TP Résistance d`entrée et résistance de sortie
publicité
TP Résistance d’entrée et résistance de sortie On trouvera dans les annexes, les informations nécessaires, pour réaliser les mesures demandées dans le TP, soit les éléments pour élaborer le protocole expérimental. Concernant la réponse à la question II-1) On donnera le résultat avec son incertitude composée, il faudra alors consulter le manuel qui donne les incertitudes des instruments utilisés. I) Tracé de caractéristique 1) Tracé point par point de la caractéristique d’une pile 2) Tracé dynamique de la caractéristique d’une diode zener II) Mesure de résistance de sortie 1) Celle d’un GBF 2) Celle d’un baladeur III) Mesure de résistance d’entrée 1) Celle d’un oscilloscope 2) Celle d’un écouteur Annexe 1) Adaptation d’impédance 1) Rendement de puissance maximal : Zentrée Load >> Z sortie source La puissance transférée entre une source électrique et une charge électrique dépend de la tension de la source et des impédances d'aussi bien la source que la charge. Le rendement électrique du système s'écrit : Le rendement sera donc optimisé si l'impédance de la charge est très grande par rapport à celle de la source, donc désadaptée. Mais il faut bien avoir conscience qu’alors la puissance transférée tend vers 0. La puissance ne passe pas même si la tension est transmise car le courant entrant dans la charge est évanescent. L’information étant véhiculée par la tension plutôt que par le courant ce n’est pas grave. En électroacoustique, c’est dans ce cas que l’on se place : La résistance de sortie du capteur de la guitare électrique Fender est petite devant l’impédance d’entrée de l’ampli à tubes Marshall. L’impédance de sortie de l’ampli Yamaha est petite devant l’impédance du Haut parleur Bose. L’impédance de sortie du micro est petite devant l’impédance d’entrée du préampli. L’impédance de sortie du signal analogique délivré par le lecteur de CD résultant d’une conversion d’un signal numérique est petite devant l’impédance d’entrée de l’ampli Line. L’intérêt de cette technique, c’est surtout que l’enregistrement ne dépende pas du capteur, soit de sa résistance de sortie RS ou pire de son impédance de sortie Zs qui dépend de la fréquence et introduirait une distorsion dépendant de la fréquence, mais seulement du signal informatif. 2) Maximisation de la puissance transmise Maintenant, il faut savoir que quelque fois, on ne cherche pas à optimiser le rendement, mais à optimiser la puissance qui passe dans le récepteur, c’est un autre problème qui a une autre solution : la puissance transférée est maximale quand Zentrée load=Zg*=Zsortie source*. Le démontrer. Par exemple dans la transmission radioélectrique antenne vers ampli. Mais alors autant de puissance est perdue dans l’antenne, qu’il n’en passe dans l’ampli, le rendement n’est que de ½. Cette réalisation de l’adaptation peut se faire avec des circuits LC par exemple, ou avec un transformateur Exercice : 1) Soit un générateur sinusoïdal d’impédance interne complexe Zg . ce générateur alimente une charge Zu complexe. Montrer que la puissance dissipée dans la * charge est maximale quand Zu=Zg 2)Le générateur a maintenant une impédance interne purement résistive R g et il alimente une charge purement résistive elle aussi R u >Rg. On est donc pas dans les conditions de l’adaptation d’impédance. Montrer que le montage suivant permet de se placer dans les conditions de l’adaptation d’impédance. C Rg Ru L E 3) Le générateur a maintenant une impédance interne purement résistive R g et il alimente une charge purement résistive elle aussi mais Ru est maintenant inférieur à Rg. On est toujours pas dans les conditions de l’adaptation d’impédance. Montrer que le montage suivant permet de se placer dans les conditions de l’adaptation d’impédance. C Rg L Ru E 4) Les lois de fonctionnement d’un transformateur parfait sont ici pour des charges résistives Usecondaire = nUprimaire et Iprimaire= nIsecondaire On constate que la puissance est bien sur conservée. N est le rapport du transformateur il est supérieur à 1 si le transformateur est élévateur , il est inférieur à 1 si le transformateur est abaisseur. Montrer que l’utilisation de deux transformateurs adéquat permet aussi de réaliser une adaptation d’impédance dans les deux cas précédents. 