Après vous avoir appris comment réaliser des oscillateurs HF, nous vous expliquons ici comment augmenter la puissance de ces signaux faibles avec des étages amplificateurs HF. Cette leçon vous montrera que, pour transférer sans perte excessive le signal HF prélevé sur le collecteur d’un transistor amplificateur, il est nécessaire d’adapter l’impédance élevée du collecteur à la faible impédance de la base. Pour transférer le signal HF prélevé sur le collecteur d’un étage final vers l’antenne émettrice, il est également nécessaire d’adapter son impédance élevée à la valeur d’impédance du câble coaxial : 50 ou 75 ohms. Adapter deux valeurs différentes d’impédance n’est pas difficile car, vous l’apprendrez bientôt, il suffit de tourner l’axe des condensateurs ajustables se trouvant dans le filtre adaptateur d’impédance jusqu’à trouver la capacité correspondant au niveau de signal de sortie HF maximal. Cette leçon proposera, dans sa seconde partie, de construire un petit émetteur AM pour la gamme des 27 MHz : nous verrons, entre autres, comment régler les condensateurs ajustables pour une parfaite adaptation aux diverses impédances et nous vous apprendrons à calculer un filtre passe-bas qui, appliqué à la sortie de l’émetteur, empêchera toutes les fréquences harmoniques d’atteindre l’antenne émettrice.
La plus grande aspiration d’un jeune passionné d’électronique est de réussir à réaliser un émetteur de moyenne puissance en mesure d’envoyer à distance sa propre voix. Étant donné qu’à la sortie d’un étage oscillateur la puissance prélevée est toujours dérisoire, pour rendre le signal puissant il faut l’amplifier, mais pour ce faire on doit connaître, au préalable, tous les procédés à mettre en œuvre pour réaliser des étages amplificateurs HF efficaces.
Si nous avons un étage oscillateur fournissant à sa sortie une puissance de 0,05 W et si nous l’appliquons à un transistor devant l’amplifier 6,31 fois, sur son collecteur nous aurons une
puissance de :
0,05 x 6,31 = 0,315 W
Si cette puissance est insuffisante, il est nécessaire d’ajouter un deuxième transistor et, s’il amplifie aussi de 6,31 fois, nous aurons sur son collecteur une puissance de :
0,315 x 6,31 = 1,987 W
Si nous voulons ensuite encore augmenter la puissance, nous devrons ajouter un troisième transistor et, s’il amplifie aussi de 6,31 fois, nous aurons à la sortie une puissance de :
1,987 x 6,31 = 12,53 W
(voir figure 387)
Note : comme le montre le tableau 22, un gain de 6,31 correspond à une aug-mentation de puissance de 8 dB.
Cependant, pour amplifier un signal HF, il ne suffit pas, comme en BF, de prélever le signal de collecteur d’un transistor puis de l’appliquer, à travers un condensateur, à la base d’un transistor amplificateur : en effet, si l’on n’adapte pas l’impédance du signal prélevé sur le collecteur à l’impédance de base du transistor amplificateur, des pertes importantes se produisent.
Que signifie adapter une impédance ?
Comme le montre le tableau 20, l’impédance de base et l’impédance de collecteur d’un transistor changent avec la puissance.
Note : ce tableau, bien que purement indicatif, sert à montrer que l’impédance de base d’un transistor HF est toujours inférieure à celle de son collecteur. Ces valeurs sont approximatives car l’impédance varie d’un transistor à un autre en fonction de la tension d’alimentation et de la fréquence de travail.
Etant donné que ces impédances ne sont jamais données dans les tables de caractéristiques des transistors, vous voudrez sans doute savoir comment les calculer. On peut trouver avec une bonne approximation l’impédance de collecteur grâce à la formule :
Z ohms = [(Vcc x Vcc) : (W + W)]
où Z est l’impédance en ohms, Vcc la tension maximale acceptée par le collecteur du transistor, W la puissance maximale que peut fournir le transistor.
Donc si un transistor alimenté avec une tension maximale de 18 V fournit une puissance HF de 7 W, l’impédance de son collecteur sera d’environ :
[(18 x 18) : (7 + 7)] = 23 ohms
Si un autre transistor alimenté avec une tension maximale de 15 V fournit une puissance HF de 7 W, l’impédance de son collecteur sera d’environ :
[(15 x 15) : (7 + 7)] = 16 ohms
Précisons que l’impédance de collecteur ne varie pas seulement avec la tension d’alimentation, mais aussi avec la fréquence de travail. Étant donné qu’on n’explique en général pas comment faire pour adapter deux impédances différentes, on voit pourquoi ceux
qui passent de la BF à la HF ne peuvent comprendre pour quelle raison, quand on amplifie un signal HF, la puissance au lieu d’augmenter diminue !
Afin de vous expliquer ce qu’adapter une impédance signifie, prenons une comparaison hydraulique : comparons le transistor à un réservoir dont l’entrée est un tube de petit diamètre (basse impédance) et dont la sortie est un tube de gros diamètre (haute impédance).
Il va de soi que si l’on abouche, comme le montre la figure 391, une sortie de gros diamètre à une entrée de petit diamètre, afin de transvaser un liquide, une bonne quantité de ce liquide sera perdue. Pour éviter cette perte, la solution idéale serait d’utiliser des tubes de mêmes diamètres, mais comme ce n’est pas possible, il faut se procurer des raccords permettant d’aboucher deux tubes de deux diamètres différents, comme le montre la figure 392.
En HF un raccord capable d’adapter une basse impédance à une haute impédance ou vice versa, est constitué de deux condensateurs ajustables et d’une self, comme le montrent les figures 393 et 394. Les deux condensateurs ajustables C1 et C2 “regardent” toujours vers l’impédance la plus haute et la self L1 vers la plus basse.
Pour savoir combien de puissance on perdrait en présence d’une désadap-tation d’impédance, on peut utiliser la formule :
[(Z supérieure : Z inférieure) x 2] – 1
où Z est l’impédance en ohms.
Si nous reprenons le schéma de la figure 387 permettant d’obtenir en sortie une puissance d’environ 12,53 W et si nous le montons sans adapter l’impédance du collecteur et celle de
la base du transistor amplificateur suivant, nous pouvons calculer combien de puissance est perdue.
