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Évaluation : optocoupleurs – Amplificateurs Linéaires Intégrés

G BERTHOME Page 1/12

I Présentation de l’objet technique « Pompe à perfusion »

Au cours des soins apportés aux patients, il s’avère souvent nécessaire de les alimenter par voie intra-veineuse. Il est donc nécessaire que les solutés nutritifs soient injectés de manière très précise avec un débit juste, constant et reproductible sur des périodes de temps étalées.

L’introduction directe, dans le sang, de solutés nutritifs doit être effectuée en vérifiant qu’aucune bulle d’air n’est présente dans la tubulure. En effet cela peut entraîner des conséquences médicales graves pour le patient.

Le goutte à goutte ne peut garantir cette précision. En effet, la hauteur du bras et la pression veineuse étant susceptible de varier, le débit ne peut être suffisamment constant pour ce genre de produits. D’autre part, le faible débit peut entraîner l’obturation du cathéter si la pression d’injection n’est pas suffisante.

Il apparaît donc nécessaire d’utiliser un appareil qui réponde à l’ensemble de ces besoins.

La pompe à perfusion répond à ces exigences. Montage classique d’alimentation parentale :



II Analyse du fonctionnement du détecteur de bulle d’air

Lors de la perfusion d’un liquide, aucune bulle d’air ne doit être injectée dans le sang. Le dispositif détecte toute bulle d’air d’un volume supérieur ou égal à 0.1 ml présente dans la tubulure dans laquelle circule le liquide à perfuser. Cette détection se manifeste par le déclenchement d’une alarme sonore, l’allumage d’un voyant lumineux et l’arrêt de la perfusion afin d’éviter des conséquences médicales graves pour le patient.

La durée de déplacement de la bulle d’air à travers une fenêtre est liée au volume de cette bulle d’air. Si lors de la présence de la bulle d’air on compte un nombre de transition suffisante alors l’alarme est déclenchée. Il.1 Schéma fonctionnel du détecteur de bulle d’air Il.2 Définition des entrées/sorties

F1 : « détection de la présence d’une bulle d’air »

Entrée :

A9: soluté nutritif circulant dans la tubulure Sorties: S1: soluté nutritif ne présentant pas de bulle d’air dangereuse pour le patient. J : différence de potentiel informant à la fonction F2 de la présence ou non d’une bulle d’air

��si la différence de potentiel est égale à 5V : présence d’une bulle d’air. ��si la différence de potentiel est égale à 0V : pas de bulle d’air.

J

Débit du soluté Soluté nutritif

B6

S3 N

C3

A6 A9

S1

Détection de la présence d’une bulle

d’air

F1

Autorisation du

déclenchement des alarmes

F2

Mise en service des

alarmes

F3

Soluté nutritif Réarmement



F2 : Autorisation du déclenchement des alarmes

Entrées : A6: différence de potentiel dont la fréquence est significative du débit.

C3 : différence de potentiel qui permet une remise à zéro. La remise à zéro sera effective lors d’une transition bas-haut.

J : déjà caractérisée.

Sortie: N: différence de potentiel permettant la commande du déclenchement

des alarmes si la bulle d’air a un volume supérieur à 0.1 ml.

F3 : Mise en service des alarmes

Entrées :

N : déjà caractérisée C3: déjà caractérisée

Sorties: S3 : information visuelle de la présence d’une bulle d’air dans la tubulure par allumage d’une LED.

B6 : différence de potentiel permettant de déclencher le buzzer et

stopper la perfusion en cours lors de la détection d’une bulle d’air.



Il.3 Schéma structurel du détecteur de bulle d’air



III Etude de F1 : « Détection de la présence d’une bulle d’air » 1°) Fonctionnement des optocoupleurs

Les optocoupleurs K1 et K2 sont référencés OPB660, la documentation est fournie.

En absence de bulles d’air dans le liquide injecté, le constructeur a réglé les potentiomètres P20 et P21 de telle sorte que : UAM=UBM=4V

Une bulle d’air étant moins opaque que le liquide nutritif injecté, la présence de celle-ci a pour conséquence de provoquer la saturation des optocoupleurs K1 ou K2. On donne les caractéristiques techniques de l’optocoupleur OPB660N suivantes : -taux de transfert ττττ=

IfIc =6%,

-tension de seuil de la diode VF=1.3V, -tension de saturation du phototransistor : 0.4V.

��Question1 Donner les deux fonctions que peut remplir un optocoupleur (d’une manière générale).

��Question2 Quelle est la fonction réalisée par cet optocoupleur ? (dans le cadre du système détecteur de bulle d’air) Justifier votre réponse.



��Question3

Donner les valeurs de UAM et UBM lorsqu’une bulle d’air est détectée. Justifier votre réponse en dessinant le schéma équivalent du phototransistor

de l’optocoupleur et des composants du montage.

��Question4 Déterminer la valeur de la résistance R26 afin d’obtenir un courant IF=15mA (IF courant circulant dans les LEDs des optocoupleurs K1 et K2).

