Couplage de signaux : Comprendre le bruit AC dans les câbles téléphoniques

Pièces et Matériaux

• Pile 6 V
• Condensateur 0,22 µF (Radio Shack #272-1070 ou équivalent)
• Condensateur 0,047 µF (Radio Shack #272-134 ou équivalent)
• Petit moteur hobby, type aimant permanent (Radio Shack #273-223 ou équivalent)
• Détecteur audio avec casque
• Plusieurs pieds de câble téléphonique (Radio Shack #278-872) – tout câble multiconducteur non blindé fonctionnera ; les conducteurs plus fins (≈24 AWG) amplifient l'effet.

Le câble téléphonique est largement disponible dans les quincailleries. L'utilisation de tout câble multiconducteur non blindé convient, mais plus les conducteurs sont fins, plus le couplage observé est prononcé.

Références Croisées

• Lessons In Electric Circuits, Volume 2, chapitre 7 : « Signaux AC à fréquences mixtes »
• Lessons In Electric Circuits, Volume 2, chapitre 8 : « Filtres »

Objectifs d'Apprentissage

• Démontrer comment les signaux AC peuvent être couplés tandis que le DC est bloqué d'un dispositif de mesure.
• Montrer comment le couplage parasite se produit dans les câbles.
• Identifier des techniques pratiques pour réduire le couplage inter-câbles.

Schéma Électrique

Illustration

Instructions

1. Connectez le moteur à la pile en utilisant deux des quatre conducteurs du câble téléphonique. Le moteur devrait tourner normalement.
2. Placez le détecteur audio aux bornes du moteur, en insérant le condensateur 0,047 µF en série comme indiqué :

3. Vous devriez entendre un bourdonnement ou un sifflement dans le casque — c'est le bruit AC généré par les balais engageant le collecteur.

Le condensateur en série agit comme un filtre passe-haut, ne laissant passer que le AC vers le détecteur tout en rejetant la composante DC. Les oscilloscopes emploient le même principe pour le couplage AC : un condensateur est inséré en série avec la sonde.

4. En théorie, les bornes du moteur devraient voir du DC pur car elles sont directement en parallèle avec la pile. Cependant, la résistance interne de la pile et la résistance des conducteurs du câble créent des baisses de tension lorsque le moteur tire des impulsions de courant. Ces baisses se manifestent comme du bruit AC aux bornes du moteur :

5. Pour vérifier, mesurez la tension de bruit directement aux bornes de la pile avec le détecteur audio. Plus la résistance entre les points est faible, plus le bruit détecté est bas :

6. Vous pouvez également mesurer le bruit le long d'un seul conducteur de câble téléphonique en connectant le détecteur entre ses deux extrémités. Le bruit provient des impulsions de courant circulant à travers la résistance de ce conducteur :

7. Ensuite, explorez comment le bruit AC se couple aux fils adjacents. Mesurez la tension entre une borne du moteur et un conducteur de câble inutilisé. Aucun condensateur en série n'est nécessaire car aucun DC n'existe entre ces points :

La tension détectée provient de la capacitance parasite entre conducteurs adjacents, qui fournit un chemin pour le courant alternatif même si aucune charge ne traverse le condensateur lui-même.

Le couplage parasite peut contaminer les signaux envoyés le long d'un conducteur inutilisé, surtout si ce signal est sensible au bruit induit.

Comme le couplage capacitif est plus fort aux fréquences plus élevées, le bruit AC aux fréquences plus élevées sera plus fortement couplé.

Pour atténuer le bruit sur un signal DC, ajoutez un condensateur plus grand entre les deux conducteurs. Le condensateur 0,22 µF sert de condensateur de découplage, présentant une faible impédance au AC tout en laissant le DC inchangé :

7. Une autre stratégie efficace consiste à éviter de partager un conducteur commun entre circuits. Mesurez le bruit entre les deux conducteurs inutilisés ; il devrait être beaucoup plus faible car le couplage parasite couple des tensions de bruit presque identiques aux deux conducteurs, s'annulant lorsque la différence est prise :