2. Étude des propriétés physiques des transistors MOS-FET à

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Nom, prénom :
Alimentation d’une ampoule halogène par un hacheur
série
1. Mise en situation
Le circuit d’alimentation de l’ampoule halogène de la lyre est représenté ci-dessous :
Ce dispositif utilise un transistor MOS-FET à enrichissement (référence BUZ11) utilisé en commutation et
commandé par le signal CMLAMP issu du microcontrôleur.
Ce système est appelé « hacheur série » et le but de ce TP est de comprendre son fonctionnement.
2. Étude des propriétés physiques des transistors MOS-FET à
enrichissement
2.1. Présentation des transistors MOS-FET à enrichissement
Constitution d’un transistor MOS-FET à enrichissement
S
Grille
G
D
S
Drain
Source
Grille
G
D
Drain
Source
Métal
n
p
n
Substrat
MOS-FET à canal N
Isolant :
Dioxyde de
Silicium (SiO2)
Matériau
semi-conducteur :
Silicium (Si)
p
n
p
Substrat
MOS-FET à canal P
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Nom, prénom :
Principe de fonctionnement du MOS-FET à canal N
Supposons initialement la grille (G) déconnectée. Le substrat étant dopé positivement (dopage P), alors que
source et drain sont dopés négativement (dopage N), les jonctions substrat - drain et substrat - source sont
équivalentes à des diodes :
S (N)
D (N)
Substrat (P)
Dans ce cas, aucun courant ne peut circuler du drain vers la source et réciproquement (il y a toujours au
moins une des deux diodes bloquée). Entre drain et source le transistor est équivalent à un interrupteur
ouvert.
Supposons maintenant que l’on polarise positivement la grille par rapport au substrat :
S
Grille
G
D
Drain
Source
Métal
n
Isolant :
Dioxyde de
Silicium (SiO2)
n
Canal N
p
Substrat
MOS-FET à canal N
Matériau
semi-conducteur :
Silicium (Si)
La grille va stocker des charges positives comme l’armature d’un condensateur, ce qui va avoir pour effet
d’attirer sous elle les quelques électrons libres dispersés dans le substrat. Ainsi se forme entre les zones
dopées N du drain et de la source, un canal d’électrons (Canal N) qui permettra à un courant électrique de
circuler. Le transistor devient alors conducteur entre drain et source.
Remarque
Pour un MOS-FET à canal P, le fonctionnement est semblable, à la différence près que la grille doit être
dopée négativement par rapport au substrat.
Symboles
MOS-FET à canal N
MOS-FET à canal P
Drain
Grille
Substrat
Drain
Grille
Substrat
Source
Figure 1 : symboles des transistor MOS-FET
Source
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Nom, prénom :
Pour les composants discrets, le substrat est la plupart du temps relié à la source, cette liaison fait apparaître
une diode entre le drain et la source.
S
Grille
G
D
S
Drain
Source
n
D
Drain
Source
n
p
Substrat
p
Grille
G
p
Substrat
n
MOS-FET à canal N
MOS-FET à canal P
Cette diode figure parfois sur le symbole :
MOS-FET à canal N
MOS-FET à canal P
Drain
Drain
Grille
Grille
Source
Source
Figure 2 : symboles des transistor MOS-FET lorsque le substrat est relié à la source.
2.2. Étude expérimentale des propriétés physiques du transistor MOS-FET


Régler le GBF pour produire un signal triangulaire symétrique d’amplitude 6 V et de fréquence 200 Hz.
Câbler le circuit représenté ci-dessous dans le but de visualiser à l’oscilloscope les graphes des tensions
vGS(t) et vDS(t).
E
RD
iG
iD
vDS
GBF
vGS T
Figure 3 : T : BUZ11, RD = 470 , E = 12 V.
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
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Nom, prénom :
Relever les oscillogrammes de vGS(t) et vDS(t) :
Voie 1
Voie 2
Signal
Calibre
Base de
temps
Ne pas oublier d’indiquer sur le
relevé la position du niveau 0
Interprétation
Compléter les phrases suivantes :
Lorsque la tension vGS est inférieure à _______V, la tension vDS vaut _____V , la tension aux bornes de RD
vaut _____V , le courant iD est donc égal à _____A , le transistor MOS-FET à canal N est dans l’état
______________ . Entre drain et source le transistor est équivalent à un interrupteur ______________ .
Lorsque la tension vGS est supérieure à _______V , la tension vDS vaut _________V , donc le transistor MOSFET à canal N est dans l’état _______________. Entre drain et source le transistor est équivalent à un
interrupteur ______________ .
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Nom, prénom :
3. Étude du circuit d’alimentation de l’ampoule halogène
E
L
u
i
R
GBF
ou
générateur à rapport
cyclique variable
e
vDS
T
Figure 4 : T : BUZ11 , R = 100 , E = 12 V , L : ampoule 12 V.
Le signal e est un signal carré de type TTL (niveaux : 0 V / 5 V) de fréquence 2,5 kHz et de rapport cyclique
 variable réglé initialement à  = 30 %.
 Rappeler la définition du rapport cyclique  d’un signal rectangulaire.
 Calculer la période (T) la durée de l’état haut (tH) et celle de l’état bas (tB) du signal e .
Régler le générateur du signal permettant de produire le signal e .
 Effectuer le câblage du circuit de manière à visualiser les graphes de e(t) et u(t) la tension aux bornes de
l’ampoule.
 Relever en concordance des temps les graphes de e(t) et u(t) :
Voie 1
Voie 2
Signal
Calibre
Base de
temps
Ne pas oublier d’indiquer sur le
relevé la position du niveau 0



