rendement des amplis hfradioref.r-e-f.org/pdf/2005_p/f5nb_0205.pdfrendement des amplis hf en...

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18 tech nique D ans toutes les démonstrations ci- dessous, nous suppo- serons que les composants utilisés dans les amplis sont parfaits. Dans la réalité, c’est loin d’être le cas. Cela ne change pas les principes généraux, mais les rende- ments réels sont toujours inférieurs aux rendements théoriques. Nous ne nous intéresserons pas à la fonction "amplifica- tion" de l’ampli, mais à sa fonction "générateur". Ici, notre générateur est un émetteur HF. C’est un trans- ducteur actif qui permet de transformer une énergie "continue" en une énergie alternative à haute fréquence pour pouvoir la rayonner (l’émettre) grâce à un autre transducteur (passif celui-là) : l’antenne. Les transducteurs électro- niques modernes utilisent tous le même principe. Celui-ci est constitué d’un dispositif inséré en série avec la charge, l’ensemble étant connecté aux bornes d’une alimentation élec- trique continue. C’est donc un système différentiel. Le dispositif peut être assimilé à une source de courant commandée, soit en ten- sion, soit en courant. Nous avons le schéma général sur la figure 1 (source comman- dée en courant). Un émetteur étant un généra- teur de puissance, son rende- ment énergétique aura une grande importance. Par ailleurs, le signal généré devra être le plus proche possible du signal désiré, à la fois pour la fidélité à l’in- formation qu’il transporte, et pour l’absence de produits indésirables qui brouille- raient les autres usagers. Pour résumer, nous aurons des problèmes de linéarité et de rendement. Nous aurons également des problèmes liés à la largeur de bande instantanée de la fréquence de travail (bande de modu- lation). Selon que l’on privi- légiera l’un ou l’autre de ces critères, nous ferons fonc- tionner notre amplificateur sous différents modes appe- lés "classes". Amplification en classe A C’est la classe la plus utili- sée en amplification, car la plus simple et la plus linéaire. C’est aussi celle qui a le moins de rendement, donc réservée en général pour les petites puissances. Revenons à notre figure 1. C’est l’équation donnant Is qui détermine la classe de fonctionnement. En classe A, Is est de la forme : (ce deuxième terme corres- pond à β.Ip) Si nous prenons pour β.Ie la valeur de 1 A, Is aura une valeur sinusoïdale comprise entre zéro et 1 A et β.Ip aura une valeur de 0,5 A. Si nous prenons pour U alim une ten- sion de 1 V, alors la résistance de charge optimum sera de 1 (résistance pure), et la tension à ses bornes de 1 V crête à crête (égale à U alim ). Dans ces conditions, nous pouvons calculer les puis- sances dissipées dans les diffé- rentes parties du système. Sur la figure 2, nous avons la représentation graphique des tensions, des courants et des puissances. Les graphiques ont été obte- nus en calculant point par point les puissances. Noter que les courbes du courant et de la tension sont super- posées (R=1). La puissance moyenne de l’alimentation est de 0,5 W. Elle correspond à la partie constante du courant de source (la partie sinusoïdale a une valeur moyenne nulle). La dissipation dans la source est de 0,125 W et celle dans la charge de 0,375 W, se répartissant entre une puis- sance "continue" de 0,25 W et une puissance "alternative" HF de 0,125 W. Si nous cal- culons le rendement comme étant le rapport de cette puissance HF à la puissance demandée à l’alim, celui-ci est de 25%, ce qui n’est pas brillant. Par ailleurs, à part une résistance, on ne connaît pas de charge qui ait la même valeur en continu et en alternatif avec un rende- ment non nul. Si l’on veut "séparer" les puissances continue et alternative, il faudra séparer la charge en deux parties, l’une (résistance interne) passant la compo- sante continue, et l’autre RENDEMENT DES AMPLIS HF en fonction de la classe et de l’adaptation F5NB Robert BERRANGER Nous lisons souvent dans la littérature qu’un ampli HF sort son maximum de puissance quand celui-ci a une charge égale à son impédance interne. Il en est déduit qu’en cas de désadaptation raisonnable (ROS < 3) la puissance de sortie n’est que faiblement diminuée. Cela montre une méconnaissance du fonctionnement des amplis de puissance HF. Je vais essayer d’en expliquer les raisons. Figure 1 Figure 2 mp-ref-février-ok 9/02/05 9:01 Page 18

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    technique

    Dans toutes lesdémonstrations ci-dessous, nous suppo-serons que les composantsutilisés dans les amplis sontparfaits. Dans la réalité,c’est loin d’être le cas. Celane change pas les principesgénéraux, mais les rende-ments réels sont toujoursinférieurs aux rendementsthéoriques.Nous ne nous intéresseronspas à la fonction "amplifica-tion" de l’ampli, mais à safonction "générateur". Ici,notre générateur est unémetteur HF. C’est un trans-ducteur actif qui permet detransformer une énergie"continue" en une énergiealternative à haute fréquencepour pouvoir la rayonner(l’émettre) grâce à un autretransducteur (passif celui-là) :l’antenne.Les transducteurs électro-niques modernes utilisenttous le même principe.Celui-ci est constitué d’undispositif inséré en sérieavec la charge, l’ensembleétant connecté aux bornesd’une alimentation élec-trique continue. C’est doncun système différentiel. Ledispositif peut être assimiléà une source de courantcommandée, soit en ten-sion, soit en courant. Nousavons le schéma général surla figure 1 (source comman-dée en courant).

    Un émetteur étant un généra-teur de puissance, son rende-ment énergétique aura unegrande importance.

