TP électricité GM1.1 2010/2011 1 ISET Béja TP électricité générale TP 1: MONTAGES A DIODES I. But de la manipulation : Le but de la manipulation est l’étude du fonctionnement de quelques montages à diodes à savoir : Le montage redresseur simple alternance débitant sur charge résistive et sur charge capacitive. Le montage redresseur double alternance (en pont de Graetz) débitant sur charge résistive et sur charge capacitive. Le montage stabilisateur de tension par diode Zener. II. Etude Théorique : Dans cette partie, nous allons analyser le fonctionnement de ces différents montages afin de mieux assimiler l’étude expérimentale. 1. Montage redresseur simple alternance : a. Charge résistive : Soit le montage suivant, alimenté par une tension sinusoïdale v(t) et débitant sur une charge purement résistive R. Figure 1 : Montage redresseur simple alternance débitant sur charge résistive La diode D se met à conduire si : ÷ Le courant qui la traverse est positive (polarisation directe). ÷ La tension V dépasse son seuil de conduction. La loi des mailles donne : R D U V V = ÷ . Lorsque V est très supérieur à D V , on obtient R U V ~ . Les formes d’onde de la tension redressée R U et de la tension D V aux bornes de la diode sont représentées dans les courbes suivantes : TP électricité GM1.1 2010/2011 2 ISET Béja Figure 2 : Simulation de V, U R et U D La tension redressée R U est périodique et de même période que la tension d’entrée V. Sa valeur moyenne est donnée par : moy R Vm U ~ . Sa valeur efficace est donnée par : 2 eff R Vm U ~ . La tension inverse maximale aux bornes de la diode vaut Vm ÷ . b. Charge capacitive : Afin de filtrer la tension de sortie R U , c.-à-d. avoir une tension continue qui présente un minimum d’ondulation, on place en parallèle avec la charge résistance un condensateur de filtrage C. En effet, le condensateur est initialement déchargé. Lors de la montée de la tension, il se charge. Lors de la descente de la tension, il se décharge. La décharge de la capacité est plus longue que celle de la descente de la tension. Figure 3 : Montage redresseur simple alternance débitant sur charge capacitive V i r i C i D Charge TP électricité GM1.1 2010/2011 3 ISET Béja Avant de se décharger complètement (atteindre 0), le condensateur se charge à travers la montée de la deuxième alternance. Les formes d’ondes de la tension de sortie R U est donnée par la figure suivante : Interprétation : A l’instant = , la diode se met à conduire et le condensateur se charge à la tension d’entrée . Pendant la durée de conduction de la diode, on aura : R U V = et D C R i i i = + . A l’instant = , la tension d’entrée V décroît plus rapidement que la tension aux bornes du condensateur C entrainant l’annulation du courant dans celle-ci. A partir de cet instant, la diode D sera bloqué et le condensateur C se décharge dans la résistance R jusqu’à l’instant où V devient supérieur à U et le cycle recommence. L’efficacité du filtre capacitive dépend des valeurs de R et C. Pour obtenir un bon filtrage, il faut que la constante de temps RC = du circuit soit très supérieure à la période de la source d’alimentation T ( ) RC = . Puisque R est fixé par les conditions d’utilisation, on doit donc augmenter la valeur de la capacité du condensateur C. La figure suivante montre la variation de la forme de la tension de sortie est donnée par la figure suivante : TP électricité GM1.1 2010/2011 4 ISET Béja Figure 4 : Variation de la tension de sortie en fonction de la valeur de la capacité Afin de déterminer la valeur moyenne de la tension de sortie et son ondulation, on suppose que le temps de charge du condensateur est très faible devant le temps de décharge , d’autre part, on considère les courbes de charge et de décharge comme linéaires. D’où 2. . . .( ) 1 2. . . moy R R C f U Vm R C f ~ + . Plus C est grand, plus la tension d’ondulation sera faible et plus la valeur moyenne de la tension sera grande. 