RÉCEPTEURS À RÉACTION

par **Mhz** Lun 20 Mai - 20:50

En 1912 les lampes triodes disponibles ne permettaient que de très faible amplification. Edwin Howard Armstrong (1890-1954) au cours d’essais empiriques obtient subitement une amplification considérable. Il venait de découvrir le phénomène de la réaction : en réappliquant à la sortie d’un amplificateur une partie du signal de sortie, on augmente considérablement l’amplification totale.

Ce gain considérable de la réaction associé à une augmentation de la sélectivité a permis un développement important de la radio dans les années 20. Les récepteurs à réaction ont ainsi permis les premières liaisons amateurs longues distances en ondes courtes (OC). Rappelons que lors de la première liaison bilatérale OC entre la France (Léon Deloy 8AB) et l’Amérique (Fred Schnell 1MO), réalisée en 1923, chaque station utilisait un récepteur à réaction à 2 lampes. Cette technique a ensuite été progressivement remplacée par celle du superhétérodyne dans les années 30.

Les résultats extraordinaires de la réaction expliquent que certains radio amateurs utilisent encore cette technique pour réaliser des récepteurs simples, mais permettant de recevoir des stations d’Amérique voir d’Océanie parfois avec 3 ou 4 transistors. Cet article présente la théorie de ces récepteurs et les principes de conception qui en découlent. Un second article sera consacré à la description d’un récepteur à 5 transistors.

1 Amplification

Soit un étage amplificateur de gain K en l’absence de réaction (figue 1). Réappliquons à l’entrée un pourcentage r de la tension de sortie.

K ( Uin + r Uout ) = Uout => K Uin = Uout – K r Uout =>

K Uin = Uout ( 1 – K r ) => K / ( 1 – K r ) = Uout / Uin

Le gain Gr avec réaction correspond au rapport Uout / Uin donc Gr = K / ( 1 – K r )

Prenons un exemple. Soit un amplificateur avec un gain de 10. Appliquons une réaction de 0,095 (9,5%). Le gain augmente à 200 ! Augmentons encore la réaction en appliquant 10 %. Le gain devient infini, c’est-à-dire que le montage oscille.

La réaction permet donc d’augmenter considérablement le gain d’un étage. La limite est atteinte quand le montage se met à osciller.

2 Sélectivité

Ajoutons un circuit oscillant à l’entrée de l’amplificateur (figure 2). Sans réaction, la sélectivité est celle de sa courbe d’impédance. Par exemple, si à une fréquence F1 l’impédance Z du circuit est moitié celle de la fréquence de résonance Fo, le signal de fréquence F1 est atténué par 2 à la sortie du circuit oscillant par rapport à un signal de fréquence Fo. L’atténuation relative persiste à la sortie de l’amplificateur.

Ajoutons la réaction. Le pourcentage r de la sortie réappliqué à l’entrée sera lui aussi variable en fonction de fréquence. C’est ce qui explique l’augmentation de la sélectivité.

Reprenons notre exemple : celui d’un étage de gain k = 10 sans réaction et d’une valeur de r à la résonance Fo de 9,5 %. Soit deux stations, celle désirée de fréquence Fo sur laquelle est réglé le récepteur, et une deuxième station de fréquence F1 pour laquelle le circuit oscillant donne une atténuation de 2 (-6dB) sans réaction. Avec la réaction, le gain devient 200 pour la fréquence Fo. Par contre, la réaction n’est que de 4,75 % pour F1. Le gain devient donc égal à 19. La réaction a donc apporté une atténuation relative de la fréquence F1 par rapport à Fo de 200/19 soit 10,5 (-20db).

Ce gain de sélectivité doit se comprendre ainsi : plus on augmente la réaction, plus la différence d’amplification entre Fo et F1 augmente. La sélectivité la plus importante est donc obtenue à proximité immédiate de l’accrochage.

Ce mécanisme explique un défaut majeur de la réaction : si la station F1 est déjà reçue sans réaction, l’application de la réaction ne permettra pas de l’éliminer. Elle sera même reçue de plus en plus fort en augmentant la réaction.

Le seul moyen d’atténuer ce problème est de diminuer les signaux à l’entrée du récepteur de façon à ne recevoir aucune station sans réaction. Seul le surplus de gain apporté par la réaction permettra de recevoir les différentes stations.

Pour obtenir une bonne sélectivité, tout récepteur à réaction relié à une antenne « efficace » doit donc être précédé d’un atténuateur RF variable.