Si l’impédance de sortie de l’étage oscillateur est de 130 ohms et si le signal est appliqué sur la base d’un premier transistor de 1 W ayant une impédance d’environ 70 ohms, ce que
nous reportons ci-dessous :
puissance max. du transistor = 1 W
impédance base = 70 ohms
impédance collecteur = 110 ohms
nous aurons une désadaptation de :
[(130 : 70) x 2] – 1 = 2,7
Si nous relions la sortie de ce transistor, ayant une impédance de 110 ohms, à la base d’un transistor en mesure de fournir une puissance maximale de 2 W, comme le montre la figure 397, en consultant le tableau 20 nous lisons les impédances suivantes :
Si nous relions les 110 ohms du premier transistor à une impédance de 36 ohms, soit l’impédance du deuxième transistor, nous obtenons la désadaptation d’impédance suivante :
[(110 : 36) x 2] –1 = 5,11
Si ensuite nous ajoutons un troisième transistor en mesure de fournir une puissance maximale d’environ 15 W, en consultant le tableau 20 nous lisons les impédances suivantes :
puissance max. du transistor = 15 W impédance base = 5 ohms impédance collecteur = 8 ohms
Si nous relions le collecteur du deuxième transistor, ayant une impédance de 60 ohms, à la base de ce troisième transistor, ayant une impédance de 5 ohms, nous obtenons une désadaptation de :
[(60 : 5) x 2] – 1 = 23.
Si maintenant nous consultons le tableau 21, où dans la deuxième colonne est indiqué par quel nombre multiplier la puissance fournie pour trouver la puissance obtenue en présence d’une désadaptation d’impédance, nous avons :
désadaptation 2,7 = x 0,211
désadaptation 5,1 = x 0,445
désadaptation 23 = x 0,840
Note : étant donné que dans le tableau 21 on ne trouve pas 5,1, nous avons pris 5.
Sachant qu’à la sortie de l’étage oscillateur une puissance de 0,05 W est disponible, en présence d’une désadaptation d’impédance de 2,7 nous perdons une puissance d’environ :
0,05 x 0,211 = 0,01 W
et donc sur la base du premier transistor n’arrive plus la puissance de 0,05 W, mais seulement :
0,05 – 0,01 = 0,04 W
Étant donné que ce premier transistor amplifie le signal appliqué sur sa base 6,31 fois, nous prélevons sur son collecteur une puissance de :
0,04 x 6,31 = 0,252 W
Si nous relions la sortie de ce premier transistor, fournissant une puissance de 0,252 W, à la base du deuxième transistor, ayant une impédance de 36 ohms, nous perdons une puissance de :
0,252 x 0,445 = 0,112 W
et donc sur la base de ce deuxième transistor arrive une puissance de seulement :
0,252 – 0,112 = 0,14 W
Étant donné que ce deuxième transistor amplifie le signal appliqué sur la base de 6,31 fois, nous prélevons sur son collecteur une puissance de :
0,14 x 6,31 = 0,883 W
Si nous relions la sortie de ce deuxième transistor, fournissant une puissance de 0,883 W, à la base du troisième transistor, ayant une impédance de 5 ohms, nous perdons une puissance de :
0,883 x 0,840 = 0,741 W
et donc sur la base de ce troisième transistor arrive une puissance de seulement :
0,883 – 0,741 = 0,142 W
Étant donné que ce troisième transistor amplifie le signal appliqué sur la base de 6,31 fois, nous prélevons sur son collecteur une puissance de :
0,142 x 6,31 = 0,896 W
Avec cet exemple nous venons de démontrer que si l’on n’adapte pas parfaitement l’impédance du collecteur d’un transistor à l’impédance de base du transistor amplificateur, on
a des pertes de puissance élevées et, en effet, à la sortie du troisième transistor, au lieu d’obtenir une puissance de 12,53 W, comme le montre la figure 387, on n’a que 0,896 W,
comme le montre la figure 397.
Toutes ces opérations constituent des calculs que vous ne pourrez jamais faire, car vous ne connaîtrez jamais ni les impédances de base et de collecteur ni des tas d’autres paramètres. Par exemple, les capacités internes du transistor variant selon la fréquence de travail, les capacités parasites du circuit imprimé et du dissipateur, etc. Tous ces problèmes sont résolus par les deux condensateurs ajustables C1 et C2 des filtres que montrent les figures 393 et
394 : une fois réglés, ils permettent d’adapter parfaitement l’impédance de collecteur, inconnue, à l’impédance de base, inconnue également.
Si l’on jette un coup d’œil sur le tableau 20, on voit que l’impédance de collecteur d’un transistor est toujours plus élevée que l’impédance de base du transistor utilisé pour amplifier le signal HF. Même si nous ne connaissons pas l’impédance de collecteur ni celle de la base, il suffit, pour les adapter, de relier le filtre comme le montre la figure 398. Au collecteur, ayant une impédance supérieure, on relie C1 et à la base du transistor amplificateur on relie L1.
Pour savoir quand ces deux impédances sont parfaitement adaptées, on procède de manière expérimentale. En série avec le collecteur du transistor amplificateur on relie un milliampère mètre, comme le montre la figure 399, puis on règle les deux condensateurs ajustables C1 et C2 jusqu’à trouver la capacité pour laquelle le transistor consomme le courant maximum. Si l’on reprend la comparaison hydraulique, qu’illustre la figure 392, nous pouvons dire que C1 sert à adapter le filtre au diamètre supérieur et C2 au
diamètre inférieur.
La self L1 reliée à la base sert à accorder la fréquence de travail. En effet, comme nous l’avons vu ensemble à propos de l’oscillateur à quartz EN5038, si cette
self n’a pas la valeur d’inductance en µH requise, au lieu de s’accorder sur la fréquence fondamentale elle peut le faire sur une fréquence harmonique, c’est-à-dire une fréquence double de la fondamentale. Cette caractéristique ne peut d’ailleurs être exploitée que dans le cas où l’on souhaite doubler la fréquence prélevée à la sortie de l’oscillateur. Par exemple pour émettre sur la fréquence de 96 MHz nous pouvons utiliser un quartz de 48 MHz oscillant sur 24 MHz puis régler le premier filtre sur la fréquence de 24 + 24 = 48 MHz et les deuxième et troisième filtres sur 48 + 48 = 96 MHz, comme le montre la figure 400.
