TP EL20. A) Organisation. B) Compte-rendu. C) Matériel

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1 TP EL20 A) Organisation Il est rappelé que la présence au TP est obligatoire. Les TP doivent être préparés (cours appris et énoncé de TP lu). Un contrôle de connaissance sous forme de questions pourra être fait en début de séance. Il vous sera demandé pour chaque TP de rédiger un compte-rendu qui sera rendu en fin de séance. Même si une note de TP vous est attribuée en fin de semestre, il est à noter que les travaux pratiques sont là pour vous familiariser avec l'électronique et vous donner un complément de formation en conséquence n'hésitez pas à poser des questions. L'évaluation des TP s'effectuera sur vos comptes-rendus ainsi que votre attitude au cours des séances de TP. B) Compte-rendu Un compte-rendu n est ni la réponse à un questionnaire, ni une prise de notes sténographiques. Il doit être correctement rédigé, c est-à-dire que l on doit pouvoir le lire sans le texte du TP, sans pour autant vous forcer à recopier l énoncé des questions posées dans le texte du TP. Dans le compte-rendu, il faut vous efforcer de : présenter les objectifs de la manipulation indiquer le matériel que vous avez utilisé (sauf s il est imposé) faire des schémas complets des montages réalisés, mettant en évidence les appareils de mesure, et/ou le branchement de l oscilloscope. ne pas mélanger les mesures et les calculs théoriques. regrouper les mesures dans un tableau. conclure, en comparant mesures et calculs théoriques, et en justifiant de manière pertinente les éventuels écarts. C) Matériel A l issue de la manipulation : éteindre les appareils ranger votre poste de travail remettre en place le matériel déplacé 1/14 EL20

2 TP 1 : Etude de circuits du premier ordre Plan du TP Partie A : Préparation à faire avant le TP N.B. : les résultats aux questions posées dans la préparation sont exigés au début du TP Partie B : Manipulations 1) Utilisation de l oscilloscope en mode XY (durée conseillée : 1h) 2) Circuit R, L en régime transitoire (durée conseillée : 1h) 3) Circuit R, C en régime sinusoïdal (durée conseillée : 2h) A) Préparation Question 1 : méthode de Lissajous On visualise à l'oscilloscope l'ellipse de Lissajous suivante (ci-contre). Cette ellipse, inscrite dans un rectangle de côtés A'A = 100 ± 2 mm et B'B = 64 ± 2 mm, est la trajectoire du point M de coordonnées (x(t), y(t) ) données ci-dessous, dans le plan xoy. On donne P'P = 74 ± 2 mm. On donne : x(t) = a cos (ωt) y(t) = b cos (ωt - ϕ), avec 0 < ϕ < π Où se trouve le point M (x(t), y(t) ) pour t = 0? 2. Calculer les composantes de la vitesse du point M, soient ẋ (t) et ẏ (t), et déterminer le vecteur vitesse pour t = 0. En déduire le sens de parcours de l ellipse par le point M. 3. En écrivant que y = 0 en P (par exemple), et en respectant les conditions sur ϕ, montrer que sin ϕ vérifie : sin = P' P A ' A = QQ ' B'B. N.B. : cette méthode n est intéressante que pour des angles ϕ < π 3. Question 2 : circuit du premier ordre en régime transitoire Redonner les résultats essentiels concernant le circuit RL série correspondant au dessin ci-dessous ( U L (t), i L (t), constante de temps, etc.). On supposera qu à t = 0, on ferme l interrupteur K. 2/14 EL20

3 Question 3 : On définit le temps de montée t r (temps mis par la tension de sortie pour passer de 10% de la valeur maximale à 90% de cette valeur maximale). Montrer que t r 2,2 τ Question 4 : même question en remplaçant L par C, condensateur initialement déchargé. Les grandeurs importantes devenant i(t) et U C (t). On supposera qu à t = 0, on ferme l interrupteur K. B) Manipulations 1. Utilisation de l oscilloscope en mode XY Essai en sinusoïdal. Réglage de la position du repère XY En fonctionnement XY, la base de temps n'intervient plus et on visualise un signal en fonction de l'autre. La fonction XY est accessible par la touche DUAL. Quel signal est envoyé en X (voie 1 ou voie 2)? Expliquer la démarche que vous avez adoptée pour arriver à cette conclusion? Sélectionner le GBF en sinusoïdal et régler l'amplitude à 10V crête à crête, la fréquence à 1kHz.. Injecter ce signal sur les voies 1 et 2 de l'oscilloscope sélectionné en fonctionnement XY. Essai 1 : court-circuiter la voie 2 (GD). Quelle est la figure obtenue? De quel axe (X ou Y) cet essai permet-il de régler la position? Essai 2 : mêmes questions que précédemment en court-circuitant la voie 1. Les deux essais précédents permettent de régler la position du repère XY. Essai 3 : Les deux voies étant en position DC, relever et justifier l'oscillogramme obtenu (ne pas oublier de relever les calibres en X et Y). 3/14 EL20