    Par ailleurs, le signal générédevra être le plus prochepossible du signal désiré, àla fois pour la fidélité à l’in-formation qu’il transporte, etpour l’absence de produitsindésirables qui brouille-raient les autres usagers.Pour résumer, nous auronsdes problèmes de linéaritéet de rendement. Nous auronségalement des problèmesliés à la largeur de bandeinstantanée de la fréquencede travail (bande de modu-lation). Selon que l’on privi-légiera l’un ou l’autre de cescritères, nous ferons fonc-tionner notre amplificateursous différents modes appe-lés "classes".

    Amplification en classe AC’est la classe la plus utili-sée en amplification, car laplus simple et la plus linéaire.C’est aussi celle qui a lemoins de rendement, donc

    réservée en général pour lespetites puissances.Revenons à notre figure 1.C’est l’équation donnant Isqui détermine la classe defonctionnement. En classeA, Is est de la forme :

    (ce deuxième terme corres-pond à β.Ip)Si nous prenons pour β.Iela valeur de 1 A, Is aura unevaleur sinusoïdale compriseentre zéro et 1 A et β.Ip auraune valeur de 0,5 A. Si nousprenons pour Ualim une ten-sion de 1 V, alors la résistancede charge optimum sera de1 Ω (résistance pure), et latension à ses bornes de 1 Vcrête à crête (égale à Ualim).Dans ces conditions, nouspouvons calculer les puis-sances dissipées dans les diffé-rentes parties du système. Surla figure 2, nous avons la

    représentation graphiquedes tensions, des courants etdes puissances.

    Les graphiques ont été obte-nus en calculant point parpoint les puissances. Noterque les courbes du courantet de la tension sont super-posées (R=1Ω).La puissance moyenne del’alimentation est de 0,5 W.Elle correspond à la partieconstante du courant desource (la partie sinusoïdale aune valeur moyenne nulle).La dissipation dans la sourceest de 0,125 W et celle dansla charge de 0,375 W, serépartissant entre une puis-sance "continue" de 0,25 Wet une puissance "alternative"HF de 0,125 W. Si nous cal-culons le rendement commeétant le rapport de cettepuissance HF à la puissancedemandée à l’alim, celui-ciest de 25%, ce qui n’est pasbrillant. Par ailleurs, à partune résistance, on ne connaîtpas de charge qui ait lamême valeur en continu eten alternatif avec un rende-ment non nul. Si l’on veut"séparer" les puissancescontinue et alternative, ilfaudra séparer la charge endeux parties, l’une (résistanceinterne) passant la compo-sante continue, et l’autre

    RENDEMENT DES AMPLIS HFen fonction de la classe et de l’adaptationF5NB Robert BERRANGER

    Nous lisons souvent dans la littérature qu’un ampli HF sort son maximum de puissancequand celui-ci a une charge égale à son impédance interne. Il en est déduit qu’en cas dedésadaptation raisonnable (ROS < 3) la puissance de sortie n’est que faiblement diminuée.Cela montre une méconnaissance du fonctionnement des amplis de puissance HF.Je vais essayer d’en expliquer les raisons.

    Figure 1

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    (charge externe ou chargeutile) ne passant que lacomposante alternative sil’on a inséré en série avecelle un condensateur decapacité suffisante. Nousobtenons le schéma de lafigure 3.

    La puissance HF consomméepar la charge Z sera maximumquand Z = R, égales toutesdeux à 1 Ω dans notreexemple(1).Voir en annexe 1 le rôle et lecomportement des condensa-teurs C1 et C2, et en annexe 2l’obtention d’une impédanceinterne "dynamique".Si nous faisons le bilan despuissances, il devient catas-trophique. En effet, la tension auxbornes de la charge utile estdiminuée de moitié, et lecourant étant de moitié éga-lement, la puissance estdivisée par quatre. Sachantque la puissance demandéeà l’alim n’a pas changé, lerendement est alors divisépar quatre, soit 6,25%.C’est pourquoi ce systèmen’est utilisé qu’avec desamplificateurs petits signauxoù l’on ne se préoccupe pasdu rendement.Une solution pour doublerle rendement consisterait àdoubler Ie. Dans ce cas lapuissance dans la chargequadruplerait, mais la puis-sance demandée à l’alimdoublerait. En revanche,notre générateur perdrait ses

    propriétés à la désadaptation,car si Z devenait plus grandque R, il se produirait unécrêtage en tension(1).

    Si nous voulons un bon ren-dement, il faut se "débarras-ser" de la résistance internephysique et de la puissancequ’elle consomme. Heureusement, nous avonsun moyen de "récupérer"cette puissance grâce auxpropriétés de self-inductiondes bobines. Il suffit de dis-poser une bobine à la placede la résistance R de la fig. 3.Cette bobine devra avoirune résistance nulle encontinu, et une impédancetrès élevée par rapport à lacharge car elle est en paral-lèle. Soumise à un courantalternatif, la bobine a la pro-priété d’emmagasiner del’énergie et de la restituer desorte que le bilan est nul surla durée d’une demi-période.Dans le cas où le courant nechange pas de signe, cetéchange se fait sur la duréed’une période. Sans entrerdans les détails, nous dironsque les échanges de puis-sances entre la source, labobine et la charge ont poureffet de doubler la tensionaux bornes de celles-ci.Noter qu’alors la résistancede charge optimum doubleégalement, soit 2 Ω dansnotre exemple. Nous avonssur la figure 4 les nouvellestensions et les puissancesdissipées dans les circuits.

