Transcript ELECTRONIQUE 1

Licence Physique option EEA
TP d’électronique 1
Licence Physique
Option EEA
TRAVAUX PRATIQUES
ELECTRONIQUE 1
- PRESENTATION MATERIEL
- TP n°1 : CELLULE RC ET DIODE
- TP n°2 : TRANSISTOR BIPOLAIRE
- TP n°3 : AMPLIFICATEURS OPERATIONNELS
- TP n°4 : AMPLIFICATEUR AUDIO
- ANNEXES :
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Travaux Pratiques d’Electronique
Présentation du matériel
Pour réaliser les différents montages en électronique, nous avons besoin d’une alimentation, d’un générateur
de fonctions (Générateur basse fréquence GBF), et d’appareils de mesure, multimètres de table ou portatif, et d’un
appareil de visualisation de signaux, l’oscilloscope.
Alimentation linéaire : composé de deux alimentations stabilisées en tension (max 30V) et limitées en
courant (max 2.5A) :
Metrix AX322
Générateur basse fréquence GBF : générateur de fonctions sinusoïdales, triangulaires, carrées ou continues,
commandé en fréquence et en amplitude (tension) :
Metrix GX245
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Multimètres de table ou portatifs : Appareils de mesure de résistance, de test de continuité, de test de
composants (diodes, transistors), ou de mesure de courant ou tension efficace ou continue. Attention pour la mesure de
la valeur efficace, la fréquence maximum des signaux mesurable est de 200Hz :
Metrix MX579
ITC 916
Oscilloscope : Appareil de visualisation de signaux, composé de deux canaux permettant de visualiser des
tensions en fonctions du temps, et d’effectuer quelques mesures de périodes/fréquences, amplitudes, valeurs
moyennes, efficaces,.. Les formes d’ondes peuvent être récupérées sur le PC, à l’aide d’une connexion USB et du
logiciel Ultra Sigma :
Rigol DS2072
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Travaux Pratiques d’Electronique
TP n°1 : Cellule RC et Diode
Les premiers composants étudiés en électronique sont les composants passifs. Nous verrons donc en premier
lieu comment étudier le comportement fréquentiel d’une cellule composé d’une résistance et d’un condensateur.
Le plus simple composant non linéaire d'un circuit électronique est la diode. Le rapport entre le courant qui la
traverse et la tension à ses bornes dépend essentiellement de la polarité appliquée entre l'anode et la cathode.
La conduction par polarisation directe n'est obtenue qu'à partir d'un certain seuil de tension et le comportement
non conducteur par polarisation inverse peut devenir conducteur en dépassant le seuil donné par la tension inverse de
rupture. Le circuit extérieur qui polarise la diode doit être conçu de manière à respecter les limitations de courant pour
la polarisation directe et de tension pour la polarisation inverse.
La caractéristique non linéaire de la diode trouve son application dans la conception de circuits logiques, des
régulateurs de tension, des limiteurs et principalement des redresseurs.
L'objectif de ce TP est l’étude de la diode et de ses principales applications.
1. Signaux sinusoïdaux et filtrage RC :
Nous utilisons une plaque à essais, une résistance de R = 1kΩ et un condensateur de C = 100nF pour cette partie.
Cellule RC (C en dérivation).
1.1. Appliquer une sinusoïde de 2Vcc de fréquence F=10Hz en entrée de la cellule RC, et mesurer l’amplitude
crête à crête de Vs. Relever cette amplitude pour différentes valeur de F =
{10,100,1000,1200,1500,2k,5k,10k,100k}Hz.
1.2. Tracer sur Excel le gain en décibel de la fonction de transfert : | ( )|
= 20. log(
( )
).
1.3. En déduire la fréquence de coupure à -3dB, et la fonction de la cellule RC (C en dérivation).
1.4. Refaire les exercices 4, 5 et 6 avec C en série et R en dérivation.
1.5. Conclure.
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2. Courbe caractéristique de la diode :
2.1. Etudier le document constructeur de la diode 1N4004. Quel est le courant maximum pouvant traverser la
diode en continu. Régler la limitation en courant de l’alimentation linéaire. Justifier le choix de la puissance
de dissipation de la résistance R (R = 0.27 + 0.47 = 0.74Ω et P = 3.75W) sur la figure 1 pour relever la
caractéristique de la diode.
2.2. Réaliser le montage de la figure 1. Varier la tension d'alimentation et tracer la courbe caractéristique de la
diode lN4004 ID=f(VD) sur Excel, en tenant compte des limitations du composant.
A
R
V
VAli
VD
Figure 1.
