TP 1 : sources électriques

Transcription

TP 1ère année - 2ème semestre
Objectif : étudier différents dipôles actifs linéaires ou non linéaires.
Les mots générateur et source seront considérés comme des synonymes
1
Source dipolaire linéaire
1.1
1.1.1
Méthode de mesure de la demie-tension
Source réelle de tension
Un dipôle générateur à caractéristique linéaire peut toujours être représenté par un générateur
idéal de tension E0 (sa fem ou force électromotrice) en série avec une résistance R0 (résistance
"interne").
La méthode de la demie-tension propose de mesurer ces deux grandeurs.
R0
D’après la schéma ci-contre, la tension U
aux bornes du générateur lorsqu’il débite
un courant d’intensité I dans une résistance
de charge RC a pour expression :
E0
U=
R0
1+
RC
E0
U
RC
(1)
Le diviseur de tension sert à établir cette
expression.
1.1.2
i
Boîtier
Figure 1 – Source réelle de tension
Manipulation
1. ♠ Mesurer E0 avec un voltmètre en circuit ouvert ; c’est à dire sans RC (RC débranchée).
2. ♠ Puis mesurer R0 en réglant RC (qui est une boîte de résistances variables) jusqu’à obtenir
E0
sur le voltmètre U =
; on a alors R0 = RC .
2
1.1.3
Influence du voltmètre
♠ Discuter de l’influence du voltmètre sur le circuit et donc de la fiabilité des mesures
effectuées par ce voltmètre. Le voltmètre est vu par le reste du circuit comme une très grosse
résistance RV car RV >> R0 , RC . En effet, RV ' 1 à 10 MΩ
NB : Ceci est aussi valable pour l’oscilloscope qui est un voltmètre.
Mise à jour
Remarque : rappelons que deux résistances R1 et R2 mises en parallèle sont équivalentes à une
résistance vérifiant :
1
1
1
=
+
(2)
Req
R1 R2
1.2
1.2.1
Caractéristique d’une source réelle linéaire
Définition de la caractéristique d’un dipôle
La caractéristique tension-courant d’un dipôle électrique est la fonction U = f (I) avec U la
tension aux bornes du dipôle et I le courant qui le traverse.
5
1.2.2
Manipulation
On utilisera le boîtier, entre les bornes
jaune et noire. Pour obtenir la caractéristique d’une source, on effectue le montage
ci-contre.
On mesure différents couples (I,U ) pour
différentes valeurs de RC .
– I est mesurée avec le multimètre réglé
en ampèremètre (entrée "mA", calibre
500 mA) ;
– U est mesurée avec l’oscilloscope (touche
MEAS puis Vmax ).
Voie 1
A
+
E0
U
RC
-
Figure 2 – Étude d’une source réelle de
tension
♠ Remplir un tableau de mesures rassemblant les valeurs de I, U et RC , aller de RC = ∞
jusqu’à RC = 10 Ω. Choisir les valeurs de RC dans le but d’avoir une belle et complète caractéristique ...
Après ces mesures, ne pas laisser RC à une valeur inférieure à 500 Ω (sinon, la pile dans le
boitier s’épuise).
1.2.3
Graphe U = f (I)
1. Tracer la caractéristique U = f (I) de ce boîtier sur le logiciel REGRESSI ;
2. ♠ Faire une régression linéaire à l’aide de REGRESSI. Commenter l’allure du graphe
obtenu ;
3. ♠ Lire alors la pente et l’ordonnée à l’origine données par le logiciel.
Sachant que la théorie donne, pour une source linéaire, U = E0 − R0 × I, en déduire d’autres
valeurs pour E0 et R0 .
4. ♠ L’intersection de la droite de régression et l’abscisse donne le courant de court-crcuit
ICC (pour U = 0 sur le graphe). Déterminer ICC à l’aide du réticule.
5. ♠ Imprimer ce graphe.
1.2.4
Graphe P = f (RC )
1. ♠ Rajouter une ligne au tableau précédent permettant de calculer la puissance P = U × I ;
2. Tracer la courbe de la puissance P en fonction de la résistance de charge RC ;
Mise à jour
Remarque Le fait de ne pas observer de courbe n’est pas inquiétant, il faut juste régler les paramètres
d’affichage de Régressi (un zoom ou un changement de type d’échelle).
3. ♠ En déduire la puissance maximale et la résistance RC correspondante : utiliser le tableau
ou le réticule.
4. ♠ Comparer à R0 . Conclure.
5. ♠ Imprimer ce graphe.
2
Panneau solaire
1. Régler l’éclairage sur le panneau solaire au maximum ; ne pas modifier cette disposition
pendant les mesures.
6
2. ♠ Avec la même procédure que précédemment (paragraphe 1.2.2) : remplir un tableau de
mesures faisant figurer U , I, RC et P et tracer la caractéristique U = f (I) du panneau
solaire.
Attention : les valeurs mesurées doivent êtres pertinentes (points bien répartis).
