TP 1 : sources électriques

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1 Objectif : étudier différents dipôles actifs linéaires ou non linéaires. Les mots générateur et source seront considérés comme des synonymes 1 Source dipolaire linéaire 1.1 Méthode de mesure de la demie-tension Source réelle de tension Un dipôle générateur à caractéristique linéaire peut toujours être représenté par un générateur idéal de tension E 0 (sa fem ou force électromotrice) en série avec une résistance R 0 (résistance "interne"). La méthode de la demie-tension propose de mesurer ces deux grandeurs. D après la schéma ci-contre, la tension U aux bornes du générateur lorsqu il débite un courant d intensité I dans une résistance de charge a pour expression : U = E R 0 (1) Le diviseur de tension sert à établir cette expression. R 0 E 0 Boîtier i U Figure 1 Source réelle de tension Manipulation 1. Mesurer E 0 avec un voltmètre en circuit ouvert ; c est à dire sans ( débranchée). 2. Puis mesurer R 0 en réglant (qui est une boîte de résistances variables) jusqu à obtenir sur le voltmètre U = E 0 2 ; on a alors R 0 = Influence du voltmètre Discuter de l influence du voltmètre sur le circuit et donc de la fiabilité des mesures effectuées par ce voltmètre. Le voltmètre est vu par le reste du circuit comme une très grosse résistance R V car R V >> R 0,. En effet, R V 1 à 10 MΩ NB : Ceci est aussi valable pour l oscilloscope qui est un voltmètre. Remarque : rappelons que deux résistances R 1 et R 2 mises en parallèle sont équivalentes à une résistance vérifiant : 1 R eq = 1 R R 2 (2) 1.2 Caractéristique d une source réelle linéaire Définition de la caractéristique d un dipôle La caractéristique tension-courant d un dipôle électrique est la fonction U = f(i) avec U la tension aux bornes du dipôle et I le courant qui le traverse. 5

2 1.2.2 Manipulation On utilisera le boîtier, entre les bornes jaune et noire. Pour obtenir la caractéristique d une source, on effectue le montage ci-contre. On mesure différents couples (I,U) pour différentes valeurs de. E A U Voie 1 I est mesurée avec le multimètre réglé en ampèremètre (entrée "ma", calibre 500 ma) ; U est mesurée avec l oscilloscope (touche MEAS puis V max ). Figure 2 Étude d une source réelle de tension Remplir un tableau de mesures rassemblant les valeurs de I, U et, aller de = jusqu à = 10 Ω. Choisir les valeurs de dans le but d avoir une belle et complète caractéristique... Après ces mesures, ne pas laisser à une valeur inférieure à 500 Ω (sinon, la pile dans le boitier s épuise) Graphe U = f(i) 1. Tracer la caractéristique U = f(i) de ce boîtier sur le logiciel REGRESSI ; 2. Faire une régression linéaire à l aide de REGRESSI. Commenter l allure du graphe obtenu ; 3. Lire alors la pente et l ordonnée à l origine données par le logiciel. Sachant que la théorie donne, pour une source linéaire, U = E 0 R 0 I, en déduire d autres valeurs pour E 0 et R L intersection de la droite de régression et l abscisse donne le courant de court-crcuit I CC (pour U = 0 sur le graphe). Déterminer I CC à l aide du réticule. 5. Imprimer ce graphe Graphe P = f( ) 1. Rajouter une ligne au tableau précédent permettant de calculer la puissance P = U I ; 2. Tracer la courbe de la puissance P en fonction de la résistance de charge ; Remarque Le fait de ne pas observer de courbe n est pas inquiétant, il faut juste régler les paramètres d affichage de Régressi (un zoom ou un changement de type d échelle). 3. En déduire la puissance maximale et la résistance correspondante : utiliser le tableau ou le réticule. 4. Comparer à R 0. Conclure. 5. Imprimer ce graphe. 2 Panneau solaire 1. Régler l éclairage sur le panneau solaire au maximum ; ne pas modifier cette disposition pendant les mesures. 6

