01- Composants Electroniques TP

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  • 8/19/2019 01- Composants Electroniques TP

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    V.Tourtchine. COMPOSANTS ELECTRONIQUE. Travaux pratiques.

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    REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOKRATIQUE ET POPULAIREMINISTERE DE L€ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA

    RECHERCHE SCIENTIFIQUE

    UNIVERSITE M€HAMED BOUGARA DEBOUMERDES

    FACULTE DES SCIENCES - D•PARTEMENTPHYSIQUE

    Option : INFOTRONIQUE

    V.Tourtchine

    COMPOSANTS ELECTRONIQUESTRAVAUX PRATIQUES

    Manuscrit ‚labor‚ selon le programme officiellement agr‚e et confirm‚ par le

    conseil Scientifique de la Facult‚ des Sciences

    BOUMERDES - 2008

    R'2

    +15 V

    -15 V

    -15 V

    P

    1 k €

    R 1

    100 €

    100 €+15 V

    V1 V2

    U1

    U2

    R'1

    R 2

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    TP Nƒ01

    CARACTERISTIQUE D€UNE DIODE A JONCTION

    ButLe but du TP est de tracer la caract€ristique I  D = f(U  D ) d•une diode ‚ jonction P-N en sensdirect et de valider la loi de variation tension - intensit€ du courant.

    Mat‚riel

    Plaque perfor€e DIN A4 57674 1

    R€sistance 100 € 5% 2W 57732 1R€sistance 10 € 5% 2 W 57720 1Diode Si 1N 4007 57851 1Diode Ge AA 118 57850 1Alimentation CC 0ƒ•15 V 52145 1Multim„tre analogique 531120 1Multim„tre num€rique GDM 352A 1Paire de c…bles 50 cm, rouge/bleu 50145 3Cavalier 50148 2

    Sch‚ma

    mA

    VD

    A

    R1

    R2

    +

    +

    E

    100 €

    10 €

    Fig.1

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    Montage

    Fig.2

    I. Taches „ r‚aliser avant le TP

    Exp€rimentalement, on constate qu•une jonction P-N se comporte comme une valve qui laisse passer le courant €lectrique quand la tension appliqu€e est positive entre P et N, puis qui le bloque totalement si la tension est invers€e. Dans le sch€ma (figure 1), on d€signe par anodeA la borne P et par cathode K la borne N. La diode est repr€sent€e par un triangle orient€ dansle sens passant.On rappelle l•€quation du courant I  D dans une diode ‚ jonction

    1 D

    U  D S 

     I I  e€‚ƒ „… †‡ ˆ‰ Š

    , o† (1)

    U  D est la tension aux bornes d•une diode.

    U T  est la tension thermique, donn€e par T e

    kT U 

    q€… , avec k : constante de Boltzmann, T :

    temp€rature en Kelvin, qe : charge €lectrique d•un €lectron. Pour la jonction id€ale ‚ latemp€rature ordinaire U T  = 26 mV.

    est le facteur du semi-conducteur et de l•intensit€; il d€pend de la temp€rature et il n•a pasla m‡me valeur, pour un semi-conducteur donn€, en courants forts et en courants faibles.

    100 €

    1  0 

    mA

    +-

    V+-

    V

    +-

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     I  S est le courant inverse de saturation de la diode, il est de l•ordre du nA (nA = 10-9 A) ‚ la

    temp€rature ordinaire et qui ne d€pend pas de la tension pour U  D ‹ 0.Consid€rons, avec la relation (1), les deux sens : passant et bloquant.

    a) Cas de VAK = U  D ‹ 0 (sens passant)

    Pour U  D ‹ 0,1 V, D

    U U e€ ‚   ‹‹ 1 et donc

     D

    U  D S  I I  e€‚ (2)

     b) Cas de VAK = U  D Œ0 (sens bloquant)

    Si  DU    ‹ 0,1 V, D

    U e€‚   ŒŒ 1 on consid„re que  I  D - I S .

    Dans le tableau ci-dessous sont repr€sent€s les r€sultats de mesures du courant I  D en fonction

    de tension U  D dans le cas passant d•une diode.

    U  D(V) 0.6 0.65 0.68 0.7 0.72 0.73 0.75 0.76 0.77

     I  D(mA) 1,0 3,5 6.4 10,0 16,0 20,0 31,0 40,0 50,0

    T.1. Tracer sur le papier millim€tr€ (annexe 1) la courbe repr€sentante la variation  I  Den fonction de U  D, c'est-‚-dire la caract€ristique courant - tension de cette diode I  D = f (U  D ).

    € T.2. D€terminer, d•apr„s la courbe obtenue, la tension seuil U S  de la diode pourlaquelle le courant commence ‚ passer, de faˆon non n€gligeable.

    € T.3. D€terminer la tension maximale aux bornes de la diode D (figure 1) dans le caso† la source de tension E est r€gl€e sur la valeur maximale : E = 15,0 V. Quel est ler‰le de r€sistances R1 et R2 si on consid„re l•intervalle de r€glage de la tension U  Dentre 0,1 et 1,0 V ?

    € T.4. D€terminer le point de fonctionnement de la diode si la tension d•alimentation estr€gl€e sur la valeur E = 7,7 V.

    € T.5.Calculer la r€sistance dynamique directe  R D de la diode au point defonctionnement d€termin€ pr€c€demment :

    2 1

    12

     D D D D

     D D D

    U U U  R

     I I I 

    †… …

    € T.6. Redessiner sur le papier millim€tr€ (annexe 2) la caract€ristique da la diode dansl•€chelle semi- logarithmique :

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    Ln ( I  D) = f (U  D) (3)

    € T.7. Exprimer la relation (2) dans la m‡me €chelle. Quelle est la pente de cettecourbe ?

    € T.8. D€terminer le courant I S et la valeur du produit Ž•U T  en d€duire le facteur Ž. Onutilisera la transformation (3) pour la caract€ristique de la diode I  D = f (U  D ) puis on latraitera par la m€thode des moindres carr€s (voire annexe 3).

    II. D‚roulement de l€exp‚rience

    1. ETUDE D€UNE DIODE AU SILICIUM

    a) Relev€ de la caract€ristique d•une diode au silicium

    € 1A.1. R€aliser le montage du circuit d•apr„s le sch€ma €lectrique (figure 1) en utilisantune plaque perfor€e. Disposer le mat€riel, par exemple, comme c•est indiqu€ sur lafigure 2.

    € 1A.2. Faire v€rifier le montage (par l€enseignant). .

    € 1A.3. Mettre le circuit sous tension.

    € 1A.4. Faire varier la valeur de la tension d•alimentation E ‚ partir de 0 V et lire sur le

    voltm„tre les valeurs correspondantes de la tension U  D aux bornes de la diode. Pourchaque valeur de U  D avec la pr€cision • 0,002 V indiqu€e dans le tableau 1, lirel•intensit€ de courant correspondante sur l•amp„rem„tre. Compl€ter le tableau 1.

    Tableau 1

    U  D(V) 0.5 0.55 0.60 0.65 0.70 0.71 0.72 0.73 0.74 0.75 0.76 0.77

     I  D(mA)

    € 1A.5. Tracer sur le papier millim€tr€ le graphique  I  D =f (U  D) de faˆon qui permetd•obtenir une courbe bien continue reliant les points exp€rimentaux.

    € 1A.6. R€gler la source de tension pour obtenir la valeur de E = 7,7 V. Mesurer U  D et I  D pour ce point de fonctionnement et l•indiquer sur le graphique repr€sent€ dans 1A5.

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    b) Observation qualitative

    € 1B.1. Retirer la diode D et inverser le sens de branchement (sens bloquant). R€ins€rerla diode.

    € 1B.2. Retirer la r€sistance R2.

    € 1B.3. Faire varier progressivement la tension d•alimentation de 0 ‚ 15 V. Observer lavariation du courant inverse traversant la diode. Noter le r€sultat d•observation.

    € 1B.4. R€ins€rer la r€sistance R2.

    € 1B.5. Eteindre la source de tension.

    c) Exploitation du graphique exp€rimental

    € 1C.1. D€terminer la tension seuil U S  de la diode.

    € 1C.2. D€terminer la r€sistance dynamique R D au point pr€cis€ dans 1A6.

    € 1C.3. En utilisant la m€thode des moindres carr€s pour le lissage de la caract€ristiqueobtenue exp€rimentalement I  D =f (U  D) d€terminer :

    a) Le courant inverse de saturation I S .

     b) Le facteur € en prenant la tension thermique U T  pour une jonction id€ale.

    € 1C.4. Tracer sur le papier millim€tr€ (annexe 4) la courbe th€orique ( ) D

    U  D D S  It U I  e€… .

    € 1C.5. Sur le m‡me papier millim€tr€ tracer une droite de charge statique pour latension d•alimentation E = 7,7 V et d€terminer le point de fonctionnement sur lacaract€ristique r€elle I  D(U  D) et celle th€orique It  D(U  D).

    2. ETUDE D€UNE DIODE AU GERMANIUM

    a) Relev€ de la caract€ristique d•une diode au germanium

    € 2A.1. Remplacer dans le montage pr€c€dent la diode au silicium par la diode augermanium.

    € 2A.2. Mettre le circuit sous tension.

    € 2A.3. Faire varier la tension U  D aux bornes de la diode avec la pr€cision • 0,002 V etcompl€ter le tableau 2.

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    Tableau 2

    U  D(V) 0.3 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75

     I  D

    (mA)

    € 2A.4. Tracer sur papier millim€tr€ le graphique I  D =f (U  D).R€aliser par analogie toutes les €tapes d•€tude, comme dans le cas d•une diode au silicium :

    b) Observation qualitative (de 2B.1 ‚ 2B.5).

    c) Exploitation du graphique (de 2C.1 ‚ 2C.5).

    III. Exploitation et interpr‚tation des r‚sultats desmanipulations

    (L€•tudiant doit r•pondre aux questions ci-dessous pour r•diger son compte rendu)

    € Q.1. Les diodes sont t•ils des composants passifs lin€aire ou non lin€aires ?Commenter la r€ponse en s•appuyant sur les r€sultats trouv€s.

    € Q.2. Une diode id€ale se comporte comme un interrupteur command€. D€duire lar€ponse des r€sultats obtenus.

    € Q.3. Qu•est ce qu•une diode ? Commenter.

    € Q.4. Comment circule le courant dans une diode ? Expliquer le ph€nom„ne en se basant sur les r€sultats de manipulation.

    € Q.5. Quelle est la diff€rence entre une diode au silicium et une diode au germanium ?D€duire la r€ponse par les donn€es de mesure.

    € Q.6. Pour quel type de diode le courant I S  est plus grand ? D€montrer par les donn€esde mesure.

    € Q.7. Comment peut-on expliquer la diff€rence entre la caract€ristique obtenue

    exp€rimentalement et celle obtenue par lissage ?

