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La tension caractérise une dissymétrie entre deux conducteurs.
L'existence d'une tension entre deux conducteurs peut provoquer un
déplacement de porteurs de charges de l'un vers l'autre.
Un courant ne peut traverser un dipôle passif que s'il existe une
tension ou différence de potentiel (D.D.P.) entre ses bornes.
L'unité de tension est le volt, symbole V.
// Remarquez que volt est un nom commun qui commence par une minuscule
et s'accorde au pluriel, V est un symbole qui ne doit pas s'accorder, car
le symbole s représente la seconde.
On doit donc écrire :
Deux volts, ou 2 V.
Cette découverte, fortuite, peut se résumer en foudre, Franklin,
Galvani, Volta :
Dans toutes les religions antiques, la foudre est l'arme divine. Vers
1600, des scientifiques lui cherchent une explication naturelle. A quoi
est donc dû l'échauffement provoqué par un éclair ? Descartes propose
de retenir la compression de l'air entre deux nuages, Boerhaave suggère
la présence dans les nuages de petits glaçons jouant le rôle de loupe
et concentrant les rayons du Soleil sur les exhalaisons soufrées et huileuses
de la Terre. Aucun rapport n'est établi entre l'éclair et les étincelles
données par la machine électrostatique de Guericke. La découverte de
la bouteille de Leyde, ancêtre du condensateur, qui rend les étincelles
moins nombreuses, mais plus spectaculaires, rend plus évidente l'analogie
(voir la machine de Whimshurst de votre lycée).
Les tentatives de détermination du signe de l'électricité aérienne
se multiplient, employant des cerfs-volants retenus par un fil de chanvre
humide, ou un fil de cuivre entourant la corde du cerf-volant. En 1760,
inspiré par ces recherches, Franklin met au point la paratonnerre. Galvani
est surtout physiologiste. En 1780, il étudie les nerfs de la cuisse d'une
demi grenouille, à côté de son assistant qui poursuit des travaux sur
une machine électrostatique. Au moment où le scalpel touche un nerf,
une décharge se produit et les pattes se contractent violemment. Galvani,
persuadé comme beaucoup d'une parenté entre fluide électrique et fluide
nerveux, approfondit ses recherches ; il remplace son scalpel par d'autres
objets et varie les sources d'électricité, employant finalement une pointe
en fer plantée sur le toit de sa maison, reliée à un crochet en cuivre
sur lequel est embrochée une demi grenouille. A chaque éclair d'un orage,
les cuisses de grenouilles se contractent.
Notez que cela fait beaucoup penser aux expériences du légendaire
docteur Frankenstein.
Un jour, Galvani suspend son crochet de cuivre avec demi grenouille
à son balcon en fer. Et là, alors qu'il fait grand beau temps, les cuisses
se contractent. Il renouvelle ses expériences pendant cinq ans, remarque
que l'effet est maximum quand les deux métaux en contact avec l'animal
sont différents. Il trouve cependant une explication fausse, une soi-disant
électricité animale.
Volta propose une explication tout aussi fausse, l'électricité métallique.
En 1800, il empile des couples argent zinc, séparés par un morceau de
toile imbibée d'eau salée : argent, zinc, toile mouillée, argent...
, argent, zinc. Le montage est incorrect, mais il fonctionne. Il va permettre
le développement des recherches sur le courant électrique.
En 1805, le peintre David réalise une toile représentant Napoléon,
offrant une pile électrique à l'école Polytechnique. Preuve de l'extrême
importance de cette invention, pour les scientifiques.
Par temps d'orage, entre nuages et Terre : 10 millions de volts,
lignes à haute tension, entre deux câbles : 540 000 V (un rang d'isolateurs
en verre correspond à 10 000 V),
entre phase et neutre d'une installation domestique, tension maximale
: 310 V.
Mesurez, à l'aide d'un voltmètre numérique, la tension délivrée
par votre générateur ; branchez ensuite le voltmètre dans l'autre sens.