Si une station est vraiment beaucoup plus forte que les autres, comme c’est parfois le cas avec des stations de radiodiffusion proche des bandes amateurs, il sera parfois quasi impossible de l’éliminer complètement. Sur un récepteur bien conçu, cela doit rester exceptionnel.

3 Réception de la télégraphie et de la SSB

Le démodulateur le plus simple est un détecteur. Il est directement efficace pour la modulation d’amplitude (AM). Si le seuil d’accrochage est dépassé, l’oscillation qui en résulte interfère avec la porteuse et donne un sifflement dont la fréquence est égale à la différence de fréquence entre l’oscillation de l’étage à réaction et la porteuse de l’émetteur (AM). Pour la réception de la modulation d’amplitude, il faut donc régler la réaction juste avant l’accrochage. À l’inverse, pour la démodulation de la bande latérale unique (SSB), il faut dépasser l’accrochage. En effet, l’oscillation de l’étage à réaction remplace la porteuse éliminée dans l’émetteur, ce qui permet de retrouver une modulation d’amplitude facilement démodulée par un détecteur. De façon similaire, la télégraphie sera démodulée en dépassant le seuil d’accrochage.

Lorsque la station reçue est puissante, la fréquence d’oscillation de l’étage à réaction tend à se synchroniser sur la fréquence de cette station. La démodulation de la SSB et de la télégraphie deviennent impossibles. Il faut alors atténuer le signal à l’entrée du récepteur. L’utilisation d’une grande capacité d’accord, au moins 470 pF, au niveau du circuit oscillant (rapport L/C faible) permet aussi de minimiser ce phénomène.

En dessous de 4 MHz, l’utilisation de la réaction au-delà du seuil d’accrochage pour la réception de la télégraphie ou de la SSB n’est pas optimale. En effet, la sélectivité juste avant l’accrochage devient telle que la bande passante peut être inférieure à 2 kHz. En se centrant sur la bande latérale désirée en SSB ou sur la porteuse en télégraphie, la sélectivité est alors maximum. Pour démoduler le signal, il faut cependant ajouter un autre oscillateur pour remplacer la porteuse manquante en SSB ou obtenir l’interférence désirée en télégraphie.

4 Rapport L/C

Les considérations de ce paragraphe concernent essentiellement l’écoute en accroché pour la SSB ou la télégraphie.

Un oscillateur est d’autant plus stable qu’il est accordé par une capacité importante. Imaginons une variation de 0,1 pF de la capacité d’un circuit oscillant sur 14 MHz. Cela peut être provoqué par une variation de température, une variation de tension, un effet de main, une variation du couplage de l’antenne etc. Si la capacité d’accord est de 470 pF, cela correspond à une variation de fréquence de 1,4 kHz. Par contre, si la capacité d’accord est de 47 pF, cela aboutit à une variation de fréquence de 14 kHz. Ce simple exemple illustre l’importance d’utiliser un rapport L/C faible. Dans le même temps, la sélectivité sera améliorée. En accroché, la sensibilité est quasi constante, quel que soit le rapport L/C. Il est donc indispensable d’utiliser une capacité de forte valeur, disons supérieure à 470 pF. C’est possible jusqu’à 21 MHz avec des transistors bipolaires, et jusqu’à 14 MHz avec des tubes.

Dans les anciens livres, il est au contraire souvent conseillé d’employer une bobine de forte valeur, donc avec une faible capacité d’accord. Quarante ans d’expérience m’ont démontré que c’était faux. Une faible capacité d’accord permettait surtout d’obtenir facilement l’accrochage, ce qui était utile avec des tubes peu efficaces en ondes courtes et des montages avec beaucoup de pertes. En fait, la seule limite à une valeur de capacité très élevée, est la difficulté, voir l’impossibilité, d’obtenir l’accrochage.

5 Bruits spécifiques aux récepteurs à réaction

Les récepteurs à réaction sont sujets à deux bruits qui n’existent quasiment pas dans des récepteurs superhétérodynes bien conçus. Le premier est un bruit qui ne survient qu’en accroché et sur certaines fréquences. Le second est un couplage parasite avec le courant secteur.

Le bruit qui ne survient qu’en accroché sur certaines fréquences (tunable hum en anglais) s’explique aisément. En accroché, le récepteur se comporte comme un petit émetteur. L’oscillation émise par l’antenne est captée par les fils du courant secteur. Elle parvient au bloc alimentation où le pont de redressement module en 50 Hz l’oscillation qui revient au récepteur par les câbles d’alimentation.

