Un selfmètre HF ou comment mesurer la valeur d’une bobine haute fréquence

En connectant une self HF quelconque, bobinée sur air ou avec support et noyau, aux bornes d’entrée de ce montage, on pourra prélever, sur sa prise de sortie, un signal HF fonction de la valeur de la self. En appliquant ce signal à l’entrée d’un fréquencemètre numérique, on pourra lire la fréquence produite. Connaissant cette fréquence, il est immédiatement possible de calculer la valeur de la self en μH ou en mH.
Ce petit “selfmètre HF” n’utilise qu’un seul circuit intégré μA720 et quelques composants périphériques.


Vous nous demandez souvent d’où nous viennent toutes nos idées ! Voici donc la petite l’histoire de ce “selfmètre HF”. Espérons qu’elle vous fera envisager la conception d’un circuit d’une façon moins théorique !
Il nous est parfois arrivé de comparer la manière par laquelle un jeune concepteur aborde une réalisation et celle d’un ancien ayant plus d’expérience.
Avant de se lancer, le jeune fraîchement émoulu de l’Université, consulte d’abord toute la documentation disponible sur le sujet qui l’intéresse à la recherche du circuit intégré “qui va bien…”. S’il ne trouve pas, il se justifie en disant : “Je n’ai trouvé aucun circuit intégré adapté”, donc le projet n’est pas réalisable.
Le concepteur expérimenté, amnésique des jours passés sur les bancs de l’école, mais pouvant en revanche compter sur une grande expérience, prend le premier circuit intégré lui tombant sous la main et faisant à peu près l’affaire et cherche à adapter sa mise en oeuvre à son propre cahier des charges.

Naissance d’un “selfmètre HF” !
Il y a quelque temps, nous avons proposé l’étude d’un oscillateur HF destiné à la mesure des selfs de 0,5 μH à 400 mH à un jeune stagiaire dans notre laboratoire.
Notre concepteur en herbe, après une longue quête dans les databooks, n’ayant évidemment pas déniché l’oiseau rare, s’apprêtait à réputer impossible la conception d’un tel schéma. Un ancien a alors volé à son secours et lui a suggéré d’utiliser un μA720. Le jeune homme a repris sa quête, à la recherche de la note technique de ce circuit intégré et y a lu : “circuit intégré conçu pour réaliser un récepteur AM”, ce qu’il a rapporté au technicien secouriste : “c’est un récepteur AM et non un oscillateur HF large bande…”. Et il s’est entendu répondre que, comme ces circuits intégrés sont des récepteurs AM, ils comportent à l’intérieur des oscillateurs HF aptes à remplir la fonction recherchée. Et en effet (figure 2), l’étage oscillateur correspond aux broches 2 et 3.

Notre réalisation
Ce circuit intégré est en outre doté, à l’intérieur, au niveau de la broche 3, d’une zener stabilisant la tension d’alimentation à 7,5 V, ce qui évite toute variation de la fréquence produite. Si vous décidez de réaliser ce montage, vous pourrez calculer la valeur, en μH ou en mH, des selfs HF ou autres bobinages ou enroulements, qu’ils soient avec ou sans noyaux, à spires jointives ou écartées, cylindriques ou en nid d’abeilles… bref tout ce qui a une valeur inductive, simplement en lisant sur l’afficheur d’un fréquencemètre numérique la fréquence produite.
Vous allez pouvoir en juger par vous-même, parfois il suffit d’une idée simple et d’un seul circuit intégré pour doter son laboratoire d’un excellent instrument de mesure… sans avoir besoin de dépenser des sommes folles !

Figure 1 : Voici notre “selfmètre HF” tout monté dans son boîtier plastique. Sur la photo de gauche, couplé à un fréquencemètre numérique, il est prêt à évaluer l’inductance d’une self connectée à ses douilles XL.