Or calculer l’inductance d’un filtre adaptateur est difficile car on ne connaît presque jamais les impédances de collecteur et de base des transistors utilisés. Pour résoudre ce problème, au lieu de perdre du temps dans des calculs complexes, même les spécialistes utilisent une méthode expérimentale beaucoup plus simple et bien plus précise.
En fait on part d’un filtre constitué de deux condensateurs ajustables de 500 pF et d’une self de 20 spires de fil de cuivre de 1 mm de diamètre bobiné sur un diamètre de 12 à 15 mm.
Quand on tourne les axes des condensateurs ajustables le transistor à un moment se met à consommer un courant maximal, comme le montre la figure 399. Si ce n’est pas possible, on réduit le nombre de spires à 18, 15, etc. Supposons qu’avec 6 spires et avec C1 et C2 à environ 100 pF on réussisse à faire consommer un courant maximal au transistor, on réalise un second filtre en montant une self de 6 spires et deux condensateurs ajustables de 100 pF.
Si vous voulez monter un émetteur quel qu’il soit, vous n’aurez pas à faire cette manipulation, car la liste des composants indiquera la capacité des deux condensateurs ajustables et le nombre de spires de la self.
Le tableau 20 montre que l’impédance de collecteur d’un transistor est toujours inférieure aux 50 ou 75 ohms du câble coaxial allant à l’antenne émettrice. Même si nous ne connaissons pas l’impédance de collecteur du transistor utilisé, nous savons déjà qu’elle doit être augmentée et pour ce faire il est nécessaire de relier le filtre comme le montre la figure 401. En fait nous devons relier L1 au collecteur et C1 à la sortie. Pour savoir si notre filtre peut adapter la basse impédance du collecteur à une impédance de sortie de 50 à 51 ohms, il suffit de relier à la sortie la sonde de charge EN5037. Cette sonde accepte une puissance maximale d’entrée de 1 W et donc, pour mesurer une puissance supérieure, il est nécessaire de remplacer les deux résistances d’entrée de 100 ohms 1/2 W par d’autres de plus grandes puissances, mais ayant toujours une valeur ohmique de 50 à 51 ohms.
Par exemple pour mesurer une puissance maximale de 5 W nous pouvons relier en parallèle trois résistances au carbone de 150 ohms 2 W, en effet : 150 : 3 = 50 ohms. On ne peut pas exclure, à cause des tolérances, que le résultat effectif final soit de 49 ou 51 ohms, mais cela ne constitue pas un problème. Par contre ne remplacez jamais les résistances au carbone par des résistances à fil :
étant inductives leur impédance n’est nullement égale à leur résistance ohmique !
L’impédance de collecteur n’étant pas connue, ni la capacité parasite du circuit imprimé et du dissipateur, etc., la valeur de L1 en µH n’est pas facile à calculer, aussi, procèderons-nous par méthode expérimentale. En fait on doit réaliser un filtre formé de deux condensateurs ajustables de 500 pF et d’une self de 20 spires de fil de cuivre de 1 mm sur un diamètre de 10 à 12 mm. Si nous tournons les axes des condensateurs ajustables nous obtenons en sortie une tension maximale, comme le montre la figure 401. Si le multimètre indique une tension moindre que celle correspondant à la puissance requise, nous devons réduire expérimentalement le nombre de spires. Si la tension maximale s’obtient avec 10 spires et deux capacités de 80 pF, nous devons faire un second filtre avec une self de 10 spires et deux condensateurs ajustables de 100 pF.
Plus la tension lue est élevée, plus importante est la puissance HF pré-levée à la sortie du transistor. Vous savez que la formule permettant de la calculer est :
Weff = [(V x V) : (R + R)]
où V est la tension mesurée sur le mul-timètre relié à la sonde de charge, R la valeur ohmique de la résistance d’entrée de la sonde. Si elle est de 50 ohms, la formule peut être simplifiée :
Weff = [(V x V) : 100]
Donc si sur le multimètre nous lisons 17,5 V, c’est que le transistor fournit une puissance d’environ :
[(17,5 x 17,5) : 100] = 3 W
Si en revanche sur le multimètre nous lisons 20 V, c’est que le transistor fournit une puissance d’environ:
[(20 x 20) : 100] = 4 W
Pour calculer la puissance HF que peut fournir un transistor final, on utilise la formule (voir figure 403) :
W = (mA x V) : 1 000
mais étant donné que le rendement d’un transistor ne dépasse jamais 80 % de la puissance consommée, la puissance en W est multipliée par huit.
Donc si nous avons un transistor alimenté en 12 V et consommant 420 mA, il doit théoriquement fournir une puissance de :
(420 x 12) : 1 000 = 5,04 W
Comme le rendement est de 80 %, la puissance réelle obtenue est de :
5,04 x 0,8 = 4 W
Le transistor amplificateur de puissance
Pour élever la faible puissance fournie par un étage oscillateur, avant de choisir un transistor amplificateur il est nécessaire de connaître ces données :
1°- fréquence maximale de travail en MHz
2°- puissance maximale de sortie en W
3°- tension maximale à appliquer sur le collecteur
4°- gain maximal du transistor en dB
La fréquence de travail
Le transistor à utiliser doit être choisi avec une fréquence de coupure supérieure à la fréquence à amplifier. La fréquence de coupure est la fréquence limite que le transistor peut amplifier. Donc pour amplifier une fréquence de 30 MHz, il faut choisir un transistor ayant une fréquence de coupure d’environ 60 à 70 MHz. Pour amplifier une fréquence de 100 à 150 MHz, il faut choisir un transistor ayant une fréquence de coupure d’environ 200 à 300 MHz.
La puissance de sortie
Parmi les spécifications d’un transistor HF devrait toujours figurer la puissance HF en W qu’il est capable de fournir (“Ouput Power”). Ne confondez pas “l’Output Power” et la “Total Device Dissipation”, en W aussi, qui est la puissance maximale que peut dissiper sous forme de chaleur
le boîtier du transistor. Pour avoir une bonne marge de sécurité, il faut toujours choisir un transistor pouvant fournir une puissance supérieure à celle requise. Pour prélever une puissance de 3 W, il faut toujours choisir un transistor capable de fournir une puissance maximale de 4 à 5 W. Dans le cas d’un transistor de 3 W, si pour une raison quelconque la puissance de sortie fournie dépassait 3,5 W, le transistor risquerait d’être détruit en quelques secondes. Pour prélever une
puissance de 3 W, nous pouvons aussi choisir un transistor de 15 à 20 W car il ne sera pas détruit même si par accident la charge de sortie était coupée. Si vous choisissez un transistor de 15, 20 ou 30 W, ne comptez pas prélever à sa sortie de telles puissances, car tout dépend de son gain en dB et de la puissance appliquée sur sa base.
