E.C. P3 MONTAGES AVEC AMPLIFICATEUR OPERATIONNEL TP 13-3 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. Potentiels standards d’oxydo-réduction des espèces en présence Imax = 10 mA Source : Wikipédia 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 • • • • QP1 • • pièces en zinc et leurs connections pièces en cuivre et leurs connections multimètres 1 résistance (de valeur à définir) • pinces crocodile Amplificateur Opérationnel (A.O. voir plus loin) et ses alimentations 1 DEL 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+ (noninverseuse) 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. 1/3 E.C. P3 • TP 13-3 La résistance d’entrée Re d’un AO idéal est infinie (courants d’entrée nuls) et la résistance de sortie Rs est nulle. Rappels : La résistance d'entrée Re 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 contreréaction, 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 |Usmax|=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 cicontre) Pour un montage suiveur, la tension de sortie est égale à la tension d’entrée Us = Ue. 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 Ue, Us et le courant dans la DEL. II MONTAGE AMPLIFICATEUR 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. R2 On dispose du matériel suivant : E R1 ue Eε=0 E+ S us M1 M2 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 us/ ue . A quelle condition sur R1 et R2 a-t-on un amplificateur inverseur ? QP5 Concevoir un montage amplificateur inverseur avec le matériel ci-dessus. QP6 On considère un signal ue 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 R1 et R2 de façon à obtenir un amplificateur inverseur. Régler le générateur pour avoir ue 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| ? 2/3 E.C. P3 TP 13-3 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 kΩ dans le noir et environ 1-1,5 kΩ si elle est éclairée. Bloc 1 : Comparateur. Principe du comparateur Figure 1 Figure 2 QP7 Expliquer brièvement le principe du comparateur rappelé figure 1. Donner les valeurs possibles de VS. 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 VA et VB 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. 3/3