DUT 1ère Année 2013/2014 AIX-MARSEILLE UNIVERSITÉ IUT d’AIX-MARSEILLE, Dépt. GEII Marseille _________________________________________________________________________________________________________________________________________ TP n°1 - Initiation ALIMENTATIONS et MULTIMÈTRES Objectif : utilisation des alimentations continues, mesures de tension et de courant Matériel : alimentation stabilisée, multimètre, plan de charges 4 W résistances 2,2 kΩ ; 10 kΩ ; 2,2 MΩ ; 10 MΩ Fournitures : une feuille de papier millimétré (fournie en salle) I. Présentation des appareils a. Les multimètres Les multimètres numériques regroupent plusieurs appareils en un seul. Nous utiliserons principalement les trois fonctions suivantes : - le voltmètre : l' ampèremètre : l' ohmmètre : il mesure la tension électrique (en Volt, noté V) ; il mesure le courant électrique (en Ampère, noté A) ; il mesure la résistance électrique (en Ohm, noté Ω). Vous avez deux modèles de multimètres numériques sur votre table : Française d'Instrumentation FI 1330 HAMEG HM 8012 Figure 1 Lors de vos mesures, vous aurez à : - sélectionner la fonction du multimètre : voltmètre, ampèremètre ou ohmmètre ; choisir le type de mesure : signal continu (DC), variable (AC) ou les deux ; choisir le calibre, si l'appareil n'a pas un changement de gamme automatique, en fonction de la valeur du signal ; connecter l’appareil au circuit ou au composant à mesurer. b. L’alimentation stabilisée Elle apporte l’énergie nécessaire au fonctionnement du circuit électronique. Vous disposez sur votre table d'une alimentation de tension continue triple. Elle est constituée de deux alimentations continues réglables de 0 à 30 V et d'une alimentation fixe de 5 V dans le même boîtier. Chaque alimentation peut fournir un courant maximal, réglable de 0 à 3 A pour les alimentations variables, de 5 A pour l'alimentation fixe. 1 alimentation 0 - 30 V alim. 5 V alimentation 0 - 30 V Figure 2 : Alimentation continue triple FI 6303AS A chaque utilisation d'une alimentation variable, vous aurez à régler : - la valeur du courant maximal ICC pouvant être fourni par l’alimentation ; - la valeur de la tension de sortie U désirée ; - connecter la sortie de l'alimentation au circuit à alimenter. Attention : les afficheurs des alimentations ne sont pas des appareils de mesure. Ils ne fournissent qu’une indication. Pour régler correctement les valeurs de U et ICC, on utilise le multimètre. II. Alimentation stabilisée 1. Définition d’une source de tension réelle Par définition, une source de tension réelle présente à ses bornes une tension quasiment constante pour un courant délivré compris entre 0 et un courant maximal ICC. L'alimentation stabilisée (figure 2) est une source de tension réelle. 2. Réglage de l’intensité maximale Le courant maximal ICC pouvant être fourni par l’alimentation est habituellement réglé à une valeur légèrement supérieure à celle nécessaire au fonctionnement du circuit alimenté. Ce réglage est une sécurité en cas de dysfonctionnement du circuit : le courant ne dépassera jamais la valeur ICC fixée. Réglez la limitation en courant de l’alimentation à ICC = 0,2 A selon la procédure suivante : - réglez la tension à une valeur non nulle (à l’aide du bouton rotatif V) ; - réglez la valeur de ICC au minimum (à l’aide du bouton rotatif I) ; - court-circuitez l’alimentation en branchant un câble entre les bornes positive et négative de l’alimentation ; - réglez la valeur du courant de court-circuit à ICC à l’aide du bouton rotatif I ; - pour un réglage plus précis, remplacez le câble par un multimètre utilisé en ampèremètre (l'ampèremètre est un court-circuit) en repérant correctement les bornes d'entrée, puis réglez précisément ICC avec le bouton I ; - débranchez le court-circuit ou l'ampèremètre. Notez cette procédure dans votre cahier de TP et faites vérifier le réglage par un enseignant. 3. Caractérisation de la source de tension Pour caractériser cette source de tension, on connecte à ses bornes une résistance RL dont la valeur peut varier afin de débiter des courants I de différentes valeurs (figure 3). La tension et le courant sont mesurés à l’aide d’appareils de mesure selon la figure 4 pour chaque valeur de RL. Chaque couple de valeurs (U, I) est reporté sur un graphe afin d’obtenir la caractéristique U = f(I) de la source. 