Interpréter ce graphique :
•
indiquer les zones de conduction du transistor T ,
•
justifier les deux valeurs possibles de la tension u(t) .
Expliquer pourquoi l’ampoule ne s’éteint pas lorsque u(t) = 0.
Observer l’ampoule lorsque l’on fait varier le rapport cyclique : conclusion ?
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Nom, prénom :
Fonctionnement à rapport cyclique variable
On maintient constante la fréquence du signal e(t) .
 Comment peut-on mesurer < u > la valeur moyenne de u et U sa valeur efficace rapidement ?
 Remplir le tableau suivant :

10%
30%
50%
70%
90%
tH (calculé)
tB (calculé)
< u > (mesurée)
U (mesurée)





Tracer les graphes de < u > et U en fonction du rapport cyclique .
Conclusion : dans quel cas y a-t-il une proportionnalité ?
Montrer par la théorie que : < u > = .E et U = .E .
Si on suppose l’ampoule équivalente à une résistance RL , comment peut-on calculer à partir des
mesures la puissance dissipée dans cette ampoule ?
Proposer une méthode permettant de mesurer la puissance dissipée dans l’ampoule.
Donner une définition du rendement de cette ampoule.
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Nom, prénom :
Alimentation d’un moteur pas à pas
1. Étude des principes physiques du moteur pas à pas
1.1. Expérience : principe du moteur pas à pas à aimant permanent
Considérons le dispositif suivant : trois bobines fixes décalées d’un angle de 120° constituent le stator d’un
moteur, son rotor est constitué d’un aimant avec deux pôles (un pôle Nord et un pôle Sud).
On alimente la bobine 1 seule
i1 = + I ; i2 = 0 ; i3 = 0


On alimente la bobine 3 seule
i1 = 0 ; i2 = 0 ; i3 = – I
représenter dans chaque cas les pôles SUD et NORD des bobines
indiquer la position de l’aiguille aimantée constituant le rotor.
Conclusions
On alimente la bobine 2 seule
i1 = 0 ; i2 = I ; i3 = 0
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Nom, prénom :
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1.2. Expérience : principe du moteur pas à pas à réluctance variable
On remplace l’aiguille aimantée qui constituait le rotor dans le dispositif précédent par un rotor en fer doux
avec 4 dents.
Remarque : le nombre de dents du rotor est toujours différent du nombre de bobines.
Rappel : le fer doux est un matériau magnétique capable de canaliser les lignes de champ, on ne peut
cependant l’assimiler à un aimant (très faible aimantation rémanente).
On alimente la bobine 1 seule
i1 = + I ; i2 = 0 ; i3 = 0
On alimente la bobine 2 seule
i1 = 0 ; i2 = + I ; i3 = 0
On alimente la bobine 3 seule
i1 = 0 ; i2 = 0 ; i3 = + I
Conclusions
1.3. Principe du moteur pas à pas hybride
En pratique, la plupart des moteurs pas à pas industriels sont dits hybrides : leurs rotors sont à aimants
permanents et ils utilisent également le principe de la réluctance variable (les deux effets sont combinés pour
augmenter l’efficacité de la machine).
Les moteurs pas à pas du thème sont dans cette catégorie.
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Nom, prénom :
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Exemple
Considérons le moteur pas à pas hybride représenté ci-dessous constitué de la manière suivantes :

son stator comporte 8 bobines (1,2,1’,2’,1’’,2’’,1’’’,2’’’) parcourues alternativement par des courants
notés i1 et i2 ,

