TP 5 : ETUDE DE REGIMES TRANSITOIRES Objectifs : l’oscilloscope en mode bicourbe, circuits RL et RLC en régime transitoire, mesure de L Il existe de nombreux circuits composés d’un élément réactif et d’une résistance. Ainsi, les moteurs composés d’enroulements réalisés avec du fil de cuivre se modélisent par un circuit RL : la résistance représente la valeur résistive du fil de cuivre et l’inductance la bobine réalisée avec le fil de cuivre ; d’autres exemples peuvent également être rencontrés : transformateurs, ballast pour tubes fluorescents (le rôle du ballast ferro-magnétique étant alors double : il permet de fournir la haute tension nécessaire à l'allumage du tube puis, une fois le tube allumé, il permet de limiter le courant le traversant). I) ÉTUDE D’UN CIRCUIT RL EN RÉGIME TRANSITOIRE Manipulation 1 1) Réglage du signal d’alimentation Brancher le GBF directement sur l’oscilloscope, régler le zéro de cet oscilloscope (GND) au milieu de l’écran, puis régler le GBF pour qu’il délivre un signal carré d’amplitude crête à crête de 6 V. Régler ensuite le zéro de l’oscilloscope en bas de l’écran et rajouter une composante continue au signal délivré par le GBF de manière à ce que le signal carré soit positif et d’amplitude 6 V. 2) Etude qualitative du circuit RL Réaliser le montage correspondant à un circuit RL série alimenté par le GBF de résistance interne Rg avec le réglage précédent, en utilisant une résistance R = 500 et une bobine de 1000 spires (d’inductance L 40 mH et de résistance interne r 8 ). Brancher l’oscilloscope de façon à visualiser la tension ve aux bornes du générateur ainsi que la tension uR aux bornes de la résistance R. Que se passerait-il si on branchait l’oscilloscope aux bornes de l’inductance (au lieu de la résistance), sans modifier le circuit ? Observer à l’oscilloscope les tensions uR et ve aux bornes de R et du BF ; faire varier les valeurs de la fréquence f et de la résistance R. Représenter les différentes allures observées pour uR et les justifier. Pourquoi le signal délivré par le GBF est-il déformé ? Quel doit être l’ordre de grandeur de la fréquence f du signal délivré par le GBF à utiliser pour étudier un tel montage en visualisant l’intégralité de la réponse de la bobine ? Choisir alors une fréquence adaptée et l’utiliser pour la manipulation ci-dessous. 3) Détermination de la constante de temps du circuit et de l’autoinductance L de la bobine Soit 50 le temps au bout duquel la tension uR passe de 0 à uR,max /2 . Evaluer sur l’écran de l’oscilloscope le temps 50 défini ci-dessus. Proposer un protocole permettant de déterminer expérimentalement la constante de temps du circuit. Appeler le professeur pour valider le protocole. Mettre en œuvre le protocole proposé et évaluer l’incertitude sur la mesure de . En étudiant l’expression théorique du temps 50, proposer une méthode graphique qui permettrait de déterminer à la fois L et r + Rg. Appeler le professeur pour valider la méthode. Mettre en œuvre la méthode proposée à l’aide de Régressi, en faisant apparaître les ellipses d’incertitude associées aux points expérimentaux. TP5 : Etude de circuits en régime transitoire MPSI1 2016-2017 III) ETUDE DU CIRCUIT RLC SERIE EN REGIME TRANSITOIRE Manipulation 2 Réaliser le montage correspondant à un circuit RLC série alimenté par le GBF délivrant le même signal carré positif que dans la manipulation 1, avec comme résistance R des boites AOIP x10, x100 et x 1000, comme inductance L une bobine de 500 spires et comme capacité C = 0,01 F. Brancher l’oscilloscope de façon à mesurer simultanément la tension ve aux bornes du GBF et la tension uC aux bornes du condensateur, et choisir une fréquence adaptée à l’étude du système. Appeler le professeur pour valider le montage Faire varier la valeur de la résistance R, observer les trois régimes possibles et représenter les différentes allures observées pour la tension uC. Evaluer ainsi la résistance critique. En déduire la valeur de l’inductance L de la bobine, ainsi que l’incertitude sur cette mesure. Se placer à une valeur de résistance R légèrement inférieure à la résistance critique (de manière à observer 2 ou 3 oscillations). Evaluer alors la pseudo-période T du signal obtenu. En déduire une nouvelle valeur de l’inductance L de la bobine, ainsi que l’incertitude sur cette mesure. Baisser encore la valeur de la résistance R (de manière à observer environ 5 oscillations). Evaluer alors le décrément logarithmique . En déduire une nouvelle valeur de l’inductance L de la bobine, ainsi que l’incertitude sur cette mesure. Conclure sur ces différentes évaluations de L. À SAVOIR 1. Quel type de signal (délivré par le GBF) peut-on utiliser pour visualiser les charges et décharges de circuits RC ou RL en régime transitoire ? Comment choisir la fréquence du signal ? Que se passe-t-il si elle est trop élevée ? trop faible ? 2. Comment brancher l’oscilloscope afin de visualiser simultanément la tension aux bornes du générateur et celle aux bornes de la résistance dans un circuit RL série ? dans un circuit RLC série ? 3. Savoir évaluer sur un oscillogramme la constante de temps d’un circuit RC ou RL. 4. Quelle différence (chiffrée) existe-t-il entre une bobine ou un condensateur réels et une inductance ou une capacité purs ? 5. Proposer une méthode permettant d’évaluer la résistance critique d’un circuit RLC série. Dans un circuit RLC série réalisé à l’aide d’une bobine réelle, d’une résistance R et d’un condensateur réel, et alimenté par un GBF classique, que faut-il prendre en compte quant à la résistance totale Rtot du circuit ? quand peut-on simplifier cette expression ? En est-il de même dans le cas d’un circuit RL ? 6. Savoir mesurer sur un oscillogramme la pseudo-période T et le décrément logarithmique pour un circuit RLC série en régime pseudo-périodique. 7. En mode bicourbe, savoir régler la synchronisation de l’oscilloscope ; savoir choisir entre les modes CHOP et ALTERN. Lors du branchement d’un oscilloscope dans un circuit, toujours vérifier que vous ne créez pas de court-circuit entre sa masse et celle d’un autre appareil (souvent le BF). (Si on veut observer simultanément la tension aux bornes des 2 constituants, il se pose un problème de masse, qui pourra être résolu par l’utilisation d’une sonde différentielle, d’un transformateur d’isolement ou d’un BF non relié à la terre, ou en jouant sur les fonctions inversion et addition de l’oscilloscope). Lorsqu’on visualise 2 signaux dont un provient du BF, il est préférable de synchroniser sur ce dernier, car son amplitude est à peu près constante lorsque la fréquence varie. Dans l’étude des circuits réels, ne pas oublier de vérifier s’il faut tenir compte ou pas de la résistance interne Rg du générateur et de la résistance interne r de l’éventuelle bobine. TP5 : Etude de circuits en régime transitoire MPSI1 2016-2017