TP n 7 : amplificateur linéaire intégré en régime l inéaire ; Etude d un chariot filoguidé -1 er partie-.

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1 TP n 7 : amplificateur linéaire intégré en régime l inéaire ; Etude d un chariot filoguidé er partie. Sujets abordés : amplificateur opérationnel, filtres électriques (chapitre «différents types de filtres») Logiciel utilisé : Orcad Spice Notre objectif est ici d étudier différents montages autour de l amplificateur linéaire intégré en s appuyant sur des fonctionnalités présente au sein d un chariot filoguidé. Description du système Le chariot filoguidé fait partie d un îlot de production automatisé, où il permet de transporter des pièces entre un magasin et des postes d assemblage et d usinage. Plusieurs chariots circulent en même temps sur des trajets différents. Les trajets sont matérialisés par des conducteurs implantés dans le sol. Dans chaque conducteur circule un courant alternatif à une fréquence bien déterminée. Le champ magnétique produit par ce courant est capté par deux bobines montées sur le chariot. L amplitude du signal ainsi capté est proportionnelle à la distance de la bobine et du fil. En fonction de cette amplitude, une carte électronique implantée dans le chariot, détermine et corrige la position de celuici par rapport au fil, en agissant sur une roue directrice. vue de face roues motrice vue de dessus roue directrice champ magnétique rayonné fil conducteur enterré On différentie les différents trajets au sein de l îlot de production, en envoyant une fréquence de courant différente dans le fil concerné. On parle alors de multiplexage fréquentiel de l information (comme en radiodiffusion grandes ondes ou FM). Les chariots sont programmés, via une liaison infrarouge, pour capter une fréquence particulière parmi toutes les fréquences, et donc suivre le trajet associé. Notre étude portera sur la carte permettant de générer le signal de commande de la roue directrice du chariot. Le schéma synoptique (ou schéma fonctionnel) ciaprès décrit les différentes fonctions implantées sur la carte. IUFM Aix Marseille /8

2 b a S a S a S a FP5 Σ Ssom FP b b FP S b FP S b FP4 FP6 FP7 Sdiff Σ S b Seuil Salarm Le champ magnétique généré par les fils est capté par les bobines, de la fonction principale FP, qui fournissent une tension qui sera amplifiée par la fonction FP (signaux Sa et Sb) puis filtrée par la fonction FP afin de sélectionner le bon trajet (signaux Sa et Sb). L information «position du capteur par rapport au fil» est contenue dans l amplitude des signaux sinusoïdaux, amplitude que l on va extraire à l aide d une détection d enveloppe, afin d obtenir en Sa et Sb un signal quasi continu. Ce rôle est joué par FP4. En réalisant la somme des signaux Sa et Sb, la fonction FP5 permet d obtenir une tension Ssom continue proportionnelle à la position du chariot par rapport à l axe du fil. La fonction FP6, en réalisant la somme des signaux Sa et Sb, génère une tension Sdiff permettant de détecter si le chariot n est pas complètement sorti du trajet (le signal capté par les deux bobines est alors faible). Par la comparaison de Sdiff avec un seuil de tension, la fonction FP7 permettra d arrêter le chariot et de générer une alarme. Fonction principale : amplification. Amplificateur inverseur L amplification est réalisée autour d un amplificateur linéaire intégré de référence TL8 (composant TL8 de la bibliothèque OPAMP) comme le montre le schéma ciaprès, sur lequel la bobine est modélisée par un générateur sinusoïdal de fréquence khz et d amplitude,5 V) : R VOFF = VAMPL =.5 FREQ = K V R k TL8 k V V Sa Déterminer la relation liant les tensions Sa et par différentes méthodes : application de la loi des nœuds sur la borne ; application du théorème de Millman sur cette même borne ; application du théorème de superposition. Vérifier par la simulation. IUFM Aix Marseille /8

3 . Amplificateur noninverseur Une autre possibilité de montage amplificateur est donné par le schéma suivant : R R k k TL8 V V Sa VOFF = VAMPL =.5 FREQ = K V Déterminer la relation liant les tensions Sa et. Comparer avec le premier montage. Vérifier par la simulation.. Amplificateur de courant Supposons maintenant que la bobine soit remplacée par un capteur fournissant un courant proportionnel au champ magnétique. Pour amplifier ce courant, on utilise le montage suivant : R k IOFF = IAMPL = u FREQ = K I TL8 V V Sa Déterminer la relation liant les tensions Sa et le courant passant en..4 Limitation des perturbations Les bobines du chariot sont sensibles au champ magnétique produit par les fils, mais aussi aux champs électromagnétiques parasites (émetteurs radiodiffusion, émetteur CB etc ). Nous supposerons dans notre exemple que nous sommes parasité par un émetteur radiodiffusion grandes ondes émettant sur khz, et nous modéliserons le signal aux bornes des bobines comme suit : IUFM Aix Marseille /8

4 VOFF = VAMPL =.5 FREQ = K V VOFF = VAMPL =.5 FREQ = K V4 Nous choisissons finalement un montage amplificateur inverseur. Afin d atténuer la perturbation, le montage est modifié comme l indique la figure suivante : C 8p R VOFF = VAMPL =.5 FREQ = K V VOFF = VAMPL =.5 FREQ = K V4 R k TL8 k V V Sa Que vaut l impédance du condensateur en continu (ω=)? en très hautes fréquences (ω tend vers l infini). En déduire un schéma équivalent de l amplificateur, et un gain pour ces deux extrêmes. Calculer la fonction de transfert complexe Sa/ et vérifier en faisant tendre la pulsation vers puis vers l infini, que l on retrouve bien les mêmes valeurs. Réaliser la simulation et conclure sur l efficacité de ce montage. Fonction principale : filtrage Afin de sélectionner le trajet que doit suivre le chariot, on doit sélectionner une fréquence de réception parmi les trois fréquences 5 khz, khz et 5 khz, circulant sur les fils. Le schéma du montage réalisant ce filtrage est donné ciaprès : IUFM Aix Marseille 4/8