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    ANNEXE 1

    ID (mA)

    0,5 0.6 0,7 0,8 UD(V)

    50

    25

    0,0

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    ANNEXE 2

    Ln ( I  D)

    0,5 0,6 0,7U  D (V)

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    ANNEXE 3

    Lissage de la caract€ristique I  D = f(U  D ) d•une diode

    par la m€thode des moindres carr€s

    D•apr„s cette m€thode on cherche  •

    2

    1

    min NP 

    ii

     y y…

    † ‘

    ’.

    Pour le lissage de la caract€ristique  I  D = f (U  D ) d•une diode on utilise la fonctionne der€gression suivante : y = b + kx, o†  y = ln ( I  D) et  x = U  D.

    La fonction • 2

    1

     NP 

    i

    i

     y y…

    †’ atteint sa valeur minimale si on calcule les coefficients b et k  commesuit :

    2

    1 1 1 1 1 1 1

    2 2

    1 1 1 1 1 1

    ( ) -et

    ( ) ( )

     NP NP NP NP NP NP NP 

    i i i i i i i i i

    i i i i i i i

     NP NP NP NP NP NP 

    i i i i i i

    i i i i i i

     x x y x NP x y x y

    b k 

     NP x x x NP x x x

    … … … … … … …

    … … … … … …

    †… …

    † †

    ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’

    ’ ’ ’ ’ ’ ’

    APPLICATION NUMERIQUE

    Itdi

    Is e

    Udi

    ŽUt‚“…

    ŽUt 0.045…Is 1.511 109†

    ”…

    Is e b

    “…  ŽUt

    1

    k “…

    k  NP s3‚ s1 s2‚†( )

     NP s4‚ s1 s1‚†“… b

    s2 s4‚ s3 s1‚†( )

     NP s4‚ s1 s1‚†“…

    s3

    1

     NP

    i

    xi

    yi

    ‚’…

    “… s4

    1

     NP

    i

    xi• 2’…

    “…s2

    1

     NP

    i

    yi’…

    “…s1

    1

     NP

    i

    xi’…

    “…

    yi

    ln Idi• “…xi Udi“…

    Idi

    0.1103†

    0.36103†

    1.0103†

    3.0103†

    9.4103†

    14103†

    18103†

    22103†

    28103†

    38103†

    “…Udi

    0.50.550.600.65

    0.700.720.730.740.750.76

    “…

    i 1 NP“… NP 10“…

    Caract€ristique r€elle Id (Ud) Caract€ristique th€orique Itd (Ud)

    0.4 0.5 0.6 0.7 0.80

    0.02

    0.04

    Idi

    Udi

    0.4 0.5 0.6 0.7 0.80

    0.02

    0.04

    Itdi

    Udi

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    TP Nƒ02

    CARACTERISTIQUES DES DIODESELECTROLUMINESCENTES

    ButD€terminer les caract€ristiques de diodes €lectroluminescentes de diff€rentes couleurs etcalculer les longueurs d•onde d•€mission correspondantes.

    Mat‚rielPlaque perfor€e DIN A4 57674 1

    R€sistance 680 € 5% 2W 57732 1R€sistance 470 € 5% 1.4W 57720 1Diode luminescente verte, LED 1, verticale 57857 1Diode luminescente rouge, LED 2, verticale 57848 1Diode luminescente jaune, LED 3, verticale 57847 1Diode luminescente infrarouge, horizontale 57849 1Alimentation CC 0ƒ•15 V 52145 1Multim„tre analogique 531120 1Multim„tre num€rique GDM 352A 1Paire de c…bles 50 cm, rouge/bleu 50145 3Cavalier 50148 2

    Sch‚ma

    mA

    V

    R1

    R2LED

    680 €

    470 €E +

    +

    +

    P

     N

    Fig.1

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    Montage

    Fig.2

    I. Aper…u th‚orique (l€•tudiant doit approfondir ses connaissances sur cette partie‚ la salle ressources d€InfoTronique)

    a) D€finition et symbole d•une diode €lectrolumin€scente.Les diodes €lectroluminescentes (DEL ou LED en anglais : Light Emitting Diode) sont descomposants opto€lectroniques qui €mettent sous certaines conditions, une radiation€lectromagn€tique. Le spectre d•€mission est tr„s €troit, et la longueur   (nm) d•onde d€penddu mat€riau (fig.3). Ce n•est pas la couleur du boŠtier qui fait que tel composant €mettra danscette m‡me couleur mais la nature pr€cise du mat€riau semi-conducteur. Les techniques defabrication permettent d•obtenir des diodes €lectroluminescentes ‚ €mission super rouge,rouge, orange, jaune, verte et bleue et aussi infrarouge.

    400 450 500 550 600 650 700 750 – (nm)

    Bleue Verte Jaune Rouge

    Fig.3

    On obtient de la lumi„re infrarouge pour le silicium et l•ars€niure de gallium (GaAs), de lalumi„re visible pour le phosphure de gallium (GaP), l•ars€niophosphure de gallium (GaAsP)

    100 €

    1  0 €

    mA

    +-

    V+-

    V+-

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    - 14 -

    etc. Les LED €mettant dans le visible ont un pic dans le rouge (GaAsP0,4), le vert (GaP), le jaune (GaAsP0,85).La longueur d•onde est reli€e avec la tension de seuil U S d•une diode €lectroluminescente

     par la relation : 1 040 / U S.

    Le symbole d•une LED est repr€sent€ sur la figure 1.

    b) FonctionnementLorsqu•une jonction P-N est parcourue par un courant direct, il se produit des recombinaisonsentre les porteurs de charge, qui s•accompagnent d•une lib€ration d•€nergie. Une partie del•€nergie lib€r€e est €mise sous forme de lumi„re.Le fonctionnement est le m‡me que celui d•une diode. Cependant une LED ne supporte pasde tension inverse €lev€e plus de 5 V, ni une trop grande intensit€ du courant (10 ‚ 50 mA).Les conditions optimales sont fournies par le constructeur (voir le tableau ci-dessous).

    Couleur de LEDTension nominale

    directeU n, V

    Tension maximaledirecteU m, V

    Courant maximaledirect,

     I m , mA

    Rouge 1,7 2,5 20Jaune 2,0 2,5 20Verte 2,2 2,8 20Infrarouge 1,1 1,5 10

    Une LED doit ‡tre mont€ en s€rie avec une r€sistance ‹ de protection Œ  R p limitant lecourant ‚ la valeur pr€conis€e.

    II. D‚roulement de l€exp‚rience

    € D.1. R€aliser le montage du circuit d•apr„s le sch€ma €lectrique (fig.1) en utilisant une plaque perfor€e. Disposer le mat€riel, par exemple, comme c•est indiqu€ sur la figure2. Effectuer une premi„re manipulation avec LED 1.

    D.2. Faire v€rifier le montage (par l€enseignant).

    € D.3. Mettre le circuit sous tension.

    € D.4. Augmenter tr„s progressivement, ‚ partir de 0,00 V, la tension d€livr€e par lasource E jusqu•‚ ce que la LED s•allume : la tension aux bornes de la LED est appel€etension de seuil U S. Noter la valeur de cette tension.

    € D.5. Continuer d•augmenter tr„s progressivement la tension d€livr€e par la source E jusqu•‚ obtenir aux bornes de la LED sa tension nominale U n. Enregistrer alors

    l•intensit€ du courant traversant la LED : c•est l•intensit€ nominale not€e I n.

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    - 16 -

    TP Nƒ03

    LA DIODE ZENER : TRAC• DE CARACTERISTIQUE

    ET STABILISATION DE TENSION

    ButsOn cherche dans ce TP ‚ mettre en €vidence les propri€t€s de la diode Zener. Pour cela, ontrace sa caract€ristique, c•est-‚-dire la courbe U  Z  = f ( I  Z ) repr€sentant la tension ‚ ses bornesen fonction du courant qui la traverse. On €tudie ensuite la stabilisation de tension en amont eten aval de la diode Zener.

    Mat‚riel

    Plaque perfor€e DIN A4 57674 1R€sistance 100 € 5% 2W 57732 1R€sistance 10 € 5% 2W 57720 1Potentiom„tre 220 € 3 W 57790 1Diode Zener 57855/54 1Cavalier 50148 3Alimentation CC 0ƒ•15 V 52145 1Multim„tre analogique 531120 2Multim„tre num€rique GDM 352A 1Paire de c…bles 50 cm, rouge/bleu 50145 4

    I. Rappel th‚orique (‚ pr€parer avant le TP)

    — Caract€ristiquesSi l•€paisseur de la jonction P-N est faible et si le taux de dopage est important, on obtient desdiodes qui pr€sentent un courant inverse intense au-del‚ d•une valeur U  Z de la tension inversequi est la tension de coude ou de Zener.Le claquage inverse de la jonction r€sulte soit d•un claquage par avalanche par ionisationsdans la zone de d€pl€tion par les porteurs, soit d•un claquage par effet Zener qui correspondau passage des €lectrons de la bande de valence ‚ la bande de conduction sous l•effet du

    champ €lectrique.Si la construction de la diode permet la dissipation de la puissance d€gag€e, le claquage estr€versible. On obtient alors une diode Zener. Sa caract€ristique directe est identique ‚ celled•une diode classique.Pour les diodes Zener avec U  Z  ˜ 6 V la r€sistance dynamique est voisine de quelques ohms etle coude tr„s brutal (claquage par avalanche). Selon le courant d€bit€, la tension aux bornesde la diode sera d•autant plus stable que la r€sistance dynamique de celle-ci sera faible.

    — Stabilisation de tensionIl est possible de r€aliser un stabilisateur de tension en utilisant une diode Zener (fig.1). Onsuppose que le courant inverse I  Z dans la diode est tel que le point de fonctionnement est situ€dans la partie lin€aire de la caract€ristique. Il est alors possible de mod€liser la diode parl•association d•une source de tension V  Z en s€rie avec une r€sistance dynamique inverse R Z dela diode (fig.2).

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    - 17 -

    R S

    DZ

    I

    IZ IR Ch

    R ChU0E

    R S I

    IZ IR Ch

    R ChU0E

    VZ

    Fig.1 Fig.2

    Remplaˆons le g€n€rateur E, la r€sistance s€rie R S et la r€sistance de charge R Ch  par leur€quivalent Th€venin (fig.3) :

    ; S ChTh Ch ThS Ch S Ch

     R R E  E R R

     R R R R… …

    ™ ™

    Le point de fonctionnement PF de la diode est obtenu en cherchant l•intersection de sacaract€ristique U = V  Z + R Z • I  Z  avec la droite de charge d•€quation U = E Th ƒ RTh• I  Z  (fig.4).

    R Th

    R Z

    VZ

    U0

    IZ

    ETh

    R Z= 0R Z > 0

    VZ EThU

    I

    PF

    Fig.3 Fig.4

    On retrouve graphiquement le fait que le syst„me ne fonction que si E Th > V  Z .Si la charge varie, (stabilisation amont) les courants dans la charge et dans la diode varientmais U 0 ‚ V  Z reste constant car la pente de la droite de charge varie. De m‡me si la tension dela source  E varie (stabilisation aval) U 0 ‚  V  Z  reste €galement constant car la droite de chargese d€place parall„lement ‚ elle-m‡me.