2 Alimentation Alimentation stabilisée stabilisée - + º - º I RL º + º A U V Figure 3 mesure courant I du mesure de la tension U Figure 4 Notez l'utilisation et le branchement des multimètre dans votre cahier de TP : - mesure d'un courant : le multimètre est utilisé en ampèremètre et il est inséré dans le circuit (branchement en série) ; - mesure d'une tension : le multimètre est utilisé en voltmètre et il est branché en dérivation entre deux points du circuits ; - pour mesurer des tensions et courants continues, on sélectionne les touches et … du FI 1330 ou la fonction DC du HM 8012 (DC pour Direct Current = continu). Préparez sur une feuille de papier millimétré les axes du graphe U = f(I), avec U de 0 à 15 V et I de 0 à 0,25 A. Avant de faire les mesures, tracez rapidement sur votre compte-rendu l’allure du graphe U = f(I) que vous devez obtenir. Réglez la tension de sortie de l’alimentation à 10 V. Connectez une résistance de charge RL de la plaque 4 W et les appareils de mesure. Reportez sur le graphe les valeurs de U et de I , pour RL variant de l’infini à 10 Ω, en utilisant uniquement les résistances fixées sur la plaque 4 W. Indiquez sur le graphe la partie de la courbe correspondant à un fonctionnement en source de tension. Faites vérifier votre graphe par un enseignant. III. Précision et validité d’une mesure 1. Incertitude La résolution d’un appareil de mesure est donnée par le constructeur sous la forme : nombre × valeur de fin de gamme ou digit, avec : - le nombre donné par le constructeur, - la valeur de fin de gamme ou digit représente la plus petite valeur pouvant être lue sur le calibre choisi (unité de résolution). La précision d’un appareil de mesure est donnée par le constructeur sous la forme : ± (pourcentage de la valeur lue + résolution) Extrait des notices du HM 8012 (à gauche) et du FI 1330 (à droite) 3 Pour une des mesures de tension précédentes, et à partir de la documentation des multimètres : - relevez la résolution du multimètre pour le calibre utilisé (précisez la référence de l'appareil) ; - calculez la précision (ou incertitude absolue) ∆U de la mesure choisie ; - donnez l'encadrement de la mesure sous la forme U - ∆U ≤ U ≤ U +∆U ; - calculez l'incertitude relative ∆U/U. Conclusion à retenir: Contrairement à une impression trompeuse, l'incertitude absolue d'un appareil digital n'est pas égale à la plus petite valeur pouvant être lue (valeur de fin de gamme ou digit) mais elle est bien supérieure. 2. Choix du calibre Soit le circuit diviseur de tension de la figure 5 avec R1 = 2,2 kΩ et R2 = 10 kΩ. R1 Alimentation U stabilisée - º + R2 º V2 Figure 5 La relation entre les tensions V2 et U est donnée par : V2 = R2 U R1 + R2 La tension de l’alimentation est réglée à U = 2,00 V à vide (avec précision). - Calculez V2 th la valeur théorique de V2. - Réglez U = 2,00 V à vide, c'est à dire sans rien connecter, avec précision. - Réalisez le montage et mesurer V2 avec le multimètre FI 1330 et les calibres 2000, 200 et 2 V. - Calculez les écarts relatifs à la valeur théorique (écarts relatifs entre chaque mesure et le calcul). Conclusion à retenir : Il faut utiliser le calibre juste supérieur à la valeur mesurée pour avoir la meilleure précision de mesure. 3. Influence de l’appareil de mesure On étudie toujours le circuit de la figure 5, maintenant avec R1 = 2,2 MΩ et R2 = 10 MΩ. - Calculez V2th la valeur théorique de V2 pour U = 2,00 V à vide. - Refaire le montage avec les nouvelles valeurs de R1 et R2 . - Mesurez V2 avec le multimètre FI 1330 et le calibre approprié (notez le calibre utilisé). - Calculez l'écart relatif à la valeur théorique. Explication : Le multimètre peut être représenté par une résistance Rapp dont la valeur est donnée par le constructeur. Extrait de la notice du FI 1330 - Dessinez le schéma de la figure 5 en représentant le voltmètre par la résistance Rapp dont la valeur est donnée ci-dessus. 