Le radioamateur. Préparation à l'examen technique. Manuel de référence by TO Groupe

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ISBN 978-2-7108-1184-8

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OPHRYS 09.2018 9036 Couv LE RADIOAMATEUR

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Olivier PILLOUD (HB9CEM) Ingénieur Électronicien ETS de l’École d’Ingénieurs de Genève

LE RADIOAMATEUR préparation à l’examen technique manuel de référence Quatrième édition

2018 Éditions TECHNIP

5 avenue de la République, 75011 PARIS

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Table des matières Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Choix d’une calculatrice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Première Partie ÉLECTROTECHNIQUE

Chapitre 1 Révision mathématique I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.1 Nombres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.1.1 Chiffres significatifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.1.2 Arrondis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.1.3 Comparaisons de nombres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.2 Opérations de base. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.2.1 Additions, soustractions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.2.2 Multiplications, divisions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.2.3 Règle des signes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.3 Fractions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.3.1 Définition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.3.2 Simplifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.3.3 Comparaisons. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.4 Proportions, règle de trois . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.5 Puissances et racines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.5.1 Carrés et racines carrées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.5.2 Autres puissances et racines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.6 Ordre des opérations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

Chapitre 2 Révision mathématique II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.1 Système métrique et notation scientifique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.1.1 Multiples et sous-multiples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.1.2 Vers les puissances de 10. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.1.3 Conversion directe en notation scientifique. . . . . . . . . . . . . . . 22 2.1.4 Retour à la notation conventionnelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.1.5 Conversions partielles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.1.6 Autres puissances de 10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.2 Logarithmes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.2.1 Logarithmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.2.2 Antilogarithmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

Table des matières

2.3 Formules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.3.1 Transformations de formules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.3.2 Interprétation des formules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

Chapitre 3 Notions d’électrotechnique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.1 Idéalisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.2 Structure de la matière. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.2.1 Atomes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.2.2 Conducteurs et isolants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 3.3 Électricité. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 3.3.1 Courant électrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 3.3.2 Paramètres du courant électrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.3.3 Résistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.3.4 Unités et abréviations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.4 Loi d’Ohm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.4.1 Sources de tension . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.4.2 Relation entre U, I et R . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.4.3 Formulation de la loi d’Ohm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.5 Circuits simples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.5.1 Circuits simples fermés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.5.2 Chutes de tension . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

Chapitre 4 Courant continu I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 4.1 Mesures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 4.1.1 Instruments de mesure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 4.1.2 Voltmètres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 4.1.3 Ampèremètres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 4.1.4 Ohmmètres. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 4.2 Courant continu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.2.1 Sens du courant électrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.2.2 Effets du courant électrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.3 Sources de tensions continues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 4.3.1 Caractéristiques communes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 4.3.2 Piles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 4.3.3 Accumulateurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 4.3.4 Sources de tension idéales et réelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 4.3.5 Groupement de sources de tension . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 4.4 Groupement de résistances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 4.4.1 Technologie des résistances. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 4.4.2 Résistances en série . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 4.4.3 Deux résistances en parallèle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 4.4.4 Cas général de résistances en parallèle . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 4.5 Appendice. Sources de courant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

Table des matières

III

Chapitre 5 Courant continu II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 5.1 Facteurs affectant la résistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 5.1.1 Dimensions physiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 5.1.2 Résistivité. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 5.1.3 Coefficient de température. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 5.2 Puissance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 5.2.1 Définition de la puissance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 5.2.2 Formules de puissance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 5.2.3 Autres formes des formules de puissance . . . . . . . . . . . . . . . . 64 5.2.4 Considérations pratiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 5.3 Rendement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 5.3.1 Notions de rendement, travail et énergie . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 5.3.2 Calcul du rendement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 5.3.3 Calcul de la puissance totale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 5.4 Transfert maximal de puissance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

Chapitre 6 Circuits électriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 6.1 Lois de Kirchhoff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 6.1.1 Loi des mailles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 6.1.2 Loi des nœuds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 6.2 Résolution de problèmes par les lois de Kirchhoff . . . . . . . . . . . . . . 75 6.2.1 Loi des mailles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 6.2.2 Loi des nœuds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 6.3 Diviseurs de tension . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 6.3.1 Diviseur simple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 6.3.2 Diviseur avec charge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 6.4 Instruments de mesure élémentaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 6.4.1 Voltmètre, fonctionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 6.4.2 Ampèremètre, fonctionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 6.5 Appendice. Théorème de Thévenin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

Chapitre 7 Bobines, Condensateurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 7.1 Notions de magnétisme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 7.1.1 Aimants et matériaux magnétiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 7.1.2 Électroaimants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 7.2 Électromagnétisme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 7.2.1 Conducteurs dans un champ magnétique. . . . . . . . . . . . . . . . . 94 7.2.2 Inductance, self-induction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 7.3 Inductances en électronique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 7.3.1 Inductances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 7.3.2 Combinaisons d’inductances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 7.3.3 Facteurs affectant l’inductance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

Table des matières

7.4 Condensateurs en électronique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 7.4.1 Champ électrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 7.4.2 Condensateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 7.4.3 Charge et décharge d’un condensateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 7.4.4 Capacité, unité de capacité. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 7.4.5 Quantité d’électricité, le coulomb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 7.5 Condensateurs, étude qualitative . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 7.5.1 Constante de temps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 7.5.2 Constante diélectrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 7.5.3 Rigidité diélectrique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 7.5.4 Facteurs affectant la capacité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 7.5.5 Technologie des condensateurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 7.6 Groupement de condensateurs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 7.6.1 Groupement en parallèle de condensateurs . . . . . . . . . . . . . . 106 7.6.2 Groupement en série de condensateurs . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 7.7 Appendice. Galvanomètre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 7.8 Appendice. Microphones et haut-parleurs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

Chapitre 8 Courant alternatif. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 8.1 Introduction au courant alternatif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 8.1.1 Du courant continu au courant alternatif . . . . . . . . . . . . . . . . 113 8.1.2 Tensions sinusoïdales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 8.1.3 Caractéristiques d’une sinusoïde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 8.2 Paramètres du courant alternatif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 8.2.1 Valeur instantanée du courant alternatif . . . . . . . . . . . . . . . . 118 8.2.2 Relation entre grandeurs continues et alternatives . . . . . . . . 118 8.2.3 Angles, phases et temps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 8.2.4 Formes complexes, harmoniques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 8.2.5 Valeur efficace de formes non sinusoïdales . . . . . . . . . . . . . 123 8.3 Éléments simples en courant alternatif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 8.3.1 Circuits résistifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 8.3.2 Circuits capacitifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 8.3.3 Circuits inductifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 8.4 Appendice. Représentation vectorielle de valeurs sinusoïdales . . . 127

Chapitre 9 Circuits LC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 9.1 Impédance simple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 9.1.1 Circuit purement réactif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 9.1.2 Impédance dans un circuit purement inductif . . . . . . . . . . . . 131 9.1.3 Impédance dans un circuit purement capacitif . . . . . . . . . . . 132 9.1.4 Formules, unités et symboles de l’impédance . . . . . . . . . . . . 132 9.1.5 Signe d’une impédance capacitive. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

Table des matières

9.2 Caractéristiques des réactances simples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 9.2.1 Puissances réactive, apparente et réelle . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 9.2.2 Calcul de la puissance dans un circuit réactif . . . . . . . . . . . . 135 9.2.3 Applications des selfs et condensateurs. . . . . . . . . . . . . . . . . 136 9.3 Circuits comportant plus d’un élément . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 9.3.1 Circuit LC série . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 9.3.2 Circuit LC parallèle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140

Chapitre 10 Circuits RLC. Résonance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 10.1 Circuits réactifs comportant une résistance. . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 10.1.1 Circuit série RC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 10.1.2 Circuit série RL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 10.1.3 Circuit parallèle RC ou RL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 10.1.4 Circuit série RLC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 10.1.5 Circuit parallèle RLC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 10.2 Résonance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 10.2.1 xL = –xC , UL = –UC ou IL = –IC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 10.2.2 Circuit série à la résonance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 10.2.3 Réponse en fréquence d’un circuit série . . . . . . . . . . . . . . . 152 10.2.4 Circuit parallèle à la résonance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 10.2.5 Réponse en fréquence d’un circuit parallèle . . . . . . . . . . . . 154 10.2.6 Formule pour la résonance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 10.2.7 Terminologie et emploi des circuits résonnants . . . . . . . . . 156 10.3 Appendice. Puissance dans les circuits réactifs comportant une résistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160

