Émetteur FM 88-108 MHz

Le genre de gadget particulièrement apprécié des amateurs d'électronique... même s'il fonctionne rarement du premier coup !



Émetteur FM (FM = Frequency Modulation = Modulation de fréquence) appelé aussi parfois "Micro Espion", du fait qu'il permet de transmettre, grâce à un microphone intégré, une conversation d'un point à un autre sans liaison filaire. Mais appelons-le donc ici émetteur FM, car il va de soi que vous savez qu'il est interdit d'espionner quelqu'un sans le lui dire (quelle drôle d'idée aussi, que d'espionner quelqu'un après l'avoir informé de vos intentions). Ce montage est donc un émetteur, et vous aurez besoin d'un récepteur pour compléter la chaine de transmission. Tout récepteur FM classique permettant de réceptionner la bande 88 à 108 MHz (VHF) conviendra parfaitement. Cette page présente plusieurs schémas différents :

schéma 001(a) : schéma de base pour microphone cristal, alim 9

schéma 001ab : schéma de base pour microphone electret trois fils, alim 9

schéma 001ac : schéma de base pour microphone electret deux fils, alim 9

schéma 001b : version miniature pour microphone cristal, alim 1,5

schéma 001c : version miniature pour entrée ligne (sortie lecteur MP3), alim 1,5

schéma 001d : version pour entrée ligne stéréo, alim 9 à 12 V.

Les émetteurs décrits ici assurent une diffusion d'un signal audio en monophonie, même ceux disposant d'une entrée "stéréo". Pour connaitre la différence entre diffusion en monophonie et diffusion en stéréophonie, merci de vous reporter à la page Diffusion en FM.

Si vous prenez la peine de fouiller sur le net, vous trouverez des tas de schémas d'émetteurs FM. Moi-même en ai réalisé de plusieurs types. Celui dont la description va suivre, mais aussi d'autres plus petits fonctionnant avec une tension d'alimentation aussi faible que 1,5 ou 3 volts. Ce schéma donne des résultats convenables, mais je dois tout de même vous avertir : sa portée est très correcte, mais sa consommation n'est pas négligeable. Une pile 9V saline durera environ deux heures en continu, une alcaline pourra durer jusqu'à 5 heures environ. Son avantage principal réside dans un fonctionnement sûr, et dans sa simplicité. De plus, tous les composants sont courants et très bon marché, ce qui devrait finir de convaincre le débutant de l'essayer.

Côté RF

L'oscillateur est réalisé avec un transistor (Q2) monté dans un circuit oscillant composé d'une self (bobine L1) et de condensateurs ajustables (VC1 et VC2). Le condensateur ajustable VC1, associé en parallèle à la bobine L1, constitue le circuit de résonnance qui va fixer la fréquence d'émission. Il y aura deux façons de modifier cette fréquence d'émission : soit en faisant varier la valeur du condensateur ajustable VC1, soit en espaçant ou en resserrant un peu les spires de la bobine L1. Le condensateur ajustable VC2 permet d'ajuster le taux de réaction et de garantir un démarrage fiable de l'oscillation à chaque mise sous tension (il est bien connu qu'un amplificateur qui ne devrait pas osciller oscille, et qu'un oscillateur qui devrait osciller ne démarre pas toujours). Personnellement, j'ai plusieurs fois remplacé ce condensateur ajustable par un fixe de 6,8pF ou de 8,2pF et ça fonctionnait toujours. Mais il vous suffit que je vous dise ça pour que votre exemplaire fasse le difficile. Alors faites comme vous le sentez. La polarisation du transistor est assuré par la résistance d'émetteur de 100 ohms et par la résistance de  base de 22 KOhms. Difficile de faire plus simple.

Modulation d'amplitude ou de fréquence ?

Ce type d'émetteur, simplifié à l'extrême, produit un résidu de modulation d'amplitude (AM) qui n'est pas négligeable. La modulation d'amplitude produite ne sera pas perçue par votre récepteur FM, mais il faut savoir qu'il y a des préconisations concernant la valeur de la modulation d'amplitude maximale qu'un émetteur FM peut produire. On reste ici dans le domaine amateur, c'est la seule raison pour laquelle on ne cherche pas à faire mieux. De toute façon, avec ce type de montage, ce n'est guère possible d'améliorer ce point.

