TP 7 Charge d un condensateur à courant constant Objectif : - Étude de la charge d un condensateur à courant constant. Emploi d un générateur de courant. - Utilisation d une carte d acquisition de données ORPHY GTS 2 reliée à un ordinateur PC. - Exploitation des données sur le tableur Régressi. I- Principe : - La quantité d électricité chargeant les armatures d un condensateur est du type : q = C.U avec C la capacité du condensateur (en Farad F) et U la tension à ses bornes or à I = constante, q = I.t (avec t, le temps) Donc U = C I.t - La tension U aux bornes du condensateur évolue proportionnellement au temps. Si le coefficient k = C I est faible, l évolution est lente et peut être suivie à l aide d un voltmètre et d un chronomètre, ou mieux, à l aide d une carte d acquisition de données. II- Matériel : - Une platine P60. - Une alimentation + 15 V. - Un module générateur (I = cte). - Un condensateur de capacité 2200 µf, tolérance à 10 %. - Un condensateur de capacité inconnue. - Une résistance R = 100 Ω, 1W. - Un interrupteur. - Un voltmètre numérique. - Un ampèremètre analogique type AOIP. - Un ordinateur PC équipé des logiciels Grapheur Régressi et de pilotage de la carte : GTS 2. - Une carte d acquisition ORPHY GTS 2. 29
III Expérimentation : III-1 : Etude de la charge du condensateur de capacité C = 2200µF A) Réalisation du montage Le générateur de courant est obtenu à partir d un montage à amplificateur opérationnel. Le condensateur doit être de forte capacité. Un condensateur électrolytique (donc polarisé, attention aux sens des polarités) convient à la manipulation. Il faut prévoir un circuit de décharge à ses bornes pour pouvoir répéter la mesure. Le voltmètre à disposer aux bornes de C doit être de forte résistance interne. On emploiera un voltmètre numérique. Le montage à réaliser est le suivant. Pour ce faire, suivre les instructions donnée. -15V 0 V +15V alimentation EA0 orphy (borne rouge) K A + 15V 0 V S condensateur C + _ V R Source de courant EA0 orphy (borne noire) Placer le condensateur de capacité 2200 µf ainsi que le générateur de courant et le résistor R sur la platine. Relier l alimentation +15V Jeulin au générateur de courant comme indiqué. Relier les différents dipôles en faisant très attention de brancher le condensateur dans le bon sens!! Faire vérifier le montage avant toute mise sous tension!! Fermer l interrupteur K (cela permet de laisser le condensateur déchargé). Alimenter le générateur de courant en mettant sous tension l alimentation Jeulin + 15 V. Régler sur l ampèremètre I = 1 ma en agissant sur le bouton de réglage du générateur de courant. Mettre sous tension la carte ORPHY GTS2 à l aide du bouton Marche/Arrêt qui se trouve en arrière de la carte. B) Observations préliminaires Interrupteur fermé, quelle est la tension aux bornes du condensateur? Ce dernier est-il complètement déchargé? justifier. 30
Ouvrir l interrupteur et décrire l évolution de la tension aux bornes du condensateur. Décharger le condensateur en refermant l interrupteur. C) Prise en main du logiciel wingts 2 Mettre sous tension l imprimante, l écran puis l unité centrale. Lorsque C:\> apparaît, taper WIN et valider. Attendre quelques instants afin que le bureau du PC apparaisse, puis lancer Regressi en doublecliquant sur son icône. Double cliquer sur l icône représentant le logiciel d acquisition de données GTS2, une fenêtre apparaît alors. Cliquer dans la case «Mode» : - Dans Mode de fonctionnement, cocher Temporel ; - Dans Abscisse, cocher Temps ; - puis cliquer sur OK. Dans la case «balayage», choisir Durée : 30 s Nombre : 30 δt : 1 s Fech. : s affiche automatiquement Cliquer dans le cadre bleu, - indiquer l Entrée analogique «EA0 prise A» dans le menu déroulant. - Nom de la Grandeur physique : Uc. - Unité : V - Minimum : 0 et Maximum : 10. - Enfin cliquer sur Activer. Si le cadre vert est activé, cliquer dedans et choisir «désactiver» dans le menu déroulant. (En effet, on ne mesure qu une tension). Réaliser une acquisition de données pendant la charge du condensateur. Pour cela, ouvrir l interrupteur du circuit et cliquer simultanément sur le bouton "acquisition" dans WIN-GTS 2. La courbe Uc = f (t) apparaît alors en temps réel. A la fin de la charge, refermer l interrupteur et éteindre le générateur Jeulin. D) Tracé du graphe Uc = f (t) sur Régressi pour le condensateur de capacité 2200 µf Cliquer sur le bouton «transfert vers Régressi» Une boîte de dialogue apparaît. Dans Paramètre, Nom : I Unité : ma 31