Quelle est votre conclusion ?
UNP = - UPN
Relevez votre résultat positif et celui des autres groupes. Ces résultats
sont-ils égaux ? Trouvez une explication à cette fluctuation et proposez
une expérience confirmant votre explication.
// Réponse :
Dans une classe, nous avons mesuré le + 15 V d'une alimentation Jeulin
- 15, + 15 V, à l'aide d'une série d'excellents voltmètres. Le professeur
peut laisser les élèves en totale autonomie, puisque ces alimentations
sont limitées en courant de sortie à 100 ou 200 mA.
Voici les résultats obtenus :
14,80 - 14,98 - 15,21 - 15,05 - 14,84 - 14,69 - 15,12 et 14,89 V
Les élèves proposent plusieurs explications, mais ne vont pas directement
aux causes essentielles. Ils évoquent (parfois avec l'aide du professeur)
:
Certains élèves proposent de faire la moyenne des résultats.
Bonne initiative, mais ici, ce traitement mathématique n'apporte rien.
Les parasites doivent provoquer des variations des résultats successifs obtenus par un groupe (avec la même alimentation et le même voltmètre) ; il en est de même pour une mauvaise qualité des fils ; il faut mesurer la tension d'une alimentation, avec tous les voltmètres, pour tester les voltmètres.
On représente une tension entre deux points par une flèche.
Attention ! Le sens de cette flèche
est contraire aux notations vectorielles.
Attention ! Cette flèche sur un
schéma, n'est pas un fil électrique, erreur courante des élèves en
travaux pratiques (cela provoquerait un court-circuit).
La tension UAB entre les deux bornes A et B est égale
à la différence des potentiels de ces bornes, VA et VB.
// Attention, cette relation fait penser à la relation de Chasles, mais avec des signes opposés.
Il n'est pas facile, à ce niveau du programme d'expliquer la différence entre tension (ou différence de potentiel) et potentiel, car la définition du potentiel est énergétique. Essayons avec un exemple :
Vous disposez d'une pile plate de 4,5 V. Pouvez-vous raccorder l'une
de ses bornes à une entrée d'un ordinateur qui fonctionne entre 0 et
5 V ?
Réponse : Non ! Cela provoquera au mieux un blocage de l'ordinateur,
au pire la destruction de composants.
La raison est la suivante : Entre les bornes de la pile, il existe
bien une différence de potentiel de 4,5 V ; mais si vous tenez la pile
à la main et si vous vous trouvez sur une moquette qui vient d'être frottée
(nettoyage, passage...), il se peut que l'une des bornes de la pile soit
au potentiel 1000 V et l'autre au potentiel 1004,5 V. Lors du branchement,
un courant électrique va circuler, avec de graves conséquences pour l'ordinateur.
Voyez quelques lignes plus loin, comment il faut procéder, pour éviter
ces ennuis. C'est pour cette raison, qu'il est nettement préférable de
commencer
les branchements dans un circuit, par la masse (fils noirs).
Dans un montage électrique, on choisit souvent un potentiel de référence. Par convention, on lui attribue la valeur 0. C'est la masse du montage.
Avant d'intervenir à l'intérieur d'un ordinateur, il faut :
Pour mesurer la tension UAB entre les points A et B,
on branche le voltmètre en dérivation entre A et
B, la borne + sur A.
Sur un schéma, une flèche de tension représente un voltmètre branché
et pas un court-circuit par un fil.
// Note : C'est une erreur courante chez certains élèves,
au début.
Un voltmètre se branche une fois le circuit
réalisé.
Le calibre représente la tension maximale que
le voltmètre peut mesurer.
Un bon voltmètre est traversé par un courant
d'intensité très faible.
Réalisez un circuit comprenant un générateur (Jeulin -15, +15
V), un interrupteur et une lampe (ou un conducteur ohmique).