4 1.2. Courbes de Lissajous. Les courbes de Lissajous sont les différentes courbes résultant de la composition de deux vibrations sinusoïdales d'équations : x t =A sinω x t y t =Bsin ω y tψ Si les pulsations ω x et ω y sont quelconques, on voit apparaître sur l'écran de l'oscilloscope (en mode XY) un rectangle de côtés 2 A et 2 B, enveloppe de courbes complexes. Si par contre le rapport des deux pulsations est un nombre entier, on peut déduire le rapport des deux fréquences par simple observation de la courbe. En effet, soient : n x le nombre de points de la courbe ayant une tangente horizontale n y le nombre de points de la courbe ayant une tangente verticale on démontre que : f x n x =f y n y Ainsi, connaissant l'une des deux fréquences, on pourra aisément en déduire l'autre. La figure suivante montre deux exemples de courbes de Lissajous, et les valeurs de n x et n y que l'on en déduit : n x =6; n y =2 n x =n y =2 Au moyen de deux GBF et de l'oscilloscope en mode XY, visualiser deux figures de Lissajous. Les relever en représentant leurs tangentes horizontales et verticales. Pour chacune d'elle, préciser les valeurs des fréquences affichées sur les deux GBF, et vérifier la relation précédente. 4/14 EL20

5 2. Circuit RL en régime transitoire 2.1. Montage Réaliser le montage décrit ci-dessous : Le générateur basses fréquences (GBF) délivre un signal carré symétrique, -6V / +6V, de rapport cyclique ½. r désigne la résistance (imperfection) dans le schéma équivalent de l inductance. Questions annexes : Calculer la valeur théorique de la constante de temps τ= L R totale en ms, après une mesure rapide de r à l ohmmètre. On appelle pulsation de coupure la quantité ω c = 1 τ en rad /s et f c la fréquence de coupure associée à c. On rappelle que c et f c sont reliées par c =2 f c Calculer ω c et f c Caractéristiques temporelles Pour les fréquences suivantes du signal d entrée 100 Hz, 500 Hz,1 khz, 5 khz : Relever V E (t) et V R (t) ; Relever V E (t) et V L (t) ; (Attention! Il faut permuter la bobine et R!) 2.3. Mesure de la constante de temps τ. Pour cela, on mesure le temps de montée t r (temps mis par la tension de sortie pour passer de 10% de la valeur maximale à 90% de cette valeur maximale). Mesurer t r. Vérifier que t r 0,35 f c. Comparer aux valeurs prévues précédemment 5/14 EL20

6 3. Circuit RC en régime sinusoïdal 3.1. Montage En choisissant jusdicieusement quelques fréquences armi les fréquences suivantes : 60 Hz, 600 Hz, 6 khz, 16 khz, 60 khz, 100 khz et 200 khz 1. Relever les chronogrammes de V E (t) et de V s (t). 2. Mesurer l amplitude crête à crête de V E (t) et de V s (t). 3. Mesurer le déphasage ϕ entre V E (t) et V s (t) en utilisant au choix (à justifier) la méthode «deux voies» et/ou celle de Lissajous. 4. Tracer sur papier semi-logarithmique les courbes : 20 log 10 V S V E =f ω Soit le rapport des amplitudes crête à crête en fonction de la pulsation (ou de la fréquence) ; Le déphasage en fonction de la fréquence de V S (t) par rapport à V E (t) Mêmes questions en permutant R et C 3.3. Conclure en comparant le fonctionnement des deux montages. Si vous avez terminé avant la fin des 4 heures montrer que dans certaines conditions à justifier, que l un des deux montages se comporte en dérivateur, et l autre en intégrateur. 6/14 EL20