    II. Etude exp‚rimentale

    E.1 Relev‚ de la caract‚ristique

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    - 18 -

    Montage

    € E1.1. R€aliser le montage d•apr„s la figure 5. Ici la r€sistance R = 100 €.Question : Quelle manipulation sur le circuit doit-on op€rer pour soumettre cette diode ‚ unetension n€gative, ceci sans inverser la position de la diode sur la plaque perfor€e?

    V

    mA

    DZ

    vers la sourcede tension CC

    Fig.5

    € E1.2. Faire v€rifier le montage (par l•enseignant) .

    Mesures

    € M1.1. Mettre le montage sous tension.

    € M1.2. R€gler la source de tension de faˆon ‚ imposer les diff€rentes valeurs du tableau1. Relever alors pour chacune de ces valeurs de  I  Z  ou de U  Z selon ce qui est demand€(on n•oubliera pas la manipulation ‚ effectuer concernant les valeurs n€gatives dutableau 1).

    M1.3. Tracer la caract€ristique de la diode €tudi€e sur une feuille de papiermillim€tr€e.

    € M1.4. En d€duire la tension de Zener U  Z et la r€sistance dynamique R Z dans la partieet puis la tension de seuil U  D et la r€sistance dynamique R D dans la partie positive.

    Tableau 1

    UZ(V)IZ

    (mA)

    -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 -1

    UZ -5,00 -1,00 0,00 0,20 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,60

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    (V)IZ

    (mA)UZ(V)

    IZ(mA)

    1 5 10 15 20 25 30 35 40 45

    E.2 Stabilisation de tension

    Sch€ma d•exp€rience

    Le sch€ma est repr€sent€ sur la figure 6. Ici le potentiom„tre P est destin€ pour varier la

    charge.

    Montage

    E2.1 R€aliser le montage d•apr„s la figure 7. Les appareils de mesure sontcorrectement branch€s en respectant les polarit€s indiqu€es. Les choix des calibressont adapt€s.

    € E2.2. Faire v€rifier le montage (par l•enseignant) .

    Fig. 6

    R S

    DZR Ch

    U0P

    š›› €ž› €

    ›¡€

    E

    0...15 V

    +

    mA

    mA

    V

    +

    +

    +

    M1 M2

    10 €

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    - 20 -

    Fig. 7

    Mesures

    € M2.1. Positionner le curseur du potentiom„tre P sur ‹ g Œ (charge minimale).

    € M2.2. Mettre le montage sous tension. Faire varier la tension d•entr€e E. Compl€ter letableau 2.

    Tableau 2

    E (V) 2 4 6 8 10 12 14M1 (mA)M2 (mA)U0 (V)

    € M2.3. R€gler la source de tension E sur 0 V. Retirer la diode Zener.

    € M2.4. Faire varier la tension d•entr€e E. Compl€ter le tableau 3.

    € M2.5. R€gler la source de tension E sur 0 V. R€ins„re la diode Zener.

    € M2.6. Ajuster la source de tension E sur 14 V. Faire varier le potentiom„tre P de lavaleur minimale ‚ la valeur maximale. R€sultats d•observations repr€senter dans letableau 4.

    € M2.7. Retirer la diode Zener. Faire varier ‚ nouveau le potentiom„tre P. Noter lavariation de la tension U0.

    V

    mA

    DZ

    R S

    R Ch

    a

    g

    d

     b

    P

    mA

    M1

    M2

    +

    +

    +

    +-vers la source de tension ‚ CC

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    - 21 -

    Tableau 3

    E (V) 2 4 6 8 10 12 14M1 (mA)M2 (mA)U0 (V)

    Tableau 4

    Position ducurseur de

     potentiom„treP

    a b c d e f g

    M1 (mA)M2 (mA)U0 (V)

    III. Analyse et interpr‚tation des r‚sultats

    € Q.1. L•existence d•une tension aux bornes de la diode Zener implique t-elle toujoursl•existence d•un courant ? Donner alors les valeurs approximatives des deux tensions

     pour lesquelles le courant commence ‚ circuler.

    € Q.2. Lorsque la diode est parcourue par un courant, que peut-on dire de l•€volution dela tension ?

    € Q.3. Que peut-on dire de la tension aux bornes de la diode en fonction de la tensionaux bornes de la source de tension ?

    € Q.4. En utilisant la caract€ristique obtenue repr€sent€e sur le papier millim€tr€ et lesr€sultats de mesures (tableau 2) montrer graphiquement l•effet de stabilisation detension en aval.

    € Q.5. En utilisant la m‡me caract€ristique de la diode et les r€sultats d•observationsrepr€sent€s dans le tableau 4 donner l•interpr€tation graphique de la stabilisation en

    amont.€ Q.6. Donner l•explication th€orique des r€sultats repr€sent€s dans les tableaux 3 et 4.

    Conseil : Exprimer la tension de sortie U 0 sous la forme :

    0 0 0 Z ChU U kE R I  … ™ † ‚ , avec :

    0 0, etS S Z  Z 

     Z Z 

    S Z S Z S Z  

     R R R RU U k R

     R R R R R R… … …

    ™ ™ ™

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    - 22 -

    TP Nƒ04

    LE TRANSISTOR BIPOLAIRE : COURBESCARACTERISTIQUES

    ButsL•€tude du composant ‹ transistor bipolaire Œ par:

    — une pr€sentation rapide.— l•obtention des courbes caract€ristiques de ce composant.— l•exploitation de ces caract€ristiques permettant la mise en lumi„re de plusieurs €tats

    de fonctionnement.

    Mat‚rielPlaque perfor€e DIN A4 57674 1R€sistance 100 € 5% 2W 57732 1R€sistance 10 k € 1% 0.5W 57756 1Potentiom„tre 220 € 3 W 57790 1Transistor BC 140 57876 1Cavalier 50148 6Alimentation CC 0ƒ•15 V 52145 1Multim„tre analogique 531120 2Multim„tre num€rique GDM 352A 1

    Multim„tre num€rique GDM 356 1Paire de c…bles 50 cm, rouge/bleu 50145 5C…ble d•exp€rience, 50 cm, noir 500424 1

    I. Pr‚sentation du transistor bipolaire.Le transistor (mot anglais, de transfer resistor, r€sistance de transfert) c•est un dispositif ‚

    semi-conducteur, qui peut amplifier des courants €lectriques. Il est obtenu en ins€rant un barreau semi-conducteur de type oppos€ aux deux cristaux de m‡me type. On obtient ainsi 2 possibilit€s : transistor NPN (fig.1) et transistor PNP (fig.2). Les noms des 3 bornes ainsiconstitu€es sont : la base (B), l•€metteur (E) et le collecteur (C). Les repr€sentationssymboliques des transistors informent sur leur type (NPN ou PNP) ainsi que sur le sens descourants (fig.1 et fig.2).

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    IC

    IB

    IE

    Collecteur (C)

    Emetteur (E)

    Base (B)VCE

    VBE

     N

     N

    P

    C

    B

    E

    C

    E

    B

    Fig.1

    IC

    IB

    IE

    Collecteur (C)

    Emetteur (E)

    Base (B)VEC

    VEB

    P

    P

     N

    C

    B

    E

    C

    E

    B

    Fig.2

    Deux jonctions constituent le transistor, jonction que l•on peut assimiler ‚ 2 diodes (entre B-C et B-E) dont le sens d€pend du type de transistor. Ainsi, pour permettre le passage d•uncourant ‚ travers le transistor, il faut d•abord s•assurer de la conduction ou du blocage de ces

     jonctions.On distingue 3 modes de fonctionnement du transistor : le mode lin€aire et non lin€aire (ousatur€ ).

    La courbe ci-contre repr€sentant le courant decollecteur (IC) en fonction du courant de base (IB)

     permet d•identifier ces 3 cas de fonctionnement :— bloqu€ : il n•y a pas de courant dans le

    transistor.— lin€aire : le courant IC est directement

     proportionnel au courant IB.— satur€ : ‚ partir d•un certain courant IB, appel€

    courant de saturation IBsat, le courant IC atteintune valeur maximale, le transistor est dit‹ satur€ Œ.

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    - 24 -

    IBsatIB

    IC

    Fonctionnementnon lin€aire

    Fonctionnementlin€aire

    Bloqu€

    Le transistor peut ‡tre utilis€ dans les trois montages fondamentaux  (€metteur commun,collecteur commun, base commune) et par cons€quent, les courbes caract€ristiques serontfonction du montage particulier examin€.Le transistor poss„de quatre grandeurs €lectriques. Cela apparaŠt ‚ la figure 3.

    Ie Is

    Ve VsCircuitde sortie

    Circuitd'entr€e

    Transistor 

    Fig.3

    De la m‡me faˆon, la tension Vs, appliqu€e entre l•€lectrode de sortie et l•€lectrodecommune, et le courant Is circulant dans l•€lectrode de sortie d€finissent le circuit de sortiedu transistor .

    Une courbe caract€ristique repr€sente la relation entre deux grandeurs €lectriques. Dans lecas pr€sent, il y a quatre grandeurs €lectriques. Il est donc possible de tracer six courbescaract€ristiques (Ve-Ie, Vs-Is, Ve- Is, Vs-Ie, Ve-Vs, Ie-Is).Les quatre grandeurs €lectriques sont toutes d€pendantes l•une de l•autre. Par cons€quent,

     pour un couple de grandeurs donn€, il existe plusieurs caract€ristiques que l•on appelle unr€seau de caract€ristiques.A titre d•exemple soit le couple Vs-Is. Dans un transistor le courant Is est fonction du courant

     Ie ( Is est €galement fonction de la tension Ve puisque celle-ci d€termine Ie). Par cons€quent,il est possible de tracer une courbe caract€ristique pour chaque valeur du courant Ie. Ie est le

     param•tre relatif au r€seau de caract€ristiques Vs-Is.

    II. Relev‚ des courbes caract‚ristiques relatives au montage‚metteur commun d€un transistor NPN au silicium

    € R€aliser le montage d•installation exp€rimental d•apr„s le sch€ma €lectrique,repr€sent€ sur la figure 4, en tenant compte des explications donn€es ci dessous.

    Sch€maLa source de tension E1 polarise en directe la jonction base-€metteur.Le potentiom„tre P permet de faire varier la tension VBE entre la base et l•€metteur .Cette tension VBE est mesur€e avec le multim„tre M2, tandis que le courant de base IB estmesur€ avec le multim„tre M1.

    Ces quatre grandeurs €lectriques sont les deux tensionsVe et Vs, et les deux courants Ie et Is.

     La tension Ve, appliqu€e entre l•€lectrode de commandeet l•€lectrode commune et le courant Ie  parcourantl•€lectrode de commande d€finissent le circuit d‚entr€edu transistor .

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    La r€sistance R B est destin€e pour limiter le courant base.La source de tension E2 r€glable de 0 ‚ 15 V polarise en inverse la jonction collecteur- base.La tension entre le collecteur et l•€metteur VCE est mesur€e avec le multim„tre M4 et lecourant du collecteur avec le multim„tre M3.La r€sistance R C est destin€e pour limiter le courant collecteur.