Complétez le tableau suivant :
| Interrupteur ouvert | Interrupteur fermé | |
| Tension aux bornes du générateur : UAD = | ||
| Tension aux bornes de la lampe : UBC = | ||
| Tension aux bornes de l'interrupteur : UAB = | ||
| Tension aux bornes du fil : UDC = |
Imaginez que ce montage serve à éclairer l'entrée d'un appartement. Comment pourriez-vous brancher une lampe au néon, pour qu'elle indique la position de l'interrupteur dans le noir ? Quels problèmes semble poser ce montage ?
// Réponse : La lampe au néon peut être branchée entre les
bornes de l'interrupteur ; elle brillera lorsque le circuit est ouvert
(éclairage éteint) et s'éteindra à l'allumage de l'éclairage.
Deux problèmes semblent se poser : Le circuit est toujours fermé,
par l'interrupteur, ou par la lampe au néon. Oui, mais l'intensité traversant
la lampe au néon est extrêmement faible. La lampe au néon est alimentée
à travers la lampe ordinaire. Oui, mais la résistance de cette dernière
est beaucoup plus faible que celle de la lampe au néon.
Exercice : Imaginez le branchement d'un relais alimentant les phares anti brouillard d'une automobile, pour que ces phares s'éteignent automatiquement quand les feux de croisement sont allumés. // Note : Ce type de branchement est interdit par le code de la route (Ce qui fait qu'il arrive souvent de croiser des véhicules, dont seuls les antibrouillards sont allumés, sans que leur conducteur s'en aperçoive !).
Réalisez un circuit comprenant un générateur (Jeulin -15, +15
V), et deux lampes (ou conducteurs ohmiques).
Complétez le tableau suivant :
| UAB = | UBC = | UAC = |
Conclusion : UAC = UAB + UBC
Cette relation nous rappelle la relation de Chasles.
Ce montage est un diviseur de tension.
// Il partage une tension en deux valeurs dont la somme est
égale à la tension totale.
| UAB = | UCD = |
Conclusion : UAB = UCD
Un canon à électrons projette un spot sur l'écran.
La déviation verticale du spot est proportionnelle à la tension appliquée
à l'entrée Y.
La déviation horizontale est généralement commandée par la base
de temps qui provoque un balayage régulier.
Une synchronisation permet de superposer les courbes tracées successivement.
Observons une tension sinusoïdale, délivrée par un générateur
basse fréquence.
Elle prend alternativement des valeurs positives et négatives ; elle
est alternative.
La période T est la plus petite durée au bout de laquelle un phénomène (périodique) se reproduit identique à lui-même. Elle se mesure en secondes.
La fréquence N est l'inverse de la période T. Elle se mesure en hertz (symbole Hz).
N = 1 / T
Une tension périodique alternative passe par des maxima (>0) et
des minima (<0). Si la tension est sinusoïdale, maxima et minima sont
égaux en valeur absolue.
Cette valeur est appelée tension de crête ou amplitude de la tension
; on la note Um.
Définition : La valeur efficace d'une tension alternative
est égale à la tension continue constante qui appliquée aux bornes d'un
appareil de chauffage, produirait le même effet pendant la même durée.
// Définition donnée à titre d'information, après un débat avec
les élèves qui proposent généralement de décrire une tension sinusoïdale
par sa moyenne, puis s'aperçoivent que celle-ci est nulle.
U = Um / √ 2, si la tension est alternative sinusoïdale.
Question : Une tension alternative en créneaux oscille entre +5 V et -5V. Quelle est sa valeur efficace ?
// Réponse : 5 V.
Envoyez le signal de sortie d'un générateur basse fréquence sur
une entrée de l'oscilloscope (laquelle ? ). Les masses de ces deux appareils
sont-elles reliées entre elles par la terre ?
Pour répondre à cette question, employez un ohmmètre.
Attention : Si les deux masses sont reliées entre elles par la terre, une erreur de branchement peut provoquer un court-circuit.
Réglez le 0 de l'entrée Y de l'oscilloscope ; placez cette entrée
sur DC (tout le signal Y passe).
