Oscillateur
à pont de Wien
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L'oscillateur à pont de Wien est un type d'oscillateur très utilisé. Il produit des oscillations sinusoïdales avec une bonne linéarité. C'est un circuit de base que tout électronicien doit connaitre.
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Le circuit oscillant à pont de Wien n'a aucun rapport avec un quelconque pont à Vienne, c'est le nom de l'inventeur de ce circuit, qui ne vivait pas en Autriche (c'était l'époque du petit moustachu).

William Hewlett et David Packard ont commercialisé le premier oscillateur, le HP200, fabriqué dans le garage de Packard en Californie (cela ne vous rapelle rien? C'est aussi ainsi qu'a démarré Apple). C'était le premier appareil de la marque Hewlett Packard. Pour faire plus sérieux et montrer qu'ils avaient déja de nombreux appareils, ils ont commencé leur numéroration à partir de 200. A l'époque c'était le haut de gamme de l'électronique.

Un oscillateur doit avoir le signal qui se mord la queue pour pouvoir fonctionner: le signal est amplifié et retourne à l'entrée où il est à nouveau amplifié, et ceci jusqu'à ce que l'amplificateur atteint les limites de fonctionnement (tension et/ou courant maximal).

A ce moment la distortion est maximale, et ce n'est pas ce que nous voulons. Comment stabiliser l'amplitude est décrit plus loin. Il est possible de transformer le générateur sinusoïdal en générateur en créneau en éliminant la limitation de l'amplitude des oscillations. Mais d'abord il nous faut un élément qui va déterminer la fréquence.

Pour réaliser un circuit oscillant, on peut utiliser une combinaison de résistances et de condensateurs, en fait un circuit passe haut et un circuit passe bas. Aux fréquences basses, le condensateur C1 agit comme une impédance élevée et limite la tension en sortie. Aux fréquences élevées, c'est le condensateur C2 qui a une basse impédance et limite à son tour le signal en sortie.

A une fréquence donnée, le "gain" du circuit est maximal.

La fréquence atteinte est approximative et ne tient pas compte des impédances parasites. Les condensateurs ont généralement une tolérance de 20% et les résistances une tolérance de 5%.

Si nous avons maintenant un amplificateur qui amplifie 3× nous pouvons entretenir les oscillations. Si le gain est plus faible, les oscillations sont amorties et disparaissent, si le gain est plus élevé, l'amplidude des oscillations augmente jusqu'au clipping. Il faut un gain minimal supérieur à 3 pour que l'oscillateur puisse se mettre en route.

Oscillateur à lampes Hewlett Packard

Passons maintenant à l'oscillateur de Hewlett Packard. Il se compose d'un circuit oscillant avec deux tubes, le second tube est nécessaire pour déphaser le signal de 180° pour avoir une boucle de réaction positive, qui entre dans la partie amplificateur via la grille de commande (g1) du premier tube, c'est la ligne verte sur le schéma.

La contre-réaction négative (qui va limiter l'amplitude du signal) est la partie violette qui se compose d'un pont diviseur avec deux résistances. La première résistance est normale, elle se compose d'une résistance fixe et d'une résistance ajustable qui permet de doser la contre réaction et donc d'entretenir les oscillations sans écrètage. L'oscillateur produit le meilleur signal quand les oscillations ont une amplitude de 18 à 20V rms (donc environ 50 à 55Vpp).



Dans la boucle négative on voit également une lampe témoin (lampe à filament). Une lampe à incandescence à un coëfficient de température positif, la résistance augmente avec la température. Quand l'amplitude des oscillations augmente, la tension alternative aux bornes de la lampe augmente également, la température du filament augmente et donc également sa résistance. Le gain de la partie contre-réaction négative augmente, et donc le gain de l'amplificateur diminue jusqu'à ce que l'oscillation se stabilise.

Le signal ainsi obtenu va vers un amplificateur classique qui se compose d'une pentode préamplificatrice et d'une pentode de puissance, un tube 6V6 bien connu. La sortie se fait via un transformateur qui permet une sortie symmétrique si nécessaire. C'est un amplificateur pour fréquences audio.

Pour avoir une stabilisation la plus optimale possible, il faut que la lampe fonctionne à 10% de sa tension nominale. C'est à cette tension que la variation de résistance est la plus importante. La lampe est égalemnt parcourue par le courant cathodique du tube, ce qui permet en plus une stabilisation du point de fonctionnement de la pentode.

Le système de stabilisation avec lampe incandescente a été utilisé dans tous les oscillateurs à pont de Wien jusque dans les années 1970. Il a comme inconvénient qu'il ne permet pas des oscillations basse fréquence, car l'inertie thermique du filament n'est pas assez importante: la résistance de la lampe varie avec l'oscillation, ce qui est défavorable, cela produit un sinus qui est applati d'un coté et étiré de l'autre. Ce sont des distortions harmoniques paires ou impaires selon que la lampe a une composante continue ou non. Une page où on vous parle d'harmoniques paires et impaires (et de distortion d'intermodulation).

Tous les systèmes de stabilisation ultérieurs qui utilisent des diodes zener, des thermistances ou des varistors ont un tel inconvénient. Le seul système qui fonctionne bien, c'est un système ou le signal de sortie est redressé et filtré et commande un transistor mosfet dont la résistance varie avec la tension appliquée sur le gate (voir plus bas pour un schéma de principe).

