REDRESSEMENT et FILTRAGE d un COURANT ALTERNATIF SINUSOÏDAL

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1 REDRESSEMENT et FILTRAGE d un COURANT ALTERNATIF SINUSOÏDAL ÉTUDE EXPÉRIMENTALE N 1 : redressement mono alternance du courant alternatif sinusoïdal J UTILISE LE COFFRET ÉLECTRICITÉ J AI BESOIN DE : 4 - Interrupteur 5 - Fils de connexion (6) 11 - Boîtier de résistors 12 - Adaptateurs BNC (2) 14 - Boîtier de composants électroniques GBF non livré dans le coffret ; référence du GBF : MT Oscilloscope non livré dans le coffret ; référence de l oscilloscope : MT JE DOIS RÉALISER Fig. 1. K Voie GBF Rp 1 - Je fixe les raccords BNC sur la voie 1 de l oscilloscope et sur la sortie 50/600 Ω du GBF. 2 - Je relie le GBF et l oscilloscope au réseau. 3 - Je réalise le montage de la Fig. 1. L interrupteur est ouvert. Le GBF délivre une tension alternative sinusoïdale. Le bouton amplitude est tourné à fond vers la droite. J utilise la résistance 470 Ω du boîtier de résistors. 4 - Je mets en marche l oscilloscope et le GBF, le bouton poussoir 50/600 Ω du GBF est sorti. 5 - Je règle la fréquence du GBF sur 50 Hz. 6 - Je règle la position verticale à l aide du bouton (Y pos1) pour que la trace du faisceau coïncide avec l axe horizontal situé au centre de l écran. 38

2 7 - Je ferme l interrupteur. 8 - Je place le sélecteur de la base de temps sur le calibre 5 ms. 9 - Je place le sélecteur de sensibilité de la voie 1 sur le calibre 5 V. Je fais la constatation suivante : le courant sinusoïdal est redressé A RETENIR : La diode permet d obtenir un redressement monoalternance (courant unidirectionnel) J ouvre l interrupteur J éteins le GBF Je débranche chaque appareil. 39

3 ÉTUDE EXPÉRIMENTALE N 2 : redressement double alternance du courant alternatif sinusoïdal J UTILISE LE COFFRET ÉLECTRICITÉ J AI BESOIN DE : 4 - Interrupteur 5 - Fils de connexion (10) 11 - Boîtier de résistors 13 - Transformateur 15 - Pont de Graëtz 16 - Condensateur GBF non livré dans le coffret ; référence du GBF : MT Oscilloscope non livré dans le coffret ; référence de l oscilloscope : MT JE DOIS RÉALISER Rp 4 K Voie 1 Fig. 2. GBF 1 - Je réalise le montage de la Fig. 2, pour des raisons pratiques, il faut utiliser à la sortie du GBF un transformateur d isolement. Ci-dessous le détail du montage. Transformateur K 470 Pont de Graëtz Voie 1 GBF 1800 sp 1800 sp - L interrupteur est ouvert. Le GBF délivre une tension alternative sinusoïdale. Le bouton amplitude est tourné à fond vers la droite. J utilise la résistance 470 Ω du boîtier de résistors. 40

4 2 - Je mets en marche le GBF (fréquence 50 Hz). 3 - Le bouton AC-DC de l oscilloscope doit être enfoncé (position DC). 4 - Je ferme l interrupteur. 5 - Je place le sélecteur de la base de temps sur le calibre 2 ms. 6 - Je place le sélecteur de sensibilité de la voie 1 sur le calibre 5 V. 7 - Je fais la constatation suivante : redressement double alternance 8 - Je place en dérivation le condensateur aux bornes de la sortie du pont de Graëtz EN RESPECTANT LES POLARITÉS. 9 - Je fais la constatation suivante : courant continu A RETENIR : Le pont de Graëtz permet d obtenir un redressement double alternance. Le condensateur permet de filtrer le courant obtenu (c est un courant continu) J ouvre l interrupteur Je coupe l alimentation du GBF et celle de l oscilloscope Je débranche chaque appareil et range le matériel avec soin. 41

