Analyse d'un circuit simple : Vol + Tone (partie 1) - L'électronique pour le musicien partie 12

On va commen­cer tout doux, et complexi­fier les choses article après article. Pour cela, nous allons commen­cer en nous foca­li­sant sur les concepts d’at­té­nua­teur et de filtre passif. Dans un premier temps, on va prendre un exemple tiré du réel, et connu de tous, un exemple rès simple et qui nous permet­tra de commen­cer à employer des notions et des calculs vus dans les articles précé­dants : le double contrôle volume/tona­lité, celui que l’on trouve sur une guitare (ou une basse, ou un Rhodes… c’est pareil). Cet article est donc pensé pour les plus débu­tants, pour qui j’es­saie­rai de décor­tiquer ce circuit et d’ex­pliquer la fonc­tion de chaque compo­sant. Que les lecteurs plus chevron­nés se rassurent, on complexi­fiera progres­si­ve­ment les choses dans les prochains articles.

De zéro à onze

Pour notre étude, nous omet­trons le sélec­teur de micro (ou nous consi­dé­re­rons que la guitare n’a qu’un micro, ce qui revient vrai­ment au même). Un micro est un trans­duc­teur, géné­ra­teur de tension alter­na­tive, nous le symbo­li­se­rons donc de la façon suivante : 

À ses bornes appa­raît une tension géné­rée par la vibra­tion des cordes (j’avais expliqué cela ici). On pour­rait direc­te­ment connec­ter ce géné­ra­teur à l’en­trée d’un ampli­fi­ca­teur, certains font d’ailleurs des montages où ils éliminent tous les potards de leur guitare. Dans notre cas, disons que nous voulons un montage plus « clas­sique », qui nous permet­tra de contrô­ler le volume sonore. Puisque le micro est un géné­ra­teur de tension, cela revient à dire que l’on souhaite contrô­ler la tension qu’il génère, tout simple­ment. Pour cela, on ajoute un poten­tio­mètre, en paral­lèle avec la source. La tension à la sortie (c’est à dire sur le Jack de l’ins­tru­ment) du système est prise sur les bornes 2 et 1 du poten­tio­mètre (cf. sur la droite du schéma), tandis que le signal arrive depuis le micro sur sa borne 3. Pour réfé­rence voici la numé­ro­ta­tion stan­dard des bornes d’un potard.

Comme nous l’avions expliqué un poten­tio­mètre agit comme deux résis­tances en série, dont les valeurs changent selon le mouve­ment rota­tif, avec une borne connec­tée entre les deux résis­tances. Il serait donc possible de redes­si­ner notre schéma de la façon suivante : le poten­tio­mètre est remplacé symbo­lique­ment par R1 et R2. Atten­tion, ce rempla­ce­ment est tota­le­ment théo­rique ! Il s’agit toujours bien d’un poten­tio­mètre mais dont le fonc­tion­ne­ment interne est symbo­lisé sous la forme de R1 et R2. Lorsque l’on tourne le poten­tio­mètre, la valeur des résis­tances changent : quand R1 augmente, R2 dimi­nue, et inver­se­ment.

Donc, qu’est-ce que l’on voit main­te­nant dans le schéma ? Une source de tension alter­na­tive V1, et deux résis­tances (fictives) R1 et R2.

Si vous regar­dez bien le schéma, cela vous rappelle peut-être un montage que nous avons déjà étudié : c’est un pont divi­seur de tension ! Comme je l’avais expliqué, un pont divi­seur reçoit une tension à ses bornes exté­rieures, et génère des tensions plus faibles aux bornes de chaque résis­tance. La somme des tensions présentent aux bornes de chaque résis­tance est égale à la tension totale. Nous avions vu son fonc­tion­ne­ment en courant continu (CC), mais ici nosu avons un courant alter­na­tif (CA)… Eh bien, pas de problème puisque dans le cas des résis­tances, la loi d’ohm valable en CC se trans­late tel quel en AC. Rappel­lez-vous, nous l’avons expliqué ici : Z = U/I. Donc pour un signl alter­na­tif, un pont divi­seur fait de résis­tances fonc­tionne exac­te­ment comme en CC.