    MontageLa figure 5 montre un exemple de la disposition des composants sur la plaque perfor€e. Ici :M1 et M3 Ž multim„tres analogiques ; M2 - multim„tre num€rique GDM 352A et M4-multim„tre num€rique GDM 356.

    +

    +

    +

    +

    +

    V

    V

    R B

    R C

    P A

    A

    100 €

    10 k €220 €E1 5 V

    E2 0...15 VM1

    M2

    M3

    M4B

    E

    C

    +

    Fig.4

    Caract€ristique d•entr€e : IB = f(VBE) (couple Ve-Ie, o†  Ie = I  B et Ve = V  BE , param„tre V s = V  CE )

    € CE.1. R€gler la source de tension E2 pour obtenir la tension V CE = 1 V.

    CE.2. En d€plaˆant le potentiom„tre P (pour obtenir les diff€rentes valeurs de  I  B)mesurer la tension V  BE   pour chaque valeur du courant  I  B en jouant tr„s progressivement sur l•alimentation E2 pour maintenir la tension V CE  = 1 V. Lesr€sultats de mesures doivent ‡tre report€s dans le tableau 1.

    € CE.3. Changer la valeur du param„tre V CE  = 5 V et recommencer la m‡me s€rie demesures pour une seconde caract€ristique et ainsi de suite pour remplir le tableau 1.

    € CE.4. Tracer le r€seau des caract€ristiques d•entr€e : V  BE = f(I  B ). Porter la tension V  BE sur l•axe horizontal du rep„re cart€sien, tandis que le courant I  B sur l•axe vertical.

    € CE.5. Constater l•influence de la tension V CE  sur la tension V  BE  ainsi que sur lecourant I  B.

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    P

    R B R C

    BC 140

    M1

    M2

    M4

    M3

    0 +-+-5 V 0...15 V

    +

    +

    +

    +

    Fig.5

    Tableau 1

     I  B (¢A) 10 20 40 60 80 100V CE = 1 V

    V  BE (V)V CE = 5 V

    V  BE (V)V CE = 10 V

    V  BE (V)

    Caract€ristique de sortie : IC = f(VCE) (couple Vs-Is, o†  Is = I C  et V S  = V CE , param„tre Ie= I  B )

    € CS.1. Positionner le potentiom„tre P pour obtenir le courant de base I  B = 10 ¢A.

    € CS.2. Faire varier V CE  en mettant des valeurs de la source de tension E2 comprisesentre 15 V et 0 V.

     Remarque : entre 1 et 0 volts jouer tr„s progressivement sur l•alimentation E2 en ajustant le potentiom„tre P pour maintenir le courant de base I  B = 10 ¢A.

    € CS.3. Pour chaque valeur de V CE  mesurer la valeur du courant  I C  correspondant.reporter les r€sultats de mesures sur le tableau 2.

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    € CS.4. Changer la valeur du param„tre I  B = 20 ¢A et recommencer la m‡me s€rie demesures pour une seconde caract€ristique et ainsi de suite pour remplir le tableau 2.

    € CS.5. Tracer le r€seau des caract€ristiques de sortie :  I C  = f(V CE  ). Porter la tension

    V CE sur l•axe horizontal du rep„re cart€sien, tandis que le courant I C sur l•axe vertical.

    € CS.6. Faire l•analyse du r€seau des caract€ristiques obtenu lorsque VCE est nulle, puislorsque la tension VCE varie l€g„rement et quand la tension VCE atteint un certainseuil.

    Tableau 2

    E2(V)

    15 12 10 8 6 4 2 1 ƒƒƒƒƒ.0

     I  B = 10 ¢AV CE (V) I C

    (mA) I  B = 20 ¢A

    VCE(V) I C

    (mA) I  B = ƒ.¢A

    V CE (V) I C

    (mA) I  B = 100 ¢A

    V CE (V) I C

    (mA)

    Caract€ristiques de transfert en courant :  I C  = f(I  B ) (couple Is- Ie, o†  Is = I C  et Ie=I  B, param„tre Vs = V CE )

    € CTC.1. R€gler la source de tension E2 pour obtenir la tension V CE = 1 V.

    € CTC.2. En d€plaˆant le potentiom„tre P (pour obtenir diff€rentes valeurs de  I  B)mesurer le courant I C  pour chaque valeur du courant I  B en jouant tr„s progressivementsur l•alimentation E2 pour maintenir la tension V CE  = 1 V. Reporter les r€sultats demesures sur le tableau 3.

    € CTC.3. Changer la valeur du param„tre V CE  = 5 V et recommencer la m‡me s€rie demesures pour une seconde caract€ristique et ainsi de suite pour remplir le tableau 3.

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    - 28 -

    € CTC.4. Tracer le r€seau des caract€ristiques de transfert en courant : I C = f(I  B ). Porterle courant I  B sur l•axe horizontal du rep„re cart€sien et le courant I C sur l•axe vertical.

    € CTC.5. Faire l•analyse du r€seau des caract€ristiques  I C = f(I  B ).

    € CTC.6. Calculer la valeur de ƒ  et la comparer ‚ l•indication donn€e par leconstructeur : 50 < ƒ < 200.

    Tableau 3

     I  B (¢A) 10 20 40 60 80 100V CE = 1 V

     I C (mA)V CE = 5 V

     I C (mA)V CE = 10 V

     I C (mA)

    Caract€ristiques de transfert en tension : V  BE  = f(V CE  ) (couple Vs-Ve, o† Vs = V CE et Ve =V  BE , param„tre Ie = I  B)

    € CTT.1. Positionner le potentiom„tre P pour obtenir le courant de base I  B = 10 ¢A.

    € CTT.2. Faire varier V CE  en mettant des valeurs de la source de tension E2 comprisesentre 15 V et 1 V.

    € CTT.3. Pour chaque valeur de V CE  mesurer la valeur de tension V  BE  correspondante.Reporter les r€sultats de mesures sur le tableau 4.

    € CTT.4. Changer la valeur du param„tre I  B = 20 ¢A et recommencer la m‡me s€rie demesures pour une seconde caract€ristique et ainsi de suite pour remplir le tableau 4.

    Tableau 4

    E2 (V) 15 12 10 8 6 4 2 1 I  B = 10 ¢A

    V CE 

    (V)V  BE (V)

     I  B = 20 ¢AV CE (V)V  BE (V)

     I  B = ƒ ¢AV CE 

    (V)V  BE 

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    - 29 -

    (V) I  B = 100 ¢A

    V CE (V)V  BE 

    (V)€ CTT.5. Tracer le r€seau des caract€ristiques de transfert en tension : V  BE  = f(V CE  ).

    Porter la tension V CE  sur l•axe horizontal du rep„re cart€sien et la tension V  BE  surl•axe vertical.

    € CTT.6. Faire l•analyse du r€seau des caract€ristiques V  BE = f(V CE  ).

    Diagramme des caract€ristiques du transistor NPN mont€ en €metteur commun.Tracer les r€seaux caract€ristiques obtenus en CE, CS, CTC et CTT dans les coordonn€esrepr€sent€es sur la figure 6.

    15

    V CE (V)

    V  BE (V)

     I  B (¢A)

    1

    100 50 7,5

    0,5

     I C (mA)

    10

    5  I C = f(V CE ) ‚ I  B constante

    SORTIETRANSFERTEN COURANT

     I C = f( I  B) ‚ V CE constante

    ENTREE

     I  B = f(V  BE ) ‚ V CE constante

    TRANSFERTEN TENSION

    V  BE = f(V CE ) ‚ I  B constante

    Fig.6

    III. Exploitation des caract‚ristiques du transistor bipolaire.

    € Q.1. Pour E2 = 10 V, trouver la relation liant V CE ,  RC ,  I C  et  E2 (loi des mailles).Montrer que cette €quation s•€crit : I C  = kV CE  + b et donner les valeurs num€riques dek et b.

    € Q.2. L•€quation  I C  = kV CE  + b repr€sente une droite qui s•appelle la droite de chargestatique du transistor. Tracer cette droite sur le r€seau obtenu en 2.3e.

    € Q.3. D€terminer alors le point de fonctionnement ( I C ; V CE ) du transistor pour I  B = 100

    ¢A.

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    - 30 -

    € Q.4. Pour V  BE = 0 V, le transistor est dit ‹ bloqu€ Œ. Pourquoi ?

    € Q.5. Pour 0 <  I  B < IBsat, le transistor fonctionne en r€gime lin€aire. Par quoi cela setraduit-il ?

    € Q.6. Pour I  B > IBsat, le transistor est dit ‹ satur€ Œ, donner une explication et donner lavaleur obtenue par V CE au maximum dans cet €tat de fonctionnement.

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    - 31 -

    TP Nƒ05

    POLARISATION D€UN TRANSISTOR BIPOLAIRE

    ButLe but de ce TP est l•€tude des montages de polarisation pour le transistor bipolaire :

    — On commence par mesurer le ƒ du transistor utilis€, ainsi que la valeur minimale desaturation du courant de base I  Bsat .

    — On poursuit avec l•€tude des montages de polarisation du transistor BC 140 (NPN).— On fini avec des calculs de puissances ‚ l•entr€e et ‚ la sortie du transistor.

    Mat‚rielPlaque perfor€e DIN A4 57674 1R€sistance 100 € 2W 57732 2R€sistance 1 k € 5% 1.4W 57744 1R€sistance 10 k € 1% 0.5W 57756 2Potentiom„tre 220 € 3 W 57790 1Potentiom„tre 47 k € 1,5 W 57782 1Transistor BC 140 57876 1Cavalier 50148 3

    Alimentation CC 0ƒ•15 V 52145 1Multim„tre analogique 531120 2Multim„tre num€rique GDM 352A 1Paire de c…bles 50 cm, rouge/bleu 50145 4C…ble d•exp€rience court 20 cm, noir 1

    I. Polarisation du transistor (‚ pr•parer avant TP)

    1.1 Point de repos

    Polariser le transistor, c•est l•amener gr…ce aux alimentations et r€sistances ext€rieures dansun €tat €lectrique donn€. C•est €tat se traduit graphiquement par un point appel€  point derepos (en r€alit€ quatre points correspondant aux quatre types de caract€ristiques).

     Le point de repos QO se situe obligatoirement sur une caract€ristique du transistor car

    celles-ci repr€sentent l‚ensemble des €tats possibles du transistor.

    Ses coordonn€es sont affect€es de l•indice z€ro : I  BO , I CO , U  BEO et U CEO.

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    - 32 -

    1.2 Droite de commande

    On appelle ainsi la droite de charge de l•entr€e du transistor, elle est trac€e dans le rep„re ( I  B ,U  BE ).

    Fig.1

    Son €quation est

     B B B BE  E R I U … ™ (fig.1)

    Soit1  B

     B BE  B B

     E  I U 

     R R… † ™

    Elle coupe les axes aux points de coordonn€es :

    ( I  B = 0, U  BE = E  B) et en (U  BE = 0, I  B = E  B / R B).