son rotor est un aimant permanent comportant 20 dents alternativement pôle NORD et SUD.
On peut représenter les différentes positions prises par le rotor de ce moteur lors d’un cycle de 5 pas
consécutifs (notation : + I désigne un courant continu positif).
État initial : i1 = + I et i2 = + I
Pas 1 : i1 = – I et i2 = + I
Pas 2 : i1 = – I et i2 = – I
Pas 3 : i1 = + I et i2 = – I
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Nom, prénom :
Pas 4 : i1 = + I et i2 = + I
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Pas 5 : i1 = – I et i2 = + I
…
Conclusions
Remarque : les bobines 1, 1’, 1’’ et 1’’’ peuvent être mises en série ou en parallèle de manière à être
parcourues par le même courant noté i1 , tout comme les bobines 2, 2’, 2’’ et 2’’’.
Ainsi d’un point de vue électrique, le moteur pas à pas sera vu comme une ensemble de deux bobines.
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Nom, prénom :
1.4. Commande du moteur pas à pas
On peut représenter le moteur pas à pas par le schéma équivalent suivant (un ensemble de deux bobines) :
B1
i1
i2

B2
Représenter les graphes des courants i1 et i2 en fonction du temps pour faire passer le moteur de l’état
initial au pas 8.
i1(t)
+I
t
0
–I
état initial
Pas 1
Pas 2
Pas 3
Pas 5
Pas 6
Pas 7
Pas 8
i2(t)
+I
t
0
–I

Combien de pas fait le moteur pendant une période de i1(t) ?
Quelle relation peut-on établir entre t (durée d’un pas) et T (période de i1 et i2) ?

Quel décalage temporel doit-il exister entre les courants i1 et i2 ?
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Nom, prénom :
On souhaite maintenant en partant du même état initial, changer le sens de rotation du moteur pour le faire
tourner dans le sens horaire (sens trigonométrique inverse).
 Représenter dans ce cas les graphes des courants i1 et i2 en fonction du temps.
i1(t)
+I
t
0
–I
état initial
Pas 1
Pas 2
Pas 3
Pas 5
Pas 6
Pas 7
Pas 8
i2(t)
+I
t
0
–I

Quel décalage temporel doit-il exister dans ce cas entre les courants i1 et i2 ?
2. Étude des propriétés des circuits inductifs en commutation,
phénomène d’auto-induction
Le moteur pas à pas étant en fait équivalent à deux bobines dans lesquelles on fait commuter des courants, il
est important de comprendre les contraintes inhérentes au fonctionnement des circuits inductifs en
commutation. C’est l’objectif de cette partie.
2.1. Étude expérimentale

Régler le GBF de manière à produire un signal carré TTL (0 - 5 V) de fréquence 20 Hz.
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
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Nom, prénom :
Réaliser le câblage du circuit représenté ci dessous en connectant l’oscilloscope de manière à visualiser
e(t) et u(t) (l’interrupteur K est initialement fermé).
i
L
Bobine
sans noyau
D
u
R
r3
r1
RB
GBF
e
Brochage BD139
iT
T
iD
E
K
vCE
iT
r2
Figure 5 : circuit d’étude.
E = 12 V ; T : transistor BD139, D : diode 1N4004, { L = 0,1 H ; R = 11,6  } : bobine sans noyau
r1 =10  , r2 = r3 = 1  ; RB = 1 k
L’interrupteur K est fermé

En utilisant l’oscilloscope, relever en concordance des temps les graphes des signaux e(t) (signal de
référence pour la synchronisation) , u(t) , i(t) , iT(t) et iD(t) pour une période du signal.
Remarque : pour i(t) , iT(t) et iD(t) utiliser le même calibre qui sera donné en A/division.
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Nom, prénom :
Voie 1
Voie 2
Signal
Calibre
Base de
temps
Ne pas oublier d’indiquer sur le
relevé la position du niveau 0
Signal 3
Signal 4
Signal
Calibre
Base de
temps
Ne pas oublier d’indiquer sur le
relevé la position du niveau 0



Indiquer sur le graphe les zones de conduction du transistor T et de la diode D.
Indiquer sur le graphe les zones pendant laquelle la bobine emmagasine de l’énergie et celles pendant
laquelle elle restitue son énergie.
Est-il possible de calculer l’énergie emmagasinée par la bobine ?
Quel est ici le rôle de la diode D ?
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Nom, prénom :
Fonctionnement du circuit sans diode de roue libre

