OSCILLATEUR A TRANSISTOR BIPOLAIRE



Olivier ERNST F5LVG





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Cet article fait suite à l'article sur la stabilité des oscillateurs. Il aborde la réalisation pratique avec des transistors bipolaires. Ces transistors ont en effet des résultats nettement plus reproductibles que ceux obtenus avec les FET ou les MOSFET. L'impédance plus faible des transistors bipolaires est en effet largement compensée par leur gain extrêmement important. Il importe toutefois de choisir un transistor adéquat pour la fréquence d'oscillation, les mauvais fonctionnements des oscillateurs à transistors bipolaires étant le plus souvent du à l'emploi de transistors inadéquats. Nous verrons ensuite trois réalisations pratiques.







1) Choix du transistor

L'impédance dynamique d'une diode dans le sens passant, et donc de la jonction base émetteur (bc) d'un transistor, est toujours égale à z (ohm) = 0,025/i. Le gain Bêta d'un transistor en courant continu (Bo = H21) est égal: Bo = ic/ib.



En haute fréquence, les caractéristiques d'un transistor sont altérées par la capacité base émetteur (Cbe). Les constructeurs indiquent la fréquence de transition (ft), fréquence ou le gain Bft = 1. Cette fréquence correspond à la fréquence ou l'impédance de Cbe est égale à la résistance de la jonction base-émetteur divisée par Bo. Par exemple, si la jonction be à une résistance de 1 000 ohm, que Bo est de 100, et que l'impédance de Cbe est de 10 ohm, le courant qui traverse réellement la jonction est égal à 1/100 du courant qui traverse l'ensemble jonction + Cbe. Le courant qui traverse réellement la jonction est ensuite amplifié par Bo c'est à dire par 100. Au total le courant de sortie est égal au courant d'entrée. On a donc à la fréquence de transition

1/ (2 x pi x ft x Cbe) = (0,025 / ib) / Bo = (0,025 x Bo / ic) / Bo

D'où Cbe = ic / (2 x pi x ft x 0,025 ). Donc Cbe = 6300 ic / ft avec Cbe en pF; ic en mA et ft en MHz.



Il est intéressant d'étudier la fréquence fc où le courant qui traverse Cbe est identique au courant qui traverse réellement la jonction be. Du fait du déphasage de 90° entre le courant traversant Cbe et celui traversant la jonction, ce dernier est atténué de 3 dB (multiplication par 0,7) par rapport au courant total traversant l'ensemble Cbe + jonction. Le gain à la fréquence fc sera donc inférieur de 3 dB au gain mesuré en courant continu: Bfc = 0,7 x Bo. La véritable fréquence de coupure d'un transistor est donc égal à fc et non à ft. Il est facile de calculer fc en connaissant ft. A la fréquence fc on a :

1/ (2 x pi x fc x Cbe) = 0,025 / ib.

En comparant avec la première formule avec ft, on conclut que fc = ft/ Bo. Par exemple, pour le transistor BFR91A, ft = 5 GHz et Bo = 40. La fréquence de coupure de ce transistor dont la fréquence de transition est extrêmement élevée n'est que de 125 MHz. Un transistor doit donc toujours être choisi pour que sa fréquence de fonctionnement soit inférieure à fc.



A titre indicatif, voici la comparaison entre 2 transistors. BFR91A ft: 5GHz, Bo: 40 (min), Cbc: 0,6 pF, Cbe: 2,5 pF (à 2 mA), fc: 125 MHz. BF494 ft: 260 MHz, Bo: 115, Cbe: 0,85 pF, Cbe: 42 pF (à 2 mA), fc: 2,2 MHz. Les caractéristiques soulignées ne sont pas indiquées dans les lexiques comme le guide mondial des semi-conducteurs (Schreiber, Editions Radio). Il vous importe de les calculer ce qui permet ensuite de pouvoir évaluer si le transistor que vous voulez utiliser est bien adapté à la fréquence du montage. Le calcul de fc permet d'emblée de savoir que le rendement du BF494 sera médiocre au dessus de 2,2 MHz.



En pratique le transistor BFR91A est le meilleur compromis qualité-disponibilité-prix pour réaliser un oscillateur entre 3 et 30 MHz. Calculez la fréquence fc du transistor que vous employez habituellement, vous serez probablement surpris.





2) Choix du montage



Le gain est tel avec un transistor BFR91A qu'il est possible d'employer un oscillateur Colpitts avec une capacité d'accord C(pF) = 10000/F (MHz). Cette valeur correspond à la mise en série des deux capacités principales et du condensateur ajustable d'appoint. En réception, il est donc possible d'obtenir un oscillateur suffisamment stable sur 14 MHz. Au dessus de 14 MHz, il faudra choisir un oscillateur Seiller pour conserver une bobine de taille réaliste.



La sortie HF se fera sur le collecteur qui rejoint le “ plus ”, via une résistance dont la valeur sera comprise entre 100 et 2200 ohms. Ce type de couplage rarement décrit permet d’obtenir une tension de sortie plus élevée que dans un montage classique où la HF est prélevée sur l’émetteur.



