Electronique-M1

2008/2009

Electronique 1

Répartition horaire : cours : 1 H TD : 14H

TP : 20H

Auteurs du document :

André Bétemps

Responsables du document :

André Bétemps

Intervenants

André Bétemps Myriam Chesneau Sylvain Boyer Claudine Guérini Jorge Ortiz

Dernière mise à jour : 01/01/2009

http://www.mph.univ-savoie.fr/

http://www.iut-annecy.fr/

IUT d'Annecy Département Mesures Physiques Bétemps André MPh1 2008/09

ELECTRONIQUE module 1

Fiches de COURS Cours n°1: FONCTION DE TRANSFERT page n°1

Cours n°2: DIAGRAMME DE BODE page n°2

Cours n°3: AMPLIFICATEUR OPERATIONNEL page n°5

Cours n°4: Intégré au TD n°4

Cours n°5: LA DIODE DE REDRESSEMENT page n°7

Cours n°6: LE TRANSISTOR BIPOLAIRE PREMIERE PARTIE page n°8

Cours n°7: LE TRANSISTOR BIPOLAIRE DEUXIEME PARTIE page n°10

Compléments sur la diode et les transistors

TD TD n°1: FONCTION DE TRANSFERT page n°1

TD n°2: DIAGRAMME DE BODE page n°3

TD n°3: AMPLIFICATEUR OPERATIONNEL page n°5

TD n°4: MONTAGES à AMPLI OP page n°7

TD n°5: LA DIODE DE REDRESSEMENT page n°9

TD n°6: LE TRANSISTOR BIPOLAIRE PREMIERE PARTIE page n°11

TD n°7: LE TRANSISTOR BIPOLAIRE DEUXIEME PARTIE page n°12

TP TP 1 : Diagramme de BODE page n°1

TP 2 : AMPLIFICATEUR OPERATIONNEL page n° 4

TP 3 : REDRESSEMENT page n° 6

TP 4 : UTILISATION DU TRANSISTOR BIPOLAIRE page n° 10

TP 5 : FILTRES ACTIFS page n° 14

En fin de poly : • Test 2006/07 sans la solution pour vous forcer à le faire à plusieurs et vérifier vos

résultats entre vous. • Test 2007/08 avec correction

2008-2009 Fiche de cours d'ELECTRONIQUE MPh 1

Cours N°1 FONCTION DE TRANSFERT

1. PREREQUIS : à lire AVANT le TD 1.1. NOTATION COMPLEXE

en régime permanent sinusoïdal : )tcos(2I)tcos(I)t(i

)tcos(2V)tcos(V)t(v

M

M

ϕ+ω=ϕ+ω=

ω=ω=

à chaque grandeur instantanée on associe une grandeur complexe telle que :

v(t)=ℜe(V) avec V=VM =Vejwt ejwt2 (si v(t) sinus alors v(t)=ℑm((V))

i(t)=ℜe(I) avec I=IM =Ie wtj )( ϕ+ e wtj2 )( ϕ+ Remarque :

En électrotechnique vu que la fréquence est fixe et que les appareils de mesure fournissent une valeur efficace, on utilise des expressions simplifiées (amplitudes complexes associées) et ainsi on associe V à v(t) et I e à i(t). jϕ

1.2. IMPEDANCE COMPLEXE

on définit : IVZ = pour une pulsation ω donnée, ω = 2πf.

IUT d'Annecy Département Mesures Physiques André Bétemps page n°1

RZ

R= ωjCZ

C1= ωjLZ

L=

Faire le 1. de la fiche d'exercices AVANT d'arriver en TD.

2. FONCTION DE TRANSFERT

ve(t), et vs(t), sinusoïdales de même pulsation ω = 2πf régime linéaire, ni saturation, ni distorsion

e

s

VV

)j(H =ω

Exemple : Filtre passe-haut

Physiquement : si f →0 schéma équivalent si f → ∞ schéma équivalent passe les " ………" coupe les "………."

Calcul littéral de H(jω):

quadripôle linéaire

Vérification cohérence du résultat : si f →0 H ~ … si f → H ~… ∞


Cours N°2 DIAGRAMME DE BODE

1. REPRESENTATION GRAPHIQUE

[ ] radiansourésdegenHArgPhase

décibelsenHlog20HGaindB

=Φ→

=→ en fonction de log (f) Fonction de transfert

échelle logarithmique : on représente log (f) mais on note en abscisse la fréquence et non son logarithme.

-1 0 1 2 3 log(f/1)

0,1 1 10 100 1 (Hz)

intérêt de la représentation :

21HHH ×=

2121

dB2dB12121dBdB

HArgHArg)HH(Arg)H(Arg

HHHlog20Hlog20HHlog20HHlog20H

+=×==Φ

+=+=×===

⇒ Les fonctions de transfert sont décomposées en produit de fonctions de transfert bien connues (forme canonique), puis on somme les diagrammes de Bode de chaque partie, en gain et en phase. Faire les exercices 2 et 3

2. DIAGRAMMES DE BODE DES FONCTIONS DU PREMIER ORDRE

H0

Conclusion : Différence entre

H et HdB (>ou <0 ?)

H1

HdB

f (log) f (log)

Arg H

f0

HdB

f (log) f (log)

Arg H



H2

H3

Compléments : Tracé réel de H3

Calculer H3dB pour f=f

HdB

f (log) f (log)

Arg H

B 0/2 puis puis faire de même

Justifier le nom de tracé

f0 puis 2f0 pour arg(H3)


asymptotique

HdB

f (log) f (log)

Arg H

H4

HdB

f (log) f (log)

Arg H


3. COMPOSITION DE DIAGRAMMES

100fj1

1

10fj1

1"H'H)f(H+

×+

=×= "'

"H'HHdBdBdB

Φ+Φ=Φ

+=

f (log) Hz 1 10 100 1 k

- 40 dB

- 60 dB

- 20 dB

0 dB calcul de quelques points du diagramme du gain réel: f = 10 Hz H


dB = f = 100 Hz HdB =

0 ° 1 10 100 1 k

- 90 °

- 180 °

calcul de quelques points du diagramme de phase réel f = 1 Hz, Φ = f = 10 Hz, Φ = f = 100 Hz, Φ = f = 1 kHz, Φ=


Cours N°3 AMPLIFICATEUR OPERATIONNEL


1. ROLE DE L'AMPLI OP EN ELECTRONIQUE Un amplificateur opérationnel est un composant électronique qui :

• s'alimente par deux sources de tension symétriques Réf/-Vcc et Réf/+Vcc avec la plupart du temps Réf=0V et Vcc=12V.

• Il réalise l'opération Vs = Ad (e+ - e-) = Ad ε, mais Ad est si grand que : o si on connecte directement les signaux sur les entrées, il se comporte comme un comparateur de tension o si on réalise un rebouclage de l'entrée - sur la sortie, on obtient une relation linéaire (amplification) entre le

signal qu'on injecte en entrée et celui qu'on recueille en sortie. o si on réalise un rebouclage de l'entrée + sur la sortie, il se comporte comme un comparateur de tension à deux

seuils.

2. MODELE Si on veut être capable de prévoir théoriquement l'évolution de la sortie pour un signal d'entrée connu, il faut à partir des caractéristiques essentielles du composant lui associer un modèle qui est l'association de dipôles électriques simples. Pour l'ampli op d'usage courant, les caractéristiques essentielles sont :

• Ad≈3.105 à 10Hz puis diminue quand la fréquence augmente (Ad≈1 à 3MHz). Pour le modèle on considère que Ad→ ∞ ∀ fréquence

• Si on alimente le circuit en -12/0/+12V la tension en sortie ne peut pas dépasser +/-≈11 V On définit alors Vs max = Vsat ≈ 0,9 Vcc et

Vsmin = - Vsat ≈ - 0,9 Vcc. • Le seul courant que le circuit absorbe est fourni

par les alimentations symétriques et on a i+ = i - = 0 On en déduit le modèle électrique suivant :

avec Rd= ∞ , Rs=0, Ad= ∞ d'où

3. CARACTERISTIQUE ENTREE / SORTIE

montages linéaires en contre réaction :

e+ = e- ε = 0 Ad → ∞ montages non-linéaires en boucle

ouverte saturation :

si ε > 0 vs = Vsat, si ε <0 vs = - Vsat

caractéristique statique entrée / sortie

ε Ad.ε Rs

Rd

+Vcc

+

-Vcc

e ε+

Vs

- e-

-

+

ε

i+

i -

ε Ad.ε VS


4. METHODE D'ETUDE SUR LE MONTAGE AMPLIFACTEUR INVERSEUR

+

- ve

vs

R1

R2

Je constate que la sortie est bouclée sur l'entrée inverseuse, par l'intermédiaire d'un dipôle donc je pose : • ε=0 en fléchant directement cette tension sur le schéma.

Vu que i+ = i- = 0, je peux déduire que : • le courant qui traverse R1 est le même que celui qui traverse R2

Je peux maintenant réaliser ci-dessous un schéma équivalent électrique du montage en enlevant l'ampli op mais en gardant évidemment toutes les contraintes qu'il a imposées notamment ε=0 donc e-=0V. Remarque importante : A partir du schéma électrique équivalent à vous d'utiliser la méthode qui vous convient le mieux : • soit les lois des noeuds et des mailles qui est la méthode de base mais qui ne réserve pas de surprise • soit Millmann qui est une méthode plus systématique donc plus rapide mais où des oublis sont fréquents (impédance

cachée ou reliée au 0V)

Méthode Lois des noeuds et mailles Méthode Millmann


J'en déduis alors que Vs= -RR

12 Ve d'où le nom amplificateur inverseur.

5. L'AUTRE MONTAGE DE BASE Amplificateur non inverseur

-

+

ve

vsR1

R2

d'où Vs=

Montage suiveur R1= et R2= d'où Vs= Utilité ?

-

+ vv se


Cours N°5 LA DIODE DE REDRESSEMENT

1. PREREQUIS⇒⇒faire le 1 de la fiche d'exercices AVANT d'arriver en TD

2. FONCTIONNEMENT : ANALOGIE HYDRAULIQUE La diode est comparable à un tronçon de canalisation qui ne laisse passer le liquide que dans un seul sens. Nous considérerons : • Au paragraphe 3. que ce tronçon de canalisation n'entraîne aucune chute de pression (seuil nul) • Au paragraphe 4. que ce tronçon de canalisation introduit une perte de charge (seuil de 0,6V)

3. DIODE = INTERRUPTEUR UNIDIRECTIONNEL


ILa diode est un composant électronique qui ne laisse passer le courant que dans un seul sens La diode ne peut donc prendre que deux états distincts : U

Diode conductrice ou passante Diode bloquée Symbole électrique (fil ou interrupteur fermé) (interrupteur ouvert)

I>0

U=0

I=0

U

I=0

U<0

ou Démarche à suivre :

Hypothèse : Diode passante

Calcul de I en remplaçant dans le

montage la diode par son schéma équivalent

I >0 ? Hypothèse fausse Diode bloquée

Hypothèse exacte Diode passante

Et elle conduira tant que I>0

oui

On pourrait supposer au départ la diode bloquée puis vérifier U<0, mais conduit souvent à des montages moins intuitifs.