Réglez le générateur basse fréquence, pour qu'il délivre une tension
sinusoïdale, de fréquence 50 Hz, de tension de crête 3 V.
Choisissez sur l'oscilloscope une vitesse de balayage convenable, réglez
si nécessaire la synchronisation, ajustez la sensibilité d'entrée pour
effectuer une mesure précise. Mesurez la tension de crête (ou crête
à crête, divisée ensuite par 2).
Mesurez la tension efficace à l'aide d'un voltmètre. Comparez les valeurs obtenues.
Pourquoi avoir choisi une fréquence voisine de 50 Hz, alors qu'elle
est responsable d'un clignotement désagréable de la trace donnée par
l'oscilloscope ?
Si le signal n'est pas sinusoïdal, la valeur donnée par le voltmètre
est-elle juste ?
Réponses :
Les multimètres donnent des valeurs efficaces précises, pour des
tensions sinusoïdales, de fréquence voisine de 50 Hz (fréquence du secteur).
Nous constatons une chute de la valeur donnée par le voltmètre, lorsque
la fréquence dépasse... (environ 500 Hz pour nos multimètres Fluke).
Si le signal n'est pas sinusoïdal, seuls les multimètres marqués
True RMS, donnent une valeur efficace correcte. C'est le cas des multimètres
Fluke de la série 111 (bien que la publicité ne l'indique pas pour les
moins chers d'entre eux). Ces multimètres semblent de grande qualité
(publicité non sponsorisée), garantie de 3 ans, prix raisonnable pour
le modèle 111, une seule entrée intensité (protégée très certainement
par des polyswitchs), un seul fusible 10 A ! (Il faudra faire très fort
pour griller cette entrée, mais ne désespérons pas, certains y parviendrons),
commutateur logiquement conçu... Un seul défaut, une sensibilité assez
faible sur le calibre intensité, 1 mA.
Choisissez sur le générateur basse fréquence une tension sinusoïdale
de fréquence 550 Hz, choisissez une vitesse de balayage convenable sur
l'oscilloscope, mesurez la période à l'oscilloscope, puis calculez-la
à partir de l'indication du générateur basse fréquence.
S'il vous reste du temps, essayez d'autres formes de signaux, parcourez toute la gamme de fréquences.
Choisissez un signal sinusoïdal de fréquence 1000 Hz. Visualisez
le signal. Mesurez sa période et sa fréquence. Diminuez la vitesse de
balayage. Qu'observez-vous ? Est-ce normal ? Diminuez encore la vitesse
de balayage. Qu'observez-vous ? Est-ce normal ?
// Réponse : En diminuant la vitesse de balayage, les sinusoïdes se resserrent, ce qui est normal. Brusquement, une sinusoïde est à nouveau observée, mais sa période est fausse. Il s'agit d'un artefact (qui rappelle ce qui se passe lorsqu'on observe un mouvement de rotation à l'aide d'un stroboscope).
Branchons en série un générateur, une cuve à électrolyse contenant
un peu d'eau et une lampe. La lampe ne brille pas.
Ajoutons progressivement dans l'eau de l'acide sulfurique. La lampe
brille de plus en plus ; le courant devient de plus en plus intense.
Cette expérience suggère que l'intensité d'un courant est liée
au débit des porteurs de charge, c'est à dire au nombre de ces porteurs
qui à chaque seconde traversent une section du conducteur.
Désignons par Q la valeur absolue de la quantité d'électricité,
c'est à dire la charge portée par l'ensemble des porteurs qui traversent
une section du circuit, pendant la durée t, dans un mouvement d'ensemble.
L'intensité I d'un courant continu constant est numériquement égale au quotient de la valeur absolue Q de la quantité d'électricité qui traverse une section du conducteur par la durée t de passage.
I = Q / t
C'est un déplacement d'ensemble, ordonné, des électrons, provoqué
par un générateur placé dans le circuit.