Le poten­tio­mètre agit donc comme un pont divi­seur variable, qui permet d’ob­te­nir à son point central une tension réglable, à partir de la tension géné­rée par le micro.

NB : on revient ici à ce que l’on avait dit dans le primier article : des compo­sants passifs ne permettent pas d’am­pli­fier un signal, seule­ment de l’at­té­nuer. Cette atté­nua­tion peut agir sur certaines fréquences de façon sélec­tive (conden­sa­teurs, induc­tances) ou sur toutes les fréquences (résis­tance). Pour cette raison, un poten­tio­mètre de volume ne permet jamais à propre­ment parler « d’aug­men­ter le volume » lorsqu’on le tourne. Sa fonc­tion est d’at­té­nuer le volume : donc, en réalité, plus on le tourne, moins on atté­nue le signal, plus on obtient du volume.

Dans ma guitare

Pour rendre cela plus parlant, voilà ce montage tel qu’il est réalisé dans une guitare. La guitare c’est ma Mustang, que j’ai ouverte pour l’oc­ca­sion. Le signal arrive du micro par le câble blanc au potard nommé V (volume) sur la photo, et est connecté sur sa borne 3. Il repart par le câble rouge, depuis la borne 2, jusqu’à la fiche Jack qui sert de connec­teur de sortie. Et la borne 1 ? Elle est soudée sur le corps du poten­tio­mètre qui sert de point central pour connec­ter diffé­rent éléments qui sont à la masse (tous avec des câbles noirs) : remarquez qu’un de ces câbles noirs va bien au Jack. Le Jack, la sortie donc, est bien connec­tée entre les bornes 2 et 1 du poten­tio­mètre.

Pour finir sur ce montage, prenons un exemple théo­rique : disons que, sur une attaque de corde, ce micro produise un signal de 100mV (milli­volts) à ses bornes. On insère dans le circuit un poten­tio­mètre linéaire de 100KΩ. Lorsque le poten­tio­mètre est à la moitié de sa course, on obtient un pont divi­seur de deux résis­tances de 50KΩ.

On remarque qu’entre les deux bornes de sorties (ou aux bornes de R2, ce qui revient au même), on obtient une tension de 50mV (atté­nuée de moitié donc). Si l’on tourne le poten­tio­mètre, on change la valeur de R1 et R2 et l’on fait varier cette tension de sortie.

NB : Atten­tion, en vérité, ça ne serait pas un portard linéaire, mais un potard log. Je vous renvois à la lecture de cet article si vous avez oublié la diffé­rence, ou que vous vous deman­dez pourquoi.

On peut même atté­nuer le signal jusqu’au silence : comme on le voit sur le schéma ci-dessus, le géné­ra­teur et le poten­tio­mètre sont tous deux reliés, sur une de leurs bornes, à la masse (= 0 volts, symbo­lisé par une « flèche » poin­tant vers le bas). On peut, en tour­nant le poten­tio­mètre, augmen­ter la valeur de R1 et réduire celle de R2. Si l’on tourne le potard jusqu’au bout, on finit avec R1 = 100KΩ, R2 = 0Ω ! R2 devient inexis­tante : la sortie du système est reliée direc­te­ment à la masse : la tension de sortie = 0 volts.

Allez, rajou­tons un potard de plus…

Passe-moi le bas

Nous allons main­te­nant ajou­ter un second poten­tio­mètre pour gérer la tona­lité du micro. « Tona­lité » est un terme assez flou, d’un point de vue tech­nique. Il faudrait plutôt parler de bande passante, puisque ce deuxième contrôle va nous permettre d’at­té­nuer les aigus du micro. On va donc créer un filtre passe-bas réglable. Comme son nom l’in­dique il laisse « passer le bas » donc… il coupe le haut.

Comment réali­ser cela ? On sait déjà, vu qu’il s’agit d’un potard de tona­lité, qu’on va utili­ser… un poten­tio­mètre. Mais pour filtrer les fréquences aiguës, il va nous falloir un compo­sant adéquat : un conden­sa­teur. On avait rapi­de­ment vu cette notion ici et je cite mon propre article : « en théo­rie, un conden­sa­teur idéal s’op­pose moins aux fréquences aiguës, et plus aux graves : il a un compor­te­ment théo­rique simi­laire à un filtre passe-haut. »

S’il laisse passer le haut du spectre audio, il peut donc servir à le conser­ver (filtre passe-haut) ou à l’éli­mi­ner (dans un filtre passe bas). Tout dépend de comment il est implé­menté.