5 CARACTÉRISTIQUE EXTERNE d un GÉNÉRATEUR ÉTUDE EXPÉRIMENTALE J UTILISE LE COFFRET ÉLECTRICITÉ J AI BESOIN DE : 1 - Multimètres (2) 4 - Interrupteur 5 - Fils de connexion (7) 6 - Potentiomètres sur boîtier 7 - Boîte de résistances à mesurer 12 - Adaptateur BNC GBF avec touche off set non livré dans le coffret ; référence du GBF : MT JE DOIS RÉALISER K - A Fig. 4 RP 39 - V Rh Le générateur de courant continu est ici le GBF utilisé en position offset. Pour son bon fonctionnement, je tire vers moi le bouton offset de l appareil. Celui-ci est désormais capable de délivrer un courant continu. Les 3 touches de fonction du GBF sont sorties. 2 - Je positionne un adapteur BNC sur la sortie 50/600 Ω et je branche à ses bornes un voltmètre positionné sur DC calibre 20 V. 3 - Je mets en marche le GBF et je fais tourner doucement le bouton offset de gauche à droite, puis de droite à gauche en observant le multimètre. 4 - Je constate que le GBF délivre des tensions comprises entre -11,72 V et 10,65 V (à 10-2 V près). -11,72 V < U < 10,65 V. 42

6 5 - Je positionne le bouton de manière à ce que le GBF délivre LA TENSION POSITIVE LA PLUS GRANDE. 6 - Je débranche le voltmètre et je place le commutateur en position OFF, puis j éteins le GBF. 7 - Je réalise le montage de la Fig., en utilisant le rhéostat 470 Ω (bornes rouge et jaune). L interrupteur K est ouvert. J utilise la résistance R3 de la boîte de résistances comme résistance de protection. 8 - Je règle le rhéostat à sa résistance maximale (bouton tourné à fond vers la droite). 9 - L ampèremètre est positionné sur DC calibre 200 ma, le voltmètre sur DC calibre 20 V. Je respecte par ailleurs les polarités. Je mets en marche le GBF J actionne doucement le bouton du rhéostat pour obtenir les intensités du tableau ci-dessous (pour obtenir I = 0, je peux laisser ouvert l interrupteur K ; pour obtenir les autres intensités, je le ferme) Je complète le tableau en reportant à 10-2 V près les valeurs de U. I (ma) Tableau n 1 I (A) 0 0,03 0,06 0,08 0,10 U (V) 10,81 9,22 7,65 6,57 5, J ouvre l interrupteur. Je mets le GBF sur la postion arrêt ( OFF ) et les commutateurs des multimètres sur la position OFF Pour I = 0 A, U = 10,81 V. Cette tension représente la tension à vide du générateur. C est la tension la plus grande. Elle est appelée FORCE ÉLECTROMOTRICE DU GÉNÉRATEUR. On la note : E ; ici E = 10,81 V J observe le tableau : je constate que lorsque le générateur débite un courant, la tension à ses bornes diminue. LA CHUTE DE TENSION est d autant plus grande que l intensité est grande 15 - Je vais essayer de découvrir une relation entre les grandeurs U et I ; pour celà, je complète le tableau ci-dessous (je reporterai le rapport E-U à l unité près). Rappel : E = 10,81 V. I I (A) Tableau n 2 0 0,03 0,06 0,08 0,10 U (V) 10,81 9,22 7,65 6,57 5,72 E-U 0 1,59 3,16 4,24 5,09 E-U I 16 - Aux erreurs d expérience près, je constate que le rapport E-U est constant I 17 - Je calcule la valeur moyenne de ce rapport à l unité près. 53 k = = 53 4 } je reporte les valeurs du tableau n 1 43

7 18 - Cette constante k est appelée RÉSISTANCE INTERNE DU GÉNÉRATEUR. On la note : r ; ici, r = 53 Ω 19 - On peut donc écrire : E-U = r. De cette formule, je déduis l expression de U : I E - U = ri E = ri U ou E - ri = U U = E - ri A RETENIR : La tension U aux bornes d un générateur débitant un courant d intensité I, de force électromotrice E et de résistance interne r, est donnée par la formule : U = E r I (V) (V) (Ω)(A) 20 - Dans cette formule 2 grandeurs sont constantes. Lesquelles? E ; r Ces grandeurs caractérisent le générateur ; G (E, r). Ici : G ( 10,81 V, 53 Ω) 21 - Je reporte sur le papier millimétré les points d abcisse I et d ordonnée U. Ces points sont alignés CARACTÉRISTIQUE DU GÉNÉRATEUR U(V) ,03 0,06 0,08 0,10 0,12 0,15 0,18 0,21 I(A) 44

