Ami Pro - BALINUIT.SAM

SCIENCES DE L'INGÉNIEUR
GÉNIE ÉLECTRIQUE
TP N° 9
TERMINALE
page 1 / 8
Durée : 2h
BALISE MARITIME : DÉTECTION DE LA NUIT (FP1)
Centres d'intérêt abordés :
CI9
Thématiques :
Acquisition et conditionnement des
informations
Activités proposées :
I4
Transformation
d'une
grandeur
physique à mesurer en une
grandeur mesurable par capteur à
sortie analogique
Compétences attendues :
1
Tracer la fonction de transfert de la Identifier la grandeur physique à mesurer et la
photoréristance
nature de l'information délivrée par le capteur
Mesurer les signaux en divers points du
système d'acquisition
2
Simuler
la
fonction
éclairement / tension
3
Concevoir une partie et simuler le Décrire et représenter l'évolution du signal en
fonctionnement du montage complet
entrée et en sortie des différents éléments
conversion Expliciter les caractéristiques d'entrée et de
sortie du conditionneur
Ressources matérielles :
Ressources documentaires :
q
Micro ordinateur équipé du logiciel de q Notice d'utilisation du logiciel de simulation
simulation Microsim PSpice
q Dossier technique de la balise
PRÉSENTATION
1 RÔLE DE FP1
La fonction a pour rôle de produire un signal logique (NUIT) représentatif de l'éclairement extérieur.
Ce signal est au niveau logique '1' lorsque l'éclairement mesuré est inférieur au seuil fixé. Il permet la mise en
service automatique de la lampe de la balise dès la tombée de la nuit.
2 SCHÉMA FONCTIONNEL DE SECOND DEGRÉ DE FP1
Eclairement
naturel
exterieur
CONVERSION
ECLAIREMENT
TENSION
FS1.1
VE
GENERATION
D'UNE TENSION
DE REFERENCE VREF
FS1.2
COMPARAISON
FS1.3
NUIT
SCIENCES DE L'INGÉNIEUR
TP N°9
page 2 / 8
3 RÔLE DES DIFFÉRENTES FONCTIONS SECONDAIRES DE FP1
3.1 CONVERSION ÉCLAIREMENT / TENSION (FS1.1)
Traduit l'éclairement naturel extérieur en une tension continue VE qui augmente avec l'éclairement.
La détection de l'éclairement est réalisée par une photorésistance (aussi appelée LDR). C'est une résistance
qui diminue lorsque l'éclairement augmente (voir la fiche technique du composant).
L'éclairement s'exprime en lux (lx). Le tableau suivant indique l'éclairement approximatif
correspondant à quelques situations caractéristiques :
- pleine lune : 0.1 lx
- ampoule 60 W à 1 mètre : 50 lx
- lumière du jour : 1000 lx
- plein soleil : 30 000 lx
3.2 GÉNÉRATION D'UNE TENSION DE RÉFÉRENCE (FS1.2)
Génère une tension VREF qui correpond à la limite d'éclairement jour / nuit. Ce seuil est fixé à 18 lx.
3.3 COMPARAISON (FS1.3)
Compare la tension VREF à la tension VE (image de l'éclairement) et produit un signal logique
(NUIT) au niveau haut lorsque l'éclairement reçu par la LDR est inférieur au seuil fixé.
4 SCHÉMA STRUCTUREL PARTIEL DE LA FONCTION FP1
Le schéma structurel (à compléter lors du TP) est donné ci-dessous :
ANALYSE THÉORIQUE (À FAIRE AVANT LE TP)
5 ANALYSE FONCTIONNELLE
?
Encadrer sur le schéma structurel les fonctions secondaires de FP1.
SCIENCES DE L'INGÉNIEUR
TP N°9
page 3 / 8
6 ANALYSE DE LA FONCTION CONVERSION ÉCLAIREMENT / TENSION
?