Pour éviter ce bruit, il faut donc mettre un étage séparateur entre l’antenne de l’étage à réaction, blinder le récepteur et utiliser une alimentation batterie. À défaut, il faut shunter les diodes de redressement par un condensateur de 10 nF pour éviter qu’elles modulent l’oscillation. Une alimentation à découpage peut éventuellement aussi supprimer ce bruit, mais elle risque d’en amener d’autres.

Le deuxième bruit caractéristique des récepteurs à réaction est un bruit 50Hz provenant du couplage existant entre l’entrée du détecteur et le circuit secteur 50 Hz qui nous environne (figure 3). Il s’agit d’un couplage capacitif parasite Cp. Le circuit oscillant est relié à l’étage détecteur par une capacité de couplage Cc. La bobine ayant une impédance nulle à 50 Hz, nous avons donc un diviseur capacitif entre le secteur et le détecteur. Imaginons que la capacité parasite soit de 0,001 pF et la capacité de couplage de 100 pF. Nous aurons donc à l’entrée de l’étage détecteur une tension alternative de 2,2 mV. Ce bruit de fond couvrira quasiment toutes les réceptions.

Pour faire disparaître ce bruit 50 Hz, plusieurs solutions sont possibles. La plus simple consiste à augmenter la capacité de couplage Cc. Si cette capacité à une valeur de 100 nF, la tension de 50 Hz à l’entrée du détecteur ne sera plus que de 2 µV. Si la polarisation de l’étage détecteur le permet, par exemple pour un FET, le plus simple est de supprimer le condensateur Cc. Un autre moyen consiste à shunter le condensateur de couplage Cc par une résistance ayant la plus faible valeur possible. Dans tous les cas, il faut que l’impédance 50 Hz entre l’entrée du détecteur et la masse soit la plus faible possible.

6 Amplificateur basse fréquence à faible bruit

Il est souvent indispensable d’atténuer le signal à l’entrée du récepteur pour obtenir une sélectivité satisfaisante et éviter le phénomène de synchronisation. Le signal à la sortie du récepteur est donc extrêmement faible. Il est alors indispensable d’utiliser une importante amplification AF ayant un faible bruit de fond.

7 Conditions à respecter

Pour terminer, voici les conditions à respecter pour la conception d’un récepteur à réaction.

- Utilisation d’un rapport L/C faible (importante capacité d’accord, au moins 470 pF). Cela améliore la stabilité en fréquence et diminue le phénomène de synchronisation.

- Emploi d’un atténuateur RF réglable à l’entrée du récepteur. Cela permet de diminuer le risque de réception de puissante station hors bande.

- Emploi d’un étage séparateur entre l’atténuateur d’antenne et l’étage à réaction. Cela est indispensable pour éviter les risques de bruit de fond apparaissant à l’accrochage (tunable hum) et diminuer les variations de fréquences survenant lors du réglage de l’atténuateur RF.

- Découpler les diodes du circuit alimentation par des condensateurs de 10 nF pour éliminer le même bruit.

- Prévoir un circuit avec une faible impédance 50 Hz entre l’entrée du détecteur et la masse par exemple en employant une forte capacité de liaison (100 nF). Cela permet de supprimer le bruit de fond induit par le couplage capacitif avec le secteur 50 Hz.

- Emploi d’un amplificateur AF à grand gain et faible bruit afin d’obtenir une puissance de sortie satisfaisante.

par **Mhz** Lun 20 Mai - 20:53

Réalisation pratique
Il est réalisé avec des composants fabriqués en 2019. Les résultats sont à la hauteur : il est possible de réaliser de véritables QSO en SSB avec l’Amérique sur les bandes 15 17 et 20 m.

La conception repose sur les 6 principes suivants :

- Utilisation d’un rapport L/C faible (importante capacité d’accord, au moins 470 pF). Cela améliore la stabilité en fréquence et diminue le phénomène de synchronisation ainsi que l’effet de main.

- Emploi d’un atténuateur RF réglable à l’entrée du récepteur. Cela permet de diminuer le risque de réception de puissantes stations hors bandes.

- Emploi d’un étage séparateur entre l’atténuateur d’antenne et l’étage à réaction. Cela est indispensable pour éviter les risques de bruit de fond apparaissant à l’accrochage (tunable hum) et diminuer les variations de fréquences survenant lors du réglage de l’atténuateur RF.

