T.P MESURES 1ère année

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BUT : Les TP Mesures Première année électronique ont pour but premier de sensibiliser les élèves à la problématique de la mesure: instrumentation,technique de mesures, erreurs et incertitudes. Ils ont également pour objet d'apporter, en complément des cours, une culture scientifique générale et pratique sur des sujets variés.

Vous trouverez ci dessous quelques informations et notes complémentaires à destination des enseignants et élèves, ne figurant pas forcément dans le polycopié remis aux élèves

Quelques rappels sur les techniques de mesures et le bon usage des appareils :
En savoir plus:

Les sujets proposés sont listés ci après :

Thème I : Analyse spectrale des signaux périodiques.

Thème II : Propagation guidée des ondes électromagnétiques : Guide d'onde rectangulaire. Ligne de transmission coaxiale, Abaque de Smith

Thème III : Mesures d'impédances : dipôles passifs, ligne.

Thème IV : Optoélectronique : Fibres optiques. Composants optoélectroniques.

Plus deux thèmes optionnels choisis parmi les thèmes suivants :

1) Machines à courant continu

2) Pile à hydrogène.

3) Principe de la conversion des signaux CNA et CNA

4) Magnétisme : transformateurs; caractéristique B = f( I ) d'un entrefer.

5) Mesures thermiques : boitier et dissipateurs pour transistors.

BIBLIOGRAPHIE : (disponible à l'ENSEIRB)

-"Digital and analogue instrumentation" N. Kularatna IEE 2003

-"Modern electronic"N. Kularatna IEE 1996

 

 

THEME 1 : MANIPULATION ANALYSE DE SPECTRE

 

question : pourquoi s'intéresse t-on aux spectres des signaux ?

Cela permet de calculer et vérifier l'ecombrement spectral des émetteurs radio, TV,etc et de quantifier le niveau de distorsion d'un signal etc.

1. Banc de mesure

- Générateur HP pour les sinus (distorsion)

- Générateur Agilent pour les autres (carré, triangle, impulsion sinus cardinal etc)

- Oscilloscope Hameg en X,Y et son ttoir analyse spectral

 

2. Manipulation

- Montrer sur l’oscilloscope, l’impact du câble coaxial (env 1m soit 5 à 10ns de temps de traversée)  relié à l’analyseur ou laissé en l’air (rebond et réflexion)

- Vérifier l'impact de l’impédance d’entrée de l’analyseur 50 ohms (division par deux du signal lorsqu’on le branche sur le générateur de signal).

 

- Erreur de mesure  3dB max en échelle verticale répartie en

            - Lecture visuelle :  1/10 de carreau en vertical soit 1dB

            - Position ligne de base (ou niveau de référence) :  +/- : 2dB quelque soit la position de l’atténuateur

- Visualiser et mesurer le spectre d'un signal sinusoidal à 3MHz puis d'un signal carré de rapport cyclique variable, d'un singal triangulaire, d'un train d'impulsions en sinus cardinal.

- Calculer l'amplitude des raies en utilisant les dBm (ligne de référence en haut de l'écran) ou les dBV (ligne de base en bas de l'écran). vérifier que l'on obtient le même résultat avec l'une ou l'autre des aprroches.

- Montrer les stations radio dans la bande FM et l'occupation spectrale

Pour plus de détails sur les aspects temporels et fréquentiels d'un signal (spectre), cliquer ici.

 

THEME 2 :MANIPULATION PROPAGATION GUIDEE

 

question : pourquoi s'intéresse t-on aux problèmes de propagation en HF et pas (trop) en BF ?

En BF jusqu'à 100KHz environ, les longueurs d'ondes correspondantes sont de plusieurs centaines de mètres. A l'échelle d'un circuit imprimé, dont les pistes font quelques centimètres de longueur, on peut considérer courant et tension identiques sur toute la longueur de la piste. A 10GHz, la longue d'onde est centimétrique et donc du même ordre de grandeur que la longueur de la piste : on ne peut plus négliger les problèmes de propagation et de réflexion.