8 22 - Je reconnais la fonction affine y = ax b Ici : U = -ri E En remplaçant r et E par leurs valeurs respectives, on obtient : U = -53 I 10,81 Donc a = -53 et b = 10, Quand U = 0V, le courant I est appelé courant de court-circuit. On le note Icc Je calcule la valeur de Icc à 10-2 A près : 53 Icc = 10,81 Icc = 10,81 Icc = 0,20 A Je vérifie sur le graphe la valeur trouvée Je débranche chaque appareil et je range le matériel avec soins. 45

9 RÉALISATION, MESURE d un DÉCALAGE et CALCUL d un DÉPHASAGE ÉTUDE EXPÉRIMENTALE J UTILISE LE COFFRET ÉLECTRICITÉ J AI BESOIN DE : 1 - Multimètre (1) 4 - Interrupteur 5 - Fils de connexion (9) 11 - Boîtier de résistors 12 - Adapteurs BNC (2) 13 - Transformateur Alimentation 6 V alternatif non fournie dans le coffret ; référence de l alimentation MT Oscilloscope non livré dans le coffret ; référence de l oscilloscope : MT JE DOIS RÉALISER Voie 1 Fig. 1. K 4 13 U2 U3 11 1K U1 Voie Je relie au réseau l alimentation 6 V alternatif et l oscilloscope. 2 - Je mets en marche l oscilloscope et je fixe les adaptateurs BNC sur les voies 1 et Je réalise le montage de la Fig. 1 ; l interrupteur est ouvert. La bobine est une bobine du transformateur et comporte 1800 spires. 4 - Je place le sélecteur de la base de temps sur le calibre 5 ms. 5 - Je place les deux sélecteurs de sensibilité de l oscilloscope sur le calibre 5 V. 6 - Je mets en marche l alimentation (6V alternatif). 7 - J enfonce les touches CH1/2, DUAL et ADD (touches (28), (30) et (31) sur le schéma de l oscilloscope p 28). 8 - A l aide des boutons (22) et (38), je règle les positions verticales pour que les traces des faisceaux coïncident avec l axe horizontal situé au centre de l écran. 46

10 9 - Je ferme l interrupteur. Je fais la constatation suivante : 2 sinusoïdes décalées 10 - Je relâche les touches DUAL et ADD pour ne visualiser que la tension U1 (voir Fig. 2) Fig A l aide du bouton X pos. (6), je place la sinusoïde représentant U 1 dans la position indiquée sur la figure J enfonce les touches DUAL et ADD Je fais la constatation suivante : U 3 en avance sur U Sur l axe horizontal des temps, je mesure le décalage entre les deux sinusoïdes : Ici, 1 carreau = ^ 5 ms. J en deduis la valeur de : = 3 ms La période T vaut 20 ms. A celle période correspond un angle de 360. J en deduis la valeur de l angle de déphasage entre les deux courbes : = 360 x 3 = = 54 POUR ALLER PLUS LOIN A l aide du multimètre, je mesure les tensions U 1, U 2 et U 3 à 10-1 V près. U 1 = 3,3 V U 2 = 5,4 V U 3 = 6,7 V RAPPEL : U 3 = U 1 U Sur le papier millimétré, je représente horizontalement la tension U 1 (tension aux bornes du résistor ; 1 cm ^= 1 V) puis, en respectant la même échelle, à l aide du compas, je construis les vecteurs U 2 et U 3 (U 1 en RETARD sur U 3 ) Je mesure, à l aide du rapporteur, l angle = (U 1, U 3 ) de déphasage. = 55 47

11 TYPE DE SCHÉMA A RÉALISER (ici l'échelle n'est pas respectée) U 3 ' U 2 U 3 U 1 U 2 U je compare et : Aux erreurs d expérience et de lecture près, je constate que : 20 - J ouvre le circuit à l aide de l interrupteur Je place le commutateur du multimètre sur la position OFF Je coupe l alimentation du générateur et celle de l oscilloscope Je débranche chaque appareil Je range le matériel avec soin. = 48

