Travaux Dirigés - 1A - S5 / Systèmes

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1 Electronique pour le Traitement de l Information - 1A - S5 / Systèmes J. VILLEMEJANE Année universitaire TD Sys1 - Diodes / LEDs 1 TD Sys2 - Photodétection 4 TD Sys3 - Filtrage actif 7 TD Sys4 - Capteurs 9 TD Sys5 - Projets EITI /

2 1A - S5 - ETI TD Sys1 Diodes / LEDs FICHES A LIRE Diode / LED / Photodiode Préparation 1. Tracer la caractéristique du courant traversant une diode en fonction de la différence de potentiel à ses bornes. 2. Chercher dans les documentations techniques (données en annexe) les points importants de cette caractéristique ainsi que les valeurs critiques pour : (a) une diode de signal 1N4148 (b) une diode de redressement 1N4002 (c) une diode Zener 5.1 V - BZX55C5V1 (d) une LED rouge / bleue - WURTH ELECTRONICS Avez-vous compris? 1. On considère des diodes parfaites et idéales (figure 2a). (a) Que doivent valoir R 1 et R 2 pour obtenir la caractéristique tracée dans le graphe I(V) pour l ensemble dessiné en dessous? (b) Que devient cette caractéristique avec des diodes de seuil de 0,7 V, idéale par ailleurs? (c) Idem avec des diodes de résistance interne de 50 Ω. 2. On considère à présent le schéma et la caractéristique de la figure 2b. Les diodes ont pour seuil 0,6 V. Que doivent valoir R 1, R 2 et R 3 et le nombre de diodes N (N = 2 a été dessiné, mais à vous de trouver N) pour qu on obtienne la caractéristique tracée dans le graphe I(V)? 1

3 Montage 1 - Pont à diodes Expliquer le fonctionnement des deux montages suivants. Vous pourrez, par exemple, tracer l allure du signal de sortie V S pour une tension d entrée sinusoïdale V e = A sin(ω t). Montage 2 - Diode Zener Expliquer le fonctionnement du montage suivant. Montage 3 - Diodes en direct et en inverse Expliquer le fonctionnement du montage suivant. Vous pourrez expliquer ce qu il se passe lorsqu on applique en entrée le signal donné ci-dessous. 2

4 Exercice - Stabilisateur de tension Une diode usuelle est caractérisée par avec une tension de seuil V d = 0, 6 V et une résistance r = 15Ω. Elle est utilisée dans le montage de la figure ci-contre. 1. La valeur moyenne de la tension d entrée est de E = 4, 5 V. On vise un courant I de 30 ma. Quelle doit être la valeur de la résistance R? Que vaut alors V? 2. Quelle variation maximale de la tension d entrée E peut-on autoriser pour que V ne varie pas de plus de 1%? Que vaut alors E/E? Justifier le nom de "stabilisateur de tension" de ce type de montage. Illustrer le fonctionnement du circuit à l aide de la droite de charge de la diode. 3. Quelle est la puissance dissipée dans chaque élément? Et au total? Les diodes ont été montées sur des circuits dont la technologie ne permet qu une mauvaise évacuation thermique : il faut limiter la dissipation thermique à seulement 20 mw dans une diode (pas de problème côté résistance, en revanche). 4. Quel montage proposez-vous pour absorber néanmoins les 30 ma prévus? Fournit-il la même tension que précédemment? 5. Quel courant I peut-on dériver de la source "stabilisée" en tolérant, pour V, une variation de - 15 mv? (dans le montage initial et dans celui qui vous avez proposé à la question 4) 3

5 1A - S5 - ETI TD Sys2 Photodétection FICHES A LIRE Diode / LED / Photodiode Capteurs Amplificateur Linéaire Intégré / Principe et montages de base Montage 1 - Photodiode La photodiode utilisée est de type SFH206 (voir documentation en annexe). Montage 2 - Phototransistor / CNY70 Le composant utilisé est de type CNY70 (voir documentation en annexe). 4

6 Montage 3 - Photorésistance On souhaite réaliser un détecteur qui allume une LED lorsque la luminosité ambiante diminue. On propose pour cela le montage suivant qui utilise une cellule photoconductrice CdS. On donne : V cc = 12 V et R 2 = 100 kω. Le composant qui détecte la luminosité est de type CDS - 8 kω pour 10 Lux (voir caractéristique cidessous). Exercice - Transimpédance / Modèle complet Dans la suite, on choisit R f = 10 MΩ et on place une capacité C f dans la boucle de rétroaction de l AO. On modélise les défauts de la diode par une résistance R D = 100 MΩ et une capacité C D = 100 pf comme indiqué sur le schéma suivant. Afin de modéliser correctement le comportement en fréquence de ce montage, il est nécessaire de prendre en compte le bruit interne de l AO, que l on modélisera par une source de tension équivalente en entre les entrées + et -. Par ailleurs, on pourra transformer le générateur de Norton formé par la diode et R D en générateur de Thévenin (on appellera V e la source de tension). 1. Exprimer V e en fonction des éléments du montage. 2. Exprimer V s en fonction de V e et de e n. En déduire : (a) la fonction de transfert sans bruit du montage : Vs/Ve (en =0) 5

