tp 14 : redressement. - page perso
publicité
1 STI Génie Electronique T.P. PHYSIQUE APPLIQUEE 1 Consignes générales pour tous les TP 1) Câbler un circuit électrique en respectant les consignes de sécurité : - mise en service de l'alimentation électrique puis de la commande après vérification du montage (par le binôme d'abord, puis par le professeur) coupure de la commande puis de l'alimentation (ou déconnexion) avant toute intervention manuelle dans le circuit réalisation du circuit avant de brancher les appareils de mesure en dérivation (voltmètres, oscilloscope) 2) Maîtriser l'emploi des appareils de mesure : ampèremètre, voltmètre, ohmmètre, multimètre, oscilloscope : - donner le résultat d'une mesure avec le maximum de chiffres significatifs compatible avec les appareils utilisés prendre conscience : - de l'impédance interne des appareils utilisés - de l'influence de l'emplacement d'un appareil dans un montage 3) Relever de façon autonome les oscillogrammes en y faisant figurer : les grandeurs représentées, les unités, les échelles et les coordonnées des points remarquables. Remarque : code des couleurs (résistances à 5 %) Noir : Marron : Rouge : Orange : Jaune : Vert : Bleu : Violet : Gris : Blanc : Ch. Ekstein 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1er anneau : 1er chiffre 2ème anneau : 2ème chiffre 3ème anneau : multiplicateur (exposant de la puissance de 10) 4ème anneau : tolérance (ex. doré : ± 5 %) 1 STI Génie Electronique T.P. PHYSIQUE APPLIQUEE 2 TP : critères d’évaluation Important : la mise sous tension doit être effectuée avec l’autorisation du professeur binôme professeur Oui non oui non Avez-vous déterminé, le cas échéant, les composants à câbler ? (valeurs normalisées) Avez-vous déterminé les appareils de mesure à placer ? Avez-vous représenté sur le schéma de câblage les alimentations et les appareils de mesure ? Avez-vous précisé le sens de branchement des appareils sur le schéma ? Avez-vous expliqué le déroulement du mesurage ? Avez-vous respecté le schéma pour l’implantation des composants ? Le montage a-t-il été vérifié par le binôme avant d’appeler le professeur ? Avez-vous relevé avec soin vos mesures ? (tableau de mesures, unités, chiffres significatifs…) Avez-vous interprété vos relevés ? (vérification d’une loi…) Avez-vous bien organisé le plan de travail ? Préparation du mesurage : Le câblage : Relevés : Ch. Ekstein 1 STI Génie Electronique T.P. PHYSIQUE APPLIQUEE 3 T.P. 1 : Intensité. Différence de potentiel. Lois relatives aux réseaux : loi des mailles, des nœuds. Loi d’Ohm. I. Objectifs Régler un multimètre et mesurer (algébriquement) des tensions et des intensités. Réaliser un montage à partir de schémas simples. Vérifier les lois des nœuds, des branches et des mailles. . Vérifier que, pour un résistor, la relation entre U et I est linéaire. II. Montages : 1. A 1k 470 B C + 680 5V 330 M 2. N I 1k I1 I2 + 680 330 5V * 3. I A A * 680 III. Travail à effectuer V B 1. Indiquer sur le schéma n° 1 les noms des tensions correspondant aux flèches, puis mesurer successivement ces tensions (représenter par exemple le branchement du voltmètre qui mesure UAN avec * sur la borne d’entrée "V"). Vérifier 3 lois des mailles. (Les mesures seront relevées avec le maximum de précision : 3 ou 4 chiffres significatifs). 2. A partir du schéma n° 2, tracer le schéma des 3 circuits avec un ampèremètres pour mesurer l'intensité des 3 courants dans le circuit. Mesurer successivement ces 3 intensités. Vérifier la loi des nœuds. 3. En faisant varier la tension d’alimentation UAB entre –5 et +5V dans le 3ème montage, relever quelques couples (I, UAB) et tracer la caractéristique courant-tension du résistor [représentation graphique de UAB = f(I)]. A partir des points de la courbe, déterminer la relation qui lie UAB (en V) à I (en A). Ch. Ekstein 1 STI Génie Electronique T.P. PHYSIQUE APPLIQUEE 4 T.P. 2 : Perturbations apportées par les appareils de mesure Exposé du problème : L'hypothèse faite jusqu'à présent est que - l'ampèremètre a une résistance nulle, il n'y a pas de tension à ses bornes - le voltmètre a une résistance infinie, il n'y a pas de courant qui le traverse En réalité, ces hypothèses constituent des approximations qui peuvent générer des erreurs de mesure. I. VOLTMETRE + Montage Le voltmètre a une résistance RV pour un calibre donné. I Mesures : En faisant varier la tension aux bornes de l’alimentation, mesurer U et I pour déterminer la résistance du voltmètre à différents calibres (2 ; 20 ; 200 V). Conclusion : comment varie RV avec le calibre ? U * * V A II. AMPEREMETRE Montage L’ampèremètre a une résistance RA pour un calibre donné. Umax est la chute de tension correspondant à l’intensité maximale. boîte à décades 1500 Mesures Déterminer RA en mesurant U et I sur 3 calibres (20 ; 2 ; 0,2 mA) * Conclusion Comment varie RA avec le calibre ? Quelle est la chute de tension maximale produite par l’ampèremètre utilisé ? * I A V U III. ERREURS SYSTEMATIQUES dues aux caractéristiques des appareils de mesure. Exemple : mesurage d’une résistance R par la méthode « voltampèremétrique ». Deux types de montages peuvent être envisagés : Montage « aval » ou courte dérivation Montage « amont » ou longue dérivation U’’ I’ A A I R U i V U’ V R U I R nomin. 100 100 k U 5V 5V I’ R mes. i Mesurer U et I’ ; calculer R mesurée, i et i/I’ i/I’ en % R nomin. 100 10 k I U’ 1V 1V R mes. U’’ U’’/U’ en % Mesurer I et U’ ; calculer R mesurée, U’’ et U’’/U’ Conclusion quant aux erreurs de mesure effectuées dans chaque cas et au choix à effectuer. On pourra comparer Rmes. avec la valeur mesurée à l'ohmmètre. Ch. Ekstein 1 STI Génie Electronique T.P. PHYSIQUE APPLIQUEE 5 T.P. 3 : Potentiomètre, dipôle non linéaire Objectifs : comprendre le mode de fonctionnement d'un potentiomètre linéaire, ainsi que la non linéarité d'une diode. I. Potentiomètre. 1. Rôle. On utilise un potentiomètre pour faire varier la tension entre deux points d’un circuit à partir d’une alimentation stable ; A et B sont les bornes fixes, C le curseur (variable mécaniquement) K1 B 2. Schéma du montage Tension d’alimentation : U = …(voir ci dessous) Valeurs nominales du potentiomètre : Rp = 2,2 kentre B et A) ; Pmax= 0,1 W Résistance à vide : x = 0 à 2,2 k (entre C et A) Résistance de charge : Rc = 330 C U K2 x V Rc Représenter sur le schéma les intensités des courants A Ip et Ic traversant x et Rc ainsi que la tension UCA . 3. Conditions d’utilisation. a) Quelle est, pour le potentiomètre à vide, et compte tenu de Pmax , l’intensité maximale du courant qui peut le traverser, ainsi que la tension maximale à ses bornes ? b) La résistance de charge Rc a une puissance admissible Pa = 0,25 W. Quelle est l’intensité Ic à ne pas dépasser ? En déduire la tension maximale à ses bornes. c) Conclure quant à la tension d'alimentation U à ne pas dépasser. 