Visualiser maintenant à l’oscilloscope le graphe de la tension vCE(t) avec un calibre de 50 V/div dans un
premier cas avec l’interrupteur K fermé (avec diode de roue libre) puis ensuite, avec K ouvert (sans
diode de roue libre).
a)
Conclusion : que se passe-t-il lorsque l’on supprime la diode de roue libre ?
b) Mesurer la surtension qui apparaît aux bornes du transistor.
c)
À quel instant cette surtension apparaît-elle ?
2.2. Synthèse avec l’ensemble du groupe
3. Étude du pont en H
Les bobines des moteurs pas à pas du thème sont toutes alimentées par un circuit dénommé « pont en H »
dont on va étudier le fonctionnement dans cette partie.
3.1. Étude théorique (préparation)
Principe d’un pont en H
Un pont en H est destiné à alimenter un circuit de charge à partir d’une source de tension continue unique E.
K1
u
K4
E
Charge
K2
K3
Figure 6 : schéma de principe du pont en H (E = 12 V).
On suppose dans un premier temps les interrupteurs K1 à K4 parfaits.
 a)
Exprimer u en fonction de E lorsque les interrupteurs K1 et K3 sont fermés alors que K2 et K4
sont ouverts .
b) Même question si les interrupteurs K2 et K4 sont fermés alors que K1 et K3 sont ouverts .
Conclusion : quel est l’intérêt d’un pont en H ?
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Nom, prénom :
Étude du pont en H à transistors bipolaires
ialim
T1
iT1
E
iT2
T2
iD1
vD1
vT1
D1
D2
vT2
iD4
vD4
iT4
Charge
vD2
T4
D4
u
i
vT4
D3
vD3
iD2
iT3
vT3
T3
iD3
ir
Figure 7 : pont en H réalisé avec des transistors bipolaires.
Hypothèses pour l’étude




E = 12 V.
Les transistors fonctionnent en commutation
Pour l’étude ci-dessous, on considérera que lorsque un élément conduit (diode ou transistor), la tension
à ses bornes est de 1 V, ainsi : vT = 1 V et vD = 1 V.
Préciser le signe des courants iT1 à iT4 et iD1 à iD4 .
1er cas : on envoie un signal de commande sur T1 et T3 et le courant i est positif
ialim
T1
D1
vT1
iD1
iD4
vD4
vD1
u
iT1
E
iT2
T2
D2
vT2
i
T4
D4
iT4
iT3
Charge
vD2
iD2
vT4
vD3
iD3
vT3
D3
T3
ir




Indiquer par un interrupteur fermé les éléments (T1 à T4 et D1 à D4) conducteurs .
Exprimer u en fonction de E, vT1 et vT3 . Calculer u .
Exprimer ir en fonction de i .
Quel est le signe de ialim ?
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Nom, prénom :
2ème cas : On envoie un signal de commande sur T1 et T3 et le courant i est négatif
ialim
T1
D1
vT1
iD1
iD4
vD4
vD1
u
iT1
E
iT2
T2
D2
i
vT2
T4
D4
iT4
iT3
Charge
vD2
vT4
vD3
iD2
vT3
D3
iD3
T3
ir




Indiquer par un interrupteur fermé les éléments (T1 à T4 et D1 à D4) conducteurs .
Exprimer u en fonction de E, vD1 et vD3 . Calculer u .
Que vaut ir ?
Quel est le signe de ialim ?
3ème cas : On envoie un signal de commande sur T2 et T4 et le courant i est positif
ialim
T1
D1
vT1
iD1
iD4
vD4
vD1
u
iT1
E
iT2
T2
D2
vT2
i
T4
D4
iT4
iT3
Charge
vD2
iD2
vT4
vD3
iD3
vT3
D3
T3
ir




Indiquer par un interrupteur fermé les éléments (T1 à T4 et D1 à D4) conducteurs .
Exprimer u en fonction de E, vD2 et vD4 . Calculer u .
Que vaut ir ?
Quel est le signe de ialim ?
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Nom, prénom :
4ème cas : On envoie un signal de commande sur T2 et T4 et le courant i est négatif
ialim
T1
D1
vT1
iD1
iD4
vD4
vD1
u
iT1
E
iT2
T2
D2
i
vT2
T4
D4
iT4
iT3
Charge
vD2
vT4
vD3
iD2
vT3
D3
iD3
T3
ir




Indiquer par un interrupteur fermé les éléments (T1 à T4 et D1 à D4) conducteurs .
Exprimer u en fonction de E, vT2 et vT4 . Calculer u .
Exprimer ir en fonction de i .
Quel est le signe de ialim ?
5ème cas : Aucun transistor n’est commandé et le courant i est positif
ialim
T1
D1
vT1
iD1
iD4
vD4
vD1
u
iT1
E
iT2
T2
D2
vT2
i
T4
D4
iT4
iT3
Charge
vD2
iD2
vT4
vD3
iD3
vT3
D3
T3
ir




Indiquer par un interrupteur fermé les éléments (T1 à T4 et D1 à D4) conducteurs .
Exprimer u en fonction de E, vD1 et vD3 . Calculer u .
Que vaut ir ?
Quel est le signe de ialim ?
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Nom, prénom :
6ème cas : Aucun transistor n’est commandé et le courant i est négatif
ialim
T1
D1
vT1
iD1
iD4
vD4
vD1
u
iT1
E
iT2
T2
D2
vT2
i
T4
D4
iT4
iT3
Charge
vD2
vT4
vD3
iD2
iD3
vT3
D3
T3
ir