- Découplage des diodes du circuit alimentation par des condensateurs de 10 nF pour éliminer le même bruit.

- Faible impédance 50 Hz entre l’entrée du détecteur et la masse par exemple en employant une forte capacité de liaison (100 nF). Cela permet de supprimer le bruit de fond induit par le couplage capacitif avec le secteur 50 Hz.

- Emploi d’un amplificateur AF à grand gain et faible bruit afin d’obtenir une puissance de sortie satisfaisante.

Ajoutons que les bobines et les condensateurs du circuit d’accord doivent être d’excellente qualité. Nous avons choisi de construire ce récepteur avec des transistors bipolaires qui ont l’avantage d’être relativement solides, peu onéreux et faciles à contrôler avec un ohmmètre.

Étudions le schéma théorique en le divisant en 3 étages : RF, réaction – détection, AF.

Commençons par l’entrée antenne. Une self de choke VHF empêche l’entrée de puissantes stations FM dans le récepteur. Deux diodes 1N4148 servent à protéger le premier transistor si le récepteur est employé à proximité d’un émetteur. L’étage séparateur est constitué de 2 transistors en montage cascode, ce qui permet une excellente indépendance entre l’entrée et la sortie. Remarquez les très faibles capacités de couplages en entrée et sortie. Elles permettent d’éviter de saturer l’étage RF et d’amortir au minimum l’étage à réaction. La résistance de 1kohm sert à éviter des oscillations VHF ou UHF.

L’étage réaction – détection comporte 2 transistors. Deux nouvelles diodes 1N4148 servent à protéger le transistor en parallèle du circuit oscillant. Le circuit d’accord est composé de 3 éléments interchangeables pour chaque bande : la bobine, un condensateur parallèle de forte capacité et un condensateur en série avec une diode varicap de forte capacité (480 pF). Ce condensateur série permet d’étaler au maximum chaque bande. Ce circuit oscillant est couplé par un condensateur de 100 nF à un premier transistor monté en Colpitts pour obtenir la réaction. C’est le rôle des 2 condensateurs de 100 pF qui ajoutent donc 50 pF à la capacité d’accord. La résistance de 1 kohm dans le circuit collecteur sert comme précédemment à éviter des oscillations VHF ou UHF. Le dosage de la réaction se fait en modifiant la tension de la base par un potentiomètre 10 kohm. L’ajustement de la fréquence se fait en faisant varier par un potentiomètre identique la tension appliquée à la varicap. Ces deux potentiomètres doivent obligatoirement être 10 tours. Un vu-mètre de 500 µA (ou moins) en série avec une résistance adéquat (approximativement 22 kohm) permet de faire simplement un cadran de fréquence. La détection se fait par un deuxième transistor traversé par un très faible courant, ce qui s’obtient facilement avec une résistance collecteur de 220 kohm. Le condensateur d’1 nF permet de filtrer la RF.

Le dernier étage correspond à l’amplificateur basse fréquence. Il s’agit d’un Darlington qui permet d’obtenir une impédance d’entrée élevée, bien adaptée à sortie à haute impédance du détecteur. La résistance de 100 ohms et les condensateurs de 100 nF et 1 µF permettent d’éviter les auto-oscillations de l’étage. Le gain est suffisant pour une bonne écoute au casque.

Passons à la réalisation pratique.

e récepteur est construit dans une boite en bois de 12x22x2,5 cm. Des bandes de cuivre adhésives sont collées sur l’arrière de la face avant. Ces bandes servent de blindage et de plan de masse. Il est utile de faire des points de soudure entre les différentes bandes. Des résistances de 10 Mohm 0,25W servent de points de connexions. Leur forte valeur les assimile à des résistances de valeur infinie. Les prises d’alimentation et d’antenne sont sur le coté gauche, celles du casque sur le coté droit. Les bobines avec les condensateurs Cp et Ct sont fixées sur des prises DIN mâles 3 ou 4 broches qui sont ainsi facilement interchangeables. Tous les condensateurs marqués avec une étoile doivent être des condensateurs céramiques multicouches NPO. Eux seuls ont une stabilité suffisante permettant une stabilité en fréquence satisfaisante. Les connexions entre le support DIN, la varicap, le condensateur de 100 nF, ceux de 100 pF et le transistor de l’étage à réaction doivent être très courtes.