2.3. A partir des résultats obtenus dans 1.2, déterminer la tension de seuil de conduction et la variation de la
tension de jonction VD correspondant une variation du courant ID dans un rapport de 10 à 1. Comparer les
résultats obtenus avec les informations données dans la documentation technique. Donner la valeur de la
résistance dynamique que présente la diode à l’état passant.
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3. Le redressement par diodes.
3.1. Le redressement simple alternance.
3.1.1. Réaliser le circuit de la figure 2 et relever les formes d'onde de la tension d'alimentation Va et de la
tension de sortie Vs. Comparer les résultats théoriques et expérimentaux, et sur cette base, expliquer le
comportement de la diode en polarisation directe et en polarisation inverse dans ce circuit. Dessiner la
courbe Vs =f(Va).
Va R = 1kΩ
Vs
230V
Figure 2.
3.1.2. Nous souhaitons lisser la tension de sortie Vs à l’aide d’un condensateur pour obtenir un convertisseur
AC-DC. Si nous imposons une ondulation de tension ∆Vs = 5V, quelle sera la valeur du courant moyen
dans la résistance R ?
3.1.3. Calculer la capacité du condensateur qu'il faut placer en parallèle avec la résistance pour avoir une
ondulation de 5V à la sortie. Vérifier le calcul expérimentalement.
3.2. Le redressement double alternance, par pont de diodes.
3.2.1. Réaliser le circuit de la figure 3 et relever la forme d'onde de la tension de sortie Vs.
Va
Vs
230V
R = 1kΩ
Figure 3.
3.2.2. Expliquer le fonctionnement du circuit en représentant sur le relevé de Vs, les temps de conduction de
chaque diode.
3.2.3. Nous souhaitons lisser la tension de sortie Vs à l’aide d’un condensateur pour obtenir un convertisseur
AC-DC. Si nous imposons une ondulation de tension ∆Vs = 5V, quelle sera la valeur du courant moyen
dans la résistance R ?
3.2.4. Calculer la capacité du condensateur qu'il faut placer en parallèle avec la résistance pour avoir une
ondulation de 5V à la sortie. Vérifier le calcul expérimentalement.
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3. Circuits limiteurs.
Réaliser les montages de la figure 4 (avec R = 1kΩ), visualiser Vs(t) et identifier le type de limitation effectuée par les
différents circuits. Expliquer clairement le fonctionnement de chaque circuit en fonction des caractéristiques des
diodes utilisées. Dans chaque cas dessiner la fonction Vs=f(Ve) en expliquant les niveaux de tension obtenus.
a)
d)
Ve
Vs
Ve
Vs
Diode Zener 3.3V – 0.3W
b)
e)
Ve
Vs
Ve
Vs
Diodes Zener 3.3 V – 0.3W
c)
Ve
Vs
Figure 4.
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TP n°2 : Polarisation du transistor bipolaire
Amplificateurs de puissance
L’objet de ce TP est d’étudier les propriétés fondamentales du transistor bipolaire et sa polarisation à partir de
quelques montages de base. En effet, un transistor bipolaire doit être soumis à une polarisation c.c. afin qu’il puisse
fonctionner comme un amplificateur. Un point opérationnel c.c. doit donc être défini pour que les variations du signal
d’entrée soient amplifiées et reproduites adéquatement à la sortie. L’étude portera sur la manière d’imposer un point
de repos également appelé point Q (de l’anglais quiescent) au transistor.
Puis seront étudiés les amplificateurs de puissance qui sont des amplificateurs à grands signaux. Lorsqu’un
signal est appliqué à leur entrée, ils utilisent généralement une portion beaucoup plus importante de la droite de charge
que les amplificateurs à faibles signaux. Nous étudierons dans ce TP les amplificateurs de classe A puis dans le TP n°4
les amplificateurs de classe B et AB. Ces classifications sont déterminées par le pourcentage du cycle d’entrée pour
lequel l’amplificateur opère dans sa région linéaire. L’objectif principal des amplificateurs à grands signaux est
l’amplification de puissance. Ils sont normalement utilisés comme dernier étage d’un émetteur ou d’un récepteur de
communication afin de fournir au signal une puissance nécessaire pour actionner un haut-parleur ou une antenne de
transmission.
1. Courbes caractéristiques du transistor bipolaire NPN
1.1. Caractéristiques du transistor et droite de charge :
1.1.1. Réalisez le montage de la figure 1 en prenant soin de démarrer avec les tensions d’alimentation à 0V.
1.1.2. Retrouver le paramètre β du transistor.
1.1.3. Pour différentes valeurs de iB régulièrement espacées Faites varier VCC de 0 à 10V et tracer le réseau de
courbes iC = f(VCE)
1.1.4. Fixez VCC à 10V et faites varier iB de manière à tracer sur le précédent diagramme la droite de charge
ainsi obtenue.