Indiquer par un interrupteur fermé les éléments (T1 à T4 et D1 à D4) conducteurs .
Exprimer u en fonction de E, vD1 et vD3 . Calculer u .
Que vaut ir ?
Quel est le signe de ialim ?
3.2. Étude expérimentale
Fonctionnement du pont en H : « moteur en rotation »


Régler le GBF de manière à produire un signal carré TTL (0 - 5 V) de fréquence 20 Hz.
Réaliser le câblage du circuit représenté ci dessous en connectant l’oscilloscope de manière à visualiser
e(t) et u(t).
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Nom, prénom :
Brochage L298
D1
+
E
C
–
D3
u
10 
Bobine sans noyau
L;R
D2
i
+5V
D4
L298
14
GBF
e
1
1
7
2
74HCT04
1
ir
Brochage 74HCT04
Figure 8 : E = 12 V, C = 4700 F , D1 à D4 : 1N4004 , Bobine : L = 0,1 H ; R = 11,6 .
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
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Nom, prénom :
Relever en concordance des temps les graphes de e(t) , u(t) , i(t) et ir(t) .
Remarque : pour i(t) et ir(t) utiliser le même calibre qui sera donné en A/division.
Voie 1
Voie 2
Signal
Calibre
Base de
temps
Ne pas oublier d’indiquer sur le
relevé la position du niveau 0
Signal 3
Signal 4
Signal
Calibre
Base de
temps
Ne pas oublier d’indiquer sur le
relevé la position du niveau 0
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
Nom, prénom :
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Interprétation
a)
Quels sont les différentes valeurs possibles que l’on peut mesurer pour la tension u(t) ?
b) Indiquer pour chacun des cas les éléments (T1 à T4 et D1 à D4) qui conduisent.
c)
Expliquer pour chacun des cas le sens de variation du courant i(t).
d) Justifier pourquoi dans certains cas on a i < 0 pour u > 0 et réciproquement i > 0 pour u < 0.
e)
Dans quels cas peut-on constater que ir = i ?
Fonctionnement du pont en H « moteur à l’arrêt »
Lorsque le moteur est à l’arrêt, il faut maintenir dans les bobines un courant résiduel de faible intensité (pour
limiter les pertes par effet Joule) pour lui permettre de garder sa position. Le pont en H peut alors
fonctionner en hacheur de manière à appliquer aux bobines une tension de valeur moyenne inférieure à la
tension d’alimentation.
 Régler un générateur de signal de manière à produire un signal e(t) rectangulaire de type TTL (0..5 V) de
fréquence f = 2,5 kHz et de rapport cyclique  = 70 %.
 Réaliser le câblage du circuit représenté ci-dessous de manière à visualiser à l’oscilloscope u(t) et i(t) .

Figure 9 : E = 12 V, C = 4700 F , D1 à D4 : 1N4004 , Bobine : L = 0,1 H ; R = 11,6 .
Relever en concordance des temps les graphes de u(t) et i(t).
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Nom, prénom :
Voie 1
Voie 2
Signal
Calibre
Base de
temps
Ne pas oublier d’indiquer sur le
relevé la position du niveau 0



Interprétation
Quels sont les deux valeurs possibles que l’on peut mesurer pour la tension u(t) ?
Indiquer dans chaque cas les éléments (T1 à T4 et D1 à D4) qui conduisent.
Donner dans chaque cas le sens de variation du courant i(t) et préciser le rôle joué par la bobine
(stockage ou restitution d’énergie).
Pourquoi le courant ne s’annule-t-il jamais dans la bobine ?
Que se passe-t-il du point de vue de la valeur moyenne du courant lorsque l’on fait varier le rapport
cyclique de la tension u(t) (en agissant sur le rapport cyclique de e(t) ) ?
Pour  = 70 %, augmenter progressivement l’inductance L jusqu’à son maximum (en entrant le
noyau) ; quel est l’effet produit sur la forme du courant ?
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Nom, prénom :
Alimentation du moteur de ventilation avec deux vitesses
1. Mise en situation
Le schéma ci-dessous représente le circuit d’alimentation du moteur de ventilation.
Le signal dénommé CMVENT est un signal binaire issu du microcontrôleur.
2. Étude expérimentale de la structure
1)
Réaliser le câblage du circuit représenté ci-dessous avec l’interrupteur K initialement en position .
D1
vD1
vD2
R2
T2