3 2. Avec la même procédure que précédemment (paragraphe 1.2.2) : remplir un tableau de mesures faisant figurer U, I, et P et tracer la caractéristique U = f(i) du panneau solaire. Attention : les valeurs mesurées doivent êtres pertinentes (points bien répartis). Remarque : il est normal que le signal "s épaississe" pour les faibles valeurs de U. 3. Avec REGRESSI, faire un lissage de la courbe U = f(i) et l imprimer : pour réaliser le lissage, cliquer sur "Coordonnées du graphique", dans les "options de représentation", cocher "ligne" puis sélectionner "lissage" (laisser le paramètre à 3 et cliquer sur Ok) ; 4. Ajouter la ligne de puissance dans le tableau : quelle est la puissance maximale dans cette ligne? 5. Essayer de faire briller l ampoule à disposition et la diode électroluminescente (LED) à l aide de cette "pile" solaire. Conclure. 3 Le générateur basse fréquence ou GBF : ne pas faire cette première partie 3.1 Rappel : réglage d un GBF Le GBF est une source électrique, une source de tension : le courant sortant est très faible ainsi la tension aux bornes du GBF est très stable et les amplitudes des signaux délivrés sont pratiquement indépendantes des dipôles dans le circuit. Le montage, ici, ne nécessite que le GBF et l oscilloscope, ces deux appareils doivent avoir forcément la même masse (point de potentiel nul). Utiliser la sortie coaxiale OUTPUT 50 Ω ; prendre un câble coaxial ou bien des fils classiques avec des transitions rouge-noir (le noir étant la couleur généralement réservée à la masse). GBF Oscillo Figure 3 Réglage d un GBF Faire les réglages pour avoir une tension : Triangulaire de 8 V crête à crête : à régler avec le bouton LEVEL sur le GBF et à mesurer avec "Vpp" dans le menu MEAS de l oscilloscope. De fréquence 2500 Hz : à régler le bouton FREQ et les boutons poussoir de décades. Imprimer l oscillogramme. 3.2 Utilisation de la fonction Vobulation du GBF En électronique, le terme vobulation signifie : "modulation de fréquence à forte différence". Ceci veut dire que le GBF est capable de fournir une rampe de fréquence : il fait varier sa fréquence d une valeur f min à une valeur f max en boucle, à une vitesse que l utilisateur peut choisir. On peut, par l intermédiaire d une prise à l arrière du GBF, obtenir le signal correspondant à la variation de fréquence et l injecter dans un oscilloscope. 7

4 Lorsque l on étudie un filtre en électricité, on mesure ces caractéristiques (gain ou tension de sortie ; déphasage entre la tension d entrée et la tension de sortie) en fonction de la fréquence. On effectue des mesures de tension en faisant varier la fréquence, manuellement. Puis on utilise un logiciel qui nous permettra d obtenir la courbe qui nous intéresse, par exemple V s = f(fréq). Grâce à la vobulation du GBF, on peut afficher directement la courbe voulue sur l oscilloscope. Par exemple voici la courbe V s = f(fréq) obtenue pour un filtre RLC passe-bas : Figure 4 Courbe de gain en tension V s V e = f(fréq) pour un filtre RLC passe-bas Nous allons donc voir comment afficher cette courbe directement sur l écran de l oscilloscope Montage Schéma mis à jour L R Voie 2 Voici le schéma électrique du circuit RLC. v e (t) Voie 1 (arrière du GBF) v s (t) C Figure 5 Étude d un filtre RLC Les valeurs des composants sont les suivantes : L = 200 mh ; R = 500 Ω ; C = 100 nf. Il va donc falloir régler le GBF de façon à ce qu il fournisse une fréquence variable périodiquement sur une "rampe". On utilise la sortie OUTPUT 50 Ω du GBF pour fournir la tension V E. Les branchements de l oscilloscope seront réalisés comme suit : En X (CH1) : visualisation de la rampe de variation de fréquence prise à l arrière du GBF, sortie SWEEP OUT ; En Y (CH2) : visualisation de la tension V S Manipulations 1. Régler le GBF pour qu il délivre un signal sinusoïdal ; 2. Fixer la gamme de fréquence à 1 khz ; 8

5 3. Fixer la fréquence de sweep minimale avec le bouton tournant de fréquence presqu au minimum ; 4. Fixer la fréquence maximale avec le bouton tournant "Fmax" aux deux tiers ; 5. Appuyer sur le bouton poussoir "SWEEP" ; 6. Régler l oscilloscope sur le mode XY puis faire varier le bouton SW FREQ ; 7. Que vaut la valeur maximale de V S, lue sur l oscillogramme? 8. Augmenter R. Qu observe-t-on? Est-ce cohérent avec les formules : Q = 1 L R + r C V S max = Q V E (3) 9

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