Electronique > Réalisations > Boucle magnétique Rx (récepteur) 001

Dernière mise à jour : 22/08/2021

Présentation

Le montage présenté ici est un récepteur qui permet de recevoir et d'écouter sur casque, une modulation audio par le biais d'une boucle magnétique.


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Simple à réaliser, alimenté par une pile ou une batterie, ce récepteur ne nécessite que des composants courants et peu coûteux. Deux versions ont été réalisées :

- Version 001 : avec composants traversants et bobine "3D" composée de spires de fil fin de cuivre
- Version 001b : avec composants CMS et bobine "2D" imprimée sur PCB


Avertissement

Les deux versions s'appuient sur le même schéma de base, mais la seconde version (001b) est moins sensible et plus directive que la première (001). L'objectif de cette seconde version n'était pas de faire mieux que la première, mais de montrer à mes élèves la problématique liée à la directivité d'un récepteur de boucle magnétique dans une zone couverte par une boucle simple ou "en 8".


Fonctionnement d'une boucle magnétique

Une boucle magnétique repose sur un procédé de transmission et d'induction électromagnétique, avec un émetteur Tx et un ou plusieurs récepteurs Rx.

L'émetteur Tx est composé d'un amplificateur audio de puissance et d'une boucle électrique de plus ou moins grandes dimensions, qui n'est rien d'autre qu'un long fil conducteur de cuivre. Cette boucle peut couvrir (en l'entourant) une large surface telle qu'une pièce de maison, une salle de cinéma ou de conférence, ou une zone plus réduite comme celle d'un guichet ou bureau d'accueil par exemple. Le fil d'émission peut être installé en hauteur (plafond), à "hauteur d'oreille" ou au sol, de façon définitive ou temporaire (détails un peu plus loin). Il peut s'agir d'une boucle simple, d'une boucle en "8" ou adoptant une autre disposition, selon la surface à couvrir, l'environnement direct et le besoin de ne pas trop "déborder" vers l'extérieur. Un amplificateur pour boucle magnétique peut être portable et inclure la boucle magnétique dans son coffret (dans ce cas, la portée est faible, d'environ 1 mètre). Le fil de la boucle est traversé par un courant dont l'intensité varie avec la source audio, la source sonore électrique venant de la sortie de l'amplificateur audio de puissance. Le fonctionnement est analogue au fonctionnement d'un haut-parleur mais tout cela se fait en silence puisqu'ici l'idée n'est pas de transformer l'énergie électrique en énergie acoustique. En résumé, la boucle du fil d'émission transforme les variations de courant électrique (qui représentent le son) en variations d'énergie électromagnétique qui peuvent se propager (en silence) dans l'air. Un amplificateur audio standard peut convenir pour la partie émission (testé et vérifié), mais de meilleurs résultats sont obtenus avec un amplificateur dédié.

Le récepteur Rx effectue l'opération inverse de celle effectuée par l'émetteur Tx : il transforme les variations de champ électromagnétique reçu en variations de signal électrique. Ces dernières, une fois amplifiées, peuvent alimenter un casque audio qui restitue le son sous forme acoustique.


Le couple Tx+Rx ressemble à un transformateur BF !

En effet, une boucle magnétique repose sur le même principe de transfert d'énergie (induction électromagnétique) que celui mis en oeuvre pour les transformateurs audio et les transformateurs d'alimentation. La grosse différence repose sur la distance élevée qui sépare la bobine primaire (qui émet le flux magnétique) de la bobine secondaire (qui le reçoit). Avec un transformateur d'alimentation ou transformateur audio, les deux bobines sont très proches l'une de l'autre pour un rendement optimal (l'amplitude du champ magnétique en un point de réception donné, diminue avec la distance par rapport au point d'émission). Les deux bobines d'émission et de réception d'une boucle magnétique étant très éloignées, cela impose d'une part d'émettre un champ magnétique conséquent (ampliifcateur audio de plusieurs dizaines de watts pour des surfaces à couvrir moyennes) et d'autre part d'avoir un récepteur sensible (capable de s'en sortir avec un champ électromagnétique reçu de faible amplitude). Dans la pratique, ces deux contraintes ne posent pas de problème puisqu'on sait réaliser des amplificateurs audio de forte puissance et des récepteurs assez sensibles pour ce type d'usage. Dans le descriptif qui va suivre, la bobine d'émission Tx sera appelée L1, elle sera composée d'une ou plusieurs spires de grand "diamètre". La bobine de réception Rx sera appelée L2, elle sera de petites dimensions et composée d'un grand nombre de spires.