La tension de travail
Cette donnée nous indique quelle tension maximale nous pouvons appliquer sur le collecteur d’un transistor HF sans l’endommager. Comme vous le verrez, certains transistors peuvent être alimentés par des tensions de 15 à 18 V et d’autres, par des tensions de 24 à 30 V.
S’il est modulé en fréquence (FM), tout type de transistor peut être utilisé pourvu que sa tension d’alimentation ne soit pas dépassée : donc un transistor de 18 V peut être alimenté avec une tension maximale de 18 V et un transistor de 30 V avec une tension maximale de 30 V. En
revanche s’il est modulé en amplitude (AM), on ne doit utiliser qu’un transistor pouvant être alimenté avec une tension de 24 à 30 V, cependant sur son collecteur il est nécessaire d’appliquer une tension égale à la moitié de la tension de travail maximale. Donc un transistor
dont la tension maximale est de 24 V sera alimenté en 12 V et un transistor de 30 V en 15 V. La raison en est la suivante : quand un transistor est modulé en AM, le signal BF s’ajoute au signal HF et donc la tension présente sur le collecteur est doublée, comme le montre la figure 406.
Le gain en dB
Cette donnée, toujours en dB, sous le nom de “Gain Power HF” ou Gpe, indique de combien de fois est amplifiée la puissance appliquée sur la base d’un transistor HF. Si nous avons deux transistors capables de fournir tous deux une puissance de 20 W :
transistor de 20 W – Gpe 7 dB
transistor de 20 W – Gpe 12 dB
pour savoir quelle différence il y a entre eux, il suffit de consulter le tableau 22 des dB et trouver, deuxième colonne, le nombre par lequel il faut multiplier la puissance appliquée sur les bases.
Si nous relions le transistor de 20 W, ayant un gain de 7 dB, à la sortie d’un étage oscillateur fournissant 0,05 W, comme le montre la figure 407, nous prélevons sur son collecteur une puissance maximale de :
0,05 x 5 = 0,25 W.
Si nous relions le transistor de 20 W, ayant un gain de 12 dB, à la sortie de l’étage oscillateur, comme le montre la figure 408, nous prélevons sur son collecteur une puissance maximale de :
0,05 x 15,87 = 0,79 W.
Le gain en dB nous permet de connaître aussi quelle puissance en W on doit appliquer à la base du transistor pour obtenir en sortie la puissance maximale. Dans le cas du transistor de 20 W ayant un gain de 7 dB (voir figure 409), pour obtenir en sortie cette puissance, nous devons appliquer sur la base un signal de 20 : 5 = 4 W.
Dans le cas du transistor de 20 W ayant un gain de 12 dB (voir figure 410), pour obtenir en sortie cette puissance, nous devons appliquer sur la base un signal de 20 : 15,87 = 1,26 W. Vous l’avez
compris, plus grand est le gain en dB, moindre doit être la puissance appliquée sur la base pour obtenir en sortie la puissance maximale.
Si sur la base du transistor ayant un gain de 7 dB nous appliquons un signal de 1,26 W, sur son collecteur nous prélevons une puissance de 1,26 x 5 = 6,3 W. Si sur la base du transistor ayant un gain de 12 dB nous appliquons un signal de 4 W, sur son collecteur nous prélevons une puissance de 4 x 15,87 = 63,48 W (voir figure 411). Or on sait que ce transistor ne peut fournir plus de 20 W, donc si nous appliquons sur sa base cet excès de puissance, nous le mettrons aussitôt
hors d’usage.
En effet, comparons un transistor à une lampe et la puissance de pilotage à la tension qu’il faut appliquer à son filament : il est évident que si nous alimentons une lampe de 12 V avec une tension supérieure elle grillera.
Les ultimes conseils
À l’extrémité de la self correspondant au collecteur (voir figure 414) se trouvent toujours plusieurs condensateurs reliés à la masse. Les extrémités de ces condensateurs ne sont jamais reliées à une masse quelconque du circuit imprimé, mais toujours à la piste de masse à laquelle est connecté l’émetteur du transistor amplificateur, comme le montre la figure 415. En effet, si nous connections l’un de ces condensateurs à une piste de masse quelconque, tous les résidus
HF pourraient atteindre les bases ou les collecteurs des autres transistors amplificateurs, ce qui aurait pour effet de produire des battements ou des auto-oscillations.
Vous l’avez compris, ces condensateurs servent à décharger à la masse tout résidu de HF présents après la self.
Vous voyez qu’au lieu d’utiliser un seul condensateur pour décharger ces résidus, on en utilise toujours deux ou trois de différentes capacités et reliés en parallèle, par exemple 100 nF, 1 nF, 100 pF, comme le montre la figure 414 : pourquoi cela ? Revoyez parmi es premières leçons, celle où nous évoquons la réactance des condensateurs : leur XC en ohm varie avec la capacité et aussi avec la fréquence de travail selon la formule :
XC ohm = [159 000 : (MHz x pF)].
Donc dans le cas de trois condensateurs, un de 100 pF, un de 1 000 et un de 100 000 pF, utilisés pour décharger à la masse toutes les fréquences résiduelles, ceux-ci se comportent comme
s’ils étaient des résistances de valeurs ohmiques suivantes :
100 pF = XC, soit 53 ohms
1 000 pF = XC, soit 5,3 ohms
100 000 pF = XC, soit 0,053 ohm.
De prime abord on pourrait penser que le seul condensateur de 100 nF, dont la XC est dérisoire, 0,053 ohm seulement, est plus que suffisant pour décharger à la masse n’importe quel
résidu HF. Mais en fait un condensateur a une ESR ou RES (“Equivalent Serie Resistance” ou Résistance Equivalente Série), c’est-à-dire une résistance théorique placée en série avec
la capacité du condensateur, comme le montre la figure 417.