Remarque : il est normal que le signal "s’épaississe" pour les faibles valeurs de U.
3. ♠ Avec REGRESSI, faire un lissage de la courbe U = f (I) et l’imprimer : pour réaliser le
lissage, cliquer sur "Coordonnées du graphique" , dans les "options de représentation",
cocher "ligne" puis sélectionner "lissage" (laisser le paramètre à 3 et cliquer sur Ok) ;
4. ♠ Ajouter la ligne de puissance dans le tableau : quelle est la puissance maximale dans
cette ligne ?
5. ♠ Essayer de faire briller l’ampoule à disposition et la diode électroluminescente (LED) à
l’aide de cette "pile" solaire. Conclure.
3
Le générateur basse fréquence ou GBF
Mise à jour : ne pas faire cette première partie
3.1
Rappel : réglage d’un GBF
Le GBF est une source électrique, une source de tension : le courant sortant est très faible
ainsi la tension aux bornes du GBF est très stable et les amplitudes des signaux délivrés sont
pratiquement indépendantes des dipôles dans le circuit.
Le montage, ici, ne nécessite que le GBF
et l’oscilloscope, ces deux appareils doivent
avoir forcément la même masse (point de
potentiel nul).
Utiliser la sortie coaxiale OUTPUT 50 Ω ;
prendre un câble coaxial ou bien des fils
classiques avec des transitions rouge-noir (le
noir étant la couleur généralement réservée
à la masse).
GBF
Oscillo
Figure 3 – Réglage d’un GBF
Faire les réglages pour avoir une tension :
– Triangulaire de 8 V crête à crête : à régler avec le bouton LEVEL sur le GBF et à mesurer
avec "Vpp" dans le menu MEAS de l’oscilloscope.
– De fréquence 2500 Hz : à régler le bouton FREQ et les boutons poussoir de décades.
♠ Imprimer l’oscillogramme.
3.2
Utilisation de la fonction Vobulation du GBF
Mise à jour
En électronique, le terme vobulation signifie : "modulation de fréquence à forte différence".
Ceci veut dire que le GBF est capable de fournir une rampe de fréquence : il fait varier sa
fréquence d’une valeur fmin à une valeur fmax en boucle, à une vitesse que l’utilisateur peut
choisir.
On peut, par l’intermédiaire d’une prise à l’arrière du GBF, obtenir le signal correspondant à la
variation de fréquence et l’injecter dans un oscilloscope.
7
Lorsque l’on étudie un filtre en électricité, on mesure ces caractéristiques (gain ou tension de
sortie ; déphasage entre la tension d’entrée et la tension de sortie) en fonction de la fréquence.
On effectue des mesures de tension en faisant varier la fréquence, manuellement. Puis on utilise
un logiciel qui nous permettra d’obtenir la courbe qui nous intéresse, par exemple Vs = f (fréq).
Grâce à la vobulation du GBF, on peut afficher directement la courbe voulue sur l’oscilloscope.
Par exemple voici la courbe Vs = f (fréq) obtenue pour un filtre RLC passe-bas :
Figure 4 – Courbe de gain en tension
Vs
= f (fréq) pour un filtre RLC passe-bas
Ve
Nous allons donc voir comment afficher cette courbe directement sur l’écran de l’oscilloscope.
3.2.1
Montage
Schéma mis à jour
L
R
Voie 2
vs (t)
C
Voie 1
Voici le schéma électrique du circuit RLC.
ve (t)
(arrière
du GBF)
Figure 5 – Étude d’un filtre RLC
Les valeurs des composants sont les suivantes : L = 200 mH ; R = 500 Ω ; C = 100 nF.
Il va donc falloir régler le GBF de façon à ce qu’il fournisse une fréquence variable périodiquement sur une "rampe".
On utilise la sortie OUTPUT 50 Ω du GBF pour fournir la tension VE .
Les branchements de l’oscilloscope seront réalisés comme suit :
– En X (CH1) : visualisation de la rampe de variation de fréquence prise à l’arrière du
GBF, sortie SWEEP OUT ;
– En Y (CH2) : visualisation de la tension VS .
3.2.2
Manipulations
1. Régler le GBF pour qu’il délivre un signal sinusoïdal ;
2. Fixer la gamme de fréquence à 1 kHz ;
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3. Fixer la fréquence de sweep minimale avec le bouton tournant de fréquence presqu’au
minimum ;
4. Fixer la fréquence maximale avec le bouton tournant "Fmax" aux deux tiers ;
5. Appuyer sur le bouton poussoir "SWEEP" ;
6. Régler l’oscilloscope sur le mode XY puis faire varier le bouton SW FREQ ;
7. ♠ Que vaut la valeur maximale de VS , lue sur l’oscillogramme ?
8. ♠ Augmenter R. Qu’observe-t-on ? Est-ce cohérent avec les formules :
1
Q=
R+r
s
L
C
VS max = Q VE
(3)
9

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