1.1.5. Relevez le point particulier se situant au milieu de la droite de charge et le courant iB correspondant.
RC
220Ω
Vbb
0-2V
RB
10kΩ
Vcc
0-10V
Figure1
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2. Polarisation par diviseur de tension
La polarisation ici étudiée convient à un fonctionnement linéaire du transistor, elle n’utilise cependant qu’une
seule source de tension continue et un pont diviseur résistif, ce qui en fait la méthode la plus couramment utilisée.
Vcc
+10V
R1
10kΩ
RC
1kΩ
R2
5.6kΩ
RE
1kΩ
Figure 3
2.1.1. Retrouver les équations régissant IC et VCE (IC # ((R2/(R1+R2))VCC – VBE)/RE et VCE # VCC – (RC + RE )IC)
et calculer le point de repos théorique Q (VCE, IC).
2.1.2. Réaliser le montage de la figure 3 et comparez le point de repos pratique Q (VCE, IC) obtenu au point
théorique.
2.1.3. Quelle condition doit cependant être respectée sur RE , R1 et R2 pour que le montage soit stable ?
3. Amplificateurs classe A
Lorsqu’un amplificateur à émetteur commun, à collecteur commun ou à base commune est polarisé de façon à
ce qu’il fonctionne dans la région linéaire pour le cycle complet (360°) de l’entrée, il est appelé amplificateur classe A.
Dans ce mode particulier, l’amplificateur ne passe pas en blocage ou en saturation. La forme d’onde de la tension de
sortie est donc une réplique amplifiée, inversée ou non de celle de l’entrée.
3.1.1. Réalisez le montage de la figure 4 et tracer les droites de charge statique et dynamique théoriques du
circuit.
3.1.2. Comment faut-il modifier le circuit pour que le point Q soit centré sur la droite de charge c.a. ?
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Vcc
+10V
R1
10kΩ
RC
1kΩ
C1
1µF
C3
1µF
GBF
Rs
50Ω
R2
3.3kΩ
RE
470Ω
Vs
20mV
20kHz
Rcharge
1.5kΩ
C2
100µF
Figure 4.
3.1.3. Mesurez la puissance dissipée (ou consommée) au point de repos, la puissance consommée lors de
l’amplification maximale et la puissance délivrée en sortie pour ce même fonctionnement. Calculez alors
le rendement du montage et conclure.
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TP n°3 : Amplificateurs opérationnels
Les premiers amplificateurs opérationnels (amplis-op) furent d’abord utilisés pour exécuter des fonctions
mathématiques telles que l’addition, la soustraction, la multiplication et la division, d’où le terme « opérationnel ». Les
composants d’alors fonctionnaient à partir de tubes à vide électroniques et travaillaient sous des tensions élevées. Les
ampli-op d’aujourd’hui sont des circuits intégrés linéaires fiables et peu dispendieux qui utilisent des tensions
d’alimentation c.c. relativement faibles.
Les amplificateurs opérationnels sont utilisés dans une grande variété d’applications. Le but de ce TP est
d’examiner quelques applications fondamentales afin d’illustrer les principes les plus importants des circuits à amplisop.
Tous les montages seront élaborés à base d’un ampli-op classique : le TL081. Son schéma descriptif et ses
connexions sont donnés figure 1.
FIGURE 1
1. L’ampli-op comme amplificateur
1.1. Montage suiveur :
Réalisez le circuit de la figure 2 (amplificateur suiveur) en prenant RL = 1kΩ et sans oublier d’alimenter l’ampli-op
sous +15V et -15V.
FIGURE 2
1.1.1. Mesurez l’amplification en fonction de la fréquence (de 100Hz à 2MHz). A quelle fréquence le gain
commence-t-il à diminuer ? (fréquence de coupure)
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1.1.2. Observez le signal pour RL = 100 Ω. Décrivez le changement observé à la sortie et expliquez vos
observations.
