Oscillateurs : Qu'est-ce que c'est ? (Définition, Types et Applications)
Qu'est-ce qu'un oscillateur?
Un oscillateur est un circuit qui produit une forme d'onde alternative continue et répétée sans aucune entrée. Les oscillateurs convertissent essentiellement le courant unidirectionnel provenant d'une source DC en une forme d'onde alternative de la fréquence désirée, déterminée par ses composants de circuit.
Le principe de base du fonctionnement des oscillateurs peut être compris en analysant le comportement d'un circuit LC, comme illustré dans la Figure 1 ci-dessous, qui utilise un inducteur L et un condensateur C complètement préchargé comme composants. Au début, le condensateur commence à se décharger via l'inducteur, ce qui entraîne la conversion de son énergie électrique en champ électromagnétique, qui peut être stocké dans l'inducteur. Une fois que le condensateur est complètement déchargé, il n'y aura plus de courant dans le circuit.
Cependant, à ce stade, le champ électromagnétique stocké aurait généré une tension de contre-réaction (back-emf) qui entraînerait le flux du courant dans le circuit dans la même direction qu'auparavant. Ce flux de courant dans le circuit se poursuit jusqu'à ce que le champ électromagnétique s'effondre, ce qui entraîne la reconversion de l'énergie électromagnétique en forme électrique, faisant ainsi recommencer le cycle. Cependant, maintenant, le condensateur serait chargé avec une polarité opposée, ce qui donne une forme d'onde oscillante en sortie.
Cependant, les oscillations résultant de la conversion entre les deux formes d'énergie ne peuvent pas se poursuivre indéfiniment car elles seraient soumises à l'effet de la perte d'énergie due à la résistance du circuit. En conséquence, l'amplitude de ces oscillations diminue progressivement pour devenir zéro, ce qui les rend amorties.
Cela signifie qu'afin d'obtenir des oscillations continues et d'amplitude constante, il faut compenser la perte d'énergie. Cependant, il convient de noter que l'énergie fournie doit être précisément contrôlée et doit être égale à l'énergie perdue afin d'obtenir des oscillations d'amplitude constante.
En effet, si l'énergie fournie est supérieure à l'énergie perdue, l'amplitude des oscillations augmentera (Figure 2a), conduisant à une sortie distordue ; tandis que si l'énergie fournie est inférieure à l'énergie perdue, l'amplitude des oscillations diminuera (Figure 2b), conduisant à des oscillations non durables.
Pratiquement, les oscillateurs ne sont rien d'autre que des circuits amplificateurs dotés d'un retour positif ou régénératif, où une partie du signal de sortie est rétroalimentée à l'entrée (Figure 3). Ici, l'amplificateur comprend un élément actif amplificateur qui peut être un transistor ou un Op-Amp, et le signal rétroalimenté en phase est responsable de maintenir (soutenir) les oscillations en compensant les pertes dans le circuit.
Une fois l'alimentation électrique allumée, les oscillations seront initiées dans le système en raison du bruit électronique présent. Ce signal de bruit circule autour de la boucle, est amplifié et converge rapidement vers une onde sinusoïdale d'une seule fréquence. L'expression du gain en boucle fermée de l'oscillateur montré dans la Figure 3 est donnée par :
Où A est le gain de tension de l'amplificateur et β est le gain du réseau de rétroaction. Ici, si Aβ > 1, alors les oscillations augmenteront en amplitude (Figure 2a) ; tandis que si Aβ < 1, alors les oscillations seront amorties (Figure 2b). D'autre part, Aβ = 1 conduit à des oscillations d'amplitude constante (Figure 2c). Autrement dit, cela signifie que si le gain de la boucle de rétroaction est faible, alors l'oscillation s'éteint, tandis que si le gain de la boucle de rétroaction est élevé, alors la sortie sera distordue ; et seulement si le gain de la rétroaction est unitaire, alors les oscillations auront une amplitude constante, conduisant à un circuit oscillatoire auto-entretenu.
