1 THERMOMETRE A DIODE Ce TP consiste en l`étude d`un

Travaux Pratiques de Physique - Sup PCSI
Lycée Carnot-Dijon
THERMOMETRE A DIODE
Ce TP consiste en l’étude d’un capteur thermométrique linéaire, et son implantation dans un circuit électronique afin
d’obtenir une mesure de température.
Introduction :
u
A intensité constante, la tension directe de polarisation d’une diode à jonction
est une fonction linéaire de la température.
D’après le modèle de Schockley, qui relie l’intensité traversant la diode à la
tension U à laquelle elle est soumise :
i
௤௎
‫ܫ = ܫ‬ௌ ൬݁ ௞் − 1൰
où k est une constante thermodynamique : k = 1,38.10-23 J.K-1 et T est la température absolue, exprimée en Kelvin.
La quantité q est la charge électrique des porteurs de charge assurant le courant électrique dans le composant.
On peut montrer que pour les températures ambiantes, l’intensité de saturation IS est pratiquement constante.
En polarisation directe (diode soumise à une tension positive) et aux températures ambiantes, qU >> kT.
Compte tenu de ces conditions, il vient la relation :
U=
kT
I
. ln ൬1 + ൰
q
Iୗ
La température en degrés Celsius, notée θ, est reliée à la température absolue T par : T = θ + 273,15 K.
En imposant une intensité I invariante dans la diode, on obtient donc finalement une relation linéaire entre la tension U
aux bornes de la diode et la température θ exprimée en degrés Celsius :
U = a + b.θ
où les coefficients a et b pourront être obtenus par régression linéaire à partir de données expérimentales.
1. Vérification expérimentale de la relation U = f(θ)
Proposer un protocole expérimental répondant à ce besoin.
Matériel :
2 béchers forme haute 250mL, eau chaude, glace, thermomètre de référence,
Résistance talon Rt1 = 12 kΩ, résistance réglable Rr1 = 4,7kΩ, diode 1N4007, alimentation symétrique +15V/-15V,
ampèremètre, voltmètre.
N.B. : on associera la « résistance talon » en série avec le potentiomètre de 4,7 kΩ, obtenant ainsi une résistance
dont la valeur sera réglable entre 12 kΩ et 16,7 kΩ.
Concevoir un circuit simple répondant au problème ; calculer la valeur Ro amenant une intensité I ≈ 1 mA traversant
la diode. On précise que la tension aux bornes de la diode restera de l’ordre de 1 V. L’alimentation continue +15V/-15V
sera employée comme source de tension continue entre la borne +15V et la borne centrale (dite « point milieu »)
faisant office de référence des potentiels.
Expérience :
Relever la tension U aux bornes de la diode pour quatre températures nettement différentes en ajustant au
besoin l’intensité du courant la traversant. (On imposera une intensité I d’environ 1 mA). On prendra soin
d’homogénéiser la température dans l’eau du bécher à chaque prise de mesure.
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En réalité l’intensité varie très peu (moins de 1%) entre 0°C et 80°C, du fait des changements des caractéristiques de la
diode, ce qui rend le réglage peu utile. Ces petites variations d’intensité ont d’autre part peu d’influence sur la tension
aux bornes de la diode. La résistance de protection de la diode confère au générateur les propriétés d’une suffisamment
bonne source de courant. On pourrait travailler à courant plus faible, avec le risque cependant d’augmenter le bruit
(variations aléatoires de la tension).
On pourra pour la suite remplacer l’ensemble résistance réglable et résistance talon par une seule résistance de 18 kΩ.
Analyse des résultats :
A partir du graphe θ = f(U) conclure quant à la linéarité du capteur
Evaluer la sensibilité de ce capteur (s = ∆U/∆θ)
On retrouve typiquement s = 2mV/°C
2. Obtenir une tension nulle à 0°C, référence de tension :
A partir d’une source de tension continue (obtenue de même qu’en 1.), obtenir une tension continue réglable par un
diviseur de tension.
Matériel :
Résistance talon Rt2 = 18 kΩ, résistance réglable Rr2 = 10 kΩ, résistance R2 = 1 kΩ, boitier d'alimentation +15V/-15V.