1.1.3. Mesurez les impédances d’entrée et de sortie en mettant désormais en entrée une tension continue de 6V
(ces mesures sont approximatives, mais elles vous donnent une idée de l’ordre de grandeur). Pour cela
procédez de la façon suivante :
Dans un premier temps, prenez RL = 100Ω et déterminez Zout en mesurant la tension la tension aux
bornes de RL (il s’agit d’appliquer un simple diviseur de tension)
Déterminez ensuite Zin en ajoutant une résistance de 100kΩ entre les bornes Vin et V+ et en mettant V- à
la masse (il s’agit également d’appliquer un simple diviseur de tension)
1.2. Amplificateur non-inverseur : Réalisez le circuit de la figure 3 :
FIGURE 3
1.2.1. Déterminez les valeurs de R1 et R2 afin d’obtenir une amplification de 20.
1.2.2. Mesurez à nouveau la fréquence de coupure. Est-ce que cette fréquence correspond à celle que vous
aviez obtenue pour le premier montage (montage suiveur avec amplification = 1) ? Que pouvez-vous
extrapoler sur la relation entre le gain et la bande passante de l’ampli-op ?
1.2.3. Prenez quelques mesures pour différents gains
1.3. Amplificateur inverseur : Réalisez le circuit de la figure 4 :
FIGURE 4
1.3.1. Déterminez les valeurs de R1 et R2 afin d’obtenir une amplification de -100.
1.3.2. Réalisez le montage. Quelle est la nouvelle fréquence de coupure ?
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1.3.3. Expliquez pourquoi ce montage s’appelle amplificateur inverseur et pourquoi on appelle la borne
d’entrée V+ non-inverseuse et la borne V- inverseuse
2. L’ampli-op comme application mathématique
2.1. Amplificateur différentiel : Réalisez le circuit de la figure 6 : avec les valeurs de résistances suivantes :
Rf = 10kΩ, Rg = 5kΩ, R1 = R2 = 1kΩ
FIGURE 6
2.1.1. Appliquez V1 = V2 = 5V et vérifiez la tension de sortie mesurée avec la valeur théorique donnée par :
2.1.2. Changez Rg par 10kΩ et notez vos résultats.
2.1.3. Quelle configuration faut-il pour obtenir une soustraction ? Vérifiez votre hypothèse avec votre
montage.
2.2. Amplificateur logarithmique Réalisez le circuit de la figure 7 : en prenant R = 100kΩ
FIGURE 7
2.2.1. En utilisant les principes de l’ampli-op et votre connaissance des diodes, montrez que :
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2.2.2. Appliquez une tension variable en entrée et vérifiez expérimentalement l’expression théorique.
2.2.3. Comment pourriez-vous transformer ce circuit en amplificateur exponentiel ? Expliquez.
3. L’ampli-op comme comparateur
3.1. Comparateur : Réalisez le circuit de la figure 8 et appliquez un signal sinusoïdal d’amplitude 5V en entrée
FIGURE 8
3.1.1. Observez à l’oscilloscope les signaux d’entrée et de sortie. Comment pouvez-vous modifier le niveau de
comparaison à 5V plutôt qu’à 0V ?
3.2. Comparateur à trigger de Schmitt : Modifiez le comparateur précédent de manière à obtenir celui de
la figure 9 : avec R1 = 1 kΩ et R2 = 100 kΩ.
3.2.1. Appliquez une onde sinusoïdale d’amplitude 5V en entrée. Comment ce comparateur se distingue-t-il du
précédent ?
3.2.2. Calculez les deux seuils (inférieur et supérieur) de comparaison.
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TP n°4 : Amplificateur audio
L’objet de ce TP est d’étudier les amplificateurs de classe B et AB et comparer leurs performances (montages,
distorsion, rendement,…). En particulier dans cette séance nous allons mettre en œuvre un amplificateur audio
répondant au cahier des charges suivant :
R (résistance de charge)
= 10 Ω (ou 8Ω pour le haut parleur)
P (puissance dans la charge)
= 5W
E (tension d’alimentation max)
= 12 V
A (amplification en tension)
= 100
La bande passante de l’amplificateur devra respecter la bande passante de l’audible (fréquence de coupure
supérieur à 20kHz) et la distorsion d’ensemble la plus faible possible.
Nous utiliserons des transistors TIP31C (NPN) et TIP32C (PNP). La puissance du montage étant assez
importante, nous monterons des dissipateurs thermiques sur ces transistors. La température des transistors et résistance
de charge peut être importante, donc attention aux brulures.
La tension d’alimentation E sera symétrique en +/-12V. L’amplificateur opérationnel est alimenté par ces
mêmes tensions.
1. Test de l’haut parleur.
Relier directement un lecteur MP3 ou autre, et tester le niveau sonore du haut parleur. Conclure sur l’apport d’un
amplificateur.
