Poste ondes courtes à réaction à effet dynatron

Pour débuter l'écoute des OC

Le négadyne, un poste à effet dynatron

Par Daniel Maignan

Ce petit poste à réaction utilise un oscillateur à résistance négative, principe fréquemment employé dans les années 30, mais aujourd’hui méconnu.
Tout dispositif présentant une résistance négative peut être mis à profit pour confectionner un oscillateur.
Le phénomène de résistance négative signifie que lorsque la tension aux bornes du dispositif augmente, le courant décroît, et vice versa.

This small regenerative receiver is based upon a negative resistance oscillator, a principle frequently employed in the 1930s, but little known today.
Any device with a negative resistance characteristic can be used to make a radio frequency oscillator.
The phenomenon of negative resistance means that when the voltage across the device increases, the current decreases, and vice versa.

Réalisation d’un poste à tubes :

Il s’agit de construire un récepteur à réaction qui exploite l’effet de résistance négative, nommé effet dynatron, qui est obtenu avec une penthode sous certaines conditions d’alimentation de la grille écran et de l’anode, voir l’appendice en fin d’article.
Le tube doit présenter les caractéristiques suivantes :

Une pente variable et supérieure à 2,5 mA/V
Une grille G3 (suppressor) indépendante.

Plusieurs tubes, comme l’octal 1851 (R219) par exemple, se prêtent particulièrement bien à cette fonction. Le 6M7 a également été essayé avec succès. Le noval EF183 devrait également convenir. Dans le schéma de la figure 1, avec le tube 1851, la grille de commande est à un potentiel nul. L’effet dynatron se produit effectivement entre la grille écran et l’anode. La grille N°3 reçoit, quant à elle, le circuit oscillant sur lequel est connectée l’antenne à travers une capacité de couplage. Un courant de détection développe une tension négative aux bornes de la résistance de 2,7 MΩ qui est proportionnelle au signal présent en tête du circuit.

Figure 1 schema 1

Figure 1

L’oscillation est contrôlée par le réglage du potentiel de cathode grâce au potentiomètre de 1 kΩ (multitours). En tournant le bouton, on atteint le point de polarisation pour lequel a lieu l’accrochage qui se manifeste par un claquement dans le haut-parleur et une augmentation du souffle.
A cet instant la grille écran récupère des électrons renvoyés par l’émission secondaire de l’anode et son potentiel baisse.
C’est le condensateur de 18 pF qui injecte la portion d’énergie indispensable au désamortissement du circuit oscillant.
Ce montage est stable et offre une bonne sensibilité ; pour changer de gamme de fréquence il suffit simplement de changer les éléments du circuit oscillant qui sont enfichables, voir la figure 2.

Figure 2 circuits d accord

Figure 2

Les valeurs dans le tableau ci-dessous sont indiquées pour l’utilisation avec un condensateur variable de 470pF ; le couple bouton et CV doit offrir une bonne démultiplication (1 : 15).

Bande OC Ca Ce L LIPA 10mm avec noyau fil 30/100 émaillé
80 m. 22 pF 120 pF 15 µH 45 spires
40 m. 10 pF 68 pF 5 µH 23 spires
20 m. 6,8 pF Ajust 80 pF 2,5 µH 14 spires

Pour recevoir la télégraphie (CW) et la Bande Latérale Unique (BLU ou SSB), il faut bien entendu rester en régime d’oscillation, on peut recevoir sur une antenne filaire de 10 mètres de long, des signaux très faibles, de l’ordre de 10 à 20 µV avec une bonne stabilité.
Le poste reste néanmoins un appareil expérimental et il faut faire preuve de patience et de doigté pour le réglage simultané de l’accord et de l’oscillation.
De plus, la réception de signaux forts modifie la polarisation de la grille N°3 du 1851 qui crée une réduction de Ia et une sortie de la zone de fonctionnement en dynatron, ce qui provoque un décrochage de l’oscillation et un découpage intempestif du son (genre « motor boating »). La réduction de la valeur de la résistance de détection de 2,7 MΩ, à laquelle on aurait pu songer pour diminuer l’influence de la polarisation négative de G3 sur le courant anodique, aurait pour inconvénient d’amortir exagérément le circuit d’accord, avec pour corollaire une dégradation de la sensibilité et de la sélectivité et les composantes de l’antenne influent quelque peu sur la fréquence d’accord.
Le signal de sortie est amplifié par une triode pentode ECL86 permettant une écoute confortable sur haut-parleur. Les figures 3, 4, 5 et 6 représentent différentes photos de la réalisation et la figure 7 indique le brochage des deux tubes. Le câblage ne présente pas de particularité, faire des liaisons courtes et de bonnes prises de masse.