T1
K
VCC = 5V
R0
R1

v1
C1
vBE2
D2
E
v2
+
–
vBE1
vCE2
C2
v3
u
Charge
Figure 10 : R0 = 220  , R1 = 4,7 k , R2 = 270  , C1 = 10 F , C2 = 100 nF , VCC = 5 V , E = 12 V.
D1 : 1N4148 , D2 : BZX55C7V5 , T1 : 2N2222 , T2 : BD139 , Charge : on prendra une résistance de 470 .
2.2. Étude des tensions en régime continu établi
L’interrupteur K est mis en position 1
1)
2)
Mesurer les tensions v1 , v2 , v3 et u .
En déduire par des calculs faits à partir des valeurs mesurées :
a)
L’état du transistor T1 (bloqué/passant) et le cas échéant son régime de fonctionnement (linéaire
ou saturé).
b) La tension vD1 et l’état de la diode D1 .
c)
la tension vD2 et l’état de la diode D2 (bloquée, passante en polarisation directe, passante en
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3)
4)
Nom, prénom :
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polarisation inverse).
d) L’état du transistor T2 (bloqué/passant), la tension vCE2 et si il est passant son régime de
fonctionnement (linéaire ou saturé).
Justifier par la théorie (faire une démonstration) la valeur de la tension u obtenue expérimentalement.
Est-il possible de mesurer (de manière directe ou indirecte) l’intensité du courant dans la base de T1 sur
la carte réelle ?
Proposer une méthode et faire la mesure sur le dispositif expérimental.
L’interrupteur K est mis en position 0
5)
6)
7)
8)
Mesurer les tensions v1 , v2 , v3 et u .
En déduire par des calculs faits à partir des valeurs mesurée :
a)
L’état du transistor T1 (bloqué/passant) et le cas échéant son régime de fonctionnement (linéaire
ou saturé).
b) La tension vD1 et l’état de la diode D1 .
c)
la tension vD2 et l’état de la diode D2 (bloquée, passante en polarisation directe, passante en
polarisation inverse).
d) L’état du transistor T2 (bloqué/passant), la tension vCE2 et si il est passant son régime de
fonctionnement (linéaire ou saturé).
Justifier par la théorie (faire une démonstration) la valeur de la tension u obtenue expérimentalement.
Reprendre les questions 6) et 7) pour E = 15 V.
Conclusion
9)
Quelle est l’utilité de cette structure sachant que la charge est constituée du moteur de ventilateur ?
Quelles seront les possibilités de variation de la vitesse de rotation ?
Ce système assure-t-il certaines protections vis à vis du moteur ? préciser lesquelles.
2.3. Étude en régime transitoire
On suppose initialement le condensateur C1 déchargé et le transistor T1 bloqué.
En t = 0, la tension v1 bascule de 0 V à 5 V.
1)
Décrire l’évolution de la tension aux bornes de C1 ? Préciser en particulier sa valeur asymptotique
théorique.
Donner l’expression de vBE1(t) 1 et tracer l’allure du graphe de vBE1(t) .
Exprimer et calculer la valeur numérique de t le temps nécessaire pour saturer T1 (vBE1(t) = 0,6 V).
2)
Effectuer un enregistrement simultané de v1(t) et vBE1(t) à l’oscilloscope permettant de vérifier ces
résultats.

3)
4)
Lorsque la tension v1 bascule de 5 V à 0 V :
Décrire l’évolution de la tension aux bornes de C1 ? Préciser en particulier ses valeurs initiales et
asymptotique. Donner l’expression de vBE1(t) et tracer l’allure du graphe de vBE1(t) .
Exprimer et calculer temps nécessaire pour décharger C1 (avec une tension résiduelle de 5%).
Effectuer un enregistrement simultané de v1(t) et vBE1(t) à l’oscilloscope permettant de vérifier ces
résultats.
On rappelle qu’une tension qui tend exponentiellement vers une valeur asymptotique U depuis une valeur initiale U0
s’exprime : u(t) = (Ui – U).exp(– t/) + U
 représente la constante de temps en secondes.
1
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Nom, prénom :
Oscillateur à quartz
1. Présentation
Sur chacune des cartes, les microcontrôleurs sont cadencés par un signal d’horloge réalisé à partir d’un
oscillateur à quartz.
L’oscillateur à quartz fait partie des oscillateurs sinusoïdaux (plus précisément quasi-sinusoïdaux) qui sont au
programme de physique appliquée de la classe de terminale électronique.
Oscillateur sinusoïdal sur le schéma de la carte
Schéma de l’oscillateur dans la documentation
technique du PIC.
Un oscillateur sinusoïdal est un système bouclé qui comporte deux parties :

un élément amplificateur permettant un apport d’énergie permettant de compenser les pertes,

un filtre sélectif permettant au circuit d’osciller pour une fréquence unique et produire ainsi des
oscillations sinusoïdales.
e(t)
Signal de retour
r(t)
élément
amplificateur
s(t)
Sortie
filtre sélectif
Figure 11 : schéma de principe d’un oscillateur sinusoïdal.
Remarque : l’étude des oscillateurs sinusoïdaux se fait à l’aide des nombres complexes. On peut ainsi
définir :