Le schéma électrique du “selfmètre HF”
Vous le trouverez figure 2 et, figure 3, nous donnons le schéma synoptique du circuit intégré μA720 (UA720) utilisé.
Les broches d’entrée de l’étage oscillateur correspondent aux broches 2 et 3 : précisons que la tension positive d’alimentation de cet étage va à la broche 3. Elle est stabilisée en interne par une zener à 7,5 V, comme nous l’avons déjà dit.
La self (ou autre bobinage…) dont nous voulons connaître la valeur en μH ou en mH, est connectée aux douilles XL, derrière lesquelles est également connecté un condensateur céramique C1 de 82 pF. Si l’on actionne S1, on ajoute en parallèle sur C1 un second condensateur polyester C2 de 1 000 pF (ou 1 nF), de manière à obtenir (en parallèle les valeurs capacitives s’ajoutent) une capacité totale de : 1 000 + 82 = 1 082 pF (soit 1,082 nF).
C1 est utilisé pour faire osciller des selfs de 0,5 μH à 470 mH et C1 + C2 de 2,2 μH à 470 mH environ.
Etant donné que l’étage oscillateur est connecté en interne à un étage mélangeur (broches 1 et 14), la fréquence produite est prélevée sur la broche 14 pour être transférée, à travers C5, sur la broche d’entrée 12 de l’étage amplificateur HF. De la broche de sortie 13 de cet amplificateur HF, le signal est appliqué à la BNC de la face arrière d’où il est prélevé par un câble coaxial pour être appliqué à l’entrée du fréquencemètre numérique pouvant lire les fréquences jusqu’à 20 ou 30 MHz.
Le circuit intégré est alimenté avec une pile 6F22 de 9 V, servant également à allumer la LED DL1 (qui fait fonction de témoin de M/A de S2).

Figure 2 : Schéma électrique du “selfmètre HF”. Le circuit intégré μA720 (UA720) fait osciller les selfs appliquées aux douilles XL. Sur la broche de sortie 13 on prélève, par l’intermédiaire d’un câble coaxial, le signal HF à appliquer à l’entrée d’un fréquencemètre numérique.

Figure 3 : Brochage du circuit intégré μA720 (ou UA720, c’est le même) vu de dessus et point repère-détrompeur (ou repère-détrompeur en U selon modèle) vers le haut.

La réalisation pratique du “selfmètre HF”
Comme le montre la figure 5a, le montage de ce circuit est particulièrement facile. Quand vous êtes en possession du circuit imprimé percé et sérigraphié, montez les quelques composants en commençant par le support de l’unique circuit intégré : vérifiez bien attentivement la qualité de vos soudures (ni court-circuit entre pistes ou pastilles, ni soudure froide collée).
Ensuite, montez toutes les résistances (il y en a six !), le condensateur céramique C1, tous les condensateurs polyesters et enfin les électrolytiques (en respectant bien la polarité +/– des pattes : la plus longue étant le +), puis, à droite du condensateur polyester C8, montez la self de 18 μH JAF1.
Vous pouvez alors insérer dans son support le circuit intégré μA720 ou UA720 (repère-détrompeur en forme de point latéral ou en U, selon modèle, orienté dans le bon sens montré par la figure 5a, soit vers C5).
Toutes les connexions aux composants externes, la BNC de sortie vers le fréquencemètre numérique, les interrupteurs S1 et S2, les deux douilles rouge et noire banane d’entrée XL, la LED DL1 et la prise de pile 6F22, ne seront effectuées qu’après avoir fixé les composants sur les faces du boîtier plastique.

Figure 4 : Photo de l’un des prototypes de la platine du “selfmètre HF”.

Figure 5a : Schéma d’implantation des composants du “selfmètre HF”.
L’équerre en aluminium porte-pile est fixée côté composant du circuit imprimé par deux boulons 3MA. Elle constitue une cloison délimitant le compartiment de la pile 6F22 de 9 V.


Figure 5b : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé du “selfmètre HF”.

