Sujet N° 21
publicité
Sujet 21 1/6 AMPLIFICATEUR OPERATIONNEL EN COMPARATEUR 1. PRESENTATION DE L'AMPLIFICATEUR OPERATIONNEL 1.1. LE COMPOSANT C'est un circuit intégré, c'est à dire qu'il est constitué de plusieurs composants regroupés à l'intérieur d'un boîtier plastique. Plusieurs conditionnements de boîtier sont possibles. Exemple du LM 358 boîtier DIP 8 vu de dessus (le composant possède huit bornes ou pattes). 8 7 6 5 Détrompeur LM 358 1 2 3 4 L'amplificateur opérationnel est aussi appelé rapidement Ampli-op ou Aop. 1.2. ALIMENTATION Comme tout circuit intégré, un amplificateur opérationnel ne peut fonctionner que s'il est "alimenté". On signifie par là qu'un générateur continu, appelé alimentation, doit fournir l'énergie nécessaire au bon fonctionnement du composant Deux des huit bornes du circuit sont donc connectées à un générateur continu (patte 4 et 8): la borne 4 doit être connectée au potentiel continu le plus faible Valim la borne 8 doit être connectée au potentiel continu le plus élevé Valim+ Deux exemples de circuit d'alimentation. Pour chaque cas, exprimer les potentiels V4=Valim- et V8=Valim+ des pattes 4 et 8. On rappelle que les potentiels représentent, en fait, les d.d.p par rapport à la masse M. alimentation mono tension alimentation double symétrique V8 V8 UCC UCC LM358 LM 358 M UCC V4 Valim+ = Valim- = V4 M Valim+ = Valim- = Sujet 21 2/6 1.3. SYMBOLES L'Aop possède, de plus, trois bornes qui permettent de l'utiliser dans un circuit : deux bornes d'entrées, E+ (patte 3) et E- (patte 2), une borne de sortie S (patte 1). On trouve l'un ou l'autre des deux symboles suivants. Valim+ Valim+ Valim+ et Valim- : alimentations Valim- ValimPour des raisons de lisibilité les bornes d'alimentation sont souvent omises sur le symbole. 1.4. PRINCIPALES PROPRIETES La tension de sortie vérifie toujours : Valim-<VS<Valim+ 1.5. TROIS TYPES DE FONCTIONNEMENT L'Aop fonctionne en boucle ouverte s'il n'existe aucun trajet électrique entre la sortie et l'une quelconque des entrées (excepté le trajet passant par la masse M). L'Aop fonctionne en boucle fermée sur le + s'il existe un trajet entre la sortie et l'entrée E+ (sans compter le trajet qui passe par la masse M). L'Aop fonctionne en boucle fermée sur le - s'il existe un trajet entre la sortie et l'entrée E- (sans compter le trajet qui passe par la masse M). Passer en rouge tous les points qui sont à la masse (potentiel zéro), indiquer sous les circuits si l'Aop fonctionne en boucle ouverte, en boucle fermée sur le + ou en boucle fermée sur le -. Sujet 21 3/6 Selon le type de fonctionnement le comportement de l'Aop est totalement différent. Le but de ce TP est d'étudier le fonctionnement de l'Aop en boucle ouverte. 2. CARACTERISTIQUE DE L'AOP EN BOUCLE OUVERTE Ouvrir le logiciel Crocodile et cocher options/composants indestructibles et affichage/symboles analogiques CEI. 2.1. SIMULATION Dessiner le schéma suivant. eG(t) est un générateur triangulaire de fréquence 1Hz variant de 0 à 10V, son taux d'échantillonnage sera réglé à 1kHz (bouton options/avancées du générateur), alimenter l'ampli-op entre Valim-=0V et Valim+=15V, les sondes de mesure permettent de visualiser l'évolution des potentiels des points où elles sont ancrées (c'est comme si on avait placé un oscilloscope entre le point et la masse). eG(t) VS Rajouter la représentation l'alimentation continue (0V, 15 V) sur le schéma ci-dessus. Flécher les potentiels V+ et V- sur le schéma ci-dessus. Ecrire V+ et V- en fonction de eG (t) et des 6V continu du schéma. Ouvrir un graphique pour visualiser les potentiels des trois sondes. Cliquer sur le graphe : ajuster l'échelle des tensions entre 0 et 10V, ajuster l'échelle des temps à 0,1s par carreau, dans options avancées cocher