Faire le 2. de la fiche d'exercices

4. DIODE = INTERRUPTEUR UNIDIRECTIONNEL AVEC UN SEUIL DE CONDUCTION Quelquefois un modèle plus complet est nécessaire pour expliquer ou prévoir les formes d’ondes obtenues. On considère alors que lorsque l’interrupteur est fermé il a un seuil de 0,6V. On dit qu’il est équivalent non plus à un fil mais à une fcem de 0,6V. La diode ne peut donc prendre que deux états distincts :

Diode conductrice ou passante Diode bloquée (fcem de 0,6V) (interrupteur ouvert)

I=0

U

I=0

U<0,6V

ouI>0

U=0,6V

Démarche à suivre : La démarche est la même que précédemment sauf que dans le schéma équivalent électrique la diode n'est plus remplacée par un fil mais par une fcem de 0,6V. Faire les 3. 4. et 5. de la fiche d'exercices


Cours N°6 LE TRANSISTOR BIPOLAIRE PREMIERE PARTIE


2. FONCTIONNEMENT : ANALOGIE HYDRAULIQUE Le transistor est comparable à :

• Soit on ouvre plus ou moins la vanne pour contrôler le débit C'est le transistor en régime linéaire • Soit on utilise cette vanne en tout ou rien c'est à dire :

• vanne fermée. • vanne ouverte à fond.

C'est le transistor en Tout Ou Rien (TOR)

3. LE TRANSISTOR et ses 3 schémas électriques équivalents A la différence de la diode :

• Le transistor possède une broche de plus qui permet de contrôler l'intensité du courant qui le traverse. Comme la diode :

• Le transistor est un composant électronique qui ne laisse passer le courant que dans un seul sens et qui peut être équivalent à un interrupteur ouvert ou fermé (modèle TOR)

Le symbole électrique du transistor est : C


• Le transistor NPN Le petit courant qui circule de B vers E contrôle le fort courant entre C et E

La flèche entre B et E est importante car physiquement il y a une diode entre B et E et le sens de la flèche rappelle le sens de la diode donc du courant (>0).

• Le transistor PNP C'est le petit frère du précédent, la différence se situant au niveau du sens des courants : Le petit courant qui circule de E vers B contrôle le fort courant entre E et C

La flèche entre E et B est importante car par rapport au précédent la diode entre B et E est dans l'autre sens. Pour le NPN, le courant entre par la base, pour le PNP, le courant sort de la base. Les 3 schémas équivalents pour le transistor NPN sont :

Transistor passant Transistor saturé Transistor bloqué (régime linéaire) (fil ou interrupteur fermé) (interrupteur ouvert)

Pour le transistor PNP, VEC on aura aussi les 3 schémas équivalents avec VEC au lieu de VCE

Ic≠βIB (et Ic<βIB)

VCE=0

Ic=0

VCE

B

E

C B

B

E

C

B

E

C

VCEB

E

C

Ic

B

E

C

IB

Ic E Ib

B

E

C

Ic=β IB

IB ≠ 0

OU

IB = 0

VCE>0


Démarche à suivre :

Hypothèse 1 exacte Hypothèse 2 fausse

Transistor saturé

VCE = 0 et IC ≠ βIB

Calcul de Ic par la maille de sortie

(celle qui passe par VCE)

IB > 0 ?

Hypothèse 1 fausse

Transistor bloqué

alors IB = 0

Hypothèse 2 : IC = βIB Calcul de IC

Calcul de VCE ou VEC pour PNP

VCE >0 ?

Hypothèse 1 et 2 exacte

Transistor passant

Hypothèse 1 : transistor passant, VBE = 0,6

V

Calcul de IB par la maille d’entrée

(celle qui passe par VBE)

oui

oui

Montage de base et analogie hydraulique : réservoir ≈Vcc

∅ ≈ Rc


RC

RB Vcc Vs

Ve On a Vcc=12V,β=150, RB=10kΩ; Compléter le tableau suivant : B

Ve RC IB IB C VCE État du transistor De quel élément

dépend cet état 0 inconnue

0,4 inconnue

1 1kΩ

1 10kΩ

5 1kΩ



Cours N°7 LE TRANSISTOR BIPOLAIRE (DEUXIEME PARTIE)


Quand on utilise le transistor en régime linéaire, la relation de proportionnalité entre IB et Ic permet de réaliser :

• une amplification de tension • une amplification de courant

2. CAS OU ON UTILISE UN TRANSISTOR POUR DEBITER PLUS DE COURANT (SORTIE SUR L'EMETTEUR)

Position du problème : Soit le montage suivant Ve est un générateur de tension qui peut débiter au maximum un

Ie Is

Ve Vs

courant de 100mA. Les caractéristiques de l'ampoule sont 12V / 4W.

Peut-on allumer l'ampoule ?

Ve est le même générateur que précédemment L'alimentation Vcc vaut 12V et peut débiter jusqu'à 2A. Pour les calculs l'ampoule est simulée par une résistance R. Ie Calculer la valeur de R.

On suppose que le transistor est saturé, calculer la valeur de Is et préciser si l'ampoule peut s'allumer. Si β=150, calculer la valeur minimum à donner à Ve pour saturer le transistor.

Faire le 2. de la fiche d'exercices A noter que tout ce qui a été réalisé ici pour le NPN peut être appliqué au PNP par exemple lorsque Ve est inférieur à 0.

3. CAS OU ON UTILISE UN TRANSISTOR POUR AMPLIFIER UNE TENSION (SORTIE SUR LE COLLECTEUR)

Ce montage doit vous rappeler le montage étudié dans la fiche de cours du TD précédent. On a Vcc=12V, RB=10kΩ, RB C=1kΩ et β=150. Calculer la valeur de Vs pour Ve=0V; 0,4V; 0,7V; 1V; 1,3V; 5V Positionner les points calculés précédemment sur le graphe ci-dessous Vs=f(Ve).

Relier les points précédents en supposant que la caractéristique Vs=f(Ve) est constituée de 3 segments de droite. Tracer l'allure du signal Vs si Ve=1+0,3 sin wt et justifier le terme amplification en tension .

Vcc RB

RC

Ve Vs

Vcc Is

1kΩ

Ve Vs



Calcul littéral de l'amplification : On suppose que le transistor fonctionne en linéaire On pose Ve=Ve1, calculer Vs1 en fonction de Ve1 et des éléments du montage. On pose Ve=Ve2>Ve1, calculer Vs2. Déduire l'expression de (Vs2-Vs1)/(Ve2-Ve1).

4. CARACTERISTIQUE DU TRANSISTOR Dans la pratique on trace la caractéristique Ic=f(Vce) du transistor ce qui permet sur un seul graphe de représenter ses trois modes de fonctionnement.

Ib=0

Ib2

Ic1=β Ib1

Vce

Ib1

Ic

Ic2=β Ib2

5. Pour vous entraîner chez vous... On donne Vcc = 12 V et β = 200. Pour chaque montage, déterminer l’état de fonctionnement du transistor. Vcc

4 kΩ

1000 kΩ

Vcc

4 kΩ

0,5 kΩ

100 kΩ

Vcc

10 kΩ

100 kΩ

1 kΩ

1

ELECTRONIQUECompléments sur la diode et les transistors

2

De l’atome au matériau• Le tableau de Mendeleïev :

– Sur une même colonne, même structure électronique externe– Les colonnes de gauche à droite traduisent le remplissage progressif des couches

électroniques d’où une augmentation de l’électronégativité

• Les atomes s’associent en fonction de leur position dans ce tableau :– Liaison covalente : mise en commun d’un doublet d’électrons entre deux atomes

d’électronégativité comparable (« partage équitable d’électrons»)– Liaison ionique : attraction électrostatique entre deux ions d’électronégativité très

différentes (« l’atome le moins électronégatif cède un électron »)– Liaison métallique : mise en commun d’un nuage d’électrons délocalisé

– Et aussi mais ne nous concerne pas ici, • Liaison hydrogène (comme dans l’eau, la glace, ciment...)• Liaison de Van der Waals (argile, graphite, polymères organiques…)

3

Conducteur / Semi-conducteur / Isolant

•a: Conducteur•b: Isolant•c: Semi-conducteur

•Ef: Energie maximale (Fermi) des états occupés par les électrons au zéro absolu

Bande de ConductionBande Interdite (Eg au minimum pour la franchir)

Bande de Valence

4

Exemple de conducteur et d’isolant

• Le cuivre – 1e- sur sa couche périphérique– Cristallise dans le système cubique, réseau faces centrées

• 1e- libre de se déplacer par atome• D’où un nuage d’électrons libres de se déplacer

– Le niveau de Fermi se situe dans la bande de conduction

• Le diamant – Carbone cristallisé dans le système cubique, réseau faces centrées– bande de valence complète quand les atomes

s’associent donc bande de conduction vide– Eg=5,3 eV

5

Le Silicium • 4 e- sur la couche périphérique, • liaison covalente entre atomes,• cristallise en cubique à faces centrées, • bande de valence complète quand les

atomes s’associent.

• 5.1022at./cm3 Eg=1,1 eV• Probabilité pour qu’un électron passe dans la bande de

conduction =e-Eg/kT =Ne-BC/Ne- avec kT=26meV à 300K

– Origine thermique, T– Origine électrostatique Eext=qU– Origine photoélectrique Ec=hc/λ

• Quand un e- devient libre, il laisse un trou qui n’attend que de capturer à nouveau un e-

– Deux types de porteurs se « déplacent », les e- et les trous.