4. Tableau de mesures. On prendra U = 5 V. Réaliser le montage et mesurer UCA en fonction de x à vide (K2 ouvert) puis en charge. 5. 6. a) b) On mesurera x à l’ohmmètre entre C et A après avoir isolé le potentiomètre : interrupteurs K1 et K2 ouverts. Tracer la courbe de UCA = f(x) à vide, puis en charge. Comment varie UCA en fonction de x ? Calculs théoriques. A vide : déterminer UCA = f(x). Vérifier que la fonction est bien linéaire. En charge : Tracer le schéma ; déterminer UCA = f(x). II. Etude d'un dipôle non linéaire : diode à jonction Ce dipôle non linéaire permet de redresser ou de stabiliser une tension ou de l'écrêter, en vue de protection. Rp IF A 1. Montage : A Rp = 3,3 k 2. Conditions d'utilisation : Le courant admissible est de Imax =1 A E UAK V 3. Mesures : Relever I, U, pour E variable, positif ou négatif. Déterminer P, RS = U/I (résistance statique) le tout sous forme de tableau. 4. Graphique : représenter les couples (I, U) K 5. Conclusion. Comparer la caractéristique obtenue avec celle d'un résistor linéaire. On définit la résistance dynamique au voisinage d'un point par le rapport r = U/I soit le coefficient directeur de la tangente à la caractéristique au point considéré. Déterminer la valeur de r en quelques points. En déduire comment elle varie quand U augmente. Ch. Ekstein 1 STI Génie Electronique T.P. PHYSIQUE APPLIQUEE 6 T.P. 4 : Etude des dipôles actifs linéaires Objectifs : Réaliser un dispositif expérimental d’étude de dipôles actifs en tenant compte, suivant les cas, des limitations en tension, en intensité, en puissance. Appliquer la méthode d’étude : caractéristique, équation, modèle. 1. Etude de l’alimentation stabilisée. A I a) Réglages initiaux. 1er réglage initial : en circuit ouvert, régler U0 = 2 volts. 2ème réglage initial : en court circuit, régler Icc = 50 mA. U Ne plus dérégler l’alimentation. b) Quelle peut être la puissance maximale fournie au composant B branché aux bornes A, B ? c) Tracer le schéma et relever les couples (I,U) quand le potentiomètre Rp varie de 0 à 220 . d) Tracer la courbe représentative de U = f (I) et en déduire l’équation des parties rectilignes. e) Définir le modèle électrique équivalent pour chaque partie rectiligne. 2. Etude d’un dipôle actif quelconque D dipôle D A R1 P I UAB = 10 V R1 = 470 U R2 = 330 alimentation B R U N Dipôle D de bornes P, N. a) Mesurer la tension en circuit ouvert U0 aux bornes P, N et et en déduire a priori la puissance que pourrait fournir le dipôle D à un potentiomètre de 1 k. b) Tracer le schéma et relever les couples (I,U) quand le potentiomètre branché aux bornes P et N a sa résistance Rp qui varie de 0 à 1 k. c) Tracer la courbe représentative de U = f (I) et en déterminer l’équation. d) En déduire un modèle équivalent au dipôle actif D. Ch. Ekstein 1 STI Génie Electronique T.P. PHYSIQUE APPLIQUEE 7 T.P. 5 : Caractéristiques d’un électromoteur Objectifs : Relever les caractéristiques d’un accumulateur, simulé par le dipôle Em. Montrer que l’électromoteur est un dipôle actif (il fournit de l’énergie électrique à une charge, ou il la consomme pour la convertir en énergie -pas seulement calorifique-). Déterminer la force électromotrice U0 ainsi que la résistance interne R0. A. Montage. RP B* I P A * R’ E R0 V U R E’ Alimentation (réversible) M Em On remarquera que le dipôle Em est orienté avec la convention récepteur. Valeurs choisies : R = 68 ; R’ = 10 ; RP = 100 ; R0 = 220 E’ = 5 V B. Conditions d’utilisation Calculer, pour le dipôle Em, la tension à vide U0 ainsi que la puissance dissipée par chacun des résistors R et R’ (lorsque I = 0). C. Relevé de la caractéristique courant-tension du dipôle Em. En tournant le bouton du potentiomètre de réglage de la tension d’alimentation, faire varier E ; relever des couples (I,U) pour I 50 mA et tracer la caractéristique U = f(I). D. Exploitation de la caractéristique. a) Déterminer l’équation de la caractéristique U(I) du dipôle Em. . b) En déduire le(s) modèle(s) électrique(s) équivalent(s) du dipôle Em. c) Quel est le fonctionnement physique (générateur ou récepteur) du dipôle Em lorsque I > 0 et lorsque I < 0 ? d) Si le dipôle Em avait été orienté suivant la convention générateur, les signes des valeurs de I auraient été inversés. Reprendre les questions a) b) c). Ch. Ekstein 1 STI Génie Electronique T.P. PHYSIQUE APPLIQUEE 8 T.P. 6 : Modèles équivalents de Thévenin et de Norton Objectifs : Vérifier expérimentalement que l'association de dipôles linéaires est équivalente à un dipôle linéaire. Comparer les valeurs calculées et les valeurs mesurées des paramètres des modèles équivalents (E0, R0, ICC). A. Etude expérimentale 1. Dipôle avec source de tension. D R1 C R2 A E=5V R1 = 100 R2 = 220 R3 = 330 E R3 a) Tracer le schéma du montage qui permet de relever la caractéristique U = f(I) du dipôle D1 de bornes AB. b) Tracer la caractéristique. Est-elle rectiligne ? c) A l'aide de cette caractéristique, déterminer E0, R0 et ICC. d) Effectuer le mesurage des paramètres du dipôle AB : Tension à vide aux bornes du dipôle. Intensité du courant de court circuit Résistance (à l'ohmmètre) aux bornes AB après avoir "éteint" le générateur de tension. Conclure. Remarque : pour "éteindre" un générateur (c'est à dire annuler une source) : on remplace une source de tension indépendante par un court-circuit (tension nulle) on remplace une source de courant indépendante par un circuit ouvert (courant nul) Ch. Ekstein 1 STI Génie Electronique T.P. PHYSIQUE APPLIQUEE 9 2. Dipôle avec source de courant. S C R2 A I1 R1 = 100 R2 = 220 R3 = 330 R1 Alim.stab. V R3 Régler I1 = … mA Répondre aux mêmes questions pour ce dipôle D2. B. Etude théorique 1. Modèles équivalents de Thévenin et de Norton : détermination des paramètres par le calcul. Pour chacune des deux structures précédentes, déterminer par le calcul les éléments de leurs modèles équivalents (E0, R0 et ICC). Pour chaque élément (ou paramètre), on rappellera la définition précise et on tracera le schéma correspondant à la condition particulière. 2. Application : Pour chacune des deux structures précédentes, déterminer par le calcul les valeurs de UAB et de IAB lorsque chacun des dipôles est branché à un résistor de résistance R = 100 . A UAB B Ch. Ekstein IAB R 1 STI Génie Electronique T.P. PHYSIQUE APPLIQUEE 10 T.P. 7 : Régulateur intégré de tension (R.I.T.) Objectifs : Relever des mesures sur un dipôle actif après avoir tracé le schéma avec les appareils. Tracer et exploiter la caractéristique en proposant un modèle (générateur de tension), tenant compte du domaine de validité. Déterminer un rendement. Réaliser un générateur de courant. 