Filtre CW à réaction

Update 10/10/2015 : rajout version améliorée en NPN en fin d’article.

CW signifie continuous wave (ondes entretenues : https://fr.wikipedia.org/wiki/Onde_entretenue ), il s’agit de l’émission d’une onde électromagnétique constante en amplitude et en fréquence. C’est le mode de modulation utilisé pour les communications en code morse.

Une des qualités propres aux communications CW est donc de nécessiter une bande passante très étroite et par conséquence de pouvoir être filtré très efficacement. Le but de ce montage est de fournir un filtrage passe bande très étroit, sur les basses fréquences afin d’extraire le plus de signal possible (et donc d’écarter un maximum de bruit) dans une émission en CW. Sa fréquence de filtrage est proche de 600Hz. Ce filtre fonctionne avec un seul transistor et exploite le principe de la réaction sans lequel il serait impossible d’obtenir une telle capacité de traitement avec un seul composant actif. Cela consiste à faire tourner en boucle le signal que l’on veut filtrer afin de le faire passer plusieurs fois dans le filtre. La capacité de filtrage est ainsi accrue et l’intensité du signal amplifiée. Il faut cependant modérer le gain de la réaction sinon le filtre diverge, sature et devient un parfait oscillateur. Il faut donc voir les circuits qui exploitent la réaction comme des oscillateurs « sous-critiques » c’est-à-dire des oscillateurs qui remplissent presque leur condition de fonctionnement. Ainsi nous pouvons voir de fortes similarités entre les circuits à réaction et des architectures d’oscillateurs connues dont ils sont dérivés. Notre filtre morse est dérivé d’un oscillateur Colpitts (https://fr.wikipedia.org/wiki/Oscillateur_Colpitts ) à transistor PNP, et la modération de la boucle de réaction est assurée par un potentiomètre de 470 Ohms.

Cette utilisation de la réaction est assez inhabituelle, nous sommes ici dans le domaine de la BF (basse fréquence, ce sont les fréquences audibles) alors que la réaction se retrouve principalement dans des montages à moyenne et haute fréquence. Le but de ce filtre est donc de dé-bruiter le signal d’un récepteur non équipé de ce genre de filtre, lequel signal peut ensuite être soit écouté, soit traité par un décodeur automatique afin rendre intelligible le contenu de la communication.

La vidéo suivante, réalisé sur le montage expérimental (bandes de cuivre collées sur carton et composants soudés dessus), permet d’avoir une idée de la performance de ce filtre. L’alimentation est assurée par une simple pile AA de 1.5V.

C’est l’écoute de DCF77(https://fr.wikipedia.org/wiki/DCF77 ) chaque bip correspond à une seconde, et toutes les minutes il y a un bip plus long. On peut entendre que sans le filtre CW le signal du DCF77 est totalement inaudible, il est bien présent dans le signal mais notre oreille est incapable de le dissocier du bruit. Le filtre CW écartant le bruit il devient parfaitement audible.

Vous avez ici un enregistrement audio effectué dans des conditions comparables :

Voilà le schéma du circuit de base, c’est assez basique :

Quelques remarques sur la réalisation :

Comme souvent en électronique amateur le choix est composants est dicté par ce que l’on a dans ses tiroirs. Ce schéma n’est certainement pas la meilleure façon de fabriquer ce filtre mais il correspond à ce que j’ai pu expérimenter de mieux avec ce que j’avais sous la main. Décrire ce que j’ai expérimenté m’assure de vous présenter une solution fonctionnelle.

J’ai mis deux inductances de 30mH en série car je n'avais pas plus gros, et avec une seule les impédances étaient assez basses et je n'arrivais pas à descendre à 600Hz (au mieux j'étais à 650Hz).

Je pense que c'est un montage qui devrais mieux marcher avec des inductances de 100mH (et donc en adaptant les capacités pour rester a 600Hz), j'en recevrai d'ici quelques jours et il est possible que je mettre alors le schéma à jour.

Mes inductances présentent une résistance de 105Ohms, ça fait donc 210 ohms avec les deux. Si on calcule le facteur de qualité, il vaut environ 1 à 600Hz, donc sans le bénéfice de la réaction le filtre aurait été médiocre.

Les condensateurs sont des électrochimiques, là aussi car je n'avais que ça sous la main (ce sont les plus faciles à trouver), ils sont assez sensibles à la chaleur (en les chauffant un petit moment avec les doigts on arrive à faire monter le filtre à 620Hz). On gagnerai certainement à les remplacer par des céramiques multicouche (on en trouve jusqu’à 10uF).

Le transistor est un BC560C, je déconseille d'en changer, sur des transistors au gain plus faible je ne suis pas arrivé à faire accrocher le filtre.

En théorie ce montage aurait dû osciller a 480Hz, il oscille cependant à 600Hz, entre l'influence de la résistance de 100 Ohm et des composants à +-10%, les 120Hz d'écart ne me surprennent pas.

Ce montage gagnerait à être un minimum stabilisé en tension à l'entrée, je pense qu'un simple LM317L avec sa référence a 1.2V fera très bien l'affaire (schéma de la version ++ à venir).

Comportement en fréquence du filtre

On voit clairement qu’il laisse passer les fréquences légèrement supérieures à 600Hz et atténue fortement les autres.

Bande passante et niveau de réaction :
Sur cette dernière vidéo on peut évaluer la bande passante ( de quelques hertz), et surtout mesurer l’influence de la réaction. Comme vous pourrez l’entendre si je monte trop le gain du filtre la réaction « accroche » et le filtre devient alors un oscillateur qui se moque de ce qu’on lui met en entrée. Il générera une tonalité constante en sortie. On peut aussi remarquer que quand on est très proche de l’accrochage le signal est insuffisamment amorti, la bande passante est alors devenue trop étroite pour permettre de décoder les impulsions CW trop rapides. Plus le débit d’information en CW est rapide, plus il aura besoin de bande passante et donc moins nous devons filtrer étroit. Le réglage progressif de la réaction remplie ce rôle.

La fréquence de fonctionnement étant très basse vous pouvez réaliser un prototype de ce filtre sur une simple platine d’expérimentation, pour vous assurer qu’il fonctionne correctement le mieux est de pousser la réaction à fond. Si votre montage oscille et génère un son d’une fréquence de quelques centaines de hertz c’est bon, sinon vous avez un problème quelque part. Les composants se trouvent facilement chez RS Components, chez Farnell ou sur eBay.

Version NPN (ajout du 10/10/2015):

Testée sur cette maquette :

La self de 100 mH a remplacé les deux selfs de 33mH en série. Cette self offre une résistance interne de 150 Ohms, ce qui procure un facteur de qualité proche de 2.0 et donc un bande passante à -3db (sans réaction) de 300Hz (de 450Hz à 750Hz). C’est un modèle facile à trouver sur ebay. Avec la réaction, comme dans la version initiale en PNP, la bande passante tombe à quelques hertz.
J’ai remplacé l’électrochimique de 2.2µf par un céramique de 1µF ( vous pouvez cependant conserver un électrochimique de 1µF, le montage fonctionnera aussi), le potentiomètre variable est passé à 4.7K avec un condensateur « réservoir » de 220µF à ses bornes.
Ce montage est plus souple à utiliser que la version initiale, on peut mieux régler la réaction, le comportement est moins nerveux.
L’entrée et la sortie sont prises sur un même point, il n’y a pas d’erreur. C’est logique avec un circuit bouchon.