6

Le dopage Dopage N• On insère des atomes pentavalents • (5e- sur la couche périphérique)

– Atomes donneurs d’électrons

Dopage P• On insère des atomes trivalents • (3e- sur la couche périphérique)

– Atomes accepteurs d’électrons

Dopage N=1016at./cm3, N+=1018at/cm3, N++>1018at/cm3

Idem pour P

7

Semi-conducteur dopé N

Dopage N– 1 e- par atome inséré est libre de circuler – L’atome inséré devient un ion + donc le siège d’une charge + fixe

8

Semi-conducteur dopé P

Dopage P– Pour s’insérer dans le réseau d’atomes de Si, l’atome récupère l’e- qui lui

manque sur sa couche périphérique sur l’atome de silicium voisin – Apparition d’un trou par atome inséré– L’atome inséré devient un ion - donc le siège d’une charge – fixe

9

Jonction PN à l’état initial

• Si on on prend un barreau de Si et que :– On dope en P d’un coté– On dope en N de l’autre coté

• On obtient : P N

Jonction où les trous coté P capturent les e- libres du coté N.•D’où création d’une zone dépeuplées en porteurs où il ne reste que les charges fixes + coté N et charges fixes - coté P•D’où l’apparition d’un champ Einterne de N vers P qui va tendre àstopper cette migration

10

Conduction de la jonction PN

• Si on applique Uext

• Uext crée un champ électrique de P vers N donc de sens opposé au champ Einterne– Si Uext <0 on limite encore plus la migration (diode bloquée)

Mais dans la zone de transition tout e- qui réussit se libérer est accéléré par Eint et rejoint le coté N (raisonnement inverse pour les trous). On ainsi l’apparition d’un courant inverse (pA)

– Si Uext>0 on favorise de plus en plus la migration donc le passage d’un courant direct où les e- rejoignent le coté P et inversement pour les trous limiter l ’échange de porteurs entre P et N

P N+-

Uext

Zone de transition

Eint

11

La jonction PN en inverse

• Non traité cette année • Très utilisé en optronique

– L’énergie nécessaire pour libérer les e- (et aussi les trous) est apportée sous forme lumineuse.

– Ex : la photodiode– Pour exploiter davantage ce phénomène :

• on élargit la zone de transition avec un isolant (jonction PIN).

• On la dimensionne de façon à imposer un Eg donné donc une longueur d’onde donnée

12

La jonction PN en directe• C’est la diode de redressement (et aussi la LED)• La probabilité pour les porteurs de franchir la zone de transition est

eqUext/ηkT et l’expression du courant est I=I0(eqUext/ηkT-1)

Pour le Si, I0≈10pA, η=1à2 et ηkT/q≈50mV à 300K ou 27°C

Il existe plusieurs approximations : • soit ignore totalement le seuil de conduction• soit on considère seulement un seuil (fcem de 0,6V) • soit on considère le seuil + l’inclinaison de la caractéristique (fcem de 0,6V

en série avec une résistance)

0 0,2 0,4 0,6 0,8

I

Uext

13

La jonction PN+

• Au lieu de doper de la même façon les deux bouts du barreau de Si, on insère β fois plusd’atomes donneurs que d’atomes accepteurs d’e-.

• On a ainsi une « jonction PN spéciale » qui quand elle conduit a un courant d’e- β fois plusimportant que le courant de trous

• Le raisonnement est le même pour une jonction P+N où cette fois ce sont les trous qui sont β fois plus nombreux

14

Le transistor bipolaire• Le transistor NPN vu en TD :

• Structure interne

B

E

C

Ic

B

E

C

Ib

Si seule la jonction BE conduit, on a Ib=courant de (trous+e-) avec e-=β*trous

NP

N+e- trous

Si la jonction BC est en inverse (Vce>>0),Le champ E va attirer les e- si fort qu’ils vont être aspirés vers C sans pouvoir atteindre BIl reste donc Ib faible et apparaît Ic= βIb

NP

N+e- trous

U< 0 donc E>0

15

Saturation du transistor• Quand Vce , puisque Vbe=0,6Valors la jonction BC est

de moins en moins en inverse.

• Quand BC en direct des e- sont injectés de C vers B• B est noyée dans les e- et devient une zone N• Équivalent d’un barreau dopé N entre E et C

• D’où entre C et E une résistance équivalente faible • D’où Vce≈0 V

le PNP fonctionne avec le même principe sauf que c’est le type de porteur en jeu qui change (P+N)

16

Est si on inverse E et C quand on câble ?

N+P

Ne- trous

N+P

Ne- trous

puis

Conclusion : On ne grille rien du tout mais tout se passe comme si on avait un β de l’ordre de 1.

17

Caractéristiques du transistor

Ib=0

Ib2

Ic1=β Ib1

Vce

Ib1

Ic

Ic2=β Ib2

18

Le transistor FET• But : commander le passage d’un courant à l’aide d’une tension

• 4 modes possibles :– Vgs<Vp (Vp<0), T bloqué et Ids=0

canal pincé– Vgs>Vp, T conducteur et comme pour le transistor bipolaire il est saturé

ou pas en fonction des éléments branchés entre D et ST conducteur mais Vds faible, résistance variable commandée en tension

– Vgs>0,6V, Ids=0, canal coupé.

• Très utilisé en électronique (étage d’entrée des ampli-op) car courant d’entrée Igs=0 donc impédance d’entrée infinie (1012Ω)

G

S

D

Id

G

S

D

Vgs

19

Structure interne

PP

N

N

G

D

S

Entre D et S, on a une zone dopée N que l’on nomme canal

Quand Vgs devient de plus en plus négative la zone de transition de la jonction GS augmente et réduit ainsi le canal.Et, faire varier la section du canal revient àcréer une résistance variable commandée par la tension Vgs

Si Vgs devient trop négative (Vpincement) le canal est si réduit qu’il est dit « pincé ».

Si Vgs devient supérieur à 0, la jonction GS tend à conduire et plus elle conduit plus elle tend à couper le canal

20

Montage de base

• Commande en tension Polarisation automatiqueavec Ve<0 Vgs=-RsId donc <0

avec Id=Idss(1-Vgs/Vp)²Idss=qq10mA et Vp=-5à-4V selon transistor

Vcc

RC

Vs

RS

Vcc

RC

Vs

RS

Ve

Il existe évidemment de nombreux montages qui dépassent le cadre de ce cours.

2008-2009 Fiche d'exercices d'ELECTRONIQUE MPh 1

TD N°1 FONCTION DE TRANSFERT

1. PREREQUIS ⇒⇒à faire AVANT d'arriver en TD

1.1. COMPLEXES Exprimer sous la forme cartésienne et placer sur le cercle trigo . eeeeee jj2j2j4j0j π−ππ−ππ ,,,,, ///

Exprimer sous la forme polaire -3, 5j, 2-2j. Quand on veut additionner ou soustraire deux nombres complexes la forme ..... est la mieux adaptée. Quand on veut multiplier ou diviser deux nombres complexes la forme ..... est la mieux adaptée.

1.2. IMPEDANCE COMPLEXE

Physiquement, quel est le schéma équivalent électrique du condensateur pour les très basses fréquences ? Analytiquement, partant de l'expression générale de son impédance complexe, retrouver la valeur et le schéma équivalent électrique du condensateur pour les très basses fréquences. Même question pour les très hautes fréquences.

1.3. FORMULE DU DIVISEUR DE TENSION

Rappeler l'expression de URi en fonction de U, Ra, Rb et Ri.

U

Ra Ri Rb

URi

A B Imaginons que l'on court-circuite Ri avec un fil, en déduire la valeur de l'impédance équivalente entre A et B pour déduire la valeur de URi.

2. Impédances complexes d'associations de base Donner l'expression littérale de l’impédance des dipôles ci-dessous :


Physiquement, quel est le schéma équivalent électrique de ces dipôles pour les très basses fréquences ? Partant de l'expression littérale de l'impédance complexe de ces dipôles, retrouver l'expression et le schéma équivalent électrique de ces dipôles pour les très basses fréquences. Même question pour les très hautes fréquences.

3. Fonction de transfert

Utiliser la même démarche que dans le cours pour établir la fonction de transfert du filtre passe bas dont le schéma électrique est le suivant :


4. Mise sous forme canonique Nous verrons au TD suivant comment tracer le diagramme de Bode d'une fonction de transfert.

• La première étape est l'obtention de l'expression littérale de la fonction transfert. • La deuxième étape consiste à remettre en forme l'expression de la fonction transfert obtenue afin

de la présenter comme l'association de formes simples connues dites formes canoniques. On utilise 4 formes canoniques et à partir de leur association (multiplication ou division), on peut représenter la quasi totalité des fonctions de transfert des circuits électriques :

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+++

2)(21,)1(,,

ooooffjf

fjmffjf

fjA

Mettre sous forme canonique le filtre passe bas et le filtre passe haut en rappelant ce que représente f0.

Calculer la fonction de transfert du filtre ci-dessous pour R1 = R2 = R et la mettre sous forme canonique. R2

R1

A faire chez soi : reprendre le calcul avec des résistances différentes

5. Fonction de transfert puis forme canonique puis module et phase

Filtre passe haut atténuateur

• Donner le schéma équivalent en basses fréquences, puis en hautes fréquences du circuit ci-contre

• Calculer Vs/Ve en basses et hautes fréquences, application numérique.

C = 100 nF R1 = 82 k

R2 = 8,2 kΩ

Ω

Vs Ve

• Etablir la fonction de transfert du quadripôle ci-dessus et la mettre sous forme canonique en précisant les fréquences remarquables f1 < f2. Vérifier la cohérence des résultats obtenus avec ceux de la question précédente.

• Exprimer le module et la phase de cette fonction de transfert.

• Pour la fréquence caractéristique f1, quelles sont les valeurs numériques de ces grandeurs ?

ATTENTION : Pour vous obliger à faire la question PREREQUIS au début tu texte de TD, pour les prochains TD, un test est à réaliser à l’adresse https://pen.iut-acy.univ-savoie.fr/ AVANT la séance.

Il ne sera évidemment pas possible de faire le test après le TD et un bonus de 0 à 2 sera ajouté à votre note de test théorique.


https://pen.iut-acy.univ-savoie.fr/


TD N°2 diagramme de BODE

1. PREREQUIS⇒⇒à faire AVANT d'arriver en TD

• Simplifier les expression suivantes :

log(0,1); log(1); log(10); log(100); 20*log(2

1 ); log(2x²)-log(x); log( 4x25 ); )log(

)log(4x25 .

• Donner l'expression du module de la fonction de transfert du circuit suivant :

VsVe

C = 100 nF R1 = 82 kΩ

R2 = 8,2 kΩ

2. ECHELLE LOGARITHMIQUE Sur l’échelle logarithmique ci-dessous, placer les fréquences 100 Hz; 10 kHz; 3,162 kHz; 5 kHz; 20 Hz; 40 Hz. On commencera par calculer et placer log (f). 10 Hz 1 kHz

3. DIAGRAMMES DE BODE ELEMENTAIRES

• Soit la fonction de transfert H0 = 2. Tracer son diagramme de Bode sur la fiche de cours. Soit la fonction de transfert H0 = - 2. Tracer son diagramme de Bode sur la fiche de cours. Soit la fonction de transfert H0 = 0,6. Tracer son diagramme de Bode sur la fiche de cours.

• H1 = j f/fo En posant X = log (f), montrer que H1dB = a X + b Déterminer la pente de cette droite. Pour quelle fréquence le gain H1dB est-il nul ? Compléter alors la ligne H1 du tableau de la fiche de cours.