H = S / E : transmittance complexe de la chaîne directe (élément amplificateur)

K = R / S : transmittance complexe de la chaîne de retour (filtre sélectif)

Identifier dans le schéma de la documentation du PIC l’élément amplificateur et le filtre sélectif.
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Nom, prénom :
2. Étude de l’élément amplificateur
L’élément amplificateur est réalisé avec une porte logique inverseuse.
1)
Régler le GBF de manière à produire un signal ve(t) sinusoïdal variant entre 0 V et 5 V et de fréquence
f = 1 kHz.
2)
Réaliser le câblage du circuit représenté ci-dessous de manière à visualiser ve(t) et vs(t) à l’oscilloscope.
Brochage du circuit intégré 4069
4069
1
GBF
ve
vs
Figure 12 : le circuit intégré 4069 sera alimenté par une tension de 5 V.
3)
Relever la caractéristique de transfert vs = f(ve) de la porte logique.
vs
Voie 1
Voie 2
Signal
Calibre
Base de
temps
Ne pas oublier d’indiquer sur le
relevé la position du niveau 0
ve
4)
5)
Cette caractéristique confirme-t-elle la fonction logique réalisée ? (justifier pourquoi)
Existe-t-il sur cette caractéristique une zone « linéaire » dans laquelle vs varie proportionnellement à ve ?
Dans la zone linéaire : mesurer l’amplification du circuit défini par : H = vs / ve (l’utilisation des
curseurs de l’oscilloscope est recommandée). Préciser le signe de H.
Polarisation de la porte
On place maintenant une résistance RF = 1 M entre l’entrée et la sortie de la porte.
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Nom, prénom :
1
ve0
RF
vs0
Figure 13 : RF = 1 M.
6)
7)
Quel est l’intensité du courant dans la résistance RF si on suppose la porte logique idéale ?
En déduire la relation mathématique entre ve0 et vs0 qu’implique cette résistance.
Tracer cette relation sur le graphe précédent.
En déduire graphiquement les valeurs numériques théorique de vs0 et ve0 .
Réaliser le montage de manière à visualiser directement à l’oscilloscope les tensions ve0 et vs0 .
Mesurer ve0 et vs0 ; ces valeurs confirment-elles la théorie ? Si ce n’est pas le cas expliquer pourquoi ?
En réalité il faut maintenant utiliser une sonde d’oscilloscope de manière à perturber le moins possible le
circuit étudié.
1,3 pF
vy1
9 M
12 pF
vy1’
1 M
Sonde 1/10ème
Oscilloscope
Figure 14 : modèle électrique d’une voie d’oscilloscope avec une sonde 1/10ème .
8)
9)
En continu (f = 0 : les condensateurs sont équivalents à des circuits ouverts) :
a)
donner la valeur de ZO l’impédance d’une voie de l’oscilloscope,
b) donner la valeur de ZS+O l’impédance de l’ensemble sonde + oscilloscope,
c)
exprimer vy1’ en fonction de vy1 .
Refaire maintenant les mesures de la question 7) en utilisant une sonde 1/10ème sur chacune des voies.
Cette fois ci, les valeurs mesurées confirment-elles la théorie ?
Mesure de l’amplification de la porte associée à la résistance RF
10)
11)
Régler le GBF pour produire un signal sinusoïdal symétrique de fréquence f = 1 kHz.
Réaliser le câblage du circuit représenté ci-dessous de manière à visualiser ve(t) et vs(t) .
4069
10 nF
GBF
1
ve
RF
Figure 15
vs
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12)
13)
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Nom, prénom :
Réduire suffisamment l’amplitude de ve(t) pour que vs(t) soit sinusoïdale.
Expliquer la forme et la valeur moyenne des signaux ve(t) et vs(t) visualisés en mode DC de
l’oscilloscope.
Mesurer en mode AC de l’oscilloscope l’amplification du circuit : |H| = Vs/Ve .
3. Réalisation d’un oscillateur à Quartz
Le schéma de principe du circuit d’horloge du PIC est représenté ci-dessous.
1
vH
Brochage du circuit intégré 4069
1
RF
vR
RS
vs
Q
C1
C2
Figure 16 : RF = 1M , RS = 100  , C1  1 nF , C2 : capacité variable (100pF … 10nF) , Q : quartz 32 kHz.
1)
2)
3)
4)
5)
6)
Identifier les éléments faisant partie de la chaîne directe (circuit amplificateur) et ceux faisant partie de
la chaîne de retour (filtre sélectif) : faire un schéma séparé de chacun de ces deux blocs.
Réaliser le câblage du circuit de manière à visualiser vR(t) et vs(t) à l’oscilloscope avec une sonde
1/10ème (l’oscilloscope sera synchronisé sur vR(t) ).
Ajuster la capacité C2 de manière à faire d’une part osciller le circuit de manière stable, tout en essayant
d’avoir une tension vs(t) la plus sinusoïdale possible.
Relever en concordance des temps en mode DC les graphes des signaux vR(t) , vs(t) et vH(t) (on choisira
le signal vR(t) comme signal de synchronisation).
Justifier en précisant le rôle joué par le circuit amplificateur, le filtre et la porte logique inverseuse :
•
la forme de vs(t) : signal sinusoïdal déformé et décallé (on mesurera le décalage en V),
•
la forme de ve(t) : signal sinusoïdal décallé (on mesurera le décalage en V),
•
la forme de vH(t) : signal carré.
Lequel de ces trois signaux permettra de cadencer le PIC ?
Mesurer (en mode AC) l’amplification du filtre sélectif : |K|=VR/VS .
La condition théorique d’oscillation d’un oscillateur sinusoïdal est : H . K = 1