Schéma moderne avec a-op et lampe

Bon, mais maintenant nous voulons un circuit oscillant simple et performant, donc avec un ampli opérationnel et une lampe incandescente.
Les amplis opérationnels courants (du genre LM471) ne permettent par un courant suffisant pour alimenter une petite ampoule, même à 1/100 de sa puissance nominale. Les distortions deviennent trop importantes quand l'ampli travaille près de ces limites.

Mais nous avons un amplificateur qui peut nous aider: il s'agit d'un LM386, un petit amplificateur audio qui peut fournir une puissance de quelques centaines de mW, suffisant pour alimenter la lampe incandescente (on n'a rien trouvé de mieux qu'une telle ampoule...)

L'ampoule à utiliser est une ampoule de 6V, 50mA, ce sont les (anciennes) ampoules de lampe de vélo (lampe rouge arrière). Il faut parfois adapter la valeur de la résistance de contre réaction (390Ω) pour avoir un signal sinusoïdal de environ 1V rms (2.4Vpp), c'est à ce moment que le signal en sortie a le moins de déformations. Augmenter la résistance si l'amplitude est trop faible, la réduire si l'amplitude est trop élevée.

La résistance de 10Ω et le condensateur de 50nF (partie rouge) peuvent être nécessaires si l'ampli sert à commander un haut parleur. Ce circuit compense le déphasage causé par l'inductance du haut parleur. Mais commander directement un haut parleur n'est pas recommandé car cela augmente les distortions du circuit. Mais en fait le haut parleur produit des distortions harmoniques plus importantes que le LM386. Mais si le circuit est conçu pour fournir un signal de test, il ne faut pas connecter un haut parleur. L'impédance (résistance de charge) peut avoir une valeur de 50Ω ou plus et la tension d'alimentation est de 9V.

La partie bleue peut être ajoutée si l'ampli a du mal à démarrer automatiquement, ce condensateur n'est normalement pas nécessaire: il vaut mieux jouer avec la valeur de la résistance de feed back. Cet ampli a un gain de 20dB, alors qu'un a-op classique a un gain de 80 - 100dB.

J-FET comme résistance variable

Le circuit suivant se passe de lampe incandescente et utilise à la place un J-FET. Il s'agit d'un N-channel depletion, c.à.d. qu'il est conducteur avec une tension de gate nulle. La résistance augmente avec une tension négative (tout comme un tube électronique) pour devenir pratiquement infinie avec une tension de gate de -8V (que nous n'atteignons normelement pas).

Il est possible d'utiliser tous les types de transistors à effet de champ junction-fet. Si vous utilisez un MOSFET, il sera probablement à enhancement (non conducteur à tension de gate nulle). Le schéma nécessite alors une refonte pour avoir une tension positive sur le gate, qui se réduit quand le circuit oscille.

L'ampli utilisé est un LM324, un a-op quadruple, mais vous pouvez utiliser tout type d'a-op. La sortie ici est à impédance relativement élevée.

Le circuit contient en plus une amélioration qui va réduire les distortions de l'ampli opérationnel, notament un filtre passe bas. La résistance doir avoir une valeur de 2× la résistance de détermination de la fréquence (donc 47kΩ) et le condensateur une valeur de 5× la valeur de C2 et C3. Le filtre passe-bas élimine toutes les harmoniques (et donc les déformations). L'amplitude du signal est légèrement moindre, mais l'impédance est plus élevée et nécessite un ampli de sortie. Avec ce filtre supplémentaire, on obtient un signal avec une distortion de moins de 0.1%, même avec des composants génériques.

De toute façon, pour avoir un fonctionnement stable (fréquence et amplitude) il faut séparer la fonction d'osscillateur et d'amplificateur. Ainsi la charge n'influence pas sur le fonctionnement.

Un tel oscillateur est normalement utilisé pour mesurer la puissance d'un amplificateur. Quand la puissance maximale de l'ampli est atteinte, le taux de distortion augmente brusquement. Mais pour être fiable, il faut que la source ait une distortion très faible.

Il est possible de varier la fréquence dans un facteur de 1 à 10 en modifiant simultanément la valeur des deux résistance de controle de fréquence (utilisez un potentiomètre de volume stéréo de bonne qualité). Cette modification ne permet plus l'utilisation du filtre en sortie.

Remarquez sur le schéma ci-dessus la résistance de 4.7k vers le positif. Cette résistance force l'a-op à travailler en classe A. Sans résistance de charge vers le positif (ou le négatif), il y a une légère distortion quand le transistor dans la branche positive passe le flambeau au transistor dans la branche négative et inversément (crossover).

Les transistors de sortie n'ont en effet pas de bias, les deux bases sont reliées ensemble (ligne rouge). Avec la résistance en sortie connectée au positif, on force le transistor Q11 à être constamment en conduction.

Q9 est le transistor de commande, Q15 est une source de courant, Q14 est un amplificateur (la source de courant produit un courant très faible), Q12 est une protection qui réduit la commande des transistors de sortie en cas de cours circuit et Q11/Q13 sont les transistors de sortie.

Commande par led et cellule CdS

Il existe également des oscillateurs qui ont une stabilisation de la tension par une petite lampe led qui reçoit la tension redressée (et légèrement filtrée pour éliminer l'intermodulation). La lumière de la led est envoyée à une cellule CdS (sulphure de cadmium) sensible à la lumière. La résistance de la cellule diminue quand elle est éclairée, elle agit de façon inverse que la lampe incandescente dont la résistance diminue.

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