• Si H2 = 1 / H1 Comment déduire de H1dB le graphe de H2dB ? Comment déduire de Arg H1 le graphe de Arg H2 ? Compléter alors la ligne H2 du tableau de la fiche de cours.



• Soit H3 = (1 + j f/fo) Lorsque la fréquence tend vers 0, déterminer HdB et Arg H. Lorsque la fréquence tend vers l’infini, déterminer Arg H. Lorsque la fréquence tend vers l’infini, déterminer l’asymptote oblique de HdB. Pour f = fo, calculer HdB et Arg H. Compléter alors la ligne H3 du tableau de la fiche de cours.

• Soit H4 =

0ffj1

1+

. S'inspirer du tracé de H3 pour compléter la ligne H4 du tableau de la fiche de cours.

4. CONSTRUCTION : Déterminer le diagramme de Bode asymptotique (gain) de la fonction de transfert :

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ +

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ +

=

111001

10110001

fjfj

fjfjH

5. ANALYSE : Déterminer une fonction de transfert associée au diagramme de Bode asymptotique suivant :

-26 dB

100 k 10 k 1 k 100 f (log)

-6 dB



TD N°3 AMPLIFICATEUR OPERATIONNEL



Tracer le diagramme de Bode module seulement de : (suite Prérequis du TD précédent) Millmann : Flécher sur le schéma ci-contre 3 courants I1, I2, I3, qui arrivent au nœud A. Exprimer I1 en fonction de V,V1 et R1. S'en inspirer pour déduire les expressions de I2 et I3.

Appliquer la loi des nœuds au point A et en déduire que

321

3

3

2

2

1

1

R1

R1

R1

Rv

Rv

Rv

v++

++=

Vs Ve

C = 100 nF R1 = 82 kΩ

R2 = 8,2 kΩ

v1

v3

R1 R3

V

v2

R2

A

Applications : • Si R2=∞ et V3=0V, quelle relation bien connue retrouve-t-on ? • Si R2=∞ et V=0V, exprimer V3 en fonction de V1.

2. Montages de base à Ampli Op (à faire après la fiche de cours) Les amplificateurs sont supposés idéaux et les alimentations sont symétriques (±12V) d'où des tensions de saturations d'environ ±11V.

2.1. Amplificateur inverseur.

Donner le schéma d'un amplificateur inverseur. Déterminer les résistances pour obtenir une amplification de - 5 et une résistance d'entrée minimum de 10 kΩ. Représenter la caractéristique vs = f(ve) Quelle est l'amplitude maximum de la tension alternative d'entrée pour un fonctionnement sans distorsion ni saturation Représenter l’allure de la tension de sortie si la tension d'entrée est celle représentée ci-contre.

t0 10ms 20ms

3 volt


2.2. Utilisation d'amplificateurs. Les résistances normalisées sont à choisir parmi les valeurs suivantes et leurs multiples ( ×10 et ×100 ×1000 ) 100 – 180 – 220 – 330 – 470 – 560 – 820 Voici 3 problèmes indépendants à résoudre :

• Un capteur délivre un signal compris entre 0 et 0,2V. Pour en faire l’acquisition avec un ordinateur, il faut qu’il évolue dans la gamme [ 0 ; 10 V]. Proposer une solution.

• Je constate que quand je branche le montage n°2 en sortie du montage n°1, la tension de sortie du montage n°1 chute. Donner la raison de ce phénomène et le remède éventuel si je veux que la tension de sortie du montage n°1 reste inchangée.

• Mon montage possède une entrée Ve et deux sorties VS1 et VS2 telles que VS1=2*Ve et VS2=-4*Ve. Proposer une solution.

Que faire si en plus je veux imposer une impédance d'entrée de 10kΩ ?

2.3. Montages en cascade Montage soustracteur Exprimer Vs en fonction de V1, V2, R, Ra et Rb.

+

-

v1vs

v2

Ra R

R Rb

Donner l'expression simplifiée de Vs lorsque :

• Ra=Rb

• Ra=Rb=R.

Utiliser tous les résultats précédents pour déduire Vs en fonction de Ve. En déduire une méthode d'analyse quand on a une succession de montages à ampli op et notamment l'intérêt d'avoir une impédance de sortie nulle.

+

-

vs-

+

ve

20 kΩ

10 kΩ 11 kΩ

100 kΩ

1 kΩ

20 kΩ



Cours / TD N°4 MONTAGES A AMPLI OP



On a 33

22

11

''' vRRv

RRv

RRvs −−−=

A quelle condition a-t-on ( )321

' vvvRRv

s++−= ?

+

- v1

vsv2

v3

R’ R1

R2

R3

Application : On veut transformer un signal carré variant entre -1V et 1V en un signal carré variant entre 5V et 0V. Proposer une solution sachant qu'on impose V2=-Vcc=-12V et V3 inutilisée.

2. Amplificateur dédié à l'instrumentation (ampli d'instrumentation) 2.1. Voici l'étage d'entrée d'un amplificateur d'instrumentation

A

B

C

D+

-

-

+

10 kΩ 10 kΩ 6,8 kΩ vs

v1

v2

Nous allons utiliser deux méthodes différentes pour exprimer VS en fonction de V1-V2. Tout d'abord, quelle que soit la méthode utilisée, soient VA le potentiel en A et VB le potentiel en B, exprimer V1 en fonction de VA et V2 en fonction de VB. • Millmann:

o Soient VC le potentiel en C et VD le potentiel en D, exprimer VS en fonction de VD et VC.Appliquer Millmann en A puis en B et déduire VS.

• Lois des nœuds et des mailles: o Soit I, le courant qui traverse la résistance de 6,8kΩ, exprimer le courant qui traverse les

résistances de 10kΩ en fonction de I. En déduire un schéma équivalent électrique où seules les 3 résistances et les 2 tensions (V1-V2) et VS apparaissent. Appliquer la formule du diviseur de tension et déduire VS.

2.2. L'inconvénient de ce montage est que...

VS n'a pas la même référence de potentiel que V1 et V2, ajouter le montage à ampli op adéquat pour résoudre ce problème. 2.3. Mais 2 montages presque identiques se suivent... Quels sont les avantages du premier montage sur le deuxième ?


3. Montage intégrateur

3.1. Etude quand le signal d'entrée est quelconque Quand le signal d'entrée est quelconque c'est à dire aussi bien sinus, que triangle, que carré, que ..., il faut revenir aux équations différentielles et ... oublier les impédances et donc Millmann ! Exprimer I en fonction de Ve. Exprimer le courant qui traverse le condensateur en fonction de I.


Exprimer I en fonction de VC. Exprimer VC en fonction de VS. En déduire Vs en fonction de Ve et le nom de ce montage. Que se passe-t-il si Ve est un signal continu ? Donner l'allure du signal de sortie si Ve est un signal carré avec une composante continue nulle. 3.2. Cas particulier du signal sinusoïdal Lorsque le signal est sinusoïdal, on peut utiliser l'expression des impédances complexes et donc aussi Millmann... Exprimer Vs en fonction de Ve. 3.3. Premiers pas vers le filtrage actif On place en parallèle sur le condensateur une résistance de valeur 10 fois supérieure à la résistance déjà présente. En déduire la fonction de transfert et le type de filtre ainsi réalisé.

4. Montage dérivateur

Suivre le même raisonnement que pour la partie 3. :

• pour obtenir dtdv

RCv es−=

• puis déduire la fonction de transfert • puis expliquer comment on peut réaliser un filtre

passe haut sachant que la résistance à ajouter n'est plus en parallèle mais en ...

+

-

vevs

+

-

vevs

I Vc


TD N°5 LA DIODE DE REDRESSEMENT



Dans le circuit électrique ci-contre, on modifie la valeur de l'impédance de Z, compléter le tableau ci-dessous :

Z valeur de Z schéma équivalent électrique de Z

valeur de V Valeur de I

circuit ouvert fil

court-circuit ∞ 0

Donner la valeur de V si on enlève le dipôle Z dans le circuit puis si on court-circuite Z avec un fil. Application : Réquivalente entre A et B=?

2. DIODE = INTERRUPTEUR UNIDIRECTIONNEL

Application : Ue= 220 2 sin(2π 50 t) (Redressement sur le secteur simple alternance) Déterminer quelle condition sur Ue permet de conserver Is>0 (D passante). Déduire l'allure de Us et Ud.

3. DIODE = INTERRUPTEUR UNIDIRECTIONNEL AVEC UN SEUIL DE CONDUCTION

Application : Redressement dans le cas où l'amplitude de Ue n'est pas très supérieure au seuil de la diode. Le montage est le même que précédemment. Suivre le même raisonnement que précédemment pour déduire l'allure de Ud et Us dans le cas où Ue=2 sin wt.

4. DONNER LA VALEUR DE IR DANS LES MONTAGES SUIVANTS EN CONSIDERANT LE MODELE DE LA DIODE DU 4. (SEUIL DE 0,6V)

50 Ω 1 kΩ

20V

Ir

50 Ω1 kΩ

2A

Ir

R 20V

Ir

2A

Pour quelles valeurs de R la diode est-elle bloquée ?

Ue= 100V, calculer Is. Ue= - 10V, calculer Is.

Ue

Ud

Us R Is

I 1V Z

1Ω

V

BA

fil

6 Ω

interrupteur ouvert

interrupteur fermé

circuit ouvert 10Ω

2 cices d'ELECTRONIQUE MPh 1 008-2009 Fiche d'exer


5. S DIODES DANS LE MEME MONTAGE EN CONSIDERANT LE MODELE DE LA CAS OU ON A PLUSIEURDIODE DU 3. (SEUIL NUL)

héorème :

es ont leur cathode reliée, la diode qui conduit est celle qui a son anode au potentiel le plus élevé.

.2.

uelles diodes conduisent quand Ue<0 ? éduire Us en fonction de Ue dans ce cas.

t).

.3. Pour vous entraîner chez vous

allure de I, lorsque 20V remplacé par 20 sin(wt) et 10V remplacé par 10 cos(wt).

TQuand N diod

Et inversement lorsque N diodes ont leur anode reliée, la diode qui conduit est celle qui a sa cathode au potentielle plus faible. .1.

20 Ω E4 E3

E2 E1

D1

D4

D3

D2

5 Ir

On a E1=5V, E2=10V, E3=8V,E4=20V. Appliquer le théorème pour déduire sans calcul sur quelle diode on doit poser l'hypothèse de conduction pour calculer le courant Ir.

Si Ue >0 :

Entre D1 et D'2, laquelle des deux diodes a le potentiel d'anode le plus élevé ?

5

Entre D2 et D'1, laquelle des deux diodes a le potentiel de cathode le plus faible ?