 

1. Banc de Réflectométrie temporelle

Il est composé des éléments suivants :

* une bobine de câble coaxial de longeur d= 100m

* une bobine de cble de même nature et de longueur non connue

* un générateur d'implusion Agilent

* un oscilloscope numérique Agilent 54602

* deux boites de résistances variables

Visualiser d'un point de vue temporel, les conséquences de la désadaptation d'impédance (à une extrémité puis aux deux) en appliquant un signal impulsionnel périodique.

Chercher experimentalement la valeur de l'impédance Rc de charge qui adapte le câble.

Mesurer le temps de traversée T du câble.

En déduire les caractéristiques du cable en prenant les formules approchées pour un support sans pertes.
la vitesse de propagation étant v=d/T, l'inductance et la capacité linéique s'obtiennent à partir de
Rc=Ö (L/C) et v=1/Ö (L.C)
soit :
L=Rc/v et C=1/Rc.v (ATTENTION paramètres linéiques: en H/m et F/m)
la permitivité relative Er par :
v=vo/
ÖEr . La vitesse de propagation dépend seulement de la nature de l'isolant mais pas de la géométrie.

 

Déduire la longueur de la seconde bobine de cable.
Visualiser la forme d'onde avec une charge infinie puis un court circuit.
(réflexion totale en tension puis réflexion totale en courant)

Visualiser la forme d'onde avec une charge capacitive pure.

 

 

 

2. Banc de mesure hyperfréquence.

 

Il est composé des éléments suivants :

 

* une Diode Gunn (diode à résistance négative) + cavité accordée à 9,5GHz = oscillateur hyperfréquence (Monter l’alimentation de la diode gunn progressivement jusqu’à 10V)

 

Figure 1 oscillateur à diode Gunn

* un isolateur  (juste regarder la ferrite à l’intérieur et expliquer)

 

Figure 2a : vue en coupe isolateur à ferrite placé dans le guide avec aimant permanent

* un atténuateur variable

 

Figure 2 : atténuateur à lame mobile

* un ondemètre (dont la table de calibration est donnée ci dessous).

 

Table de calibration ondemètre 
Mc/s
mm
Mc/s
mm
8200 15,325 10300 6,195
8300 14,625 10400 5,935
8400 13,965 10500 5,68
8500 13,345 10600 5,435
8600 12,76 10700 5,195
8700 12,21 10800 4,965
8800 11,69 10900 4,74
8900 11,195 11000 4,52
9000 10,725 11100 4,31
9100 10,28 11200 4,105
9200 9,855 11300 3,91
9300 9,45 11400 3,715
9400 9,06 11500 3,525
9500 8,69 11600 3,315
9600 8,335 11700 3,165
9700 7,99 11800 2,99
9800 7,66 11900 2,815
9900 7,345 12000 2,645
10000 7,045

12100

2,48
10100 6,75 12200 2,315
10200 6,47 12300 2,15

Figure 3 : table de calibration ondemètre

 

* une ligne de mesure fendue avec détecteur quadratique à diode et microvoltmètre

Figure 4 : ligne de mesure fendue

 

Pièces montables en bout de banc:

 

* un cornet (éclairage antenne)

Figure 5 : cornet

* une charge adaptée 10 GHz

 

Figure 6 : charge adaptée avec matériau absorbant de différentes formes

 

* un courcircuit (plaque métallique)

 

* une charge quelconque avec bakélite à l’intérieur (ne pas démonter)

 

question :Que veut dire "adapter" ?