12 LE TRANSISTOR : VARIATIONS du COURANT de SORTIE (I C ) en FONCTION du COURANT d ENTRÉE (I B ) ÉTUDE EXPÉRIMENTALE J UTILISE LE COFFRET ÉLECTRICITÉ J AI BESOIN DE : 1 - Multimètres (2) 5 - Fils de connexion (9) 6 - Potentiomètres sur boîtier 11 - Boîtier de résistors 14 - Boîtier de composants électroniques Alimentation 6 V continu non fournie dans le coffret ; référence de l alimentation MT JE DOIS RÉALISER JE DOIS RÉALISER - - A IB 20 K Circuit BE B IC C E 11 1 K Circuit CE IB IC - A K R C J N 11 IB IC 6 - A1 1 1 B IB IC 11 1K A2 C E Fig. 1. Fig. 2. REMARQUE Je vais réaliser le montage de la Fig. 2, équivalent à celui de la Fig. 1 mais qui a pour intérêt de n utiliser qu un seul générateur. 1 - Je relie l alimentation 6V continu à la source. 2 - Je réalise le montage de la Fig. 2 en respectant les polarités. J utilise le potentiomètre 10 kω. 3 - Je place le commutateur du multimètre A 1 sur la fonction DC 200 µa et celui du multimètre A 2 sur la fonction DC calibre 20 ma. 49

13 4 - Je place le bouton du potentiomètre sur la position 10 KΩ (bouton tourné vers la gauche). 5 - Je mets en marche l alimentation. 6 - Je fais tourner doucement le bouton du potentiomètre en observant l ampèremètre A 1 et j affiche la valeur 10 µa. Je relève la valeur de l intensité Ic indiquée par l ampèremètre A 2 à 10-2 ma près et je la reporte dans le tableau. je fais de même pour les autres valeurs de I B indiquées dans le tableau. I B est l intensité du courant de base. Ce courant est appelé courant d entrée I C est l intensité du courant dans le collecteur. Ce courant est appelé courant de sortie I B (µa) I C (ma) 0 1,48 2,93 4,41 5,71 5,79 5,81 5,83 5,85 I C (µa) I C (µa) I B (µa) 7 - Je coupe l alimentation. 8 - Je place les commutateurs des multimètres en position OFF. 9 - Je complète le tableau ci-dessus en reportant les rapports I C à l unité près. I B 10 - Je donne une interprétation du tableau : I C augmente en même temps que I B jusqu à I B = 40 ma puis I C reste à peu près constant 50

14 6 IC(mA) IB( A) 11 - Je constate, pour les 3 premières mesures, qu aux erreurs d expérience près, le rapport I C est IB constant Ce nombre constant est appelé coefficient d amplification. Il est noté. Je calcule la moyenne arithmétique des 3 premiers rapports (à l unité près) = 147 Le coefficient d amplification du transistor utilisé est = Je construis la courbe représentant les variations du courant de sortie I C en fonction du courant d entrée I B sur le papier millimétré. J interprète cette courbe, en particulier, je distingue deux zones, l une dite d AMPLIFICATION pour 0 < I B < 30 µa, l autre de SATURATION pour I B > 30 µa 13 - Je débranche chaque appareil et je range le matériel avec soin. 51

15 UNE APPLICATION du TRANSISTOR : MISE en SERVICE AUTOMATIQUE d ÉCLAIRAGE ÉTUDE EXPÉRIMENTALE J UTILISE LE COFFRET ÉLECTRICITÉ J AI BESOIN DE : 1 - Multimètre (1) 5 - Fils de connexion (8) 11 - Boîtier de résistors 14 - Boîtier de composants électroniques Alimentation 12 V continu non fournie dans le coffret ; référence de l alimentation MT JE DOIS RÉALISER Fig., IC 20 K 11 1K - I B B C J B 14 E IC IB 1 - Je branche le multimètre en ohm-mètre et je mesure la résistance de la photorésistance lorsqu elle est éclairée (par la lumière du jour) R 1 = 1,75 KΩ. 2 - Je mesure la résistance de la photorésistance lorsqu elle est privée de lumière (je la cache avec les doigts). R 2 = 32 KΩ. La résistance est d autant plus grande que la lumière est plus faible 3 - Je place le commutateur du multimètre sur la position OFF et le débranche. 4 - Je relie l alimentation au réseau. 5 - Je place les sélecteurs de l alimentation en position courant continu 12 V. 6 - Je réalise le montage de la Fig. 7 - Je mets en marche l alimentation. 8 - Je constate que la diode n éclaire pas. 52