1. Caractéristique statique du RIT 7805 : régulation aval (Ue est fixe et R varie) Ie E S Is 1 E S 2 1 3 2 com Ue = 15 V I0 0 3 0,1µF Us R : boite à décades M Compléter le schéma afin de relever la caractéristique de sortie Us = f (Is). Réaliser le montage et relever les couples de mesures pour des valeurs de R successivement égales à : 100 k, 10 k, 1 k, 200 , 100 , 50 , ainsi qu'à vide (circuit ouvert en sortie). Tracer la courbe Us = f (Is). Proposer un modèle électrique équivalent en précisant son domaine de validité. 2. Régulation amont : R est fixe = 100 ; Ue varie. Ie E Is S com Ue I0 = 0 Us R a) Caractéristique de transfert. Tracer le schéma et relever les couples Us et Ue lorsque Ue varie de 0 à 15 V Tracer la courbe de transfert Us = f(Ue). En déduire pour quelles valeurs de Ue la tension de sortie est régulée (stabilisée) ? b) Rendement On suppose que, comme I0 est négligeable, les valeurs de Is et de Ie sont égales A partir de Pu = UsIs et Pa = UeIe calculer le rendement = Pu/Pa pour chaque point de la courbe précédente. Tracer la courbe = f(Ue) c) Conclusion : donner les conditions de fonctionnement optimal du RIT. suite Ch. Ekstein 1 STI Génie Electronique T.P. PHYSIQUE APPLIQUEE 3. Réalisation d'un générateur de courant 11 R0 = 470 1 E S 2 Is com Ue = 15 V 3 A I0 0 V V boite à décades R Relever les valeurs du tableau (ne pas dépasser 900 ) : R() Courtcircuit Us(V) 50 80 100 200 300 400 500 600 700 800 Is(mA) Tracer la courbe Is = f(Us) et en déduire le domaine de fonctionnement où le dipôle actif se comporte comme une source de courant. Ch. Ekstein 900 1 STI Génie Electronique T.P. PHYSIQUE APPLIQUEE 12 T.P. 8 : CONDENSATEURS : charge à courant constant Objectifs : Déterminer expérimentalement la capacité d'un condensateur, avec une précision relative Vérifier les lois d'association des condensateurs Mettre en évidence expérimentalement l'énergie stockée par un condensateur. Montage I0 A S + 15 V V uc C K M attention : les condensateurs électrochimiques sont polarisés. Protocole de l’expérimentation : Interrupteur fermé, régler la source de courant. Dès qu'on ouvre l'interrupteur K (instant t = 0), le courant permet la charge du condensateur. On relève uc en fonction du temps de charge t (chronomètre à la seconde près), par exemple toutes les 3 secondes, jusqu’à ce que la tension uc atteigne 8 V par exemple. On peut recommencer après avoir déchargé "brutalement" le condensateur en refermant l'interrupteur. A. Influence du courant de charge I0 1. Effectuer l’expérimentation avec C = 2200 µF (valeur nominale 20 %); I0 = 1 mA. Tracer les courbes uc = f(t) et Q = f(uc). En déduire la relation entre uc et Q. Déterminer la capacité du condensateur [coefficient directeur de la droite Q = f(uc)] 2. Effectuer l’expérimentation avec I0 = 1,4 mA. Comparer les vitesses de charge (en V/s). 3. En supposant que la décharge "brutale" se fasse en 1 ms (quand on referme l'interrupteur K), calculer la valeur moyenne du courant de décharge. B. Influence de la capacité C Effectuer l’expérimentation avec I0 = 1 mA ; C = 1000µF. Tracer les courbes uc = f(t) et Q = f(uc) dont le coefficient directeur sera comparé à C. Conclure quant à la vitesse à laquelle se charge le condensateur. Ch. Ekstein 1 STI Génie Electronique T.P. PHYSIQUE APPLIQUEE C. Association de condensateurs en parallèle. C1 = 1000 µF ; C2 = 2200 µF. 13 1. Effectuer l’expérimentation avec I0 = 1 mA pour l'association en parallèle des 2 condensateurs. Tracer sur le même graphique que précédemment la courbe Q = f(uc) 2. En déduire la capacité équivalente Cp de l'association ; la comparer à C1 + C2. 3. Pour uc = 5 V vérifier la relation entre les charges Q1 Q2 et Q de l'association. D. Puissance électrique absorbée Pour I0 = 1 mA et C2 = 2200 µF, tracer la courbe de la puissance p absorbée par le condensateur en fonction du temps de charge t. Quelle est la puissance maximale absorbée par le condensateur ? Quelle est la puissance moyenne lorsque uc varie de 0 à 8 V ? E. Energie emmagasinée dans le condensateur. Calculer, à partir d'une des relations encadrées, l'énergie stockée dans le condensateur C2 lorsque la tension à ses bornes vaut 8 V. (on prendra la valeur expérimentale de C2). Remarque : l'énergie absorbée à un instant t0 est égale à l'aire de la surface limitée par la courbe et l'axe des temps entre 0 et t0. On a donc : W 1 1 P.t0 U .I .t0 2 2 d'où les relations spécifiques aux condensateurs : W 1 1 1 Q² Q.U C.U ² 2 2 2 C F. Champ électrique et force électrostatique La capacité C d’un condensateur plan est donnée par : S 1 C 0 r avec 0 (permittivité du vide) = en F/m d 36 .10 9 r (permittivité relative) qui dépend de l’isolant (ou diélectrique). S : aire des armatures ; d : épaisseur de l’isolant. U Le module du champ électrique créé par une d.d.p. est donné par : E AB d La force électrostatique est alors F q.E Application : r du mylar = 2,5 ; S = 1,24 dm2 ; d = 12,5 µm ; le champ disruptif est de 10 MV/m. a) calculer la capacité C du condensateur. b) Calculer la tension maximale de service, si on adopte un coefficient de sécurité de 2. Ch. Ekstein 1 STI Génie Electronique T.P. PHYSIQUE APPLIQUEE 14 T.P. 9 : CONDENSATEURS : charge et décharge à travers un résistor Objectifs : Constater l'existence d'un régime transitoire et d'un régime permanent Déterminer expérimentalement le temps de charge et de décharge, et la constante de temps Utiliser un générateur BF, associé à un oscilloscope, pour étudier des phénomènes rapides mais répétitifs. 