7 TP n 2 : Caractéristique et applications des diodes. 1. CARACTÉRISTIQUE D'UNE DIODE. 1.1 RAPPELS. Une diode est un composant électronique représenté par le symbole suivant : Sa caractéristique est la suivante : I D =I S[ e VD V T 1 ] Pour simplifier les raisonnements et les calculs, on a l'habitude d'utiliser des caractéristiques simplifiées. L'une des plus proches de la réalité est la suivante : Si I D 0, la diode est bloquée. Si I D 0, la diode est passante, et on a V D =V 0 r d I D V 0 est appelée tension de seuil de la diode, r d est appelée résistance dynamique de la diode (sa valeur va de quelques ohms à quelques dizaines d'ohms). 1.2 RELEVÉ DE LA CARACTÉRISTIQUE. Avec le montage suivant, relever la caractéristique de la diode : I D en fonction de V D. Sur la courbe obtenue, mesurer V 0 et r d. Comparer les valeurs obtenues aux données du constructeur puis en déduire un schéma équivalent de la diode. Pour la suite, on utilisera la caractéristique simplifiée de la diode, ne considérant que sa tension de seuil. 7/14 EL20

8 2. REDRESSEMENT SIMPLE ALTERNANCE. 2.1 REDRESSEMENT SUR CHARGE RÉSISTIVE. On réalise le montage suivant, dans lequel le signal d'entrée est tel que : V e t =V em sin ωt, avec V em pouvant varier de 1V à 10V. R=10 k f =1 khz Relever les oscillogrammes obtenus pour V e et U c. Justifier les formes d'ondes obtenues. Déterminer U c max, U cmoy et U ceff. Vérifier la relation théorique qui lie U c max à U cmoy et U c max à U ceff. Observer l'allure des signaux obtenus pour un signal d'entrée triangulaire, puis carré. En reprenant un signal d'entrée sinusoïdal, remplacer la résistance de 10 kω par une résistance de 100Ω. Que constatez vous? Justifiez le phénomène observé. Placer l'oscilloscope en mode XY, et relever, sur une même feuille, la caractéristique du redresseur dans les deux cas précédents. On veillera à placer judicieusement l'origine du repère. A l'aide de ces caractéristiques, déterminer la tension de seuil des redresseurs ainsi réalisés. 2.2 REDRESSEMENT SUR CHARGE CAPACITIVE (DÉTECTEUR DE CRÊTE). Montrer théoriquement, puis vérifier expérimentalement, que le montage suivant est un détecteur de crête positive, pour V e t =V em sin ωt. C=10 nf f =100 Hz Relever les oscillogrammes obtenus pour V e et U c. Justifier les formes d'ondes obtenues. Quelle est la valeur de l'ondulation crête à crête (notée 2 Δ Uc ) Remplacer le condensateur de 10nF par un condensateur de 1µF. Que constatez vous? Que se passe-t-il si on inverse le sens de la diode? 8/14 EL20

9 3. CONFORMATEUR À DIODES. 3.1 ETUDE THÉORIQUE. Prévoir et représenter l'allure de la caractéristique V S =f V e pour le montage suivant : R=R 1 =R 2 =10 k 3.2 RÉALISATION. Réaliser le montage du paragraphe précédent. Appliquer en V e une tension triangulaire. Régler l'amplitude et la fréquence de V e de façon à faire apparaître les points anguleux de la courbe V S =f t. Tracer l'oscillogramme de V S, puis mesurer les valeurs de V S aux points anguleux. Comparer aux valeurs théoriques. Visualiser et représenter la caractéristique V S =f V e. Mesurer les coordonnées des points anguleux, et les comparer aux valeurs précédentes. 9/14 EL20