Cette valeur ohmique ESR augmente avec la capacité comme ci-dessous :
100 pF = ESR, soit 0,053 ohm
1 000 pF = ESR, soit 5,3 ohms
100 000 pF = ESR, soit 53 ohms.
Note : les valeurs ohmiques ESR données sont théoriques et ne servent qu’à démontrer qu’un condensateur de capacité élevée a une ESR supérieure à celle d’un condensateur de moindre capacité.
Par conséquent un condensateur de 100 nF ayant une ESR de 53 ohms offre une résistance supérieure à la HF par rapport à un condensateur de 100 pF ayant une ESR de 0,053 ohm
seulement. En mettant en parallèle deux ou plusieurs condensateurs de différentes capacités, chaque résidu HF qui n’est pas déchargé à la masse par le condensateur de capacité supérieure à cause de son ESR élevée, le sera par le condensateur de capacité plus faible mais ayant une ESR plus faible également.
Tous les condensateurs à utiliser pour décharger à la masse les résidus HF doivent avoir une tension de travail au moins égale à 100 V. Des condensateurs de tensions inférieures
surchaufferaient, ce qui engendrerait des pertes de puissance.
Conclusion et à suivre
Ajoutons pour conclure que le transistor final de puissance ne doit jamais fonctionner sans charge et donc à sa sortie on devra toujours relier une sonde de charge de 50 ou 75 ohms
ou bien un câble coaxial acheminant le signal vers l’antenne émettrice.
Si aucune charge n’est présente à la sortie, en quelques secondes de fonctionnement le transistor sera détruit.
Enfin, pour vous démontrer que la haute fréquence n’est finalement pas si difficile que cela, nous vous ferons monter, au cours de la partie suivante, un petit émetteur 27 MHz AM (gamme CB) et vous verrez que vous réussirez à le faire fonctionner sans rencontrer aucune difficulté.
La plus grande aspiration d’un jeune passionné d’électronique est de réussir à réaliser un émetteur de moyenne puissance en mesure d’envoyer à distance sa propre voix. Étant donné qu’à la sortie d’un étage oscillateur la puissance prélevée est toujours dérisoire, pour rendre le signal puissant il faut l’amplifier, mais pour ce faire on doit connaître, au préalable, tous les procédés à mettre en œuvre pour réaliser des étages amplificateurs HF efficaces.
Si nous avons un étage oscillateur fournissant à sa sortie une puissance de 0,05 W et si nous l’appliquons à un transistor devant l’amplifier 6,31 fois, sur son collecteur nous aurons une
puissance de :
0,05 x 6,31 = 0,315 W
Si cette puissance est insuffisante, il est nécessaire d’ajouter un deuxième transistor et, s’il amplifie aussi de 6,31 fois, nous aurons sur son collecteur une puissance de :
0,315 x 6,31 = 1,987 W
Si nous voulons ensuite encore augmenter la puissance, nous devrons ajouter un troisième transistor et, s’il amplifie aussi de 6,31 fois, nous aurons à la sortie une puissance de :
1,987 x 6,31 = 12,53 W
(voir figure 387)
Note : comme le montre le tableau 22, un gain de 6,31 correspond à une aug-mentation de puissance de 8 dB.
Cependant, pour amplifier un signal HF, il ne suffit pas, comme en BF, de prélever le signal de collecteur d’un transistor puis de l’appliquer, à travers un condensateur, à la base d’un transistor amplificateur : en effet, si l’on n’adapte pas l’impédance du signal prélevé sur le collecteur à l’impédance de base du transistor amplificateur, des pertes importantes se produisent.
Comme le montre le tableau 20, l’impédance de base et l’impédance de collecteur d’un transistor changent avec la puissance.
Etant donné que ces impédances ne sont jamais données dans les tables de caractéristiques des transistors, vous voudrez sans doute savoir comment les calculer. On peut trouver avec une bonne approximation l’impédance de collecteur grâce à la formule :
Z ohms = [(Vcc x Vcc) : (W + W)]
où Z est l’impédance en ohms, Vcc la tension maximale acceptée par le collecteur du transistor, W la puissance maximale que peut fournir le transistor.
Donc si un transistor alimenté avec une tension maximale de 18 V fournit une puissance HF de 7 W, l’impédance de son collecteur sera d’environ :
[(18 x 18) : (7 + 7)] = 23 ohms
Si un autre transistor alimenté avec une tension maximale de 15 V fournit une puissance HF de 7 W, l’impédance de son collecteur sera d’environ :
[(15 x 15) : (7 + 7)] = 16 ohms
Précisons que l’impédance de collecteur ne varie pas seulement avec la tension d’alimentation, mais aussi avec la fréquence de travail. Étant donné qu’on n’explique en général pas comment faire pour adapter deux impédances différentes, on voit pourquoi ceux
qui passent de la BF à la HF ne peuvent comprendre pour quelle raison, quand on amplifie un signal HF, la puissance au lieu d’augmenter diminue !
Afin de vous expliquer ce qu’adapter une impédance signifie, prenons une comparaison hydraulique : comparons le transistor à un réservoir dont l’entrée est un tube de petit diamètre (basse impédance) et dont la sortie est un tube de gros diamètre (haute impédance).
Il va de soi que si l’on abouche, comme le montre la figure 391, une sortie de gros diamètre à une entrée de petit diamètre, afin de transvaser un liquide, une bonne quantité de ce liquide sera perdue. Pour éviter cette perte, la solution idéale serait d’utiliser des tubes de mêmes diamètres, mais comme ce n’est pas possible, il faut se procurer des raccords permettant d’aboucher deux tubes de deux diamètres différents, comme le montre la figure 392.
En HF un raccord capable d’adapter une basse impédance à une haute impédance ou vice versa, est constitué de deux condensateurs ajustables et d’une self, comme le montrent les figures 393 et 394. Les deux condensateurs ajustables C1 et C2 “regardent” toujours vers l’impédance la plus haute et la self L1 vers la plus basse.
Pour savoir combien de puissance on perdrait en présence d’une désadap-tation d’impédance, on peut utiliser la formule :
[(Z supérieure : Z inférieure) x 2] – 1
où Z est l’impédance en ohms.
Si nous reprenons le schéma de la figure 387 permettant d’obtenir en sortie une puissance d’environ 12,53 W et si nous le montons sans adapter l’impédance du collecteur et celle de
la base du transistor amplificateur suivant, nous pouvons calculer combien de puissance est perdue.
