LABORATOIRE 4 OSCILLOSCOPE ET CIRCUIT DE REDRESSEMENT INTRODUCTION À L OSCILLOSCOPE QU EST-CE QU UN OSCILLOSCOPE... Un oscilloscope est un appareil permettant d analyser avec une grande précision le comportement d un signal électrique (potentiel) variable et répétitif. Dans les circuits le moindrement complexes, les composantes électriques sont soumises à des fluctuations de potentiel à des fréquences allant jusqu à plusieurs millions de hertz et obéissant à des fonctions n étant pas nécessairement sinusoïdales. L écran de l oscilloscope n est ni plus ni moins qu un graphique du potentiel en fonction du temps sur lequel on peut visualiser le comportement du potentiel durant un cycle entier. L oscilloscope parvient automatiquement à identifier le cycle qui se répète et en fait un affichage immobile sur l écran. On peut ainsi analyser la courbe du potentiel avec une grande précision sans être dérangé par les fluctuations à haute fréquence. Les manipulations suivantes vous permettront de vous familiariser avec les fonctions de base d un oscilloscope. Elles ont été élaborées pour l oscilloscope GwInstek GDS-2062, mais tous les oscilloscopes que vous pourriez devoir utiliser dans un contexte scientifique présentent les mêmes fonctions de bases et vous devriez pouvoir vous y retrouver rapidement. BRANCHEMENT DE L OSCILLOSCOPE. La plupart des oscilloscopes permettent d analyser simultanément deux sources de signal. On branche les sondes de l oscilloscope aux entrées CH1 et CH2 (entrées du canal 1 et du canal 2, nécessitant un adaptateur «BNC banane» pour brancher vos fils qui serviront de sonde). Nous n utiliserons ici qu une entrée. Assurez-vous que le bouton CH1 vis-à-vis l entrée CH1 soit illuminé (entrée activée). Branchez ensuite cette entrée au transformateur disponible, en utilisant les bornes 6,3VAC (assurezvous également que le transformateur soit sous tension). Appuyez sur le bouton «Auto Set» bleu de l oscilloscope (bouton A). La fonction Auto Set présente sur les oscilloscopes récents laisse l oscilloscope déterminer les meilleurs paramètres d affichage permettant d afficher au moins un cycle entier et assurant que les valeurs maximale et minimale de tension soient incluses dans les limites de l écran. Dans le cas présent, vous devriez voir apparaître une courbe sinusoïdale jaune (si vous n apercevez pas cette courbe, consultez votre professeur). PROPRIÉTÉS D AFFICHAGE ET AJUSTEMENTS L affichage d un oscilloscope est directement un graphique du potentiel en fonction du temps. L oscilloscope analyse le 1
comportement du potentiel et identifie la forme qui se répète et tente de faire coïncider le début d un cycle (passage à V = 0) avec l origine du graphique. Le potentiel peut être positif ou négatif (pour une même position des sondes) et le graphique affiche donc les deux domaines. Prenez connaissance de la barre d informations au bas de l écran, où vous trouverez plusieurs données utiles dans l analyse du signal. D abord, à partir de la gauche, une donnée indique en jaune «CH1 5V». Cette donnée est la valeur des graduations verticales du graphique. Le graphique comporte verticalement 8 cases, chacune valant 5 V. Ainsi, il est possible d afficher un signal allant jusqu à ±20 V. Manipulez le bouton «Volts/Div» (bouton I) du canal 1 pour modifier cette échelle. Vous pouvez alors agrandir la trace affichée et apercevoir des particularités plus subtiles présentes dans la forme de la courbe, le cas échéant. Notez dans la zone P que l information de la valeur verticale des graduations est indiquée (en V/div). Manipulez également le bouton «Position» (G), qui vous permet de déplacer verticalement la courbe, dans l écran, par exemple pour centrer l affichage sur un secteur précis de la courbe. Notez que lorsque vous manipulez la position verticale, une flèche blanche sur la gauche du graphique se déplace également. Il s agit de l emplacement du potentiel nul. Par défaut, l oscilloscope tente centrer l onde dans le graphique, et il arrive que le centre vertical de l onde ne coïncide pas avec le potentiel nul, vous aurez alors un repère sur la courbe pour la placer à votre guise sur le graphique. Observez dans la barre d informations inférieure l écriture en vert, 5ms. Il s agit cette fois-ci de la valeur des graduations horizontales. Le transformateur utilisé produit un signal