5) On considère maintenant le problème différent : la charge est donnée et complexe ; comment choisir l’impédance interne du générateur pour dissiper le maximum de puissance dans la charge ? 3) Dernier cas adaptation d’impédance pour éviter les réflexions impédance du câble = impédance du générateur= impédance de l’oscilloscope pour éviter les réflexions parasites Annexe 2 : Technique de mesure des impédances d’entrée et de sortie Pour la résistance d’entrée ; quand Raux=Re la tension d’entrée est divisée par 2 Raux Re E Pour la résistance de sortie ; quand Raux=RS la tension de sortie est divisée par 2 Rs Raux E Pour les composants audio, on sera amené à travailler en sinusoïdal forcé à 440 Hz Annexe 3 : Caractéristique dynamique On travaille à faible fréquence 30 Hz, en mode refresh si on est en bicourbe en fonctionnement normal si on sélectionne le mode XY On évitera la sélection AC car les condensateurs des filtres parasitent à basse fréquence. 1) Problème de masse On utilise à priori le montage suivant où en voie B on devrait avoir une tension proportionnelle à l’intensité qui parcourt le circuit donc la diode et en voie A la tension aux bornes de la diode et donc en mode XY la caractéristique, puisque l’alimentation sinusoïdale permet « d’excursionner » toutes les tensions possibles. Or on obtient une droite horizontale. Pourquoi? Représenter le trajet du courant sur le schéma de droite. GBF Oscillo CH1 =A masse de l’oscillo RP=1k A B Masse du générateur _ + Masse de l’oscillo CH2= B masse du générateur Terre installation 2) Montage pratique On choisit pour ce montage la valeur de la résistance de protection Rp =100 Ohms et la tension crête-crête 5V telle que le courant maximum qui parcourt le circuit n’excède pas (loin de là) le courant maximal admissible par la diode. I CH1 A UA CH2 B mesurée par Rp=100 UB Mesurée par CH2 CH1 La partie bloquée de la caractéristique est facile à interpréter si UD tension aux bornes de la diode est inférieure à la tension seuil US ( 0.6V pour une diode au silicium, 0.2V pour une diode au germanium) alors la diode est bloquée et I=0 droite horizontale. Si par contre U>US bien que le courant soit notable, on a pourtant pas la caractéristique d’une diode passante (droite qui serait très verticale car la résistance dynamique r d est faible dans la partie passante). On a une pente de 1 si les calibres des deux voies sont identiques. Expliquons cela. On a : UB = R.I et UA = R.I+ US + rd .I Lorsque l’on néglige la tension seuil US, c’est la petitesse de la résistance dynamique rd de la diode dans sa partie passante devant R qui explique la pente voisine de 1. CH2 CH1 3) Montage avec AO monté en soustracteur pour réaliser un amplificateur différentiel cheap C’ est hors programme, on ne le fait pas Pour obtenir la caractéristique vraie de la diode, on peut utiliser un circuit à amplificateur opérationnel nommé circuit soustracteur ou amplificateur différentiel. N’oubliez pas de relier la masse du circuit au point milieu de l’alimentation continue de l’AO. Sur le schéma suivant la masse a été représentée deux fois par commodité mais il s’agit bien sur de la seule et unique masse du montage. On remarque que ce montage fonctionne en régime linéaire puisque la rétroaction de la sortie sur l’entrée s’effectue bien sur l’entrée inverseuse. I R1 = 47k A R2 = 10k CH1 VA-VB B R1= 47k R= 100 CH2 R2 = 10k 1 et 2 doivent être en invert Avec une diode au silicium on mesurera un seuil de 0.6 V et une résistance dynamique de 5 Ohms tandis qu’avec une diode au germanium on aura un seuil de 0.2V et une résistance dynamique de l’ordre de 50 Ohms Attention aux calibres des voies et au ait qu’il y a une loi d’ohm pour passer de la tension au courant pour la voie 2 Bien faire la masse pour mettre 0,0 au milieu de l’écran quand level et offset sont à 0 Une graduation horizontale 