Côté BF

La modulation de fréquence s'effectue en faisant varier la polarisation du transistor monté en oscillateur (Q2). Cela est assuré par Q1, dont la résistance collecteur-émetteur va varier en fonction du signal appliqué entre sa base et son collecteur, signal provenant d'un microphone de type "cristal". La polarisation en continu de la base du transistor Q1 est assurée par la résistance R1 de 68K.

Choix du microphone

Un micro cristal ? Mais c'est vachement archaïque ! 

 

Pourquoi ne pas prendre un microphone dynamique classique ? Et bien pour deux raisons : la première est la simplicité de l'émetteur, l'usage d'un microphone dynamique, dont l'impédance de sortie est bien plus faible, imposerait un étage d'entrée un peu plus compliqué. La deuxième raison est que les microphones cristal existent encore, qu'ils ne coutent pas chers, qu'ils sont légers, et qu'ils conviennent parfaitement pour ce genre d'expérimentation. Un conseil cependant, raccourcissez la longueur du câble micro au strict minimum, car plus le fil est long, et plus les effets non désirés de dérives en fréquence se font sentir quand on le bouge... 

Si toutefois vous préférez utiliser un microphone electret, vous le pouvez bien entendu. Pour cela, ajouter un condensateur et une résistance comme indiqué dans le schéma qui suit et qui met en oeuvre une capsule electret à trois fils. 



Votre micro electret est de type deux fils ? Dans ce cas vous pouvez adopter le schéma suivant.



Pour plus de détails sur la façon d'alimenter un micro electret, voir page Alimentation d'un microphone electret dans laquelle les exemples de câblages reposent sur l'hypothèse que le pôle négatif de l'alimentation est à la masse. Comme avec cet émetteur FM c'est le pôle positif de l'alimentation qui est à la masse, on peut de façon toute naturelle éprouver quelques difficultés pour faire la correspondance entre fils du micro electret et émetteur FM... Ne croyez surtout pas que je ne me suis pas gratté la tête pour savoir comment faire !

La self (bobine) L1 doit être confectionnée avec du fil 8/10, le terme 8/10 correspondant au diamètre du fil en mm. Il faut donc utiliser du fil de 0,8 mm de diamètre. Vous le bobinez sur le corps d'un gros stylo feutre, afin d'obtenir quatre spires ayant un diamètre d'environ 8 mm, chaque spire étant espacée de sa voisine de 2 mm à 3 mm environ. Puis en partant de l'extrémité qui sera raccordée sur les deux condensateurs ajustables VC1 et VC2 (en bas sur le schéma), vous comptez 1 spire et vous grattez le vernis qui protège le fil de cuivre, afin de pouvoir souder à cet endroit un petit fil qui fera office de prise intermédiaire qui sera câblée à l'antenne via C2 (prise à 1/4). Un tiers de tours après, vous faites de même pour pouvoir souder à cet endroit un petit fil qui fera office de prise intermédiaire pour le collecteur du transistor Q2 (prise à 1/3). En procédant ainsi, vous devriez obtenir quelque chose qui ressemble au dessin suivant :

Un petit exemple de réalisation, sur plaque d'expérimentation à pastilles.



Ce proto couvre la plage de fréquence 78 MHz à 115 MHz, en jouant sur les deux condensateurs ajustables. Notez l'utilisation d'un microphone electret miniature, à la place du microphone cristal...