5 R MEG C 67p C 67p R 4 VOFF = VAMPL =. FREQ = K C R Sa 4.7p 5k V TL8 V V Sa Il s agit d un filtre passe bande, ne laissant donc passer qu une bande de fréquence particulière. En remplaçant les condensateurs par leur schéma équivalent en continu puis en très hautes fréquences, montrer que le gain de ce montage est nul pour ces valeurs. Simuler le montage à pour les trois valeurs en commençant par khz, sur une période de ms. Conclusion Remarque : dans la pratique, trois filtres centrés sur les trois fréquences sont attaqués par le signal Sa issu de l amplificateur. Une sortie parmi les trois est sélectionnée par un commutateur analogique, commandé par le système de gestion du chariot, en fonction du trajet programmé par la liaison infrarouge. Cette solution permet d avoir des cartes identiques quel que soit le chariot, et de pouvoir adapter le chariot à n importe quel trajet. 4 Fonction principale 4 : détection d enveloppe Nous avons à ce niveau, un signal sinusoïdal issus du filtre, correspondant au trajet à suivre, dont l amplitude permet de situer la position d une bobine par rapport au fil. Mettre en évidence que le montage «détection d enveloppe» vu lors de la séance sur la diode permet d obtenir une tension «presque» continu, dont l amplitude sera proportionnelle à la position. Tester le montage en calculant judicieusement la constante de temps, en prenant kω comme valeur de résistance. Le montage qui suit la fonction FP4 est un amplificateur inverseur dont la résistance d entrée (celle qui est reliée entre l entrée et la borne ) vaut kw. On montre qu un tel montage présente une résistance d entrée égale à R. Quel va être l effet sur le détecteur d enveloppe? Tester par une simulation. Remplacer l amplificateur inverseur par un noninverseur puis un suiveur. Conclusion? IUFM Aix Marseille 5/8

6 On souhaite détecter la partie positive de l enveloppe pour le signal issu de la, et la partie négative pour celui issu de la. Modifier le montage et tester. 5 Fonction principale 5 : sommation La fonction FP4 donne la valeur de l enveloppe positive du signal amplifié de la en Sa, et la valeur de l enveloppe négative du signal amplifié de la en Sb. La figure suivante représente différentes positions du chariot par rapport au fil, ainsi que la valeur absolue de l amplitude du signal que l on récupère en Sa ou Sb en fonction de la position de la bobine concernée. fil conducteur I Sx I cas 4 Sa = Sb = Sa Sb = Sa Sb = cas Sa = Sb = Sa Sb = Sa Sb = cas Sa = Sb = Sa Sb = Sa Sb = cas Sa = Sb = Sa Sb = Sa Sb = Ces différentes positions peuvent être vues comme une oscillation du chariot autour d un trajet moyen suivant le fil. Compléter pour chaque cas de la figure les valeurs Sa, Sb et SaSb et mettre en évidence que la somme des signaux Sa et Sb permet d obtenir un signal dont l amplitude est représentative de la position du chariot. Le montage suivant permet de réaliser, au signe près, cette sommation : IUFM Aix Marseille 6/8

7 Sb Sa R k R k TL8 R k V V Déterminer la relation liant les tensions Sa et par différentes méthodes : application de la loi des nœuds sur la borne ; application du théorème de Millman sur cette même borne ; application du théorème de superposition. Afin de simuler le comportement décrit précédemment (oscillation autour d un trajet moyen), on attaquera le montage par les générateurs suivant : Ssom Sb VOFF = 4 VAMPL = FREQ = V4 VOFF = 4 VAMPL = FREQ = V Sa La tension continue «VOFF» représente la valeur moyenne captée (donc le déplacement en ligne droite), tandis que l oscillation basse fréquence «VAMPL» représente les écarts autour de ce trajet moyen. Lancer une simulation et vérifier que le résultat est bien celui attendu. 6 Fonction principale 6 : soustraction Si pour une raison quelconque le chariot s éloigne trop du trajet (heurt avec un obstacle par exemple), le signal capté devient très faible et inexploitable. Il faut donc arrêter le chariot. On va pour mettre en place cette sécurité, tenir compte du signal capter par les deux bobines, en faisant la différence entre Sa et Sb. Mettre en évidence en reprenant la figure du chapitre précédent sur le déplacement du chariot et en complétant pour chaque cas Sa Sb, que cette différence permet de détecter la «sortie de route» du chariot. Le montage suivant réalise, au signe près, cette différence : IUFM Aix Marseille 7/8

8 Sa R k R k VOFF = 4 VAMPL = FREQ = V4 VOFF = 4 VAMPL = FREQ = V Sb Rb k TL8 Rb k Déterminer la tension sur la borne. Déterminer la relation liant les tensions Sdiff, Sa et Sb par différentes méthodes : application de la loi des nœuds sur la borne ; application du théorème de Millman sur cette même borne ; application du théorème de superposition. Vérifier par la simulation. V V Proposer une modification pour réaliser en Sdiff l opération Sa Sb. Tester. Sdiff IUFM Aix Marseille 8/8