Déterminer la valeur de réglage attendue pour obtenir une tension de sortie Uo = 0,70 V.
Expérience :
Réaliser le circuit ; ajuster la résistance réglable de façon à obtenir une tension de sortie égale à U0, tension aux
bornes de la diode pour une température θ = 0°C.
3. Réalisation d’un soustracteur à partir d’un amplificateur linéaire intégré (ALI)
L’étude théorique du montage soustracteur n’est pas demandée. On note VS la tension de sortie du montage
soustracteur (tension mesurée par rapport à la masse de l’alimentation).
On pourra vérifier que le potentiel sur la borne non-inverseuse de l’ALI est égal à Uo/2 et que le potentiel sur la borne
inverseuse de l’ALI est égal à (VS + U)/2.
VS répond donc théoriquement à la relation : VS = U – Uo.
Matériel :
4 résistances de 15kΩ, 3 ALI (plaque TL 084), alimentation +15V/-15V.
Expérience :
Rendre indépendant l’étage de mesure du montage soustracteur : nécessité d’une adaptation d’impédance par un
montage suiveur (voir schéma annexe).
Rendre indépendant le générateur de tension réglable réalisé en 2. du montage soustracteur : nécessité d’une
adaptation d’impédance par un montage suiveur (voir schéma annexe).
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Réaliser le montage soustracteur, connecter les sorties des montages suiveurs sur ses entrées (+) et (-) (voir schéma
annexe) et vérifier le bon fonctionnement de l’ensemble. Ajuster la résistance réglable du montage diviseur de tension,
afin d’obtenir une tension nulle en sortie du comparateur pour une température θ = 0°C.
Ce dernier réglage est assez délicat en pratique. On ne fera qu’en vérifier le principe sans viser à obtenir une tension
exactement nulle. De plus, le bain eau-glace employé ne permet pas d’atteindre exactement 0°C.
4. Amplification du signal, montage amplificateur non inverseur
Exprimer le potentiel de l’entrée inverseuse (-) du montage amplificateur non-inverseur en fonction des résistances
du montage et de la tension Vm présente en sortie (tension de mesure). On notera les résistances du montage R41 = 560
kΩ et R42 = (100 kΩ + α.47 kΩ) où 0 < α < 1 rend compte du réglage choisi.
L’A.L.I. fonctionne en régime linéaire, ce qui conduit à une d.d.p. nullle entre ses bornes d’entrées non-inverseuse (+) et
inverseuse (-).
En déduire la relation entre la tension VS appliquée en entrée et la grandeur de mesure Vm : Vm = VS. R42 /(R42 + R41 )
A partir des valeurs obtenues en 1., déterminer la valeur de l’amplification (ou gain) G = Vm/VS nécessaire pour obtenir
une sensibilité de 10 mV/°C en sortie de montage. Quel est l’intérêt d’un tel choix ?
Matériel :
1 résistance de 560 kΩ, 1 résistance de 100 kΩ une résistance réglable de 47 kΩ, 1 ALI (plaque TL 084).
Expérience :
Réaliser le montage amplificateur et connecter la sortie du montage soustracteur sur son entrée.
Ajuster le coefficient d’amplification pour obtenir le comportement visé.
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Annexe :
Le circuit TL 084 implémente quatre ALI, alimentés par les bornes VCC+ et VCCreliées à l’alimentation +15 V / -15 V.
Il est monté sur une platine permettant de l’encastrer sur une plaque support. La
platine comporte 14 bornes de connexion.
Relier l’ensemble des masses au point milieu de l’alimentation +15V/-15V
Alimenter le circuit TL084A avant d’appliquer des tensions aux entrées
+15 V
mesure
15 kΩ
15 kΩ
montage soustracteur
4,7 kΩ
12 kΩ
montage suiveur
U
+
(U+VS)/2
-
montage amplificateur
non-inverseur
+
VS
+
-
D 1N4007
560 kΩ
+15 V
15 kΩ
10 kΩ
18 kΩ
100 kΩ
montage suiveur
15 kΩ
Uo/2
Vm
47 kΩ
+
1 kΩ
Uo
tension de référence
4