Après une vérification soigneuse du câblage, vous pouvez procéder au réglage. Pour cela, placez-vous à côté d'un récepteur radio du commerce (allumé de préférence), et mettez votre émetteur sous tension. Si vous entendez un petit "plop" dans le récepteur à ce moment, c'est bon signe (mais si vous n'entendez rien, ça ne veut pas dire que ça ne fonctionne pas). Placez les condensateurs ajustables VC1 et VC2 sur leur position médiane (moitié des lamelles rentrées). Calez votre récepteur FM tout en bas de la bande FM (88 MHz) et parlez devant le microphone ou tapotez légèrement dessus, tout en remontant la bande FM. A un instant donné, vous allez tomber sur la fréquence d'émission. Si vous avez parcouru sans succès toute la bande FM, refaites l'opération après avoir sorti toutes les lamelles du condensateur ajustable VC1. Si nouveau parcours infructueux de la bande FM, refaites l'opération après avoir entré toutes les lamelles du condensateur ajustable VC1. Si toujours pas de succès (vous n'êtes pas chanceux, là), espacez un peu les spires de la bobine L1 et recommencez le balayage de la bande FM. Si là aussi toujours rien, resserrez un peu les spires de la bobine L1, et Hop, reparti pour un nouveau tour ! Si après tout ça vous n'avez rien entendu, ce n'est pas bon signe, il vous fait revérifier l'ensemble du câblage.

Je ne vais pas faire comme ceux qui vous vendent des produits tout fait ou à faire en kit, et vous indiquer la portée que l'on peut obtenir en vision directe, sans obstacle, avec un récepteur super sensible... La portée dépend, comme pour tout ensemble émetteur / récepteur, de la puissance d'émission, de la qualité et de la sensibilité du récepteur, des antennes, et des obstacles entre les deux. Vous pouvez très bien obtenir une portée de 300 mètres en terrain dégagé, et n'obtenir une portée que de 10 mètres en appartement avec murs blindés. Une chose est sûre. De tous les émetteurs FM simples que j'ai construit, c'est celui-là qui a "porté le plus loin". Mais je le répète : au détriment de l'autonomie.

Longueur de l'antenne

J'allais oublier ! La longueur de l'antenne joue beaucoup sur les performances du montage. Ne cherchez cependant pas à utiliser une antenne "taillée" en quart d'onde, demi-onde ou onde complète (3 mètres tout de même), ce serait désastreux... Essayez plutôt avec une longueur de quelques centimètres à quelques dizaines de centimètres, vous obtiendrez des résultats déjà fort sympathiques (longueur conseillée : entre 5 cm et 20 cm).

Un circuit imprimé a été dessiné, mais aucune obligation de le suivre. Si vous décidez de le réaliser, choisissez de préférence un circuit en verre époxy, qui présente des pertes en VHF moindre que la bakélite.


 

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Vous pouvez aussi faire comme moi pour mes premiers petits montages : montage en "volant", c'est à dire composants directement soudés entre eux. Avantage pour ce genre de réalisation : connections courtes, ce qui est bon pour un montage RF. Inconvénient : dépannage plus difficile, ce qui oblige à faire plus attention dès le départ. Remarquez, dépanner un montage volant forme aussi la jeunesse.

Ce petit émetteur est, vous l'avez compris, un modèle "bas de gamme" et vous devez accepter ses limitations.

        Une ronflette peut être observée dans certaines situations. Cela est presque assuré si vous utilisez une alimentation secteur à la place de la pile de 9 V, et ce même si l'alim est bien filtrée et régulée. Parfois, le fait de changer la prise d'alim du bloc secteur (inversion phase / neutre) résous le problème... Une ronflette peut aussi parfois être perçue même quand l'alimentation se fait sur pile.

     Réception sur plusieurs endroits de la bande FM pour un même réglage de la fréquence d'émission : cela est lié à un comportement parasite du récepteur radio d'autant plus important que l'émetteur en est proche. On peut dire pour simplifier que le signal HF qu'il reçoit est trop fort et qu'il crée des réceptions "fantôme". La seule façon de savoir quelle est la fréquence d'émission principale est d'éloigner l'émetteur du récepteur et de voir à quelle fréquence de réception le signal reste puissant et clair.

    La plage de réglage de la fréquence d'émission est très étendue, ce qui signifie que le réglage est plutôt pointu (pas facile de se caler sur une fréquence bien précise). C'est un inconvénient de ce type d'émetteur. Quand on attaque des émetteurs plus sérieux, on se trouve parfois confronté au problème inverse, à savoir difficulté de couvrir toute la bande 88-108 MHz avec un seul réglage...