L'accord se fera par varicap. Pour de faible plage de fréquences il faut utiliser des diodes LED rouges de 5 mm de diamètre. Ces diodes ont un coefficient de qualité satisfaisant, leur tension seuil (1,5 V) étant nettement plus élevée que celle des diodes au silicium. Il est possible d'en mettre jusque 4 en parallèle. Le coté opposé au méplat doit être relié au “ moins ”. Pour des variations plus importantes, des diodes zeners 1 watt de 6,8 ou 9 ou 18 volts pourront faire l'affaire. En dessous d'un volt, elles apportent cependant un amortissement non négligeable du fait de leur faible tension seuil (0,6 V). La connexion opposée à l'anneau doit être reliée au moins. Voici leur capacité (pF) mesurée à 0 et 4 volts: LED rouge 29/20; zener 6,8v 391/161; zener 9v 233/110, zener 18v 88/49. Les valeurs sont cependant variables selon les fabrications, ces composants étant dans le cas qui nous intéressent utilisés hors de leurs applications standards. Dans tous les cas l'alimentation de la "varicap" se fera par le point froid pour éviter d'amortir le circuit oscillant par le système d'alimentation. Il est inutile de dépasser une tension d’alimentation de 5 volts.



Une résistance (Re) de 47 à 220 ohms sera toujours mise en série avec l'émetteur. Cette résistance augmente, en effet, l'impédance Z comprise entre la base et la masse; ce qui augmente considérablement le coefficient de qualité Q du circuit oscillant en cours d'utilisation. Si la fréquence d'utilisation est inférieure à fc, on peut estimer que sa valeur Z est de: Z = (0,025 / ib) + (Bo x Re). La pente (p) du transistor est cependant diminuée par cet artifice (p=1/Re alors que sans résistance P=40xi) ce qui en explique les limites pour des grandes valeurs de Re.



Enfin, du fait de leur possibilité d'osciller en UHF, il existe parfois des oscillations parasites UHF qu'il faut supprimer par une résistance de 47 à 220 ohms mise en série avec la base.







3) Exemples pratiques



a) oscillateur Colpitts 14 MHz





Cet oscillateur est suffisamment stable pour un récepteur à conversion direct. La tension de sortie est relativement faible, et la mise au point relativement difficile, la bobine n'ayant que très peu de spires. Il est donc indispensable de pouvoir modifier la valeur de C7 pour obtenir la fréquence désirée. A noter la résistance R3 pour linéariser l’échelle des fréquences.

L: 2 spires sur mandrin de diamètre 8 mm (corps de Bic). R1: 470 ohms- R2: 22 kiloohms; R3: 4,7 kiloohms; R4: 47 ohms, R5: 1,5 kiloohms, P: 20 kiloohms 10 tours, C1 10 µF, C2: 47 nF; C3: 1 nF; C4: 1 nF, C5 100 pF, C6: 220 pF, C7: 220 pF, CA: 90 pF ajustable, T: BFR91A; D: zener 9,1 V 1 watt. C3,C4,C5,C7 condensateurs styroflex ou NPO.



b) Oscillateur Seiler 28 Mhz





Cet oscillateur permet une stabilité suffisante sur 28 MHz. Une particularité de ce montage est de ne pouvoir être transposé sur 14 MHz en changeant uniquement L. En effet, dans ce cas, la stabilité est nettement moins bonne sur 14 que sur 28 ! D'une façon générale, il faut préférer le Colpitts, le Seiler n'étant utile que lorsque la bobine du Colpitts devient inférieure à 2 spires.

L: 2 spires sur mandrin de diamètre 8 mm. R1: 470 ohms; R2: 22 kiloohms; R3: 4,7 kiloohms, R4: 47 ohms; R5: 1,5 kiloohms, P: 20 kiloohms 10 tours, C1: 10 µF, C2: 47 nF, C3: 100 pF, C4: 100 pF, C5 47 pF; C6: 220 pF; C7: 100 pF; CA: 90 pF ajustable, T: BFR91A; D: LED rouge 5 mm.

C3,C4,C5,C7 condensateurs styroflex ou NPO.



c) Oscillateur Colpitts 3,5 à 14 MHz





Cet oscillateur s'adapte à toutes les fréquences comprises entre 3,5 et 14 MHz. Il a été établi expérimentalement avec des récepteurs à conversion directe. S'il doit être établi dans un récepteur multigammes il est hors de question de commuter la bobine. Il faut un oscillateur par gamme et commuter la sortie. Pour éviter des réceptions parasites des différents oscillateurs, il faut aussi commuter la sortie du potentiomètre (vers R6). De cette façon, la fréquence des oscillateurs non utilisés se situe sous la limite inférieure des autres bandes harmoniques. La valeur de la bobine détermine la fréquence moyenne, alors que le choix des diodes détermine la largeur de la bande couverte.

L: 4 spires (14 MHz), 12 spires (7 MHz), 22 spires (3,5 MHz) sur mandrin de diamètre 8 mm. R1: 470 ohms; R2: 22 kiloohms; R3: 220 ohms, R4: 100 ohms (14 MHz) 220 ohms (7 et 3,5 MHz), R5: 1,5 kiloohms, R6: 4,7 kiloohms; P: 20 kiloohms 10 tours, C1: 10 µF, C2: 47 nF; C3: 680 pF; C4: 680 pF; C5 100 pF, C6: 220 pF, CA: 90 pF ajustable, T: BFR91A; D: 3 LED rouges 5 mm en parallèles (14 MHz), D:2 LED rouges 5 mm (7 MHz), zener 6,8 V 1 watt (3,5 MHz). C3,C4,C5 condensateurs styroflex ou NPO.





Olivier ERNST F5LVG



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