 

Prenons l'exemple simple d'un générateur de signal avec une fem Eg et une résistance interne Rg. Adapter la charge Ru, c'est choisir la valeur de Ru qui permet de maximiser la puissance transmise à la charge : si Ru est nulle, la puissance transmise à la charge est nulle, si Ru est infinie, cette puissance est également nulle. Il existe donc un optimum qui s'obtient simplement par dérivation par rapport à Ru, de la puissance transmise à celle-ci. Et l'on obtient :

 

Ru optimale = Rg

 

Dans le cas d'impédances complexes, on montre que la charge Zu optimale doit être le "conjugué" de l'impédance interne Zg.

question : Pourquoi "adapter" ?

 

En HF, pour les émissions satellite, téléphone portable etc, on travaille avec des puissances faibles (de l'ordre du Watt). Il ne s'agit donc pas de gaspiller de la puissance. Entre chaque composant, entre chaque étage, entre chaque connecteur, entre chaque module, il faut donc "adapter" pour maximiser la puissance transmise...

 

question : Une image simple de la propagation guidée ?

 

La corde vibrante... avec une extrémité agitée par un mouvement sinusoidal (source hyper). Si l'autre extrémité de la corde est libre ( ligne adaptée) alors pas de réflexion, ni de régime stationnaire mais seulement une onde progressive de même ampltude en tout point (TOS=1). Si l'autre extrémité est attachée ( court circuit) on a un régime maximum d'onde stationnaire (TOS infini). Si l'autre extrémité est juste 'retenue' mais pas bloquée complètement (charge quelconque), on a un régime stationnaire quelconque.

 

question : Quel est l'intéret du cornet ?

 

Si on laisse un guide d'onde ouvert, les ondes arrivent au bord et devant le " grand vide" préfèrent réentrer dans le guide : la réflexion est quasi-totale. Avec un cornet (très voisin du cornet acoustique de Tryphon Tournesol dans Tintin" ou des pavillons de trompette) les ondes sortent progressivement du guide pour éclairer une antenne par exemple. Le cornet réalise une adaptation d'impédance progressive entre le milieu confiné du guide et le milieu extérieur semi infini.

 

3. Quelques rappels sur l'abaque de Smith :

 

Elle résulte de la transformation mathématique du plan complexe représentant les impédances, en passant par variable complexe "coefficient de réflexion" traditionnellement appelé "ro".La construction de l’abaque de smith donne naissance à un réseau de cercles « iso resistance » (figure 6a) et d’un réseau de cercles « d’iso réactance » (figure 6b).

 

Figure 6a

Figure 6b

Les deux réseaux se superposent pour donner l'abaque complète (figure 7)

Figure 7

Cette abaque permet de calculer les adaptations nécessaires sur un support de transmission. Comme on travaille en impédance z normalisée par rapport à l'impédance caractéristique Zc du support de transmission (z =Z/Zc) , on peut calculer les adaptations indépendamment de la nature du support (ligne coaxiale, microstrip, guide d'onde etc).

On peut travailler indifférement en coefficient de réflexion , impédance réduite ou admittance réduite comme indiqué en figure 8 :

 

Figure 8

 

-Le coefficient de réflexion complexe = ro.e j(theta) se matérialise par un vecteur dont le module est compris entre 0 et 1 et la phase référencée par rapport à l'axe horizontal.

-Les parties réelle et imaginaire de l'impédance réduite z se lisent sur les cercles iso résistance et iso réactance (ici z = 0,36 +j0,42 )

-L'admittance réduite y, s'obtient par symétrie par rapport au centre de l'abaque (cf propriétés géométriques de l'abaque), ici y = 1,15-j1,35

 

On lit également sur l'abaque les points remarquables "-1" ou z = 0 (court circuit), "0" ou z = 1 (adaptation) = 1, "+1"ou z = infini (circuit ouvert).

La règlette verticale à droite est graduée sur sa partie haute en coefficient de réflexion linéaire et dB et sur sa partie basse en TOS.