1. Etude de la charge du condensateur dans un circuit R-C sous une tension E étude de la variation de uAB quand t varie : R P A * V i E C u t= 0 B On donne : E = 10 V C = 5 µF voltmètre (résistance R = 10 M) Relever, à partir du condensateur déchargé et toutes les 10 secondes la valeur de uPA pendant 5 min puis tracer la courbe de charge : u = f(t) (attention : l’indication du voltmètre indique la valeur de R.i) Analyse de la courbe de charge : on définit la constante de temps du circuit de charge par : Si R est en et C en F, on a en secondes = R.C a) A quel pourcentage de charge (par rapport à son maximum) correspond le temps ? b) Quelle est (en fonction de ) la durée pour que le condensateur soit chargé à 95 % ? à 99 % ? c) Quelle est l'équation de la tangente à l'origine, si on admet qu'elle coupe la droite u = E à l'abscisse t = ? Ch. Ekstein 1 STI Génie Electronique T.P. PHYSIQUE APPLIQUEE 15 2. Etude de la charge et de la décharge du condensateur à l'oscilloscope A. Réglages: a) b) c) d) Régler la forme du signal de sortie e du générateur BF en rectangulaire : Régler sa fréquence à 100 Hz Connecter la sortie du générateur à l'entrée CH 1 de l'oscilloscope et effectuer un "auto set" régler l'écart de tension à 8 V entre le niveau haut et le niveau bas (réglage amplitude du GBF) Le meilleur réglage de l'oscilloscope pour visualiser la tension e en voie 1 : - niveau zéro au milieu de l'écran - calibre vertical : 2 V / div - calibre horizontal : 2,5 ms / div couplage « CC », sonde 1X. e) Tirer le bouton de décalage (offset) du GBF et "remonter" le signal pour que les créneaux soient alternativement aux valeurs 8 V et 0 V. Remarquer qu'on a une période de T = 1/f de 10 ms. On obtient donc la courbe suivante : e E = 8V (Niveau 0 voie) 1 t (ms) 10 20 Le générateur est donc équivalent à une source de tension continue (de fém E = 8 V) en série avec un interrupteur qui se fermerait puis s'ouvrirait avec une période T de 10 millisecondes. On a donc une alternance de charges et de décharges du condensateur à travers le résistor R. Voie 1 (e) B. Etude du régime transitoire du circuit R-C R voie 2 (u) On réalise le montage ci-contre : GBF 2.1. Influence de R sur le temps de charge e C u masse On prend C = 1 µF. Relever les courbes e(t) et u(t) pour des valeurs de R successivement égales à 1 k; 10 k; 300 . Interpréter les courbes u(t) en comparant le temps complet de charge ou décharge (3) à la durée pendant laquelle il se charge ou décharge (T/2). 1.2. Influence de la capacité C sur le temps de charge. On prend R = 1 k. Relever les courbes e(t) et u(t) pour C = 0,1 µF puis comparer les courbes u(t) quand C = 0,1 µF et C = 1 µF. (faire varier C et observer) Pour C = 1 µF et en changeant le réglage de la base de temps de l'oscilloscope, ou de l'amplification verticale (pour plus de précision), tracer la tangente à l'origine de la courbe et déterminer le point d'intersection avec la droite d'équation u = 8 V. Comparer son abscisse t0 avec la valeur de = R.C En échangeant résistor et condensateur (tracer le schéma), observer la forme de uR = R.i et relever les courbes. (R = 1 k ; C = 1 µF) Ch. Ekstein 1 STI Génie Electronique Oscillogramme n° représentant : sensibilité : Y1 : Y2 : X: /div. DC/AC /div. DC/AC /div. Oscillogramme n° représentant : sensibilité : Y1 : Y2 : X: /div. DC/AC /div. DC/AC /div. Oscillogramme n° représentant : sensibilité : Y1 : Y2 : X: Ch. Ekstein /div. DC/AC /div. DC/AC /div. T.P. PHYSIQUE APPLIQUEE 16 1 STI Génie Electronique Oscillogramme n° représentant : sensibilité : Y1 : Y2 : X: /div. DC/AC /div. DC/AC /div. Oscillogramme n° représentant : sensibilité : Y1 : Y2 : X: /div. DC/AC /div. DC/AC /div. Oscillogramme n° représentant : sensibilité : Y1 : Y2 : X: Ch. Ekstein /div. DC/AC /div. DC/AC /div. T.P. PHYSIQUE APPLIQUEE 17 1 STI Génie Electronique T.P. PHYSIQUE APPLIQUEE 18 C. Conclusion quant au régime transitoire et au régime permanent Les courbes universelles de charge et de décharge ci-jointes (établies mathématiquement) permettent de retrouver les résultats précédents : vitesse de charge, tangente à l'origine, en fonction de la constante de temps du circuit : = R.C. a) A quel pourcentage de charge (par rapport à son maximum) correspond le temps ? b) Quelle est l'équation de la tangente à l'origine ? c) Quelle est (en fonction de ) la durée pour que le condensateur soit chargé à 95 % ? à 99 % ? d) Application. On donne C = 100 µF ; R = 22 k ; E = 4 V. Déterminer u après 3 s de charge. Remarque : L’équation de la maille du circuit de charge est (vu que i dq du 1 C ) : dt dt du E dt L’équation de la maille du circuit de décharge est : u (t ) RC u (t ) RC D. Application du 0 dt Etude du circuit suivant : R A E = 10 V RV = R = 10 M i E Rv V C C = 5 µF B Déterminer, dans le circuit à une maille équivalent : a) la valeur indiquée par le voltmètre, le condensateur étant complètement chargé b) la valeur de la constante de temps c) le temps mis (au cours de la charge) pour que le voltmètre indique la valeur 4 volts d) la valeur de uAB au bout de 10 s de charge. e) la valeur maximale de l’intensité de charge i f) la valeur maximale de l’énergie stockée par le condensateur. L’intensité i est le produit de la capacité C par la dérivée de la tension u par rapport à t [coefficient directeur de la tangente à la courbe u(t)] 1 Ch. Ekstein 1 STI Génie Electronique T.P. PHYSIQUE APPLIQUEE 19 Courbes universelles de charge et décharge d'un condensateur à travers une résistance R 1,2 1 u/E 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0 1 2 3 t/RC Ch. Ekstein 4 5 6 1 STI Génie Electronique T.P. PHYSIQUE APPLIQUEE 20 T.P. 10 : Etablissement et annulation du courant dans une bobine Objectifs : Constater l'existence d'un régime transitoire et d'un régime permanent Utiliser un générateur BF, associé à un oscilloscope, pour étudier des phénomènes rapides mais répétitifs. Déterminer expérimentalement le temps d'établissement du courant et la constante de temps . 1. Réglages: a) b) c) d) Régler la forme du signal de sortie e du générateur BF en rectangulaire : Régler sa fréquence à 10 kHz Connecter la sortie du générateur à l'entrée CH 1 de l'oscilloscope et effectuer un "auto set" régler l'écart de tension à 8 V entre le niveau haut et le niveau bas (réglage amplitude du GBF) Le meilleur réglage de l'oscilloscope pour visualiser la tension e en voie 1 : niveau zéro au milieu de l'écran - calibre vertical : 2 V / div - couplage CC - calibre horizontal : 25 µs / div - sonde 1 X e) Tirer le bouton de décalage (offset) du GBF et "remonter" le signal pour que les créneaux soient alternativement aux valeurs 8 V et 0 V. Remarquer qu'on a une période de T = 1/f de 0,1 ms. On obtient donc la courbe suivante : e E = 8V Niveau 0 voie 1 t (ms) 0,1 0,2 Le générateur est donc équivalent à une source de tension continue (de fém E = 8 V) en série avec un interrupteur qui se fermerait puis s'ouvrirait avec une période de 100 microsecondes. voie 1 (e) 2. Etude du régime transitoire du circuit R-L L voie 2 (u) i On réalise le montage ci-contre : GBF e uL R u = Ri a. Influence de R sur le temps d'établissement (ou d'annulation) du courant On utilise la bobine dont l'inductance a la valeur L = 10 mH (henry), Relever et comparer les courbes pour des valeurs de R successivement égales à 1k et 10 k. b. Influence de l'inductance L sur le temps d'établissement du courant On prend R = 10 k. Comparer les courbes u(t) pour L = 10 mH et L = 100 mH (bobine notée "H10K"). En déduire que le temps d'établissement ou d'annulation du courant est environ égal à trois fois la constante de temps du circuit c. L . R Variations de la tension