Ecole Marocaine des sciences de Lingnieur

Devoir dlectronique :

Rgulateur de temprature Rgulateur de tempraturePrpar par : Afkari Rachid Mohammed Ogouammou Encadr par : Mr BELHAF

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I.

Introduction :

Le but d'une rgulation est de maintenir une grandeur H constante avec une action A alors que l'environnement varie. La valeur optimum de la grandeur rguler est la consigne, un capteur dtermine chaque instant l'cart entre la valeur de la consigne et la valeur H de la grandeur. Ce projet consiste tudier et simuler un rgulateur de temprature ralis base damplificateurs oprationnels. Le rle du systme de rgulation est de mesurer en permanence la temprature et la comparer la valeur choisie (temprature de consigne varie entre 0C et 40C) afin de ladapter. Pour faciliter la tche, on a partag le systme en 7 blocs pour faciliter le travail et pouvoir traiter et tudier chaque bloc thoriquement et le simul aprs laide dun logiciel de simulation appel ISIS.

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II.

Etude thorique :

1. Schma fonctionnel :

Il est compos de 7 parties nommes de A G mais nous ne traiterons pas la parties E vu le manque de temps.

Figure 1: Schma fonctionnel du systme.

Principe de fonctionnement :3

Quand lutilisateur entre la consigne le comparateur deux seuils compare la tension correspondante la consigne avec la tension qui correspond la temprature releve par le thermomtre, ensuite il fournie un signal a la partie qui commande le moteur.

2. Description des parties :a) Partie A :

Cette partie permet de rentrer la temprature que le systme doit rguler, elle sera constitue dun potentiomtre linaire qui sera gradu en temprature avec sa sortie relie un amplificateur oprationnel de la partie B.

Uc

Figure 2: Potentiomtre linaire.

Un potentiomtre est un type de rsistance variable trois bornes, dont une est relie un curseur se dplaant sur une piste rsistante termine par les deux autres bornes.

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Si on considre la rsistance total du potentiomtre et la rsistance sur laquelle est positionn le curseur en : Uc =

Ucmax =

Uc est maximal si = en dautres termes si le

curseur est plac au maximum. Ucmin = minimum. Si on veut que Uc varie entre 0V qui correspond 0C et 4V correspondante 40C il faut que R1, R2 et vrifient les Conditions suivantes : Pour Uc = 0V on a Ucmin = R2 = 0. Pour Uc = 4V on a Ucmax = obtient

Uc est minimal si = 0 donc si le curseur est plac au

donc

= 0V ce qui donne

donc

= 4V on

= 4R1 + 4 =

.

Si on prend R1 = 1.2 K et Vcc = 12 V on aura = 600 .

b) Partie B :

Cette partie permet de comparer la tension correspondante la temprature dsire et la tension de la temprature releve par le thermomtre, ensuite elle donne le signal qui sera trait par la partie F qui va commander le moteur du climatiseur. Elle sera donc raliser par un amplificateur oprationnel mont en comparateur deux seuils.5

Figure 3: Comparateur deux seuils.

On voit que lamplificateur a une contre-raction positive donc il fonctionne en non linaire il compare V+ avec V- et Us = Vsat ou Vsat. Les deux seuils de comparaison attaque la borne + de lamplificateur et ils dpendent de Us, pour les calculer il faut dabord calculer V+ de lampli. On a V+ = selon le thorme de Millmann.

Puisque Us ne peut prendre que Vsat ou Vsat on obtient les deux seuils suivant: U1 = et U2 =

On a la moyenne des deux seuils Umoy =

=

Pour que les deux seuils soit proche de Uc il faut que R4 soit trs grande par rapport R3.

c) Partie C : Cest la partie qui mesure la temprature elle sera raliser par un capteur lectronique le LM335Z qui permet de mesur la temprature entre -40C et 100C.6

Il fonctionne comme une diode ZENER dont la tension ses bornes est une tension qui dpend de la temprature T en Kelvin.

Figure 4: Circuit d'utilisation du LM335.