Valeur : 1 Dans commentaire : Uc (t) pour C = 2200 µf et I = 1 ma Dans Données vers Regressi : cocher Nouveau fichier Cliquer sur OK. La courbe Uc = f(t) apparaît alors dans le logiciel Régressi. Basculer à nouveau vers WIN-GTS2 en cliquant sur le bouton (sous WIN 98) : ou en cliquant sur Acquisition (sous WIN XP). puis remettre l acquisition «à zéro» en cliquant sur l icône (sous WIN 98) : E) Charge du condensateur de capacité 2200 µf pour I = 2 ma Répéter les mêmes opérations que précédemment pour acquérir la charge du condensateur en choisissant une intensité de 2 ma. Lors du transfert vers Régressi, Dans Paramètre, Nom : I Unité : ma Valeur : 2 Dans commentaire : Uc (t) pour C = 2200 µf et I = 2 ma Dans Données vers Regressi : cocher Nouvelle page. Cliquer sur OK. La nouvelle courbe Uc = f(t) apparaît alors dans le logiciel Régressi. On superpose les deux courbes sur le même graphe. Pour cela, cliquer sur l icône «choix des pages» et cocher toutes les pages (si ce n est pas déjà fait). Les deux courbes s affichent alors sur le même graphe. Mettre les légendes correspondant aux courbes obtenues en cliquant sur l icône «identifier les courbes» : Imprimer le graphe obtenu. F) Exploitation des courbes Décrire les courbes obtenues. Au bout de quelle durée le condensateur est-il complètement chargé dans chacun des cas? A quoi le voit-on sur la courbe? Comment expliquer la différence entre les deux temps de charge? 32
Si on prend comme origine des temps, l instant où commence la charge du condensateur, la partie des courbes constituant une droite de pente positive est-elle en accord avec la relation I UC =. t? C Calculer le coefficient directeur de ces droites. En déduire la valeur expérimentale de la capacité C du condensateur dans les deux cas. Comparer les valeurs de la capacité trouvée à la valeur donnée par le constructeur 2200 µf. Pour ce faire, calculer l écart relatif entre valeur théorique et les valeurs expérimentales : Conclure. C th - C exp C th X 100 = % III-2 : Etude de la charge d un condensateur de capacité inconnue C X A) Acquisition et tracé de la courbe de charge Après avoir vérifié que le condensateur de capacité 2200 µf était bien déchargé (interrupteur fermé) et que le générateur était éteint, remplacer le condensateur de capacité 2200 µf par le condensateur bleu de capacité inconnue C X. Respecter bien la polarité des bornes!! Interrupteur fermé, allumer le générateur Jeulin et sélectionner une intensité de 1 ma. Dans le logiciel Régressi, basculer vers WIN-GTS2 en cliquant sur le bouton (sous WIN 98) : ou en cliquant sur Acquisition (sous WIN XP). Dans la case «balayage», choisir Durée : 60 s Nombre : 60 δt : 1 s Fech. : s affiche automatiquement Réaliser une acquisition de la même manière que pour le condensateur de capacité 2200 µf. A la fin de l acquisition, refermer l interrupteur pour décharger le condensateur et éteindre le générateur Jeulin. Cliquer sur le bouton «transfert vers Régressi» Une boîte de dialogue apparaît. Dans Paramètre, Nom : I Unité : ma Valeur : 1 33
Dans commentaire : Uc (t) pour C inconnue et I = 1 ma Dans Données vers Regressi : cocher Nouveau fichier Cliquer sur OK. La courbe Uc = f(t) apparaît alors dans le logiciel Régressi. Dans Fichier, cliquer sur [Enregistrer sous..] et dans «Mes documents», rentrer le nom de votre fichier. Imprimer la courbe. B) Exploitation de la courbe. Décrire la courbe. Quelle est sa différence principale par rapport à la courbe de charge du 1 er condensateur? En comparant les deux courbes et d après la relation théorique U c = f (t), la capacité inconnue de ce condensateur est-elle supérieure ou inférieure à 2200 µf? Répondre sans calcul et en justifiant. Calculer la valeur expérimentale de la capacité C X à l aide de la courbe. III-3 : Conclusion Faire le bilan des diverses informations que l on peut tirer de la courbe de la charge à courant constant d un condensateur. 34