Chapitre 11 Transformateurs. Décibels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 11.1 Transformateurs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 11.1.1 Principe du transformateur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 11.1.2 Inductance mutuelle, couplage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 11.1.3 Transformateur à noyau de fer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 11.1.4 Transformateurs pour fréquences élevées . . . . . . . . . . . . . . 164 11.1.5 Rapport de transformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 11.1.6 Utilisation des transformateurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 11.1.7 Rapport de transformation et impédances . . . . . . . . . . . . . . 166 11.1.8 Formules pour les transformateurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 11.1.9 « Puissance » d’un transformateur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 11.2 Décibels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169 11.2.1 Rapport de puissances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169 11.2.2 Rapport de tensions ou de courants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169 11.2.3 Valeurs importantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 11.2.4 Atténuation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 11.2.5 Références . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171

Table des matières

Chapitre 12 Circuits de filtres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 12.1 Catégories de filtres. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 12.1.1 Courbe de réponse et bande passante . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 12.1.2 Filtre passe-bas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 12.1.3 Filtre passe-haut . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 12.1.4 Filtre passe-bande . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 12.1.5 Filtre coupe-bande ou filtre réjecteur. . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 12.1.6 Courbe de réponse idéale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 12.2 Filtres apériodiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 12.2.1 Configurations de filtres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 12.2.2 Filtres RC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 12.2.3 Filtres RL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180 12.2.4 Fréquence de coupure d’un filtre RC. . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 12.2.5 Autres filtres apériodiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 12.3 Filtres utilisant la résonance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 12.3.1 Paramètres de la courbe de réponse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 12.3.2 Pertes dans les circuits oscillants, effet pelliculaire. . . . . . . 183 12.3.3 Facteur de qualité. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 12.3.4 Influence du facteur de qualité. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 12.3.5 Calcul de la bande passante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 12.4 Circuits couplés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 12.4.1 Méthodes de couplage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 12.4.2 Bande passante de circuits couplés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 12.4.3 Effets du degré de couplage. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 12.5 Appendice. Composants passifs réels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189

Chapitre 13 Révision. Problèmes d’examen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 13.1 Série 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 13.2 Série 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 13.3 Série 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 13.4 Série 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198 Deuxième Partie RADIOTECHNIQUE

Chapitre 14 Semiconducteurs. Diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 14.1 Semiconducteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 14.1.1 Matériaux semiconducteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 14.1.2 Matériaux semiconducteurs P ou N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 14.1.3 Jonction PN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205 14.1.4 Diode à semiconducteur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 14.1.5 Paramètres des diodes à semiconducteur. . . . . . . . . . . . . . . 206 14.1.6 Autres types de diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208

Table des matières

VII

14.2 Applications des diodes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 14.2.1 Redressement mono-alternance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 14.2.2 Considérations pratiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210 14.2.3 Redresseur double alternance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 14.2.4 Redresseur en pont (pont de Graetz) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 14.3 Filtrage et régulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214 14.3.1 Filtrage par circuit LC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214 14.3.2 Régulateurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 14.3.3 Calculs sur les diodes et alimentations . . . . . . . . . . . . . . . . 216

Chapitre 15 Transistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223 15.1 Transistor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223 15.1.1 Qu’est-ce qu’un transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223 15.1.2 Paramètres du transistor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224 15.1.3 Polarisation du transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 15.1.4 Courbes caractéristiques d’un transistor . . . . . . . . . . . . . . . 226 15.1.5 Relation entre les courants du transistor . . . . . . . . . . . . . . . 227 15.2 Montages à transistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228 15.2.1 Montage en émetteur commun . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228 15.2.2 Montage en base commune . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232 15.2.3 Montage en collecteur commun. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 15.2.4 Récapitulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234 15.3 Méthodes de couplage et de découplage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234 15.3.1 Entrée et sortie des signaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235 15.3.2 Découplage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236 15.4 Remarques sur les transistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239 15.4.1 Autres méthodes de polarisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239 15.4.2 Commutation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240

Chapitre 16 FETs. Tubes électroniques. Ampli-ops . . . . . . . . . . . . . 245 16.1 FETs - Transistors à effet de champ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245 16.1.1 JFETs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245 16.1.2 Fonctionnement du JFET. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246 16.1.3 Courbes caractéristiques d’un FET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247 16.1.4 Transconductance, Gm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247 16.1.5 Montages à FETs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248 16.1.6 MOSFETs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249 16.1.7 Autres types de FETs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250 16.1.8 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250 16.2 Tubes électroniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251 16.2.1 Diode à vide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251 16.2.2 Fonctionnement d’une diode à vide. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252 16.2.3 Triode. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252

VIII

Table des matières

16.2.4 Autres tubes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253 16.2.5 Utilisation des tubes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254 16.3 Amplificateurs opérationnels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256 16.3.1 Montage inverseur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257 16.3.2 Montage non-inverseur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258 16.3.3 Étage tampon ou suiveur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259 16.3.4 Montage différentiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259

Chapitre 17 Technique numérique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263 17.1 Codes logiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263 17.1.1 Niveaux logiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263 17.1.2 Code simple à 4 bits. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263 17.1.3 Codes évolués . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264 17.1.4 Valeur des bits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265 17.1.5 Numérotation des bits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265 17.2 Formats numériques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266 17.2.1 Format parallèle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267 17.2.2 Format série . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267 17.3 Fonctions logiques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268 17.3.1 Fonction NOT (NON) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268 17.3.2 Table de vérité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268 17.3.3 Fonction OR (OU) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269 17.3.4 Fonction NOR (NON-OU). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270 17.3.5 Fonction AND (ET) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270 17.3.6 Fonction NAND (NON-ET) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271 17.3.7 Fonctions XOR et XNOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271 17.4 Combinaisons de fonctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272 17.4.1 Réalisation de la fonction XOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272 17.4.2 Réalisation d’un décodeur 2 à 4 lignes . . . . . . . . . . . . . . . . 273 17.5 Logique séquentielle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274 17.5.1 Élément mémoire, bascule SR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275 17.5.2 Horloge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276 17.5.3 Microprocesseurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276 17.6 Traitement numérique du signal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276 17.6.1 Échantillonnage (sampling) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277 17.6.2 Conversion A/D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277 17.6.3 Vitesse d’échantillonnage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277 17.6.4 Conversion D/A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278 17.6.5 Processeur numérique de signaux (DSP). . . . . . . . . . . . . . . 279 17.6.6 Chaîne de traitement numérique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279 17.6.7 Algorithmes de traitement du signal . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280 17.7 Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281

Table des matières

Chapitre 18 Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283 18.1 Basse et haute fréquences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283 18.1.1 Basse fréquence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283 18.1.2 Haute fréquence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283 18.2 Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284 18.2.1 Concepts généraux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284 18.2.2 Modulation d’amplitude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284 18.2.3 Modulation de fréquence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285 18.3 Caractéristiques de l’AM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286 18.3.1 Taux de modulation en AM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286 18.3.2 Spectre de modulation en AM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287 18.4 Autres formes de modulation d’amplitude . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289 18.4.1 AM avec porteuse supprimée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289 18.4.2 Émission en bande latérale unique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290 18.4.3 Aspect temporel de la BLU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292 18.5 Modulation de fréquence. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292 18.5.1 Indice de modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293 18.5.2 Spectre de la FM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294 18.5.3 Modulation de phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294 18.6 Télégraphie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295 18.6.1 Principe de la télégraphie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295 18.6.2 Spectre d’une émission en télégraphie. . . . . . . . . . . . . . . . . 295 18.7 Télévision analogique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296 18.8 Modulations numériques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296 18.8.1 Amplitude Shift Keying (ASK). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297 18.8.2 Frequency Shift Keying (FSK). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297 18.8.3 Phase Shift Keying (PSK) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298 18.9 Multiplexing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299 18.9.1 Time Division Multiplexing (TDM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299 18.9.2 Frequency Division Multiplexing (FDM) . . . . . . . . . . . . . . 299 18.10 Codes de classification des émissions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299 18.11 Récapitulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301 18.12 Appendice. Quadrature Amplitude Modulation (QAM). . . . . . . 301

Chapitre 19 Oscillateurs et modulateurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305 19.1 Schémas blocs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305 19.2 Oscillateurs haute fréquence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306 19.2.1 Fonction des oscillateurs HF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306 19.2.2 Production des oscillations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306 19.2.3 Types d’oscillateurs HF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307 19.2.4 Oscillateur Armstrong, Oscillateur Hartley . . . . . . . . . . . . . 308