0.5V Une graduation verticale 1V soit puisque 100ohms 10-2A r=0.5/10-2=50Ohms Montrons que CH1est proportionnel VA-VB auquel cas on comprendra que le mode XY donnera la caractéristique exacte de la diode Par Millmann En E- entrée inverseuse VE- = (VB /R1 + CH1/R2) / (1/R1+1/R2) En E+ entrée non inverseuse VE+= (VA/R1) / (1/R1+1/R2) Régime linéaire VB/R1 + CH1/R2 = (VA/R1) CH1 = (R2/R1) (VA-VB) Annexe 4 : Valeurs courantes des impédances http://www.sonelec-musique.com/mao_equipements_impedance.html Il n'existe pas toujours des normes pour les valeurs d'impédance d'entrée ou de sortie. Les impédances de sortie sont généralement faibles, et les impédances d'entrées sont généralement moyennes ou élevées. Dans certains domaines, la concordance exacte importe peu : par exemple, une entrée pour microphone dynamique accepte généralement qu'on y raccorde un micro dont l'impédance de sortie est de 150 ou de 600 ohms. Dans d'autres domaines, les impédances de source et de charge ont une telle influence sur le niveau et la qualité du signal, que leur valeur peut en devenir critique. C'est pour cette raison qu'il a été décidé de fixer des valeurs bien précises pour certains équipements, afin de satisfaire les conditions de fonctionnement optimales. Il "suffit" en effet de respecter les normes imposées pour être quasiment sûr que tout se passera bien. Le non respect de ces valeurs normalisées ne signifie pas que cela ne fonctionnera pas, mais signifie simplement qu'il y a plus de risques de mauvais fonctionnements, ou risque de travailler avec des signaux dont l'amplitude sera trop forte ou trop faible. Domaine / Type Impédance courante ou normalisée Vidéo (BNC) 75 ohms (normalisé) HF (Hautes Fréquences) 50 ohms ou 75 ohms (normalisé) AES/EBU (XLR) 110 ohms (normalisé) DMX (lumière / spectacle) 110 ohms (normalisé) S/PDIF (RCA Phono) 75 ohms (normalisé) Sortie microphone à ruban < 1 ohm (30 à 100 ohms si présence d'un transfo d'adaptation) Sortie microphone dynamique 120 ohms à 600 ohms (souvent 200 ou 600) Sortie microphone statique ( électrostatique = condensateur ou a électret) 120 ohms à 600 ohms (souvent 200 ou 600) Sortie synthé / expandeur Généralement comprise entre 100 ohms et 2 KOhms Sortie capteur piezo guitare Entre 2 Kohms et 10 Kohms à 1 KHz (voir Nota 1) Sortie processeurs de son (pro) 40 ohms à 100 ohms (souvent plus pour le grand public) Sortie HP d'un ampli BF Généralement comprise entre 0,01 ohms et 0,5 ohms HP (Haut-Parleur) Généralement comprise entre 2 et 32 ohms Casque Généralement comprise entre 8 et 600 ohms Entrée processeurs de son Généralement comprise entre 10 KOhms et 50 KOhms Entrée Line d'une console de mixage Généralement comprise entre 10 KOhms et 50 KOhms Entrée Mic d'une console de mixage Généralement comprise entre 1 KOhms et 10 KOhms Entrée Word Clock 75 ohms (normalisé) ou de l'ordre de 1MOhms (Hi-Z) Entrée Hi-Z d'un ampli guitare Généralement comprise entre 470KOhms et 3 MOhms (valeur courante 1 MOhms) Entrée boite de direct Généralement comprise entre 100 KOhms et 1 MOhms Nota 1 - L'impédance d'une cellule piezzo est en fait très "chahutée" sur l'ensemble de la bande passante, avec un pic et un creux importants correspondant aux fréquences de résonnance et d'anti-résonnance. Bien plus "chahutée" que l'impédance d'un haut-parleur, bien que pour ces deux éléments on peut définir un modèle équivalent constitué de self, résistance et condensateur. L'impédance d'un élément piezzo seul peut être considérée comme presque purement capacitive, à l'opposé des capteurs magnétiques qui présentent une composante principalement inductive. Plus la composante (valeur) capacitive du piezzo est élevée, et plus il est en mesure de restituer des fréquences basses (fréquence de coupure plus basse quand associé à un étage d'entrée résistif). C'est la raison pour laquelle le montage de deux capteurs piezzo doit généralement s'effectuer en parallèle plutôt qu'en série. Cas pratiques Utilisation Adaptation Remarques Microphone sur entrée MIC d'une console Par pontage L'impédance d'entrée du préampli