TP3 - Moodle INSA Rouen

E.C. P3
MONTAGES AVEC AMPLIFICATEUR OPERATIONNEL TP 13-3
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OBJECTIFS DU TP :
• Allumer une DEL avec une pile artisanale et un montage suiveur.
• Amplifier un signal grâce à un montage amplificateur.
• Concevoir un allumeur de réverbère.
I PEUT-ON ALLUMER UNE DEL AVEC UNE PILE ARTISANALE ?
Nous allons étudier une pile artisanale fabriquée avec un citron et des pièces en métal. Lorsque l’on plante une pièce en zinc et une
pièce en cuivre dans un morceau de citron, on voit apparaître une différence de potentiel entre les deux pièces métalliques. Nous
appellerons ce dispositif « pile citron » et allons chercher à l’utiliser pour allumer une DEL.
DOCUMENT A CONSULTER à propos du potentiel d’oxydo-réduction et de la force électromotrice d’une pile :
afd-ld.org/~fdp_chimie/docs/pil3_pile_de_daniell_%20force_electromotrice.pdf
On dispose du matériel suivant :
•
morceaux de citrons
•
pièces en zinc et leurs connections
• multimètres
•
pièces en cuivre et leurs connections
•
1 résistance (de valeur à définir)
•
pinces crocodile
•
Amplificateur Opérationnel (A.O. voir plus loin) et ses alimentations
•
1 DEL
QP1 Voir le document à consulter en ligne. Quelles espèces chimiques réagissent dans la pile ? Quelle serait la valeur de la force
électromotrice si les solutions étaient dans les conditions standard ?
Sachant que cette pile n’est pas une source de tension idéale (résistance de contact aux électrodes et résistance du jus de citron),
représenter l’allure de la caractéristique U(i) de ce générateur.
QP2 D’après les caractéristiques de la DEL présentées ci-dessus, peut-on faire fonctionner la DEL avec une « pile citron » ? Proposer
une solution pour faire fonctionner cette DEL à partir de « piles citron ».
QM1 Réaliser une « pile citron » et mesurer sa fém E. La valeur de celle-ci est-elle conforme à l’analyse faite en QP1 ? Justifier.
Réaliser le montage qui permettrait d’allumer la DEL. Ce montage est-il performant ? Justifier à l’aide de QP1.
On se propose de résoudre le problème mis en évidence à la question précédente en utilisant un AO en montage dit suiveur.
Fonctionnement d’un A.O. (Amplificateur Opérationnel):
Un A.O. est un amplificateur de tension.
Il faut toujours l’alimenter avec des tensions continues U
+alim
=+10 V et
U
-alim
=-10 V avant de lui appliquer des tensions d’entrée U+ (non-
inverseuse) ou U- (inverseuse). Les branchements des alimentations sont déjà
réalisés sur les plaquettes en TP, il faut uniquement mettre en marche les
alimentations +10 V et -10 V du pupitre.
• On utilisera le modèle de l’AO idéal : i+ =i- =0
• Sauf pour le montage en comparateur simple (voir III), les montages à AO
sont basés sur la notion de boucle de contre-réaction. Cette boucle consiste à relier par un composant la sortie sur une des
deux entrées. Un retour sur l'entrée inverseuse est une boucle de réaction négative.
Source : Wikipédia
I
max
= 10 mA
Potentiels standards d’oxydo-réduction
des espèces en présence