ayant la même fréquence que le signal d une prise électrique, soit 60 Hz. L échelle 5ms/division permet donc d afficher environ 3 cycles complets sur la largeur de l écran. Manipulez les boutons «Time/DIV» (F) et «POSITION» (E) dans la section «HORIZONTAL» des contrôles. Vous pouvez alors agrandir ou réduire l affichage horizontal de la courbe et centrer une partie de la courbe de votre choix. À droite complètement de la barre d informations (zone O), en jaune, vous avez l information de la fréquence du signal reçu. La valeur devrait fluctuer autour de 60 Hz. Aussi, vous voyez qu elle est donnée avec 4 décimales, comme quoi l oscilloscope peut mesurer la fréquence avec une grande précision. Sur la droite de l écran, vous apercevez normalement 5 informations sur le signal affiché, vis-à-vis les boutons F1 à F5 (si ce n est pas le cas, appuyez sur le bouton «Measure» (C) à une ou plusieurs reprises). Ces informations sont configurables, mais les plus utiles qui devraient apparaître sont V moy, V max, V min, V eff et Période. (La configuration de ces informations demande un certain protocole. Évitez d utiliser ces boutons inutilement ou demandez à votre professeur de régler la configuration.) Appuyez à plusieurs reprises sur le bouton «Measures» (C) pour observer trois modes d affichage concernant ces informations. Optez pour le mode où la bande d informations latérale seulement est affichée. Selon cette colonne d information, vous devriez observer que le potentiel alternatif affiché présente un potentiel qui s étend d environ -11 V à environ +11 V, et dont la valeur moyenne est d environ 0 V. La période étant l inverse de la fréquence, la valeur devrait correspondre à un soixantième de seconde, et la «valeur efficace» est d environ 7,6 V. Entre autres, V eff est la valeur qu indiquera un multimètre si vous mesurez la tension du même signal en mode «V~» (V eff a une signification importante pour un signal alternatif et sera étudiée ultérieurement). OBSERVATION D UN SIGNAL CONSTANT AVEC L OSCILLOSCOPE L oscilloscope est spécialement conçu pour analyser des tensions variables et cycliques. Il est tout de même en mesure d analyser correctement une tension constante, mais certaines fonctions deviennent alors inutiles ou inopérantes... Débranchez complètement les sondes de l oscilloscope, et appuyez sur Auto Set. Vous devriez apercevoir alors une courbe instable et vacillante. Tel que mentionné précédemment, la fonction «Auto Set» sert à rechercher une forme cyclique dans la tension entre les sondes. Cependant, si rien n est branché aux sondes, l oscilloscope captera tous les champs électriques présents dans la pièce. Ces champs électriques sont infimes, quelconques et non cycliques, et cela résulte en une courbe correspondant davantage à du bruit ou de l interférence. Notez que l échelle verticale est actuellement de 5μV/div, comme quoi l amplitude de ce signal est minuscule. D ailleurs, le simple fait d approcher vos mains de l entrée CH1 pourrait affecter le signal affiché! (Remarque : le préfixe μ est remplacé par u sur l affichage, mais il s agit bien du préfixe «micro», un facteur 10-6.) Branchez les deux fils à l entrée du canal 1, mais ne branchez rien à l autre extrémité des fils. Appuyez à nouveau sur Auto Set. 2
La même chose se produit, mais avec une amplitude plus grande. L échelle verticale a augmenté. Les fils des sondes agissent maintenant comme des antennes et captent les champs électriques ambiants avec encore plus d efficacité. Mais rien n est analysable dans ce signal. En réalité, si rien n est branché aux sondes, on s attendrait à voir une droite horizontale à 0 V... Augmentez la valeur de l échelle verticale jusqu'à 2 V/div (I). Vous devriez maintenant apercevoir une droite horizontale (avec un peu de vibration, l interférence ambiante étant toujours présente). À l aide du bouton «POSITION» (G), placez la droite horizontale au centre du graphique, à V = 0. Branchez maintenant les sondes aux bornes de 1,5 V du groupe de piles. La droite horizontale devrait s être élevée d un peu moins d une case, soit de la valeur du potentiel d une pile, en accord avec l échelle verticale choisie (l état de la pile peut lui donner une tension entre 1,0 V et 1,6 V). La valeur de tension étant constante, le contrôle de l échelle horizontale (Time/Div (F)) ne devrait pas avoir d