    Son intersection avec la caract€ristique d•entr€e fournit le point de repos de l•entr€e de

    coordonn€es  I  BO et U  BEO (fig.1) (on suppose que toutes les caract€ristiques d•entr€e sontconfondues).

    1.3 Droite de charge

    Elle concerne la sortie du transistor, elle est donc trac€e dans le rep„re ( I C , U CE ).

    Fig.2

    Elle a pour €quation

     E = I C  RC + U CE  (fig.2)

    B

    EEB

    IBR B IB

    IBO

    UBEO

    UBE

    E

    EB / R B

    E

    E / R C

    EC

    IC

    E

    IB = IBO

    IC

    UCEUCEO

    ICOQ0

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    - 33 -

    Soit1

    C CE C C 

     E  I U 

     R R… † ™ (1)

    Elle coupe les axes en ( I C = 0, U CE = E ) et en (U CE = 0, I C = E / RC ).Le point de repos Q0 du transistor se situe ‚ l•intersection de la caract€ristique trac€e pour lavaleur particuli„re I  BO de I  B et de la droite de charge statique (1).On en d€duit ses coordonn€es (U CEO, I CO) (fig.2).On trouve €galement I CO en utilisant la caract€ristique de transfert en courant.

     Pour rester le plus possible dans le domaine lin€aire, on cherchera parfois ƒ placer le point

    de repos au milieu de la droite de charge statique.

    1.4 Puissance consomm€e

    Le transistor consomme une puissance €gale ‚ U CB ” I C , entre bornes B et C, et une puissance€gale ‚ U  BE  ”  I  E  entre bornes B et E (fig.3). Toute cette puissance €lectrique est transform€e

    en chaleur par effet Joule.

    Fig.3 Puissance consomm€e par le transistor (En hachur€ : la zone interdite au point de repos).

    La puissance totale consomm€e est :

     P = U CB ” I C  + U  BE  ” I  E 

    Souvent  I  E est voisinage de I C , donc  P ‚ (U CB + U  BE  )I C = U CE  I C 

    Si l•on note  P  MAX  la valeur maximale de la puissance admissible par le transistor, la relation I C = P  MAX  / U CE se repr€sente par une hyperbole dans le r€seau de sortie (fig.3). Le point derepos du transistor doit obligatoirement se situer en deˆ‚ de cette hyperbole.

    1.5 Polarisation du transistor pour l•amplificateur classe A.

     La classe A : le transistor fonction toujours dans le domaine lin€aire ; au repos le point de polarisation a comme coordonn€es ( I CO, U CEO, I  BO, U  BEO).

    B

    E

    CIC

    IE

    IC

    UCE

    P = PMAX

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    - 34 -

    a) Polarisation par r€sistance de base

    Fig.4

    b) Polarisation par r€action de collecteur

    Fig.5

    On montre que  I CO d€pend beaucoup moins de ƒ que dans le cas pr€c€dent. En particulier si R B est n€gligeable devant RC  £, le courant  I CO est ind€pendante de ƒ et vaut :

    OCC BE  

    CO C 

    V U  I 

     R

    †… (4)

    c) Polarisation par pont de base et r€sistance d•€metteurC•est le montage le plus fr€quent. Pour rendre ind€pendant le courant collecteur  I C  desvariations du gainƒ , on utilise un diviseur de tension nomm€ ‹ pont de base Œ.Le pont diviseur maintient constant U  BM  (fig.6a) ‚ condition que les variations du courant

     base I  B puissent ‡tre n€gligeable devant le courant  I 1 qui circule dans les r€sistances du pontde base ( I 1 = entre 5 et 10 fois I  BO).En remplaˆant R 1 et R 2 par le g€n€rateur de Th€venin €quivalent (fig.6b), on tire :

    2 1 2

    1 2 1 2

    ;Th CC Th R R R

     E V R

     R R R R

    … …

    ™ ™Soit : U  BM = E Th - RTh I  BO et si  I  BO

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    - 35 -

    La stabilisation en temp€rature est assur€e par une r€sistance  R E  plac€e en s€rie avecl•€metteur : si la temp€rature augmente, I CO augmente, I  EO augmente, la tension sur l•€metteur

     R E  I  EO augmente, la tension U  BEO diminue en entraŠnant une diminution de  I  BO qui r€tablit lavaleur initiale de I CO.

    a) b)

    Fig.6

    II. Etude exp‚rimentale2.1 D€termination de ƒ et I  Bsat  du transistor

    Le transistor utilis€ BS 140 est un NPN dont le constructeur indique : 100 < ƒ  < 200. Onaimerait avoir une meilleure pr€cision sur ce chiffre, ainsi que la valeur du courant de base I  Bqui d€finit la limite entre la zone lin€aire et la zone de saturation.

    € DB.1. R€aliser le montage d•apr„s le sch€ma €lectrique repr€sent€ sur la figure 7.

    Fig.7

    UCEO

    IBO

    R CR 1

    ICO

    IEO

    +VCC

    R ER 2

    M

    I1

    IBO

    R C

    R ThICO

    IEO

    +VCC

    R E

    ETh

    B

    100 €

    1 k €220 €

    +

    +

    +

    +

    V

    R B

    R C

    P A

    A

    E1 5 V

    E2 0...15 VM1

    M2

    M3B

    E

    C

    +

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    - 36 -

    La figure 8 montre un exemple de disposition des composants sur la plaque perfor€e.

    +

    Fig.8

    € DB.2. Faire v€rifier le montage (par l•enseignant) .

    € DB.3. R€gler la source de tension E2 pour obtenir ‚ la sortie une tension de 10 V.

    € DB.4. En d€plaˆant le potentiom„tre P (pour obtenir diff€rentes valeurs de I  B) mesurer

    le courant  I C  correspondant pour chaque valeur de  I  B ainsi que U CE . Reporter lesr€sultats de mesures sur le tableau 1.

    Tableau 1

     I  B(mA)M1

    0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,5

     I C (mA)M2U CE 

    (V)M3

    P

    R B

    R C

    BC 140

    M1M2

    M3

    0 +-+-

    5 V 0...15 V

    +

    +

    +

    A

    A

    V

    E1 E2

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    - 37 -

    € DB.5. Tracer le graphe I C = f(I  B ) et en d€duire la valeur de ƒ . En d€duire €galement lavaleur de I  Bsat , valeur limite de I  B pour entrer dans le domaine de saturation.

    € DB.6. Pour  I  B > I  Bsat  , mesurer la valeur de V CE .

    2.2 Etude de la polarisation par r€sistance de base

    € PRB.1. R€aliser le montage (fig.9) en modifiant le montage pr€c€dent d•apr„s lesch€ma €lectrique repr€sent€ sur la figure 4. Ici la r€sistance de base  R B est compos€e

     par une r€sistance de 10 k €  branch€e en s€rie avec une r€sistance r€glable P1de 47k €. Faire v€rifier le montage (par l•enseignant) .

    € PRB.2. Tracer l•allure de la droite de charge en utilisant l•€quation (1).

    € PRB.3. Calculer la valeur de la r€sistance de base  R B  pour obtenir  I  BO = 0,4 mA.Utiliser l•€quation (2) en supposant que U  BEO = 0,7 V. V€rifier que  I  BO

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    - 38 -

    € PRB.6. Ajuster la source de tension E2 pour obtenir ‚ la sortie V CC = 10 V.

    € PRB.7. A l•aide du potentiom„tre P1 r€gler le courant de base  I  BO = 0,4 mA.

    € PRB.8. Mesurer ensuit les valeurs de  I CO et U CEO. Placer ce point de reposexp€rimental 'Q0 sur la droite de charge pr€c€demment trac€e en 2.2e.

    € PRB.9. Laisser le montage fonctionner un moment 10 minutes et reprendre lesmesures de I  BO, I CO, et U CEO. Que peut-on constater ?

    € PRB.10. Explique ce ph€nom„ne en consid€rant que ƒ augmente avec la temp€rature.

    € PRB.11. Eteindre la source de tension et mesurer la r€sistance de base R B. Que peut-on constater ?

    2.3 Etude de la polarisation par r€action de collecteur

    € PRC.1. Faire petite modification du montage pr€c€dent (fig.9) d•apr„s le sch€ma de lafigure 5 (d€placer en bas sur une case la r€sistance de 47 k € et un cavalier). Fairev€rifier le montage (par l•enseignant) .

    € PRC.2. Brancher la source de tension et l•ajuster pour obtenir la tension V CC = 10 V.

    € PRC.3. A l•aide du potentiom„tre P1 r€gler le courant de base  I  BO = 0,4 mA.

    € PRC.4. Mesurer ensuit les valeurs de  I CO et U CEO. Placer ce point de repos

    exp€rimental ''Q0 sur la droite de charge pr€c€demment trac€e en 2.2e.

    € PRC.5. Laisser le montage fonctionner un moment 10 minutes et reprendre lesmesures de I  BO, I CO, et U CEO. Que peut-on constater ?

    € PRC.6. Eteindre la source de tension et calculer le courant I CO d•apr„s la formule (3) puis d•apr„s (4). Que peut-on constater ?

    2.4 Etude de la polarisation par r€sistance de base et d•€metteur

    € PBE.1. Suivant le sch€ma €lectrique repr€sent€ sur la figure 6a modifier le montage pr€c€dent comme c•est indiqu€ sur la figure 10. Ici : R1 = R2 = 10 k € et  RC  = R E  =100 €. Faire v€rifier le montage (par l•enseignant) .

    € PBE.2. Pour le sch€ma de la figure 6b calculer les valeurs de E Th et RTh en prenant V CC= 10 V.

    € PBE.3. Donner l•€quation de la droite d•attaque, c•est-‚-dire l•€quation liant U  BE , V CC ,

     RC , R E et I C , sachant que I  E  ¤ I C .

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    - 40 -

    € Q.1. Le point de repos QO est-il au milieu de la droite de charge ?

    € Q.2. Si ƒ augment, le point de repos QO se d€place-t-il ?

    € Q.3. Quel est int€r‡t de ce montage par rapport au pr€c€dent ?

    € PBE.9. Brancher la source de tension et l•ajuster pour obtenir la tension V CC = 10 V.

    € PBE.10. Mesurer les valeur de I  BO, I CO et U CEO.

    € PBE.11. Retrouver la valeur de ƒ .

    € PBE.12. Placer le point de repos exp€rimental 'Q0 sur la droite de charge pr€c€demment trac€e en 2.4h.

    PBE.13. Laisser le montage fonctionner un moment 10 minutes et reprendre lesmesures de I  BO, I CO, et U CEO. Que peut-on constater ?

    € PBE.14. Pour les valeurs mesur€es pr€c€demment calculer :

    — La puissance utile :  P U I CEO CO… ”

    — La puissance de commande : ' P U I  BEO BO… ”

    — Comparer les deux valeurs. Commentaires ?