Ue

D1 D'2

D2 D'1

Us R

Déduire : • Les deux diodes qu'il faut garder pour la suite pour

poser l'hypothèse de conduction. • le schéma équivalent du montage avec cette

hypothèse. • L'expression de Us en fonction de Ue • La condition sur Ue qui assure I>0 dans les diodes qui

conduisent.

QD

Déduire l’allure de Us

• si Ue= sin(wt).

• si Ue= 1+2sin(w

5 I C lcul de I. A

20 Ω 10V20V


TD N°6 LE TRANSISTOR BIPOLAIRE (PREMIERE PARTIE)

1. PREREQUIS⇒⇒à faire AVANT d'arriver en TD Partie 5.3 du TD précédent. Partie 5.2 du TD précédent avec D'1 remplacée par un circuit ouvert ce qui correspond au cas où une diode grille. Partie 5.2 du TD précédent avec D'1 remplacée par un fil ce qui correspond à l'allure obtenue en TP en Us quand on essaye d'observer simultanément Ue et Us (donc masse de l'oscilloscope et masse du GBF reliées).

2. NPN On a β=150. Donner l'état du transistor dans les cas suivants :

Vcc = 12 VRB = 100 kΩ

Rc =1kΩ

VB

• Source de tension VB déconnectée • VB= 0,4V • VB= 1V • VB= 5V

Calculer la valeur de VB au delà de laquelle le transistor est saturé.

3. PNP

On a β=150.

Vcc = 12 V

RB = 10 kΩ

Rc =1kΩ VB

Donner l'état du transistor dans les cas suivants : • Source de tension VB déconnectée • VB=0 • VB=12V • VB=11V

4. POUR S'ENTRAINER...

Vcc=12V RB

RC

Ve Vs

R On a R=100kΩ, RB=10kΩ et RC=1kΩ, β=150. Donner l'état du transistor dans les cas suivants :

• Source de tension Ve déconnectée • Ve = 0V • Ve =5V

Pour vous entraîner chez vous


Calculer les limites de blocage et saturation du transistor en fonction de Ve.


TD N°7 LE TRANSISTOR BIPOLAIRE (DEUXIEME PARTIE)

1. PREREQUIS⇒⇒ conseillé pour bien vous préparer au test Voici quelques exercices typiques donnés en test les années précédentes a. Fonction de transfert

Montage équivalent pour les très basses fréquences et expression de Vs/Ve. Montage équivalent pour les hautes fréquences et expression de Vs/Ve.

9R

Ve Vs R

C

C

Donner l'expression complète de Vs/Ve et utiliser les résultats ci-dessus pour contrôler l'exactitude de votre réponse.

b. Diagramme de Bode

Tracer les diagrammes de Bode (module et phase) de ( )

( )a5fj1

afj110

H+

+=

*,

c. Montages à ampli OP


Donner l'expression de Vs/Ve en détaillant bien les calculs. Donner la valeur de l'impédance d'entrée et de sortie de ce montage. -

Y-a-t-il un intérêt à utiliser ici un ampli-op ? +

En réalité, on a effectué une erreur de câblage, c'est à dire que la résistance de 9R devait être connectée sur l'entrée -.

On a alors le montage suivant :

Donner l'expression de Vs/Ve en détaillant bien les calculs.

d. Montage à diode idéale (Ud=0 lorsque passante)

Flécher le courant Id qui traverse la diode lorsqu'elle est passante. Donner le schéma équivalent de ce montage quand la diode est passante. On nomme ce schéma S1. Déduire de S1, le schéma équivalent du montage lorsque R1 vaut 0 Ω puis l'infini. Déduire la valeur de Id dans chaque cas.

Reprendre le schéma S1 pour démontrer que Id=Ve/(R+2R1). (Attention, vu que pour vous aider, le résultat est donné, seul le détail des calculs compte).

Vu que lorsqu'on fait l'hypothèse que la diode est passante Id=Ve/(R+2R1), déduire à quelle condition la diode conduit.

R

R

Ve

R1

I

Vs

R

R 9R Ve

+

-

Vs Ve

R

R

9R


e. Montage à diode (Ud=0,6V lorsque passante) Pour bien s'entraîner reprendre toute la partie précédente avec Ud=0,6V. On obtient alors Id=(Ve-1,2)/(R+2R1). f. Montages à transistor (β=100 et VBE=0,6V lorsque Transistor passant)

Flécher IB, IB C, VCE, puis mener tout le raisonnement (Hyp1 puis Hyp2...) pour aboutir à Vs.

Vcc=12V

100Ω

Vs 100Ω

Vcc=12V

100Ω

Vs

Vcc=12V

100Ω

Vs

1000Ω

Vs =_________ Vs =_________ Vs =_________

g. Montage à transistor

Flécher VBE, IB et B IC lorsque le transistor est passant.

On a β=1000 et VBE=0,6V ce qui nous permet de considérer que Is=IC pour la suite.


Donner l'expression de Is lorsque Rpot vaut 0 Ω puis l'infini

Vcc=12V

R

Is

Potentiomètre

R1

La valeur du potentiomètre vaut Rpot, Corriger les deux erreurs qui se sont glissées dans l'équation ci-dessous puis déduire Is en fonction de Vcc, Rpot et R1.

Vcc=(Rpot β Is) - 0,6 + (R1 Is) La résistance R est en réalité une ampoule. Pour R1 fixe :

o préciser quelles grandeurs augmentent quand on diminue la valeur du potentiomètre. o la valeur de R1 a-t-elle une importance ?


2. CAS OU ON UTILISE UN TRANSISTOR POUR DEBITER PLUS DE COURANT On sait qu'un amplificateur opérationnel est protégé en sortie contre les court-circuits en limitant le courant débité à une vingtaine de milliampère, Vs

100Ω

dans le montage ci-contre aura-t-on Vs=Ve ? Ve=10V On propose comme première idée :


La résistance connectée sur la base est-elle indispensable ? Quelle valeur faut-il donner à Ve pour avoir Vs=10V ? Montage final : Quelle valeur faut-il donner à Ve pour avoir Vs=10V ? La puissance dissipée par un transistor lorsqu'il fonctionne en régime linéaire vaut Vce*Ic. On suppose que pour ce transistor, la puissance maximale qu'il peut dissiper vaut 0,8W. Calculer P dans le montage précédent lorsque Vcc vaut 12V. Que se passe-t-il si on remplace la résistance de 100Ω par une résistance de 10Ω ? Expliquer l'intérêt d'avoir modifié le montage précédent de cette façon :

On diminue lentement la valeur la résistance de 100Ω jusqu'à arriver à une valeur de 10Ω, expliquer ce qui se passe. Déduire à qui on vient de sauver la vie.

Vcc

Ie

Is

Vs Ve

100Ω

Vcc

Ie

Is Ve

100Ω Vs

Ie

Vcc

Is

Ve

100

3,3 Ω

VsΩ

MP1 TP N°1 d’ELECTRONIQUE 2008-09 Diagramme de BODE

IUT d'Annecy Département M

Matériel : R = 1 kΩ, 10 k Ω; C = 100 nF et Papier semi-log 4 décades

1. Préparation sur https://pen.iut-acy.univ-savoie.fr/ AVANT la séance. 1.1. Le module Méthode pratique : • On se fixe une amplitude pour Ve et on y touche plus jusqu'à la fin des mesures. • Pour chaque valeur de fréquence choisie, on mesure l'amplitude des signaux d’entrée et de sortie, et on calcule

VeVs

log20 ×

Des choix judicieux : • Faut-il choisir l'amplitude de Ve grande ou petite ? • Je viens de réaliser deux mesures de module dont une pour f1=100Hz et une pour f2=1kHz. Je veux prendre un point de

mesure entre ces deux points, la valeur la plus judicieuse est-elle 500Hz ? • Le signal observé est très bruité : Vu que j'effectue un rapport d'amplitude Vs/Ve, pourquoi ai-je intérêt à faire une mesure

d'amplitude en valeur efficace ? 1.2. La phase • Avec un oscilloscope numérique tel celui utilisé en TP la mesure du déphasage est automatique. • Mais quel est le signe de la phase ?

Pour le connaître, il faut déterminer quel signal est en avance sur l’autre. Indiquer sur les signaux ci-contre quel signal est en avance sur l’autre.

1.3. Mesures • Pourquoi les mesures doivent-elles être effectuées en régime sinusoïdal permanent exclusivement ?

• Prévoir le diagramme asymptotique de Bode module et phase des montages des parties 3. et 4.

2. De la rigueur aussi en TP En mathématiques vous savez que pour arriver à un résultat correct, il faut être rigoureux que ce soit pour une simple addition ou une intégrale compliquée. Oublier une petite retenue lors d’une addition, c’est comme oublié un petit fil en câblage et dans les deux cas à on aboutit une erreur. En TP c’est la même chose, si vous vous dites que vous câblerez bien le jour où vous aurez un montage compliqué, vous ne câblerez jamais correctement. Les règles de base sont : • Si j’ai besoin d’un fil de 2cm de long, un fil de 20cm ne fera pas l’affaire d’autant plus qu’étant toujours sur la même

table de TP, ne pas prendre la peine une fois préparer des fils c’est ne jamais avoir de fils à la bonne longueur • Un fil dénudé trop court risque de s’enlever tout seul. Il n’y a pas (à court terme) de faux contacts, il n’y a que de

mauvais câbleurs. • Un fil dénudé trop long va générer un court-circuit quand l’extrémité dénudée va toucher les pattes des composants • Le montage doit « ressembler » au montage théorique sinon il faut à chaque fois qu’on intervient sur le montage repenser

aux petites astuces trouvées pour gagner un fil ou de la place. • Pour les montages avec des circuits intégrés, le montage théorique sur feuille doit comporter le numéro des pattes. • Les deux bornes BNC sont réservées à l’oscilloscope et la borne noire est le 0 de l’oscilloscope donc souvent le zéro du

montage

3. Relevé complet d'un diagramme de Bode Se préparer aux mesures D'après la préparation, dans quelle plage de fréquence est-il R = 1 k

esures Physiques André Bétemps page n°1

Ω

C = 100 nFVe Vs




astucieux de réaliser des mesures d'amplification et de déphasage. Prévoir pour commencer 5 points de mesure au total puis multiplier les mesures aux endroits intéressants. Les points seront relevés dans un tableau de mesures et reportés sur le graphe (papier semi-log) au fur et à mesure. Ceci permet de refaire rapidement un point qui est erroné. Faire le câblage Même si la plaque est différente, votre montage devrait ressembler à : Effectuer un relevé complet du diagramme de Bode, amplitude et phase. Tracer les asymptotes et déterminer la fréquence de coupure : • grâce à l'intersection des asymptotes (attention à ne pas en tirer une règle générale car ce n'est pas toujours vrai) • grâce au -3dB du diagramme de Bode en amplitude (toujours vrai) • puis grâce au -45° du diagramme de Bode en phase (attention à ne pas en tirer une règle générale car ce n'est pas toujours

vrai) Justifier pour chaque cas les écarts avec la théorie ?