influence sur l affichage. Cependant, il permet de constater de plus près le fonctionnement de l oscilloscope. Augmentez la valeur de l échelle horizontale jusqu à 1 seconde/div (F). Vous voyez maintenant la ligne horizontale se tracer graduellement de gauche à droite, à raison de 1 seconde par division. Vous voyez ainsi au ralenti la façon dont l oscilloscope fonctionne lorsque la fréquence est élevée. Dans ce mode d affichage, déplacez la sonde rouge d une borne à l autre de la batterie de piles, à plusieurs reprises, et observez l effet de ces modifications dans le traçage de la courbe. Vous êtes donc en mesure d imaginer ce qui se produit quand une variation se produit très rapidement et de façon répétitive alors que l oscilloscope identifie et affiche un cycle complet. UTILISATION DES CURSEURS Branchez maintenant les sondes à la sortie «12,6 VAC» du transformateur (la négative sur la borne noire), et appuyez sur Auto Set. Vous devriez constater que l oscilloscope n arrive pas à générer un affichage cohérent de ce signal. En réalité, la plus grande échelle verticale étant 5 Volts/div, il ne peut trouver une façon de faire apparaître en entier un signal dont l amplitude dépasse 20 V (4 divisions verticales audessus et en dessous de l axe). Ajustez vous-mêmes les deux échelles du graphique pour faire afficher le mieux possible la courbe du potentiel (F et I) Vous devriez constater que dans la plus grande échelle disponible, vous ne parvenez pas à voir l onde en entier. C est pour cette raison que l oscilloscope ne parvient pas à identifier les paramètres de cette onde. Par contre, si vous décalez vers le bas la trace entière (G), vous pourrez faire apparaître à l écran les crêtes supérieures, et ainsi l information V max deviendra disponible. Placez le centre de l onde précisément une case plus bas que le centre du graphique. Pour analyser le signal plus finement, il est possible de placer des repères (curseurs) horizontaux et verticaux dans l écran. Appuyer sur le bouton gris «Cursor» (B). La bande d information latérale vous permet maintenant de contrôler deux repères verticaux (dont les positions horizontales sont données) et deux repères horizontaux (avec positions verticales). Appuyez sur le bouton F2 à plusieurs reprises et vous verrez deux droites verticales bleues devenir tour à tour pointillées ou disparaître. La zone (K) devient ombragée, indiquant que vous avez le contrôle sur ces repères horizontaux. Utilisez le bouton identifié «Variable» en haut à droite de l appareil (D) pour déplacer horizontalement la ou les droites tracées d un trait plein. Elles se déplaceront une à une ou ensemble, selon votre choix (répétitions de F2). Déplacez tour à tour les deux curseurs pour les placer vis-à-vis deux sommets voisins. Pendant que vous déplacez les curseurs, observez les valeurs affichées vis-à-vis le bouton F4 (zone M), indiquant la position de chacun des curseurs sur l échelle du temps. L intervalle t entre les deux est également donné, ainsi qu une valeur de fréquence Attention, cette fréquence est le nombre de répétition de l intervalle créé chaque seconde, ce qui ne coïncide pas nécessairement avec un cycle complet. Ce n est donc pas la vraie fréquence du signal.) Vous pouvez faire de même avec des curseurs verticaux (lignes horizontales rouges), en appuyant sur F3. Utilisez le bouton «Variable» (D) pour fixer la position verticale de ces curseurs. Notez la position en volts de ces curseurs et leur espacement V vis-à-vis le bouton F5 (zone N). 3
Après le positionnement des curseurs, vous pouvez retourner à l affichage des propriétés du signal en appuyant à nouveau sur «Cursors» (B) ou une fois sur le bouton «Measures» (C). Les curseurs sont utiles pour analyser des variations de potentiel et ou de temps sur des portions de cycle de votre choix. Surtout si l onde a une forme irrégulière, vous pouvez déterminez des grandeurs n étant pas par défaut indiquée par l appareil. Vous avez maintenant fait connaissance avec toutes les fonctions utiles pour la réalisation de votre expérience de laboratoire. INTRODUCTION AU GÉNÉRATEUR D ONDE QU EST-CE QU UN GÉNÉRATEUR D ONDE... Le courant alternatif est omniprésent dans l ensemble des phénomènes électriques. De nombreux appareils sont conçus pour être alimentés en courant alternatif, entre autres parce que les prises murales