    La puissance moyenne del’alimentation est toujoursde 0,5 W, mais maintenant,la puissance HF dissipée dansla charge est de 0,25 W ainsique celle dissipée par lasource. Le rendement estalors de 50%. C’est le ren-dement annoncé pour laclasse A. Mais nous avonsvu qu’il ne peut être obtenuqu’avec une bobine enparallèle avec la charge.Cette bobine peut faire par-tie d’un circuit oscillant,cela ne change rien pour lerendement, simplement ellepeut alors être de valeurbeaucoup plus faible, l’im-pédance élevée et l’effetréservoir étant obtenus parla résonance. Elle peut éga-lement être intégrée dans lacharge, cas d’une antenne"boucle". Elle peut être aussile primaire d’un transforma-teur qui effectue ainsi laséparation des circuits entrela charge et le générateur.Attention, tenir compte del’induction provoquée par lecourant continu dans le pri-maire (risque de saturationdes ferrites)(2).

    Caractéristiques des géné-rateurs en classe A.Nous n’envisagerons que lecas usuel avec bobine enparallèle avec la charge etrendement maxi de 50%.a) en fonction du niveau(charge résistive de valeuroptimum).Si le niveau tend vers zéro,le rendement baisse propor-tionnellement au niveau. Lapuissance demandée à l’alimreste constante et finit parêtre consommée entièrementpar la source.

    b) en fonction de la valeurde la charge (niveau d’exci-tation constant).Nous prendrons quatre casparticuliers correspondantaux extrêmes. Les cas inter-médiaires se déduiront parinterpolation.1- Impédance de chargerésistive pure.Dans ce cas les extrêmescorrespondent à R = 0 et à R = ∞Pour R=0, la totalité de lapuissance est consommée parla source, ce qui est évident. La puissance moyenne deman-dée à l’alim reste constante carelle ne dépend que du cou-rant de polarisation.Pour R tendant vers l’infini,il se produit un phénomènede limitation en tension quiempêche le générateur deproduire tout son courant.Ce phénomène est appelé"saturation". Si l’on veut res-ter linéaire, il faut impérati-vement insérer un dispositifqui détecte la variation de lacharge et réduise l’excita-tion (Ie). Dans ce cas, quandR est infini, Ie = 0 et la tota-lité de la puissance d’alimest consommée par la source(Ip x Ualim).

    2- Impédance réactive pure.Nous envisagerons le casextrême où |X| = Z. Le com-portement étant exactementle même, que la réactancesoit capacitive ou selfique,nous n’examinerons que cedernier cas.

    Avant de continuer, nousallons brièvement rappelerle comportement en régimeétabli d’une bobine traver-sée par un courant sinusoï-dal. La tension développéeaux bornes de la bobine estégale au courant multipliépar la réactance de la bobine.Cela nous rappelle la loid’Ohm, mais à la différenced’une résistance où la ten-sion et le courant sont enphase, ici, la tension est en

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    avance de phase de 90° parrapport au courant. Cecientraîne un échange d’éner-gie entre la bobine et lasource qui est nul enmoyenne, mais bien réel.Nous avons sur la figure 5les diagrammes courant /tension / puissance dansune bobine.Maintenant regardons lecomportement de notreampli avec une telle charge.Nous obtenons la figure 6.

    Noter que la tension de lasource est en opposition dephase avec celle de la charge,car leur somme est uneconstante liée à l’alimenta-tion continue.Naturellement, la sourceconsomme toute la puissancefournie par l’alim. Pendantla croissance du courant, labobine stocke de l’énergie,ce qui diminue celle dissi-pée par la source, et pen-dant la décroissance ducourant, la bobine restituecette énergie qui est absor-bée par la source. La bobinene consomme aucune puis-sance et le rendement estnul.

    Si l’impédance de la bobineest plus faible, et à la limite,nulle, la tension à ses bornestend à devenir nulle etl’échange d’énergie nul aussi.Le rendement reste constam-ment nul.Si l’impédance de la bobineaugmente, alors, il se pro-duit un phénomène de satu-ration comme avec unerésistance pure.

    Pour résumer, avec la classe A :■ Le rendement est aumieux de 50% quand l’im-pédance interne est infinie.- Dans ce cas, on ne peuttolérer qu’une diminutiond’impédance pour resterlinéaire, et avec une dimi-nution proportionnelle durendement.■ Le rendement est aumieux de 25% quand l’im-pédance interne est égale àla charge.- Dans ce cas, on ne peuttolérer qu’une diminutiond’impédance sans saturation.■ Si l’on veut pouvoir resterlinéaire pour une chargevariant de zéro à l’infini,alors le rendement est aumieux de 12,5%(3)Nous voyons que ces rende-ments ne sont pas brillantsmais il y a un moyen de lesaméliorer avec l’amplifica-tion en classe B.

    Amplification en classe BLe principe consiste à sup-primer le courant de polari-sation. En conséquence,nous ne pouvons plus fonc-tionner qu’avec l’alternancepositive du signal. Une solu-tion consiste à utiliser ensérie une deuxième alimen-tation négative avec untransducteur complémentairepour l’autre alternance, etde disposer la charge en diffé-rentiel (solution sans transfo).Mais en puissance HF, nouspréférons utiliser une seulealimentation et deux trans-ducteurs identiques com-

    mandés en opposition dephase. La sommation s’ef-fectue dans un transfo symé-trique qui sert également àl’alimentation. Nous obte-nons le schéma de principede la figure 7.

    Nous prendrons toujours U = 1V. Avec I1 = I2 = 1 A etZ = 4 Ω. Nous avons sur lafigure 8 les diagrammes despuissances avec une chargerésistive pure.

    Nous remarquons que latension crête aux bornes dessources est de 2U, et la ten-sion crête-crête aux bornesde la charge de 4U.