2. Montage redresseur en pont : a. Charge résistive : Le schéma du montage est le suivant : Pendant l’alternance positive de la tension V, D 1 et D 4 conduisent et on obtient : R U V ~ Pendant l’alternance négative de la tension V, D 2 et D 3 conduisent et on obtient : R U V ~ ÷ . Les formes d’ondes de la tension redressée R U et de la tension aux bornes de la diode D 4 sont représentées ci-dessous : Figure 5 : Montage redresseur en pont débitant sur charge résistive V i D TP électricité GM1.1 2010/2011 5 ISET Béja Figure 6 : La tension redressée R U a une fréquence double de celle de la tension d’entrée V. Sa valeur moyenne est donnée par : 2. moy R Vm U ~ Sa valeur efficace est donnée par : 2 eff R Vm U ~ . b. Charge capacitive : En plaçant un condensateur de filtrage en parallèle avec la résistance de charge, les formes d’ondes de la tension de sortie R U , dans le cas où les diodes sont supposées idéales) deviennent : Figure 7 : TP électricité GM1.1 2010/2011 6 ISET Béja En adoptant les mêmes hypothèses simplificatrices que pour le montage redresser simple alternance, on obtient les formes approximatives suivantes donnant les valeurs moyennes de la tension de sortie moy R U ainsi que de l’ondulation : max min 2. . . moy R U U U U R C f A = ÷ ~ 4. . . . 1 4. . . moy R R C f U Vm R C f | | ~ | + \ . III. Manipulation 1. Redressement simple alternance : 1- Réaliser le montage redresseur simple alternance sans condensateur de filtrage C, sur une plaque à essai : T : transformateur 220V/15V D : diode de redressemnt 1N4004 R : résistance 1 kΩ. Figure 8 : Relever à l’oscilloscope, les formes d’ondes : De la tension V aux bornes du secondaire du transformateur. De la tension redressée R U aux bornes de la résistance R. De la chute de tension V D aux bornes de la diode de redressement D. Les deux dernières formes d’ondes doivent être visualisées en même temps que la tension V. D’autre par, il faut veiller à ce que les masses de l’oscilloscope soient reliées au même point afin d’éviter des court-circuit. Mesurer à l’aide des deux voltmètres V 1 et V 2 , la valeur efficace de la tension redressée U. Etablir le tableau suivant et comparer les résultats théoriques et pratiques. ( ) eff V V ( ) moy R U V ( ) eff R U V Valeurs pratiques Valeurs théoriques 2- Reprendre le circuit de la figure 14 en ajoutant un condensateur de filtrage C en parallèle avec la résistance R. TP électricité GM1.1 2010/2011 7 ISET Béja A l’aide du multimètre numérique, mesurer les valeurs moyennes de la tension de sortie redressée et filtrée pour les valeurs suivantes de la capacité du condensateur : C= 0,47µF, C=4,7 µF et C=470 µF. A l’aide de l’oscilloscope mesurer simultanément la tension de renfermement R U A (l’ondulation) et déterminer la fréquence de cette ondulation. Dessiner le tableau suivant : ( ) moy R U V R U A f C= 0,47µF C=4,7 µF C=470 µF Comparer les résultats théoriques et expérimentaux : Quelle est l’influence de la capacité du condensateur de filtrage sur la valeur moyenne de la tension R U délivrée par le circuit ? Quelle relation y a-t-il entre la tension de renflement R U A et la capacité du condensateur ? Justifier pourquoi la fréquence de l’ondulation est 50 Hz ? Pour C=4,7 µF, relever à l’aide de l’oscilloscope les formes d’ondes des tensions V, R U et D V (procéder de la même façon que précédemment). 2. Redressement en pont 1- Réaliser le montage redresseur de la figure 15 sans condensateur de filtrage : Figure 9 : R i = 4,7 kΩ. De la tension V aux bornes du secondaire du transformateur. De la tension redressée R U aux bornes de la résistance R. De la chute de tension V D aux bornes de la diode de redressement D. TP électricité GM1.1 2010/2011 8 ISET Béja Les deux dernières formes d’ondes doivent être visualisées en même temps que la tension V. D’autre par, il faut veiller à ce que les masses de l’oscilloscope soient reliées au même point afin d’éviter des court-circuit. Mesurer à l’aide des deux voltmètres V 1 et V 2 , la valeur efficace de la tension redressée U. Etablir le tableau suivant et comparer les résultats théoriques et pratiques. ( ) eff V V ( ) moy R U V ( ) eff R U V Valeurs pratiques Valeurs théoriques Quel est le rapport des valeurs moyennes des tensions redressées simple alternance et le redressement par pont ? 