Table des matières

19.2.5 Oscillateur Colpitts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309 19.2.6 Oscillateurs ajustables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310 19.2.7 Oscillateurs à quartz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311 19.2.8 Précision des quartz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313 19.3 Modulateurs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314 19.3.1 AM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314 19.3.2 Télégraphie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316 19.3.3 BLU - SSB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317 19.3.4 FM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318 19.4 Résumé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320

Chapitre 20 Émetteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321 20.1 Éléments communs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321 20.1.1 Partie BF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321 20.1.2 Compresseurs et limiteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322 20.1.3 Mélangeurs (Mixers) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324 20.1.4 VFO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324 20.1.5 Multiplicateurs de fréquence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325 20.2 Émetteurs AM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326 20.3 Émetteurs de télégraphie (CW) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326 20.3.1 Principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326 20.3.2 Utilisation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326 20.4 Émetteurs en BLU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327 20.4.1 Principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327 20.4.2 Utilisation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329 20.4.3 Particularités . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329 20.5 Émetteurs FM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330 20.5.1 Principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330 20.5.2 Utilisation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330 20.5.3 Particularités . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331 20.6 Appendice. Synthétiseurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331 20.6.1 Phase Locked Loop (PLL) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331 20.6.2 Direct Digital Synthesis (DDS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334 20.7 Résumé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336

Chapitre 21 Étage final . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337 21.1 Classes d’amplification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337 21.1.1 Linéarité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337 21.1.2 Classe A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339 21.1.3 Classe B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340 21.1.4 Classe C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342 21.1.5 Autres classes d’amplification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344 21.1.6 Rendement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344

Table des matières

21.2 Puissance PEP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344 21.3 Chaîne d’amplification finale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346 21.3.1 Drivers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346 21.3.2 Filtres de sortie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346 21.3.3 Transfert de puissance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348 21.4 Appendice. Neutrodynage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349 21.5 Résumé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349

Chapitre 22 Récepteurs I. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351 22.1 Réception. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351 22.1.1 Principe de la réception . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351 22.1.2 Récepteur ultra-simple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352 22.2 Partie HF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353 22.2.1 Sensibilité. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353 22.2.2 Syntonisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353 22.2.3 Sélectivité. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353 22.3 Principe du superhétérodyne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354 22.3.1 Changement de fréquence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354 22.3.2 Moyenne fréquence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356 22.4 Démodulateurs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358 22.4.1 Démodulateur AM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358 22.4.2 Démodulateur BLU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359 22.4.3 Démodulateur CW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361 22.4.4 Démodulateur FM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361 22.5 Partie BF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363 22.5.1 Filtres BF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363 22.5.2 Amplificateurs BF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363 22.5.3 Autres sorties BF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363 22.6 Superhétérodyne, schéma bloc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364 22.6.1 Récepteur classique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364 22.7 Récepteurs à conversion directe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365 22.8 Software Defined Radio (SDR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366 22.9 Appendice. Démodulateur FM à quadrature . . . . . . . . . . . . . . . . . 368 22.10 Résumé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369

Chapitre 23 Récepteurs II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371 23.1 Fréquence image . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371 23.1.1 Fréquence image, définition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371 23.1.2 Circuit d’entrée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372 23.1.3 Double changement de fréquence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372

XII

Table des matières

23.2 Étage d’entrée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374 23.2.1 Circuits conventionnels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374 23.2.2 Étage d’entrée performant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374 23.3 Moyenne fréquence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376 23.3.1 Filtres MF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377 23.3.2 IF-shift . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377 23.3.3 Band-pass tuning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378 23.3.4 Commande automatique de gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378 23.3.5 Gain HF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379 23.3.6 Moyenne fréquence FM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380 23.4 Fonctions additionnelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380 23.4.1 Squelch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380 23.4.2 S-mètre. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381 23.4.3 RIT - XIT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381 23.4.4 Noise blanker. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382 23.5 Bruit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382 23.5.1 Bruit thermique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382 23.5.2 Bruit de réception. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382 23.5.3 Bruit de phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383 23.5.4 Rapport signal/bruit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383 23.5.5 Dynamique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384 23.5.6 Taux de distorsion, SINAD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384 23.6 Modes spéciaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385 23.6.1 Télévision d’amateur analogique - ATV . . . . . . . . . . . . . . . 385 23.6.2 Télévision d’amateur numérique - DATV. . . . . . . . . . . . . . 386 23.6.3 Télévision à balayage lent - SSTV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386 23.6.4 RTTY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387 23.6.5 Paquet (packet) AX25 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387 23.6.6 PSK31 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388 23.6.7 Corrections d’erreurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388 23.7 Appendice. Figure de bruit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389 23.8 Appendice. Commutation par diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389

Chapitre 24 Lignes de transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391 24.1 Lignes de transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391 24.1.1 Lignes asymétriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391 24.1.2 Lignes symétriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392 24.1.3 Guides d’ondes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393 24.2 Caractéristiques des lignes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393 24.2.1 Impédance caractéristique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393 24.2.2 Atténuation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395 24.2.3 Vélocité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395

Table des matières

XIII

24.3 Applications des lignes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396 24.3.1 Terminaison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396 24.3.2 Lignes ouvertes et en court-circuit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397 24.3.3 Lignes imparfaitement terminées. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398 24.3.4 ROS-mètres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399 24.3.5 Effets du ROS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 400 24.3.6 Automatic Level Control - ALC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401 24.4 Transformation d’impédance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401 24.4.1 Transformateurs à large bande. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401 24.4.2 Balun . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402 24.4.3 Adaptation d’impédances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403 24.4.4 Boîtes d’accord . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403 24.5 Appendice. Propriétés des segments λ/4 et λ/2. . . . . . . . . . . . . . . 404

Chapitre 25 Propagation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 409 25.1 Ondes électromagnétiques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 409 25.1.1 Polarisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 409 25.1.2 Longueur d’onde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 410 25.2 Propagation par onde de sol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411 25.2.1 Onde directe ou onde de sol. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411 25.2.2 Atténuation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411 25.3 Propagation par réflexions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412 25.3.1 Activité solaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412 25.3.2 Troposphère . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413 25.3.3 Ionosphère . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413 25.3.4 Couches de l’ionosphère . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414 25.3.5 Propagation par réflexions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415 25.3.6 Propagation par conduit (ducting) et Es . . . . . . . . . . . . . . . . 415 25.3.7 Zone de silence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416 25.3.8 Fading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416 25.4 Effets de la fréquence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 417 25.4.1 Ondes kilométriques (de 30 à 300 kHz) . . . . . . . . . . . . . . . 417 25.4.2 Ondes hectométriques (de 300 kHz à 3 MHz). . . . . . . . . . . 417 25.4.3 Ondes décamétriques (de 3 à 30 MHz) . . . . . . . . . . . . . . . . 418 25.4.4 Ondes métriques et décimétriques (plus de 30 MHz) . . . . . 419 25.4.5 Maximum Usable Frequency (MUF) . . . . . . . . . . . . . . . . . 420

Chapitre 26 Antennes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423 26.1 Dipôle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423 26.1.1 Dimensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423 26.1.2 Courant et tension dans un dipôle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424 26.1.3 Autres fréquences de résonance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425 26.1.4 Dipôle replié . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425

XIV

Table des matières

26.1.5 Dipôle demi-onde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 426 26.1.6 Diagramme de rayonnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 427 26.2 Antennes multiéléments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 427 26.2.1 Éléments parasites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 427 26.2.2 Antenne Yagi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 428 26.2.3 Gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 429 26.2.4 Puissance apparente rayonnée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 429 26.2.5 Effet de sol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431 26.2.6 Polarisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431 26.3 Antennes verticales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432 26.3.1 Du dipôle au quart d’onde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432 26.3.2 Antenne ground plane (GP). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432 26.3.3 Antennes raccourcies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433 26.4 Antennes multibandes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434 26.4.1 Largeur de bande . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434 26.4.2 Antennes à trappes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435 26.5 Quelques antennes particulières . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435 26.6 Adaptation d’impédances (matching) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 437 26.6.1 Delta match . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 438 26.6.2 Gamma match . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 438 26.6.3 Q match . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 438

Chapitre 27 Circuits intégrés, mesures et considérations finales441 27.1 Circuits intégrés. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441 27.1.1 Circuits analogiques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442 27.1.2 Circuits numériques élémentaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445 27.1.3 Circuits numériques complexes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445 27.1.4 PC (Personal Computer) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445 27.1.5 MCU (MicroController Unit) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 446 27.2 Mesures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 447 27.2.1 Multimètre ou VOM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 447 27.2.2 Grid-Dip ou Dip-mètre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 447 27.2.3 ROS-mètre ou réflectomètre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 448 27.2.4 Générateur de signaux BF, HF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 448 27.2.5 Fréquencemètre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 449 27.2.6 Oscilloscope. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 449 27.2.7 Analyseur de spectre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 450 27.3 Compatibilité électromagnétique (CEM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452 27.3.1 Rayonnements non essentiels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452 27.3.2 Rayonnement utile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452 27.3.3 Problèmes et solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453 27.4 Protection des personnes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 454