3. Détermination du type de filtre et de sa (ses) fréquence (s) de coupure Très souvent, le tracé exact du diagramme de Bode n'est pas nécessaire et les informations type de filtre et fréquence de coupure sont suffisantes pour le caractériser. Détail de la méthode • N'observer que Vs sur l'écran de l'oscilloscope et chercher pour quelle(s) fréquence(s) Vs crête à crête ou efficace est

maximum. o pour un filtre passe bas ce sont des basses fréquences o pour un filtre passe haut ce sont des hautes fréquences o pour un filtre passe bande c'est dans la plage de fréquence où le signal est le plus élevé

Soit VSM cette valeur. Observer aussi Ve et calculer le gain à cette fréquence (pour ce TP c'est 0 dB mais ce n'est pas toujours le cas).

• Calculer VSC = 0,707 VSM. N'observer ensuite que Vs sur l'écran de l'oscilloscope et laisser la mesure de l'amplitude de VS affichée à l'écran. Faire ensuite varier seulement la fréquence du GBF de façon à trouver pour quelle valeur de la fréquence, l'amplitude de Vs diminue jusqu'à la valeur VSC.

Pour cette fréquence particulière, Vs est alors atténuée de 3 dB ( 20log(0,707)=-3) et on appelle cette fréquence, la fréquence de coupure à -3 dB ou bande passante. Pour un filtre passe bande, on obtient les deux valeurs de fréquence qui encadrent la plage de fréquence où le signal est le plus élevé. la différence entre ces deux fréquence se nomme la Bande passante. Manipulation Revenir au montage précédent puis vous entraîner à mesurer la bande passante. Faire vérifier à l'enseignant que vous êtes capables de mesurer rapidement la bande passante du filtre. 4. Relevé express d'un Bode en amplitude



Détail de la méthode La méthode consiste non pas à se fixer une valeur de fréquence puis à déterminer la valeur du gain correspondant mais à se fixer une valeur de gain puis à chercher la fréquence correspondante. • Le premier point intéressant est celui qui correspond à la fréquence de coupure donc le début de la méthode reprend la

méthode du paragraphe précédent. • Les deux points suivants sont ceux qui correspondent à :

o une atténuation de 10 dB. C’est à dire, à l’aide de la mesure effectuée par l’oscilloscope, déterminer la fréquence pour laquelle Vs = 0,316 VSM.

o une atténuation de 20 dB. C’est à dire, à l’aide de la mesure effectuée par l’oscilloscope, déterminer la fréquence pour laquelle Vs = 0,1 VSM.

• On dispose à ce stade de 3 points de mesure et il reste à prévoir 1 ou 2 points de mesure supplémentaires pour rechercher les asymptotes donc l'ordre du filtre. Placer ces 4 points sur le diagramme de Bode, rechercher les asymptotes, compléter au besoin par d’autres points.

Manipulation Pour le filtre ci-contre effectuer un relevé rapide du diagramme de Bode en amplitude. 5. Filtre passe bande Prévoir théoriquement les fréquences de coupure et la bande passante du filtre suivant : Mesurer les fréquences de coupure et la bande passante de ce filtre. Expliquer pourquoi pour la deuxième cellule le couple de valeur 1nF-100kΩ est plus judicieux que le couple de valeur 100nF-1kΩ.

R = 1 kΩ

C = 100 nF

R2 = 100 kΩ

C = 1 nF R1 = 1 kΩ

C = 1 nF Ve Vs

6. Filtre en régime non sinusoïdal (clin d'œil au module d'électricité)

Rappel théorique Pour le montage du paragraphe 1, rappeler l'allure du signal obtenu pour une réponse à un signal carré et préciser à quoi correspondent τ, 3τ, 5τ. Comparer l'expression de la fréquence de coupure à la valeur

τ61 et déduire l'allure qu'on doit obtenir en sortie si le signal

d'entrée est carré de fréquence égale à la fréquence de coupure de ce filtre. En déduire la règle du si T>>10τ, alors...

Manipulation Relever vs(t) lorsque ve(t) est un signal carré d’amplitude 5 V, de fréquence 10 fois plus petite, puis égale, puis 10 fois plus grande que la fréquence de coupure du filtre. Si Ve est un signal triangulaire, Vs ressemble un peu à un signal sinusoïdal, peut-on alors tracer un diagramme de Bode ?

MP1 TP N°2 d’ELECTRONIQUE 2008-09 AMPLIFICATEUR OPERATIONNEL


1. Préparation sur https://pen.iut-acy.univ-savoie.fr/ AVANT la séance. Rappeler la relation qui lie entrée et sortie pour tous les montages de ce TP. Pour le montage dérivateur avec R = 1 kΩ et C = 100 nF : • Déterminer graphiquement vs(t) pour un signal d'entrée triangulaire, alternatif de fréquence 2 kHz, d’amplitude 2 V.

Calculer la pente du signal triangulaire d’entrée. En déduire les valeurs numériques des tensions du signal de sortie vs. • On applique maintenant en entrée ve(t) = 2 cos (2π f0t) avec f0 = 200 Hz. Déterminer vs(t) analytiquement. • En régime sinusoïdal, ce montage peut être étudié à l'aide des impédances complexes. En notant la similitude avec

l'amplificateur inverseur, déterminer la fonction de transfert du montage et retrouver l'expression de vs(t) calculée ci-dessus.

Matériel

Amplificateur opérationnel TL 081 ou TL 082

R = 1 kΩ ; 10 kΩ ; 100 kΩ

C = 100 nF

Papier semi-log 4 décades

+Vcc

- Vcce+ e-

Vs

TL 081

1 2 3 4

8 7 6 5

2. Amplificateur inverseur

Déterminer R1 et R2 pour obtenir une amplification de -10 avec R1>500Ω. Noter sur le schéma ci-dessous le numéro des pattes pour le câblage. Attention, si les règles de câblage suivantes ne sont pas respectées, l’enseignant vous demandera de tout recâbler :

• L’oscilloscope doit être connecté sur les 2 BNC de la plaque • Le 0V est forcément la borne noire de la plaque • Les 3 fils d’alimentation (-12V,0V,+12V) doivent être de couleur différente de préférence rouge +12V, noir 0V. • Prévoir des « lignes d’alimentation » de façon à n’utiliser ensuite que de petits fils • Et bien sûr les règles énoncées au TP précédent

Appliquer un signal sinusoïdal de fréquence 1 kHz et d’amplitude 0,6 V. Quelle est l’amplitude du signal de sortie. Quel est le déphasage entre la sortie et l’entrée ? En déduire l’amplification du montage. Augmenter l’amplitude de ve jusqu'à ce que le signal de sortie soit déformé. Expliquer vos observations.

+

- ve

vs

R1

R2

Aide au câblage et au dépannage

• Respecter les règles données au TP précédent • 3 cordons à fiches 4mm de couleurs différentes doivent partir de l’alimentation pour arriver à droite du montage car

ceci permet de vérifier en un seul coup d’œil si le +12/-12 et 0V sont bien connectés • Respecter le câblage de l’alimentation sur les lignes car ceci permet d’utiliser de plus petits fils • Ne jamais tout redécâbler et éviter de vérifier si les fils arrivent au bon endroit car souvent on ne voit pas le décalage

d’une colonne même si on regarde 10 fois de suite • Ensuite se poser les questions suivantes dans cet ordre :

o Le circuit est-il bien alimenté ? Vérifier DIRECTEMENT au niveau du circuit s’il est bien alimenté (+12 et -12V) par contre pour le 0V suivre le fil car on ne voit pas la différence à l’oscilloscope entre 0V et rien du tout

o Le signal d’entrée arrive-t-il ? Vérifier son allure directement au niveau de la patte de la résistance

o Le circuit a-t-il d’autres entrées fondamentales (ici non) o Le circuit fonctionne-t-il ?

Ici c’est un ampli op câblé en amplificateur donc on doit avoir ε=0 c'est-à-dire Vpin2 TLO81=0. Si ce n’est pas le cas c’est soit la résistance R2 qui est mal câblée soit le circuit qui est grillé.

o Logiquement à ce stade le problème a été trouvé.


MP1 TP N°2 d’ELECTRONIQUE 2008-09 AMPLIFICATEUR OPERATIONNEL


3. Amplificateur non-inverseur

-

+

ve

vsR1

R2

Déterminer R1 et R2 pour obtenir une amplification de 11. Noter sur le schéma ci-contre le numéro des pattes pour le câblage. Appliquer un signal sinusoïdal de fréquence 1 kHz et d’amplitude 0,9 V. Quelle est l’amplitude du signal de sortie. En déduire l’amplification du montage. Pour qu’elle amplitude de la tension d’entrée observe-t-on une saturation en sortie ? Justifier cette valeur.

Utilisation en suiveur Modifier le montage pour réaliser un amplificateur suiveur et vérifier son fonctionnement. Pour ceux qui sont en avance, petit clin d'œil à la deuxième année : • En théorie la valeur de R2 a peu d'importance, pourtant sans changer l'amplitude de Ve, replacer la résistance R2 et

observer les changements sur VS.. Expliquer d'où vient ce bruit. 4. Dérivateur

+

-

vevs

C = 100 nF R = 1 kΩ Pour un signal triangulaire alternatif d'amplitude 2 V de fréquence 2 kHz, observer et relever le signal de sortie. Même question pour un signal sinusoïdal (même amplitude, même fréquence) Expliquer vos observations. Pour quelle fréquence obtient-on en entrée et en sortie des signaux de même amplitude ( en sinus). Justifier ceci. 5. Intégrateur C = 100 nF R = 1 kΩ

+

-

ve vs

ve est un signal carré alternatif d'amplitude 4 volts de fréquence 1 kHz. Essayer d'observer simultanément vs et ve en DC. Bien que ce soit "un peu sportif", essayer de jouer sur l'offset du générateur pour éviter que Vs ne possède une composante continue trop importante. Placer une résistance de valeur comprise entre 10R et 100R en parallèle sur C en justifiant l'intérêt de celle-ci. • Observer alors la réponse à une entrée triangulaire puis sinusoïdale ( f = 2 kHz, amplitude 2 volts). • Pour quelle fréquence obtient-on en entrée et en sortie des signaux de même amplitude ( en sinus). Justifier ceci. 6. Diagramme de Bode de l'intégrateur Évidemment avec Ve sinusoïdal, relever le diagramme de Bode de l’intégrateur en amplitude (avec la résistance en parallèle sur C) pour des fréquences variant de 10 Hz à 10 kHz. Justifier théoriquement les zones intéressantes du diagramme en expliquant la partie qui est modifiée quand on ajoute ou on enlève la résistance en parallèle sur C.

