Un phénomène variable est qualifié de périodique quand il se reproduit identique à lui-même à intervalles de temps égaux. Un oscillateur correspond un système dans lequel il se produit des évolutions périodiques autour d'un état d'équilibre.

Définition

Savez-vous calculer la période d'un signal électrique ?

Un phénomène périodique correspond à un phénomène qui se répète, et ce de façon identique à lui-même, périodiquement.

La période correspond à la durée d'un motif comme, par exemple, pour un pendule, le motif est l'oscillation. La période s'exprime donc en seconde.

La fréquence d'un mouvement périodique correspond au nombre de fois que se répète le motif en une seconde ou, de façon plus générale, par unité de temps. Ainsi,  plus le phénomène mesuré est fréquent, plus sa fréquence est grande. On l'exprime généralement en hertz, parfois en minutes ou en heures.

Les oscillateurs

En physique, il est possible de parler d'oscillateur lorsque l'on décrit un système qui évolue de part et d'autre d'un équilibre stable. En effet, les grandeurs qui décrivent le système vont varier. On peut prendre l'exemple du temps, on parle alors de variations pseudo-périodique si une dissipation d'énergie va atténuer de façon progressive l'amplitude des oscillations. Mais il est également possible d'observer plusieurs types d'oscillateurs selon selon le fonctionnement et les effets de ceux-ci. Les oscillateurs les plus connus sont les oscillateurs mécaniques classique comme le pendule ou la masse ressort mais aussi les oscillateurs électrique bien qu'on puisse trouver des oscillateurs en chimie et en mécanique quantique.

Exemples d'oscillateurs

Il faut bien entretenir le moteur de son véhicule car il ne suffit que d'un problème dans la synchronisation pour que celui-ci finisse irréparable.

  • Oscillateur mécaniques, tels que les oscillateurs de translation (piston dans un moteur, lame de scie sauteuse, membrane d'un haut-parleur) ou les oscillateurs de rotation (pendule simple, pendule de torsion, balançoire).
  • Oscillateurs chimiques, à l'échelle macroscopique (l'expérience de Belousov-Zhabotinsky, où la solution change de couleur toutes les 20 secondes) ou à l'échelle moléculaire (la molécule d'ammoniac " vibre " avec une fréquence qui ne dépend que de la température).
  • Oscillateurs biologiques, comme le cœur ou, à plus grande échelle, un écosystème.
  • Oscillateurs acoustiques, comme la membrane d'un haut-parleur ou la vibration de l'air.
  • Oscillateurs électriques, comme la tension alternative d'EDF.

Mais aussi : les marées, le sillage de Von Karmen (tourbillons réguliers derrière les piles d'un pont), le vase de Tantale (qui se vide et se rempli à intervalles de temps définis).

L'oscillateur libre

L'oscillateur libre, également appelé oscillateur flottant, correspond à un système qui va subir une force qui le poussera vers le retour à une position d'équilibre autour de laquelle celui-ci oscille. On peut illustrer l'exemple de l'oscillateur libre avec le pendule oscillant sous l'effet de la gravité.

L'oscillateur forcé

Maintenant, vous saurez quoi répondre quand votre petit cousin vous demande pourquoi le ciel est bleu

L'oscillateur forcé correspond à un oscillateur libre additionné d'une force oscillante. C'est notamment le cas de la balançoire lorsque l'on balance ses pieds d'avant en arrière afin d'accélérer le balancement. En effet, ces mouvement vont constituer une force supplémentaire qui, lorsqu'elle est adaptée à la vitesse de la balançoire, va permettre à celle-ci de monter de plus en plus haut. La balançoire n'est pas le seul oscillateur forcé existant. En effet, on peut considérer que le rayonnement du Soleil va forcer les électrons des molécules de l'atmosphère à osciller, d'où la couleur bleue du ciel.

L'oscillateur auto-entretenu

L'oscillateur auto-entretenu correspond a un oscillateur qui va utiliser une source d'énergie continue et ainsi produire une variation périodique. Ils peuvent fonctionner grâce à deux fonctions principales qui sont :

  • Le gain : il correspond à l'amplification du signal. Cela est permis par la source d'énergie continue.
  • Le filtre : celui-ci permet de sélectionner une plage de fréquence au sein desquelles le système pourra osciller.