Table des matières

27.4.1 Câblage électrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 454 27.4.2 Rayonnements non ionisants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455 27.4.3 Foudre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 456 27.5 Résumé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 456

Chapitre 28 Révision. Problèmes d’examen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457 28.1 Série 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457 28.2 Série 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463 28.3 Série 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 468 28.4 Série 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473 28.5 Série 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 478 28.6 Série 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484 28.7 Série 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 489

Réponses aux exercices et problèmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 495

Première partie : Électrotechnique Chapitre 1 : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 495 Chapitre 2 : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 496 Chapitre 3 : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 497 Chapitre 4 : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 498 Chapitre 5 : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 499 Chapitre 6 : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 499 Chapitre 7 : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 500 Chapitre 8 : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 500 Chapitre 9 : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 501 Chapitre 10 : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 501 Chapitre 11 : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 502 Chapitre 12 : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503 Chapitre 13 : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 504 13.1 Série 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 504 13.2 Série 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 505 13.3 Série 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 506 13.4 Série 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 507

Réponses aux exercices et problèmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 509 Deuxième partie : Radiotechnique Chapitre 14 : Chapitre 15 : Chapitre 16 : Chapitre 17 : Chapitre 18 : Chapitre 24 :

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 509 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 510 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 511 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 511 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 512 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513

XVI

Table des matières

Chapitre 25 : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513 Chapitre 26 : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514 Chapitre 28 : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514 28.1 Série 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514 28.2 Série 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 515 28.3 Série 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 516 28.4 Série 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 517 28.5 Série 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 518 28.6 Série 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 519 28.7 Série 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 520

Formulaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 521 Licence débutant (novice) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 527 Index des mots cités . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 529

INTRODUCTION

Le radioamateurisme est en hobby en constante mutation. L’avènement des techniques numériques de communications (internet, téléphones cellulaires) devait sonner le glas du radioamateurisme pour certains, il n’en est rien. Les radioamateurs ont intégrés ces nouveaux éléments dans leur hobby, et il n’y a de nos jours aucune station sans un PC et plusieurs appareils basés sur des techniques numériques. L’éventail des possibilités à disposition du radioamateur est ainsi très large. L’un des moyens, d’exploiter ces possibilités, peut-être le plus important, est ses connaissances techniques, qui peuvent lui permettre de tirer le maximum de profit des appareils dont il se sert ou qu’il construit. Pour certains, ces connaissances auront même une répercussion sur leur activité professionnelle, la demande pour des spécialistes en communication étant soutenue, en particulier pour les transmissions sans fil, étant donné que cette spécialisation est souvent absente des programmes d’étude. Pour d’autres, ces connaissances techniques permettront peut-être, même dans une branche non technique, de prétendre à un poste plus intéressant, en raison des connaissances acquises pour ce hobby. Ce livre est destiné à tous les lecteurs ayant besoin de trouver sous une forme claire et concise, les connaissances requises pour installer et faire fonctionner une station d’émission ou de réception, et en particulier à ceux qui se préparent à l’examen de radioamateur. Pratiquement aucune connaissance initiale des mathématiques n’est demandée de l’étudiant, une section leur étant consacrée au début de la première partie, et de nombreuses explications disséminées tout au long de l’ouvrage, au fur et à mesure des besoins. Ce cours est principalement destiné aux étudiants désirant assimiler les connaissances nécessaires à la licence en autodidactes, mais il a aussi fait ses preuves lors de cours organisés, où il sert alors de programme principal, délimitant les sujets à étudier et fournissant une bonne source d’exercices corrigés. Le cours est organisé d’une manière progressive, introduisant les sujets l’un après l’autre dans un ordre logique, et autant que possible en se basant toujours sur les

Introduction

notions introduites précédemment. Le vocabulaire technique approprié est aussi introduit progressivement, chaque mot nouveau est expliqué clairement et utilisé dans son contexte. La première apparition de ces mots, généralement lors de leur définition, est en caractères gras pour attirer l’attention du lecteur. De nombreux mots et expressions anglaises font partie de l’usage technique courant. Ces termes sont indiqués en italique et leur équivalent français est toujours donné. Les nombres utilisés pour les exemples et pour les exercices sont, autant que possible, en relation avec des exemples et des grandeurs pratiques et selon les valeurs normalisées. La plupart des chapitres comprend des problèmes résolus afin de guider l’étudiant sur la méthode à appliquer et se termine généralement par une série d’exercices avec leurs réponses1, ceci étant indispensable à l’étudiant autodidacte. Il est fortement recommandé de ne pas passer à l’étude d’un chapitre avant que 80 à 90% des exercices du chapitre précédent puissent être faits sans erreurs. L’ouvrage est divisé en deux parties, la première intitulée Électrotechnique, traite des bases de l’électricité, dans l’optique des radiocommunications. La seconde partie, Radiotechnique, traite plus spécifiquement de l’électronique et de ses applications dans le domaine des radiocommunications Également pour chacune des deux parties, une révision des notions accumulées est donnée sous forme d’exercices pour la première partie et de problèmes du type de ceux de l’examen de radioamateur pour la seconde partie, avec leurs réponses1. En cas de difficultés, avec un exercice ou un autre, il conviendra de se référer au paragraphe traitant de ce sujet ou de revoir l’un des problèmes résolus. À la fin de l’ouvrage est inséré, pour faciliter les recherches, un index des mots cités et un formulaire regroupant sous une forme concise toutes les formules introduites dans le texte. Il pourra être reproché à ce livre un manque de rigueur scientifique et mathématique, mais étant donné qu’il est destiné à des étudiants n’ayant pas ou peu de connaissances techniques de base, il a semblé préférable de compter sur l’intuition plutôt que sur des preuves mathématiques. Certaines notions sont même présentées sans aucune tentative de justification, particulièrement quand cela demanderait du lecteur des efforts sans mesure avec l’importance du sujet. Ici encore, pour celui qui désirera approfondir tel ou tel sujet, d’autres ouvrages pourront être consultés avec profit. Dans la mesure du possible, l’aspect pratique a toujours été mis en évidence, et la théorie pure, utilisée avec parcimonie. Certains chapitres se terminent par un appendice ; sa lecture est fortement recommandée, en particulier pour les lecteurs n’ayant pas de difficultés avec le reste de la matière présentée, mais son contenu, bien qu’utile n’est normalement pas indispensable pour l’examen. 1. Ces réponses aux exercices et problèmes sont insérées à la fin de l’ouvrage.

Introduction

Une remarque d’ordre pédagogique : il est important de ne pas tenter d’apprendre par cœur la solution des problèmes, ceci peut donner un faux sentiment de sécurité alors que les chances de tomber lors de l’examen, sur un problème déjà vu, sont minces. Il est bien préférable de faire l’effort de comprendre la matière traitée et la grande variété des problèmes proposés est un moyen d’y arriver. Certaines administrations ont introduit une licence débutant, ne demandant que quelques connaissances techniques de base. Une section lui est dédiée, en fin d’ouvrage, qui délimite les chapitres et exercices nécessaires pour se présenter à cet examen. Finalement, l’examen de radioamateur comprend aussi une partie réglementation ; en ce qui concerne cette dernière, la meilleure approche est d’apprendre ces diverses règles, en parallèle avec l’étude de la seconde partie du présent ouvrage. Je remercie mes anciens élèves et lecteurs pour leurs questions et commentaires lors de l’élaboration des éditions successives de cet ouvrage, et je remercie enfin les Radioamateurs Vaudois pour la confiance qu’ils m’ont témoigné en me laissant organiser ce cours technique année après année depuis 1982. Olivier Pilloud HB9CEM VE3PSX AE7AL

CHOIX D’UNE CALCULATRICE

Pour pouvoir mener à bien ce cours et pour mettre toutes les chances de son côté, il est indispensable que l’étudiant se procure une petite calculatrice avec quelques fonctions scientifiques. Une telle calculatrice ne sera d’ailleurs pas inutile une fois la licence obtenue, le radioamateur ayant besoin de temps en temps d’effectuer des calculs qu’il serait difficile ou même impossible d’exécuter au moyen d’une calculatrice classique à quatre opérations. Les fonctions que doit absolument avoir cette machine sont : • Les 4 opérations + − × ÷, • 1 / x, • log et inverse log (10x), •

• Notation scientifique (touche EEX, EE ou E). Les fonctions qui ne sont pas indispensables mais qu’il est utile d’avoir, sont : • x2 , • Pi (π), • Les fonctions trigonométriques SIN COS TAN, • La notation ingénieur (exposants multiples de 3), • Une ou plusieurs mémoires. Un modèle programmable n’est pas utile car l’étudiant pourrait programmer les formules principales au lieu de les apprendre ; d’ailleurs, à l’examen, une calculatrice n’est autorisée, que si elle ne contient aucun programme. De toute façon, il n’y a pas tellement de formules différentes à savoir et le candidat peut se constituer un petit formulaire aide-mémoire. De plus, les calculatrices programmables sont plutôt réservées aux professionnels qui font beaucoup de calculs répétitifs et ce ne sera pas vraiment notre cas.