Si l’impédance de sortie de l’étage oscillateur est de 130 ohms et si le signal est appliqué sur la base d’un premier transistor de 1 W ayant une impédance d’environ 70 ohms, ce que
nous reportons ci-dessous :
puissance max. du transistor = 1 W
impédance base = 70 ohms
impédance collecteur = 110 ohms
nous aurons une désadaptation de :
[(130 : 70) x 2] – 1 = 2,7
Si nous relions la sortie de ce transistor, ayant une impédance de 110 ohms, à la base d’un transistor en mesure de fournir une puissance maximale de 2 W, comme le montre la figure 397, en consultant le tableau 20 nous lisons les impédances suivantes :
puissance max. du transistor = 2 W impédance base = 36 ohms impédance collecteur = 60 ohms
Si nous relions les 110 ohms du premier transistor à une impédance de 36 ohms, soit l’impédance du deuxième transistor, nous obtenons la désadaptation d’impédance suivante :
[(110 : 36) x 2] –1 = 5,11
Si ensuite nous ajoutons un troisième transistor en mesure de fournir une puissance maximale d’environ 15 W, en consultant le tableau 20 nous lisons les impédances suivantes :
puissance max. du transistor = 15 W impédance base = 5 ohms impédance collecteur = 8 ohms
Si nous relions le collecteur du deuxième transistor, ayant une impédance de 60 ohms, à la base de ce troisième transistor, ayant une impédance de 5 ohms, nous obtenons une désadaptation de :
[(60 : 5) x 2] – 1 = 23.
Si maintenant nous consultons le tableau 21, où dans la deuxième colonne est indiqué par quel nombre multiplier la puissance fournie pour trouver la puissance obtenue en présence d’une désadaptation d’impédance, nous avons :
désadaptation 2,7 = x 0,211
désadaptation 5,1 = x 0,445
désadaptation 23 = x 0,840
Note : étant donné que dans le tableau 21 on ne trouve pas 5,1, nous avons pris 5.
Sachant qu’à la sortie de l’étage oscillateur une puissance de 0,05 W est disponible, en présence d’une désadaptation d’impédance de 2,7 nous perdons une puissance d’environ :0,05 x 0,211 = 0,01 W
et donc sur la base du premier transistor n’arrive plus la puissance de 0,05 W, mais seulement :
0,05 – 0,01 = 0,04 W
Étant donné que ce premier transistor amplifie le signal appliqué sur sa base 6,31 fois, nous prélevons sur son collecteur une puissance de :
0,04 x 6,31 = 0,252 W
0,252 x 0,445 = 0,112 W
et donc sur la base de ce deuxième transistor arrive une puissance de seulement :
0,252 – 0,112 = 0,14 W
Étant donné que ce deuxième transistor amplifie le signal appliqué sur la base de 6,31 fois, nous prélevons sur son collecteur une puissance de :
0,14 x 6,31 = 0,883 W
Si nous relions la sortie de ce deuxième transistor, fournissant une puissance de 0,883 W, à la base du troisième transistor, ayant une impédance de 5 ohms, nous perdons une puissance de :
0,883 x 0,840 = 0,741 W
et donc sur la base de ce troisième transistor arrive une puissance de seulement :
0,883 – 0,741 = 0,142 W
Étant donné que ce troisième transistor amplifie le signal appliqué sur la base de 6,31 fois, nous prélevons sur son collecteur une puissance de :
0,142 x 6,31 = 0,896 W
Avec cet exemple nous venons de démontrer que si l’on n’adapte pas parfaitement l’impédance du collecteur d’un transistor à l’impédance de base du transistor amplificateur, on
a des pertes de puissance élevées et, en effet, à la sortie du troisième transistor, au lieu d’obtenir une puissance de 12,53 W, comme le montre la figure 387, on n’a que 0,896 W,
comme le montre la figure 397.
Toutes ces opérations constituent des calculs que vous ne pourrez jamais faire, car vous ne connaîtrez jamais ni les impédances de base et de collecteur ni des tas d’autres paramètres. Par exemple, les capacités internes du transistor variant selon la fréquence de travail, les capacités parasites du circuit imprimé et du dissipateur, etc. Tous ces problèmes sont résolus par les deux condensateurs ajustables C1 et C2 des filtres que montrent les figures 393 et
394 : une fois réglés, ils permettent d’adapter parfaitement l’impédance de collecteur, inconnue, à l’impédance de base, inconnue également.
Relier un collecteur à la base d’un transistor amplificateur
Si l’on jette un coup d’œil sur le tableau 20, on voit que l’impédance de collecteur d’un transistor est toujours plus élevée que l’impédance de base du transistor utilisé pour amplifier le signal HF. Même si nous ne connaissons pas l’impédance de collecteur ni celle de la base, il suffit, pour les adapter, de relier le filtre comme le montre la figure 398. Au collecteur, ayant une impédance supérieure, on relie C1 et à la base du transistor amplificateur on relie L1.
Pour savoir quand ces deux impédances sont parfaitement adaptées, on procède de manière expérimentale. En série avec le collecteur du transistor amplificateur on relie un milliampère mètre, comme le montre la figure 399, puis on règle les deux condensateurs ajustables C1 et C2 jusqu’à trouver la capacité pour laquelle le transistor consomme le courant maximum. Si l’on reprend la comparaison hydraulique, qu’illustre la figure 392, nous pouvons dire que C1 sert à adapter le filtre au diamètre supérieur et C2 au
diamètre inférieur.
La self L1 reliée à la base sert à accorder la fréquence de travail. En effet, comme nous l’avons vu ensemble à propos de l’oscillateur à quartz EN5038, si cette
Or calculer l’inductance d’un filtre adaptateur est difficile car on ne connaît presque jamais les impédances de collecteur et de base des transistors utilisés. Pour résoudre ce problème, au lieu de perdre du temps dans des calculs complexes, même les spécialistes utilisent une méthode expérimentale beaucoup plus simple et bien plus précise.
En fait on part d’un filtre constitué de deux condensateurs ajustables de 500 pF et d’une self de 20 spires de fil de cuivre de 1 mm de diamètre bobiné sur un diamètre de 12 à 15 mm.