L'oscillateur quasi-sinusoïdal

On appelle oscillateur quasi-sinusoïdal un oscillateur auto-entretenu dont la représentation graphique des variations périodique s'approche d'une sinusoïde. Cela est notamment possible lorsque l'on utilise utilise un filtre de très bonne qualité qui sélectionnera ainsi une seule bonne fréquence, d'où la sinusoïde. On peut considérer l'oscillateur à pont de Wien comme étant un oscillateur quasi-sinusoïdal.

Le pont de Wien

Le pont de Wien était, à son époque, un montage en pont permettant de mesurer un composant grâce à la comparaison de ceux qui ont des caractéristiques connues. La technique reposait essentiellement sur la position sur une branche du pont le composant inconnu et de réduire à zéro la tension centrale grâce à l'ajustement des autres branches ou grâce à un changement de fréquence d'alimentation. On peut ainsi mesurer la capacité d'un composant mais également sa résistance.

Oscillateur à pont de Wien

On appelle oscillateur à pont de Wien un oscillateur qui produit des signaux sinusoïdaux avec une faible distorsion. Pour comprendre, il faut d'abord rappeler la constitution en deux parties d'un oscillateur :

  • Un amplificateur qui, selon les époques, peut être réalisé avec un tube à vide ou avec un ou plusieurs transistor. Aujourd'hui, on trouvera plus facilement des amplificateurs directement intégrés dans une puce électronique.
  • Un circuit de réaction qui sera disposé entre la sortie et l'entrée de l'amplificateur afin de mettre en œuvre diverses impédances comme les résistances, les condensateurs, les bobines ou le quartz.

Ce sera alors le circuit de réaction mis en place qui déterminera la fréquence d'oscillation puisque celle-ci se produit à une fréquence donnée où la condition d'oscillation n.Go est égale à 1 où n et Go désignent des nombres complexes représentant le gain du circuit de réaction et le gain de l'amplificateur.

Le cas des oscillateurs électriques

Soyez prudent lorsque vous manipulez de l'électricité, cela peut s'avérer très dangereux.

Oscillateur électronique

On appelle oscillateur électronique un circuit ayant pour fonction la production de d'un signal périodique ayant une forme sinusoïdale carrée, en dents de scie ou encore quelconque. Il faut également savoir qu'un oscillateur électronique peut avoir une fréquence fixe ou encore variable. Sachez également qu'il existe deux type d'oscillateurs : les oscillateurs harmoniques et les oscillateurs à relaxation.

Oscillateur harmonique

On appelle oscillateur harmonique un oscillateur capable de produire un signal sinusoïdal. Sachez d'ailleurs qu'il existe de nombreux montages permettant de constituer un oscillateur harmonique. Parmi les oscillateurs harmonique, on peut compter :

  • Oscillateur Colpitts
  • Oscillateur Clapp
  • Oscillateur à déphasage
  • Oscillateur Pierce
  • Oscillateur Hartley
  • Oscillateur à variables d'état

On dit des oscillateurs harmoniques qu'ils sont des oscillateurs idéaux. En effet, on peut décrire leur évolution dans le temps avec une fonction sinusoïdale dont la fréquence ne peut dépendre que des caractéristiques du système et dont l'amplitude est constante. L'intérêt de se modèle est qu'il permet de décrire l'évolution de n'importe quel système physique au voisinage d'une position dite d'équilibre stable. De ce fait, on peut dire de c'est un outil transversal utilisé dans de nombreux domaines comme la mécanique, l'électricité, l'électronique et l'optique. Dans la réalité, ces oscillateurs idéaux ne sont approchés que rarement, lorsque les forces dites dissipatives, comme les frottements par exemple, sont négligées. Dans ce cas, si on souhaite conserver une amplitude constante, il est nécessaire d'entretenir les oscillations en fournissant de l'énergie au système.