Type d'oscillateur
Il existe de nombreux types d'oscillateurs, mais ils peuvent être largement classés en deux catégories principales – les oscillateurs harmoniques (également connus sous le nom d'oscillateurs linéaires) et les oscillateurs de relaxation.
Dans un oscillateur harmonique, le flux d'énergie est toujours des composants actifs vers les composants passifs et la fréquence des oscillations est déterminée par le chemin de rétroaction.
Tandis que dans un oscillateur de relaxation, l'énergie est échangée entre les composants actifs et passifs et la fréquence des oscillations est déterminée par les constantes de temps de charge et de décharge impliquées dans le processus. De plus, les oscillateurs harmoniques produisent des sorties en onde sinusoïdale peu distordues, tandis que les oscillateurs de relaxation génèrent des formes d'onde non sinusoïdales (en dents de scie, triangulaires ou carrées).
Les principaux types d'oscillateurs incluent :
Oscillateur pont de Wien
Oscillateur à déphasage RC
Oscillateur Hartley
Oscillateur à contrôle de tension
Oscillateur Colpitts
Oscillateurs Clapp
Oscillateurs à cristal
Oscillateur Armstrong
Oscillateur à collecteur accordé
Oscillateur Gunn
Oscillateurs couplés croisés
Oscillateurs en anneau
Oscillateurs Dynatron
Oscillateurs Meissner
Oscillateurs opto-électroniques
Oscillateurs Pierce
Oscillateurs Robinson
Oscillateurs Tri-tet
Oscillateurs Pearson-Anson
Oscillateurs à ligne de retard
Oscillateurs Royer
Oscillateurs couplés par électrons
Oscillateurs multi-ondes
Les oscillateurs peuvent également être classés en différents types en fonction du paramètre considéré, c'est-à-dire en fonction du mécanisme de rétroaction, de la forme de la forme d'onde de sortie, etc. Ces types de classification ont été donnés ci-dessous :
Classification basée sur le mécanisme de rétroaction : Oscillateurs à rétroaction positive et oscillateurs à rétroaction négative.
Classification basée sur la forme de la forme d'onde de sortie : Oscillateurs en onde sinusoïdale, oscillateurs en onde carrée ou rectangulaire, oscillateurs balayés (qui produisent une forme d'onde en dents de scie), etc.
Classification basée sur la fréquence du signal de sortie : Oscillateurs à basse fréquence, oscillateurs audio (dont la fréquence de sortie est dans la plage audio), oscillateurs à fréquence radio, oscillateurs à haute fréquence, oscillateurs à très haute fréquence, oscillateurs à ultra-haute fréquence, etc.
Classification basée sur le type de contrôle de fréquence utilisé : Oscillateurs RC, oscillateurs LC, oscillateurs à cristal (qui utilisent un cristal de quartz pour obtenir une forme d'onde de sortie stabilisée en fréquence), etc.
Classification basée sur la nature de la fréquence de la forme d'onde de sortie : Oscillateurs à fréquence fixe et oscillateurs à fréquence variable ou réglable.
Applications des oscillateurs
Les oscillateurs sont un moyen économique et facile de générer une fréquence spécifique d'un signal. Par exemple, un oscillateur RC est utilisé pour générer un signal de basse fréquence, un oscillateur LC est utilisé pour générer un signal de haute fréquence, et un oscillateur à base d'Op-Amp est utilisé pour générer une fréquence stable.
La fréquence d'oscillation peut être modifiée en variant la valeur des composants avec des arrangements de potentiomètres.
Certaines applications courantes des oscillateurs comprennent :
Montres à quartz (qui utilisent un oscillateur à cristal)
Utilisés dans divers systèmes audio et vidéo
Utilisés dans divers appareils de radio, de télévision et d'autres dispositifs de communication
Utilisés dans les ordinateurs, les détecteurs de métaux, les taser, les onduleurs, les applications ultrasonores et radiofréquences.
Utilisés pour générer des impulsions d'horloge pour les microprocesseurs et les microcontrôleurs
Utilisés dans les alarmes et les buzzeurs
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