fournissent du courant alternatif (ce qui découle de la façon dont l énergie est produite et transportée depuis les centrales de production). La fréquence d oscillation de ce courant alternatif est de 60 Hz dans presque tous les pays. Cependant, une foule de dispositifs n existent que grâce aux concepts de courant alternatif et d oscillations électriques, indépendamment de la façon dont ils sont alimentés. Une antenne émettrice, en télécommunications, doit être excitée à une fréquence particulière pour générer des ondes électromagnétiques. La production de sons est la transformation directe d oscillations électriques en vibrations mécaniques. L image d un téléviseur est rafraîchie près de 100 fois par secondes. Et cætera, et cætera. Le développement, la conception et l étude de tous ces appareils nécessitent donc souvent l accès à une source de tension alternative (symbole : ), dont l amplitude et la fréquence sont parfaitement contrôlables. C est la principale utilité d un générateur d onde (ou générateur de fréquence). CARACTÉRISTIQUES D UNE ONDE Techniquement, une onde électrique peut désigner tout signal constitué d un pattern répétitif, dont la durée et la forme sont constantes. Rien n exige cependant que la forme de l onde soit sinusoïdale, même si c est la forme à laquelle on peut penser en premier, et le type d onde le plus simple à produire et le plus répandu. En plus de sa fréquence (en hertz) et de son amplitude (valeur maximale de tension, en volts), une onde électrique est aussi définie par sa forme. Trois formes d onde régulières sont couramment utilisées en électronique, soit l onde sinusoïdale, l onde carrée et l onde triangulaire. Pour tous ces types, la tension de la source oscille de la même façon dans le domaine positif et négatif du potentiel. L onde est donc toujours centrée sur la valeur V = 0, et la description de sa forme réfère à un graphique du potentiel en fonction du temps. Mettez le générateur d onde sous tension et branchez la sortie identifiée «OUTPUT» du générateur (item #6 sur l image précédente) directement à l entrée du canal 1 de l oscilloscope. 4
Faites en sorte que l oscilloscope affiche l onde reçue. Modifiez l amplitude du signal produit via le bouton «OUTPUT LEVEL» (#4) et observez l effet produit. Notez que la tension de votre générateur d onde est limitée à ±2 volts (amplitude de 2 V). Aussi, notez que le générateur ne vous indique pas l amplitude produite. Vous devez disposer d un appareil de mesure (comme l oscilloscope) pour la déterminer précisément. Modifiez maintenant la fréquence produite à l aide des boutons «COARSE» et «FINE» sous l affichage digital (boutons 16 et 15). Il s agit d un ajustement grossier et d un ajustement fin de la fréquence du signal produit. L affichage digital du générateur vous indique en hertz la fréquence de l onde produite (avec une précision à l unité près). Observez à nouveau l effet sur la courbe affichée par l oscilloscope. Remarquez que l affichage digital ne s ajuste pas rapidement à la valeur atteinte. Si vous êtes branchés à l oscilloscope, celui-ci est plus efficace pour ajuster la fréquence rapidement. Modifiez le type d onde produit par le générateur (boutons #3 en haut à droite) et observez l effet sur l oscilloscope. Ce générateur d onde vous permet de produire des ondes à des fréquences aussi élevées que 5 mégahertz (5 millions d oscillations par seconde!). Cependant, pour pouvoir ajuster précisément la fréquence à des valeurs plus faibles, vous avez le choix du domaine dans lequel vous travaillez. Les boutons dans la zone «RANGE» (#2) vous permettent de choisir ce domaine. Ces quelques commandes vous suffiront pour utiliser le générateur d onde dans des manipulations futures. 5