aux bornes de la bobine (R = 10 k ; L = 0,1 H) Echanger dans le circuit la bobine et le résistor pour visualiser à l'oscilloscope e(t) et uL(t). Relever puis interpréter cette dernière courbe en utilisant la loi des mailles et en distinguant le cas où e = 8V (établissement du courant) et celui où e = 0 (annulation du courant). Ch. Ekstein 1 STI Génie Electronique T.P. PHYSIQUE APPLIQUEE 21 TP 11 : Charge et décharge d'un condensateur à travers un circuit inductif Objectifs : Constater l'existence d'un régime transitoire et d'un régime permanent Analyser le régime transitoire en fonction de la résistance du circuit Analyser les oscillations en fonction de L et C. 1. Réglages : on règle le générateur B.F. pour obtenir les créneaux suivants : e E = 10V 0 t (ms) 10 20 voie 1 (uC) 2. Observation du régime transitoire du circuit R-L-C R L, rL C voie 2 (ri) i On réalise le montage ci-contre : GBF e uR = Ri uL uC r ri Données : R variable de 0 à 5 k ; C = 100 nF ; L = 0,1 H ; rL = ………… (à mesurer à l’ohmmètre) r = 10 (r a une valeur suffisamment faible pour que la d.d.p. ri soit négligeable devant uC : la courbe visualisée voie 1 correspond donc à uC) La résistance totale du circuit est effectivement : Rtot = R + rL + r a) Relever les oscillogrammes de uC et ur (en décalant les niveaux zéro sur l'écran pour une meilleure lisibilité) pour des valeurs de R telles que : R=0; Le régime cesse d'être oscillatoire (noter la valeur de R correspondante ainsi que Rtot) ; R = 5 k b) Observer, comparer et commenter la phase de charge et la phase de décharge du condensateur dans chaque cas. Ch. Ekstein 1 STI Génie Electronique Oscillogramme n° représentant : sensibilité : Y1 : Y2 : X: /div. DC/AC /div. DC/AC /div. Oscillogramme n° représentant : sensibilité : Y1 : Y2 : X: /div. DC/AC /div. DC/AC /div. Oscillogramme n° représentant : sensibilité : Y1 : Y2 : X: Ch. Ekstein /div. DC/AC /div. DC/AC /div. T.P. PHYSIQUE APPLIQUEE 22 1 STI Génie Electronique T.P. PHYSIQUE APPLIQUEE 23 3. Analyse du régime transitoire a) on obtient pour certaines valeurs de R (les plus faibles) un régime oscillatoire amorti pendant la phase transitoire, tant pour la charge (quand e = E) que pour la décharge (quand e = 0). Pour la décharge : R grand R petit t0 t1 t2 t3 T0 Ce régime oscillatoire amorti (valable seulement pendant la phase transitoire de charge ou de décharge, à savoir lorsque le courant n’est pas nul) est caractérisé par sa pseudo période : T = t2 – t0 = t3 – t1 qu’on démontre être égale à (environ) : T 2 LC Ce phénomène correspond à un échange d’énergie entre le condensateur (énergie électrostatique) et la bobine (énergie électromagnétique), et par la dissipation d’une partie de cette énergie en effet Joule dans le résistor R. Comparer la valeur expérimentale et la valeur théorique de la pseudo période. b) Au delà d’une valeur de résistance dite critique (quand Rtot RC), on a un régime transitoire apériodique et le régime permanent est obtenu sans oscillations. On démontre que la résistance critique est : RC 2 L C Comparer la valeur expérimentale et la valeur théorique de la résistance critique. Ch. Ekstein 1 STI Génie Electronique T.P. PHYSIQUE APPLIQUEE 24 T.P. 12 : Grandeurs périodiques Objectifs : Définir les caractéristiques des grandeurs périodiques et les calculer Procéder au réglage et au mesurage de ces caractéristiques 1. Valeur instantanée : u ou i en fonction de l’instant t La valeur instantanée correspond aux valeurs d’un tableau. Ex. : t (ms) 0 1 2 3 4 5 u1(V) 0 5 0 -5 0 u1 Û t T 5 Toutes les lois du courant continu s'appliquent aux valeurs instantanée Grandeur périodique. Une grandeur u1 est périodique si u1 (t +T) = u1 (t) ; T est la période de u1 : la période est la durée constante qui sépare deux instants consécutifs où la grandeur se reproduit identiquement à elle-même (translation d’un « motif ») 1 Fréquence : nombre de périodes (ou motifs) par seconde : f (en Hz) = T (en s) valeur maximale de u : notée Û Déterminer, pour u1, la valeur maximale, la période et la fréquence. Régler le générateur pour obtenir cette tension u1 2. Valeur moyenne. Entre les instants t1 et t2, la valeur moyenne de i, notée <i>, est la valeur d’un courant continu I qui, entre les instants t1 et t2, transporterait la même quantité d’électricité Q = I.(t2 – t1), (représentée par l’aire A, entre t1 et t2 , de la surface comprise entre la courbe représentative de i(t) et l’axe des t). Pour les intensités périodiques, on considère l'intervalle de temps [0,T] par exemple. Les aires sont comptées positivement au-dessus de l’axe des t et négativement au-dessous. De même, pour les tensions : u Û la valeur moyenne de u est le rapport de A à T: A <u> = T A t(ms) 0 1 T Mesurage de la valeur moyenne de u ou de i : à l’aide d’un multimètre (en position continu) ou d’un appareil magnétoélectrique, ou du décalage à l'oscilloscope entre la même courbe en mode AC (couplage CA) et en mode DC (couplage CC), ou à l’oscilloscope en mode MESURES. Après avoir réglé une tension u2 triangulaire, telle que son maximum vaut 5 V et son minimum vaut 0, calculer et mesurer < u2>. Comparer ces deux valeurs. Ch. Ekstein 1 STI Génie Electronique T.P. PHYSIQUE APPLIQUEE N. B. on appelle courant alternatif un courant tel que < i > = 0 ou < u > = 0 25 3. Valeur efficace. La valeur efficace d’un courant est la valeur de l’intensité I d’un courant continu qui dissiperait par effet Joule et pendant le même temps la même quantité de chaleur dans le même résistor ; on l’obtient en effectuant la moyenne du carré de i sur une période : I² = <i²> donc I = <i²> Mesurage de la valeur efficace : On utilise des appareils dits « efficace vrai » ou RMS ou TRMS (mode AC+DC) qui seuls effectuent la moyenne quadratique. A défaut, les autres appareils en position AC ne mesurent la valeur efficace que des seules grandeurs sinusoïdales u3 (V) 6 On considère la tension u3 représentée ci-contre. Calculer la période, la fréquence, la valeur moyenne de u3 et sa valeur efficace. 0 1 2 3 t 4 (ms) -2 Régler le générateur, visualiser la courbe et vérifier expérimentalement la valeur moyenne et la valeur efficace de u3. 