Oscillateurs Hartley : solutions fiables et accordables pour amplitude constante

Les oscillateurs électroniques sont des circuits convertissant l'alimentation DC en signal AC. Selon le type de filtre sélectif en fréquence, on les regroupe en oscillateurs RC ou LC.

L'un des oscillateurs les plus courants dans les récepteurs radio ou comme oscillateurs RF est l'oscillateur Hartley. C'est une amélioration de l'oscillateur Armstrong, facile à accorder. Aujourd'hui, nous approfondissons son fonctionnement, ses configurations, etc.

Un oscillateur électronique

Qu'est-ce qu'un oscillateur Hartley ?

L'oscillateur Hartley, inventé par Ralph Hartley en 1915, est un type d'oscillateur harmonique. Un oscillateur LC (circuit avec inductances et condensateurs) détermine sa fréquence d'oscillation. On peut les accorder pour générer des ondes dans la bande radiofréquence, d'où le nom d'oscillateurs RF. La gamme RF du signal sinusoïdal va de 30 kHz à 30 MHz.

Oscillateur Hartley simple

Une caractéristique distinctive est le circuit accordé comportant un condensateur en parallèle avec deux inductances à prise centrale unique. De plus, il prélève le signal de rétroaction nécessaire à l'oscillation à la connexion centrale de l'inductance.

Principe de fonctionnement et schéma de l'oscillateur Hartley

Un oscillateur Hartley comporte plusieurs composants comme le montre le schéma, chacun avec une fonction précise.

Schéma de circuit d'un oscillateur Hartley

R1, R2 et R_E assurent le biaisage requis. C2 et C1 servent de condensateurs de couplage.

La bobine de détection radiofréquence (RFC) maintient séparément les conditions DC et AC. Elle présente une réactance quasi nulle en DC (pas de perturbation des condensateurs DC) et une réactance élevée en haute fréquence (considérée comme circuit ouvert).

Le circuit inclut un amplificateur transistor fournissant un déphasage de 180°. L1, L2 et C, composants du circuit réservoir, génèrent la fréquence d'oscillation.

Quant au principe de fonctionnement :

• Appliquez la tension DC (VCC) : le courant de collecteur du transistor augmente, commençant à charger le condensateur du circuit réservoir.
• Une fois chargé, le condensateur se décharge à travers L2 et L1.
• Pendant la décharge, l'inductance se charge.

(bobines d'inductance)

Note :

Un condensateur stocke la charge dans un champ électrique, une inductance dans un champ magnétique. Lorsque le condensateur se décharge complètement, l'inductance commence à se charger et vice-versa.

• La charge/décharge continue produit des oscillations sinusoïdales à la sortie. Comme l'amplitude diminue progressivement, on obtient principalement des oscillations amorties. La diminution d'amplitude est due à la résistance interne de l'inductance causant des pertes de chaleur (I²R).
• Le circuit réservoir fournit un déphasage de 180° entre les points B et A. Le point C est mis à la masse. Ainsi, quand B est négatif, A est positif.
• Pour soutenir les oscillations, il faut amplifier les oscillations sinusoïdales amorties. On applique la sortie du circuit réservoir à un transistor en configuration émetteur commun qui amplifie le signal sinusoïdal.
• L'inductance mutuelle entre L1 et L2 reçoit le signal/énergie de rétroaction.
• Le condensateur du circuit réservoir produit à nouveau des oscillations sinusoïdales après avoir reçu l'énergie de charge du transistor amplifié.
• En d'autres termes, la sortie amplifiée compense les pertes thermiques du circuit réservoir. Celui-ci assure ainsi une amplitude de sortie constante sur une plage de fréquence de travail au lieu d'une amplitude décroissante.

Fréquence d'oscillation de l'oscillateur Hartley

On calcule la fréquence d'oscillation du circuit réservoir comme pour tout circuit résonant parallèle :

C est la capacité de C1 dans le circuit réservoir.