Choix d’une calculatrice

On trouve dans le commerce de nombreux modèles répondant aux critères énoncés ci-dessus. Les plus chers ont en général plus de fonctions et de mémoires, et sont souvent d’un emploi plus difficile pour l’utilisateur occasionnel. Il a été constaté que l’une des sources majeures d’erreurs dans la solution des problèmes était le manque de connaissance de la calculatrice ; il est impossible de trop insister sur la nécessité d’apprendre à se servir de cette dernière en détail et avec le plus grand soin. Pour cela, est-il besoin de le dire, il faudra lire soigneusement le mode d’emploi fourni avec la machine et faire pas à pas tous les exemples donnés en prenant bien soin de comprendre le pourquoi et le comment de chaque étape. Il sera bon aussi de prendre l’habitude de suivre les exemples donnés le long du texte de ce cours avec la calculatrice en main et d’essayer de comprendre toute erreur de manipulation qui pourrait ainsi être décelée. En résumé, l’utilisation sûre d’une calculatrice de bonne marque sera pour certains une assurance de réussite à l’examen, et pour les autres le coup de pouce indispensable à l’obtention de la licence. L’utilisation peu sûre de cette machine sera en revanche une source de difficultés, d’erreurs et de découragements, en outre dans des moments de tension comme à l’examen, ce sera probablement un obstacle insurmontable. Note. Si votre calculatrice possède les modes radian et degré pour les fonctions trigonométriques, il importe de l’utiliser uniquement en mode degré1, particulièrement pour les fonctions sinus et cosinus mentionnées au Chapitre 9.

1. Dans le cadre de ce cours.

Première Partie

ÉLECTROTECHNIQUE

CHAPITRE

1 RÉVISION MATHÉMATIQUE I

Il y a fort à parier que les mathématiques n’intéressent vraiment aucun d’entre nous et c’est pourquoi nous n’en ferons que très peu, mais il faut que ce que nous verrons, qui est absolument indispensable, soit bien su. Il serait dommage que tout au long de l’étude de la radiotechnique que nous allons entreprendre, nous perdions sans cesse du temps sur des problèmes mathématiques au lieu de pouvoir nous consacrer à la technique proprement dite.

1.1

NOMBRES

1.1.1

Chiffres significatifs

Les mathématiques qu’il nous faudra utiliser sont fort simples, et chacun en a appris plus qu’assez sur les bancs d’école pour les besoins de ce cours, mais pour la majorité d’entre nous, les jours d’école sont loin et les mathématiques remisées aux oubliettes. Les mathématiques étaient aussi quelque peu abstraites, peu d’entre nous ayant eu l’occasion de remplir des baignoires percées ou de calculer l’âge du capitaine depuis cette époque. Il nous faudra tout d’abord apprendre à interpréter les résultats de la calculatrice, voyons quelques exemples afin de cerner le problème : 8 ÷ 3 = 2 ,66666…

1 ÷ 3 = 0 ,33333…

2076 × 1987 = 4 125 012

Dans le premier exemple, il faut décider si la réponse est 2,6 ou 2,66666667 ou 2,66666666, dans le deuxième, si c’est 0 ou 0,3 ou 0,33333333. Dans le troisième exemple, la réponse obtenue est exacte, mais il se pourrait que 4 125 000 soit un chiffre suffisamment précis pour nous. Voyons donc les quelques règles concernant les chiffres significatifs. Chaque fois que cela simplifiera la situation, on se contentera de 4 ou 5 chiffres significatifs pour les calculs ; pour les réponses finales, bien souvent 3 ou 4 chiffres seront suffisants. Cependant, s’il n’y a pas besoin de relever des résultats intermédiaires sur

Électrotechnique

papier (par l’utilisation des mémoires de la calculatrice), on pourra garder toute la précision offerte par la machine jusqu’au résultat final qui lui, sera alors arrondi à 3 ou 4 chiffres significatifs. En d’autres termes, on gardera les chiffres tels que donnés par la machine jusqu’à ce que l’on doive en écrire un, soit comme résultat intermédiaire, soit comme résultat final, auquel cas on l’arrondira.

1.1.2

Arrondis

Si l’on se contente de 3 chiffres significatifs, le problème se pose alors de comment effectuer l’arrondi : 89 ÷ 9 = 9 ,888 888 9 Si l’on arrondit ce nombre à 9,88 on lui « enlève » 0,0088889 c’est-à-dire presque 0,01. Si l’on arrondit ce nombre à 9,89 on ne lui « ajoute » que 0,00111111 ce qui revient à dire que l’erreur que nous introduisons est presque 10 fois moindre par la deuxième méthode. La différence ne sera pas toujours aussi spectaculaire, mais nous nous conformerons dans tous les cas à la règle suivante : • On arrondit en faisant disparaître les chiffres l’un après l’autre depuis la droite. • Si le chiffre éliminé est compris entre 0 et 4, rien de plus ne se passe, si ce chiffre est entre 5 et 9, alors on augmente le chiffre suivant (immédiatement à gauche) de 1. Dans les exemples ci-dessus, si l’on arrondit à 4 chiffres significatifs, on obtient : • 2,6666… s’arrondit à 2,667 • 0,3333… s’arrondit à 0,333 • 9,8888… s’arrondit à 9,889 Un nombre tel que 0,99999… s’arrondit à 1 indépendamment du nombre de chiffres significatifs (en réalité, on a 1,000 c’est-à-dire quand même 4 chiffres significatifs). Exemple. 7,37654028 s’arrondit ainsi : • 7,3765403 à 8 chiffres significatifs, • 7,376540 à 7 chiffres significatifs, • 7,37654 à 6 chiffres significatifs, • 7,3765 à 5 chiffres significatifs, • 7,377 à 4 chiffres significatifs, • 7,38 à 3 chiffres significatifs, • 7,4 à 2 chiffres significatifs, • 7 à 1 chiffre significatif. Le cas du troisième exemple au milieu de la page 9 est un peu particulier, et bien que nous y appliquerons les mêmes règles, ce cas sera vu un peu plus loin, lors de l’étude des puissances de 10.

Révision mathématique I

EXERCICES Arrondir à 3 chiffres significatifs : E 1.1 E 1.3 E 1.5

1.1.3

3,141592654 0,012987013 2,718281828

E 1.2 E 1.4

8,000018000 49,36111111

Comparaisons de nombres

S’il est évident que 5 est supérieur à 3, il peut être bon de préciser que −5 est inférieur à −3. Voici une représentation de l’échelle des nombres. Le symbole ∞ signifiant infini. −∞

−10

−5

−1

∞

−0,5 0,5 Figure 1.1 Axe des nombres réels.

Nous voyons ainsi que −10 est inférieur à −5 et que −0,5 est inférieur à 0. De l’autre côté, 1 est supérieur à 0,5, etc.