4. Application. Un signal u4 est représenté ci-contre. Il est périodique, de période T et vaut E = 5 V de 0 à T et 0 V de T à T. ( s'appelle le rapport cyclique de u4 ; il est compris entre 0 et 1) T = 10 ms. u4 E t 0 T T a) Exprimer la valeur moyenne < u4> en fonction de E et de . b) Exprimer la valeur efficace U4 en fonction de E et de . c) Application numérique : calculer la valeur moyenne et la valeur efficace de u4 pour = 0,4. Représenter graphiquement u4 à l'échelle. d) Régler le générateur pour obtenir cette tension (réglage du rapport cyclique par le bouton PULSE). Mesurer sa valeur moyenne et sa valeur efficace, et les comparer à leur valeur théorique - méthode pour calculer la valeur efficace de u(t) : tracer u²(t) (carré = square S) calculer la valeur moyenne de u² (moyenne = mean M) la valeur efficace est la racine carrée de la valeur moyenne de u² (racine = root R) Ch. Ekstein RMS 1 STI Génie Electronique T.P. PHYSIQUE APPLIQUEE 26 T.P. 13 : Grandeurs sinusoïdales Objectifs : Définir les caractéristiques des grandeurs sinusoïdales Procéder au réglage ou au mesurage de ces caractéristiques 1. Fonction sinus : Tracer, à l'aide de la calculatrice, des points de la courbe représentative de la fonction sinus : x sin(x) notamment pour x successivement égal à : 9 , 0, 9 , 6 , 4 , 3 , 2 , 3 3 , , , 2 , 3 4 2 Comparer les valeurs de sin(/3) et de sin(/3 + ). Comparer les valeurs de sin(/6) et de sin(-/6). Quelles sont les valeurs maximale et minimale de sin(x) ? ne pas oublier de se situer en mode angulaire "RAD" 2. Tension sinusoïdale : t v = 2 . sin (2 . 100 t) ( en volts) Après avoir rempli le tableau suivant, tracer la représentation graphique de cette fonction, pour des valeurs de t (en secondes) variant entre - 2.10-3 et 12.10-3 t(ms) -2 12 v(V) Quelle est la valeur maximale de v ? La courbe passe-t-elle par l'origine ? Quelle est la période T de la fonction ? En déduire la fréquence f = 1/T Régler le générateur BF pour visualiser cette tension v à l'oscilloscope. (préciser les calibres) Mesurer la valeur moyenne(en mode DC) et la valeur efficace (en mode AC) de v. Vˆ Comparer la valeur efficace mesurée à 2 Ch. Ekstein 1 STI Génie Electronique T.P. PHYSIQUE APPLIQUEE 27 3. Expression générale d'une grandeur sinusoïdale : (u ou i) u = Û sin ( t + ) u ou u (t) est la valeur instantanée en volts Û est l'amplitude de u (valeur maximale de u) t est la variable temps en secondes (ou instant t) ( t + ) est la phase de u (en radians) et dépend de t. est la phase à l'origine des temps (valeur de la phase à l'instant t = 0). Cet instant origine est arbitraire et permet donc de placer l'axe des ordonnées comme on le souhaite. est la pulsation de u en radians par seconde (rad.s-1) est proportionnel à la fréquence : = 2f car f est le nombre de périodes (soit 2 rad) par seconde d'où f on a également : 2 2 puisque T (en s) est l'inverse de f (en Hz). T Exemple : après en avoir déterminé l'amplitude, la pulsation, la fréquence et la période, tracer la représentation graphique de la fonction : t u = 5 . sin ( 250 t + /4 ) ( en volts) pour des valeurs de t entre –2.10-3 et 10.10-3 s. La courbe passe-t-elle par l’origine ? Pourquoi ? t(ms) -2 u(V) -1 0 10 Régler le générateur et visualiser u à l'oscilloscope. Comparer les deux courbes (théorique et expérimentale). Ch. Ekstein 1 STI Génie Electronique T.P. PHYSIQUE APPLIQUEE 28 4. Déphasage entre deux grandeurs sinusoïdales de même fréquence Considérons les deux tensions : et u1 = Û1 . sin ( t + ) u2 = Û2 . sin ( t + ) On appelle déphasage de u2 par rapport à u1 la différence : = phase de u1 - phase de u2 = (t + ) - (t + ) = 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 0 t1 1 2 3 4 5 6 7 8 -1,00 -2,00 t2 -3,00 -4,00 -5,00 t (ms) On remarquera que, par un changement de l'origine des phases, on peut annuler 1 par exemple. On obtient alors et u1 = Û1 . sin ( t ) u2 = Û2 . sin ( t - ) est donc le décalage angulaire entre les deux tensions et correspond au "décalage horaire" entre les deux instants t1 et t2 où les courbes s'annulent (en croissant par exemple). Rapporté à la période, on obtient la relation : voie 1 : u1 (deg) (rad ) t 2 t1 360 2 T t1 étant nul ici. Après avoir réglé le générateur pour qu'il délivre une tension u1 = 4.sin 2000t , visualiser et relever les tensions u1 et u2 et déterminer le déphasage de u2 par rapport à u1 avec le maximum de précision. Même question à une fréquence double. Ch. Ekstein voie 2 : u2 L GBF u1 L = 0,1 H R R = 100 u2=Ri u1 u2 1 STI Génie Electronique T.P. PHYSIQUE APPLIQUEE Remarque sur l'intérêt du régime sinusoïdal: 29 Si une tension est non sinusoïdale mais alternative et périodique de fréquence fo, elle peut être décomposée en une somme de tensions sinusoïdales Amplitudes des composantes de u - de fréquence fo (fréquence fondamentale) et - de fréquences 2fo, 3fo, 4fo,... (harmoniques) REPRESENTATION FREQUENTIELLE : (spectre) f0 2f0 3f0 4f0 Exemple : u(t) est un signal carré alternatif de fréquence f et d'amplitude Û La valeur moyenne étant nulle, la décomposition (calcul théorique) donne : u 4Uˆ sin( 2ft ) Fondamental (fréquence f) 4Uˆ sin( 2 .3 ft ) 3 Harmonique 3 (fréquence 3f) 4Uˆ sin( 2 .5 ft ) 5 Harmonique 5 (fréquence 5f) 4Uˆ sin( 2 .7 ft ) ... 7 Harmonique 7 (fréquence 7f) Dans ce cas, seuls les harmoniques impairs sont présents. Début de reconstitution d'un signal rectangulaire à partir de u1 (fondamental), u3 (harmonique 3) et u5 (harmonique 5) pour Û = 1,4 V : 2 u1 + u3 + u5 1,5 u3 1 0,5 0 -0,5 u5 -1 -1,5 -2 u1 Ch. Ekstein f 1 STI Génie Electronique T.P. PHYSIQUE APPLIQUEE 30 T.P. 14 : REDRESSEMENT. A) Rappel sur les modèles équivalents d’une diode 1N4004 La diode à jonction a été étudiée expérimentalement dans le TP 3, et théoriquement dans le problème n° 4. iF A On rappelle le modèle équivalent de la diode : K - lorsque la tension directe uAK est inférieure à 0,5 V (positive ou négative) : comme iF = 0, la diode est équivalente à un interrupteur ouvert - lorsque la tension uAK est supérieure à 0,7 V : la diode est équivalente à un modèle de Thévenin (r = 1 V0 = 0,7 V = « tension de seuil ») En déduire un modèle équivalent idéal de la diode. i B) Redressement mono alternance + e Secteur 50 Hz R u C Transformateur 12 V / 10 VA 1- Relever à l’oscilloscope : voie 1 : la tension sinusoïdale e et (couplage CC) voie 2 : la tension redressée u pour une charge résistive (courbe 1) On prendra R = 470 . Mesurer la période et l’amplitude de u. Comparer la valeur moyenne de u mesurée au rapport Û . 2- Charge capacitive : observer le lissage de la tension u lorsqu’on branche en parallèle à R un condensateur de 1000 µF (courbe 2, dans le même repère que la courbe 1 précédente) 3- Justifier théoriquement : - la courbe 1 par l’état de conduction de la diode à chaque alternance, - la courbe 2 par la comparaison entre le temps de décharge du condensateur et la période Ch. Ekstein 1 STI Génie Electronique T.P. PHYSIQUE APPLIQUEE 31 C) Pont de Graëtz. i D1 i s iD1 D2 iD2 + C Secteur 50 Hz e u transformateur 12 V / 10 VA D4 iD4 R D3 iD3 1- Après avoir vérifié l'existence de e, observer et relever la tension u à l’oscilloscope pour une charge résistive (courbe 3) et, après avoir précisé l’état de conduction des 4 diodes pour chaque alternance de v, démontrer que u = e et que sa fréquence vaut 100 Hz. Mesurer la valeur maximale et la valeur moyenne de u. 2Û Comparer cette valeur moyenne à . Û Mesurer la valeur efficace de u et la comparer à . Justifier théoriquement ce résultat. 