10 TP N 3 : AMPLIFICATEUR LINÉAIRE INTÉGRÉ. Les amplificateurs linéaires intégrés rassemblent sur une surface de quelques millimètres carrés de silicium une dizaine de transistors, de résistances et de condensateurs (voir par exemple le schéma interne du µa741 en annexe). Leurs performances dépendent principalement des transistors d'entrée qui sont bipolaires pour le µa741, et à effet de champ pour le TL081. Comme ces performances sont nettement plus médiocres pour le type bipolaire que pour le type à effet de champ, les défauts sont plus faciles à mettre en évidence sur un µa741 que sur un TL081. C'est pourquoi nous utiliserons un µa741 pour étudier un montage de base qui mettra en évidence certains défauts des amplificateurs linéaires intégrés, et un TL081 pour des montages plus performants. L'amplificateur linéaire intégré réel est un composant dont les caractéristiques sont proches de celles de l'amplificateur linéaire intégré idéal. Cependant, elles ne sont pas connues de façon précise car le fabricant du composant ne garantit que des caractéristiques minimales ou typiques pour un modèle donné. 1. AMPLIFICATEUR NON-INVERSEUR. 1.1 ETUDE THÉORIQUE. En supposant l'amplificateur linéaire intégré (ALI) idéal, déterminer la fonction de transfert H= v s montage suivant en régime linéaire. v e du Ve R1 R2 Vs 1.2 FONCTIONNEMENT GLOBAL DU MONTAGE. A l'aide des documentations données en annexe, réaliser le montage précédent en alimentant l'ali en ±15V, et en choisissant un µa741, R 1 =1 k et R 2 =10 k. La tension d'entrée v e sera un signal sinusoïdal issu d'un GBF. A f =500 Hz et pour une tension d'entrée d'amplitude max de 0,5 V, relever les oscillogrammes de v s et v e, puis de v s =f v e. Même chose pour une tension d'entrée d'amplitude max de 2 V. Interpréter et commenter ces courbes. A f =10 khz et pour une tension d'entrée d'amplitude max de 0,5 V, relever les oscillogrammes de v s et v e, puis de v s =f v e. Même chose pour une fréquence de 100 khz. Interpréter et commenter ces courbes. A quelle caractéristique de l'ali réel le phénomène observé à f =100 khz est-il dû? 1.3 CARACTÉRISTIQUE STATIQUE DU MONTAGE. 10/14 EL20

11 En remplaçant le GBF par une alimentation continue, tracer, point par point, la caractéristique v s =f v e. A quoi correspond la relation de proportionnalité entre v s et v e? Quelle est la valeur de v s pour v e =0 V? Cette valeur était-elle prévisible? 1.4 ETUDE FRÉQUENTIELLE DU MONTAGE. On propose à présent d'étudier le comportement fréquentiel du montage pour différente valeur de R 2. Pour cela, on relèvera, sur une même feuille de papier semi-logarithmique, les courbes 20log( A v f ) pour R 2 =10 k, 47 k et 68 k, et f variant de 1 khz à 1 MHz. Pour chaque courbe, on se contentera de 6 points judicieusement placés. rappel : A v = V s V e est l'amplification en tension du montage. Réunir dans un tableau, pour chaque valeur de R 2, l'amplification en basse fréquence et la fréquence de coupure de l'amplificateur non-inverseur. Quelle propriété de l'ali ces données permettent-elles de vérifier? 1.5 STABILITÉ DU MONTAGE. En régime linéaire, les entrées inverseuse et non-inverseuse d'un amplificateur idéal semblent équivalentes. Sur votre montage, inverser les connexions des entrées + et de l'ali (à ne pas confondre avec les alimentations + et 15 Volts) afin d'obtenir le circuit suivant ( R 1 =1 k et R 2 =10 k ) : Ve R1 R2 Vs A f =500 Hz et pour une tension d'entrée d'amplitude max de 5 V, relever les oscillogrammes de v s et v e. Même chose pour une tension d'entrée d'amplitude max de 0,5 V. Interpréter et commenter ces courbes. En déduire une condition nécessaire de stabilité pour les montages à ALI. 2. APPLICATIONS DE L'AMPLIFICATEUR LINÉAIRE INTÉGRÉ. 2.1 SOMMATEUR. Réaliser le montage ci-dessous, avec R 1 =R 2 =R 3 =10 k, et R=22 k R1 R2 R Ve1 Ve2 Ve3 R3 TL081 Vs 11/14 EL20

12 Appliquer en V e1 et en V e2 une tension sinusoïdale d'amplitude crête à crête de 1 V et de fréquence 1 khz. Appliquer en V e3 une tension carrée de même fréquence et d'amplitude 5 V disponible sur la sortie TTL du GBF. Représenter, en concordance de temps, les oscillogrammes de V e1, V e3 et V s. Interpréter et commenter ces courbes. 2.2 CONVERTISSEUR TENSION / COURANT Etude théorique. Dans le montage ci-dessous, on suppose que l'ali fonctionne en régime linéaire. R1 R2 Ve R1 Ic TL081 R2 Vs Rc Déterminer l'expression de i c en fonction de v e et R 1. Le montage remplit-il correctement son rôle de convertisseur tension / courant? Déterminer l'expression de la tension de sortie de l'ali, v s, en fonction de v e, R 1, R 2 et R c. Dans le cas où v e =cte=5 V, et R 1 =R 2 =1 k, représenter graphiquement v s en fonction de R c. En déduire la valeur maximale que l'on peut donner à R c, sachant que la tension de sortie de l'ali est limitée par sa saturation Manipulation. Réaliser le montage précédent. Pour R c =0, relever la caractéristique i c =f v e, pour 10 V v e 10 V. Interpréter la courbe obtenue. Pour v e =cte=5 V, relever la caractéristique i c =f R c. Interpréter la courbe obtenue, et en déduire la plage de fonctionnement du montage en source de courant. 12/14 EL20

