une forte charge au collecteur. La sortie de l’émetteur-suiveur connectée en retour à l’entrée du transistor à base commune maintient l’oscillation dans le circuit de Peltz.

Pour construire un oscillateur LC qui soit électriquement accordable, un varactor (condensateur à tension variable) est placé dans le circuit LC. Le varactor est une diode à polarisation inverse. La capacité de toute jonction PN, comme dans une diode, diminue lorsque la polarisation inverse augmente. Plus précisément, la quantité de polarisation inverse détermine l’épaisseur de la zone d’appauvrissement dans le semi-conducteur. L’épaisseur de la zone de déplétion est proportionnelle à la racine carrée de la tension qui polarise en inverse la diode et la capacité est inversement proportionnelle à cette épaisseur, et donc elle est inversement proportionnelle à la racine carrée de la tension appliquée.

Ainsi, la sortie d’une simple alimentation en courant continu peut être commutée à travers une gamme de résistances ou une résistance variable pour accorder l’oscillateur. Les varactors sont conçus pour exploiter efficacement cette propriété.

Un solide présentant un certain degré d’élasticité vibrera dans une certaine mesure lorsqu’une énergie mécanique est appliquée. Un exemple est un gong frappé par un maillet. S’il est possible de le faire sonner de manière continue, il peut fonctionner comme un circuit résonnant dans un oscillateur électronique.

Le cristal de quartz est imminemment adapté à ce rôle car il est très stable en ce qui concerne sa fréquence de résonance. La fréquence de résonance dépend de la taille et de la forme du cristal. Avec une précision pouvant atteindre une seconde en 30 ans, les oscillateurs à quartz ont remplacé les pendules dans les horloges et ont été inégalés en précision pendant des années, jusqu’aux années 1950, lorsque les horloges atomiques sont entrées en scène.

Le cristal de quartz en tant que résonateur possède l’étonnante vertu de l’électricité inverse. Ce que cela signifie, c’est que lorsqu’il est correctement coupé, mis à la terre, monté et équipé de bornes, il réagira à une tension appliquée en changeant légèrement de forme. Lorsque la tension est supprimée, il reprend sa configuration spatiale initiale, générant une tension qui peut être mesurée aux bornes. Cette vibration constitue sa fréquence de résonance.

Le cristal de quartz a une autre vertu, celle d’être peu coûteux, il est donc largement utilisé dans de nombreuses applications, notamment les meilleurs oscilloscopes, analyseurs de spectre et générateurs de fréquences arbitraires du monde.

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