pause automatique et décocher les deux autres options. Lancer le tracé des trois signaux en cliquant sur une sonde ou sur pause. Quelles sont les deux valeurs possibles pour VS ? A quelle condition sur V+ VS change-t-il de valeur? VS change lorsque V+ = Faire V-= 1V puis ensuite 9V. Répondre à la même question. V-=1V VS change lorsque V+ = V-=9V VS change lorsque V+ = Compléter les affirmations suivantes lorsque V+ > V- alors VS = lorsque V+ < V- alors VS = Sujet 21 4/6 2.2. INFLUENCE DES TENSIONS D'ALIMENTATION Régler les alimentations à Valim+=+12V et Valim-=–12V. Ajouter un offset (décalage de tension) de –4V au générateur (dans options avancées). Pour V- égal à –3V puis 5V refaire les simulations et remplir le tableau suivant. V-=-3V VS change lorsque V+ = V-=5V VS change lorsque V+ = Quelles sont maintenant les deux valeurs possibles pour VS? Faire des essais avec différentes valeurs pour les alimentations (choisir de valeurs absolues supérieures à 8V) et répondre. Comparer en une phrase les deux valeurs possibles de VS et les deux tensions d'alimentation. 2.3. BILAN Lorsque l'Aop fonctionne en boucle ouverte la tension de sortie (prise par rapport à la masse) ne peut prendre que deux valeurs appelées tension de saturation positive Vsat+ et tension de saturation négative Vsat-. Ces tensions de saturation correspondent à peu près aux deux potentiels d'alimentation Vsat Valim Et Vsat Valim Lorsque V+>V- alors VS=Vsat+; Lorsque V+<V- alors VS=Vsat-; Sujet 21 5/6 L'AMPLIFICATEUR OPERATIONNEL EN COMPARATEUR, EXPERIENCE 1. PROBLEME Un rhéostat 22 permet de faire varier l'intensité I du courant dans une ampoule. Lorsque l'intensité dépassera la valeur Ilim= 0,2A il faudra qu'une LED rouge s'allume pour le signaler. I I UR 1.1. CAPTEUR DE COURANT Pour avoir une image du courant qui circule dans le circuit on a inséré une résistance de 10. Réaliser le circuit de droite ci-dessus. Insérer un ampèremètre pour mesurer I (calibre 400mA). Faites vérifier. Allumer et mesurer ensuite les valeurs limites de I. Imax= Imin= Expliquez comment la résistance 10 peut donner une image du courant. Quelle est la valeur Ulim de la tension UR pour laquelle le courant Ilim est atteint? Compléter les affirmations suivantes. Ulim = Si UR>… Alors la LED doit être … Si UR<… Alors la LED doit être … 2. SEUIL DE COMPARAISON La LED sera commandée par la sortie d'un Ampli Op utilisé en comparateur. Un Aop LM358 sera alimenté de telle sorte que Valim+=12V et Valim-=0V La tension UR aux bornes de la résistance précédente sera appliquée en E+. Une tension constante Uref sera appliquée en E-. 7 4 UR Uref US Rp 12V 620 Sujet 21 6/6 Quelles sont les deux valeurs possibles pour la tension de sortie US? Donner pour chaque valeur la condition sur UR pour l'observer. Que doit valoir Uref pour que la LED s'allume lorsque que le courant limite Ilim est dépassé? Uref est produit à l'aide du GBF utilisé en continu que l'on ajustera précisément avec un voltmètre à la valeur Uref=Ulim. 3. EXPERIENCE Sur ce schéma représenter l'alimentation 0-12V. Sur ce schéma indiquer les tensions Uref, UR et US. Relier avec des fils noirs tous les points qui doivent être à la masse. Faites Vérifier. Terminer le câblage (rhéostat au maximum et GBF éteint) et faites vérifier. Allumer et ajuster Uref à la valeur trouvée au 3.2. On placera temporairement un voltmètre pour visualiser Uref. Diminuer le potentiomètre de 22 jusqu'à ce que la DEL s'allume. Noter la valeur indiquée par l'ampèremètre. Résumer en quelques phrases le fonctionnement de ce système. On veut maintenant que la DEL s'allume lorsque l'intensité I est inférieure à 0,2A. Que faut-il faire et pourquoi? Proposer une solution au professeur puis modifier votre schéma pour vérifier.
