Transcript énoncé
A.L.I / RÉTROACTION Mesure de température avec un thermocouple a) On peut mesurer une différence de température TA − TB en utilisant l’effet Seebeck. Celui-ci apparaît quand un fil métallique constitué par un métal M1 est soudé à ses deux extrémités A et B à un métal différent M 2 . Si les deux soudures sont portées à des températures différentes TA et TB , on a dans un domaine limité de température une différence de potentiel qui apparaît entre A et B : e = V A − VB = α(TA − TB ) . On prendra ici α = 40 µV ⋅ K -1 . La soudure B est plongée dans un bain de glace à 0°C. Montrer que pour mesurer des températures TA de la soudure A comprises entre −10°C et +30°C , il est nécessaire d’amplifier la tension e. Proposer un montage amplificateur inverseur à A.O à deux résistances R1 et R2 . b) On tient compte de la tension de décalage Vd ≈ 500 µV de l’A.O, exprimer la tension de sortie Vs du montage précédent en R fonction de e, de Vd , et des deux résistances R1 et R2 . Peut-on négliger l’influence de Vd ? On prendra 2 = 10 4 . R1 c) Pour améliorer la mesure, on réalise le montage ci-contre. Donner l’expression de la tension E que l’on doit appliquer pour compenser l’effet de la tension de décalage. On prend R = R2 . Donner les valeurs extrémales correspondantes pour E et Vs . Expliquer comment on compense l’effet de la tension de décalage dans la pratique. réponse : b) Vs = − 4 V ≤ Vs = R R2 R R e + 1 + 2 Vd c) E = 1 + + Vd ≈ 5 V alors R1 R R R 1 1 2 R2 e ≤ 12 V R1 1. Générateur idéal de courant On considère le montage ci-dessous. Calculer l’intensité i en fonction de E et de u. À quelle condition sur les résistances peut on réaliser ainsi un dipôle équivalent à un générateur idéal de courant ? Donner le schéma équivalent. réponse : i = R − R1 − R2 E u− . i est indépendant de u si R2 (R + R1 ) R2 R = R1 + R2 2. Simulation d’inductance On considère le montage ci-dessous. « −R » est une résistance négative obtenue à partir d’un montage à A.O. On se place en régime sinusoïdal forcé. a) Montrer que le dipôle AB est équivalent à une bobine d’inductance L en parallèle avec des conducteurs ohmiques. Que vaut L ? b) Montrer qu’en choisissant convenablement la valeur de la résistance R, on simule une inductance pure. Quel est l’intérêt de ce montage ? réponse : a) L = R1R2 C en parallèle avec R1 , R2 et −R b) On a une inductance pure si R = R1 R2 R1 + R2 3. Filtre universel / Stabilité a) Déterminer la relation entre u1 , u 2 , us et u e , ainsi que les relation entre us et u 2 d’une part, entre u 2 et u1 d’autre part. On note ω 0 = R2 1 et a = . R1 + R 2 RC b) Étudier les fonctions de transfert H 2 = u2 ue , H1 = u1 ue , et H 3 = us ue . Pourquoi peut-on parler de filtre universel ? c) On rajoute un conducteur ohmique de résistance R entre la sortie du deuxième A.O et l’entrée inverseuse du premier A.O. u2 Déterminer la nouvelle fonction de transfert H 2′ = . Déterminer pour ce nouveau filtre l’équation différentielle liant u e (t ) ue et u 2 (t ) . En déduire qu’il existe une condition sur a pour que le filtre soit stable. Que se passe-t-il si cette condition n’est pas réalisée ? réponse : b) H1 : passe-haut du second ordre, H 2 passe-bande du second ordre, H 3 passe-bas du second ordre c) stabilité si 1 a> 4 4. Rétroaction sur un filtre passe-bas du premier ordre On considère le montage ci-dessus dans lequel tous les A.O sont idéaux. a) Identifier la chaîne d’action, la chaîne de retour et le comparateur. us b) Calculer la fonction de transfert µ( jω) = de la chaîne d’action, son gain µ 0 dans la bande passante et sa fréquence de uε coupure f 0 . Quelle est sa fonction ? c) Calculer la fonction de transfert β( jω) = ur us de la chaîne de retour. Quelle est sa fonction ? d) En déduire la F.TB.F H ( jω) = us ue , son gain H 0 dans la bande passante et sa fréquence de coupure f 0′ . e) Étudier la stabilité du montage. f) Comparer les produits gain × largeur de bande passante et les graphes du gain en décibels de la chaîne directe et du montage bouclé. Conclure. réponse : b) µ 0 = R2 1 ; f0 = c) β( jω) = α e) montage stable R1 2πR2C 5. Stabilité d’un montage à A.O On considère le montage ci-dessous où l’A.O est réel. L’amplification différentielle de l’A.O dépend de la fréquence ; elle est us µ0 modélisée par une fonction de transfert de type passe-bas : µ = . = ε 1 + jωτ a) Déterminer la réponse indicielle du montage. En déduire la condition de stabilité de ce dernier. b) Donner un schéma-bloc fonctionnel du montage, calculer sa F.T.B.O. c) L’A.O est maintenant supposé idéal. Donner la F.T.B.F du montage et la condition de stabilité. Que se passe-t-il à la frontière entre stabilité et instabilité : a-t-on un oscillateur quasi-sinusoïdal ? réponse : a) stable si 1 + u′e µ0 1 − k > 0 b) on peut prendre un schéma-bloc avec un accès de fonction de transfert , puis le 2 2(1 + k ) ue comparateur, une chaîne directe µ = us ε = ur µ0 k −1 et une chaîne de retour β = = c) stable si k > 1 , saturation 1 + jωτ us 2(1 + k ) sinon, mais pas d’oscillations car F.T.B.F du premier ordre. Déphaseur du premier ordre Quelle doit être la fonction de transfert d’un système du premier ordre stable assurant un déphasage variant entre 0 en basses fréquences et − π en hautes fréquences, et dont le gain est unitaire à toutes fréquences ? Quelle est sa réponse à un échelon de tension ? On peut obtenir une telle fonction avec un montage à A.L.I ci-contre : Placer les entrées inverseuse et non inverseuse sur le schéma du montage. Montrer que l’on a bien le fonctionnement souhaité pour un A.L.I idéal. Déterminer alors Vs (0 + ) pour un échelon de tension et commenter le résultat obtenu.