 

Par ailleurs, on sait que, lorsque qu'il y a des réflexions sur un support de transmission, il s'établi un régime d'onde stationnaire avec des "nœuds et ventres" dont la périodicité est lm/2 où lm est la longueur d'onde dans le support considéré. Sur l'abaque de Smith, cette périodicité se traduit par le fait qu' " un tour de l'abaque " parcouru dans un sens ou l'autre (vers générateur ou vers la charge) représente une distance d parcourue le long du support de transmission d = lm/2. Le tour de l'abaque est gradué en distance normalisée (d/ lm) (soit 1 tour normalisé= 0,5)

 

4. Exemple de calcul d'adaptation par l'abaque de Smith (en strip line):

 

Soit un amplificateur à transistor destiné à amplifier un signal à la fréquence fo=1985 MHz : Cet amplificateur est réalisé en ligne microstrip en or, sur alumine. On se propose de réaliser l'adaptation sur 50 ohms, à l'entrée de l'amplificateur. Les paramètres S du transistor sont préalablement mesurés à l'analyseur de réseau. Le coefficient S11= 0,64 ; +152° correspond au coefficient de réflexion du transistor en entrée.

 

1° Calcul des dimensions de la ligne : W/H (largeur/épaisseur)

Figure 9: dessin copyright (toute reproduction interdite)

Sur l'abaque A, (figure 10a) on lit à partir de l'impédance caractéristique voulue Zc= 50 ohms et de la permitivité relativedu substrat, le rapport W/H. .

 

Figure 10a :Photo copyright (toute reproduction interdite)

Dans notre cas :W/H = 1 ; Avec une alumine d'épaisseur 1mm, la largeur de la piste sera donc de 1mm.

 

2° Calcul de la longueur d'onde dans le support de transmission :

 

Avec le W/H voulu, et la permitivité relative on déduit de l'abaque B, (figure 10b) le rapport lo/ lm rapport de la longueur d'onde dans le vide à celle dans le support de transmission.

 

Figure 10b: :Photo copyright (toute reproduction interdite)

Dans notre cas :lo/lm = 2,6. Comme lo = c/fo, on en déduit la valeur de lm :

lm= 58,35mm

 

3° Calcul de l'adaptation d'entrée :

 

On peut maintenant réaliser l'adaptation d'entrée, ici avec un " stub " (un stub = morceau de piste se terminant en l'air (circuit ouvert)).

 

Figure 11 :Photo copyright (toute reproduction interdite)

Il s'agit de déterminer les longueurs l et d pour que l'on voit à l'entrée de l'ampli 50 ohms. Soit " 1 " en valeur réduite. Comme il s'agit d'une adaptation parallèle, on raisonne en admittance.

 

Figure 12: Photo copyright (toute reproduction interdite)

Sur l'abaque de Smith en figure 13, on place S11 (vecteur noir). A l'extrémité de ce vecteur, on lit ze, impédance normalisée d'entrée du transistor, puis par symétrie : ye = 2,1-j2,1 (vecteur rouge).

On obtient y1 en tournant de d/ lm vers le générateur jusqu'à rencontrer le cercle des parties réelles égale à 1.

D'où y1= 1-j0,65 (vecteur bleu) et d/lm =0,031.

Avec lm calculé précédemment, on obtient finalement :

d = 1,77mm

 

Le stub de longueur l ramène une admittance imaginaire pure yo. Celle-ci doit annuler la partie imaginaire de y1 de façon à ce que la somme y1+yo = 1.

D'où yo= +j0,65. (vecteur orange)

On place yo sur l'abaque puis par symétrie zo (vecteur orange symétrique). Pour calculer l, il suffit de "tourner" vers la charge jusqu'au point z = infini (extrémité du stub en circuit ouvert. Soit l/ lm = 0,162

Avec lm calculé précédemment, on obtient finalement :

l=9,45mm

 

Figure 13

La longueur du stub sera ajustée plus finement lors de l'essai réel de l'amplificateur.On prévoit à cet effet des " pavés de réglages ". Le stub peut alors être allongé ou raccourci en appliquant par exemple de la laque argent au pinceau entre les pavés. (Cf photo ci après)

Photo copyright (toute reproduction interdite)

Evidemment, les techniques et les moyens de calculer les adaptations ont évolué, mais le principe de base utilisant l'abaque de Smith reste complètement valable.