2 2- Observer et relever (courbe 4) la tension u à l’oscilloscope pour une charge capacitive et comparer les valeurs moyenne de u avec et sans condensateur. Conclure. Ch. Ekstein 1 STI Génie Electronique T.P. PHYSIQUE APPLIQUEE 32 T.P. 15 : amplificateurs de tension à A.I.L. Symbole d’un AIL : (amplificateurs intégré linéaire) Evd ou 7 +Vcc 2 _ 3 E+ brochage DIL : 8 7 6 5 6 S 741 ou 081 + vs O 4 -Vcc 1 2 3 4 Principaux montages avec AIL : 1) amplificateur inverseur. R2 R1 + VCC A ie E_ R1 = 1 k R2 = 10 k contre-réaction S is vd GBF ve + vs Rc E+ Rc = 6,8 k M - VCC M La tension d'entrée est réglée telle que ve = 0,5 2 sin 200 t (aucune composante continue ou offset !) a) Observer à l'oscilloscope les tensions d'entrée et de sortie : sont-elles en phase, en opposition de phase ? Déterminer la valeur de l'amplification en tension A = vs / ve. b) Retrouver ce résultat par le calcul en utilisant le modèle équivalent du circuit complet (on remplacera pour cela l'AIL par son modèle équivalent et on tiendra compte des approximations s'y référant). c) Observer également les courbes lorsque l'on supprime la boucle de contre-réaction contenant R2. Interpréter alors la forme de vs : l’AIL est-il en régime linéaire ou de saturation ? d) En déduire la caractéristique de transfert vs = f(ve). L’observer à l’oscilloscope en mode X-Y en rebranchant R2 et en augmentant l’amplitude de ve Ch. Ekstein 1 STI Génie Electronique T.P. PHYSIQUE APPLIQUEE 33 2) amplificateur non inverseur. Mêmes questions avec le montage suivant A E+ + S vd _ EGBF ve vs Rc R2 R1 M R1 = 1 k R2 = 10 k Rc = 6,8 k 3) amplificateur suiveur ie + Rg vd Eg = 0,1 V eg Rc ve vs GBF Vérifier et démonter que vs = ve = eg Quel est l’intérêt de ce montage ? (Comparer la tension efficace fournie par le GBF, de résistance interne Rg =50 , à une charge Rc = 150 avec et sans montage suiveur). v GBF Ch. Ekstein Rc 1 STI Génie Electronique T.P. PHYSIQUE APPLIQUEE 34 T.P. 16 : Fonctions réalisées par un transistor bipolaire IC Transistor NPN 2N2222 ou 2N2219 vu de dessous : C IB B C (boitier) VCE VBE B E E : émetteur B : base C : collecteur E Le transistor est considéré comme un quadripôle dont l’entrée est entre base et émetteur, et la sortie entre collecteur et émetteur. Un transistor (ici NPN) étant formé de deux jonctions PN, les courants IB et IC ne peuvent être que de sens positif, ou bien le transistor est bloqué quand IB et IC sont nuls. 1. Caractéristique d’entrée du transistor C’est pratiquement la caractéristique d’une diode : pour que le transistor conduise, il faut que la jonction base émetteur soit passante : VBE 0,6 volt 2. Caractéristique de transfert du transistor Pour VCE 1 volt, l’intensité du courant de sortie (entre C et E) est pratiquement proportionnel à l’intensité du courant d’entrée (entre B et E) : IC = .IB Compte tenu des ordres de grandeur (100 300 pour des transistors 2N2222 ou 2N2219) le courant d’intensité IB est négligeable devant IC : IB << IC Tracer la courbe IC = f(IB) et en déterminer l’équation, ainsi que , dans le circuit ci-dessous. Vérifier expérimentalement que VBE 0,6 V. On donne : VCE = 8 V ; RB = 10 k ; VAB variable de 0 à 2,5 V ; IB est mesuré par le rapport UAB/RB * IC * V C RB IB VCE VBB 3. Caractéristiques de sortie du transistor Le dipôle de bornes C et E, pour une valeur de IB constante, est pratiquement équivalent à une source de courant (commandée par IB). Ch. Ekstein 1 STI Génie Electronique T.P. PHYSIQUE APPLIQUEE 35 Dans le montage ci-dessous, tracer les courbes IC = f(VCE) pour différentes valeurs de IB On donne : VCE entre 0 et 8 V ; RB = 10 k ; VBB (qui impose IB*) successivement égal à 1, 2, 3V. RB VBB IB C IC VCE V 4. Fonctionnement en régime de commutation IC e RB IB C T VBE RC VCE VCC GBF maille de commande maille de puissance Le transistor T est bloqué lorsque IC = 0 (du fait que VBE < 0,6 V) interrupteur ouvert Le transistor T est saturé lorsque VCE 0 (du fait que IC < IB) interrupteur fermé On donne : VCC = 10 V ; RC = 220 ; RB = 10 k * Observer et relever les chronogrammes de e et VCE lorsque e est une tension rectangulaire de 100 Hz dont le niveau haut vaut 5 V et le niveau bas vaut 0 V. Préciser l’état du transistor correspondant à chaque niveau de e. Relever les valeurs de V CE quand T est bloqué ou saturé. En déduire les valeurs de IC et de IB quand T est bloqué ou saturé. Déterminer la valeur maximale de IC (quand T est saturé). Avec un transistor dont le est compris entre 100 et 300, en déduire la valeur minimale de IB et la valeur correspondante de RB pour que T soit saturé à coup sûr quand e = 5 V VBB RB I B VBE Ch. Ekstein donc I B VBB VBE VBB 0,6 à peu près constant. RB RB 1 STI Génie Electronique T.P. PHYSIQUE APPLIQUEE 5. Fonctionnement en régime linéaire 36 Observer les tensions d’entrée e et de sortie vCE et vérifier que vCEalt = A . ealt . Déterminer expérimentalement l’amplification en tension A. On donne : VCC = 10 V ; RB = 10 k ; RC = 100 ; e (volts) = 3 + 0,5.sin(t) Remarque : on appelle e ou v les tensions instantanées, observables à l’oscilloscope en couplage « DC ou CC ». On appelle ealt ou valt les composantes alternatives de ces tensions, observables en couplage « AC ou CA » A chaque instant on a donc e = ealt + E (composante continue ou offset) Êalt = 0,5 V 6. Fonctionnement en régime linéaire et saturé Voir problème A. amplificateurs à transistor Ch. Ekstein E=3V 1 STI Génie Electronique T.P. PHYSIQUE APPLIQUEE 37 T.P. 17 : Dipôles élémentaires en régime sinusoïdal Objectifs : Observer la variation de l'impédance et du déphasage quand la tension ou la fréquence varie. Comparer les caractéristiques des trois sortes de dipôles élémentaires 1. Schéma du circuit i GBF isolé secteur ug Voie 1: u V r u D V ur = - ri transformateur d'isolement voie 2 inversée : ri Le dipôle à étudier D sera successivement un résistor (R = 1 k), une bobine (L = 0,1 H), un condensateur (C = 47 nF) ; la résistance r est égale à 100 . La valeur efficace I est mesurée au voltmètre : Ur divisé par r Remarque sur les notations : i, u sont des valeurs instantanées I, U sont des valeurs efficaces. 2. Relevé des mesures a) A fréquence constante f = 10 kHz, Ug varie (régime sinusoïdal). Pour chaque dipôle : faire varier U de 1V à son maximum. Déterminer les valeurs de I correspondantes ainsi que le déphasage entre i et u (cf. TP 13 : (deg) et t2 correspond à i ; attention au signe de ). 