    III. Exploitation des polarisations du transistor bipolaire

    Le point de fonctionnement d•un transistor bipolaire est d€pendant de la dispersion de son param„tre technologique et de la temp€rature de la jonction €metteur-base. La nature ducircuit de polarisation permettant de ‹ fixer Œ ce point de fonctionnement est, de ce fait, de la

     plus grande importance. Dans ce probl„me consid€rer deux circuit €l€mentaires que l•on peututiliser avec ce composant actif. Il s•agit des circuits de ‹ polarisation par la r€sistance de base(fig.4) Œ et de ‹ polarisation par la r€sistance de base et d•€metteur (fig.6) Œ.Consid€rer le transistor utilis€ dans ce TP donc le gain £ est connu ainsi que U 

     BEO== 0,7 V et

    on impose un courant I CO = 50 mA et V CC = 10 V.

    3.1 Circuit de polarisation par la r€sistance de base (fig.4 et le montage de la figure 8)

    € Q1.1. D€terminer les valeurs de RC  et R B afin que le point de fonctionnement soit situ€au milieu de la droite de charge statique.

    € Q1.2. Calculer la dispersion relative I C 

     I CO

    du courant collecteur pour une variation de

    temp€rature de jonction „T = • 20C. On admettra que :

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    - 41 -

    11% / C 

    ƒ 

    ƒ 

    … ¥

    3.2 Circuit de polarisation par r€sistance de base et d•€metteur (fig.6 et le montage de lafigure 10)

    Le circuit de la figure 6 est ‚ polarisation mixte r€alis€e ‚ l•aide d•un pont de base ( R1 et R2)et d•une r€sistance sur l•€metteur R E .

    € Q2.1 Quelles doivent ‡tre les valeurs de  RC ,  R E ,  R1 et  R2  pour que le point defonctionnement Q0 soit situ€ au milieu de la droite de charge statique et le courantcollecteur soit encore de I CO = 50 mA ?

    € Q2.2. D€terminer la valeur de la dispersion I C 

     I CO

     pour la m‡me variation de

    temp€rature de „T = • 20C.

     Directives pour la solution :

    1. Polarisation pour que le point QO soit situ€ au milieu de la droite de charge et pour

    lequel on souhaite obtenir un courant I CO pr€cis

    1.a -  R•gle du dixi•me : choisir une tension d•€metteur U  EM  approximativement €gale au

    dixi„me de la tension d•alimentation V CC , soit :

    U  EM = 0,1”V CC 

    1.b - Choisir un point QO environ au milieu de la droite de charge statique, soit :

    U CE = 0,5”V CC 

    1.c - Par addition des tensions sur la maille collecteur, il s•ensuit qu•une tension d•environ0,4V CC apparaŠt aux bornes de la r€sistance collecteur, d•o† :

     RC = 4 R E 

    1.d - L•ind€pendance de  I C  par rapport ‚ ƒ  entraŠne la r„gle du R E 

     RTh

    ƒ = 100

    1, d•o† l•on

    choisira le plus petit ƒ auquel on risque d•‡tre confront€ :

     RTh = 0,01ƒ  R E 

    1.e - En sachant que RTh<  R2 soit  RTh ¤  R2 on calcule R1 selon la r„gle de proportionnalit€du diviseur de tension (voire la figure 6a et 6b) :

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    - 42 -

    1 2Th

    V E CC Th

     E  R R

    †…

    2. Dispersion€

    O

    2.a - Polarisation par r€sistance de base

    L•expression permettant le calcul de la variation relative du courant collecteur sera obtenue ‚l•aide de l•€quation suivante (voire l•expression 2) :

    V V CC BEO I I CO BO  R Bƒ ƒ 

    †… …

    En admettant que les termes V CC et R B ne d€pendent pas de la temp€rature, la diff€rentielle del•expression pr€c€dente donnant le courant collecteur s•€crit :

    dI V U  C CC BEO

    d R Bƒ 

    †…

    En passant aux accroissements, il vient :

     I C 

     I CO

    ƒ 

    ƒ 

      …

    2b.- Polarisation par r€sistance de base et d•€metteur 

    Pour €valuer l•influence de la temp€rature sur I CO, on exprime ce courant en fonction de I  BO ‚l•aide de l•€quation (3) :

    ( )OCC BE  

    CO BOC B

    V U  I I 

     R R

    ƒ ƒ 

    ƒ 

    †… …

    On trouve la diff€rentielle de courant I CO en fonction de ƒ :

    ( )22( )dI E U RC Th BEO Th

     Rd  Th  R E ƒ  ƒ 

    ƒ 

    †… † †™

    Ce qui donne, en passant aux accroissements :

     I RC Th

     I R RCO Th E  

    ƒ 

    ƒ ƒ 

      …

    IV. Conclusion

    Faire la conclusion en quelques lignes.

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    - 43 -

    TP Nƒ06

    AMPLIFICATEUR OPERATIONNEL :CARACTERISTIQUES EN COURANT CONTINU

    Buts

    1. D€terminer la r€ponse en tension avec contre-r€action.

    2. D€terminer le facteur d•amplification et le courant de sortie maximum d•un circuit ‚inverseur et analyser le courant dans la branche de contre-r€action.

    3. D€terminer le facteur d•amplification d•un circuit de sommation.

    4. A partir du rapport de l•amplification du signal diff€rentiel ‚ l•amplification ‚ doubleaction, d€terminer le rapport d•att€nuation ‚ double action de l•amplificateur diff€rentiel.

    Mat‚rielPlaque perfor€e DIN A4 57674 1R€sistance 100 € 2W 57732 2Potentiom„tre 1 k € 1 W 57792 1Potentiom„tre 47 k € 1.5 W 57782 1

    R€sistance 4.7 k € 5% 1.4W 57752 2R€sistance 10 k € (soit 15 k €) 1% 0.5W 57756 3Amplificateur op€rationnel 741 57885 1Cavalier 50148 3Alimentation CC 0ƒ•15 V 52145 1Multim„tre analogique 531120 1Multim„tre num€rique GDM 352A 2Paire de c…bles 50 cm, rouge/bleu 50145 6

    I. Caract‚ristiques d€un amplificateur op‚rationnel encourant continu (pr•parer avant TP)

    Un amplificateur op€rationnel (AO) comporte (fig.1):

    — 2 entr€es

    — 1 seule sortie, o† le signal U S est mesur€ par rapport ‚ un point commun.

    l'une inverseuse (-)

    l'autre non inverseuse (+)

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    - 44 -

    — Une source d•alimentation externe ‚ courant continu • 15 V par rapport au point commun.

    L•AO est un amplificateur diff€rentiel ‚ grande gain en boucle ouverte Aol (ol : open loop),c•est-‚-dire en absence de contre-r€action.

    Fig.1

    L•AO id€al ( parfait ) remplit les conditions suivantes :

    — Un gain diff€rentiel infini en boucle ouverte :

    , o† -S ol U 

     A U U … 

    …   ™ †… … ¦ …

    — La tension de sortie est nulle en absence de signal d•entr€e.

    — Les courants sur chaque entr€e sont nuls : I + = I - = 0. L•imp€dance d•entr€e diff€rentiel estinfini : Z e= ¦.

    — Une imp€dance de sortie nulle : Z s = 0. L•AO id€al est €quivalent ‚ la sortie ‚ une source detension U S de r€sistance nulle.

    — L•AO est caract€ris€ par sa r€ponse en tension (tension de sortie en fonction de la tensiondiff€rentielle d•entr€e).La caract€ristique U S = f(… ) comporte 3 zones :U + > U - ‘ U S = + V CC - zone de saturation positiveU + = U - ‘ … = 0 - r€gime lin€aireU + = U - ‘ U S = - V CC - zone de saturation n€gative

    L•AO r€el diff„re sensiblement de l•AO id€al.— Le gain en boucle ouverte n•est pas infini, mais de l•ordre de 104 ‚ 106.

    — L•imp€dance d•entr€e n•est pas non plus infinie, d•o† des courants I+ et I- non nuls.— L•imp€dance de sortie n•est plus nulle, et le courant de charge sera donc limit€.

    +

    -

    Source ‚CC

    +-

    +VCC

    - VCC

    I+

    I-

    U-U+ US

     Point commun

    §

    US

    +VCC

    -VCC

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    - 45 -

    — La sym€trie de l•AO n•est jamais parfaite ce qui signifie qu•une tension nulle enentr€e conduira ‚ une sortie non nulle.

    Les propri€t€s de l•AO sont principalement d€termin€es par le branchement ext€rieur.

    1.1 Amplificateur de tension non inverseur : effets de la r€action. Calcul du gain.

    Dans ce classe d•amplificateur le signal d•entr€e attaque l•entr€e non inverseuse, la r€actionr€injecte un €chantillon de la tension de sortie sur l•entr€e inverseuse … = U+ - U- (fig.2).

    Fig.2

    Donc U S = AclU e : d€finition d•un gain en boucle ferm€e en raison de la contre-r€action Acl(cl : closed loop).Ici l•AO adapte la tension de sortie U S, afin que la tension €chantillonn€e U - soit €gale ‚ latension d•entr€e U e : c•est la contre-r€action.

    1.2 Amplificateur de tension inverseur

    Fig.3

    … = U + Ž U -= 0 ‘ U - = U + = 0 car l•entr€e non inverseuse est connect€e ‚ la masse.

    Le point M (fig.3) est une masse virtuelle, au potentiel de U - ¤ 0, mais o† aucun courant nes‚€coule.

    U R1= U e Ž U - = I R1 R1‘ I R1= U e/ R1 et U R2= U - Ž U S = I R2 R2 car I+ = I-, donc  I R1= I R2 = I .

    Alors :U R2 = Ž U S = IR2

    Donc

    +

    -

    US

    R 1

    R 2Ue U+

    §

    U-

    Dans l•hypoth„se d•un fonctionnement en r€gimelin€aire :U+ = Ue (signal d•attaque) ;

    …  = U e - BU S et 1

    1 2S S 

     RU U BU  

     R R† … …™

    (€chantillonnage de la tension de sortie U S) ;

    ( ) donc (1 )S ol ol S S ol ol  U A A Ue BU U A B A Ue… … … † ™ …soit

    2

    1

    1(1 )

    1ol 

    S cl 

    ol 

     A RU A Ue Ue Ue Ue

     A B B R… … ¤ … ™

    Si le signal de sortie est en phase avec le signald•entr€e pour l•amplificateur non inverseur, il

     peut ‡tre utile dans certaines applicationsd•avoir un signal en opposition de phase.Le sch€ma principal d•un amplificateurinverseue est donn€ par la figure 3.Dans l•hypoth„se d•un r€gime lin€aire … = 0 :

    UR1+

    -

    US

    R 1

    R 2

    Ue U+

    §

    U-Rc

    UR2M

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    2 2

    1 1

    soit , avecS S cl cl   R R

    U Ue U A Ue A R R

    … † … … † (signe ‹ - Œ indique inversion de phase).