A l'aide de la documentation technique de la LDR (page 7), déterminer graphiquement la valeur
de la résistance du capteur pour les éclairements : 1 lux, 10 lux, 100 lux et 1000 lux. On prendra les valeurs
sur la courbe MIN repérée par une flêche. Reporter ces valeurs dans le tableau ci-dessous.
Remarque importante : l'éclairement et la résistance variant sur une plage très importante, ces
grandeurs sont placées sur des axes avec une échelle logarithmique. Celle-ci est obtenue en séparant les
valeurs par des intervalles proportionnels à leur logarithme :
une décade
1
2
3 4 5 6 78910
20 30
éclairement (lx)
100
1000
? Etablir l'expression de VE, la tension aux bornes du capteur, en fonction de R1, R2 et V1.
(Utiliser la formule du diviseur de tension donnée à la page 8) :
?
Calculer VE pour les éclairements : 1 lux, 10 lux, 100 lux et 1000 lux. Reporter ces valeurs dans
le tableau :
éclairement
VE (V)
R1 (Ω)
1
10
100
1 000
?
Tracer la caractéristique VE = f(éclairement) pour un éclairement compris entre 1 et 1000 lux
(en utilisant l'échelle logarithmique sur l'axe des abscisses). Indiquer comment varie la tension VE en
fonction de l'éclairement :
VE (V)
1
éclairement (lx)
0
1
2
3 4 5 6 78910
20 30
100
1000
SCIENCES DE L'INGÉNIEUR
TP N°9
page 4 / 8
ANALYSE EXPÉRIMENTALE
A l'aide du logiciel de simulation Microsim, vous allez simuler le fonctionnement du montage en
fonction de l'éclairement.
L'analyse expérimentale comporte trois parties :
- le tracé de la fonction de transfert de la photorésistance (à comparer à la notice technique),
- la simulation de de la fonction conversion éclairement / tension,
- la conception d'une partie du montager pour obtenir le fonctionnement souhaité et la
vérification par simulation.
7 TRACÉ DE LA CARACTÉRISTIQUE RÉSISTANCE
L'ÉCLAIREMENT DE LA PHOTORÉSISTANCE : R1 = F(ECL)
EN
FONCTION
DE
7.1 SAISIE DU SCHÉMA
Composants utilisés :
- Source de courant continu : IDC.
(Compléter ses attributs)
- Photorésistance : LDR.
- Elément de paramétrage : PARAM.
- Masse : AGND.
- Label : GLOBAL.
8
Effectuer la saisie du schéma. Enregistrer le sur votre lecteur personnel sous le nom : BALISE1.
7.2 DÉFINITION DU TYPE D'ANALYSE ET DES PARAMÈTRES
8 Pour réaliser une analyse du fonctionnement du montage en fonction de l'éclairement (LUX), il
faut déclarer ce paramètre dans l'élément PARAM. Dans la boite de dialogue, écrire le nom du paramètre
dans NAME1 et préciser sa valeur par défaut dans VALUE1 :
- NAME1=LUX
- VALUE1=1
8 Pour réaliser l'analyse en continu en fonction du
paramètre éclairement (de 1 à 1000 lux), il faut utiliser le type
d'analyse DCSweep et compléter les attributs comme indiqué
ci-contre :
SCIENCES DE L'INGÉNIEUR
7.3 VISUALISATION
L'ÉCLAIREMENT
DE
LA
TP N°9
CARACTÉRISTIQUE
page 5 / 8
R1
EN
FONCTION
DE
8
En utilisant la loi d'ohm et les fonctions mathématiques du logiciel, visualiser la caractéristique
R1 en fonction de l'éclairement. Pour visualiser la caractéristique dans une échelle logarithmique (comme
dans la fiche technique), cliquer sur les boutons repérés ci-dessous :
Imprimer la caractéristique R1 = f (éclairement). Comparer avec celle donnée dans la fiche technique :
8 SIMULATION DE LA FONCTION CONVERSION ÉCLAIREMENT / TENSION (FS1.1)
On réalise cette simulation pour visualiser la tension VE (aux bornes du capteur) en fonction de
l'éclairement et pour mesurer la valeur de VE à 18 lx qui constitue le seuil de basculement VREF du
comparateur. Le schéma structurel de la fonction est donné à la page 2.