Oscillateur de Colpitts

Cet oscillateur a été inventé par Monsieur Edwin H. Colpitts. Cet oscillateur représente l'une des nombreuses configurations possible d'oscillateur électronique. De plus, sa simplicité de mise en place, mais également sa robustesse représentent ses principaux atouts Notez que l'oscillateur de Colpitts est comparable avec celui de Hartley. En effet, dans le cas d'un oscillateur de Colpitts, la fréquence d'oscillation est déterminée par deux condensateurs et une inductance alors que dans le cas de l'oscillateur de Hartley, la fréquence est déterminée par deux inductances et un condensateur.

Edwin Henry Colpitts

Edwin Henry Colpitts était considéré comme un pionnier des communications. En effet, il est surtout connu pour son invention de l'oscillateur Colpitts. En tant que chef de la branche de recherche de Western Electric au début des années 1900, les scientifiques sous sa direction et lui-même ont réalisé des progrès significatifs dans le développement des oscillateurs et des amplificateurs à tube à vide push-pull. Il faudra attendre 1915 pour que son équipe fasse la démonstration avec succès du premier radiotéléphone transatlantique. Colpitts est décédé chez lui en 1949 à Orange dans le New Jersey aux États-Unis et son corps a été inhumé à Point de Bute, Nouveau-Brunswick au Canada.

Oscillateur de Clapp

Cet oscillateur a été inventé par James K. Clapp en 1948 représente l'une des configurations possibles d'oscillateur électronique. Cet oscillateur a pour particularité d'être extrêmement bien adapté aux fréquences élevées, même à plusieurs GHz, puisque les capacités mêmes du composant actif ne peuvent être incorporée aux capacités fonctionnelles. Notez en plus que cet oscillateur est utilisé afin de faire osciller des quartz en mode overtone, c'est-à-dire entre 30 MHz et 150 MHz. Pour cela, il est nécessaire de disposer le quartz entre l'émetteur du transistor et le point commun des deux condensateurs.

James Kilton Clapp

James Kilton Clapp était un ingénieur électricien américain qui travaillait pour General Radio Corporation. Diplômé du Massachusetts Institute of Technology en 1923, il y obtiendra une maîtrise en 1926. Il a enseigné au MIT, puis a rejoint General Radio Corporation en 1928, jusqu'à sa retraite en 1957. Il deviendra membre de l'IRE en 1928 et en 1933 il est nommé "Fellow". Plusieurs des inventions de Clapp utilisées pour constituer la base des produits de General Radio. Par exemple, ce scientifique a inventé un étalon de fréquence d'oscillateur à quartz en 1930, et a breveté un four de contrôle de température pour oscillateurs à quartz. Même si le nom de Clapp est surtout connu dans le domaine de l'électronique pour sa description en 1948 d'une forme améliorée d'oscillateur Colpitts connu sous le nom d'oscillateur Clapp.

Oscillateur à déphasage

On appelle oscillateur à déphasage un oscillateur électronique qui fournit un signal dit sinusoïdal. Pour obtenir ce signal, cet oscillateur est composé d'un amplificateur inverseur possédant une boucle de contre-réaction qui contient elle-même un filtre déphasant le signal de 180° à la fréquence d'oscillation. Pour respecter le critère de Barkhausen, la chaîne de retour doit nécessairement déphaser les signaux qui lui sont appliqués de π.

Oscillateur de Pierce

L'oscillateur de Pierce, inventé par George Washington Pierce, est un oscillateur électronique fréquemment utilisé afin de réaliser des oscillateurs à quartz. En effet, cet oscillateur est adapté aux oscillateurs à quartz en fréquence fondamentale puisque celui-ci ne demande pas de self. Notez en plus que la capacité C1, qui permet d'ajuster précisément la fréquence, sera plus ou moins égale au tiers de la capacité C2.