    Le courant crête dans l’alimest de 1 A, formé maintenantde demi-sinusoïdes et non paspseudo-sinusoïdal comme enclasse A. Le courant moyenest donc de 0,636 A, et lapuissance moyenne de 0,636W. La puissance efficace auxbornes de la charge est de(4/2,828)2 / 4 = 0,5 W.Le rendement maximumthéorique de la classe B estdonc de 78,6%.

    Caractéristiques des géné-rateurs en classe B.a) en fonction du niveau(charge résistive de valeurconstante).Si le niveau tend vers zéro,le rendement tend égale-ment vers zéro. Mais contrairement à laclasse A, la puissancedemandée à l’alim tendégalement vers zéro. En fait,la puissance dans la chargedécroît comme le carré ducourant et la puissanced’alimentation comme lecourant, ce qui explique labaisse de rendement. Lescourbes des différentes puis-sances et du rendement sontsur la figure 9.

    Figure 7Figure 5

    Figure 6

    Figure 8

    Figure 9

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  • Nous remarquons que lapuissance dissipée par lasource est maximum pourune puissance de sortie de–2 dB et redevient égalevers –6 dB. Ceci est impor-tant, car si un ampli en classeB est prévu pour sortir 100W PeP, en CW, le fait dediminuer sa puissance à 25W par exemple, ne diminuepas l’échauffement des tran-sistors, mais seulement lapuissance demandée à l’ali-mentation. De même, enphonie, où le rapport naturelentre la puissance moyenneet la puissance PeP est de 6à 10 (10 à 15 W pour 100W PeP), si l’on utilise uncompresseur pour augmenterla puissance moyenne entre25 et 30 W, alors les transis-tors dissiperont la mêmepuissance qu’avec 100 WCW.Ces courbes montrent aussiune grande différence entrela classe A et la classe B auniveau de l’alimentationlorsque le signal est moduléen amplitude (AM et BLU).En classe A, la puissancedemandée à l’alimentationest constante, quel que soitle niveau de modulation.Ceci veut dire que lecondensateur "réservoir" quidécouple l’alimentation n’aà jouer ce rôle que pour laHF et peut donc être defaible valeur.En classe B, la puissancedemandée à l’alimentation estproportionnelle au niveau demodulation, et non seule-ment le condensateur réser-voir doit avoir une valeurbeaucoup plus grande, maisl’alimentation doit avoir uneimpédance interne trèsfaible même en continu. Eneffet, avec une modulationBLU 300 – 3000 Hz, labande passante au niveaude l’alimentation va ducontinu (enveloppe) à plusde 15 kHz (signal composéde deux tons égaux).

    Avec une alimentation stan-dard non régulée, son impé-dance interne aux trèsbasses fréquences ne pro-voque que des distorsionsd’enveloppe (au dessus, lecondensateur de filtragejoue le rôle de réservoir).Avec une alimentation régu-lée, en particulier les ali-mentations à découpage, sila bande passante de laboucle de régulation n’estpas assez large en fréquen-ce, sa résistance internepeut amener des distorsionsd’intermodulation, que l’onne peut naturellement passupprimer en agissant surl’ampli de puissance.

    b) en fonction de la valeurde la charge (niveau d’exci-tation constant).Nous reprendrons nos casparticuliers correspondantaux extrêmes.

    1- Impédance de chargerésistive pure.Pour R = 0, la totalité de lapuissance est consomméepar la source, ce qui est évi-dent. . La puissance moyen-ne demandée à l’alim resteconstante car elle nedépend que du courantd’excitation.Pour R tendant vers l’infini,il se produit un phénomènede saturation, comme pourla classe A. Si l’on veut res-ter linéaire, il faut impérati-vement insérer un dispositifqui détecte la variation de lacharge et réduise l’excita-tion (Ie). Dans ce cas, quandR est infini, Ie = 0, la puis-sance d’alim est réduite àzéro et la source ne consom-me rien.

    2- Impédance réactive pure(réactance selfique, X = j4 Ω).Nous avons sur la figure 10les diagrammes des cou-rants/tensions/puissancespour une branche du push-pull (autre branche iden-

    tique, seulement décaléed’une demi-période, etinversée grâce au transfo).

    Naturellement, comme enclasse A, la source consom-me toute la puissance four-nie par l’alim. Maintenant,du fait de l’absence du cou-rant de polarisation, nousvoyons mieux les échangesde puissance entre la sourceet la bobine. Pendant un quart de période,une partie de l’énergie four-nie par l’alim est stockéedans la bobine et l’autre estconsommée par la source.Pendant le deuxième quartde période, la source consom-me l’énergie de l’alim plusl’énergie restituée par labobine. Le diagramme depuissance de la source estune combinaison du dia-gramme de puissance del’alim avec celui de la bobine(voir fig. 5).Jusque-là, notre ampli enclasse B a une impédanceinterne infinie. Nous pour-rions aussi, comme pour laclasse A, partager la chargeen deux parties égales, l’unedans une résistance interne,et l’autre dans la chargeproprement dite, ceci pour"adapter" la source à la charge.

    Pour résumer, avec la classe B :■ Le rendement est au mieuxde 78,6% quand l’impédanceinterne est infinie.- Dans ce cas, on ne peuttolérer qu’une diminution

    de l’impédance de chargepour rester linéaire, et avecune diminution proportion-nelle du rendement.■ Le rendement est au mieuxde 39,3% quand l’impédanceinterne est égale à la charge.- Dans ce cas, on ne peuttolérer qu’une diminutiond’impédance sans satura-tion.■ Si l’on veut pouvoir resterlinéaire pour une chargevariant de zéro à l’infini,alors le rendement est aumieux de 19%.