Abordons la confection des bobines inter changeables. En fait, il s’agit de la bobine L et des condensateurs Ct et Cp. Le support le plus simple est une fiche DIN dont on ne conserve que le socle avec les broches. Dans ce montage des fiches DIN 3 broches sont utilisables. Cependant, l’achat d’un lot de fiches 4 broches permettra plus de souplesse pour d’autres montages dans l’avenir.

Les condensateurs Ct et Ct sont des céramiques multicouches du type NPO. De façon simple, Ct détermine avec et les 2 condensateurs de 100 pF la fréquence maximum qui sera reçue. Ct en série avec la varicap la largueur de gamme qui sera reçue. Il n’y pas de condensateur ajustable, ce qui faciliterait la tâche. En effet, les bons condensateurs ajustables sont coûteux et difficiles à trouver. Il faut donc chercher empiriquement la valeur adéquate en mettant 2 ou 3 condensateurs en parallèle. On commence par un condensateur de forte valeur, puis en approchant une valeur adéquat avec des condensateurs de plus petite valeur. Par exemple, il m’a fallu 578 pF pour Ct pour le 17 m. Ces 578 pF sont constitués par 3 condensateurs de 470 100 et 8 pF.

Les bobines sont constituées sur 40 m et 80 m de fil de câblage monoconducteur à isolation PVC (câble YV) de diamètre extérieur du câble de 1,1 mm et de 0,5 mm pour le fil de cuivre (section 0,2 mm²). Ces bobines sont fixées 2 petits fils torsadés sur un fil électrique de 20A soudée à la broche de masse (1) du socle DIN. Ce fil mesure 9 cm, les 4 cm du bas sont dénudés et le haut est replié sur 1 cm. Un fil de la bobine est soudé sur la partie dénudée du fil 20A, l’autre à la broche 2 en ayant dénudé le fil sur 4 cm. Les condensateurs Ct sont soudés entre la partie dénudée du fil allant à la broche 2 et celle du fil de 20A. Les condensateurs Cp entre le fil allant à la broche 2 et la broche 3.

Pour les bandes 15 m, 17 m, et 20 m les bobines sont constituées par du fil électrique d’installation de 20 A (section 2,5 mm²). Deux petits fils torsadés assurent sa rigidité. Les pattes mesurent approximativement 4 cm, sont dénudée et soudées aux broches 1 et 2. Les condensateurs Ct sont soudés entre les pattes allant aux broches 1 et 2. Les condensateurs Cp entre la patte allant à la broche 2 et la broche 3.

Pour le diamètre, les gabarits ont été un feutre (10 mm), un marqueur (16 mm) et une lampe novale (22 mm). Il est quasi certain que vous devrez employer d’autres valeurs Ct et Cp.

Pour régler précisément la plage de fréquence, vous appliquez la tension maximum à la varicap et vous mettez le récepteur en accroché. Là, deux possibilités. Vous recherchez la fréquence sur un récepteur en position SSB, avec quelques centimètres d’antenne et en choisissant la sélectivité la plus large possible, ou vous utilisez un générateur HF bien étalonné. Quand tout est au point, vous collez les spires de la bobine avec de la cyanolite (superglue).

Pour être utilisé avec un émetteur, il est indispensable de prévoir un commutateur d’antenne commandé par l’émetteur et un interrupteur dans le circuit du casque.

Quels sont les résultats de récepteurs ? Il est possible d’écouter plus de 15 mn une station en SSB sans modifier l’accord, y compris sur 21 MHz. Le souffle d’une antenne Levy de 2x10m est toujours supérieur au bruit de fond du récepteur. Pendant plusieurs semaines, je n’ai utilisé que ce récepteur et ai effectué des QSO en SSB sur 15 m, 17 m, 40 m, et 80 m. Il n’y a pas eu de QSO sur 20 m, mon émetteur de fabrication maison ne couvrant cette bande. Réussir des QSO avec l’Amérique du Nord sur 15 m ou 17 m est un gage de performance de ce récepteur.

Condensateurs céramiques multicouches NPO : NPO multilayer kit
- Assortiment de condensateurs céramiques de 1pF à 100nF : ceramic capacitor kit 1pf 1000pcs
- Prises DIN mâles (attention à ne pas prendre des mini DIN) : din male plug 4 pin 10pcs
- Prises DIN femelles : din female socket 4 pin 10pcs panel
- Potentiomètres 10k 10 tours (je conseille de prendre plus de 2 potentiomètres, les faux contacts étant très fréquent) : potentiometer 10k 10 turns wirewound 5pcs

RÉCEPTEURS À RÉACTION

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