Figure 3 vues de cote

Figure 3

Figure 4 vues de dessus Figure 4

Figure 5 details dessus Figure 5

Figure 6 vue du cablage Figure 6

Figure 7 brochage des tubes

Utilisation :

Connecter le chauffage filament 6,3V et une haute tension comprise entre 150 et 250V.
Régler le potentiomètre de cathode, de sorte que le montage oscille. Se caler ensuite sur la station désirée. Celle-ci est reçue dans ces conditions avec un sifflement, en raison du battement qui se produit avec la porteuse de l’émission.
Pour recevoir la modulation d’amplitude, faire tendre vers zéro la fréquence du battement avec la commande d’accord puis tourner le potentiomètre de réaction pour arrêter l’oscillation. Ensuite, en revenant lentement en arrière pour se placer juste avant la limite de l’accrochage, on constate une augmentation importante de la sensibilité et un accroissement du signal reçu.
Pour la réception d’un signal télégraphique CW ou en BLU, il faut se placer juste après la limite de l’accrochage, car on a besoin d’un battement pour la compréhension.

Figure 7

On observe souvent avec ce genre de montage une réception avec un ronflement à 50 Hz. Ceci est dû au mélange du signal de l’oscillateur qui est émis par l’antenne et qui est modulé par le secteur dans quelque élément non linéaire et capté à nouveau par le récepteur. La solution consiste à employer une antenne éloignée du réseau électrique. Un étage d’entrée en tampon éviterait évidemment le rayonnement de l’oscillateur local.

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Appendice :
Résistance négative et effet dynatron

Rappel du régime libre d’un circuit oscillant:

Il est souhaitable de rappeler comment se comporte le circuit accordé représenté figure 8.
Le régime libre d’oscillation est initié lorsque le condensateur C est préalablement chargé par la batterie E avec l’inverseur K en position 1. L’inverseur K est ensuite basculé en position 2 et le condensateur se décharge dans l’inductance L et la résistance r.

Figure 8 circuit oscillant parallele

Figure 9 oscillations amorties

Figure 8 Figure 9

Explication détaillée :

Position K en 1 : Le condensateur se charge et emmagasine une énergie électrique We.
Position K en 2 : Le condensateur se décharge dans L et r avec le courant i1. La décharge n’est pas instantanée car l’inductance s’oppose au courant en générant une force contre électromotrice d’auto-induction.
La tension U décroît, en revanche le courant augmente. L’énergie électrique décroît alors que l’énergie magnétique augmente.
Au bout d’un certain temps la tension U et l’énergie électrique We sont nulles, alors que le courant et l’énergie magnétique Wm sont au maximum.
On a cependant Wm < We, à cause des pertes par effet Joule dans la résistance r.
Le courant commence à disparaître mais l’inductance s’oppose à cette disparition en créant une force électromotrice d’auto-induction qui produit un courant i2 dans le même sens que i1. Le condensateur se recharge avec une polarité qui s’inverse.
Au bout d’un certain temps le condensateur est totalement chargé et l’énergie électrique We’ est maximum, mais inférieure à We à cause des pertes dans r.
C reprend son rôle de générateur et le courant i3 circule jusqu’à ce que l’énergie électrique soit nulle et l’énergie magnétique Wm’ maximum mais inférieure à We’.
En raison de l’auto-induction, l’inductance redevient génératrice et recharge le condensateur grâce à i4 et l’énergie We’’ est inférieure à Wm’ à cause des pertes dans la résistance r.

L’ensemble de ces quatre étapes représente la période d’oscillation T du circuit. Le processus se poursuit cependant avec une amplitude décroissante en raison des pertes dans la résistance r (figure 9).
Pour cette raison on dit que les oscillations sont amorties.
On peut comparer le circuit oscillant aux états mécaniques d’un pendule qui oscille. L’énergie potentielle est l’analogue de l’énergie électrique et l’énergie cinétique est l’analogue de l’énergie magnétique. Les frottements mécaniques sont analogues à la résistance de pertes du circuit. La décroissance de l’amplitude est fonction du temps (loi exponentielle) et de la résistance r. Pour obtenir une oscillation entretenue, une certaine énergie doit être dispensée en permanence au circuit afin de compenser ces pertes.
Dans un oscillateur classique un circuit accordé est connecté à l’entrée d’un amplificateur. Pour entretenir les oscillations, une partie du signal de sortie est réinjectée en phase sur l’entrée le plus fréquemment à l’aide d’une inductance de couplage ou bien d’une prise intermédiaire sur le bobinage principal, ce qui implique de réaliser des enroulements spécifiques.
Une autre solution pour obtenir un oscillateur consiste à connecter en parallèle sur le circuit oscillant, un dispositif à résistance négative. On obtient de la sorte un oscillateur simple à mettre en œuvre.