Si | H . K | < 1 l’amplitude des oscillations diminue jusqu’à disparition des oscillations,

Si | H . K | > 1 l’amplitude des oscillations croit jusqu’à saturation de l’élément amplificateur.
Remarque : plus | H . K | sera grand, plus l’amplificateur sera fortement saturé.
7)
Rappeler les valeurs numériques expérimentales de |H| et |K| obtenues précédemment et calculer
| H . K |.
Conclusion : interpréter le résultat obtenu au regard de la condition théorique d’oscillation.
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Nom, prénom :
4. Principes théoriques de l’oscillateur à quartz
4.1. Modèle électrique équivalent d’un quartz
LS
CS
XQ
CP
Quartz
Modèle électrique équivalent du quartz
Figure 17 : modèle électrique équivalent du quartz
L’étude se fera en régime sinusoïdal de pulsation .
1)
Exprimer ZQ l’impédance complexe du quartz en fonction de CP , CS , LS et .
On peut mettre ZQ sous la forme suivante :
ZQ =  j Error!. Error! avec : fS = Error!
et
fP = fSError!
La fréquence fS est appelée fréquence de résonance série du quartz, pour un quartz donné, elle est en connue
avec une grande précision.
2)
Quelle relation a-t-on entre fP et fS si CP = 100.CS ?
Soit XQ la réactance du quartz définie par : ZQ = j.XQ
3)
Donner l’expression de XQ en fonction de f , CP , fS et fP .
4)
Que vaut XQ si f = fS ?
5)
Que vaut XQ si f = fP ?
L’allure du graphe donnant les variations de XQ avec la fréquence est donné ci-dessous :
XQ



f
0
Figure 18
6)
Indiquer sur le graphique l’emplacement des fréquences de résonance parallèle fP et série fS du quartz.
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7)
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Nom, prénom :
Dans les zones notées ,  et  donner le signe de XQ et la nature du quartz (capacitif ou inductif).
4.2. Étude du filtre sélectif et condition d’oscillation
Le schéma théorique de l’oscillateur à quartz est représenté ci-dessous :
K
Quartz
RS
ve
vs
C1
C2
vR
Élément amplificateur.
Figure 19
L’étude se fera en régime sinusoïdal de pulsation .
On notera ZQ , Z1 et Z2 les impédances complexe du quartz et des condensateurs C1 et C2 .
On notera XQ , X1 et X2 les réactances du quartz et des condensateurs C1 et C2 .
Ainsi : ZQ = j.XQ , Z1 = j.X1 et Z2 = j.X2
1)
Exprimer X1 en fonction de C1 et , puis X2 en fonction de C2 et  . En déduire le signe des réactances
X1 et X2 .
L’interrupteur K est supposé ouvert
2)
Exprimer K = VR/VS la transmittance du filtre sélectif en fonction de RS , Z1 , ZQ et Z2 , puis en
fonction de R0 , XQ , X1 et X2.
Mettre l’expression sous la forme suivante :
K = Error!
Interrupteur K est supposé fermé
On définie H = VS/Ve la transmittance de l’amplificateur, cette transmittance est réelle : H =  A
3)
Quelle valeur particulière doit prendre le produit H.K à la fréquence d’oscillation ?
4)
En déduire la relation qui lie XQ à X1 et X2 à la fréquence d’oscillation.
Quel est en conséquence le signe de XQ à la fréquence d’oscillation.
Conclusion
5)
Dans quelle bande de fréquence du quartz ( f < fS ,  fS < f < fP ou  f > fP : voir le graphe
représenté Figure 18), le circuit va-t-il osciller (justifier la réponse) ?
Expliquer pourquoi la fréquence d’oscillation du quartz sera connue avec une grande précision.