2. Amplificateur classe B.
2.1. Structure de base : PUSH-PULL :
2.1.1. Considérons que les signaux d’entrée et de sortie soient sinusoïdaux et d’amplitude max égale à la
tension d’alimentation (ce qui suppose Vbe = 0V et Vce = 0V), donner alors l’expression de la
puissance maximum que l’on peut dissiper dans la charge.
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2.1.2. Avec les mêmes hypothèses, donner l’allure du courant ic(t) de l’un des deux transistors de puissance.
Donner l’expression de la valeur moyenne du courant ic(t) et en déduire la puissance délivrée par
l’alimentation. Montrer que le rendement maximum est égal à π/4, dans ce cas simplifié et idéalisé.
2.1.3. Supposons maintenant, le modèle simplifié à deux segments pour la jonction base émetteur des
transistors de puissance (Vbe = 0.7V et Rdynamique = 0) et que Vcesat = 1V, tracer la caractéristique
entrée sortie de ce montage. Tracer de plus le chronogramme de Vs(t), en faisant apparaitre le
phénomène de seuil et de saturation.
2.1.4. Câbler le montage, relever Ve(t) et Vs(t), et la caractéristique entrée – sortie (oscilloscope sur position
XY). Observer les chronogrammes pour plusieurs valeurs d’amplitude et de fréquence de Ve(t), conclure
sur l’effet de seuil, la saturation et la bande passante.
2.1.5. Effectuer un test en audio. Conclure sur l’effet de seuil en audio.
2.2. Effet de la contre réaction sur les seuils.
2.2.1. Calculer les valeurs de R1 et R2 pour avoir l’amplification de 100 en tension.
2.2.2. Câbler le montage, relever Ve(t) et Vs(t), et la caractéristique entrée – sortie (oscilloscope sur position
XY). Observer les chronogrammes pour quelques valeurs d’amplitude et de fréquence de Ve(t), conclure
sur l’effet de seuil, la bande passante.
2.2.3. Relever rapidement sur Excel le diagramme de Bode en gain pour l’amplificateur avec contre réaction.
Conclure sur la bande passante.
Le montage amplificateur classe B, à cause de l’effet de seuil n’est pas utilisé en audio, mais peut être utilisé par
exemple pour la commande d’un petit moteur électrique. Pour l’audio Hifi, l’amplificateur le plus couramment utilisé
est le classe AB.
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3. Compensation du seuil : Amplificateur classe AB.
3.1. Etude thermique :
3.1.1. Rechercher dans les documents constructeurs les principales caractéristiques thermiques (par
transistors, sans dissipateur) des transistors de puissance de référence TIP31C et TIP32C : résistance
thermique jonction-boîtier, résistance thermique boîtier-ambiant, température de fonctionnement.
On rappelle que le comportement thermique du transistor de puissance peut être modélisé en régime permanent par le
schéma électrique équivalent donnée ci-dessous :
Au niveau des analogies entre aspect thermique et circuit électrique, on peut écrire :
Courant
=
puissance dissipée dans le transistor
Résistance
=
résistance thermique
Potentiel
=
température en °K.
3.1.2. Les dissipateurs montés sur les transistors (de type WA400) ont une résistance thermique d’environ
18°C/W. Comment est alors modifié le schéma précédent ?
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3.1.3. La résistance Rd (sert à polariser la diode) est de 100Ω, la résistance Re (sert à la stabilité thermique)
est de 0.74Ω et nous supposons que β est peu différent de 50, calculer alors l’amplitude maximale du
signal de sortie (en régime sinusoïdale), ainsi que la puissance dissipée dans la charge. Aide :
3.1.4. Si nous supposons que l’effet du courant de polarisation est négligeable, quelle est la valeur moyenne du
courant qui traverse le collecteur de chaque transistor, lorsque le montage fonctionne à dynamique
maximum ? En déduire la valeur de la puissance fournie par l’alimentation. Calculer alors le rendement
de l’amplificateur.
3.1.5. Calculer la puissance dissipée dans chaque transistor. Calculer alors la température du boîtier
(transistor et dissipateur) sachant que la température extérieur est 40°C. Quelle serait cette température
s’il n’y avait pas dissipateur ?
3.2. Etude expérimentale :
3.2.1. Câbler le montage et vérifier son bon fonctionnement (seuil, saturation,…) pour des diodes 1N4004 ou
1N4148 et des résistances Rd de 100 ou 220Ω.
3.2.2. Mesurer la dynamique maximum et évaluer le rendement du montage en pratique.
3.2.3. Proposer un montage à AOP pour ajouter l’amplification en tension de 100.
3.2.4. Valider le fonctionnement avec une expérience en audio.
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