MP1 TP N°3 d’ELECTRONIQUE 2008-09 REDRESSEMENT


Composants utilisés : 4 diodes, 1kΩ, 1kΩ, 2x 10Ω, 2,2µF, 1 pont de diode. Rappel : Les 2 prises BNC de la plaque sont réservées à l'oscilloscope pour CH1 et CH2 et la masse de l'oscilloscope est alors la borne noire de droite. Attention :

Aujourd'hui masse GBF et masse oscilloscope doivent être la plupart du temps indépendantes.

Ue

D1 D'2

D2 D'1

UsR

Montage :

1. Préparation sur https://pen.iut-acy.univ-savoie.fr/ AVANT la séance. On supposera dans toute la préparation que la diode est idéale (seuil de conduction nul). • Donner le schéma équivalent du montage quand Ue>0 et en déduire l'expression de Us, UD1, ID1, UD'1,

ID'1, UD2, ID2, UD'2, ID'2. Même question pour Ue <0.

Si Ue est un signal sinusoïdal, Déduire l'allure de Ue, Us, UD1, ID1, UD2, ID2 et les zones où D1 est passante et D2 bloquée et inversement.

• A quoi correspond le résultat du calcul suivant ?

T1f avec t)dt f22T

1 2T

0MU =π∫ sin(/

/

Le changement de variable θ=wt avec w=2πf ou Tw=2π, implique que t=θ/w et

dt=dθ/w, donc t=T/2 équivaut à θ=π et wdtwevient d...dt 2T

1 .../ ∫∫ π

et l'intégrale devient : π=θθπ∫π UU M

0M

2)d1 sin(.

2. Débit sur R=1kΩ Votre montage doit ressembler à : Attention : le zéro de l’oscilloscope est forcément la borne noire donc il faut placer le 0 du GBF sur la borne d’à coté.




• Régler le générateur à vide à Uemax=6V (Uepp=12V), f=100Hz, s'assurer que Ue n'a pas de composante continue. On remarquera qu'une composante continue entraîne pour Us, des arches de sinusoïde non identiques.

• Peut-on visualiser Ue et Us simultanément?

• Donner le schéma de branchement de l'oscilloscope (CH1, CH2 et masse) pour observer (Ue et Vd'1); (Ue et Vd'2)et (Vd'1 et Us) Les observer et représenter sur la partie de gauche de l'ANNEXE l'allure de Ue(t), Vd’1(t), Vd’2(t) et Us(t) en indiquant l'état des diodes pour chaque alternance. Faire vérifier à l’enseignant.

• Comparer la valeur de Usmax et de Uemax et justifier l’écart entre les deux. Mesurer Usmoy à l'aide de l'oscilloscope, comparer à la valeur connue 2Uemax/π et préciser si on a tendance à surévaluer ou sous-évaluer Usmoy quand on considère tous les éléments idéaux.

3. Représentation des tensions et courants sur l'ANNEXE 3.1 Observation des courants avec R=1kΩ seule en sortie On désire observer simultanément à l'oscilloscope le courant Id'1 et la tension Us, il faut pour cela placer en série avec la diode D'1 une résistance de 10Ω (la tension aux bornes de la résistance est l'image du courant Id'1). Observer ci-contre la position de la résistance Par rapport à la diode afin de pouvoir observer Simultanément l'image du courant et Us. En partiel de TP, il faudra être capable de choisir du quel coté de la diode, elle doit être placé pour l’observation demandée. Reporter alors sur la partie de gauche de l'ANNEXE l'allure de Id'1 sur le même graphe que Vd'1. Insérer une autre résistance de 10Ω en série avec D2 de façon à pouvoir observer simultanément Id'1 et Id2. Ajouter alors l'allure de Id2 sur l'ANNEXE sur le même graphe que Vd'2. En utilisant les fonctions mathématiques de l'oscilloscope réaliser Id'1+Id2 et expliquer pourquoi la courbe résultante ressemble de si près à Vs. 3.2 Modification de Us avec R//C en sortie Placer en parallèle avec R=1kΩ, un condensateur C=2,2µF. Observer l'allure de Us et donner le montage typique qui permet dans la pratique d’obtenir une tension continue d’une dizaine de volts à partir du secteur 220V. Diviser par 10 la fréquence du signal d’entrée et observer comment est modifiée Us. Revenir à la fréquence de 1kKz, choisir un condensateur de 220nF et observer comment est modifiée Us.



Déduire comment choisir (>>T ou <<T) le produit RC par rapport à la période du signal d’entrée si on veut obtenir une allure presque continue pour Us. 3.3 Observation des courants avec R//C en sortie S’inspirer de la question 3.1 pour représenter la partie de droite de l'ANNEXE les courants Id'1, Id2 et Vs en prenant soin de faire le lien entre croissance de Vs (donc charge de C) et pics de courant sur Id’1 et Id2. Pour ceux qui sont en avance : Placer une résistance de 10Ω en série avec C=2,2µF et compléter l’observation précédente pour repérer les phases de charge et de décharge de C et phase de conduction des diodes. 4. Utilisation du composant "pont de diodes" débitant sur R=10kOhms Réaliser un montage remplaçant les 4 diodes par le composant "pont de diodes" et vérifier que le fonctionnement est identique. Déduire ce que signifient les bornes et + - et une méthode pour tester si un pont de diodes est défectueux. 5. Utilisation des diodes de redressement et pont de diodes pour protéger d'un système Imaginez que vous venez de réaliser une carte électronique qui a besoin pour fonctionner d'être alimentée entre 0V et +12V. L'utilisateur n'a donc plus qu'à connecter sur votre carte les 2 fils d'alimentation. Mais il a bien sûr 1 chance sur 2 pour griller votre carte car inverser la tension d'alimentation sur un circuit est fatale. On peut évidemment imposer un connecteur avec "détrompeur" mais expliquer comment en ajoutant une diode de redressement la carte devient indestructible ! Vous venez de réaliser la modification, mais si l'utilisateur se trompe la carte reste en veille et rien ne se passe. Montrer il aurait été plus astucieux d'utiliser un pont de diodes car avec cette solution dans tous les cas ca marche !


avec R seule Allure de Ue, Vd'1, Id'1,Vd'2 ,Id2 et Us avec R//C Allure de Ve, Id'1, Id'2 et Us


D1/D'1 conductricesD2/D'2 bloquées

Ue

Vd’1 Id’1

Vd’2 Id’2

Us

Ue

Id’1

Id’2

Us

MP1 TP N°4 d’ELECTRONIQUE 2008-09 UTILISATION DU TRANSISTOR BIPOLAIRE


Composants utilisés : 2N1711; 2N2905, maquette ampoule, maquette halogène 1. Préparation sur https://pen.iut-acy.univ-savoie.fr/ AVANT la séance Rappeler le montage de l'amplificateur suiveur et la relation qui lie Ve et Vs.

+12V

0V 10kΩ

280Ω Rd

Pour le montage ci-contre on suppose que β=150. Quel est l'état du transistor si Rd= 0Ω puis si Rd=1MΩ ? Pour le TP, Rd sera soit un fil, soit votre doigt, soit un circuit ouvert, à quoi correspond Rd dans chaque cas ? Pour le montage ci-contre on suppose que β=150. +12V

0

10kΩ 280Ω

100kΩ

Rd

Quel est l'état du transistor si Rd=1MΩ? Pour le TP, Rd sera soit votre doigt, soit un circuit ouvert, à quoi correspond Rd dans chaque cas ? 2. Comment câbler un transistor ? La mortalité des transistors est fortement liée à leur positionnement sur la plaque :

Ce qu'il ne faut pas faire Ce qu'il faut faire C B E

On perd tous les trous sous le transistor et on tortille les pattes. Alors, elles cassent !

Tous les trous sont libres, la base est forcément au milieu et l'émetteur coté ergot

3. Comment tester un transistor ?

B

E

C• Le transistor NPN son schéma équivalent électrique pour le test est

Pour tester s'il est "grillé", il suffit de tester si les jonctions BE et BC se comportent comme des diodes, (seuil de 0,6V dans le sens direct et non conduction dans l'autre sens). Et, on ne doit donc pas avoir continuité entre C et E. On utilisera la fonction test diode ( ) du multimètre.

• Le transistor PNP son schéma équivalent électrique pour le test est B

C

E

On procède comme le transistor NPN pour le tester.




• Pour le 2N1711et le 2N2905 le brochage est : Vue de DESSOUS. B (dans l'angle droit)

C (relié au boitier) (en face de l'ergot) E

Tester les transistors 2N1711et 2N2905 et déduire leur type.

4. Utilisation d'un relais Nous allons câbler par la suite un interrupteur sensitif qui commandera l'allumage d'une ampoule via un relais, mais avant nous allons observer le contenu de la boite noire ci dessous :

Bornes de commande du relais

Prise à brancher sur le secteur 220V

Débrancher le fil qui relie la boite noire au 220V, ôter ensuite l'ampoule de façon à pouvoir ouvrir la boite. Attention :

• Ne pas ouvrir la boite si la prise secteur est branchée • Ne pas tirer sur les fils à l’intérieur de la boite pour ne pas les dessouder

• Dessiner son contenu. • Connecter alors 12V sur les deux bornes et observer le déplacement des contacts. On pourra

vérifier que les contacts sont bien fermés avec l'ohmmètre. • Remplacer ensuite le 12V par le GBF en DC réglé au maximum.

Mesurer la tension délivrée par le GBF et observer la position des contacts. Diminuer ensuite la valeur débitée par le GBF et mesurer à partir de quelle valeur les contacts s'ouvrent. Tracer la caractéristique état du relais en fonction de VGBF en faisant apparaître le phénomène d'hystérésis.

• Pourquoi la tension nécessaire pour fermer les contacts est supérieure à la tension minimale pour les maintenir fermés ? Aide : Calcul de la force portante :

leTh d'ampère donne : (Hyp: H constant sur le contour)

ligne de cham

H*e=NI

p moyenne mais vu qu'on a un entrefer la longueur de fer est négligeable devant la lon

Le flux vaut Φ=BS=μ0HS (Hyp: B constant sur la section)

d'où Φ==μ0 eNI S

ueur e dans l'air g

I

e (entrefer)

Un ressort non représenté ici maintient en permanence la plaque écartée et il faut fournir un travail pour l'attirer et ansi fermer les contacts.

Sur un petit déplacement de, ce travail vaut dW=IdΦ=F.de avec dΦ= - μ0 ²eNI S de d'où F= - I μ0 ²e

NI S = k ²²

eI

• Déconnecter le GBF et mesurer la résistance de la bobine du relais à l'ohmmètre. Déduire la valeur du courant qui traverse la bobine du relais lorsqu'on applique 12V à ses bornes.