Remarques


Ou trouve-t-on des boucles magnétiques ?

Le premier montage que j'ai réalisé (schéma 001) a été élaboré pour des besoins personnels en maison individuelle, je ne savais pas encore à cette époque qu'il existait (ou qu'il existerait) des boucles magnétiques dans les lieux publics ! Le principe de fonctionnement de ce montage est rigoureusement identique à celui adopté pour les boucles magnétiques installées dans des zones publiques telles que lieux culturels, théâtres, musés, cinémas, églises, salles de conférences, salles des fêtes, mairies, ou à tout autre endroit où un dialogue doit s'opérer (guichets de gares par exemple). La présence d'une boucle magnétique dans un lieu public est signalée par un  logo (pictogramme) destiné aux malentendants équipés d'un appareil auditif disposant d'un commutateur avec position "T" (T comme Téléphone), qui peuvent ainsi profiter d'une écoute plus confortable, puisque ce qu'ils entendent alors vient d'une source "propre" et exempte des bruits ambiants.


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Liens divers
http://www.infomobi.com
http://www.canford.fr

Avertissement

Même si a priori rien ne l'interdit, le montage décrit ici n'a pas été étudié pour être utilisé par un malentendant.


Schéma 001 - Version initiale

Le récepteur proposé ici date quelque peu, il a été élaboré sur la base d'un schéma existant (source "Le Haut-Parleur" N°1196, qui lui-même était inspiré d'une description faite dans la revue "Radiorama"). Le schéma d'origine mettait en oeuvre des transistors au germanium de type AC128, composants obsolètes que j'ai remplacés par un transistor plus récent de type BC109 (d'autres peuvent convenir) associé à un ampli intégré LM386. Par la même occasion, j'en ai profité pour mettre le pôle négatif de l'alimentation à la masse.


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Principe général de fonctionnement

La bobine L1, qui fait le tour du plafond, constitue la partie rayonnante (émission) et est reliée sur la sortie d'un amplificateur de puissance BF, que vous pouvez fabriquer pour l'occasion si vous (ou vos parents) avez peur pour votre ampli hifi (voir paragraphe suivant). La bobine L2 fait partie intégrante du récepteur, et capte le champ électromagnétique créé et diffusé par L1. Sa réalisation est peut-être le point le plus "casse-pied" du système, mais fort heureusement il n'est pas critique (nous verrons celà plus loin). Le faible signal électrique fourni par la bobine L2 est amplifié par le transistor Q1, monté en émetteur commun. Le signal amplifié est recueilli sur le collecteur de Q1 et est appliqué à l'entrée d'un amplificateur intégré de type LM386, à travers le potentiomètre de volume RV1, de type logarithmique. Le gain du LM386 est fixé à son maximum, c'est à dire à 200 (46 dB), grâce au condensateur C3 directement cablé entre les broches 1 et 8 du circuit intégré. 

Le potentiomètre RV1 est optionel pour un usage "maison", si le bouton de réglage du niveau de l'émetteur (volume amplificateur) est à proximité. Dans les autres cas, ce potentiomètre est absolument impératif, puisque l'amplitude du signal reçu dépend d'une part de l'amplitude du signal émis, mais aussi (et surtout) de la position du récepteur dans la zone de couverture permise par la boucle d'émission. 

Le condensateur de liaison C4 évite d'envoyer une tension continue de quelques volts aux écouteurs, ce qu'ils ne peuvent qu'apprécier. 

L'alimentation du LM386 et du transistor Q1 est assurée par une pile 9 V, découplée par les condensateurs C5 et C6. La consommation de l'ensemble est voisine de 12 mA, ce qui impose l'emploi d'une pile 9 V alcaline ou d'un accumulateur (un modèle 7V2 convient parfaitement).