Dans un électrolyte, les porteurs de charge en mouvement sont des
ions. Les ions positifs ou cations, migrent dans le sens conventionnel
du courant, les ions négatifs ou anions, dans le sens contraire.
L'anode est l'électrode d'entrée du courant dans la
cuve à électrolyse, la cathode est l'électrode de sortie.
// Notez l'orthographe : Ici, les cations vont vers la cathode.
Calculatrice électronique : 0,00014 A,
lampe à incandescence : 0,3 A,
fer à repasser : 5 A,
locomotive : 500 A.
L'ampèremètre, qui se monte en série dans le circuit, a une résistance
très
faible. Il faut le brancher en série avec
d'autres récepteurs, lampes, moteurs... sinon, il y aura court-circuit.
Au début d'une mesure, il faut essayer d'estimer
l'intensité qui traverse le circuit, et dans le doute toujours choisir
le plus grand calibre.
L'ampèremètre est polarisé ; il faut respecter
les bornes d'entrée (+, rouge, A) et de sortie (-, noir, COM) du courant.
Branchez en série un générateur et 3 conducteurs ohmiques. Mesurez
l'intensité traversant les différents fils.
Conclusion : L'intensité est la même en tous les points d'un circuit série.
On appelle noeud, le point de raccordement d'au moins 3 branches.
La somme des intensités qui arrivent à un noeud est égale à la somme des intensités qui en repartent.
Ceci signifie qu'il n'y a pas d'accumulation des porteurs de charge.
Générateur : Le courant sort par la borne plus.
Récepteur : Le courant rentre par la borne plus.
// Note : Dans la vie courante, les conducteurs ohmiques
sont appelés résistances. Vous trouverez parfois l'appellation resistor
qui est le mot anglais.
Réalisez un montage comportant un générateur délivrant une tension
ajustable et un conducteur ohmique. Mesurez l'intensité traversant le
circuit et la tension entre les bornes du conducteur ohmique. Branchez
le voltmètre et l'ampèremètre de manière à obtenir des valeurs positives.
Cette convention est appelée convention récepteur.
Mesurez des couples intensité I, tension U, pour différentes valeurs
de la tension délivrée par le générateur. Représentez graphiquement
la fonction, appelée caractéristique du conducteur ohmique, U = f (I).
Conclusion : L'intensité I traversant un conducteur ohmique et la tension U entre ses bornes sont proportionnelles (si la température ne change pas).
Retournez le conducteur ohmique dans le circuit ; rien ne change : Le conducteur ohmique est un dipôle symétrique.
Lorsque U = 0, I = 0 ; le conducteur ohmique est un dipôle passif.
La relation entre U et I s'écrit
|
|
Ici, R ≈ Ω
Remarquez que R décrit bien le fait que le conducteur ohmique s'oppose,
résiste au passage du courant. Si R augmente, il faut augmenter U pour
avoir le même I, ou bien I diminue, si U reste constant.
La relation de proportionnalité pourrait aussi bien s'écrire I = G U, où G est appelé conductance, avec G = 1 / R (plus le conducteur ohmique résiste, moins il conduit).
Cela pourra être fait plus tard, lors de la prise en mains d'un
tableur.
Ce sera l'occasion de :
Nous trouvons R =
Nous trouvons R ≈ avec une tolérance de %.
Voici pour s'amuser, un moyen mnémotechnique de retenir ce code :
Ne manger rien ou jeûner voilà
bien
votre
grande
bêtise.
Variante :
Ne mélangez rien ou je vous brûle votre grande barbe.
La puissance P est donnée par la relation P = U I, avec P en watts,
U en volts et I en ampères.
Ici, la valeur maximale de P a été de W, alors que ce conducteur ohmique peut dissiper au maximum W. Nous l'avons correctement utilisé.
// Remarque : Ce calcul aurait du être fait dès le début du travail pratique.
Plusieurs approches sont possibles, refaire entièrement le travail
précédent, se contenter de vérifier que si U double, I double, donc
que la relation de proportionnalité est toujours vérifiée, faire une
démonstration théorique.
