Avant de débuter le cours, il est essentiel d'être au point sur les principales notions de l'électricité. Veillez alors à bien relire, comprendre et connaître vos cours précédant celui-ci.

Rappels

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.

Quels sont les composants d'un oscillateur ?
Sauriez-vous créer vous-même un montage de ce type d'oscillateur ? Si oui, comment vous y prendriez-vous ?

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

Comment choisir la bonne résistance dans son branchement ?
Savez-vous comment il est possible de déterminer quelle est la branche résistive et la branche conductive dans un circuit ?

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.

Qu'est-ce-qu'un équilibre instable ?
Petit exercice : essayer de représenter l'exemple explicité dans le cours puis expliquez plus précisément le modèle à l'aide d'un montage électrique.
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Expérience

On monte un oscillateur à déphasage, dans lequel la chaîne directe est montée en ampli inverseur dont la fonction de transfert est un réel négatif A = -R1/R2.

Réalisez le montage oscillateur afin de déterminer expérimentalement la valeur minimale R2min de R2 en dessous de laquelle il n’existe pas d’oscillation. Après avoir obtenu vos résultat vous comparerez la valeur de R2min à la valeur théorique 29R1.

Ensuite, vous mesurerez la fréquence du signal obtenu afin de la comparer à la valeur théorique fo.

    \[f_{o}=\frac{1}{2\pi\sqrt{6}RC}\]

Mesurez ensuite l’amplitude du signal obtenu ; le résultat était-il prévisible ?

Exercice


Déterminer la condition d’oscillation et la période des oscillations de cet oscillateur.

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Joy

Freelancer et étudiante en Sciences de la Vie et de la Terre, je suis un peu une grande sœur qui épaule et aide les autres pour observer et comprendre le monde qui nous entoure et ses curieux secrets !