Remarque sur la bande passante

Ce type de récepteur n'a pas besoin d'une bande passante étendue, une plage de 85 Hz à 6 kHz suffit. On peut même filtrer davantage dans le bas du spectre, en "coupant" par exemple à 300 Hz ou 400 Hz. Un tel filtrage permet en particulier de limiter la gêne due aux appareils 230 V qui rayonnent un peu trop dans les alentours.

Abaisser la valeur du condensateur C1 contribue à relever la fréquence de coupure basse. La fréquence de coupure basse dépend également de C2 et C3. Ces deux derniers sont en effet utilisés en "couplage liaison" et forment un filtre coupe-bas en association avec l'impédance des composants qui y font suite.

Schéma 001b - Version CMS avec bobine imprimée sur PCB

Le schéma dans sa globalité est identique au précédent, quelques composants ont été ajoutés, d'autres ont vu leur valeur modifiée.


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La bobine L2 imprimée en "2D" sur le PCB comporte moins de spires que la bobine "3D" utilisée pour la version 001. L'orientation du récepteur est plus "critique" et la sensibilité du récepteur s'en trouve amoindrie, mais elle est (heureusement) encore suffisante pour effectuer des tests pertinents.

Un condensateur de liaison a été ajouté entre le curseur du potentiomètre RV1 et l'entrée de l'amplificateur intégré LM386, désormais en version CMS. A propos de cet amplificateur, j'aurais bien sûr eu intérêt à utiliser un amplificateur numérique (classe D) pour réduire la consommation globale. Cela fera peut-être l'objet d'une révision future. Pour l'instant il n'y a rien de prioritaire, puisque l'objectif de ce circuit se limite à réaliser des démonstrations en écoles. 

Une cellule de Boucherot composée de R4 et C5 a été prévue entre la sortie de l'ampli LM386, mais je ne l'ai pas câblée sur mon prototype.


Type et puissance de l'amplificateur BF

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Puissance nécessaire

La puissance que doit être en mesure de délivrer l'amplificateur audio dont on relie la sortie à la boucle L1, dépend de la surface à couvrir. On estime que 30 W suffisent pour couvrir une surface de 100 m2, et qu'une puissance de 150 W est nécessaire pour une surface de 500 m2 (en absence de larges surfaces métallique absorbantes). Si votre salon fait 30 m2, on peut estimer qu'une puissance de 10 W à 20 W est suffisante. En fait, une puissance de quelques watts seulement suffit pour commencer à entendre assez bien dans le récepteur. Mais le récepteur étant un capteur de champs magnétique à part entière, sans filtrage d'aucune sorte, il est en mesure de capter d'autres sources de champs non désirés, tel que le 50 Hz (et ses harmoniques) rayonné par les transformateurs de certains appareils électronique, ou le rayonnement des tubes fluorescent. Il convient donc d'éloigner le récepteur des sources parasites, et en même temps de trouver un bon compromis entre puissance émise et rapport signal / bruit désiré. Si le récepteur capte beaucoup de champs parasites, on est bien obligé de monter la puissance côté boucle d'émission pour passer correctement au-dessus des bruits non désirés. Cet aspect des choses met en évidence un point un poil contradictoire avec l'idée de départ, qui consistait à rendre le récepteur assez sensible pour éviter d'utiliser une puissance élevée à l'émission... En tout cas si la zone de couverture souhaitée se trouve dans un endroit fortement parasité.

Remarque : la portée du système s'étend un peu au-delà de la boucle, et le champ magnétique émis passe à travers les murs. 


Choix de l'ampli

Pour ce genre d'utilisation, il est plutôt conseillé d'utiliser un amplificateur de type Public-Adress (PA) ou un amplificateur de sonorisation, même de bas de gamme, car ce type d'ampli se comporte généralement mieux sur des impédances faibles et est mieux protégé contre les surcharges et court-circuits. Un ampli pour autoradio à base de TDA2002 ou TDA2003 (ou pourquoi pas un ampli à base de TDA2030) peut aussi être un bon candidat.