Liste des composants
R1 = 2,7 kΩ
R2 = 56 kΩ
R3 = 100 Ω
R4 = 330 Ω
R5 = 680 Ω
R6 = 2,2 kΩ
C1 = 82 pF céramique
C2 = 1 nF polyester
C3 = 10 μF électrolytique
C4 = 100 nF polyester
C5 = 10 nF polyester
C6 = 100 nF polyester
C7 = 100 nF polyester
C8 = 1 μF polyester
C9 = 100 μF électrolytique
JAF1 = Self 18 μH
DL1 = LED
IC1 = Intégré μA720
S1 = Interrupteur
S2 = Interrupteur


L’installation dans le boîtier plastique
Pour cela, reportez-vous aux figures 6, 7 et 8. Le petit boîtier choisi a sa face avant comme son panneau arrière en plastique. Vous avez à les percer, mais ce sera très facile avec une modeste perceuse (tous les trous sont ronds) : vous aurez besoin d’un foret de 10 mm, d’un de 6,5 mm et d’un de 5,5 mm.
A ce propos, nous vous rappelons que dans le plastique et dans la tôle d’aluminium ou dans l’époxy, les forets à bois à pointe (on trouve des séries complètes pour presque rien chez les soldeurs ou dans les grandes surfaces alimentaires bon marché, ainsi d’ailleurs que des perceuses sans fil pour moins de 30 euro) font merveille (pas besoin de pointer !). La BNC, sur le panneau arrière, a besoin d’un trou de 10 mm.
Tout le reste est en face avant : deux trous de diamètre 6,5 pour S1 et S2, deux autres pour les douilles banane et un pour le support chromé de la LED (figure 1). Enfoncez la LED et vissez les écrous plats de tous les autres composants.
Reliez-les à la platine par des morceaux de fil de cuivre simples ou doubles bicolores (sans vous tromper de polarité pour la LED, la pile et la BNC) : figures 5, 6, 7 et 8.
Sur le circuit imprimé, fixez avec deux boulons 3MA la petite équerre en aluminium destinée à soutenir la pile 6F22 et à constituer son logement.
Enfin, fixez la platine au fond horizontal du boîtier plastique à l’aide de vis auto-taraudeuses et fermez le boîtier.
Pour connecter XL, utilisez deux fiches bananes du même diamètre que les trous des douilles (comme l’écartement des rails des voix ferrées du monde, elles n’ont pas toutes le même diamètre !).

Figure 6 : La platine, surmontée de son équerre porte-pile délimitant le compartiment de la pile de 9 V 6F22, est fixée sur le fond horizontal du boîtier plastique par des vis auto-taraudeuses. La face avant et le panneau arrière seront facilement percés aux différents diamètres (10, 6,5 et 5,5 mm) avec des forets à pointe pour le bois.

Figure 7 : En face avant, on fixera (par des écrous plats) les deux interrupteurs S1 et S2 et les deux douilles XL d’entrée (où connecter le self à mesurer), ainsi que le support chromé de la LED DL1 (témoin de M/A de S2).

Figure 8 : La même vue du boîtier plastique ouvert mais par le panneau arrière où est montée la BNC de sortie du signal HF. La photo montre aussi le câblage des composants de face avant (attention à la polarité de la LED) et de la BNC (attention : fil rouge = âme et fil noir = masse, ne pas les intervertir sur le circuit imprimé).

Le calcul de la valeur de la self
Après avoir relié la sortie BNC du “selfmètre HF” au fréquencemètre numérique, lisez sur son afficheur la fréquence produite par la self à mesurer que vous avez connecté aux douilles d’entrée.
Connaissant la fréquence et la capacité appliquée (82 pF ou 1 082 pF, commutés par S1) en parallèle avec l’inductance (nous parlons ici de valeurs et non de composants, sinon nous dirions condensateur et self), nous pouvons connaître la valeur inductive de la self à évaluer XL, grâce aussi deux formules :

μH = 25 300 : (MHz x MHz x pF)
et
mH = 25 300 : (kHz x kHz x nF)

où, bien sûr, MHz x MHz fait MHz au carré et kHz x kHz fait kHz au carré (à vos calculettes !).
Un exemple pour vous exercer aux calculs.
Nous avons relié aux douilles d’entrée une self de valeur inconnue XL, nous avons inséré avec S1 la capacité de 82 pF, nous lisons une fréquence de 5,1 MHz. Le tableau de la figure 9 nous donne la première formule avec les μH :
μH = 25 300 : (MHz x MHz x pF),

dans laquelle nous insérons les valeurs connues :
25 300 : (5,1 x 5,1 x 82) = 11,86 μH.