8
Saisir le schéma du circuit à simuler : la fonction FS1.1 seule (sous le nom BALISE2). La
source de tension V1 (composant VDC) sera réglée à 5V. Placer un marqueur pour visualiser la tension VE.
On conservera les paramètres d'analyse : éclairement variant de 1 à 1000 lx.
8
Visualiser (sans imprimer) la courbe VE = f(éclairement) pour un éclairement compris entre 1 et
1000 lx (abscisses en échelle logarithmique). Comparer la courbe obtenue à celle établie théoriquement :
8
Mesurer précisement la valeur de la tension VE correspondant à un éclairement reçu de 18 lx :
9 CALCUL DE LA RÉSISTANCE R3
Le pont R3 - R4 génère la tension de seuil VREF du comparateur (limite jour / nuit : 18 lx).
?
Etablir l'expression littérale de VREF en fonction des éléments du montage :
SCIENCES DE L'INGÉNIEUR
TP N°9
page 6 / 8
?
Calculer la valeur de la résistance R3 pour obtenir le seuil voulu. Choisir sa valeur normalisée
dans la série E12, constituée des valeurs suivantes (x 10n Ω) : 10, 12, 15, 18, 22, 27, 33, 39, 47, 56, 68, 82 :
10 RÉALISATION ET SIMULATION DE FP1 : DÉTECTION DE LA NUIT
? Compléter le schéma structurel (page 2) permettant d'obtenir le signal NUIT selon le
fonctionnement décrit dans la présentation.
Justifier les liaisons réalisées et donner le nom du montage réalisé par l'ALI repéré U1A. (Les rappels
sur le fonctionnement de l'ALI en comparateur sont donnés à la page 8).
8
Saisir le schéma de la fonction FP1 (compléter celui utilisé précédemment). L' ALI porte la
référence LM324. Placer des marqueurs pour visualiser les signaux VE, VREF et NUIT. On conservera les
paramètres d'analyse : éclairement variant de 1 à 1000 lx (abscisses en échelle logarithmique).
8
8
Visualiser et imprimer les signaux VE, VREF et NUIT.
Mesurer précisément la valeur du seuil de basculement VREF. Valider le fonctionnement du
montage en précisant la valeur de l'éclairement pour laquelle la sortie NUIT change d'état :
SCIENCES DE L'INGÉNIEUR
TP N°9
FICHE TECHNIQUE SUR LES PHOTORÉSISTANCES
page 7 / 8
SCIENCES DE L'INGÉNIEUR
TP N°9
page 8 / 8
RAPPELS D'ÉLECTRONIQUE
LOI DU PONT DIVISEUR
MONTAGES COMPARATEURS SIMPLES A ALI
SCHEMA
COMPARATEUR NON INVERSEUR A UN SEUIL
Vcc
Vd = Ve - Vref
R1
R1
8
Is = 0
Ve
Vd
R2
Vs
R2
Vref
Vs = + Vsat
si Ve < Vref
Vd < 0
Vs = - Vsat
COMPARATEUR INVERSEUR A UN SEUIL
RELATION
Vcc
Vd = Vref - Ve
Ve . R2
R1 + R2
Vd > 0
Vs
Ve
Vs =
si Ve > Vref
R1
8
Vd
R2
Vref
Ve
si Ve > Vref
Vd < 0
Vs = - Vsat
si Ve < Vref
Vd > 0
Vs = + Vsat
Vs
Les valeurs +Vsat et -Vsat de la tension de sortie sont fixées par les tensions
d'alimentation de l'ALI (+Vcc et -Vcc : +5V et 0V dans le montage).