7 (b) la réponse au bruit du montage Vs/en (pour Ve=0). 3. On considère que l AO possède un produit gain x bande passante de 1MHz. Tracer sur un même graphique le diagramme de Bode asymptotique de l AO seul, la fonction de transfert sans bruit et la réponse au bruit du montage dans les deux cas suivant : C f = 0 et C f = 10 pf. 4. Conclure sur l utilité de la capacité C f. 6

8 1A - S5 - ETI TD Sys3 Filtrage actif FICHES A LIRE Amplificateur Linéaire Intégré / Principe et montages de base Régime Harmonique Filtrage / Analyse harmonique / Ordre 1 Filtrage actif / Analyse harmonique / Ordre 2 Montage 1 - Cellule de Rauch Soit la structure suivante. Décrire son fonctionnement et ses principales caractéristiques. 1. Que se passe-t-il si on remplace les impédances Z 2 et Z 5 par des condensateurs de valeur respective C 2 et C 5 et les impédances Z 1, Z 3 et Z 4 par des résistances de valeur R? 2. Que se passe-t-il si on remplace les impédances Z 2 et Z 5 par des résistances de valeur respective R 2 et R 5 et les impédances Z 1, Z 3 et Z 4 par des condensateurs de valeur C? Montage 2 - Filtre universel UAF42 Soit la structure suivante, basée sur un filtre universel UAF42 (void documentation technique en annexe). Décrire son fonctionnement et ses principales caractéristiques. 7

9 Montage 3 - Filtre à capacité commutée / MAX296 Soit la structure de base suivante. Expliquer son fonctionnement (en vous basant sur les charges accumulées). On insère à présent cette structure de base dans le montage suivant. Donner le fonction de transfert de ce bloc. Expliquer alors le fonctionnement du composant MAX296 (voir documentation technique en annexe). 8

10 1A - S5 - ETI TD Sys4 Capteurs FICHES A LIRE Amplificateur Linéaire Intégré / Principe et montages de base Capteurs Notions supplémentaires sur les capteurs Montage 1 - ADXL335 9

11 Montage 2 - TC77 Montage 3 - Capteur PIR - PYD

12 Exercice - Sonde de platine / Montage à ALI Sonde de platine On considère une sonde de platine (souvent notée PT100) pour laquelle la variation de température sur sa plage de fonctionnement (-200 C à +650 C) peut être approximée par la formule (en Ohms avec T exprimée en C) : R(T) = 100 ( T T 2 ) 1. Que signifie, d après vous, la valeur 100 dans le terme PT100? 2. Donner l expression de la sensibilité de la sonde de platine. Calculer la variation relative R/R associée à une variation de température de 0.1 C autour de 0 C. Compléter le tableau suivant : 3. Proposer une méthode simple pour mesurer la température. Quelle est la sensibilité de votre système de mesure pour un courant de 1 A injecté dans la résistance? Un courant de 10 A? Montage à amplificateurs opérationnels Le montage suivant utilise 4 amplificateurs opérationnels (AO) que l on supposera idéaux. Une sonde de platine est insérée dans la boucle de réaction de l AO1. La diode Zener sert à délivrer une tension de référence constante de valeur VZ = 1.2 V. Les valeurs des autres composants sont : V CC = 15 V, R 0 = 10 kω, R 1 = R 3 = 1 kω et R 2 = 100 Ω. 1. Décomposer ce circuit en différents étages et expliquer le rôle de chacun. 2. Exprimer la tension de sortie V s en fonction de R(T). Ce montage peut-il fonctionner avec des AO monotensions (c est-à-dire alimentés entre 0 V et V CC )? 3. On souhaite obtenir en sortie du montage une sensibilité de 10mV/ C autour de T = 0 C. Quelle valeur faut-il choisir pour R 4? 4. Dans ces conditions, exprimer la linéarité de ce montage sur une plage de fonctionnement de -100 C à +100 C (on calculera pour cela l écart maximal à la droite de pente 10 mv/ C). 11

13 1A - S5 - ETI TD Sys5 Projets EITI / Montage 1 Montage 2 12

14 Montage 3 Montage 4 13