4 - Recalculez la valeur de V2th en tenant compte de la résistance d’entrée Rapp et concluez sur l’influence de l’appareil de mesure dans le circuit étudié dans les deux cas de mesure de V2 (III.2 et III.3). Conclusion à retenir : Pour faire une mesure correcte, il faut que la résistance de l’appareil de mesure soit très supérieure à celle du circuit mesuré (1er cas avec R2 << Rapp). Sinon, la mesure sera fausse (2ème cas avec R2 = Rapp). IV. Association d'alimentations 1. Mise en série Lorsque l'on a besoin d'une tension supérieure à 30 V, valeur maximale fournie par une alimentation variable, on peut associer deux alimentations pour obtenir la valeur souhaitée. a. Proposez un schéma avec la valeur des tensions des sources de tension pour réaliser une alimentation fournissant 50 V et montrez-le à un enseignant. Réalisez le montage avec des câbles et vérifiez avec un voltmètre la tension obtenue. b. Réalisez ensuite la même source, mais sans utiliser de câble (voir l'extrait de la notice d'utilisation page suivante). Faite vérifier par un enseignant. c. Notez sur votre cahier de TP le schéma du a et la procédure du b. 2. Mise en parallèle Pour alimenter certains circuits, on peut avoir besoin d'un courant supérieur à 3 A, courant maximal fourni par une alimentation variable. a. Proposez le schéma d'une source de tension fournissant 20 V et pouvant délivrer 4 A maximum. Précisez sur votre schéma les réglages de tension U et de courant maximal ICC des alimentations et montrez-le à un enseignant. Réalisez le montage avec des câbles et vérifiez avec un voltmètre la tension obtenue. b. Réalisez ensuite la même source, mais sans utiliser de câble (voir l'extrait de la notice d'utilisation page suivante). Faite vérifier par un enseignant. c. Notez sur votre cahier de TP le schéma du a et la procédure du b. 3. Alimentation symétrique La plupart des maquettes que vous utiliserez tout au long de l’année seront alimentées en tensions symétriques -15V / 0V / +15V. a. Proposez le schéma d'une source de tension fournissant -15V / 0V / +15V et montrez-le à un enseignant. Réalisez le montage avec des câbles et vérifiez avec un voltmètre les tensions obtenues. b. Réalisez ensuite la même source, mais sans utiliser de câble. Faite vérifier par un enseignant. c. Notez sur votre cahier de TP le schéma du a et la procédure du b. 5 Extrait de la notice d'utilisation de l'alimentation FI 6303AS 6 V. Source de courant Dans certaines applications, l’alimentation ne se fait pas avec une source de tension, mais avec une source de courant. C’est le cas des chargeurs de batteries Cd - Ni. 1. Définition d’une source de courant réelle En vous basant sur la définition d’une source de tension réelle, donnez la définition d’une source de courant réelle. 2. Réalisation d’une source de courant réelle La source de courant que l’on va étudier est réalisée à partir de l’alimentation stabilisée. Le circuit de la figure 6 permet donc de transformer une source de tension en source de courant pour la charge RL, en respectant une condition sur les valeurs de RL. Alimentation - source Rg stabilisée de courant + º Eg º 2,2 MΩ RL I U Figure 6 Dessinez le circuit ci-dessus avec les appareils permettant de mesurer la tension aux bornes de la charge RL et le courant traversant RL. Faites vérifier votre schéma. 3. Caractérisation de la source de courant Avant de faire les mesures, tracez rapidement l’allure du graphe U = f(I) que vous devez obtenir. Réglez la tension de l’alimentation à Eg = 20 V à vide, puis câblez le circuit de la figure 6. Reportez sur le graphe U = f(I) les valeurs de U et de I avec : - échelles du graphe sur feuille de papier millimétré : U de 0 à 0,2 V et I de 0 à 15 µA, - RL variant de 0 à 15 kΩ, en utilisant les résistances fixées sur la plaque orange. Relevez la valeur de I (de l'ordre du µA, donc calibre petit) pour des valeurs de RL proches ou supérieures à Rg = 2,2 MΩ et indiquer si la source se comporte toujours en source de courant ? Concluez sur la condition à vérifier pour que le circuit de la figure 6 soit une source de courant. 7
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