6GEI300 - Électronique I Laboratoire #1 1. Objectifs 2
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6GEI300 - Laboratoire 1 Université du Québec a Chicoutimi Hung Tien Bui Automne 2010 6GEI300 - Électronique I Laboratoire #1 Analyse de circuits passifs Automne 2010 1. Objectifs • • • Se familiariser avec l’outil Multisim Réviser le comportement des circuits passifs simples Explorer quelques applications de circuits passifs simples 2. Méthodologie Le but du laboratoire est de vous familiariser avec les circuits passifs simples. Pour ce faire, vous allez utiliser des outils de conception par ordinateur et des équipements de laboratoire. Pour commencer, il sera question d’utiliser l’outil Multisim pour dessiner et de simuler les circuits de base avec résistances et de type RC. Ce qui important dans cette première partie c’est de se sentir a l’aise avec l’outil. Le document vous guidera pour le premier exemple et vous donnera de moins en moins de détail au fur et à mesure que vous aurez acquis de l’expérience. Dans la deuxième partie du laboratoire, vous aurez a concevoir des circuits simples sur plaquette de prototypage. Pour que ces circuits fonctionnent, vous aurez à faire des calculs et a vérifier que les composantes choisies soient bonnes. 3. Travail demandé a) Introduction à Multisim Vous allez dessiner et simuler 3 circuits dans cette première partie du laboratoire : - Diviseur de tension 1 6GEI300 - Laboratoire 1 Université du Québec a Chicoutimi Hung Tien Bui - Automne 2010 Filtre RC passe bas Filtre RC passe haut Diviseur de tension Pour commencer, vous dessinerez le circuit montré à la Figure 1. Ce circuit est un diviseur de tension typique que je peux utiliser, par exemple, pour ajuster la tension aux bornes d’un transistor. Passons quelques minutes à faire des calculs. 1. Trouvez les valeurs de R1 et de R2 si : o La résistance totale doit être égale à 10K o La tension de sortie vout doit être 3.5v Figure 1. Diviseur de tension Une fois qu’on a les valeurs de R1 et de R2, allons dessiner ce circuit dans le logiciel. Nous allons commencer par ouvrir le logiciel en double-cliquant sur l’icone qui est sur le poste de travail de l’ordinateur. Si il n’est pas là, allez dans Démarrer→Programmes→Multisim 8→Multisim8 (NOTE : Les ordinateurs sont peut-être équipés d’une version plus récente de Multisim. Cependant, les grandes lignes devraient être les mêmes) Vous verrez une interface graphique assez typique de Windows. Il y a 3 sections importantes à distinguer ici (Figure 2): la barre de droite contient des instruments de mesures virtuelles, la section en haut contient tous les menus et la section au milieu contient les composantes. Les étapes que nous allons suivre sont assez simples. Le but est de faire les choses suivantes : - Trouver les composantes et les placer dans la fenêtre du centre Connecter les composantes Ajouter et connecter les sources et la masse Inclure, au besoin, les instruments de mesures Démarrer la simulation 2 6GEI300 - Laboratoire 1 Université du Québec a Chicoutimi Hung Tien Bui Automne 2010 Menu Composantes Instruments Figure 2. Fenêtre de travail Multisim Pour commencer, allons dans le menu principal dans la section PLACER→COMPOSANT. Une fenêtre devrait apparaître. Il y a plusieurs choses à voir dans cette fenêtre. Dans la section GROUPE, vous choisissez le genre de composantes que vous avez besoin. Une fois que c’est choisi, vous sélectionnez la FAMILLE. La colonne du milieu vous donne les valeurs. Les termes deviendront clairs quand vous l’aurez fait quelques fois. En ce qui concerne le reste, vous pouvez ignorer pour l’instant. On a identifié les différentes sections dans la Figure 3. 3 6GEI300 - Laboratoire 1 Université du Québec a Chicoutimi Hung Tien Bui Automne 2010 Groupe Composants Famille Figure 3. Fenêtre pour placer les composantes Nous avons besoin de dessiner des résistances. Pour ce faire, allez dans GROUPE : Basic, FAMILLE : Basic_Virtual et sélectionnez Resistor_Virtual. Fermez la fenêtre et placez la résistance où vous le voulez sur la page. Cliquez sur cet élément avec votre bouton de droite pour avoir accès aux fonctions pour renverser et tourner vos éléments. Ça vous permettra d’avoir un circuit plus facile à déboguer et plus plaisant à regarder. Refaites les mêmes étapes pour faire sortir une 2e résistance. Remarquez qu’il y a plusieurs façons de dessiner des circuits. Vous auriez pu faire sortir des résistances en utilisant la section “Composantes” de la fenêtre (Figure 2). Vous auriez aussi pu faire un « copie-coller » une fois que vous aviez fait sortir la première résistance. Ce sont des choses que vous apprendrez à