On a Ulm la tension au borne du capteur est : Ulm = a T o a est un coefficient constant a = 0.01 V/C et T la temprature en Kelvin. Pour donner Ulm en C on sait que TC = TK 273 donc Ulm en C est :

Ulm = a TC + 273a et puisque a=0.01V/C on trouve : Ulm = 0.01TC + 2.73 Si la temprature varie entre 0C et 40C on trouve Ulm qui varie entre 2.73V et 3.13V. Pour avoir le courant traversant le capteur gal 1mA avec Vcc = 12V il faut que R soit gal : Vcc = (R + P) I donc R = = 2 K

d) Partie D :

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Jusquici la partie C nous fournit une tension proportionnelle la temprature avec une tension constante ajoute, pour se dbarrasser de cette tension on la soumet un amplificateur oprationnel mont en soustracteur pour la soustraire.

Figure 5: Schma du soustracteur amplificateur oprationnel.

Lamplificateur oprationnel a une contre-raction ngative donc il fonctionne en linaire donc V+ = V- = 0 . On a V+ = obtient Us = Pour que le gain de lamplificateur soit gal 10 avec R1 = 10K il faut que = = 10 Donc R2 = 100K. et V = et puisque V+ = V on

Pour avoir Us proportionnelle la temprature il faut quUref soit gal 2.73 V Ue = 0.01TC + 2.73 donc Us = Ue Uref = 0.01TC.

e) Partie E : Cette partie ne sera pas trait vu le manque de temps, mais elle permet dafficher la temprature courante.8

f) Partie F :

Lobjectif de cette partie est de commander le moteur, pour cela on va utiliser un transistor bipolaire utilis comme commutateur.

Figure 6: Circuit de commande du moteur.

Ce circuit est compos dun moteur de puissance Pm = 30W qui pilote un climatiseur. Ce moteur est command par le transistor bipolaire de caractristiques connues , Vbe et Vcesat. Si la tension Ue est ngative la jonction BE sera ngative donc le transistor sera bloqu et le courant I = 0 donc le moteur sera arrt. Par contre si Ue est suffisamment positive pour avoir le courant I maximal, le transistor sera satur et alors le moteur sera en marche. Quand le transistor est satur on a : - Le courant I qui est maximal est gal :

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Imax =

Avec Pm la puissance du moteur, U la tension

dalimentation du moteur et Vcesat la tension de saturation au borne de la jonction CE. - Rsistance de la base Rbmax gal : Rbmax =

=

car Ibsat =

Vbe la tension au borne de la jonction BE et Ibsat le courant de saturation de la base. Application Numrique : On a =150 , Vbe = 0.8V , Vcesat = 0.2V , Ue = U = 12 V et Pm = 30W. Imax = 2.54 A et Rbmax = 661 .

g) Partie G :

Cette partie est compos du moteur qui pilote le climatiseur, il est de puissance Pm = 30W et doit tre aliment par Vcc = 12V.

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III.

Etude exprimentale :

Ltude pratique et la simulation se fera laide du logiciel ISIS.

1. Amplificateur de diffrence :

Figure 7: Montage pratique de l'amplificateur de diffrence sous ISIS.

Si on applique lentre Ve une tension de 2.73V et quon ajuste le potentiomtre pour obtenir Vref = 2.73V on aura la sortie Vs une tension nulle, donc on peut dire que cette valeur correspond la temprature 0C.

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Zone de saturation12V

Zone linaire

Zone de saturation

8V

4V

0V

-4V

-8V

-12V 0V V(R4:2) V_V4 0.5V 1.0V 1.5V 2.0V 2.5V 3.0V 3.5V 4.0V 4.5V 5.0V 5.5V 6.0V

Figure 8: Caractristique de transfert Us= f ( Ue - Uref ).

Les mesures donnent Vsat = 12V et Vsat = 12V ce phnomne est d la tension dalimentation de lamplificateur oprationnel, c'est--dire si la tension dentre peu tre amplifi mais elle ne peu pas dpasser la tension dalimentation de lamplificateur.

2. Thermomtre lectronique :

Voir page suivante.

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Figure 9: Circuit du thermomtre lectronique.