5. Réalisation d'un interrupteur sensitif a/ Réaliser le montage suivant : Faire le contact avec un fil puis essayer avec votre doigt. Expliquer alors pourquoi le montage ne fonctionne plus. b/ Montage amélioré S'inspirer du montage donné en préparation sachant que cette fois-ci votre doigt reliera ou pas la résistance au 0V. Prévoir le schéma de câblage afin d'être capable de commander à nouveau l'allumage de l'ampoule. 6. Réalisation d'un amplificateur de courant A chaque fois que l’on veut commander un récepteur de forte puissance avec un montage électronique on doit réaliser l’interface entre l’électronique et le récepteur. Le récepteur de puissance sera simulé ici par une ampoule halogène et l’électronique par un amplificateur opérationnel monté en suiveur. La maquette doit être insérée sans forcer sur la plaque de câblage de cette façon :

Amplificateur opérationnel où il reste à câbler les entrées + / - et la sortie

+12V

0

10kΩ

Vers boite noire pour commander le relais et allumer la lampe

2N1711 associé au TIP31 pour amplifier les courants positifs

2N2905 associé au TIP32 pour amplifier les courants négatifs

Ne pas toucher l'ampoule halogène directement avec les doigts

La maquette doit être alimentée en -12V/+12V par les deux lignes horizontales et 0V directement au niveau de l'halogène

Faire le lien entre les éléments de la maquette et le câblage final du 6c. a/ Les limites de l'amplificateur opérationnel : Ne pas oublier d’alimenter la maquette en -12V/+12V et 0V.

• Donner le schéma du suiveur, le câbler sur la maquette ( ) et vérifier son fonctionnement en appliquant en entrée une tension délivrée par le GBF utilisé en continu.

• Régler ensuite le GBF de façon à avoir à la sortie du suiveur Vs≈5V puis préciser comment évolue Vs à l'instant où

vous relier Vs à l'ampoule halogène. Expliquer pourquoi l’ampoule ne s'allume pas.



b/ Ce que permet le transistor :

• Sur la maquette le montage ci-contre est réalisé à l'aide de cela

+12V

B

2N1711

TIP31E

• modifier le câblage pour arriver à ce montage : +12V

VeVs

2N1711

TIP31

• Régler Ve≈0V, puis brancher le multimètre en Vs. Augmenter ensuite lentement Ve et noter à partir de quelle valeur pour Ve, Vs commence à devenir différente de 0V.

• Augmenter ensuite franchement Ve pour voir l’intérêt de ce montage. • Modifier ensuite votre montage pour obtenir le montage suivant :

+12V

VeVs

2N1711

TIP31

Reproduire l’essai précédent et noter l’intérêt de ce montage par rapport au précédent en comparant Ve et Vs. c/ Et qu'en est-il du courant négatif ? : Que se passe-t-il si Ve est négatif et expliquer pourquoi. Justifier alors l'intérêt de ce montage et modifier le câblage pour vérifier son intérêt. +12V

Ve Vs

2N1711

TIP31

-12V

2N2905TIP32

7. Étude du montage en sinusoïdal Supprimer l’offset du GBF et régler un signal sinusoïdal d’amplitude 5V et de fréquence 100Hz. Observer Ve et Vs en expliquant ce qui se passe pour chaque alternance. S'il vous reste du temps, déterminer la puissance dissipée par l'ampoule et par les transistors.

MP1 TP N°5 d’ELECTRONIQUE 2008-09 FILTRES ACTIFS


Matériel utilisé : Maquette filtre de Butterworth et Maquette génération de signal Résistances et Condensateurs au choix

1. Préparation sur https://pen.iut-acy.univ-savoie.fr/ AVANT la séance • La maquette génération de signal contient le circuit suivant : On a vu au TD4 que ce circuit réalise une somme c'est à dire que Vs=a S1 + b S2 + c S3 sans tenir compte du condensateur. Donner les valeurs de a,b et c. Le rôle du condensateur de 47pF sera vu en deuxième année. • Utilisation du diagramme de Bode Voici un diagramme de Bode en amplitude Si les pentes des droites sont de -20dB/décade ou -6dB/octave, donner les valeurs de f1 et f2. On suppose que ce diagramme de Bode correspond physiquement à un quadripôle dont l'entrée se nomme Ve et la sortie se nomme Vs : * Si Ve(t)=sin (2π 10 t), quelle est l'expression de Vs ? * Si Ve(t)=sin (2π 1000 t), quelle est l'expression de Vs ? * Si Ve(t)=sin (2π 100 000 t), quelle est l'expression de Vs ? * Si Ve(t)=1, quelle est l'expression de Vs ? * Si Ve(t)=1+sin (2π 1000 t)+sin (2π 110 000 t) quelle est l'expression de Vs ? • Réalisation d'un filtre On propose 3 montages : Le signal est le signal de sortie de la maquette c'est à dire qu'il vaut Vs=a S1 + b S2 + c S3. Et, si le signal délivré par le GBF vaut sin (2π 1000 t), on peut a alors écrire Vs=A+B sin (2π 1000 t)+C sin (2π 110 000 t). Donner le diagramme de Bode typique du quadripôle dont la sortie fournit seulement A alors qu'on lui envoie en entrée Vs. Définir le type de filtre dont il s'agit et proposer un des trois montages. Même question avec un quadripôle dont la sortie fournirait seulement C sin (2π 110 000 t). Même question avec un quadripôle dont la sortie fournirait seulement B sin (2π 1000 t).

f en Hz

-6dB

-12dB

100 10 0000dB f2f1

R = 100 kΩ

C = 470 nF R = 10 kΩ

C = 150 pF

R2 = 10 kΩ

C = 15 nF R1 = 100 kΩ

C = 1,5 nF

-12V=S1

XR-2206 100kΩ

560kΩ +

-

vs

82kΩ56kΩ

S2=GBF

S3=Signal sinusoïdal de fréquence environ 110kHz

47pF




2. Mise en pratique de la préparation Câbler la maquette génération de signal en réglant un signal d'amplitude suffisamment grande sur le GBF pour obtenir un signal qui ressemble à ceci : Câbler successivement les 3 types de filtres de façon à extraire : • la composante continue • le signal issu de l'XR-2206 • le signal du GBF.

3. Montages à filtres actifs C

3.1. Filtre passe-bas d’ordre 1 On veut remplacer ce montage par celui-ci

Sachant que la fonction de transfert du deuxième montage vaut Cwj

1R21x

RR

12

+− ,déduire la valeur des composants mais

Ne pas réaliser le câblage. Donner l'avantage du deuxième montage sur le premier (en ignorant le signe -). 3.2. Filtre passe-bande de faible sélectivité. On veut remplacer ce montage par celui-ci

Sachant que la fonction de transfert du deuxième montage vaut

wj1wj

xCR

CR11

11+wj1

1x CRR

R221

2+

− ,déduire la valeur des composants

et réaliser le câblage afin d'extraire le signal issu du GBF avec ce montage. Donner l'avantage du deuxième montage sur le premier.

3.3 Filtre d’ordre 2 On utilise la structure de Sallen-Key ci-contre avec R1 = R2 = R et C1 = 2C2. La fonction de transfert générale vaut

²) wwj11

CCRRCRR( 212121 2 −+ +

et se simplifie ici pour arriver à

)²(ff 00ff2j1

1−+

avec RC2 1

02

π=f

De quel filtre s’agit-il (passe bas, passe haut ou passe bande) ?

+

R1 R2

R = 100 kΩ

C = 470 nF

R2 = 10 kΩ

C = 15 nF R1 = 100 kΩ

C = 1,5 nF +

R2R1 C1

C2

+

Supprimé : 0 kΩ

C1

R1

R2C2


Observer la maquette et retrouver les valeurs de C


1 et R pour déduire f0. Si on envoie à l’entrée de ce filtre le signal de sortie de la première maquette, quel signal doit-on obtenir en sortie ? Réaliser le câblage pour vérifier vos prévisions. 3.4 Etude plus précise du filtre précédent Vu la fonction de transfert de ce filtre quel déphasage a-t-on entre l’entrée et la sortie pour f=f0 ? Justifier alors le déphasage entre le signal de sortie du GBF et le signal précédent (en sortie de filtre). Oter la première maquette, relever son diagramme de Bode et déterminer précisément la valeur de la pente des asymptotes (en dB/octave). En déduire une relation pente de l'asymptote et ordre du filtre.

2006-2007 TEST d’ELECTRONIQUE (1H30) MPh 1

NOM : Groupe de TD N° Feuille de notes et calculatrice interdites Tout résultat non justifié sera considéré NUL et attention, –2 Pts si oubli du NOM. 1. Fonction de transfert 4 pts 9R

Montage équivalent pour les très basses fréquences et expression de Vs/Ve.

R

C

Montage équivalent pour les hautes fréquences et expression de Vs/Ve. Donner l'expression complète de Vs/Ve et utiliser le résultat obtenu pour les hautes fréquences pour contrôler l'exactitude de votre réponse. 2. Diagramme de Bode 4 pts

Tracer les diagrammes de Bode (module et phase) de ( )

( )( )afja5

fj1afj1*10

H+

+=

3. Montages à ampli OP 4 pts

Donner l'expression de Vs/Ve en détaillant bien les calculs. Attention au piège : Même si toutes les méthodes sont acceptées, appliquer bêtement Millman conduit à garder une résistance de trop dans les calculs…

4. Montage à diode (Ud=0,6V lorsque passante) 4 pts

Donner le schéma équivalent du montage lorsque la diode est supposée conductrice.

En déduire l'expression du courant I qui traverse la diode et déduire à quelle condition sur Ve l'hypothèse diode conductrice est vraie. En déduire l'expression de Vs lorsque la diode est passante puis l'expression de Vs quand la diode est bloquée

Ve Vs

C

+

-

Vs Ve

10R

R

R

100Ω

Ve 10kΩ Vs

I

2006-2007 TEST d’ELECTRONIQUE (1H30) MPh 1

Application : Déduire l'allure de Vs lorsque Ve = 60 sin (2πt) et en considérant que 10kΩ+100≈10kΩ 5. Montage à transistor 4 pts

Flécher VBE, IB et IC lorsque le transistor est passant.

On a β=100 et VBE=0,6V.

Donner l'expression de IB lorsque le transistor est supposé passant.

Vcc=12V

R R1

En déduire l'expression de VCE. On a R=1,2kΩ, conclure sur le choix de R1 pour que le transistor soit : • bloqué • conducteur en linéaire • saturé Un clin d'œil au cours en amphi : Par mégarde en câblant, j'inverse la position de l'émetteur et du collecteur, que se passe-t-il ?

Documents

Electronique-M1