    Amplification en classe ABLa classe AB n’est pas rigou-reusement définie. C’est unmode de fonctionnement"presque en classe B", avecun "reste" du courant depolarisation (Ip) de la classeA. Celui-ci n’a pour rôleque de linéariser la courbede transfert de la source(non linéarité du facteur β).Sa valeur n’est liée qu’à lanon-linéarité de la source,transistor ou tube électro-nique.Les effets se font sentir sur lerendement qui passe pro-gressivement de celui de laclasse B à celui de la classeA, selon le dosage entre lesdeux. En pratique tous lesamplis sont en classe AB, etcompte tenu de la tensionde seuil des dispositifs élec-troniques, les rendementschutent encore. Ainsi, avecdes transistors en classe AB,suivant la tension d’alimen-tation entre 13 et 50V, etsuivant le courant de polari-sation, le rendement maxisera compris entre 50 et65%.

    Amplification en classe C.Si nous examinons la figure 8,nous voyons que la sourceconsomme de l’énergie pen-dant les variations de courant.Il suffirait de diminuer ladurée de ces variations pouraugmenter le rendement.

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    Ce faisant, nous n’obtenonsplus une puissance sinusoï-dale dans la charge. Il estalors nécessaire d’intégrercette puissance avec un cir-cuit résonant. Nous perdonsainsi les avantages desclasses A et B qui peuventêtre apériodiques en théorieet couvrir en fait plusieursoctaves de largeur de bande.En pratique la classe C s’ob-tient en donnant une polari-sation négative au signald’entrée de façon que lasource ne conduise que surune portion positive de lasinusoïde. Le système fonc-tionne d’autant mieux quela source est commandéeen tension, comme avec lestubes électroniques. Nousavons sur la figure 11 lesdiagrammes des puissancescorrespondantes à ce systè-me (non push-pull).

    Nous avons l’exemple où leseuil est égal à la moitié ducourant crête de comman-de. Avec une tension d’alimde 1V et un courant crête de2 A, la puissance dissipéepar l’alim est de 0,82 W etcelle par la source de 0,09 W.La résistance de chargeoptimum est de 0,685 Ω etla puissance HF de 0,73 W.Le rendement est alors de89% (obtenus par calculsgraphiques des aires depuissances).En théorie, le rendementpeut approcher les 100% sila largeur de l’impulsion

    devient très faible. Nous nesommes limités que parl’aptitude de la source àfournir un courant crêteélevé.En pratique, avec des tubesélectroniques ou des transis-tors à effet de champ ali-mentés en haute tension,nous pouvons obtenir desrendements de 85%.En contrepartie, le systèmen’est pas linéaire en ampli-tude, et l’on doit "refairel’accord" à chaque change-ment de fréquence.Si l’on veut bénéficier durendement de la classe Cavec une modulation d’am-plitude, il faut :- Soit une source doublecomme un tube avec deuxgrilles de commande (grille"suppressor") ou un FETdouble commande (dualgate).- Soit disposer deux sourcesen série, l’une commandéepar la HF en classe C etl’autre par la modulation enclasse B.Pour la BLU, on peut utiliserle même système, la com-mande HF comportant l’in-formation de phase et lemodulateur l’informationd’amplitude. C’est le princi-pe EER (Elimination del’Enveloppe et Restitution),très difficile à mettre enœuvre sans distorsions.

    Concernant le comporte-ment de l’ampli classe C àla désadaptation, celui-ciest tout à fait similaire àcelui de la classe B. En effet,la classe B peut être consi-dérée comme un cas parti-culier de la classe C. En pra-tique, nous n’avons pas dedésadaptation due à la par-tie réactive de la charge, carnous la compensons auto-matiquement en faisantl’accord. Si nous utilisons uncircuit d’accord spécial, en pipar exemple, en jouant surdeux paramètres, nous pou-

    vons même "transformer"n’importe quelle impédancede charge en impédancenominale (noter que je n’aipas dit "adapter" la chargeà la résistance interne del’ampli, puisque celui-ci aune impédance de sortietrès grande). C’est pour-quoi, du temps des lampeset de l’AM, la classe C étaittrès en vogue. Avec l’avène-ment de la BLU et des tran-sistors (commandés en cou-rant) la classe C a cédé laplace à la classe AB qui sim-plifie l’émetteur en rempla-çant le circuit d’accord parun transfo. Même avec lamodulation de fréquence(VHF), les amplis sont généra-lement en classe B. La classe Cn’est plus guère employée quedans les émetteurs AM de fortepuissance(4).

    Amplification en classe D.Nous pouvons réduire ladurée des transitions tout enconservant une certaine lar-geur d’impulsion : il suffitque celle-ci soit rectangu-laire, et l’ampli fonctionneen classe D. Nous pouvonsavoir un rendement de100% au niveau de la sour-ce si la tension développéeà ses bornes est rectangulaireaussi et en phase. Pour obte-nir ceci, il est nécessaireque la charge ait une impé-dance constante pour tousles harmoniques du signal àcommencer par l’H2. Sinous utilisons un push-pull,le premier harmonique pro-duit étant l’H3, cela nous

    permet de couvrir une octa-ve de fréquence avec unfiltre duplexeur à la sortie,comme sur la figure 12.