George Washington Pierce

George Washington Pierce était un physicien américain mas aussi professeur de physique à l'Université Harvard et inventeur dans le développement des télécommunications électroniques. Fils d'un éleveur de bétail du Texas, il s'est distingué à l'école de Taylor et à l'Université du Texas avant de commencer sa relation durable avec Harvard en 1898. Il a écrit trois textes novateurs, dont plusieurs articles savants, et s'est vu attribuer 53 brevets. Le plus remarquable est le circuit oscillateur à quartz à un étage, qui est devenu la pierre de touche de l'art de la communication électronique. Süsskind dit qu'il était "un individu extrêmement chaleureux et drôle, très vénéré par ses étudiants."

Oscillateur de Hartley

Cet oscillateur, inventé par Ralph Hartley, représente l'une des configurations possibles d'oscillateur électronique. Il est nécessaire de rappeler que ce type d'oscillateur de Hartley est relativement peu utilisé puisque celui-ci demande une prise sur une inductance, ce qui demande deux inductances séparées et donc ce qui est beaucoup plus coûteux qu'utiliser le dual de l'oscillateur de Hartley, c'est-à-dire l'oscillateur de Colpitts.

Ralph Hartley

Ralph Vinton Lyon Hartley est un chercheur en électronique. Connu pour son invention d'un type d'oscillateur particulier : l'oscillateur Hartley mais aussi parce qu'il a défini la transformation mathématique connue sous le nom de transformée de Hartley. De plus, il a beaucoup contribué au fondement de la théorie de l'information.

Oscillateur à relaxation

On appelle oscillateur à relaxation un oscillateur qui produit un signal qui ne présente pas de forme sinusoïdale. Cet oscillateur repose en effet sur la répétition d'un phénomène apériodique, c'est-à-dire sans période, tel que la charge et la décharge d'un condensateur où l'arrivée d'une tension de seuil provoque le déclenchement de la phase suivante. On dit des oscillations de relaxation qu'elles sont non-linéaires car puisque celles-ci sont obtenues par une augmentation continue d'une contrainte puis par le relâchement de cette même contrainte. Il faut savoir que, lorsque la contrainte est devenue trop forte, la partie résistante du circuit va céder de façon brusque afin de libérer une partie de l'énergie accumulée. Par la suite, la contrainte va de nouveau croître jusqu'à ce qu'elle cède de nouveau et ainsi de suite. Il est possible d'illustrer ce schéma avec un filet d'eau qui va remplir un récipient fixé sur un axe horizontal. Ainsi, lorsque le récipient est plein, l'équilibre devient instable, le récipient se vide puis retrouve sa place initiale. Un exemple souvent utilisé pour illustrer ces oscillations est appelé l'expérience du vase de Tantale. Dans cette expérience, la contrainte est représentée par le niveau d'eau qui va augmenter de façon continuelle grâce à l'arrivée constante d'eau puis la baisse brutale de ce niveau d'eau quand le siphon va se déclencher.

Grandeurs physiques caractérisant un oscillateur

  • La période, notée T, se mesure en secondes (s) : c'est la durée d'un oscillation.
  • La fréquence, notée N, en hertz (Hz), qui est le nombre d'oscillations par seconde avec [ N = frac { 1 } { T } ]
  • L'amplitude, qui correspond au déplacement maximal. Elle peut être angulaire (angle d'écartement maximal du pendule par rapport à la verticale) ou linéaire (allongement maximal d'un ressort).

Oscillations et énergie

  • Mise en oscillation : l'oscillateur étant dans une position d'équilibre, on le fait bouger en lui apportant de l'énergie (tirant le pendule, étirant le ressort, chargeant le condensateur).

Si l'oscillateur n'est pas amorti, son énergie mécanique (pour un pendule ou un ressort) ou son énergie électrique (pour un oscillateur électrique) reste constante au cours du temps. Dans la réalité, tous les oscillateurs sont amortis, il y a dissipation d'énergie vers l'extérieur, l'énergie mécanique ou électrique diminue.

  • Entretien des oscillations : certains oscillateurs sont auto-entretenus (cœur, horloge), d'autres sont paramétriques (ils nécessitent une modification d'une des grandeurs : on raccourcit le fil du pendule par exemple, cf. Botafumeiro). Il faut dans tous les cas leur apporter de l'énergie au moment opportun : c'est l'excitation synchrone.

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Joy

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