faire à force d’utiliser le logiciel. Déplacez vos composants jusqu’à ce que ça ressemble à peu près à la figure 4. Tout ce qui manque maintenant, c’est la source et la masse. Figure 4. Diviseur de tension 4 6GEI300 - Laboratoire 1 Université du Québec a Chicoutimi Hung Tien Bui Automne 2010 Entrez dans la section PLACER→COMPOSANT. Dans le GROUPE, sélectionnez SOURCES, dans la FAMILLE, sélectionnez POWER_SOURCE et dans la section COMPOSANT, sélectionnez DC_POWER. Nous avons presque fini. Il faut encore ajouter la masse. Revenez dans la section PLACER→COMPOSANT. Allez maintenant dans le GROUPE POWER_SOURCE et sélectionnez GROUND. Placez ce composant au nœud négatif de la source de tension DC. Votre diagramme est maintenant complet. Maintenant, on va aller ajuster la valeur des paramètres. On voulait que la tension à l’entrée soit de 5v et on veut mettre les valeurs de résistances trouvée dans la question 1. Pour changer les valeurs des composants, double-cliquez sur le composant en question et changez les valeurs. Une fois terminé, nous pouvons commencer à simuler. Allez dans SIMULER→ANALYSES→ANALYSE TRANSITOIRE. Quand la fenêtre apparait, ne portez pas trop attention aux détails. À la place, cliquez sur l’onglet SORTIE. À droite, vous allez voir tous les nœuds que vous voulez voir dans la simulation. Il y a de bonnes chances qu’on veuille examiner le signal en entrée et le signal de sortie. Dans le cas de MON circuit à la Figure 4, j’aurais intérêt à examiner le nœud 1 (entrée) et le nœud 2 (sortie). Au cas où vous ne l’ayez pas encore déduit, le numéro assigné à chaque nœud est précède d’un signe de dollar ($). Pour ajouter ces nœuds, cliquez sur le nœud et cliquez sur AJOUTER. Une fois termine, cliquez sur SIMULER. Filtre RC passe bas Passons au 2e circuit qui est celui du filtre passe bas. Vous pouvez partir du circuit précédent et simplement remplacer la résistance R2 par un condensateur. Utilisez un condensateur virtuel dans BASIC→BASIC_VIRTUAL→CAPACITOR_VIRTUAL. Double-cliquez sur le condensateur pour changer sa capacité à 2µF et en même temps, assurez-vous que sa condition initiale est 0. Figure 5. Filtre RC passe bas NOTE : Les composantes virtuelles sont en réalité des composantes idéales. Un des bénéfices d’utiliser les composantes idéales c’est que l’outil nous permet de changer les valeurs de paramètres. Par exemple, j’aurais le droit d’avoir une résistance de 3.18Ω. En réalité, cependant, il n’existe pas de résistances conventionnelles de 3.18Ω (il y a 3Ω et 3.3Ω) 5 6GEI300 - Laboratoire 1 Université du Québec a Chicoutimi Hung Tien Bui Automne 2010 On va maintenant simuler le circuit : Simuler →Analyses→Analyse Transitoire. Cette fois-ci, on va changer quelques paramètres. Premièrement, dans « Condition Initiale », changez le contenu. Par défaut, ca devrait être marque « Déterminer automatiquement les conditions initiales ». Pour nos besoins, on va changer ca a « Définie par l’utilisateur ». Cette option fait en sorte que Multisim va utiliser la condition initiale de 0v qu’on a mis aux bornes du condensateur. Sinon, il va déterminer lui-même les conditions initiales et ce n’est pas toujours une bonne idée. Un 2e paramètre à changer c’est quand la simulation finit (Heure fin – TSTOP). On aimerait que la simulation nous montre assez de détails, mais on n’en veut pas trop. Je dirais qu’un temps de simulation de 5τ devrait être adéquat. Par exemple, SI la constante de temps du circuit était de 5millisecondes (ms) (ce n’est PAS 5 ms!), 5τ serait égal a 25ms et donc, on devrait entrer 25ms dans la case (Heure Fin – TSTOP). 2. Quelle est la valeur de τ? 3. Mesurez le temps que ca prend pour que la sortie aille de 0v a mi-chemin (2.5v)? Vous pouvez mesurer à partir de la fenêtre de simulation en utilisant AFFICHAGE→AFFICHER/MASQUER CURSEURS. 4. Sans simuler, estimez ceci. Si je remplaçais la source d’alimentation par une source de 12v, combien de temps est-ce que ca me prendrait pour me rendre a michemin (6v)? Expliquez. Filtre RC passe haut Faisons une expérience semblable avec le filtre passe haut de la Figure 6. Remarquez que les valeurs de C1 et de R1 ne sont plus les mêmes. Figure 6. Filtre RC passe haut 5. Quelle est la valeur de τ? 6. Mesurez le temps que ca prend pour que la sortie descende de 5v a mi-chemin (2.5v)? 