Quand on tourne les axes des condensateurs ajustables le transistor à un moment se met à consommer un courant maximal, comme le montre la figure 399. Si ce n’est pas possible, on réduit le nombre de spires à 18, 15, etc. Supposons qu’avec 6 spires et avec C1 et C2 à environ 100 pF on réussisse à faire consommer un courant maximal au transistor, on réalise un second filtre en montant une self de 6 spires et deux condensateurs ajustables de 100 pF.
Si vous voulez monter un émetteur quel qu’il soit, vous n’aurez pas à faire cette manipulation, car la liste des composants indiquera la capacité des deux condensateurs ajustables et le nombre de spires de la self.
Adapter un transistor final à une impédance normalisée de 50 ou 75 ohms.
Le tableau 20 montre que l’impédance de collecteur d’un transistor est toujours inférieure aux 50 ou 75 ohms du câble coaxial allant à l’antenne émettrice. Même si nous ne connaissons pas l’impédance de collecteur du transistor utilisé, nous savons déjà qu’elle doit être augmentée et pour ce faire il est nécessaire de relier le filtre comme le montre la figure 401. En fait nous devons relier L1 au collecteur et C1 à la sortie. Pour savoir si notre filtre peut adapter la basse impédance du collecteur à une impédance de sortie de 50 à 51 ohms, il suffit de relier à la sortie la sonde de charge EN5037. Cette sonde accepte une puissance maximale d’entrée de 1 W et donc, pour mesurer une puissance supérieure, il est nécessaire de remplacer les deux résistances d’entrée de 100 ohms 1/2 W par d’autres de plus grandes puissances, mais ayant toujours une valeur ohmique de 50 à 51 ohms.
étant inductives leur impédance n’est nullement égale à leur résistance ohmique !
L’impédance de collecteur n’étant pas connue, ni la capacité parasite du circuit imprimé et du dissipateur, etc., la valeur de L1 en µH n’est pas facile à calculer, aussi, procèderons-nous par méthode expérimentale. En fait on doit réaliser un filtre formé de deux condensateurs ajustables de 500 pF et d’une self de 20 spires de fil de cuivre de 1 mm sur un diamètre de 10 à 12 mm. Si nous tournons les axes des condensateurs ajustables nous obtenons en sortie une tension maximale, comme le montre la figure 401. Si le multimètre indique une tension moindre que celle correspondant à la puissance requise, nous devons réduire expérimentalement le nombre de spires. Si la tension maximale s’obtient avec 10 spires et deux capacités de 80 pF, nous devons faire un second filtre avec une self de 10 spires et deux condensateurs ajustables de 100 pF.
Plus la tension lue est élevée, plus importante est la puissance HF pré-levée à la sortie du transistor. Vous savez que la formule permettant de la calculer est :
Weff = [(V x V) : (R + R)]
où V est la tension mesurée sur le mul-timètre relié à la sonde de charge, R la valeur ohmique de la résistance d’entrée de la sonde. Si elle est de 50 ohms, la formule peut être simplifiée :
Weff = [(V x V) : 100]
Donc si sur le multimètre nous lisons 17,5 V, c’est que le transistor fournit une puissance d’environ :
[(17,5 x 17,5) : 100] = 3 W
Si en revanche sur le multimètre nous lisons 20 V, c’est que le transistor fournit une puissance d’environ:
[(20 x 20) : 100] = 4 W
Pour calculer la puissance HF que peut fournir un transistor final, on utilise la formule (voir figure 403) :
W = (mA x V) : 1 000
mais étant donné que le rendement d’un transistor ne dépasse jamais 80 % de la puissance consommée, la puissance en W est multipliée par huit.
Donc si nous avons un transistor alimenté en 12 V et consommant 420 mA, il doit théoriquement fournir une puissance de :
(420 x 12) : 1 000 = 5,04 W
Comme le rendement est de 80 %, la puissance réelle obtenue est de :
5,04 x 0,8 = 4 W
Le transistor amplificateur de puissance
Pour élever la faible puissance fournie par un étage oscillateur, avant de choisir un transistor amplificateur il est nécessaire de connaître ces données :
1°- fréquence maximale de travail en MHz
2°- puissance maximale de sortie en W
3°- tension maximale à appliquer sur le collecteur
4°- gain maximal du transistor en dB
La fréquence de travail
Le transistor à utiliser doit être choisi avec une fréquence de coupure supérieure à la fréquence à amplifier. La fréquence de coupure est la fréquence limite que le transistor peut amplifier. Donc pour amplifier une fréquence de 30 MHz, il faut choisir un transistor ayant une fréquence de coupure d’environ 60 à 70 MHz. Pour amplifier une fréquence de 100 à 150 MHz, il faut choisir un transistor ayant une fréquence de coupure d’environ 200 à 300 MHz.
La puissance de sortie
Parmi les spécifications d’un transistor HF devrait toujours figurer la puissance HF en W qu’il est capable de fournir (“Ouput Power”). Ne confondez pas “l’Output Power” et la “Total Device Dissipation”, en W aussi, qui est la puissance maximale que peut dissiper sous forme de chaleur
le boîtier du transistor. Pour avoir une bonne marge de sécurité, il faut toujours choisir un transistor pouvant fournir une puissance supérieure à celle requise. Pour prélever une puissance de 3 W, il faut toujours choisir un transistor capable de fournir une puissance maximale de 4 à 5 W. Dans le cas d’un transistor de 3 W, si pour une raison quelconque la puissance de sortie fournie dépassait 3,5 W, le transistor risquerait d’être détruit en quelques secondes. Pour prélever une
puissance de 3 W, nous pouvons aussi choisir un transistor de 15 à 20 W car il ne sera pas détruit même si par accident la charge de sortie était coupée. Si vous choisissez un transistor de 15, 20 ou 30 W, ne comptez pas prélever à sa sortie de telles puissances, car tout dépend de son gain en dB et de la puissance appliquée sur sa base.
La tension de travail
Cette donnée nous indique quelle tension maximale nous pouvons appliquer sur le collecteur d’un transistor HF sans l’endommager. Comme vous le verrez, certains transistors peuvent être alimentés par des tensions de 15 à 18 V et d’autres, par des tensions de 24 à 30 V.