    Échauffement du transistor Q2 : c'est normal, le courant émetteur-collecteur est assez élevé. On peut le diminuer en augmentant la valeur de la résistance d'émetteur de Q2, au détriment bien sûr d'une baisse de la puissance d'émission et donc de la portée.

    Stabilité en fréquence : assez pointilleuse, elle dépend de la position de l'émetteur dans la pièce, de la proximité d'une main, de la tension d'alimentation, de la température... Cela est lié au fait que l'oscillateur HF est de type "oscillateur libre". Pour limiter l'instabilité en fréquence du à l'effet de main, il est conseillé de placer l'émetteur dans un coffret en métal et de relier la borne positive de la pile 9 V au boitier (parce qu'ici, c'est le plus de l'alimentation qui est à la masse). Une autre solution pour limiter cet effet de main pourrait consister à ne pas raccorder l'antenne directement sur la bobine de l'oscillateur mais à la brancher sur une seconde bobine "enchâssée" dans la première.

    Lien entre valeur de la tension d'alim et fréquence d'émission : oui, il y a un lien évident, c'est pourquoi l'usage d'un accu en lieu et place d'une pile est conseillé.

Le schéma suivant est une variante du précédent, qu'il est possible d'alimenter sous une tension comprise entre 1,3V et 1,7V. L'usage d'une pile miniature de type "bouton" (comme celles utilisées dans les montres ou dans les calculatrices plates) est envisageable, mais n'espérez alors pas une grande autonomie. Si le montage doit prendre peu de place, vous pouvez penser à démonter une pile rectangulaire de 9V (6F22) et en extraire les six bâtons de 1,5V, pour n'en utiliser qu'un seul (un peu plus petit qu'une pile LR3).



Les transistors BC121 sont tout petits (boitier de type U32), ils ont une hauteur de 1,5 mm, un diamètre de 2 mm, et la longueur de leur pattes est de l'ordre du centimètre. Un peu durs à trouver de nos jours. Je ne sais pas s'il m'en reste encore (ils sont tellement petits qu'ils peuvent se trouver n'importe où dans mes casiers, qui ont été quelques peu chamboulés lors de mon dernier déménagement). Pour la bobine L1, c'est encore plus simple qu'avec le premier schéma, puisqu'ici il n'y a aucune prise intermédiaire. On bobine, on soude aux deux bouts, aussi simple qu'avec une résistance !

Proto de la version 001b

Mais avec des transistors classiques, BC108 pour Q1 et 2N2222 pour Q2. Pas de condensateur ajustable, VC1 étant remplacé par un condensateur fixe de 10 pF. Juste pour voir ce que ça donne, là aussi sur plaque d'expérimentation à pastilles.



Ce proto, au premier démarrage, n'oscillait pas du tout. J'ai modifié la valeur du condensateur fixe de 10 pF qui remplaçait VC1, par un de valeur plus faible : 6,8 pF. Là le montage à oscillé, mais à une fréquence de 48 MHz. Autant dire que sans mon analyseur de spectre, j'aurais pu chercher longtemps la porteuse dans la bande 88-108 MHz ! Car s'il y avait une petite raie harmonique 2 (96 MHz), elle était plutôt faiblarde (noyée dans le bruit). La diminution de la valeur du condensateur en parallèle sur Q2, de 6,8 pF à 3,3 pF a permis de monter un peu en fréquence, mais pas jusqu'à la bande FM, et de surcroit avec un démarrage de l'oscillation un peu plus frileux. Pour tomber dans la bande FM, j'ai finalement du retirer deux spires à L1 et utiliser un condensateur de 6,8 pF. Tout ceci pour dire que la fréquence d'oscillation dépend beaucoup des composants utilisés (notamment des transistors), mais aussi du support (type de circuit imprimé), de la longueur des pattes des composants (qui doivent toujours être les plus courtes possibles). Il est certain qu'avec un montage de ce type, sans réglage, on a moins de chances d'arriver à un fonctionnement correct immédiat. Mais ça fait partie du jeu...