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• La résistance d’entrée R
e
d’un AO idéal est infinie
(courants d’entrée nuls) et la résistance de sortie R
s
est nulle.
Rappels : La résistance d'entrée R
e
est une résistance
interne qui n'est pas un composant, mais une valeur
équivalente à toute l'électronique de l'appareil d'entrée.
• On admettra le comportement suivant :
lorsqu’il existe une boucle de contre-
réaction, alors l’AO fonctionne en régime
linéaire, il impose
ε
= V+-V- = 0. La tension de sortie est donnée par les autres composants du circuit (lois de Kirchhoff).
Il existe deux limites à l’amplitude possible en sortie de l’AO, On observe une saturation positive |U
smax
|=U
+sat
aux
environs de 10V (=U
+alim
, tension d’alimentation), et une saturation négative U
-sat
aux environs de -10V. L’AO
fonctionne alors en régime saturé.
Nous allons utiliser l’amplificateur opérationnel dans un montage suiveur (schéma ci-
contre)
Pour un montage suiveur, la tension de sortie est égale à la tension d’entrée U
s
= U
e
.
L’intérêt d’un montage suiveur est qu’il possède une résistance d’entrée infinie
(courants d’entrée nuls) tout en reproduisant en sortie la tension d’entrée.
QP3 Si on intercale un montage suiveur entre la « pile citron » et la DEL, quelle intensité
débite la pile ? Expliquer l’intérêt pour allumer une DEL.
QM2 Concevoir le montage à réaliser pour allumer la DEL sans l’endommager. Faire contrôler par le professeur.
QM3 Réaliser le montage permettant d’allumer une DEL avec le principe de la « pile citron » grâce à un montage suiveur. On
n’oubliera pas d’alimenter l’AO du montage suiveur. Mesurer les tensions U
e
, U
s
et le courant dans la DEL.
II MONTAGE AMPLIFICATEUR
On dispose du matériel suivant : 1 GBF et 1 oscilloscope
1 AO et ses alimentations, supposé idéal
1 résistance 2,2 kΩ
1 résistance 1 kΩ
1 résistance 10 kΩ
On se propose d’étudier un montage dit amplificateur inverseur dont le
schéma du circuit électrique est présenté ci-contre.
On travaillera à l’oscilloscope dans un premier temps, puis on visualisera les tensions grâce à la platine d’acquisition de
Synchronie et on imprimera les courbes.
QP4 Quelles sont les valeurs des courants d’entrée i
+
et i
-
? Ecrire les équations des mailles (M1,E,E-,E+,M1) et
(M1,M2,S,E-,E+,M1). Déterminer alors le rapport u
s
/ u
e
. A quelle condition sur R
1
et R
2
a-t-on un amplificateur inverseur ?
QP5 Concevoir un montage amplificateur inverseur avec le matériel ci-dessus.
QP6 On considère un signal u
e
de forme sinusoïdale et d’amplitude de 2V. Tracer l’allure des signaux. A-t-on la même allure de
tensions quelle que soit l’amplitude de la tension d’entrée ?
QM4 Réaliser le montage ci-dessus en choisissant les résistances R
1
et R
2
de façon à obtenir un amplificateur inverseur. Régler le
générateur pour avoir u
e
de forme sinusoïdale avec une fréquence entre 100Hz et 200Hz. Régler l’amplitude du signal d’entrée
afin de faire apparaître les deux régimes de fonctionnement (linéaire et saturé, voir plus haut) de l’AO. Mesurer l’amplification
en régime linéaire et les tensions de saturation U
+sat
et U
-sat
en régime saturé. A-t-on |U
+sat
|=|U
-sat
| ?
R
1
u
e
u
s
ε= 0
R
2
M1
EE-
E
+
S
M2

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III ALLUMEUR DE RÉVERBÈRE
Certains réverbères sont munis de photodétecteurs qui les allument automatiquement au crépuscule ou lorsqu'il fait sombre et qui les
éteignent à l'aube ou lorsqu'il fait clair.
Nous allons chercher à réaliser un de ces réverbères grâce aux différents blocs présentés ci-dessous :
On dispose du matériel suivant :
•
1 alimentation 10V
•
1 résistance 1 kΩ
•
1 DEL (voir I)
•
2 résistances 10 kΩ
• 1 multimètre • 1 résistance de 3,3 kΩ
• 1 AO (et ses alimentations)
•
1 capteur de lumière (photorésistance) : environ 15 k
Ω
dans le noir et environ 1-1,5 k
Ω
si elle est éclairée.
Bloc 1 : Comparateur.
QP7 Expliquer brièvement le principe du comparateur rappelé figure 1. Donner les valeurs possibles de V
S
.
Bloc 2 : Allumage de la DEL
On souhaite commander avec ce comparateur le fonctionnement de la DEL (identique à la partie I).
QP8 Proposer un montage en aval du comparateur permettant d’allumer la DEL sans l’endommager.
Bloc 3 : Capteur de lumière et commande du comparateur
On dispose uniquement d’un générateur de tension 10 V. Nous allons utiliser un pont diviseur de tension (dont le schéma est proposé
figure 2) afin de commander le comparateur. Le dipôle D2 est la photorésistance, les dipôles D1, D3 et D4 sont des résistances dont
les valeurs sont à déterminer.
QP9 Quels sont les conditions sur les potentiels de commande V
A
et V
B
à appliquer au comparateur pour faire fonctionner l’allumeur
de réverbère ? Choisir alors les valeurs des résistances pour les dipôles D1, D3 et D4.
QM5 Réaliser l’allumeur de réverbère en associant les blocs 1, 2 et 3 et vérifier son fonctionnement en mesurant le potentiel en
chaque point du circuit.
Principe du comparateur
Figure 1 Figure 2