Nature et expression de r :

La résistance r qui représente les pertes principalement localisées dans l’inductance L, est généralement placée en série avec l’inductance, mais on peut également la représenter en parallèle.
Le concept coïncide d’ailleurs avec la méthode pratique utilisée lorsque l’on souhaite amortir un circuit par la mise en parallèle d’une résistance (figure 10).

Figure 10 tranformation serie parallele Figure 11 resistances pos neg Figure 10 Figure 11

A une fréquence donnée F, les deux résistances rs et rp sont liées par la relation :

rs = L2ω2/rp, avec ω = 2πF

Mise à profit de la résistance négative dans un oscillateur:

Pour obtenir des oscillations entretenues dans un circuit oscillant LC (bobine et condensateur en série ou en parallèle), il suffit de lui opposer une résistance négative -r égale à celle des pertes résistives r inhérentes au circuit. Le circuit oscillant, en parallèle sur la résistance négative, est alors transformé en inductance et capacitance pures, sans pertes.
L’oscillation est entretenue lorsque la résistance négative compense la résistance de pertes du circuit (figure 11).

Différents dispositifs à résistance négative :

Tout dispositif qui présente une résistance négative peut être employé pour faire un oscillateur. Dans certaines conditions, un simple arc électrique ou bien un tube tétrode présentent cette caractéristique. De nos jours, on peut aussi confectionner un dispositif à résistance négative avec deux transistors ou bien utiliser un semi-conducteur spécifique, la diode tunnel.
Jusqu’aux années 55, on ne disposait pratiquement que des tétrodes pour construire des oscillateurs à résistance négative. La tétrode a été créée pour pallier les 2 défauts de la triode : faible coefficient d’amplification en haute fréquence dû à la capacité grille anode élevée et faible résistance interne. La 2ème grille introduite dans la triode qui est portée à un potentiel positif est appelée grille écran et a pour fonction de réduire fortement la capacité grille anode.
Elle joue le rôle d'écran électrostatique et de grille accélératrice des électrons émis par la cathode, d'où son appellation courante de grille écran. Comme son potentiel est voisin de celui de l'anode, elle capte aussi des électrons d'où :

Ik = Ia+ Ie

Où Ik est le courant de cathode, Ia le courant anodique et Ie le courant écran.

Si la tension Vgk entre grille de commande et cathode est négative et que la tension anodique Va est supérieure à la tension écran Ve, il apparaît que le champ électrique cathode écran ainsi que le champ électrique écran anode sont accélérateurs pour les électrons.
Cependant si maintenant nous faisons varier la tension d'anode de façon à ce que Ve > Va > 0, il apparaît que si le champ électrique cathode écran est accélérateur, en revanche le champ électrique écran anode devient ralentisseur pour les électrons. L’anode par suite du bombardement des électrons à sa surface, émet des électrons. Cette émission secondaire est captée par la grille écran créant l’effet dynatron ou de résistance négative qui réduit le domaine d’utilisation de la tétrode aux valeurs de tension d’anode supérieures à la tension écran.
Grâce au montage de la figure 12 on met facilement ce phénomène en évidence, pour des tensions anodiques comprises entre 20 V et 100 V on observe une diminution du courant anodique alors que la tension augmente. A contrario l’écran se comporte comme une anode car son courant augmente en fonction de la tension. Dans cette fourchette de tensions, on a bien une caractéristique de courant anodique avec une pente négative : en effet l'anode voit son courant Ia diminuer alors que sa tension Va augmente.
L’oscillateur à effet dynatron est souvent appelé transitron.

Figure 12 et 14

Figure 12 Figure 13

Connectons, à travers le condensateur C, un circuit accordé à l’écran du tube polarisé dans la zone à résistance négative (figure 13).
Dans cette zone de polarisation, la grille écran est plus positive que l’anode et attire des électrons issus directement de la cathode ainsi que les électrons résultant de l’émission secondaire de l’anode. Les électrons s’accumulent sur l’armature du condensateur et le potentiel de l’écran devient moins positif et en décroissant attire moins d’électrons, alors que l’anode en attire plus. Puis le condensateur se décharge dans l’inductance et le potentiel de l’écran augmente à nouveau en attirant plus d’électrons, le condensateur se charge et le cycle recommence. On constate aisément que c’est bien le tube qui dispense le complément d’énergie indispensable à l’entretien de l’oscillation.
La fréquence de résonance est évidemment déterminée par les valeurs de L et de CV.

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Sécurité:

Cet appareil met en jeu des tensions alternatives et continues élevées. Rappelons Danger 1 qu’il est indispensable de prendre toutes les précautions habituelles relatives à la sécurité. En particulier, ne jamais intervenir dans le câblage sous tension.