Toujours avec la même self, actionnons S1 pour une capacité parallèle de 1 082 pF, la fréquence lue est de 1,47 MHz. Utilisons la même formule :
25 300 : (1,47 x 1,47 x 1 082) = 10,82 μH.

Deux valeurs obtenues avec la même self ? Cela est dû à la tolérance des deux condensateurs utilisés, mais aussi aux capacités parasites du montage, c’est-à-dire celles des pistes de cuivre du circuit imprimé, des connexions aux douilles : elles peuvent faire varier la capacité d’une valeur entre 15 et 18 pF environ. En fait, la self mesurée fait 10 μH, comme le montre le Tableau 1. Si nous refaisons les calculs en ajoutant à la capacité de 82 pF les 16 pF de capacité parasite, nous obtenons une capacité totale de 98 pF et donc une valeur XL de :
25 300 : (5,1 x 5,1 x 98) = 9,92 μH.

Si maintenant nous actionnons S1 pour une capacité de 1 082 pF, nous avons une capacité totale de 1 098 pF et, la fréquence étant de 1,47 MHz, nous obtenons :
25 300 : (1,47 x 1,47 x 1 098) = 10,66 μH.

Si nous faisons la moyenne des deux valeurs lues avec la première capacité puis avec la deuxième commutées avec S1 nous avons :
(9,92 + 10,66) : 2 = 10,29 μH

et nous pouvons dire que cette self a une valeur comprise entre 9,92 et 10,66 μH.

Figure 9 : Voici, au tableau, les formules nécessaires pour calculer la valeur inductive inconnue d’une self quand on connaît la fréquence en MHz ou en kHz produite par l’oscillateur et lue sur un fréquencemètre numérique.

La capacité parasite
Pour résoudre le problème de la valeur de la capacité parasite, nous devons disposer de selfs calibrées (dont la valeur est certaine, avec une faible tolérance), de manière à corriger la valeur de C1 jusqu’à lire sur l’afficheur la fréquence voulue (et calculée). Il vous faudrait pour cela des selfs de valeurs exactes :
47 μH jaune violet noir
100 μH marron noir marron
330 μH orange orange marron.

Mais même si les valeurs de ces selfs sont très précises, leur tolérance est tout de même de + ou – 3 %. Pour connaître la fréquence à lire, utilisez une de ces deux formules :
MHz = 159 : √(pF x μH)
kHz = 159 : √(nF x mH)


Note : la conversion des μH en mH est la même que celle des pF en nF (rapport de 1 à 1 000).

Exemple, XL fait 10 μH, sur l’afficheur on devrait lire :
159 : √(82 x 10) = 5,55 MHz

Si, en revanche, on prend 100 μH pour XL, on devrait lire une fréquence de :
159 : √(82 x 100) = 1,75 MHz

Comme nous savons déjà qu’à cause des capacités parasites et de la tolérance des condensateurs, on lira une fréquence moindre (Tableau 1), pour résoudre le problème on pourrait utiliser un condensateur C1 de 68 pF au lieu de 82 pF et mettre ensuite en parallèle à ces 68 pF des condensateurs de 8,2 - 10 - 12 pF, etc., jusqu’à lire une fréquence de 1,55 MHz pour une self de 10 μH et 1,75 MHz pour une de 100 μH. Une seconde solution consiste à mettre en parallèle au condensateur de 68 pF un condensateur ajustable de 20 pF et à le régler (avec un tournevis HF en plastique) jusqu’à lire la fréquence exacte voulue.
Note : au moment de souder sur le circuit imprimé un second condensateur, rappelez-vous que la chaleur du fer à souder en modifie la capacité et que donc, avant de faire une mesure, vous devez attendre que le composant soit refroidi.
Si vous ne corrigez pas cette capacité parasite, vous lirez sur l’afficheur une valeur ne correspondant pas au calcul théorique : en effet, si vous insérez une self de 47 μH et que le calcul inclut un C1 de 82 pF, vous obtenez :
159 : √(82 x 47) = 2,56 MHz