1.2

OPÉRATIONS DE BASE

1.2.1

Additions, soustractions

Il n’est bien sûr pas question pour nous d’apprendre à faire des additions, d’ailleurs notre calculatrice s’en charge fort bien, mais tout au plus allons nous examiner quelques cas particuliers. 125 000 + 0 ,5 = 125 000,5

125 000 + 0 = 125 000

Dans le premier exemple, on peut constater que 0,5 est relativement petit par rapport à 125 000, et que si l’on ne s’occupait que de 4 ou 5 chiffres significatifs, le 0,5 disparaîtrait complètement. En fait, on pense de la même façon dans la vie courante : si l’on gagne 125 000 € et 50 centimes à la loterie (on peut rêver), on dira plus volontiers que l’on a 125 000 € en négligeant les 50 centimes ou même que l’on a gagné plus de 100 000 €. Le deuxième cas nous montre que 0 est ce qu’on appelle l’élément neutre de l’addition ; 0 ajouté à n’importe quel nombre ne change pas ce nombre. Effectuons maintenant sur notre calculatrice l’addition suivante : – 5000 + 125 000 = 120 000 Suivant le type de calculatrice à disposition, il faudra utiliser une séquence de touches différentes, particulièrement pour le signe moins qui se trouve devant 5000. Il est utile de faire une distinction entre le signe moins qui sert à indiquer la soustraction (5 − 3 = 2) et le signe moins qui sert à indiquer un nombre négatif (−5000). Ce dernier

Électrotechnique

signe peut être entré sur la calculatrice au moyen de la touche (+/−) ou (CHS) suivant sa marque. Ce dernier exemple montre que l’on peut transformer une soustraction en addition, simplement en additionnant un nombre négatif : 125 000 – 5000 = – 5000 + 125 000 = 120 000 Ce dernier point est extrêmement important pour l’emploi sûr de la calculatrice, c’est pourquoi il est fortement recommandé de faire les quelques exercices donnés plus loin et de s’assurer qu’ils sont bien compris.

1.2.2

Multiplications, divisions

Parallèlement à l’élément neutre de l’addition qui est 0, la multiplication (et la division) a pour élément neutre le chiffre 1. En effet : 100 × 1 = 100

100 × 2 = 200

Si vous roulez en voiture 1 fois 100 km, vous aurez évidemment parcouru 100 km (1 × 100 = 100), si vous parcourez encore une fois 100 km, c’est-à-dire une deuxième fois 100 km, vous aurez effectué 2 × 100 km, ce qui fait 200 km. Il est aussi intéressant de constater que le chiffre 0 a son importance dans la multiplication : 15 × 0 = 0

24 × 0 = 0

Que vous gagniez 20 € de l’heure ou 35 € de l’heure, si vous travaillez zéro heure, vous gagnerez bien évidemment 0 €. N’importe quel nombre multiplié par 0 donne 0. Comme pour la similitude entre l’addition et la soustraction, il y a un lien direct entre la multiplication et la division : 100 ÷ 2 = 50

100 × 0 ,5 = 50

1 ÷ 2 = 0 ,5

1 ⁄ 2 = 0 ,5

1 ⁄ 0 ,5 = 2

Le premier exemple démontre qu’il est possible d’atteindre le même résultat au moyen d’une division et d’une multiplication. Le second nous montre quelle est la relation entre 2 et 0,5, nombres qui ont permis ce tour de passe-passe. Si l’on divise 1 par 2, on obtient 0,5 et si l’on divise 1 par 0,5 on obtient 2. On dit que ces nombres sont inverses l’un de l’autre ; si l’on divise 1 par n’importe quel nombre, on obtient son inverse. Cette fonction est tellement fréquemment utilisée, qu’une touche y est réservée sur notre calculatrice (1/x). Cela nous amène tout naturellement à une petite simplification d’écriture, au lieu d’utiliser le signe (÷) pour indiquer la division, nous utiliserons dorénavant le symbole (/) tel que nous le comprenons quand nous écrivons 1/2 pour représenter 0,5. En résumé, pour transformer une division en multiplication, il suffit de multiplier le nombre à diviser par l’inverse du diviseur.

CHAPITRE

9 CIRCUITS LC

Ce chapitre va nous permettre d’étudier les différents circuits que l’on peut composer au moyen de bobines et de condensateurs. Nous verrons les calculs qui s’y rapportent et allons introduire un concept très important : l’impédance.

9.1

IMPÉDANCE SIMPLE

9.1.1

Circuit purement réactif

Une résistance est bien entendu un élément résistif et tout circuit ne comportant que des résistances est un circuit purement résistif. Dans un tel circuit, le courant est toujours en phase avec la tension. Ceci est la caractéristique principale d’un circuit résistif. Dans un circuit comportant une self ou un condensateur, le courant n’est pas en phase avec la tension ; on dit que dans un circuit comportant une réactance, le courant est déphasé par rapport à la tension. Le terme réactance est utilisé pour désigner une self ou un condensateur, qui sont des éléments réactifs. Nous verrons l’origine de ce mot quelques paragraphes plus loin. Un circuit ne comportant que des éléments réactifs (selfs ou condensateurs) est dit purement réactif. Dans un tel circuit, le courant est toujours déphasé de 90° par rapport à la tension (soit en avant, soit en arrière).

9.1.2

Impédance dans un circuit purement inductif

Analysons intuitivement un circuit composé d’une source de tension alternative et d’une inductance. Nous savons qu’un tel circuit est le siège d’un courant déphasé de 90° par rapport à la tension. Nous avons vu au Paragraphe 7.2.2 : Inductance, self-induction, page 95, que dans une bobine une tension est induite qui s’oppose aux variations du courant qui la parcourt. Plus l’inductance de la bobine est importante, plus cet effet est marqué et plus le courant alternatif qui tente de traverser cette bobine rencontre d’opposition.

114

Électrotechnique

De même, si ces variations sont relativement lentes (cas d’une fréquence basse), l’opposition rencontrée est faible ; par contre, si ces variations sont rapides (cas d’une fréquence élevée), l’opposition est forte. Nous pouvons conclure de tout cela que l’opposition au passage d’un courant alternatif dans une bobine est proportionnelle à la valeur de la bobine et à la fréquence du courant. Cette opposition agit comme une résistance mais n’en est pas une1, c’est pourquoi cette opposition est nommée impédance. L’impédance est donc une mesure de l’opposition qu’offre une bobine au passage d’un courant alternatif.

9.1.3

Impédance dans un circuit purement capacitif

Nous savons qu’un circuit ne comportant qu’une source de tension alternative et un condensateur est le siège d’un courant en avance de 90° par rapport à la tension. Essayons de déterminer quelle est l’amplitude de ce courant. Considérons tout d’abord un condensateur de faible valeur, ce qui revient à dire que la surface en regard de ses lames est relativement faible. Lorsque quelques électrons se sont accumulés sur l’une des électrodes, une quantité équivalente est repoussée sur l’autre électrode. Un raisonnement similaire pour une surface en regard des lames plus importante, mettant en jeu une quantité d’électrons plus importante, nous permettrait de conclure que le courant est proportionnel à la valeur du condensateur ou, que l’opposition au passage du courant est inversement proportionnelle à la capacité du condensateur. Si maintenant les variations de tension aux bornes du condensateur sont lentes (basse fréquence), le courant de charge/décharge sera relativement faible, si par contre ces variations sont plus rapides (fréquence élevée), il faudra un courant instantané plus important pour charger le condensateur. Le courant de charge/décharge du condensateur est ainsi proportionnel à la fréquence ou l’opposition au passage du courant est inversement proportionnelle à la capacité du condensateur. Cette opposition agit comme une résistance mais n’en est pas une, c’est pourquoi cette opposition est nommée impédance. L’impédance est donc aussi une mesure de l’opposition qu’offre un condensateur au passage d’un courant alternatif.

9.1.4

Formules, unités et symboles de l’impédance

L’impédance d’un élément simple telle une self ou un condensateur est représentée par la lettre minuscule x. On fait suivre le x de la lettre L ou C pour spécifier l’impédance d’une self ou d’un condensateur. 1. Il suffit pour nous en convaincre de remplacer la source de tension alternative par une source continue et de constater que les effets de la self sur le courant sont radicalement différents. Dans ce cas, une fois le courant établi dans la bobine, il ne rencontre aucune opposition, ne variant pas, et est théoriquement infini.

Circuits LC

115

Avant de donner les formules pour xL et xC, résumons dans un tableau les conclusions des deux paragraphes précédents où nous représenterons le sens des variations de chaque grandeur. Ceci nous permettra de mettre en évidence une caractéristique importante de la relation entre l’impédance d’une self et celle d’un condensateur. Cas d’une self Inductance Fréquence Capacitance Fréquence

xL xL Cas d’un condensateur xC xC

Nous constatons que les caractéristiques de l’un sont exactement l’inverse des caractéristiques de l’autre, nous allons retrouver cette propriété dans les formules suivantes : x L = 2 ⋅ π ⋅ f ⋅ L = 2πfL

(9.1)

1 1 x C = ------------------------- = ------------2⋅π⋅f⋅C 2πfC

(9.2)

La quantité 2 · π · f est appelée pulsation ou vitesse angulaire et a pour unité des radians/seconde (rad/s). Elle est représentée par la lettre grecque ω (oméga minuscule). Sachant cela nous pouvons écrire ces formules de la manière suivante : x L = ωL

(9.3)

1 x C = -------ωC

(9.4)

ω = 2πf

(9.5)

où L’impédance xL ou xC se mesure en ohms, comme la résistance, mais il faut faire attention à ne pas la confondre avec cette dernière ; nous verrons au chapitre suivant les précautions qu’il faut prendre lorsque l’on travaille avec les deux en même temps.