Voilà un schéma clas­sique de contrôle de tona­lité : 

On a juste ajouté le poten­tio­mètre R2 et le conden­sa­teur C1. Comme pour le contrôle de volume, je propose de trans­for­mer ce schéma afin d’en­vi­sa­ger le poten­tio­mètre R2 comme un réseau de résis­tances. On obtient donc cela : 

On remarque tout de suite que la résis­tance R3 ne sert à rien. Elle est lais­sée flot­tante et ne fait pas partie du circuit. On peut donc l’en­le­ver.

R2 repré­sente main­te­nant la partie utile du poten­tio­mètre : c’est un seule résis­tance dont la valeur est variable selon les mouve­ments du potard. Comment est-ce que cela fonc­tionne ? Car un filtre passe-bas, théo­rique­ment cela ressemble à l’image ci-contre. Pour comprendre ce qui se passe, il faut reve­nir à l’ar­ticle sur l’im­pé­dance. Dans la dernière partie j’ex­pliquais comment chaque compo­sant possède sa résis­tance, induc­tance et capa­ci­tance interne. Le micro de la guitare n’y coupe pas. Il a donc une résis­tance interne, en série. Ajou­tons là au schéma, on la nomme RV1 (résis­tance de V1) :

Et qu’est-ce que l’on retrouve ? Encore un pont divi­seur, formé de RV1 et du couple R2/C1 !

Il faut bien garder en tête, pour comprendre son fonc­tion­ne­ment, que le conden­sa­teur (C1) présente une impé­dance diffé­rente selon les fréquences (impé­dance plus forte dans les graves, plus faible dans les aigus) ; en revanche la résis­tance (R2) présente une impé­dance égale, peu importe la fréquence : son impé­dance est seule­ment fonc­tion de sa valeur résis­tive.

Du point de vue des fréquences graves, peu importe que la résis­tance R2 soit dimi­nuée jusqu’à 0Ω, car le conden­sa­teur C1 conti­nue de présen­ter une forte impé­dance. Mais du point de vue des aigus, R2 est cruciale car C1 est pratique­ment à 0Ω ! C’est comme si le conden­sa­teur était « invi­sible » pour elles : plus la valeur de R2 baisse, plus la plage de fréquence aigu se trouve connec­tée direc­te­ment à la masse, et donc proche du 0V. On peut même vulga­ri­ser ce fonc­tion­ne­ment en disant que moins les fréquences aigus ne rencontrent de résis­tance de la part de R2, plus elles « passent au travers » du conden­sa­teur et vont « se perdre » à la masse.

Le potard de tona­lité, c’est donc un atté­nua­teur (comme le volume) mais qui agit diffé­rem­ment selon les fréquences.

Quelques soudures plus tard…

Dans notre guitare, cela donne quoi ? Le potard T (Tona­lité) voit sa borne 1 reliée à la borne 3 du potard V (câble bleu). Un conden­sa­teur dont la valeur doit être choisi, et peut être calcu­lée (mais ça c’est pour le prochain arti­cle…) est soudé entre la borne 2 et le corps du potard. Alors, on peut se deman­der : mais ce potard n’est pas relié par un câble noir à la masse, comme les autres. Certes, mais son corps est en contact avec le métal qui recouvre la plaque de la guitare, et le corps de l’autre poten­tio­mètre aussi… donc ils doivent être reliés par cette feuille de métal. On veut en avoir le coeur net ? On mesure la résis­tance au multi­mètre, en mettant une sonde sur le capot de chaque poten­tio­mètre. Résul­tat : 

Résis­tance ultra basse entre leur deux capots, il sont tous les deux à la masse.

La semaine prochaine, on conti­nue sur ces deux contrôles en testant leurs compor­te­ments, en propo­sant d’autres sché­mas, en étudiant leurs inter­ac­tions avec le micro…