    Ainsi, nous avons un excel-lent rendement dans lasource, mais la puissancecorrespondant aux harmo-niques est consommée dansune résistance, ce qui réduitle rendement global. Lerésultat est quand mêmeintéressant car il coûtemoins cher de dissiper de lapuissance dans une résis-tance que dans un transistor,et nous avons un rendementau moins aussi bon qu’avecla classe C, sans circuitaccordé. La bande de fré-quence est plus réduitequ’avec les classes A et B, etla fréquence maxi est limi-tée à quelques MHz avecles transistors courants.La modulation d’amplitudepeut s’effectuer comme enclasse C. Le comportementà la désadaptation est aussile même.Nous pouvons égalementfaire une modulation d’am-plitude en agissant sur lalargeur des impulsions. Cette modulation est connuesous le sigle PWM (PulseWidth Modulation) et esttrès utilisée dans les alimen-tations à découpage et dansles amplificateurs audio dits"numériques". Dans ce cas,nous intégrons la sortie pourne conserver que l’envelop-pe qui reproduit alors lamodulation. Cette modula-tion PWM comporte une

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    limitation, en l’occurrencel’impossibilité de produiredes impulsions très fines.Ceci amène les consé-quences suivantes :■ en modulation AM, celle-ci ne peut être de 100%■ dans une alimentation,celle-ci doit sortir un mini-mum de courant■ et dans un ampli audio, lasortie comporte une compo-sante continue qu’il fautséparer et consommer, cequi réduit le rendement(5).Donc, pour ces diverses rai-sons, et vu l’imperfectiondes transistors, le rendementpratique de la classe D auradu mal à dépasser les 90%pour des fréquences infé-rieures à la HF et diminuerarapidement avec l’augmen-tation de fréquence pourdevenir moins bon que laclasse C, puis pour les VHF,moins bon que la classe B.

    Amplification en classes E et F.Ces classes sont une exten-sion de la classe D et sontutilisées en HF pour tenterde récupérer la puissancecontenue dans les harmo-niques. Les circuits de sortiesont complexes et ces classessont réservées pour desémetteurs à fréquence fixe.Nous débordons largementdu cadre radioamateur usuelet du niveau technique de cetarticle.

    ConclusionsQuand nous voyons la tailledes refroidisseurs de nostransceivers HF modernes,nous pouvons nous direqu’ils n’ont sûrement pas unP.A. qui se comporte commes’il avait une résistanceinterne égale à son impé-dance de charge nominale.Donc en HF, si un ROS de 3n’a pas grande importancesur les pertes d’un (bon)coax, les conséquences surle P.A. sont beaucoup plusgrandes que ne le laisse-

    raient supposer les règlesd’adaptation (-1,25 dB, soit–25%). En fait la puissancesera réduite par l’ALC de 5dB (-66%). C’est pourquoices transceivers sont main-tenant souvent munis d’uneboîte d’adaptation à accordautomatique. Sinon il faut,ou fabriquer une antenneavec un faible ROS, ce quiest parfois difficile à obteniralors que ce n’est pas uneexigence pour son rende-ment, ou utiliser une boîted’accord externe.

    Annexe 1 (pour les débutants).Le condensateur "de décou-plage" de l’alimentation C1a un rôle de réservoir. Il aune capacité bien plus gran-de que le débit demandé. Ilest chargé en permanencepar un courant continuvenant de l’alimentation etil est déchargé sinusoïdale-ment par l’ampli. Si nousprenons une analogie avecun réservoir de châteaud’eau, nous pouvons imagi-ner un volume de plusieursmètres cubes et un débitsinusoïdal de un litre moyenpar seconde. Une pomperégulée (réaction lente) surla hauteur d’eau alimenterale réservoir avec un débitcontinu de un litre parseconde. En assimilant lahauteur d’eau à une tension,nous voyons bien que latension n’aura qu’une trèspetite ondulation de niveau,le litre d’eau "sinusoïdal"(mais non alternatif) étantune infime partie de lacapacité du réservoir.Le condensateur de "bloca-ge de la composante conti-nue" C2 a aussi un rôle deréservoir, mais uniquementpour le courant continu quis’est annulé lorsque leniveau a atteint la tensiond’alim. Là s’arrête l’analogieavec le réservoir. En effet, dès qu’une tension

    varie alternativement auxbornes d’un condensateur,celui-ci va se charger et sedécharger à une vitesse quidépend du débit de la sour-ce et de sa capacité. S’il aune grand capacité, il n’au-ra pas le temps de se char-ger qu’il faudra déjà qu’il sedécharge car le courantaura changé de sens. Donc,la tension à ses bornes reste-ra très peu différente de latension continue. Si U esttrès faible devant I, cela veutdire que sa résistance appa-rente (sa réactance) est trèsfaible aussi. Donc vis à visde la composante alternative(la HF), il se comportecomme un quasi court-cir-cuit, alors qu’ayant eu letemps de se charger avec lacomposante continue, il luiprésente une impédanceinfinie (courant nul).

    Annexe 2. Impédance dynamique (pour les initiés).Sans refaire l’article de sep-tembre 2003, je voudraisdiscuter ici de l’opportunitéd’avoir en HF une impédancede source adaptée à la charge.N-B : Tout ceci concernedes émetteurs HF largebande connectés directe-ment à la ligne.Tout d’abord, en radio HF,nous n’avons jamais dedurée d’émission plus courte(impulsion) que le retard dela ligne de transmission àl’antenne. Nous pouvonsconsidérer que le signald’émission est entretenu etinvariant durant une grandequantité de périodes. Dansces conditions, à part lespériodes transitoires, il n’y apas de "puissance" réfléchiedans la ligne. Que les ondesstationnaires soient dues àla désadaptation de l’anten-ne ou à une puissance réflé-chie dans l’antenne (et non,par l’antenne)(6), la ligneprésente à l’émetteur une