    1.3 Amplificateur sommateur inverseur

    Fig. 4

    1.4 Amplificateur diff€rentiel (soustracteur)

    2 2 12 2

    1 2

    0( )

    0 S S 

    U R I   RU U U 

    U R I   R

    † …   ¨‘ … †©

    † …   ª

    — superposition :

    • 1 1 11 2 1 2 1 22 2 2

    ( ) ( )S S S  R R R

    U U U U U U U U U   R R R

    … ™ … † … †

    L•imp€dance d•entr€e Re est finie :

    U e =U 1 ƒ U 2 = R2 I 1 + … - R2 I 2 = R2(I 1 ƒ I 2 ) = R2 I e †  Re = U e /I e = R2.

    L•amplificateur inverseur peut traitersimultan€ment plusieurs entr€es, car l•entr€einverseuse est une masse virtuelle.… = U + Ž U -= 0 ‘ U - = U + = 0

    i

    i

     R i i R i i i

    i i i

    U  U U U U I R I  

     R R R

    ††… ‘ … … …

    U  R = U - -U S  = -U S =IR , ii

     I I … ’

    S i

    i i

     RU U 

     R

    … †’

    US

    U1

    U2

    R 1

    R 2

    Les signaux d•attaque €tant appliqu€s sur les entr€es inverseuse et non inverseuse, les propri€t€s de l•amplificateur inverseur et non inverseur sont exploit€es.En utilisant le th€or„me de superposition on trouve successivement :

    — U 1 = 0, U S = f (U 2)----------------------U + « 0 = U -

    — U 2 = 0, U S = f (U 1)-----------------------

    2 1 11 1 1

    1 2 1 2 2

    ( )S S  R R R

    U U U U U U U   R R R R R

    † ™… … « ‘ …™ ™

    Fig.5 Amplificateur diff€rentiel

    Si on applique le signal U 1  parl•interm€diaire d•un diviseur detension form€ par R 1 = R 4 et R 2 =R 3 on obtient un montage desoustracteur :

    4 11 23 2

    S   R RU U U  R R… †

    §

    USU1U2

    R 1

    R 2

    R 2

    R 1

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    - 47 -

    II. Etude exp‚rimentale

    2.1 Caract€ristique d•un amplificateur de tension non inverseur

    € ANI.1. R€aliser le montage d•apr„s le sch€ma €lectrique de la figure 6. L•exemple de

    disposition des composants sur la plaque perfor€e est repr€sent€ sur la figure 7. Ici : R 1= 4.7 k €, R 2 = 10 k € et les multim„tres M1 et M2 sont num€riques.

    Fig.6

    € ANI.2.Faire v€rifier le montage par l‚enseignant.

    € ANI.3. R€gler la source de tension continue ‚ 15 V.

    € ANI.4. Appliquer ‚ l•entr€e du circuit des tensions U e de valeurs diff€rentes (enutilisant le potentiom„tre P et le multim„tre M1) et mesurer (multim„tre M2) latension de sortie U S.

    € ANI.5. Compl€ter le tableau 1.

    Tableau 1

    U e(V)M1

    -12 -9,0 -7,5 -6,0 -4,5 -3,0 0,0 3,0 4,5 6,0 7,5 9,0 12

    US(V)M2

    +15 V

    -15 V

    +15 V

    -15 V

    P

    100 €

    100 €

    1 k €

    R 2R 1

    VV

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    - 48 -

    Fig.7

    € ANI.6. Tracer sur le document N1 le graphe U S = f(U e).

    € ANI.7. Rep€rer et d€limiter les domaines du r€gime lin€aire et non lin€aire.

    € ANI.8. D€terminer la valeur du gain Acl.

    € ANI.9. Comparer le gain  Acl au terme 2

    1

    1 R

     R™ . En d€duire une relation entre U S, U e et

    les r€sistances R 1 et R 2 en r€gime lin€aire.

    2.2 Caract€ristique d•un amplificateur de tension inverseur

    a) Gain d•un circuit ‚ inverseur

    € AI.1. Modifier le montage pr€c€dent d•apr„s le sch€ma €lectrique de la figure 8.

    0 +-+-5 V 0...15 VE1 E2

    vers +15V 

    R 1

    R 2

    P

    V+

          +

    M2

    V

    M1

    vers-15V 

    +

    -

    vers +15V 

    vers-15V 

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    - 49 -

    Fig.8

    € AI.2. Appeler l‚enseignant avant de continuer .

    € AI.3. En variant ‚ l•aide du potentiom„tre P la tension d•entr€e U e (mesur€e par lemultim„tre M1) mesurer la tension de sortie U S (multim„tre M2) correspondante, puiscompl€ter le tableau 2.

    Tableau 2

    U e(V)M1

    -12 -9,0 -7,5 -6,0 -4,5 -3,0 0,0 3,0 4,5 6,0 7,5 9,0 12

    US(V)M2

    € AI.4. Tracer sur le document N2 le graphe U S = f(U e).

    € AI.5. D€limiter sur le graphe les zones des r€gimes lin€aires et satur€s. Justifier le

    terme ‹ inverseur Œ donn€ ‚ ce montage.

    € AI.6. D€terminer la valeur du gain Acl .

    € AI.7. Comparer le gain Acl au terme 2

    1

     R

     R† . En d€duire une relation entre U S, U e et les

    r€sistances R 1 et R 2 en r€gime lin€aire.b) Courant de sortie maximum d•un amplificateur inverseur

    € AI.8. Modifier le montage pr€c€dent d•apr„s le sch€ma €lectrique de la figure 9.

    L•exemple du montage est donn€ par la figure 10.

    +15 V

    -15 V

    +15 V

    -15 V

    P

    1 k €

    R 2R 1

    VV

    100 €

    100 €

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    - 50 -

    Fig.9

    € AI.9. Appeler l‚enseignant avant de continuer .

    Fig.10

    0 +-+-5 V 0...15 VE1 E2

    vers +15V 

    R 1

    R 2

    P

    V+

          +

    M2

    V

    M1

    vers-15V 

    +

    -

    vers +15V 

    vers-15V 

    P2

    M3

    V

    +15 V

    -15 V

    +15 V

    -15 V

    P

    1 k €

    R 2R 1

    VV

    100 €

    100 €

    4,7 k € 10 k €

    P2

    A

    47 k €

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    - 51 -

    € AI.10. R€gler la source de tension ‚ 15 V.

    € AI.11. Ajuster ‚ l•aide du potentiom„tre P la tension d•entr€e sur 2,0 V (mesur€e parle multim„tre M1).

    € AI.12 Varier ‚ l•aide du potentiom„tre P2 la r€sistance de charge du circuit et

    mesurer le courant de sortie  I S (multim„tre analogique M3) ainsi que la tension desortie U S (M2) correspondante.

    € AI.13. Porter sur le document N3 le graphe de variation U S en fonction de  I S. End€duire la valeur du courant I Smax ‚ partir lequel la tension de sortie commence ‚ varie

    c) Intensit€ de courant dans la branche de contre-r€action

    € AI.14. Modifier l€g„rement le montage pr€c€dent suivant le sch€ma €lectrique de lafigure 11.

    € AI.15. Appeler l‚enseignant avant de continuer .

    € AI.16. R€gler la source de tension ‚ 15 V.

    Fig.11

    € AI.17. Ajuster ‚ l•aide du potentiom„tre P la tension d•entr€e sur 2,0 V (mesur€e parle multim„tre M1).

    € AI.18. Varier ‚ l•aide du potentiom„tre P2 la r€sistance de contre-r€action et mesurerle courant  I G (multim„tre analogique M3) ainsi que la tension de sortie U S (M2)correspondante.

    € AI.19. Compl€ter le tableau 3.

    € AI.20. Porter sur le document N4 le graphe de variation I G en fonction de RG. Remarque : utiliser l•€chelle logarithmique pour l•axe de RG (log10)

    +15 V

    -15 V

    -15 V

    P

    1 k €

    R 1

    100 €

    100 €

    4,7 k €+15 V

    P2

    47 k €

    A

    V V

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    - 52 -

    Tableau 3

    U S(V)M2 -0,1 -1 -4 -8 -10 -11 -11,5 -12,0 -12,8

     I G(mA)

    M3 RG=U S/IG

    € AI.21.Calculer I G d•apr„s la relation :1

    G

    Ue I 

     R… † .

    € AI.22. Faire la conclusion.

    2.3 L•additionneur inverseur

    € AAI.1. R€aliser le montage d•un additionneur suivant le sch€ma €lectrique de la figure12. Ici : R 1 = R 2 = R 3 = 10 k € (soit 15 k €). Exemple de la r€alisation d•un montageest donn€ par la figure 13.

    € AAI.2.  Appeler l‚enseignant pour continuer .

    € AAI.3. Ajuster la source de tension sur 15 V.

    Fig.12

    € AAI.4. En variant la tension U 1 (‚ l•aide du potentiom„tre P dans la plage de -5 ‚ + 5

    V) mesurer la tension de sortie U S correspondante, la tension U 2 €tant constante et€gale ‚ 5 V.

    R 2

    +15 V

    -15 V

    -15 V

    P

    1 k €

    R 1

    100 €

    100 €+15 V

    V V

    R 3

    U1

    U2

    +5 V

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    - 53 -

    Fig.13

    € AAI.5. Reporter dans le tableau 4 r€sultats des mesures.

    € AAI.6. Tracer le graphe de la tension U S en fonction de la somme des tensionsd•entr€es U 1 + U 2.

    € AAI.7. D€terminer ‚ partir de AAI.6 le facteur d•amplification AS et comparer avec larelation reliant U 1, U 2 et U S pour ce type d•amplificateur.

    Tableau 4

    U 1(V)M1 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5

    U S(V)M2

    0 +-+-5 V 0...15 VE1 E2

    vers +15V 

    R 1

    R 3

    P V

    +      +

    M2

    VM1

    vers-15V 

    +

    -

    vers +15V 

    vers-15V 

    R 2

    vers 0 V 

    vers 0 V 

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    - 54 -

    2.4 Circuit en amplificateur diff€rentiel

    € AD.1. R€aliser le montage d•un amplificateur diff€rentiel en modifiant l€g„rement lemontage pr€c€dent suivant le sch€ma €lectrique de la figure 14. Ici : R 1 = R•1 = 4.7k €et R 2= R•2 = 10 k €.

    Fig.14

    € AD.2. Appeler l‚enseignant pour continuer .

    € AD.3. Ajuster la source de tension sur 15 V.

    € AD.4. En variant la tension U 1 (‚ l•aide du potentiom„tre P dans la plage de -2 ‚ + 10V) mesurer la tension de sortie U S correspondante, la tension U 2 €tant constante et€gale ‚ 5 V.

    € AD.5. Reporter les r€sultats des mesures dans le tableau 5.

    Tableau 5

    U 1(V)M1 -2 -1 0 2 4 6 8 10

    U S(V)M2

    € AD.6. Tracer le graphe de la tension U S en fonction de la diff€rence des tensions U 2 Ž U 1.

    € AD.7. D€terminer ‚ partir de AD.6 le facteur d•amplification AD et comparer avec larelation reliant U 1, U 2 et U S pour ce type d•amplificateur.