micro doit être de 5 à 10 fois plus grande que l'impédance de sortie du microphone. Notez que l'on accepte ici le "5 fois plus grande", car dans certains cas, le fait d'avoir une impédance un peu plus faible permet un meilleur rapport signal/bruit, même si on y perd un peu en amplitude. Il peut sembler paradoxale de gagner en rapport S/B avec moins de niveau, mais ça s'explique et se démontre (sans rentrer dans le détail, cela est principalement lié au bruit généré par les composants électroniques utilisés dans l'étage d'entrée du préampli). Le microphone piezzo délivre 0.5V maximum et n’est pas fait pour sortir trop de puissance, Microphone sur entrée LINE d'une console Mauvaise association. L'impédance d'entrée LINE conviendrait, mais l'insuffisance de gain apporté par une telle entrée occasionnerait beaucoup de souffle, et une perte certaine de qualité. lecteur de CD ou de DVD, amplificateur audio, carte son, console de mixage,d’un tuner, « Auxiliaire » et « Vidéo etc qui délivrent une tension de qqs volts, une entrée ligne accepte, sans saturation ou distorsion, tout niveau Une entrée Line est faite pour recevoir une sortie analogique d’un compris entre 100 mV et plusieurs volts. L'impédance d'entrée est généralement comprise entre 20 kΩ et 100 kΩ. ces entrées sont techniquement identiques et il n'y a donc aucun inconvénient à en modifier l'usage4. L'impédance des sorties ligne est relativement peu élevée (généralement inférieure à 2 kΩ) afin de pouvoir être négligée lors du raccordement vers une entrée ligne, voire plusieurs simultanément. Microphone sur deux entrées MIC d'une console Par pontage Bien que cela puisse se faire sans trop poser de problème, il est tout de même préférable d'utiliser un transformateur BF "splitter" (qui à partir d'une source, fournit deux ou trois sorties distinctes), ou un préampli micro additionnel dont la sortie pourra être raccordée simultanément sur deux entrées lignes (ou sur deux entrées MIC avec peu de gain). On peut aussi se "repiquer" sur la prise d'insert d'une première console, avec une fiche dont le fil d'envoi (SEND) et le fil de retour (RETURN) sont reliés ensemble pour aller vers l'entrée d'une seconde console. Et si la console dispose de sortie additionnelle de type Direct OUT (une par tranche), vous avez là encore une autre possibilité de récupérer votre signal amplifié... Guitare "passive" Par sur entrée Hi-Z d'un pontage ampli guitare L'impédance d'entrée d'un ampli guitare est très élevée. C'est une condition minimale pour une bonne restitution du signal provenant du capteur de la guitare. 5kOhms pour le capteur de la guitare et 1MOhm pour l’ampli de la guitare Guitare "passive" sur entrée MIC d'une console - Mauvaise association. L'impédance d'entrée MIC est trop faible pour ce type de source, et occasionne une perte de niveau et de qualité importante. Il vaut mieux insérer une Boite de direct (DI Box) ou un préampli guitare dédié, entre la sortie guitare et l'entrée MIC de la console. Guitare "passive" sur entrée LINE d'une console - Mauvaise association. L'impédance d'entrée LINE peut être plus élevée que l'impédance d'entrée MIC, mais elle reste trop faible. De plus, l'amplification apportée sera faible comparée à ce qu'il faudrait pour ce genre de source, cela se traduit par un souffle très important. Sortie console sur entrée BF de deux amplis BF Par pontage Relier une sortie simultanément sur deux entrées (avec un câble en Y) ne pose généralement pas de problème car l'impédance d'une sortie console est faible (40 à 100 ohms sur une très bonne console, sinon 100 à 500 ohms), par rapport à deux entrées ligne câblées en parallèle. Les entrées Ligne d'amplis BF possèdent en général une impédance d'entrée supérieure à 10 KOhms. Deux entrées de ce type mise en parallèle équivaut donc dans le pire des cas à 5 KOhms. Ceci dit, même si cela est possible, il est plus "professionnel" de recourir à un distributeur audio pour dupliquer la source en plusieurs sorties indépendantes. Evitez ce genre de procédé pour raccorder une sortie sur trois entrées. Par