16 9 - Je prive la photorésistance de lumière comme je l ai fait précédemment. Je constate que la diode éclaire J AI RÉALISÉ UNE COMMANDE AUTOMATIQUE D ÉCLAIRAGE : j explique pourquoi j obtiens le phénomène : Lorsque la photorésistance est éclairée par la lumière du jour sa résistance est très faible. La tension base-émeteur U BE est donc très faible. Lorsque la photorésistance est privée de lumière, sa résistance devient très grande, la tension U BE augmente, le transistor devient conducteur et la diode éclaire Je coupe l alimentation Je débranche chaque appareil et je range le matériel avec soin. 53

17 IMPÉDANCE d un HAUT PARLEUR ÉTUDE EXPÉRIMENTALE J UTILISE LE COFFRET ÉLECTRICITÉ J AI BESOIN DE : 1 - Multimètres (2) 4 - Interrupteur 5 - Fils de connexion (7) 7 - Boîte de résistances à mesurer 12 - Adaptateur BNC 17 - Haut parleur GBF non livré dans le coffret ; référence du GBF : MT JE DOIS RÉALISER Fig. RP 39 1 A GBF K 4 7 V Je relie le GBF au réseau. 2 - Je relève l impédance nominale du haut parleur inscrite sur celui-ci. Z = 8 Ω 3 - Je place l adapteur BNC sur la sortie 50/600 Ω du GBF. 4 - Je réalise le montage de la Fig. 1. L interrupteur est ouvert. J utilise la résistance R 3 = 39 Ω de la boîte de résistances à mesurer comme résistance de protection ; je fais en sorte que le GBF délivre un courant alternatif sinosoïdal. Le bouton poussoir 50/600 Ω du GBF est sorti. 5 - Je place le commutateur de l ampèremètre sur la fonction AC calibre 200 ma et celui du voltmètre sur la fonction AC calibre 2 V. 6 - Je mets en manche le GBF et je ferme l interrupteur. 7 - J affiche la fréquence f = 100 Hz et je règle la tension sur 300 mv à l aide du bouton d amplitude du GBF. 8 - Je relève les valeurs indiquées par les multimètres et les reporte dans le tableau (U à 1 mv près et I à 10-1 ma près). 54

18 Je fais de même pour les autres valeurs de f indiquées dans le tableau. f (Hz) U (mv) U (V) 0,300 0,303 0,306 0,311 0,329 0,376 0,455 0,550 0,661 0,675 0,647 0,567 0,470 0,406 0,341 0,322 0,317 I (ma) 41,3 41,3 41,3 41,3 41,2 40,9 40,2 39,1 37,6 37,2 37,7 38,7 39,8 40, ,1 41,1 I (A) 0,413 0,413 0,413 0,413 0,412 0,409 0,402 0,391 0,376 0,372 0,377 0,387 0,398 0,404 0,410 0,411 0,411 Z = U 7,3 7,3 7,4 7,5 8 9,2 11, ,6 18,1 17,2 14,7 11,8 10 8,3 7,8 7,7 I 9 - J ouvre l interrupteur Je place les commutateurs des multimètres en position OFF Je coupe l alimentation du GBF RAPPEL : L impédance d un haut parleur est donnée par la formule : Z = U (V). (Ω) I (A) Je calcule les rapports U à 10-1 près et les reporte dans le tableau. I 13 - J interprète le tableau : l impédance Z augmente quand 400 Hz < f < 620 Hz, puis elle passe par un maximum : Z = 18,1 Ω pour fo = 620 Hz (fréquence de résonance). Enfin, elle diminue quand f > 620 Hz A partir des résultats du tableau, je reporte les points d abscisse f (Hz) et d ordonnée Z (Ω) et je les joins dans le repère tracé Je débranche chaque appareil et je range le matériel avec soin. 55

19 56 Z( ) f(hz)

20 NOTES 57

21 Mise en page V. Vagneur - IMACOM Tous droits de reproduction et d adaptation réservés pour tous pays Éditions Pierron