Montrons que Us =

TC : et on

On a lamplificateur mont en soustracteur donc Us =

a Uref = 2.73V , Ue = 0.01 TC + 2.73 , R2 = 100K et R1= 10 K donc Us = 10 ( 0.01 TC ) = TC

Dans le cas de la figure ci-dessus le voltmtre indique Us = 2.93V et puisque TC= 10 Us donc T = 29.3 C et cest ce quindique le capteur aussi dans la mme figure.

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3. Trigger non inverseur et non symtrique :

Figure 10: Schma du comparateur.

On a pris les valeurs des rsistances R2 = 1.5 K et R1 =150 K pour que les deux seuils de comparaison soit proche de Ue comma on la avanc dans ltude thorique. Lors de la simulation on a trouv une difficult pour simuler le trigger donc on ajout une contre-raction ngative avec les deux rsistances R1 et R2 qui vrifient la mme condition que R1 et R2 pour que V- soit proche de Uc. On prend Ue une tension sinusodal de valeur crte crte gal 20V et de frquence 100Hz et Uc = 3V. On obtient Us = 12V si Ue est suprieur Uc contraire. et Us = -12V dans la cas

On peut voir ci-dessous lallure des tensions dentres et de la sortie.

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Ue

Us

Uc

Figure 11: Allure des tensions d'entres et de la sortie.

Figure 12: Caractristique de transfert Us = f(Ue).

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Les deux seuils de comparaison sont trs proche de Ue car on a pris R1 >> R2 et cest ce quon a avanc en thorie. Le rle de Uc et de vari la temprature rgul.

4. Synthse :

Figure 13: Schma final du systme de rgulation de temprature.

Le rle du potentiomtre POT1 est de modifier la tension de consigne Uc qui est proportionnelle la temprature. Le rle de lamplificateur de diffrence est de retranch la tension constante 2.73V qui est ajoute la tension proportionnel la temprature donne par le capteur qui est d a la conversion de la temprature du Kelvin au Celsius. A la sortie de lamplificateur de diffrence on obtient exactement la tension proportionnelle la temprature mesure par le capteur. Pour pouvoir commander le moteur il nous faut un genre dinterrupteur lectronique qui permet soit de lanc le moteur soit de larrt selon la temprature, pour cela on utilise un transistor bipolaire utiliser comme16

commutateur, ltat bloqu il est comme un interrupteur ferme donc le moteur sera larrt et en saturation interrupteur ouvert. Au dbut lutilisateur entre la temprature qui dsire laide du potentiomtre POT1 se qui nous donne une tension constante Uc de consigne, au mme temps le capteur de temprature mesure la temprature ambiante. Le rle du trigger est de compar la tension proportionnel Ue la temprature fournit par lamplificateur diffrentiel avec la tension Uc choisit par lutilisateur, si la tension Ue est suprieur Uc sa veut dire que la temprature mesure est plus grande que la temprature dsir, donc la sortie du trigger sera Vsat = 12 V car il fonctionne en non linaire la sortie ne peut prendre que deux valeur Vsat (si Ue > Uc) ou Vsat le cas contraire. Donc puisque la sortie du trigger attaque le transistor et est suffisamment grande pour le satur, le courant I traversant le moteur sera maximal et alors le moteur sera en marche. Aprs la temprature va commencer a baiss jusqu ce quelle devienne un tout petit peu infrieur Uc, cest alors que la tension Ue sera infrieur Uc donc la sortie du trigger sera gal Vsar = 12V, la jonction BE du transistor sera ngative donc le transistor se bloque est le courant traversant le moteur sera nul moteur larrt.

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IV.

Conclusion :

Aprs plusieurs travaux pratiques sur de diffrents montages lectroniques base damplificateurs oprationnels, on a pu mettre en uvre notre savoir faire quon a acquit durant ces TP pour raliser se systme de rgulation de temprature. Durant la ralisation on a trouv quelque difficult pour mener bien la ralisation de ce travail en simulation. Malheureusement vu le manque de temps on na pas pu le test en ralit, mais on a appris beaucoup de choses durent ce travail et nous remercions sur ce fait notre professeur Mr. Belhaf pour son aide bien gnreuse.

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