    impédance complexe com-posée d’une partie "active"et d’une partie "réactive".Celles-ci peuvent être mesu-rées avec un impédance-mètre(7) et l’ensemble peutêtre remplacé par un circuitRL ou RC équivalent pourtester le comportement del’émetteur. Nous savons, etnous pouvons le contrôler,que le ROS dans la ligne nedépend que de la désadap-tation de la charge, et nonde celle de la source. Donc,en dehors des transitoires etdu fonctionnement en impul-sion ou en très large bande(étalement de spectre),l’adaptation de la source n’aaucune incidence sur sapropre émission (à condi-tion que la partie réactivesoit négligeable, ce qui est lecas en HF).Mais dans le cas ou un autreémetteur injecte une puis-sance importante dans uneantenne proche de la nôtre(situation appelée "cosite"),notre antenne émission enreçoit une puissance nonnégligeable, non corréléeavec la sienne. Pour cettepuissance, le ROS de laligne dépend de l’adapta-tion de l’émetteur (donc cen’est pas forcément lemême que celui apporté parnotre antenne en émission)et alors la tension dévelop-pée dans notre propre émet-teur (ROS infini si source decourant) par cette puissance,peut provoquer une inter-modulation suffisante pourbrouiller un récepteur duvoisinage calé sur l’une desfréquences parasites générées.Avec l’étalement de spectre,ce sont les principaux casoù l’on cherche à avoir uneimpédance de sortie del’émetteur égale à celle dela ligne (noter qu’en dehorsde quelques "grosses" expé-ditions DX, le radioamateurn’est pas concerné).

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    Pour conserver un rende-ment acceptable, l’impé-dance de sortie d’une sourcede courant peut être abais-sée par un procédé decontre-réaction(1). Celle-ci,en diminuant le gain, obligele driver à sortir plus depuissance (perdue car nonrayonnée et dissipée dansune résistance). Par ailleurs,nous devons prendre unemarge sur la puissance desortie nominale par rapportà la puissance de sortiemaxi. Avec –1 dB, le rende-ment chute à 50% pour laclasse B, mais si l’impédancede sortie est adaptée à laligne, nous pouvons suppor-ter sans écrêtage une désa-daptation de la chargeentraînant un ROS de 1,5,ou une ré-injection corres-pondant à une puissance de20%. Au delà, si c’est unedésadaptation, alors l’ALCréduira simplement la puis-sance. Si c’est de la puissanceré-injectée, alors l’ALCréduira aussi la puissance,mais comme l’origine neproviendra pas de notreémission, cette action pro-voquera une transmodula-tion d’enveloppe.Si vous m’avez lu jusqu’ici,vous comprendrez pourquoij’ai spécifié "pour les ini-tiés". Je vous prie de m’enexcuser, mais autrement, ceserait dix pages de plus…

    Annexe 3. Et les sources de tension ?En électronique, une sourcede tension est une source decourant avec un fort taux decontre-réaction(8), de façonque la tension reste constan-te aux bornes d’une charge,quelle que soit sa valeur.Contrairement à une sourcede courant, la source de ten-sion écrête (en courant)lorsqu’elle est chargée parune résistance nulle.Nous pouvons ajuster letaux de contre réaction,

    pour avoir une source aucomportement intermédiai-re entre la source de courantet la source de tension.L’optimum sera obtenu quandl’impédance interne de lasource sera égale à celle dela charge. Alors, si la sourcea une réserve de deux foisen tension, et de deux foisen courant, elle pourraaccepter des charges variantde zéro à l’infini, tout enrestant linéaire. Mais nousavons vu que dans ce cas,son rendement est très faible.

    Comportement des sourcesen circuit ouvert :■ Une source de tension nedébite aucun courant etdonc pas de problème dedissipation.■ Une source de courantécrête en tension, et satureen courant. Celui-ci deve-nant très faible en moyenne,la source dissipe très peu depuissance.

    Comportement des sourcesau court-circuit :■ Une source de tensionfournira son courant maxi-mum et elle devra dissipertoute la puissance engen-drée. Si elle n’est pas suffi-samment dimensionnée,alors il faudra un dispositiflimiteur de courant, et en-dessous d’une certaineimpédance de charge, lasource ne sera plus linéaire.Elle se comportera soitcomme une source de cou-rant constant, soit avec uncourant diminuant avec lacharge pour devenir trèsfaible au court-circuit.■ Une source de courantfournira le même courantque sur charge adaptée,mais elle devra dissipertoute la puissance mise enjeu. Si elle n’a pas étédimensionnée pour cela, ilfaudra un dispositif de limi-tation du courant, rendantcelui-ci très faible pour lecourt-circuit.

    Dans un émetteur, ces cir-cuits de limitation de cou-rant agissent sur l’excitationavec une réponse sur l’enve-loppe de la modulationpour conserver une linéaritéà cette dernière. L’ensembleest regroupé dans un dispo-sitif appelé "ALC HF".