Ampli BF 008

A l'extrème limite, un amplificateur hifi (de salon) peut aussi fairer l'affaire. Là encore, attention à l'impédance de charge. Un fil conducteur court peut présenter une résistance en continu de valeur insuffisante et dangereuse pour l'ampli. Faites en sorte que la résistance en continu de la boucle soit au moins égale à la valeur minimale tolérée par l'ampli (par exemple 4 ohms). Au besoin, ajouter une résistance de puissance en série avec la boucle pour faire le complément (1 ohm à 3,3 ohms par exemple). Cette résistance provoquera bien évidement une perte de niveau du signal rayonné et obligera à monter davantage le volume de l'ampli, mais au moins ce dernier sera protégé.

Pour un usage professionnel, il faut impérativement utiliser un amplificateur spécialement conçu pour cet usage (commercialement appelé amplificateur pour boucle magnétique), par exemple chez Ampetronic (je cite cette marque au hasard, il en existe d'autres). 

Parce que cela devait bien arriver un jour, j'ai également réalisé un amplificateur audio de puissance modérée (7 W à 18 W) pour boucle magnétique (Boucle magnétique Tx 001).


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Boucle magnétique Tx 001

Améliorations possibles côté parasitage (moins amateur)

Dans le circuit d'émission, on peut ajouter un récepteur identique à ceux utilisés dans la zone couverte pour limiter l'influence de perturbations magnétiques locales. Le signal reçu par ce récepteur supplémentaire (lui aussi placé dans la zone couverte) peut en effet être utilisé pour réinjecter au point d'émission, des signaux "contraires" aux signaux parasites reçus. Cette façon de faire est implémentée sur certains amplificateurs de boucle magnétique professionnels. Le procédé n'est pas parfait car pour fonctionner la perturbation doit être reçue à l'identique partout dans la zone couverte. Mais cela peut toutefois grandement améliorer la qualité de réception.

Si le message véhiculé est de la voix, on peut limiter la bande passante (côtés émission et réception). La "qualité sonore exprimée par des chiffres techniques" en prend un coup, mais cela présente l'avantage d'augmenter l'intelligibilité et de moins fatiguer l'oreille de l'auditeur. Dans ce cas de figure en effet, point besoin d'aller en dessous de 80-100 Hz ni au dessus de 10 kHz. Rappellons que les systèmes de boucle magnétique professionnels limitent la bande passante à environ 6000 Hz.

Prototypes

La réalisation des bobines avec du fil électrique s'avère être l'opération la plus drôle. Côté émission, ce n'est pas trop compliqué, car la section du câble le rend assez robuste et la pose n'est pas très critique. En revanche pour le récepteur, il faut utiliser du fil très fin pour conserver des dimensions raisonnables, malgré les dizaines ou centaines de spires requises.


Mon prototype (schéma 001)

Aucune photo de mon premier prototype, pour deux raisons. La première est que je n'avais pas d'appareil photo à l'époque des faits. La seconde est que ce montage fait partie des nombreux objets disparus au cours de mes déménagements successifs. J'ai décidé de le refaire et suis actuellement en attente de réception du PCB qui est sorti de fabrication.


Réalisation bobine primaire (L1, côté émission)

Côté émission, il faut se payer la fixation d'un long fil isolé (diamètre 4/10 mm ou 5/10 mm) qui court le long du plafond. Si vous disposez d'une très grande pièce, il est possible que deux spires suffisent, mais je conseille tout de même d'en réaliser trois ou quatre. Ma première expérience avec ce système, qui remonte aux années 1980, s'était limitée à la réalisation d'une bobine d'émission de diamètre modeste, car je ne souhaitais pas engendrer des craintes légitimes chez ceux qui me regardaient avec plus d'attention dès que je commençais à déployer quelques mètres de fils électriques.


Réalisation bobine secondaire (L2, côté réception)

Côté réception, il faut se farcir entre 100 et 400 spires de fil fin (diamètre 2/10 à 4/10 mm) à bobiner sur un petit baton de ferrite plat. A la lecture de ces lignes, vous penserez certainement qu'il est plus simple de construire un émetteur VHF (dont les voisins peuvent profiter) ou un système à infrarouges (qui imposent une certaine directivité entre émetteur et récepteur). A vous de juger si cela en vaut la chandelle... J'ai la chance d'avoir récupéré plusieurs batonnets de ferrite dans divers récepteurs AM (GO et PO) en panne dont la destination finale s'avérait être un panier métallique que l'on vide quand il est plein.