    € AD.8. D€connecter la source de tension + 5 V et ‚ l•aide d•un cavalier r€aliser lemontage o† U 1 = U 2.

    R'2

    +15 V

    -15 V

    -15 V

    P

    1 k €

    R 1

    100 €

    100 €+15 V

    V V

    U1

    U2

    R'1

    R 2

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    € AD.9. Appeler l‚enseignant  pour v€rifier le montage.

    € AD.10. En variant la tension U 1 (‚ l•aide du potentiom„tre P dans la plage de -10 ‚ +10 V) mesurer la tension de sortie U S correspondante.

    € AD.11. Reporter les r€sultats des mesures dans le tableau 6.

    Tableau 6

    U 1 (V)M1 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10

    U S(mV)M2

    € AD.12. Tracer le graphe de la tension U S en fonction de la tension U 1. En d€duire lefacteur d•amplification d•€quisignal (gain d•€quisinal)  AG le quotient de U S  par U 1

     pour U 1 = U 2.

    € AD.13. Calculer ensuit le facteur d•att€nuation ‚ double action ¬ suivant l•€quation :

    20log  D

    G

     A

     A‡  … (dB)

    III. Conclusion g‚n‚rale sur AO (en quelques lignes)

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    TP Nƒ07

    UTILISATION DE L€OSCILLOSCOPE ET DUGENERATEUR DE FONCTIONS

    ButSe familiariser avec l•utilisation de l•oscilloscope et du g€n€rateur de fonctions parinterm€diaire de montages simples.

    Mat‚rielAlimentation CC 0ƒ•15 V 52145 1Multim„tre num€rique GDM 352A 1Oscilloscope analogique HM303-6 1G€n€rateur de fonctions GFG-8020H 1C…ble de mesure BNC/fiche 4 mm 57524 1Connecteur BNC/fiche 4 mm 1Paire de c…bles 50 cm, rouge/bleu 50145 1

    I. Introduction

    1.1. L•oscilloscope analogique ‚ tube cathodique HM303-6 (voir annexe, page 61)

    L'oscilloscope analogique permet de suivre sur un €cran l'€volution d'un signal €lectrique entemps r€el, et d'en mesurer les caract€ristiques principales tels que l'amplitude, la p€riode, led€phasage...Son €l€ment de base est (voir figure ci-dessous) : le tube cathodique, une ampoule de verremaintenue sous vide,contenant le canon ‚ €lectrons qui sont €mis par un filament surchauff€,

     ph€nom„ne appel€ €mission thermo€lectronique et une s€rie d'€lectrodes port€es ‚ un potentiel positif. Gr…ce ‚ celles-ci les €lectrons sont concentr€s puis acc€l€r€s pour former unfaisceau dirig€ vers la face avant du tube, qui fait office d'€cran de l'oscilloscope. Sa surfacefluorescente, au point d'impact, transforme l'€nergie du faisceau d'€lectrons en €nergielumineuse pour former ce qu'on appelle commun€ment le spot.

    De part et d'autre du trajet du faisceau, en amont de l'€cran de visualisation, des plaqueshorizontales et verticales port€es ‚ un potentiel variable ont pour fonction de faire d€vier letrajet du faisceau, vers le haut ou vers le bas, vers la droite ou vers la gauche. Ces d€viationssont proportionnelles aux diff€rences de potentiels auxquelles sont port€es les plaques.Ce syst„me permet de faire d€crire au spot  sur l'€cran une trajectoire directementrepr€sentative du signal ‚ €tudier si la tension de celui-ci alimente les plaques horizontales etsi chacune des valeurs de la tension v(t) d€finit une position du spot  prenant en compte lesvariations du temps.Pour permettre de mesurer les principales caract€ristiques €lectriques de ce signal, l'€cran de

    l'oscilloscope est muni d'un r€ticule grav€, constitu€ de 11 lignes verticales et de 9 ligneshorizontales, qui constituent une grille de r€f€rence.

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    Le systƒme de d€viation verticale de l'oscilloscope reˆoit les variations de tension du signald'entr€e (INPUT CHI et INPUT CH II) afin de les visualiser sur l'€cran (axe Y). Son gain

     permet de d€finir la sensibilit€ verticale, exprim€e en volt par division (VOLTS/DIV.). Plus lagamme de sensibilit€ d'un oscilloscope est €tendue, plus ses capacit€s d'analyse sont grandes;

    elle varie ici de 5mV ‚ 20 V  par division dans la s€quence impos€e 1-2-5 (5 mV-10mV-20mV-50mV-100mV-200mV...).

    Le systƒme de d€viation horizontale de l'oscilloscope analogique contr‰le les vitesses de balayage du spot lumineux ‚ l'€cran. Le syst„me est constitu€ d'un g€n€rateur de signal "dentde scie" (ou rampe) conˆu pour que le d€placement du spot soit une fonction lin€aire dutemps.C'est la raison pour laquelle le syst„me horizontal d'un oscilloscope est appel€ base de temps.Suivant la vitesse de balayage choisie, le signal d'entr€e est observ€ ‚ intervalles plus oumoins longs. Pour un signal de fr€quence donn€e, l'augmentation de la vitesse de balayage setraduit par une dilatation horizontale de sa repr€sentation ‚ l'€cran.

    Le commutateur TIME/DIV qui sert au r€glage est gradu€ en s/div. Comme pour le syst„mevertical, le r€glage du syst„me horizontal se r€f„re directement au syst„me de divisions del'€cran. La vitesse de balayage varie ici de 0,1 s ‚ 0,2 s par division dans la m‡me s€quence1-2-5.Le systƒme de d€clenchement est d'assurer une relation entre le signal ‚ mesurer et leg€n€rateur de balayage, afin que le spot lumineux d€marre toujours au m‡me endroit du signal(sinon on se retrouve ‚ l'€cran avec plusieurs traces du m‡me signal non superposables).Pour fonctionner, ce syst„me requiert un signal de d€clenchement qui peut ‡tre aussi bien lesignal €tudi€ lui-m‡me qu'un signal externe (on appelle ce signal source de d€clenchementTRIG.EXT).Il faut en outre d€finir un point de d€clenchement sur ce signal. La position de ce point est

    d€fini par deux param„tres: la pente, positive ou n€gative Ž touche SLOPE le niveau detension - bouton LEVEL.

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    Lorsque le circuit de d€clenchement "reconnaŠt" le niveau de tension et la pente choisie, leg€n€rateur de balayage est automatiquement d€clench€ et une partie du signal est visualis€e ‚l'€cran.

    1.2. Le g€n€rateur de fonctions GFG-8020H (Fig.1)

    Il d€livre des signaux sinuso„daux, triangulaires et rectangulaires dont la fr€quence estr€glable en sept gammes logarithmiques de 1 Hz ‚ 1 MHz.

    Le signal d€sir€ peut ‡tre s€lectionn€ en appuyant sur la touche correspondante ducommutateur FUNCTION.

    Les gammes de fr€quence peuvent ‡tre s€lectionn€es en appuyant sur la touchecorrespondante du commutateur RANGE Hz.

    La fr€quence souhait€e peut alors ‡tre ajust€e avec le bouton FREQUENCY en gros

    (COARSE) et en fine (FINE).

    Le signal est conduit vers la douille OUTPUT 50‚ par le potentiom„tre AMPL, l'amplificateur et l'att€nuateur. La tension de sortie est r€glable de faˆon continue jusqu'‚ 20 V cr‡te ‚ cr‡te et

     peut ‡tre att€nu€e de 20 dB (bouton AMPLI tir€e). Cette att€nuation, dans le cas d'un signalmixte, diminue en m…me temps et dans le m…me rapport l'amplitude de la tensioncontinue.

    Fig.1La sortie TTL( bouton enfonc€e) / CMOS (bouton tir€e) donne uniquement en sortie, unsignal en cr€neaux.

    Le g€n€rateur peut d€livrer une tension continue r€glable utilis€e comme tension d'offsetadditionn€e au signal de sortie s€lectionn€. On utilise alors la commande OFFSET (boutontir€e).

    Le bouton DUTY (bouton tir€e) permet de modifier le rapport cyclique d•un signal encr€neau.

    FUNCTIONRANGE HzFUNCTION GENERATEOR

    DUTY OFFSET TTL AMPL

    FREQUENCY

    FINECOARSE

    PWR 1 M 100 k 10k 1k 100 110

    INPUT

    VCF

    OUTPUT

    TTL / CMOSOUTPUT

    50 €

    MODEL GFG 8020H

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    II. Exp‚rimentation de l€oscilloscope et du g‚n‚rateur de fonctions

    2.1. Mise en service et r‚glage de l€oscilloscope (voir la notice correspondantedisponible dans le laboratoire).

    2.1.1 Recommandations avant mise sous tension :

    a) V€rifier que toutes les touches sont sorties.

     b) V€rifier que les boutons rotatifs de ‹ r€glage continu de l•att€nuateur d•entr€e Œ etsont en position calibr€e soit : 14, 19,25 en but€e ‚ droite et de ‹inhibition Œ 23 enbut€ ‚ gauche.

    c) Mettre les boutons de ‹ d€calage Œ Y- POS. I (5), Y- POS. (8), X- POS. (11) et de‹ niveau Œ LEVEL (10) en position m€diane (trait des boutons vers le haut).

    d) Mettre le ‹ s€lecteur de d€clenchement Œ TRIG. MODE (20) en position haute AC.

    e) Mettre le bouton rotatif ‹base de temps Œ ou ‹ balayage Œ TIME/DIV. (24) en position interm€diaire, 1 ms par exemple.

    2.1.2. Mise en route et r€glage :

    a) Appuyer d•abord sur touche de masse (30) et (34) des voies CH I et CH II.

     b) Mettre sous tension, une trace apparaŠt : sinon les points du 1 (recommandations).

    c) R€gler la luminosit€ et la finesse de la trace ‚ l•aide des boutons INTENS (2),FOCUS (4).

    d) R€gler la position horizontale de la trace avec le bouton Y- POSE. I (5).

    e) Enfoncer la touche CHI/II (15) : une autre trace apparaŠt puis faire comme en 2d pourCH II.

    f) appuyer sur la touche DUAL (16). Constater.

    2.1.3. La base de temps (ou balayage)

    2.. Tourner le bouton TIME/DIV. (24) compl€ment ‚ gauche, puis revenir sur 1 ms.Constater.

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     b) Appuyer sur le bouton X-Y (26) ; constater puis revenir rapidement  sur1 ms.

    ATTANTION   Ne pas rester dans cette position en absence de signal 

     pour ne pas endommager l‚€cran.

    2.2. Mesure d€une tension continue

    2.2.1. Connexion

    a) Pour le branchement (fig.2), on utilise un c…ble coaxial de mesure ‚ placer sur la prise INPUT CH I (28) ou (et) INPUT CH II (32).

     b) On peut utiliser un connecteur BNC et deux fils simple (rouge et noire ou bleu).

    c) Attention : sortie noire du c…ble de mesure ou du connecteur BNC est reli€ avec lamasse de l•oscilloscope.

    2.2.2. Tension aux bornes d•une source de tension conti