    Annexe 4. Vous avez dit "adaptation" ?En radio, le mot "adaptation"a un sens étendu recouvrantplusieurs cas de figures quipeuvent prêter à confusion.Nous allons en détaillerquelques uns.1- Antenne de réception.Celle-ci peut être assimiléeà un générateur parfait d’im-pédance interne Za. La puis-sance transmise à la chargesera maximum quand sonimpédance sera égale àl’impédance conjuguée decelle de l’antenne. Noussommes dans le cas d’écoleclassique où toutes lesrègles de l’adaptation s’ap-pliquent. Noter que si l’éta-ge d’entrée est un transistor,celui-ci constitue une char-ge, à l’inverse du PA où ilconstitue une source. Lesproblématiques sont doncdifférentes.2- Emetteur à bande étroite(accordé). C’est générale-ment le cas en VHF et au-dessus. Nous allons prendreen exemple un transistor depuissance VHF. Le fabricantdu transistor indique unefréquence de travail (parexemple 175 MHz) et unetension d’alimentation (parexemple 12V) pour lesquelsle transistor a été prévu. Il adéterminé la résistance decharge optimum (parexemple 3,8 Ω). Par ailleurs,pour cette fréquence de tra-vail et cette tension d’alim,il indique la partie réactivede l’impédance de sortie,soit par exemple –j 1,3 Ω.Alors, nous aurons les per-formances annoncées par le

    constructeur (puissance, dis-torsion, rendement) avecune charge égale à 3,8 Ω +j1,3 Ω. Mais la partie réellede l’impédance de sortie dutransistor sera de plusieursdizaines d’ohms, voire descentaines (d’autant plusgrande que le rendementannoncé sera meilleur).Pour avoir une impédancede sortie de 3,8 Ω (égale àla charge), il faudrait contre-réactionner notre ampli(9). 3- Emetteur large bande nonaccordé. Pour nous, c’estgénéralement le cas en HF.L’adaptation consiste à utili-ser une charge d’impédanceégale à la charge nominale.Nous utilisons pour cela un ROSmètre d’impédancecaractéristique égale à cettecharge nominale. En aucuncas, le ROSmètre n’indiquesi la charge est adaptée, ausens du (1) ci-dessus, à l’im-pédance de sortie de l’émet-teur (ou du transistor). Sil’impédance de la sourceprésentait une partie réactive,ce qui peut être le cas pourles fréquences élevées de labande HF(10), il serait pos-sible d’avoir une meilleureadaptation en compensantcette réactance, mais l’ac-cord serait compliqué àfaire(11). C’est pourquoi enHF on se contente en guised’adaptation de fournir àl’émetteur son impédance desortie nominale. C’est quandcelui-ci est chargé par sonimpédance nominale qu’ilfonctionne dans les condi-tions prévues par le construc-teur, quelle que soit sonimpédance interne.

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    Notes.(1) Lire l’article "Echange de puis-sance entre un générateur et unecharge…" paru dans R-REF de sep-tembre 2003.

    (2) La solution consiste à utiliser unmontage "push-pull". En classe A,ce montage n’intervient pas dans lalinéarité et le rendement, c’est pour-quoi je ne développe pas le sujet ici.

    (3) On comprend pourquoi unamplificateur de laboratoire de 150W à impédance interne garantiepour tout le domaine complexe dela charge est un monstre consom-mant 2 kW au secteur.

    (4) Par exemple, voici la descrip-tion d’un émetteur AM ondescourtes moderne de 150 kW : ■ Le driver est composé d’un amplitransistorisé en classe B de 2 kW.■ L’ampli HF est un tube triode enclasse C■ Le modulateur est composé de48 "briques" d’alimentation de ten-sion fixe et d’une brique de tensionvariable (alims à découpage classeD-PWM). La mise en série de tout

    cela au rythme de la modulation sefait à l’aide d’un DSP. Nous avonsen quelque sorte un convertisseurnumérique analogique de puissance.Imaginez les dimensions de l’en-semble, sachant que le filtre passe-bas entre le modulateur et la triodeoccupe déjà une armoire à lui toutseul…

    (5) Dans les amplis audio, unesolution consiste à utiliser dessources différentielles. Alors, la lar-geur des impulsions est compriseentre 50 et 100%.

    (6) En général, en HF et VHF, lespuissances qui peuvent être réflé-chies dans une antenne sont négli-geables. Mais nous pouvons avoirdans des réseaux (antennes adapta-tives ou "à formation de faisceau")des antennes couplées et alimen-tées séparément par des sourcessynchrones avec des déphasagesparticuliers. Alors, les lignes d’ali-mentation sont le siège d’ondes sta-tionnaires, d’amplitudes variables,non seulement en fonction de lapuissance ré-injectée, mais ausside l’adaptation de l’antenne, et decelle de la source.

    (7) L’impédancemètre ne mesurequ’une désadaptation (sourceunique). S’il y a de la puissanceréfléchie comme dans le cas (6) ci-dessus (deux sources), alors l’im-pédance présentée par la lignedans des conditions normales defonctionnement sera complètementdifférente. Ceci pose des pro-blèmes pour étalonner de telsréseaux. Les solutions existent maissont complexes à mettre en œuvre.

    (8) Ou un fort taux de régulation,comme dans une centrale EDF, ouplus simplement dans une alimen-tation stabilisée. Il n’est pas ques-tion ici des sources de tensioncontinue naturelles comme lespiles.

    (9) Noter que l’on peut utilisernotre transistor à une autre fré-quence (par exemple 144 MHz) etavec une autre tension d’alim (parexemple 13,8 V). Alors nous auronsune autre impédance de chargeoptimum et une autre partie réacti-ve à compenser.

    Si le constructeur n’a pas fourni descourbes suffisamment détaillées,nous serons obligés de "caractériser"(mesurer) notre transistor danscette nouvelle situation, ou de pro-céder par tâtonnements jusqu’àoptimisation des performances.

    (10) Normalement le concepteurs’est débrouillé pour compenser lapartie réactive en interne.

    (11) Il faudrait utiliser deux circuitsd’accord avec un ROS-mètre entreles deux. Faire d’abord ROS = 1avec le coupleur antenne, puis par-faire l’accord émetteur pour lemaximum de puissance lue sur leROS-mètre utilisé en wattmètre(excitation constante). La manipsera à refaire à chaque changementde fréquence.

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