S’il est modulé en fréquence (FM), tout type de transistor peut être utilisé pourvu que sa tension d’alimentation ne soit pas dépassée : donc un transistor de 18 V peut être alimenté avec une tension maximale de 18 V et un transistor de 30 V avec une tension maximale de 30 V. En
revanche s’il est modulé en amplitude (AM), on ne doit utiliser qu’un transistor pouvant être alimenté avec une tension de 24 à 30 V, cependant sur son collecteur il est nécessaire d’appliquer une tension égale à la moitié de la tension de travail maximale. Donc un transistor
dont la tension maximale est de 24 V sera alimenté en 12 V et un transistor de 30 V en 15 V. La raison en est la suivante : quand un transistor est modulé en AM, le signal BF s’ajoute au signal HF et donc la tension présente sur le collecteur est doublée, comme le montre la figure 406.
Le gain en dB
Cette donnée, toujours en dB, sous le nom de “Gain Power HF” ou Gpe, indique de combien de fois est amplifiée la puissance appliquée sur la base d’un transistor HF. Si nous avons deux transistors capables de fournir tous deux une puissance de 20 W :
transistor de 20 W – Gpe 7 dB
transistor de 20 W – Gpe 12 dB
pour savoir quelle différence il y a entre eux, il suffit de consulter le tableau 22 des dB et trouver, deuxième colonne, le nombre par lequel il faut multiplier la puissance appliquée sur les bases.
Si nous relions le transistor de 20 W, ayant un gain de 7 dB, à la sortie d’un étage oscillateur fournissant 0,05 W, comme le montre la figure 407, nous prélevons sur son collecteur une puissance maximale de :
0,05 x 5 = 0,25 W.
Si nous relions le transistor de 20 W, ayant un gain de 12 dB, à la sortie de l’étage oscillateur, comme le montre la figure 408, nous prélevons sur son collecteur une puissance maximale de :
0,05 x 15,87 = 0,79 W.
Le gain en dB nous permet de connaître aussi quelle puissance en W on doit appliquer à la base du transistor pour obtenir en sortie la puissance maximale. Dans le cas du transistor de 20 W ayant un gain de 7 dB (voir figure 409), pour obtenir en sortie cette puissance, nous devons appliquer sur la base un signal de 20 : 5 = 4 W.
compris, plus grand est le gain en dB, moindre doit être la puissance appliquée sur la base pour obtenir en sortie la puissance maximale.
Si sur la base du transistor ayant un gain de 7 dB nous appliquons un signal de 1,26 W, sur son collecteur nous prélevons une puissance de 1,26 x 5 = 6,3 W. Si sur la base du transistor ayant un gain de 12 dB nous appliquons un signal de 4 W, sur son collecteur nous prélevons une puissance de 4 x 15,87 = 63,48 W (voir figure 411). Or on sait que ce transistor ne peut fournir plus de 20 W, donc si nous appliquons sur sa base cet excès de puissance, nous le mettrons aussitôt
hors d’usage.
En effet, comparons un transistor à une lampe et la puissance de pilotage à la tension qu’il faut appliquer à son filament : il est évident que si nous alimentons une lampe de 12 V avec une tension supérieure elle grillera.
Les ultimes conseils
À l’extrémité de la self correspondant au collecteur (voir figure 414) se trouvent toujours plusieurs condensateurs reliés à la masse. Les extrémités de ces condensateurs ne sont jamais reliées à une masse quelconque du circuit imprimé, mais toujours à la piste de masse à laquelle est connecté l’émetteur du transistor amplificateur, comme le montre la figure 415. En effet, si nous connections l’un de ces condensateurs à une piste de masse quelconque, tous les résidus
HF pourraient atteindre les bases ou les collecteurs des autres transistors amplificateurs, ce qui aurait pour effet de produire des battements ou des auto-oscillations.
Vous l’avez compris, ces condensateurs servent à décharger à la masse tout résidu de HF présents après la self.
XC ohm = [159 000 : (MHz x pF)].
s’ils étaient des résistances de valeurs ohmiques suivantes :
100 pF = XC, soit 53 ohms
1 000 pF = XC, soit 5,3 ohms
100 000 pF = XC, soit 0,053 ohm.
De prime abord on pourrait penser que le seul condensateur de 100 nF, dont la XC est dérisoire, 0,053 ohm seulement, est plus que suffisant pour décharger à la masse n’importe quel
résidu HF. Mais en fait un condensateur a une ESR ou RES (“Equivalent Serie Resistance” ou Résistance Equivalente Série), c’est-à-dire une résistance théorique placée en série avec
la capacité du condensateur, comme le montre la figure 417.
Cette valeur ohmique ESR augmente avec la capacité comme ci-dessous :
100 pF = ESR, soit 0,053 ohm
1 000 pF = ESR, soit 5,3 ohms
100 000 pF = ESR, soit 53 ohms.
Note : les valeurs ohmiques ESR données sont théoriques et ne servent qu’à démontrer qu’un condensateur de capacité élevée a une ESR supérieure à celle d’un condensateur de moindre capacité.
Par conséquent un condensateur de 100 nF ayant une ESR de 53 ohms offre une résistance supérieure à la HF par rapport à un condensateur de 100 pF ayant une ESR de 0,053 ohm
seulement. En mettant en parallèle deux ou plusieurs condensateurs de différentes capacités, chaque résidu HF qui n’est pas déchargé à la masse par le condensateur de capacité supérieure à cause de son ESR élevée, le sera par le condensateur de capacité plus faible mais ayant une ESR plus faible également.
Tous les condensateurs à utiliser pour décharger à la masse les résidus HF doivent avoir une tension de travail au moins égale à 100 V. Des condensateurs de tensions inférieures
surchaufferaient, ce qui engendrerait des pertes de puissance.
Conclusion et à suivre
Ajoutons pour conclure que le transistor final de puissance ne doit jamais fonctionner sans charge et donc à sa sortie on devra toujours relier une sonde de charge de 50 ou 75 ohms
ou bien un câble coaxial acheminant le signal vers l’antenne émettrice.
Si aucune charge n’est présente à la sortie, en quelques secondes de fonctionnement le transistor sera détruit.
Enfin, pour vous démontrer que la haute fréquence n’est finalement pas si difficile que cela, nous vous ferons monter, au cours de la partie suivante, un petit émetteur 27 MHz AM (gamme CB) et vous verrez que vous réussirez à le faire fonctionner sans rencontrer aucune difficulté.
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