��Question5 Justifier que le phototransistor peut fonctionner en saturé lorsqu’une bulle d’air

est détectée. Donner toutes les étapes de votre démonstration (calcul, recherche dans la

documentation constructeur,…..) ��Question6 Remplir le tableau de synthèse du document réponse.

2°) Etude de la structure réalisée autour du LM324

��Question7 Quel est le mode de fonctionnement de l’amplificateur linéaire intégré ? Justifier votre réponse. ��Question8 Justifier pourquoi on peut considérer que les composants R33, R34, R35 et R36 sont parcourus par le même courant i.



��Question9 Déterminer les expressions des différences de potentiel UDM, UEM et UFM. Calculer les valeurs des différences de potentiels UDM, UEM et UFM.

��Question10 Déterminer l’expression de UCM en fonction de UAM, UBM et UEM. Détailler toutes les étapes de votre calcul. ��Question11 Calculer UCM dans les trois cas suivants :

��Aucune bulle d’air n’est présente dans les fenêtres de K1 et K2. ��Une bulle d’air est présente uniquement à travers K1. ��Une bulle d’air est présente uniquement à travers K2.

��Question12 Compléter le tableau de synthèse du document réponse page 11. 3°) Etude du filtre

Afin d’éviter que des éléments parasites viennent perturber le bon fonctionnement de la cellule de détection, le constructeur a intercalé un filtre du premier ordre.

Lors du fonctionnement normal du détecteur de bulle d’air ( présence ou non de bulle d’air à travers K1 ou K2 ), la différence de potentiel aux bornes du condensateur UC16M est telle que : UC16M= UCM ��Question13 Déterminer l’expression de UGM en fonction de UCM. Justifier votre réponse.

Compléter le tableau de synthèse du document réponse page 11.



4°) Etude de la structure réalisée autour des composants U20 :B et U20 :C

UFM et UDM sont issues du pont diviseur de tension dont les valeurs ont été calculées au paragraphe 2°). Rappel : le circuit intégré U20 est alimenté entre 0V et VCC=5V. Etude de la structure réalisée autour de U20 :B ��Question14 Quel est le mode de fonctionnement du composant U20 :B ? Justifier votre réponse. En déduire les valeurs prises par UHM. ��Question15 Déterminer l’expression de εεεε. Détailler toutes les étapes de votre calcul. ��Question16 Déterminer la condition sur UGM pour que la différence de potentiel de sortie UHM soit égale à +5V (on prendra UFM=2.95V). ��Question17 Déterminer la condition sur UGM pour que la différence de potentiel de sortie UHM soit égale à 0V (on prendra UFM=2.95V).



��Question18 Représenter la caractéristique de transfert UHM en fonction de UGM. ��Question19 Indiquer les valeurs que prend UHM dans les 3 cas suivants :


��Question20

Compléter le tableau de synthèse du document réponse page 11. Etude de la structure réalisée autour de U20 :C ��Question21 Quel le mode de fonctionnement du composant U20 :C ? En déduire les valeurs prises par UIM. ��Question22 Déterminer l’expression de εεεε. Détailler toutes les étapes de votre calcul. ��Question23 Déterminer la condition sur UGM pour que la différence de potentiel de sortie UIM soit égale à +5V (on prendra UDM=2.05V). ��Question24 Déterminer la condition sur UGM pour que la différence de potentiel de sortie UIM soit égale à 0V (on prendra UDM=2.05V). ��Question25 Représenter la caractéristique de transfert UIM en fonction de UGM. ��Question26 Indiquer les valeurs que prend UIM dans les 3 cas suivants :


��Question27

Compléter le tableau de synthèse du document réponse page 11.



5°) Etude de la fonction logique

��Question28 Quelle est la fonction logique réalisée par la structure ci-dessus ? Justifier votre réponse. Justifier votre réponse en proposant un tableau avec les différents états des diodes D20 et D21 pour les différentes valeurs des différences de potentiel UHM et UIM. ��Question29

Compléter le tableau de synthèse du document réponse page 11. 6°) Conclusion ��Question30 Remplir les chronogrammes du document réponse 2 page 12 en utilisant les résultats obtenus (notamment le tableau de synthèse page 11). ��Question31 Conclure quant à la validité de la structure pour réaliser la fonction F1 : « Détection de la présence d’une bulle d’air ».



Document réponse

TABLEAU DE SYNTHESE

Pas de bulle d’air en K1 ou K2

Présence d’une bulle d’air en K1

Présence d’une bulle d’air en K2

UAM

UBM

UCM

UGM

UHM

UIM

UJM



Document réponse 2

t(s)

K1

présence absence

t(s)

K2 présence

absence

t(s)

UHM

5V 0V

UAM

4.5V

t(s) 4V

UBM

4.5V

t(s) 4V

UGM

5V

t(s) 0V

t(s)

UIM

5V 0V

t(s)

UJM

5V 0V

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