13 TP N 4 : OSCILLATEUR COMMANDÉ EN TENSION. Le schéma de principe de l'oscillateur est donné figure 1. Intégrateur Trigger R 5 R 3 C U 0 G R 6 F K R 4 A 1 A V A A2 R 1 R 2 B V S Figure 1 R 1 = 27 K8, R 2 = 47 K8,R 3 = 4,7 K8,R 4 = 4,7 K8,R 5 = 4,7 K8,R 6 = 2,2 K8, C = 47 nf, T 1 = 2N 1711, A 1, A 2 = TL 081, D 1 = 1N ETUDE DU TRIGGER. A Ve A.Op. R 1 R 2 B V B L'amplificateur supposé parfait fonctionne en régime de saturation. On admettra que Vsat 15 V 1/ Expliquer le fonctionnement du montage. Calculer les valeurs de V A (t) provoquant le basculement de V B (t). Représenter la caractéristique de transfert V B = f(v A ). 2/ Etude du trigger seul : Appliquer à l'entrée du trigger une tension triangulaire alternative d'amplitude 10 V et de fréquence 800 Hz. Relever, en regard, les oscillogrammes de V A (t) et V B (t). En déduire les valeurs de V A (t) provoquant le basculement de V B (t), comparer avec les valeurs calculées. 3/ Etude du trigger à l'intérieur du montage de la figure 2. Appliquer à l'entrée du montage une tension U 0 continue égale à 4 V. Observer et relever, en regard, les oscillogrammes V A (t) et V B (t). temps haut Mesurer le rapport cyclique de V B (t) défini par : R période Même question pour U 0 = 15 V. 13/14 EL20

14 2. ETUDE DE L'INTERRUPTEUR K. L'interrupteur K de la figure 1 est constitué par un transistor T 1 associé à une diode D 1 (voir figure 2). R 5 R 3 C U0 V G G R 6 V F F T1 R 4 D 1 D VD A1 A V A A 2 R 1 R 2 B VS M Figure 2 1/ Régler U 0 à 4 V. Observer simultanément V F (t) (tension entre collecteur et émetteur de T 1 ) et V B (t). Relever ces oscillogrammes. En déduire l'état de T 1 lorsque V B = +V sat et lorsque V B = -V sat. Observer simultanément et relever les oscillogrammes de V D (t) et V B (t). En déduire l'état de la diode D 1 lorsque V B = +V sat et lorsque V B = -V sat. 2/ Régler U 0 à 15 V et relever les mêmes courbes qu'au 1/. 3. ETUDE DEL'INTÉGRATEUR. C F Ve R 4 G U' 0 A.Op. A V S L'amplificateur est supposé parfait. U' 0 est une tension constante. 1/ Etablir l'équation différentielle liant V e, V s et U' 0. La tension V e est une tension constante V 0, quelle est la pente de la courbe V s (t) sachant que V s (t) est de la forme V s (t) = a.t + b 2/ Etude expérimentale de l'intégrateur à l'intérieur du montage de la figure 2 (V e correspondant à V F, V s à V A et U' 0 à V G ). Régler U 0 à 4 V. Mesurer U' 0. Relever sur papier millimétré V F (t) et V A (t) (c'est à dire V e et V s ). En vous aidant de la question 1/ et du relevé de Vs(t), déterminez les deux valeurs de V F (t) en fonction de U' 0 mesuré précédemment et de la pente de la courbe de Vs. 4. ETUDE DE L'OSCILLATEUR COMMANDÉ EN TENSION (FIGURE 2). Faire varier U 0 de 4 V à 15 V. Pour chaque valeur de U 0, mesurer la fréquence des oscillations obtenues en V B. Tracer sur papier millimétré la courbe donnant la fréquence f en fonction de la tension U 0. Conclure. 14/14 EL20