360 (rad ) t 2 t1 2 T où t1 correspond à u b) A fréquence variable, Ug est réglé à son maximum. Relever U et I en faisant varier la fréquence, à 1 kHz, 2,5 kHz, 5 kHz, 10 kHz 3. Exploitation des mesures a) lorsque U varie. Calculer l’impédance Z U à la fréquence de 10 kHz pour chaque dipôle. Conclure. I b) Lorsque la fréquence f varie. U Tracer la courbe de Z en fonction de f pour le résistor et pour la bobine*. I I Tracer la courbe Y en fonction de pour le condensateur. U Calculer les coefficients directeurs. En déduire une relation entre Z et pour la bobine, entre Y et pour le condensateur. Rappeler les valeurs de pour chaque dipôle. * pour la bobine, ne pas tenir compte de la valeur pour f = 1 kHz, car sa résistance n'est pas négligeable. Ch. Ekstein 1 STI Génie Electronique T.P. PHYSIQUE APPLIQUEE T.P. 18 : Associations de dipôles en régime sinusoïdal. Résonance. 38 Association en série On associe en série un condensateur (C = 1 µF) et un résistor (R = 1 k) qu'on branche aux bornes d'un générateur B.F. délivrant une tension sinusoïdale de fréquence 100 Hz, d'amplitude Û = 5 V. 1) Tracer le diagramme de Fresnel des tensions et calculer l'impédance complexe du dipôle R-C. Vérifier expérimentalement les résultats calculés en mesurant le module et l'argument de Z (préciser la méthode). II- Association en parallèle On associe en parallèle une bobine (L = 10 mH) et un résistor (R = 1,2 k) qu'on branche aux bornes d'un générateur B.F. délivrant une tension sinusoïdale de fréquence 10 kHz, d'amplitude Û = 5 V. 1) Tracer le diagramme de Fresnel des courants et calculer l'impédance complexe du dipôle R-L. Vérifier expérimentalement les résultats calculés en mesurant le module et l'argument de Z (préciser la méthode – on dispose en outre d’un résistor r = 10 ). III- Résonance série 1) montage expérimental voie 1 Maintenir constante la valeur maximale de u : Û = 5 V L = 10 mH C = 150 nF R = 50 voie 2 L GBF C u R uR = Ri i 2) étude du circuit à fréquence variable a) On règlera successivement la fréquence à 1 ; 2 ; 3 ; 3,5 ; 4 ; 4,5 ; 5 ; 6 ; 7 kHz. Relever I ( = UR/R ) et UC en fonction de la fréquence. Déterminer expérimentalement avec précision* les coordonnées des sommet (Imax et UCmax et la fréquence f0 correspondante). Mesurer et noter la résistance de la bobine. b) étude de la courbe I en fonction de f. Tracer la courbe de I en fonction de f et comparer les coordonnées du maximum aux valeurs théoriques : f0 1 2 LC et I max U (f0 = fréquence propre du circuit) Rtot c) étude de la courbe UC en fonction de f. Tracer la courbe de UC en fonction de f et comparer les coordonnées du maximum avec la valeur théorique U C max Calculer et mesurer le facteur de surtension qualité. Q0 * U Rtot C 0 L 0 Rtot U C max et le comparer avec la valeur du coefficient de U Pour f<f0, ZL<ZC, le circuit est capacitif et à l'oscilloscope en mode X-Y on observe une ellipse Pour f>f0, ZL>ZC, le circuit est inductif et à l'oscilloscope en mode X-Y on observe une ellipse Pour f=f0, ZL=ZC, le circuit est résistif et à l'oscilloscope en mode X-Y on observe une droite Ch. Ekstein 1 STI Génie Electronique T.P. PHYSIQUE APPLIQUEE i R' 4) amplificateur sommateur (ex. mélange de 2 sources audio) A i1 R R = 1 k E R 39 S is vd i2 R' = 10 k v1 + vs E+ Rc = 10 k v2 M M a) exprimer vs en fonction de R', i et vd b) exprimer i en fonction de i1 et i2 c) exprimer i1 en fonction de v1 et i2 en fonction de v2 d) en déduire que vs est proportionnel à la somme (v1 + v2). Ch. Ekstein Rc 1 STI Génie Electronique T.P. PHYSIQUE APPLIQUEE 40 5) amplificateur différentiel (ou amplificateur de différence) R = R' = 10 k Rc = 6,8 k R’ R A i1 E- _ i2 R v- v1 E+ v2 S vd + vs Rc R' v+ M M a) exprimer v+ en fonction de v2 (diviseur de tension) b) exprimer v- en fonction de v1 et de vs (théorème de superposition) c) Comme v+ = v-, en déduire que vs est proportionnel à la différence (v2 - v1). R2 6) montage intégrateur. C R1 R2 = 100 k A ie E_ R1 = 1 k C = 0,47 µF S is vd GBF ve + vs Rc E+ Rc = 10 k M M Observer puis interpréter la courbe de sortie (en négligeant l'influence de R2), lorsque le GBF produit un signal rectangulaire de fréquence 1 kHz et d’amplitude 2 V. On démontrera pour cela que le GBF, associé au résistor R1, est équivalent, vis à vis du condensateur, à une source de courant pour chaque créneau. Ch. Ekstein 1 STI Génie Electronique T.P. PHYSIQUE APPLIQUEE 41 T.P. 17 : Etude d’une diode à jonction P-N. Dans le but de déterminer l'état de fonctionnement électrique des circuits comprenant des diodes, on se propose : - d'étudier la caractéristique d'une diode - de déduire éventuellement de cette étude les modèles de la diode, en précisant les conditions de fonctionnement pour lesquelles un modèle établi est valable. anode cathode Structure : P N UAK A IF K 1- Caractéristique d'une diode du type 1N4004 Les conventions choisies pour le dipôle diode sont celles d'un système récepteur. (UAK et IF de A vers K) 1.1- L'intensité IF du courant traversant cette diode doit être au plus égale à 1 A. On réalise donc un dipôle actif constitué par l'alimentation continue en série avec un résistor (R = 100 ; 1 W). Compte tenu de la puissance maximale admissible dans le résistor, quelle devra être l’intensité maximale Imax du courant dans le circuit ? 1.2- Tracer le schéma du circuit à réaliser pour relever la caractéristique courant/tension de la diode. 1.3- La caractéristique IF = f (UAK ) pour des valeurs de UAK positives et négatives est donnée dans le problème 3. Résumer dans le tableau suivant les 3 domaines de fonctionnement de la diode. Le modèle de Thévenin de la partie rectiligne non confondue avec un axe aura comme paramètres V0 et r0 dont on donnera les valeurs numériques. La diode est-elle un dipôle récepteur ou générateur ? Valeurs de UAK Forme de la caractéristique équation Modèle équivalent < UAK < courbe Pas d'équation Pas de modèle Signe de UAK.I UAK < UAK > 2- Dans un circuit comprenant une diode, tel que celui représenté ci-contre, préciser à quelle condition (lorsque la diode est conductrice) : on peut négliger la résistance dynamique r0 - on peut négliger la tension de seuil V0 e R 3- Visualisation de la caractéristique d'une diode à l'aide de l'oscilloscope en mode XY i secteur GBF isolé ug voie 1: u r = 100 uAK transformateur d'isolement - ri voie 2 inversée : ri Ch. Ekstein 1 STI Génie Electronique T.P. PHYSIQUE APPLIQUEE 42 Le générateur délivrant une tension sinusoïdale de fréquence 1 kHz, relever, en graduant les axes, la caractéristique d'une diode 1N4007, ainsi que celle d'une diode Zener BZX5V1. Ch. Ekstein