Conclusion : Le dipôle équivalent à l'association en série de 2 conducteurs ohmiques de résistance R1 et R2 est un conducteur ohmique de résistance R, avec
|
|
Ce montage est un diviseur de tension ; la tension totale U est partagée (et pas divisée) entre U1 et U2
Le potentiomètre est un conducteur ohmique particulier, avec 3
bornes. Il est le plus souvent employé dans un montage potentiométrique,
et plus rarement dans un montage rhéostatique.
Etudiez les résistances et les tensions pour différentes positions du curseur. Conclusion ?
Cherchez des applications des potentiomètres.
// Réponse : Derrière chaque bouton de réglage d'un appareil électronique (sauf parfois le bouton de recherche de stations d'un poste de radio) se trouve un potentiomètre.
Le dipôle équivalent à l'association en parallèle de 2 conducteurs
ohmiques de résistance R1 et R2 est un conducteur
ohmique de résistance R, avec
|
|
ou encore G = G1 + G2, où G est la conductance mesurée en siemens (symbole S).
Remarque : R est inférieure à R1 et R2.
Attention : Lors d'un calcul, n'oubliez-pas
de repasser de 1 / R à R. (Voir les valeurs numériques au sous paragraphe
suivant).
// Note : L'ancien programme de seconde préconisait d'enseigner la relation R = ( R1 R2) / ( R1 + R2). La raison a cela est la difficulté que rencontrent les élèves de 2° à employer sans erreur la formule encadrée. Mais la deuxième forme de la relation présente le grave inconvénient de ne pas pouvoir se généraliser au cas de 3 conducteurs ohmiques et plus.
Essayez, sans calcul, mais par raisonnement de trouver une valeur
approximative pour les associations suivantes :
R1 = 100 Ω, en parallèle avec R2 = 100 Ω → Requ = 50 Ω.
R1 = 1000 Ω, en parallèle avec R2 = 100 Ω → Requ = 91 Ω.
Explication : Lorsque les 2 résistances identiques sont en parallèle,
le courant passe 2 fois plus facilement, la résistance équivalente est
2 fois plus faible.
Dans le deuxième cas, le courant passe un peu plus facilement que
dans une résistance de 100 Ω, mais pas beaucoup plus facilement ; la
résistance équivalente est un peu inférieure à R1.
La partie 'Contenus', dans sa colonne 'Physique analogique' évoque
l'utilisation raisonnée de montages : suiveur, comparateur, amplificateur,
amplificateur différentiel.
La partie 'Recommandations' indique : "Les montages suiveur, comparateur,
amplificateur et amplificateur différentiel ne seront étudiés que dans
un but fonctionnel : on visualisera les grandeurs d'entrée et de sortie
et on établira la relation les reliant.".
L'amplificateur intégré linéaire, ou A.I.L., appelé encore amplificateur
opérationnel, est un amplificateur comportant de nombreux composants intégrés
sur la même plaque de silicium. Il a été soigneusement conçu pour que
son comportement soit rigoureusement linéaire.
Ses caractéristiques simplifiées, surprenantes à priori, sont les
suivantes :
Réalisez le montage suivant :
L'alimentation en énergie n'est pas indiquée, mais elle est obligatoire. Ne confondez pas alimentation en énergie et entrées de l'amplificateur. Sur votre chaîne haute fidélité, confondez-vous alimentation électrique (220 V) et entrée microphone ou lecteur Cd rom ? Nous vous déconseillons de tenter l'expérience ! Ne confondez-pas flêches de tension et fils de connexion !
Vous remarquez une liaison entre la sortie et l'entrée inverseuse ( - ). Cela peut vous paraître curieux. Cette liaison diminue le gain de l'amplificateur, mais elle améliore ses performances. On l'appelle contre-réaction, ou réaction négative.
A l'entrée non inverseuse, appliquez une tension continue ; faites varier celle-ci et relevez les valeurs des tensions d'entrée et de sortie. Quelle est votre conclusion ? Quel peut bien être l'intérêt d'un tel montage ?