Dans les oscillateurs Hartley, on utilise deux inductances. L'inductance équivalente est :

L_eq = L₁+ L₂

Il faut aussi considérer l'inductance mutuelle entre les bobines :

L_eq = L₁+ L₂+ 2M

Finalement, la fréquence d'oscillation est :

Oscillateur Hartley en différentes configurations

Oscillateur Hartley à alimentation dérivée (Shunt-fed)

Utilise une configuration émetteur commun.

Oscillateur Hartley à alimentation dérivée

Avec une seule tension d'alimentation, les résistances de division R_B et R1 fournissent le biais fixe.

C1 court-circuite R_E, la résistance d'émetteur stabilisant la température.

L'inductance L3 alimente le collecteur en dérivation, C3 servant de condensateur de couplage et de blocage DC, empêchant le court-circuit du collecteur.

C2 est le condensateur de couplage bloquant la base vers la masse, évitant les courts-circuits.

Fonctionnement d'un oscillateur Hartley à alimentation dérivée

Après réception d'énergie, R1 et R_B déterminent le biais initial. Simultanément, la rétroaction du collecteur vers la base via L2 et L1 fait monter l'oscillation.

Note :

Un chemin AC existe de l'émetteur via L2 et C2 vers la base, similaire à celui via L1 et C3 vers le collecteur.

Un biais dégénératif se développe aux bornes de R_E pendant l'oscillation (avec une valeur correcte de C1).

Les valeurs des éléments dérivés déterminent :

1. R_B et R1 fournissent un biais classe C pour un démarrage facile.
2. C1 et R_E assurent la stabilisation thermique.
3. Les valeurs de biais classe C ou B déterminent l'efficacité requise.

La sortie peut provenir de l'inductance vers le circuit réservoir ou du condensateur vers le collecteur.

Oscillateur Hartley à alimentation série (Series-fed)

Le circuit de base est aussi stabilisé par émetteur et biaisé par diviseur de tension. La tension de collecteur est appliquée via la prise de l'inductance du circuit réservoir, C3 court-circuitant la source de tension pour le signal. Le fonctionnement est similaire au circuit dérivé.

La différence : le courant DC traverse une partie du circuit réservoir. Le facteur Q et la stabilité de fréquence deviennent alors inférieurs à ceux du circuit dérivé.

Schéma d'un oscillateur Hartley à alimentation série

Oscillateur Hartley utilisant un amplificateur opérationnel (Op-amp)

L'avantage majeur de l'op-amp : on peut régler indépendamment le gain de l'oscillateur via les résistances d'entrée et de rétroaction. L'arrangement est en mode inverseur, le gain s'exprime :

A = -Rf/R1

Où :

-Rf = résistance de rétroaction

R1 = résistance d'entrée

A = Gain

Oscillateur Hartley avec op-amp

Dans les versions à transistor, le gain est légèrement supérieur ou égal au rapport L2/L1. Avec l'op-amp, la stabilité en fréquence est accrue car elle dépend moins des éléments du circuit réservoir. Les deux versions ont des équations de fréquence et principes de fonctionnement similaires.

Avantages et inconvénients de l'oscillateur Hartley

Les avantages :

• On peut utiliser une seule bobine comme autotransformateur au lieu d'un gros transformateur.
• Peu de composants : deux inductances fixes ou une bobine à prise.
• En remplaçant le condensateur par un cristal de quartz, on obtient un oscillateur à cristal à fréquence fixe.
• Maintien de l'amplitude de sortie sur la plage de fréquence fixe requise.
• Fréquence variable via une inductance variable ou un condensateur variable unique.

Un cristal de quartz

Les inconvénients :

• Impossible d'utiliser pour les oscillations de basse fréquence.
• Distorsions harmoniques, inadapté aux applications nécessitant des ondes sinusoïdales pures. Heureusement, on peut les éliminer en ajoutant un circuit de stabilisation d'amplitude.

Conclusion

En bref, les oscillateurs Hartley ont diverses applications, comme la production d'une onde sinusoïdale à la fréquence désirée. Ils existent en nombreuses configurations : à base de FET, série ou dérivation, etc.

Contactez-nous pour plus de connaissances sur les oscillateurs Hartley. Nous sommes à votre service.