Si les capacités parasites font 15 pF, en les ajoutant à C1 cela donne 97 pF et on lit sur l’afficheur :
159 : √(97 x 47) = 2,36 MHz

Si l’on insère une self XL de 330 μH, avec des capacités parasites de 15 pF, on lit une fréquence de :
159 : √(97 x 330) = 0,888 kHz


Les selfs supérieures à 1 mH
Si nous insérons dans les douilles d’entrée XL des selfs de valeurs supérieures à 1 mH, la fréquence affichée sera en kHz au lieu d’être en MHz. Si par exemple nous prenons pour XL une self de 4,7 mH et que S1 est en position C1 = 82 pF, avec une capacité parasite de 15 pF cela fera une capacité totale de 97 pF correspondant à 0,097 nF. Si nous insérons ces valeurs dans la formule, nous avons une fréquence en kHz de :
kHz = √(159 : nF x mH)
159 : √(0,097 x 4,7) = 235 kHz

Pour effectuer l’opération inverse, il est nécessaire d’utiliser la formule :
mH = 25 300 : (kHz x kHz x nF)
25 300 : (235 x 235 x 0,097) = 4,72 mH.

Et donc, si nous considérons les tolérances des composants, nous pouvons être sûrs que cette self a une valeur moyenne de 4,7 mH.

Conclusion
Cet étage oscillateur pourra aussi vous servir à établir sur quelle fréquence s’accorde un circuit d’accord constitué d’une self et d’un condensateur en parallèle (circuit oscillant). Pour faire cette mesure, il faut ôter du circuit imprimé le C1 de 82 pF car il pourrait fausser la valeur de la fréquence. Si vous possédez des transformateurs de MF (moyenne fréquence) jamais utilisés car vous ne saviez pas si c’était des 470 kHz ou des 10,7 MHz, reliez-les aux douilles XL et vous verrez s’afficher leur fréquence avec une tolérance de + ou – 5 %.


Le Tableau 1 donne la fréquence lue avec notre prototype, en insérant une self de valeur connue quand S1 est sur C1 = 82 pF puis C2 = 1 000 pF.
Le circuit du prototype utilisé présentait une capacité parasite de 16 pF, ce qui fait pour la première portée 98 pF et pour la seconde, le condensateur C2 ayant une valeur effective de 960 pF : 82 + 16 + 960 = 1 058 pF. Nous donnons ces détails car ainsi le lecteur pourra appliquer cette logique à son propre montage, lequel aura sans doute des caractéristiques légèrement différentes.
Ce même tableau donne les valeurs en MHz et en kHz que, théoriquement, vous pouvez lire sur un fréquencemètre numérique en reliant aux douilles d’entrée XL du circuit de la figure 2 des selfs dont les valeurs inductives sont égales à celles indiquées dans la première colonne, exprimées en μH ou en mH. Songez toujours que les valeurs de fréquences sont indicatives, car vous aurez toujours une différente causée par la tolérance des condensateurs C1 et C2 et des selfs. Par conséquent, si vous voulez déterminer avec une bonne approximation la valeur inductive inconnue d’une self, il vous faudra toujours effectuer une lecture de fréquence en plaçant S1 sur C1, puis sur C1 + C2, puis faire une moyenne entre les deux valeurs lues.
Par exemple, si S1 étant sur C1, vous lisez 6,1 MHz, vous pouvez calculer la valeur inductive avec la première formule du tableau de la figure 9 :
25 300 : (6,1 x 6,1 x 98) = 6,93 μH.

Si S1 est sur C1 + C2, vous lisez 1,8 MHz, ce qui correspond à :
25 300 : (1,8 x 1,8 x 1 098) = 7,11 μH.

Faisons la moyenne des deux valeurs : (6,93 + 7,11) : 2 = 7,02 μH, on peut donc conclure que la valeur inductive mesurée est de 7 μH.

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