Vous pouvez aussi appliquer à l'entrée le signal issu d'un générateur basse fréquence, et observer les tensions d'entrée et de sortie à l'oscilloscope.
Les tensions d'entrée et de sortie sont égales. Mais l'intensité
d'entrée est très faible (de l'ordre de 10-12 A) alors que
l'intensité de sortie peut atteindre 10 mA. Le gain en tension est égal
à 1 (exactement), mais le gain en intensité est énorme. Ce montage est
très intéressant pour mesurer la tension délivrée par des transducteurs
qui délivrent des courants de sortie très faibles (sonde pH métrique,
capteur de pression).
Ce montage a un comportement linéaire, Us = Ue.
Le gain en intensité est énorme. On applique une tension à l'entrée
; l'intensité d'entrée est d'environ 10-12 A. En branchant
un ampèremètre directement sur la sortie, on mesure une intensité de
sortie de 20 ou 30 mA. Le gain en intensité, qui dépend du composant
branché sur la sortie, est ici de dix milliards.
// Note pour le professeur : Le montage est un adaptateur d'impédances
; il peut aussi servir à 'linéariser' des composants non linéaires,
judicieusement placés dans la boucle de contre-réaction, transistor de
puissance, diode redresseuse.
Le gain en courant peut être illustré simplement en plaçant deux
diodes électroluminescentes identiques (dans le sens convenable), l'une
en entrée, l'autre en sortie. Seule cette dernière s'allume. Choisissez
une très basse fréquence pour le générateur basse fréquence, afin
d'obtenir un clignotement.
Le gain en intensité peut être visualisé en branchant en série avec l'entrée et la sortie, et dans un sens convenable, des diodes électroluminescentes. Celles raccordées à la sortie clignotent (avec un GBF réglé sur environ 10 Hz), celle reliée à l'entrée n'émet aucune lumière.
Réalisez le montage suivant :
Appliquez sur l'entrée inverseuse ( - ) une tension de référence Uréf de 0 V, puis de 5 V. Appliquez sur l'entrée non inverseuse une tension continue variable Ue ; qu'observez-vous ?
Si Ue > Uréf alors US =
+ 14 V environ,
Si Ue < Uréf alors US = - 14 V environ.
Les tensions de sortie sont proches des tensions d'alimentation
(pour simplifier, nous dirons qu'elles leur sont égales). Il n'y a pas
proportionnalité entre tensions d'entrée et de sortie, l'amplificateur
intégré linéaire fonctionne en régime non linéaire (remarquez
qu'il n'y a pas de contre-réaction).
Observez ce qui se passe lorsqu'un signal sinusoïdal est appliqué
à l'entrée. Matériel nécessaire : Générateur basse fréquence, oscilloscope.
Essayez d'appliquer à l'entrée une tension nulle. Comment faire ?
Qu'observez-vous en sortie ?
// Constatations : Il n'est pas possible d'appliquer une tension
rigoureusement nulle, à cause des parasites. La tension de sortie fluctue
entre + et -15 V.
Nous nous proposons de réaliser un allumage de rue automatique
; lorsque la nuit tombe, une diode électro luminescente, simulant un réverbère,
doit s'allumer. Proposez des idées pour y parvenir.
// Les élèves évoquent un capteur de lumière. Le professeur les
pilote sur des montages de plus en plus sophistiqués : Photorésistance
montée en rhéostat, comparateur allumant la DEL, comparateur commandant
un relais. L'utilisation d'un ordinateur pour cette tâche élémentaire
paraît démesurée.
A l'aide d'un ohmmètre, mesurez la résistance d'une photorésistance,
dans différentes conditions d'éclairement. Entre autre dans l'obscurité
(comment la réaliser ? ).
// Un étui noir de calculatrice est excellent pour cela.
Mesurez R dans l'obscurité, à la lumière disponible sur votre table,
puis à environ deux fois moins de lumière. Tracez la courbe R = fonction
de l'éclairement. Est-elle linéaire ? Peut-elle être linéaire ?
