caractérisation d`un transistor bipolaire

TRAVAUX PRATIQUES d’ELECTRONIQUE ANALOGIQUE
L3EEA
TP 2 : REALISATION D’UNE BALANCE ELECTRONIQUE
Objectif du TP :
Le but de ce TP qui dure 9h est de réaliser une balance électronique. Il s’agit de
réaliser entre autre l’amplification d’un signal continu, de très faible tension, issu
d’un montage à deux capteurs (jauges de déformation) placés sur une barre
métallique (support de la balance).
Le circuit électronique sera réalisé sur platine Labdec à partir de montages à AOP.
Chaque étage du circuit devra être caractérisé en détail.
Au cours de la première séance, vous devez proposer le schéma complet du circuit
que vous envisagez de réaliser.
A ) Cahier des charges
On
demande
de
construire
une
balance
électronique
de
précision
caractéristiques sont les suivantes :
-
Gamme de mesure : 1 kg
-
Précision de la mesure : 2 g
-
Tension de sortie maximale : 10 V. Ainsi, 20 mV correspond à 2 g.
-
Détection de surcharge
-
Taux de réjection de mode commun (TRMC) du circuit > 100 𝑑𝐵
-
L’alimentation symétrique est fixée à ±𝑉𝑐𝑐 = ±15𝑉
dont
les
B ) Matériel à disposition
-
1 alimentation double symétrique ±15𝑉
-
1 GBF HAMEG HM8030
-
1 oscilloscope numérique 2 voies
-
1 multimètre Fluke 45
-
1 platine labdec
-
Composant ADTL084J (4 AOP) – A consulter avant la première séance
-
Résistances, condensateurs, diodes, LED, etc…
C ) Balance et capteurs
Il y aura à disposition dans la salle 1 balance constituée d’une poutre encastrée sur
laquelle sont placées deux capteurs (jauges de déformation). La poutre est réalisée en
tôle de dural de 3 mm d’épaisseur, 20 mm de largeur et de 250 mm de longueur
(figure 1).
Figure 1 : Balance constituée d’une poutre encastrée avec jauges de déformation.
Les jauges utilisées sont standardisées à 𝑅𝑝 = 120 Ω collées de part et d’autre de la
poutre au plus près de l’encastrement de manière à avoir le plus de sensibilité et
montées en demi-pont de Wheatstone (cf. figure 2). Un pont à deux jauges (une en
compression et l’autre en extension) est deux fois plus sensible qu’un pont à une seule
jauge et est insensible à la température. Le signal d’entrée du circuit que vous allez
concevoir correspond au signal délivré par le pont de Wheatstone. Il sera noté 𝑈𝑒 .
Ue
Vp
Figure 2 : Montage en demi-pont avec 2 jauges de déformation adjacentes.
Compte-tenu de la dissipation permise dans les jauges, la tension d’alimentation du
pont est fixée à 𝑉𝑝 = 2 𝑉. Représenter le schéma du pont de Wheatstone alimenté avec
±𝑉𝑐𝑐 de manière à avoir 𝑉𝑝 = 2 𝑉. Dimensionner les éléments du montage. Ce montage
sera câblé sur une platine labdec associée à la balance.
En sortie du pont de Wheatstone (entrée du montage que vous devez réaliser), la
différence de potentiel 𝑈𝑒 s’écrit :
𝑈𝑒 = 𝑉𝑝 [
𝛿𝑅𝑝
]
2𝑅𝑝
avec 𝛿𝑅𝑝 la variation de la résistance de jauge. Pour une variation maximale de
𝛿𝑅𝑝 = 0.1% (correspondant typiquement à un poids de 1 kg), 𝑈𝑒 vaut 1.2 mV.
𝛿𝑅
Retrouver l’expression 𝑈𝑒 = 𝑉𝑝 [2𝑅𝑝 ] à partir de la relation du signal de sortie du pont de
𝑝
Wheatstone en considérant le pont équilibré.
Compte-tenu de ces caractéristiques et du cahier des charges, estimer le gain de
l’amplification globale du circuit. Sachant que cette amplification sera répartie sur 3
étages, donner l’amplification moyenne de chaque étage.
Etant donné la précision Δ𝑅𝑝 des résistances du pont, un terme supplémentaire
apparaît dans l’expression de 𝑈𝑒 représentant l’erreur naturelle sur les résistances de
pont :
𝛿𝑅𝑝
Δ𝑅𝑝
𝑈𝑒 = 𝑉𝑝 [
] + 𝑉𝑝 [
]
2𝑅𝑝
2𝑅𝑝
En prenant Δ𝑅𝑝 = 0.5%, ce terme est de l’ordre de la dizaine de mV. Cette erreur devra
donc être compensée par le circuit.
E ) Schéma fonctionnel de la balance
La fonction principale du circuit (en plus de la détection de surcharge) revient à réaliser
une fonction affine que l’on peut écrire :
𝑈𝑠 = 𝑎𝑈𝑒 + 𝑏
Deux réglages doivent permettre :
-
d’ajuster le zéro (annuler 𝑏), la balance étant à vide. Ce réglage du zéro permet de
Δ𝑅
compenser l’erreur du pont de Wheatstone 𝑉𝑝 [ 2𝑅𝑝 ] ainsi que celles dues aux
𝑝
tensions de décalage des AOP (on notera 𝑒 la tension de décalage des AOP).
-
d’ajuster la pente 𝑎 (gain du montage), la balance étant chargée par une masse
étalon (masse de 500 g).
Remplir le schéma fonctionnel ci-dessous en indiquant le nom des différentes fonctions
élémentaires :
Réglage du zéro
𝑈𝑒
Amplificateur 1
Amplificateur 2
Amplificateur 2
Détection de surcharge
Sortie 10V/1kg
Voltmètre 𝑈𝑠
Alarme
surcharge
A faire avant la première séance :
Proposer un montage pour chaque fonction.
Etablir pour chaque montage l’expression du signal de sortie en fonction du signal
d’entrée. On tiendra compte des tensions de décalage des AOP.
Dimensionner les différents étages.
Le début de la première séance (environ 1h30) sera dédié à la confrontation des
différents montages proposés par chaque binôme. La discussion permettra de converger
vers une solution collective.
Pendant les séances :
Le premier et le second étage d’amplification sont précâblés. Il faudra caractériser
l’ensemble afin de :
-
déterminer le taux de réjection de mode commun optimisé ;
-
observer la dépendance du taux de réjection de mode commun en fonction de
l’erreur relative sur les valeurs des résistances ;
-
estimer la valeur moyenne de la tension de décalage des AOP utilisés.
Câbler et caractériser au mieux les différents montages indépendemment les uns des
autres.
Caractériser l’ensemble du circuit :
-
dans une premier temps à l’aide d’un GBF délivrant le signal 𝑈𝑒
-
à la fin des trois séances en appliquant le signal de sortie du pont de Wheatstone
à l’entrée de votre circuit. Le dispositif complet sera étalonné et un test avec
l’enseignant permettra de valider le bon fonctionnement de votre balance
électronique à l’aide de masses étalon et de quelques masses mystère.
Rappel des points à suivre pour la caractérisation d’un bloc circuit :
1- Etablir la fonction théorique entrée-sortie du circuit
2- Donner le schéma électrique et dimensionner les éléments du cicuit
3- Simuler le circuit sous Spice (A faire à la maison)
4- Effectuer les mesures expérimentales
5- Comparer Théorie – Expérience – Simulation