Guillaume, qui a réalisé cette seconde version, est bien embêté. L'émetteur fonctionne bien, mais il avait pour mission d'être intégré dans un tout petit boitier branché directement sur un port USB (pour bénéficier d'une alim 5 V à peu de frais), et en prenant la source sonore sur la sortie ligne de la carte son de ce même PC. Bonne idée, mais... la masse de l'émetteur se voit confier le pôle positif de l'alim, et cela présente comme qui dirait une certaine incompatibilité avec le PC, dont la sortie audio et la prise USB partagent une masse "négative". Et bien entendu, intercaler un "isolateur" au niveau de la liaison BF (avec un optocoupleur) ou au niveau de l'alim, pose quelques petits problèmes d'encombrement. Je n'ai pas de solution testée à proposer, mais voici ce que je ferais si j'étais lui.

Il fut une époque ou l'on trouvait une grande quantité de schémas de montages électroniques mettant en oeuvre des transistors PNP au germanium, et dont la masse était reliée au pôle positif de l'alimentation. Il m'est arrivé à plusieurs reprises de "reprendre" un vieux schéma et de le "mettre à jour" en inversant la polarité de l'alimentation et en remplaçant les transistors PNP par des NPN. Bien sûr, d'autres petites adaptations étaient parfois nécessaires (valeurs de résistances de polarisation par exemple), mais au final ça fonctionnait. Je suis donc tenté de dire que l'on peut faire de même avec cet émetteur, ce qui pourrait aboutir à un schéma du genre suivant.



Les transistors sont cette fois des BC201 (complémentaires des BC121), et doivent être tout aussi faciles à trouver... Bref, à essayer avec des classiques BC212, BC560 ou 2N2907. 

Attention :
- Montage non réalisé et donc non testé, il faut que vous aussi preniez des (petits) risques de temps en temps...

- Le BC201 ne supporte pas plus de 5 V !!!

- Si la sortie audio niveau ligne du PC délivre une tension continue, il convient d'intercaler un condensateur de liaison en série avec les deux résistances R4 et R5.

En y réfléchissant un peu, on peut faire un peu mieux que les montages précédant. Il faut dire que ces derniers sont à l'origine conçus pour un micro et non pour une entrée ligne. Le schéma 001d qui suit est plus adapté à une entrée ligne et retrouve un pôle d'alimentation négatif à la masse, c'est moins perturbant.



Le circuit est certes un poil plus complexe mais pas de quoi fouetter un chat, de toute façon ça ne servirait à rien (le dicton "Émetteur qui fouette son chat portera plus loin" n'est que pure rumeur). On retrouve dans ce circuit émetteur deux sections indépendantes qui sont l'étage d'entrée (autour de Q1) et l'oscillateur FM (autour de Q2). Pour la bobine L1, c'est très simple, il suffit de bobiner 4 spires de fil de cuivre 8/10 sur un diamètre de 8 mm. D'un point de vue qualitatif et stabilité en fréquence, cet émetteur est de la même veine que les trois décrits avant. Il est simple et on doit se contenter de ce qu'il est capable de faire.

Prototype

Réalisé sur petite plaquette à pastilles perforées.

 
 

 

Au premier démarrage, la fréquence d'émission était de 86 MHz maximum et de 66 MHz minimum. J'ai du écarter les spires de la self et baisser un peu la valeur du condensateur C7 pour tomber dans la bande FM avec toutefois un maximum à 104 MHz. Je mets cela sur le compte du circuit imprimé utilisé (capacités parasites) et du condensateur ajustable VC1 mis en place, dont la capacité minimale est peut-être un poil trop élevée. Au niveau sonore, ça va mais ça sature assez vite si le niveau d'entrée est un peu trop élevé. Si cela vous arrive, faites comme moi et remplacez les deux résistances R1 et R2 de 10 k par des 100 k. A voir en fonction de la source sonore.