Refaites la courbe R = fonction de l'éclairement, mais cette fois
en mesurant l'éclairement à l'aide d'un luxmètre. Est-elle linéaire,
connaissez-vous une fonction mathématique conduisant à ce type de représentation
graphique ?
Tracez G = fonction de l'éclairement. Est-elle linéaire ?
// Explication du professeur : Un certain pourcentage des photons reçus provoque le passage d'un électron dans le circuit électrique.
Branchez la photorésistance en série (montage en rhéostat ou
rhéostatique) avec un générateur Jeulin + 15 V et un circuit Electrome,
générateur de musique.
Expliquez comment évolue la tension UBC (voir schéma
suivant) lorsque la photorésistance passe du Soleil à l'ombre. Quelle
valeur choisir pour la résistance R1 ?
// Réponse : Lorsque l'intensité lumineuse décroît, la valeur Rv de la photorésistance augmente, la tension UBC croît. Il faut que R1 soit proche en valeur de la valeur intermédiaire de Rv (puisque nous comparons par mesure de simplicité UBC à 0 V) et que la puissance maximale dissipée soit raisonnable.
Réalisez le montage suivant et faites-le fonctionner :
Vous souhaitez que votre montage s'allume plus tard le soir. Comment
faites-vous ?
Vous voulez qu'il s'allume le jour ; que faites-vous ?
Vous voulez qu'un moteur tourne dans un sens le jour, dans l'autre
sens la nuit ; comment faites-vous ?
Vous voulez qu'un moteur tourne le jour, mais pas la nuit ; comment
faites-vous ?
Sur les schémas suivants, le disque M représente un moteur. Comment celui-ci fonctionne-t-il ?
Réalisez le montage suivant :
Choisissez R1 = 10000 Ω et R2 = 47000 Ω.
Mesurez la tension de sortie US, pour une tension d'entrée
Ue variant de volt en volt, de -5 V à +5 V. Tracez US
en fonction de Ue . Quelle est votre conclusion ? Voyez-vous
des applications à ce montage ?
Réponse : Lorsque Ue est comprise entre -3 V et +3
V, la tension de sortie est proportionnelle à la tension d'entrée. Le
montage est en régime linéaire, le rapport G entre tensions de
sortie et d'entrée appelé
gain vaut
: G =
Il est égal au rapport des valeurs des résistances changé de signe
: G = - R2 / R1.
Ce montage est appelé amplificateur inverseur (on devrait dire amplificateur changeur de signe).
Si la tension d'entrée est trop grande en valeur absolue, l'amplificateur est saturé, la tension de sortie vaut soit +15, soit -15 V, le régime n'est plus linéaire.
// Note pour le professeur : Ce montage ne permet pas toujours d'alimenter un haut parleur. Essayez de comparer l'entrée et la sortie à l'aide d'un écouteur ; utilisez bien sur un générateur basse fréquence. Même un écouteur fait chuter la tension de sortie.
Il est possible de brancher sur l'entrée inverseuse deux générateurs
de signaux musicaux, en choisissant R1 = 33 kW
et R2 = 100 kW. Les deux sons se
mélangent. Je déconseille au professeur de fournir un microphone aux
élèves, à moins qu'il ne souhaite réveiller chez eux des instincts
chahuteurs.
Réalisez le montage suivant :
Choisissez des valeurs égales pour les 4 résistances (10000 ou 47000
Ω).
Appliquez diverses tensions continues sur les 2 entrées. Trouvez une
relation entre la tension de sortie et les tensions d'entrée.
Ce montage est employé dans l'électronique qui accompagne les capteurs de pression que nous allons employer. Pouvez-vous brancher sur ce montage un transducteur délivrant un très faible courant ?
// Réponse : Non, le transducteur débiterait trop de courant.
// Pour le professeur : Les impédances d'entrée de ce montage sont
trop faibles.