pontage Il s'agit d'un cas un peu différent, car entrent ici en jeu des tensions et des courants plus importants que dans les liaisons HP sur sortie audio de type Ligne ou Micro. L'impédance d'un HP est généralement de quelques ohms (4 et 8 ohms sont des valeurs amplifiée d'un ampli courantes), et l'impédance de sortie HP d'un ampli BF est très faible, de l'ordre de quelques centièmes d'ohms. Les courants qui peuvent circuler peuvent atteindre plusieurs ampères ou plusieurs dizaines d'ampères, le moindre petit ohm parasite provoquera une perte importante. Une autre donnée, qui a eu sa mode pendant un certain temps, est le facteur d'amortissement, déterminé entre autre par le rapport entre l'impédance du HP et l'impédance de sortie de l'étage de puissance. On a eu droit pendant quelques années à un discours assurant que le facteur d'amortissement jouait un rôle dominant dans la qualité finale, cela semble s'être un peu calmé. Un peu comme pour les chiffres de distorsion harmonique... Ampli à tube : facteur d'amortissement de 40 et distorsion de 0,1%. Ampli à transistor : facteur d'amortissement de 200 et distorsion de 0,0001% (notez que ce ne sont que des chiffres donnés de façon arbitraire). Musicalité : vous disiez ? Mais je m'égare... Il y a peu de risque d'endommager un ampli prévu pour être chargé par des haut-parleurs de 8 ohms, si on lui raccorde des HP de 16 ohms. En revanche, y relier des HP d'impédance inférieure (2 ou 4 ohms) peut être destructeur. Différence entrée Line entrée micro Sinon, la différence se fait essentiellement au niveau des impédances différentes entre ces entrée: les entrées micros ne peuvent recevoir que des micro, les entrées line sont des entrées un peu fourre tout, qui peuvent tout accepter, mais qui pour les micro auront une réserve de gain beaucoup plus basse car ne sont pas optimisés pour. Par contre, si les entrées micro sont optimisées pour les micros, il faut savoir que brancher une source line dessus revient à les abîmer sur le long terme (comprendre flinguer les préamplis micro), et faire saturer les prise son. En électroacoustique, le niveau ligne, en anglais line level, désigne l'amplitude (tension) d'un signal électrique, utilisé pour transmettre le son analogique entre équipements : lecteur de CD ou de DVD, amplificateur audio, carte son, console de mixage, et Sur les appareils grand public, tels qu'un amplificateur haute-fidélité, les entrées ligne peuvent recevoir des noms variés tels que « Tuner », « CD », « Auxiliaire » et « Vidéo ». Il ne s'agit que de faciliter le repérage et donc l'utilisation de nombreuses sources mais ces entrées sont techniquement identiques et il n'y a donc aucun inconvénient à en modifier l'usage4. Entrée : généralement, une entrée ligne ne possède pas de niveau réglable ; avec pour principale exception les enregistreurs dont le niveau d'enregistrement, à partir d'une entrée ligne, est réglable. On peut toutefois trouver des entrées ligne à niveau réglable sur certaines réalisations haut de gamme. En pratique, une entrée ligne accepte, sans saturation ou distorsion, tout niveau compris entre 100 mV et plusieurs volts. L'impédance d'entrée est généralement comprise entre 20 kΩ et 100 kΩ. Sortie : les sorties ligne peuvent être à niveau fixe ou réglable. Comme pour les entrées, la tension efficace disponible est située entre 100 mV et quelques volts. Le principal type de sortie à niveau fixe est la sortie enregistrement qui se doit (normalement) d'être indépendante des réglages de l'appareil sur lequel elle se trouve. Parmi les sorties à niveau réglable, on retiendra surtout la sortie préamplificateur (lorsqu'elle existe), souvent indiquée « PRE-OUT » sur un amplificateur intégré. Certaines sources comme le lecteur de CD peuvent offrir à la fois une sortie à niveau fixe et une autre à niveau réglable, ce qui offre plus de souplesse d'utilisation. L'impédance des sorties ligne est relativement peu élevée (généralement inférieure à 2 kΩ) afin de pouvoir être négligée lors du raccordement vers une entrée ligne, voire plusieurs simultanément.