- LABORATOIRE 4 (SUITE) CIRCUIT DE REDRESSEMENT ET DE FILTRATION BUTS Apprendre à utiliser l oscilloscope pour observer et mesurer des grandeurs physiques. Comprendre le fonctionnement d un circuit de redressement. MANIPULATIONS 1- Mesure de tensions constantes Reliez l entrée du signal 1 de l oscilloscope aux bornes de la batterie (fil noir toujours dans la borne noire). En utilisant les diverses tensions de la batterie, vérifiez le déplacement vers le haut de la trace à l écran. Mesurez et notez les différentes tensions données par l'oscilloscope (V moy) et par le voltmètre numérique (branchez simultanément les deux appareils). Piles Oscilloscope Voltmètre 1,5 V 3,0 V 4,5 V 6,0 V Les valeurs sont-elles égales? 2- Mesure de tensions variables L onde sinusoïdale Utilisez le générateur d onde pour produire une onde sinusoïdale d'une fréquence de 1000 Hz (fréquence lue sur l'affichage du générateur d onde). Appliquez ce signal à l'entrée de l'oscilloscope puis ajustez l'amplitude («Output level» sur le générateur d onde) pour avoir une tension maximale de ±2 V (vue sur l'oscilloscope). Utilisez les curseurs de l oscilloscope pour mesurer la période du signal (durée d un cycle complet), en plaçant les deux curseurs horizontaux à deux endroits homologues de la courbe. T = Notez la fréquence donnée par l'oscilloscope : Mesurez le temps nécessaire pour que le potentiel passe de 0 V à +1,5 V lors d une montée du potentiel (modifiez les échelles d affichage à votre guise pour améliorer la précision de la lecture). Δt : L onde carrée Ajustez maintenant votre générateur d onde pour qu'il vous donne une onde carrée d'une fréquence de 250 Hz. Mesurez la période de votre signal à l aide de l oscilloscope. T = Notez la fréquence donnée par l'oscilloscope : Mesurez la différence de potentiel entre le haut et le bas de l'onde en utilisant les curseurs verticaux. ΔV = 3- Le transformateur Branchez la sortie du transformateur à l entrée du canal 1 de l oscilloscope. Mesurez la période, la fréquence et Δv 0 avec l'oscilloscope (potentiel maximal de l onde, par rapport à au centre), puis utilisez le multimètre pour mesurer la tension ΔV de ce signal (en mode alternatif : ~ V ). Faites ces mesures pour les 2 sorties du transformateur. 6,3 VAC 12,6 VAC T f Δv 0 ΔV Quel est le rapport Δv 0/ΔV? 4- Circuit de redressement simple Montez le circuit suivant en introduisant une diode dans le circuit (attention, la direction de la flèche sur le schéma représente l extrémité marquée de la diode). En tenant compte de la position du potentiel nul (indiquée par la flèche à gauche de l écran), reproduisez la forme de la courbe de tension aux bornes de la résistance et mesurez les valeurs maximale, minimale et moyenne de la tension ainsi que la période. V max = V min = V moy = T =
6- Circuit de filtration (bloc d alimentation) Sans rien débrancher, complétez le circuit suivant en ajoutant simplement un condensateur et l interrupteur en parallèle avec la résistance. Quelle est la différence entre cette courbe et la courbe de la tension originale (du transformateur)? Déplacez alternativement les sondes de l oscilloscope vers la sortie de la source, et de retour aux bornes de R, pour observer la différence facilement. 5- Circuit de redressement double Montez le circuit suivant en introduisant un «pont de diodes» dans le circuit. Lorsque vous fermez l interrupteur, vous ajoutez instantanément un condensateur au circuit précédent, et pouvez constater le changement qu il produit. Représentez alors la tension observée aux bornes de la résistance et mesurez la valeur moyenne de cette tension (interrupteur fermé). V moy = Reproduisez à nouveau la forme de la courbe de la tension aux bornes de la résistance et mesurez les valeurs maximale, minimale et moyenne de la tension ainsi que la période. V max = V min = V moy = T = Quelle différence y a-t-il cette fois-ci avec la courbe originale de la tension de la source? Déplacez les sondes à la sortie du transformateur pour voir alternativement la différence. Si vous avez bien assemblée votre circuit et dirigé le signal vers l oscilloscope, vous devriez constater que vous avez réalisé un circuit permettant de transformer une tension alternative en une tension constante, dont la valeur stable correspond à la valeur maximale du cycle alternatif original. Il s agit d un signal «redressé» en une valeur toujours positive et les fluctuations sont «filtrées», ne laissant qu une valeur constante. En d autres mots, vous avez construit un adaptateur tel qu utilisent presque tous les petits appareils électroniques que l on branche au mur via un petit bloc noir (comme un chargeur de cellulaire), ou n importe quel bloc d alimentation d ordinateur portable. Si vous regardez de près un tel dispositif, vous trouverez à tout coup l information sur le signal entrant (ex : 120 VAC 60 Hz) et le signal sortant (ex : 9 VDC) À REMETTRE Remettez les deux dernières pages en indiquant les noms des coéquipiers 7