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Parmi tous les batonnets récupérés, deux étaient plats, j'ai choisi le plus petit. Dit en passant, faites bien attention avec les batons ferrites, qui sont très fragiles et se cassent pour un rien ! Eviter tout choc.

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Pas courageux pour un sou, j'ai eu l'idée de récupérer un bobinage tout fait qui était enroulé sur un des batonnets ronds, en me disant qu'en l'applatissant un peu, il s'insererait bien autour du batonnet plat.

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Malheureusement, il manquait un malheureux millimètre pour que tout se mette en place, ce qui m'a obligé à me taper le bobinage. Si on ne cherche pas à faire au plus vite, le fil se casse moins souvent ou pas du tout...

Remarque : pas essayé, mais quid d'un vieux transfo BF tel que ceux utilisés dans les vieux récepteurs portables et talkie-walkies ? On pourrait peut-être aussi utiliser son enroulement primaire ou secondaire, non ?


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Position de la boucle d'émission

Dans certains articles, on peut lire qu'il est conseillé de placer la boucle en haut du plafond, ce qui correspond à une hauteur d'environ 2 mètres. Dans d'autres articles, il est préconisé de mettre la boucle à hauteur des oreilles d'une personne de taille moyenne assise, c'est à dire à une hauteur d'environ 1,30 mètres. Dans d'autres enfin, il est indiqué que la boucle peut être placée au sol. On peut toujours essayer d'imaginer une boucle "en 8" positionnée à 1,30 m de haut... 

La boucle n'a pas besoin de rester au même niveau de hauteur sur toute sa longueur. Il est tout à fait possible de la fixer à une hauteur de 1,50 mètre le long des murs, et de la faire grimper au dessus du montant des portes, de telle sorte qu'il devient inutile de placer un écriteau de type "Attention au fil" à chaque emplacement de porte. Pour une installation dans un monument à plafond haut (église, chateau), la question se pose moins... Attention aussi à la pose près de murs en béton armé ou vers des surfaces métalliques de grand volume, qui absorbe une grande partie du champs rayonné et diminue la qualité de la réception (affaiblissement et distorsion).


Position de la boucle de réception

La bobine de réception L2 présente une certaine directivité, sa position influe sur le niveau de réception. Elle doit être positionnée verticalement pour une sensibilité maximale.


Prototype de Thierry O. (schéma 001)

Thierry a réalisé cette boucle pour usage en spéléologie, toute l'électronique et la pile sont logées dans une carcasse de récepteur FM. La bobine de réception (L2) est déportée dans un tube plastique de dimensions modestes.


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Merci Thierry pour ces retours positifs et photos.

Prototype de Jean-François S. (schéma 001)

J.F.S. (01/05/2017) : je viens de réaliser un petit amplificateur basique avec un TDA2003 alimenté en 12v avec un fil tendu autour de mon salon et une charge de 3.3 ohms en série. Le résultat est surprenant, la réception est très bonne à l'intérieur de cette boucle. Il me reste quelques modifs à trouver de façon à ameliorer la qualité sonore.

Merci Jean-François pour ce retour très intéressant !


Circuits imprimés (PCB)

Réalisés pour les deux versions 001 et 001b.


Circuit 001

Ce circuit qui correspond au premier schéma (001) a été réalisé bien après la construction de mon premier prototype que je ne retrouve plus, mais que j'aurai plaisir à refaire, je suis d'ailleurs en attente de réception de ce PCB ;)


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Circuit 001b

Ce circuit qui correspond au schéma 001b a été réalisé, je le rappelle, uniquement dans un but didactique en contexte scolaire. Moins performant, il présente en revanche l'avantage d'éviter la réalisation d'une bobine de réception avec du fil fin.


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Historique

22/08/2021
- Ajout version 001b avec bobine imprimée sur PCB.

07/05/2017
- Ajout précisions sur l'ampli utilisable pour la boucle d'émission.
- Ajout retours de Jean-François S.

10/08/2014
- Ajout photos de Thierry O., qui utilise cette boucle magnétique en spéléologie.

26/01/2008
- Première mise à disposition.