9.1.5

Signe d’une impédance capacitive

Nous prendrons soin, dorénavant, d’ajouter un signe moins devant une impédance capacitive. Ce signe moins ne désigne pas une quantité négative, mais a son origine dans la représentation vectorielle des impédances et indique que la différence de phase (l’angle) entre : • la tension de la self et celle du condensateur dans le cas d’éléments en série (le courant étant commun aux deux éléments), • le courant dans la self et le courant dans le condensateur dans le cas d’éléments en parallèle (la tension étant dans ce cas commune aux deux éléments),

116

Électrotechnique

est de 2 fois 90° c’est-à-dire 180°, ce qui est directement opposé. Si donc l’une des quantités est positive (par convention l’inductance), l’autre doit avoir un signe moins. Si nous prenons par exemple le courant comme référence (cas d’un circuit LC série), la tension aux bornes de l’inductance est en avance de 90° sur ce courant, quant au condensateur, sa tension est en retard de 90° sur le courant. Ces deux tensions sont donc opposées (pendant que l’une monte, l’autre descend). La tension totale est donc la différence de ces deux valeurs. Tant que nous n’approfondissons pas ce sujet au-delà de ce qui est présenté dans ce cours, il n’est pas utile de travailler au moyen de la représentation vectorielle, mais pour ceux qui désireraient aller plus en avant dans l’analyse de circuits en courant alternatif, son utilisation s’avérera indispensable (voir Paragraphe 8.4 : Appendice. Représentation vectorielle de valeurs sinusoïdales, page 141).

9.2

CARACTÉRISTIQUES DES RÉACTANCES SIMPLES

9.2.1

Puissances réactive, apparente et réelle

Nous allons voir quelle est la puissance dissipée dans un circuit purement réactif en prenant pour exemple le cas d’un condensateur. Les phénomènes que nous allons découvrir sont dus entièrement au simple fait que la tension et le courant sont déphasés de 90°. Cela implique donc que les conclusions que nous tirerons de l’étude d’un circuit capacitif seront entièrement applicables à un circuit inductif, puisque dans un tel circuit le courant est aussi déphasé de 90° par rapport à la tension (mais en sens opposé). La puissance est définie comme le produit de la tension et du courant ; la Figure 9.1 représente en trait plein la tension aux bornes d’un condensateur et en pointillé le courant dans ce même condensateur. La valeur de ces deux grandeurs importe peu, c’est pourquoi, par souci de simplification, les valeurs de crête ont été choisies de 1 V et 1 A.

1 V, 1 A

−1 V, −1 A 0

180

270

360

450 Phase (°)

Figure 9.1 Tension et courant dans un condensateur, le courant est déphasé en

avant de 90°.

Deuxième Partie

RADIOTECHNIQUE

CHAPITRE

SEMICONDUCTEURS. DIODES

Nous voici à même de commencer l’étude de ce que l’on appelle les composants actifs, c’est-à-dire les diodes, les transistors et les tubes. Le présent chapitre sera consacré aux diodes. Les autres sujets feront l’objet des quelques chapitres suivants. Nous allons mettre en évidence quelques principes fondamentaux, qui devront nous permettre de suivre la majorité des schémas d’appareils radio que nous rencontrerons.

14.1

SEMICONDUCTEURS

14.1.1 Matériaux semiconducteurs Les semiconducteurs sont une classe de matériaux dont les propriétés électriques se situent à mi-chemin entre les conducteurs et les isolants. A l’état pur, ils se trouvent plutôt du côté des mauvais isolants. Les principaux matériaux semiconducteurs sont le germanium (Ge) et le silicium (Si). Mais le germanium n’est quasiment plus utilisé sauf dans certaines technologies avancées, associé au silicium1. La caractéristique commune de ces semiconducteurs, du point de vue chimique, est qu’ils ont tous deux quatre électrons sur leur orbite externe.

Figure 14.1 Représentation symbolique d’un atome de Silicium (a) et de germa-

nium (b). Dans les deux cas, l’orbite externe comporte quatre électrons. 1. Transistors SiGe.

204

Radiotechnique

Le nombre total d’électrons (charges négatives) orbitant autour du noyau est égal au nombre de protons (charges positives) constituant le noyau. Pour être utilisables en électronique, les matériaux semiconducteurs doivent d’abord être purifiés à un très haut degré par des procédés spéciaux. Ensuite, paradoxalement, on introduit dans le semiconducteur de faibles quantités de certaines impuretés, qui ont sur leur couche atomique externe 3 ou 5 électrons. Cette opération s’appelle le dopage.

14.1.2 Matériaux semiconducteurs P ou N Le semiconducteur pur se présente sous une forme cristalline. C’est un réseau (tridimensionnel - ici représenté à plat) d’atomes arrangés régulièrement, où chaque électron de la couche externe de chaque atome est lié à un électron de l’atome adjacent.

Figure 14.2 Structure régulière cristalline d’un semiconducteur pur. En foncé

les atomes, en clair les quatre électrons périphériques, en pointillé les liaisons entre électrons d’atomes adjacents.

Pour améliorer la conduction d’un tel réseau, il faut en modifier la structure. Cela se fait par l’adjonction d’impuretés. Si l’on introduit dans le cristal de faibles quantités de phosphore (P), d’antimoine (Sb) ou d’arsenic (As) qui ont tous trois 5 électrons sur leur couche externe, on crée un déséquilibre dans le cristal par excès d’électrons, on obtient alors à un semiconducteur globalement négatif, dit de type N.

Figure 14.3 Structure modifiée d’un semiconducteur de type N. Ici, l’un des

atomes comporte 5 électrons sur sa couche externe. L’électron en surplus ne pouvant se lier devient un électron libre, laissant derrière lui un ion positif.

Semiconducteurs. Diodes

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Si l’on introduit par contre dans le cristal de faibles quantités d’aluminium (Al), de gallium (Ga) ou de bore (B) qui ont tous trois 3 électrons sur leur couche externe, on crée un déséquilibre dans le cristal par défaut d’électrons. Ce défaut se manifeste sous forme de trous dans la structure cristalline. De tels trous sont assimilables à autant de charges positives. Nous sommes alors en présence d’un semiconducteur positif, dit de type P.

Figure 14.4 Structure modifiée d’un semiconducteur de type P. Ici, l’un des

atomes comporte 3 électrons sur sa couche externe. Si un électron « tombe » dans ce trou, il se liera avec l’électron adjacent, créant de ce fait un ion négatif.

Notons que dans le cristal de type N et dans le cristal de type P, la charge globale est neutre, chaque atome étant neutre. Les termes P et N font allusion à la capacité globale du cristal d’accepter ou de fournir quelques électrons susceptibles de participer à la conduction.

14.1.3 Jonction PN Mettons en contact un cristal de type P et un autre de type N ; nous obtenons ce qui s’appelle une diode à jonction. Dans la pratique, deux zones voisines du même cristal sont dopées l’une de type N et l’autre de type P, de sorte que l’opération qui consiste à amener en contact ces deux matériaux n’existe pas réellement. P

Figure 14.5 Jonction PN au repos. Les ions aux abords de la jonction forment la

barrière de potentiel.

Lors de la mise en contact de ces deux zones, les électrons en excès dans la partie N près de la zone de contact diffusent dans la zone P immédiatement adjacente et les trous en excès dans la zone P diffusent à travers la jonction à la rencontre des électrons, où tôt ou tard, ils se rencontrent et se combinent. Les électrons laissent derrière eux un « trou » qui correspond à une charge positive, ce qui rend donc le matériau N au voisinage de la jonction légèrement positif, alors que les trous, comblés par un électron,

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Radiotechnique

constituent des charges négatives dans le matériau P. Un équilibre se crée rapidement, car la zone positive dans le cristal N empêche le passage d’autres trous, et de même, la zone négative dans le cristal P empêche la diffusion d’autres électrons (des charges de mêmes noms se repoussent). Cette zone PN chargée localement np est appelée barrière de potentiel. Tant que nous n’appliquons pas de tension à la diode ainsi formée, plus rien ne se passe.