7. Sans simuler, estimez ceci. Si je remplaçais la source d’alimentation par une source de 12v, combien de temps est-ce que ca me prendrait pour me rendre de 12v a mi-chemin (6v)? Expliquez. b) Application des diviseurs de tension Tel que vu dans le cours, les diviseurs de tensions ont plusieurs applications. Dans ce laboratoire, nous allons nous en servir pour 2 applications : un thermomètre et un détecteur de lumière. Pour la première partie avec le thermomètre, nous explorerons la 6 6GEI300 - Laboratoire 1 Université du Québec a Chicoutimi Hung Tien Bui Automne 2010 procédure en détails. Pour la partie avec la détection de lumière, vous aurez plus d’autonomie. Thermomètre Pour le thermomètre, nous allons vouloir concevoir un système qui génère la plus grande différence de potentiel possible entre la température de la pièce et la température lorsqu’on souffle de l’air chaud dessus (de la même façon qu’on souffle pour nettoyer nos lunettes). Nous savons que la thermistance (Fig 7) change de résistance selon la température ressentie. Pour détecter une différence de résistance, il est possible de faire un diviseur de tension. Fig. 7 Thermistance Commençons par mesurer la résistance de notre thermistance à la température de la pièce et lorsqu’on souffle dessus avec de l’air chaud. 8. Quelle est la résistance de la thermistance à la température de la pièce ? 9. Quelle est la résistance de la thermistance lorsqu’on souffle dessus ? Nous allons maintenant faire un diviseur de tension pour obtenir un changement de tension en réponse à un changement de température. Nous voulons utiliser une source de 5v et nous aimerions que la tension de sortie augmente lorsque la température augmente. Pour faire un diviseur de tension, il faut savoir comment le circuit est connecté : 10. Dessinez le circuit du diviseur de tension en identifiant clairement la source, la thermistance, la résistance constante et la masse. Quand on souffle de l’air chaud sur la thermistance, la sortie devrait avoir une tension plus élevée que lorsqu’elle est laissée à la température de la pièce. Si on voulait, on pourrait calculer la différence de voltage entre le cas où l’on souffle de l’air chaud et le cas où la thermistance est laissée à la température de la pièce. 11. Déterminez la valeur de la résistance requise pour avoir la plus grande différence de voltage entre la température de la pièce et la température lorsqu’on souffle sur la thermistance. Parlez de l’approche que vous avez utilise pour trouver cette valeur. Note : Si vous parvenez à résoudre la question 11 en utilisant des dérivées (de façon pertinente) pour trouver la valeur de R qui donne la différence de voltage maximale, vous aurez 10 points de bonus. Sinon, une autre option serait de chercher par tâtonnement en changeant les valeurs de résistance jusqu'à ce que vous ayez une valeur convenable. C’est 7 6GEI300 - Laboratoire 1 Université du Québec a Chicoutimi Hung Tien Bui Automne 2010 le genre de manipulation qui pourrait se faire rapidement par simulation avec Multisim. Dans les 2 cas, décrivez la procédure adoptée à la question 11. 12. Selon votre valeur de résistance, quelles devraient être les tensions de sortie lorsque le circuit est à la température de la pièce et quelle devrait être la tension lorsqu’on souffle de l’air chaud sur la thermistance ? 13. Faites le montage du circuit et faites en la démonstration au charge de laboratoire. Photorésistance Pour faire un circuit de photo détection, nous allons utiliser une photorésistance (Fig. 8). La valeur de la résistance change avec la quantité de lumière qui la frappe. Nous aimerions faire un circuit qui génère moins que 1v lorsqu’on met la main à 1cm de la photorésistance et qui génère plus que 4v quand notre main n’est plus présente. Si vous n’arriviez pas à respecter ces contraintes, vous devriez reprendre l’exercice en vous plaçant dans des conditions lumineuses qui vous permettront d’y arriver (devriez-vous vous mettre dans des conditions PLUS lumineuses ou MOINS lumineuses ?). Fig. 8. Photorésistance 14. Calculez la valeur de la résistance requise et dessinez le circuit du diviseur de tension. 15. Faites le montage du circuit et faites-en la démonstration au charge de laboratoire. 4. Rapport Répondez aux questions qui ont été posées tout au long du document de laboratoire. Ajoutez quelques phrases, au besoin, pour justifier vos réponses. Ajoutez une section intitulée « Conclusions » a la fin de votre rapport. Dans cette section, vous devez expliquer le lien entre les différents aspects que nous avons explore dans le laboratoire. Expliquez la raison d’être des expériences qui vous ont été proposes (« On nous a demande d’ajouter X au circuit pour pouvoir augmenter Y puisque ca affecte Z de telle manière»). Dans la même section, je vous demanderais de me faire part de vos commentaires. N’hésitez pas a me faire des reproches : ca ne comptera pas dans la note. 5. Barème 3 Points par question 5 Points pour la section « Conclusions » /45 /5 8