3- Reprendre le circuit de la figure 14 en ajoutant un condensateur de filtrage C en parallèle avec la résistance R. A l’aide du multimètre numérique, mesurer les valeurs moyennes de la tension de sortie redressée et filtrée pour les valeurs suivantes de la capacité du condensateur : C= 0,47µF, C=4,7 µF et C=470 µF. A l’aide de l’oscilloscope mesurer simultanément la tension de renfermement R U A (l’ondulation) et déterminer la fréquence de cette ondulation. Dessiner le tableau suivant : ( ) moy R U V R U A f C= 0,47µF C=4,7 µF C=470 µF Comparer les résultats théoriques et expérimentaux : Quelle est la différence entre l’ondulation du redressement simple alternance et celle du pont redresseur ? Exprimer pourquoi la fréquence de l’ondulation du pont redresseur est-elle le double de celle du redresseur simple alternance ? Pour C=4,7 µF, relever à l’aide de l’oscilloscope, les formes d’ondes des tensions V, R U . avoir une tension continue qui présente un minimum d’ondulation. c. on place en parallèle avec la charge résistance un condensateur de filtrage C. La décharge de la capacité est plus longue que celle de la descente de la tension. il se décharge. b. La tension inverse maximale aux bornes de la diode vaut V m . Charge capacitive : Afin de filtrer la tension de sortie U R . il se charge. Sa valeur moyenne est donnée par : U Rmoy Sa valeur efficace est donnée par : U Reff Vm .1 2010/2011 Figure 2 : Simulation de V.TP électricité GM1. UR et UD La tension redressée U R est périodique et de même période que la tension d’entrée V.-à-d. le condensateur est initialement déchargé. Vm 2 . Lors de la montée de la tension. 2 ISET Béja . Lors de la descente de la tension. iD V iC ir Charge Figure 3 : Montage redresseur simple alternance débitant sur charge capacitive En effet. il faut que la constante de temps RC du circuit soit très supérieure à la période de la source d’alimentation T RC . la diode se met à conduire et le condensateur se charge à la tension d’entrée . on aura : U R V et i D i C i R . L’efficacité du filtre capacitive dépend des valeurs de R et C. A l’instant = . A partir de cet instant. Pendant la durée de conduction de la diode. la tension d’entrée V décroît plus rapidement que la tension aux bornes du condensateur C entrainant l’annulation du courant dans celle-ci. Pour obtenir un bon filtrage.1 2010/2011 Avant de se décharger complètement (atteindre 0). Les formes d’ondes de la tension de sortie U R est donnée par la figure suivante : Interprétation : A l’instant = . le condensateur se charge à travers la montée de la deuxième alternance. on doit donc augmenter la valeur de la capacité du condensateur C.TP électricité GM1. Puisque R est fixé par les conditions d’utilisation. La figure suivante montre la variation de la forme de la tension de sortie est donnée par la figure suivante : 3 ISET Béja . la diode D sera bloqué et le condensateur C se décharge dans la résistance R jusqu’à l’instant où V devient supérieur à U et le cycle recommence. TP électricité GM1. Montage redresseur en pont : a. Les formes d’ondes de la tension redressée U R et de la tension aux bornes de la diode D4 sont représentées ci-dessous : 4 ISET Béja . d’autre part. D’où UR moy V m .R .1 2010/2011 Figure 4 : Variation de la tension de sortie en fonction de la valeur de la capacité Afin de déterminer la valeur moyenne de la tension de sortie et son ondulation. D2 et D3 conduisent et on obtient : U R V .f ). 1 2. D1 et D4 conduisent et on obtient : U R V Pendant l’alternance négative de la tension V. 2. on suppose que le temps de charge du condensateur est très faible devant le temps de décharge . Charge résistive : Le schéma du montage est le suivant : iD V Figure 5 : Montage redresseur en pont débitant sur charge résistive Pendant l’alternance positive de la tension V.( 2.f Plus C est grand.C .C . on considère les courbes de charge et de décharge comme linéaires.R . plus la tension d’ondulation sera faible et plus la valeur moyenne de la tension sera grande. TP électricité GM1. m V Vm 2 . les formes d’ondes de la tension de sortie U R . Sa valeur moyenne est donnée par : U Rmoy Sa valeur efficace est donnée par : U Reff 2. dans le cas où les diodes sont supposées idéales) deviennent : Figure 7 : 5 ISET Béja . Charge capacitive : En plaçant un condensateur de filtrage en parallèle avec la résistance de charge. b.1 2010/2011 Figure 6 : La tension redressée U R a une fréquence double de celle de la tension d’entrée V. Etablir le tableau suivant et comparer les résultats théoriques et pratiques. Redressement simple alternance : 1.C .f III. Mesurer à l’aide des deux voltmètres V1 et V2. il faut veiller à ce que les masses de l’oscilloscope soient reliées au même point afin d’éviter des court-circuit.C .R . on obtient les formes approximatives suivantes donnant les valeurs moyennes de la tension de sortie U Rmoy ainsi que de l’ondulation : U U max U min 4.f U Rmoy V m . 