14.1.4 Diode à semiconducteur Appliquons une tension à notre jonction PN, en premier lieu, de façon à ce que le pôle positif de la source soit connecté à la partie N et le pôle négatif à la partie P (Figure 14.6a ci-dessous). La source va injecter des électrons dans la zone P, où ces derniers vont se combiner avec les trous et rendre le matériau P globalement négatif ; c’est la même action que celle qu’il se passe lors de la jonction des deux zones P et N. L’effet est donc un élargissement de la barrière de potentiel qui est proportionnel à la tension appliquée. Il est utile de penser à la barrière de potentiel comme d’un isolant puisqu’elle ne conduit pas le courant, une fois formée. Dans ce cas, on dit que la diode est polarisée en inverse : elle ne conduit pas. N

(a)

P P

(b)

Figure 14.6 (a) Jonction polarisée en inverse, aucun courant ne circule.

(b) Jonction polarisée en direct, la diode conduit.

Appliquons maintenant la source dans l’autre sens, c’est-à-dire le pôle positif connecté à la partie P et le pôle négatif à la partie N (Figure 14.6b ci-dessus). Les électrons injectés du côté N vont remplacer ceux ayant diffusé pour former la barrière de potentiel. Cette dernière va ainsi s’amenuiser. Si la tension est suffisante, la barrière de potentiel va disparaître et la diode conduira. Dans ce cas, la diode est polarisée dans le sens direct : elle conduit. La tension nécessaire pour annuler l’effet de la barrière de potentiel dépend des matériaux employés. Cette tension est de l’ordre de 0,3 à 0,4 V pour le germanium et de 0,6 à 0,7 V pour le silicium. Comme nous le verrons, il est important de connaître ces valeurs par cœur.

14.1.5 Paramètres des diodes à semiconducteur Examinons le graphique ci-dessous qui représente la courbe caractéristique d’une diode et essayons de voir ce qu’il signifie. Notons qu’il s’agit d’une diode au silicium, ce détail ayant, comme nous venons de le voir, son importance.

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L’axe horizontal représente la tension appliquée aux bornes de la jonction PN. À gauche du point zéro, la diode est polarisée en inverse. À droite, la jonction est polarisée en direct. Pour les besoins du graphe, ces deux directions ne sont pas graduées à la même échelle, en effet, pour une diode courante, le point C se trouve entre −50 et −1000 V. L’axe vertical indique le courant qui traverse la diode ; vers le haut, il s’agit du courant quand la diode est polarisée dans le sens direct, ce courant est appelé très simplement le courant direct, alors que vers le bas, il s’agit du courant inverse. Au point 0, il n’y a aucune tension et par conséquent aucun courant. Augmentons d’abord la tension dans le sens direct ce qui revient à parcourir le graphe vers la droite.

Diode Silicium

Courant direct (mA)

B Polarisation directe

Tension inverse (V)

A Tension directe (V)

C Polarisation inverse

0,7 V Courant inverse (μA)

Figure 14.7 Courbe caractéristique d’une diode au silicium.

Tant que la tension appliquée est inférieure à approximativement 0,7 V (segment 0A), il n’y a aucun courant direct, la tension appliquée étant insuffisante pour surmonter la barrière de potentiel. Continuons à augmenter la tension (segment AB), un courant direct prend naissance, qui devient vite très important. Dans cette zone, la diode est polarisée dans le sens direct. Le point A est le seuil de conduction ou tension de seuil (0,6 à 0,7 V pour le silicium et 0,3 à 0,4 V pour le germanium). Inversons maintenant la source de tension. Partant du point 0, voyons ce qu’il se passe lorsque nous augmentons la tension en sens inverse. Tant que la tension inverse est inférieure au point C, quasiment aucun courant ne traverse la jonction (à l’exception d’un courant très faible, appelé courant inverse de fuite de l’ordre des μA ou moins). Cela correspond bien à ce qui a été dit plus haut. La diode conduit dans un sens, mais pas dans l’autre.

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Radiotechnique

Mais du point C, et le long du segment CD, la moindre augmentation de la tension inverse cause une grande augmentation du courant inverse. C’est l’effet d’avalanche qui, dans la majorité des cas, est destructif. Le point C représente la tension inverse maximale que la diode peut supporter sans « claquer » et se nomme tension inverse de pointe ou tension de blocage. Nous constatons qu’une diode est un élément capable d’agir comme un conducteur dans un sens et comme un isolant dans l’autre. Cette faculté va nous permettre par exemple de ne laisser passer que les alternances positives ou que les alternances négatives d’un signal alternatif appliqué à une diode. Figure 14.8 Symbole d’une diode.

Le trait marqué k est la cathode, c’est-à-dire la zone N et la flèche marquée a est l’anode, c’est-à-dire la zone P.

Une diode est polarisée en direct si son anode est plus positive que sa cathode ou, ce qui revient au même, si sa cathode est plus négative que son anode.

14.1.6 Autres types de diodes La diode telle que nous en avons décrit le principe est celle qui est la plus commune. Lorsqu’elle est prévue pour de forts courants (de 100 mA à plusieurs dizaines d’ampères) on l’appelle un redresseur ; la prochaine section nous apprendra l’origine de ce terme. À part cette utilisation, il existe d’autres applications des diodes, selon les circuits ; cependant toutes les diodes ont la même constitution : une jonction. La diode Zener. Cette diode utilise l’effet d’avalanche d’une manière non destructive. On peut produire des diodes dans lesquelles l’effet d’avalanche est contrôlé par le procédé de fabrication entre 3 et 100 à 150 V. Cette diode fonctionne donc en polarisation inverse et conduit dès que la tension d’avalanche est atteinte (effet Zener). Ces diodes sont principalement utilisées dans des régulateurs de tension. La diode varicap. Cette diode utilise d’une part la non-conduction d’une jonction polarisée en inverse et d’autre part la variation d’épaisseur de la barrière de potentiel en fonction de la tension inverse. Nous avons donc là toutes les composantes d’un condensateur dont la capacité varierait en fonction de la tension inverse appliquée à la diode. On trouve des diodes varicap de moins de 1 pF à quelques centaines de pF (voir Paragraphe 19.3.4 : FM, page 318, pour un exemple d’utilisation de diode varicap). Les LEDs. De l’anglais Light Emiting Diode (diode électroluminescente − DEL). Ces diodes généralement basées sur des composés du Gallium (Ga) sont capables d’émettre une lumière infrarouge, visible ou ultraviolette. Ces diodes sont utilisées dans le sens direct ; elles ont généralement une tension inverse de pointe relativement faible de l’ordre de 3 V à 5 V. Leur tension de seuil directe est de 1,6 à 4 V suivant la couleur. Dans le spectre visible, on trouve des LEDs de couleurs rouges, oranges, jaunes, vertes, bleues et blanches.

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Les photodiodes. Si l’on éclaire la jonction d’une diode, elle fournit un faible courant inverse. Les photodiodes sont donc disponibles dans des boîtiers transparents, ce n’est pas le cas des autres diodes qui sont généralement dans un boîtier opaque afin que la lumière n’affecte pas leur fonctionnement. Les photodiodes sont principalement utilisées dans les dispositifs de mesure de la lumière et les détecteurs optiques. Citons encore les diodes PIN (se comportant comme des résistances contrôlées en tension) utilisées en VHF et au-dessus pour des montages d’atténuateurs ou de commutation, et les diodes Schottky (jonction métal semiconducteur) dont la tension directe est de l’ordre de 0,4 à 0,5 V (mais dont la tension inverse de pointe est relativement faible, de l’ordre de 20 à 60 V).

14.2

APPLICATIONS DES DIODES

Les circuits d’alimentation où une tension alternative est transformée en une tension continue constituent l’une des applications principales des diodes (ou redresseurs). L’autre champ d’application des diodes est dans la commutation. Nous parlerons brièvement de ce sujet au Paragraphe 23.8 : Appendice. Commutation par diodes, page 389. Commençons par l’étude des circuits redresseurs.

14.2.1 Redressement mono-alternance Commençons par le circuit suivant et examinons la forme du courant dans la résistance. Comme la tension de la source est alternative, elle est tantôt positive et tantôt négative ; la diode est donc tantôt polarisée en direct, tantôt en inverse. U

t 0V Figure 14.9 Redressement mono-alternance. Seules les alternances positives

rendent la diode conductrice.

Le graphique de droite, Figure 14.9 ci-dessus, représente la forme de la tension aux bornes de la résistance. Lorsque l’alternance positive atteint 0,7 V, la diode commence à conduire et un courant parcourt la résistance. Dès que la tension redescend en-dessous de 0,7 V, la diode ne conduit plus. Lors de l’alternance négative, la diode est polarisée en inverse, elle ne conduit donc pas. Nous avons réussi à transformer un courant alternatif en un courant non pas continu, mais pulsé et toujours de même sens.

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ISBN 978-2-7108-1184-8

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