6 ISET Béja . De la chute de tension VD aux bornes de la diode de redressement D. Les deux dernières formes d’ondes doivent être visualisées en même temps que la tension V.R .f U R moy 2.Réaliser le montage redresseur simple alternance sans condensateur de filtrage C. sur une plaque à essai : T : transformateur 220V/15V D : diode de redressemnt 1N4004 R : résistance 1 kΩ. D’autre par. V eff ( ) V U Rmoy (V ) UR eff (V ) Valeurs pratiques Valeurs théoriques 2.TP électricité GM1. De la tension redressée U R aux bornes de la résistance R. la valeur efficace de la tension redressée U.1 2010/2011 En adoptant les mêmes hypothèses simplificatrices que pour le montage redresser simple alternance.Reprendre le circuit de la figure 14 en ajoutant un condensateur de filtrage C en parallèle avec la résistance R. Manipulation 1.R . les formes d’ondes : De la tension V aux bornes du secondaire du transformateur. 1 4. Figure 8 : Relever à l’oscilloscope.C . Réaliser le montage redresseur de la figure 15 sans condensateur de filtrage : Figure 9 : Ri = 4. Redressement en pont 1. 7 ISET Béja . U R et V D (procéder de la même façon que précédemment). C=4.TP électricité GM1. relever à l’aide de l’oscilloscope les formes d’ondes des tensions V.7 µF et C=470 µF.47µF C=4.47µF. A l’aide de l’oscilloscope mesurer simultanément la tension de renfermement U R (l’ondulation) et déterminer la fréquence de cette ondulation.7 kΩ.7 µF C=470 µF Comparer les résultats théoriques et expérimentaux : Quelle est l’influence de la capacité du condensateur de filtrage sur la valeur moyenne de la tension U R délivrée par le circuit ? Quelle relation y a-t-il entre la tension de renflement U R et la capacité du condensateur ? Justifier pourquoi la fréquence de l’ondulation est 50 Hz ? Pour C=4.7 µF. De la chute de tension VD aux bornes de la diode de redressement D. De la tension V aux bornes du secondaire du transformateur. mesurer les valeurs moyennes de la tension de sortie redressée et filtrée pour les valeurs suivantes de la capacité du condensateur : C= 0.1 2010/2011 A l’aide du multimètre numérique. De la tension redressée U R aux bornes de la résistance R. 2. Dessiner le tableau suivant : U Rmoy (V ) U R f C= 0. les formes d’ondes des tensions V.7 µF C=470 µF Comparer les résultats théoriques et expérimentaux : Quelle est la différence entre l’ondulation du redressement simple alternance et celle du pont redresseur ? Exprimer pourquoi la fréquence de l’ondulation du pont redresseur est-elle le double de celle du redresseur simple alternance ? Pour C=4. UR . Mesurer à l’aide des deux voltmètres V1 et V2. mesurer les valeurs moyennes de la tension de sortie redressée et filtrée pour les valeurs suivantes de la capacité du condensateur : C= 0.7 µF.Reprendre le circuit de la figure 14 en ajoutant un condensateur de filtrage C en parallèle avec la résistance R. Dessiner le tableau suivant : U Rmoy (V ) U R f C= 0. C=4.47µF C=4. A l’aide du multimètre numérique. relever à l’aide de l’oscilloscope. V eff ( ) V U Rmoy (V ) UR eff (V ) Valeurs pratiques Valeurs théoriques Quel est le rapport des valeurs moyennes des tensions redressées simple alternance et le redressement par pont ? 3. Etablir le tableau suivant et comparer les résultats théoriques et pratiques.TP électricité GM1. A l’aide de l’oscilloscope mesurer simultanément la tension de renfermement U R (l’ondulation) et déterminer la fréquence de cette ondulation. la valeur efficace de la tension redressée U.7 µF et C=470 µF. D’autre par. il faut veiller à ce que les masses de l’oscilloscope soient reliées au même point afin d’éviter des court-circuit. 8 ISET Béja .1 2010/2011 Les deux dernières formes d’ondes doivent être visualisées en même temps que la tension V.47µF.