 

5. Application de l'abaque à la détermination d'une impédance inconnue avec notre banc de mesure hyper représenté en figure 14 (cf détail dans le texte du TP)

 

Figure 14: banc de mesure

 

On détermine au prééalable l'impédance caractéristique du guide, la longueur d'onde de coupure, la fréquence qui se propage avec l'ondemètre et la table de calibration. (1Megacycle/seconde =1 MHz).

Puis on cherche à déterminer une impédance quelconque placée au bout du guide.

 

Mode opératoire :

 

1° Placer au bout du guide un court circuit z=0, un régime d'ondes stationnaires s'établi.

2° Repérer sur la ligne fendue la position D1 d'un minimum image à lg/2 près du plan de charge.

3° Placer sur l'abaque de smith le point M correspondant z=0

4° Enlever le courcircuit et placer la charge à étudier

5° Repérer la nouvelle position d'un minimum D2 au plus près de D1. Noter la distance D1-D2. Mesurer le TOS et noter sa valeur T1.

6° A partir du point z=0, tourner d'un angle correspondant à (D1-D2)/lg. Placer le point obtenu M'.

7° Tracer le rayon qui va du centre de l'abaque à M'.

8° Tracer sur l'abaque, le cercle "iso TOS" à l'aide de la règle graduée de valeur T1.

9° Repérer le point N l'intersection entre le rayon et le cercle iso TOS.

10° Lire les parties réelles et imaginaires réduites correspondantes. Elles correspondent à l'impédance recherchée.

11° Dénormaliser l'impédance en utilisant la formule qui donne l'impédance caractéristique de guide d'onde en mode TE01.

 

Figure 15 : illustration mode opératoire

 

question : Quelles sources hyperfréquences disponibles autres que l'oscillateur à diode gunn?

 

Le klystron.(réflex ou non)

 

 

 

Figure 16 vue éclatée d'un klystron.

 

Le magnétron.

Figure 17 : le magnétron de "feu" mon four microonde 2,45GHz...

 

avec les électrodes amenant le potentiel continu de 2300V, (en haut à gauche), la cavité résonnante avec les aimants de déviation du faisceau d'électron (au centre), le radiateur à ailette, l'antenne qui plonge dand le four. (en bas à droite)

 

THEME 3 : MANIPULATION MESURE D’IMPEDANCES

 

 

Pour plus de détails sur les composants passifs à mesurer, cliquer ici.

question : Pourquoi mesurer les composants à l'impédancemètre alors que leurs valeurs sont indiquées sur leurs corps?

Les composants passifs ne sont pas idéaux ( il ne faut pas croire le simulateur SPICE). Une résistance n'est pas une résistance. Un condensateur peut devenir une inductance à partir d'une certaine fréquence et inversement.D'où de possibles surprises lors de la conception de circuits...

 

1. Banc de mesure

 

- Impédancemètre HP E4916A

- Logiciel de calcul Régressi

Figure 1: impédancemètre

 

2. Procédure de calibration

Le but de la calibration est de réduire les erreurs de mesures dues à l’imperfection de la sonde de mesure.

On cherche donc à modéliser la sonde de mesure sous la forme d’une impédance série  Zs et d’une parallèle Zp, (cellule en « Gamma »).

 

Sonde en court circuit : on accède à Zs =Rs+jLsw

Sonde en circuit ouvert : on accède à Zp= 1/jCpw

 

2.1) Démarrer Régressi : (avec l’option /o pour avoir le dernier menu qui permet d’imprimer)

 

-Charger le ficher « Imp_Cor » à partir du répertoire  REGRESSI\REG_IMP\FICH_ PROF\ et le sauver deux fois sous le nom du « binome1 » puis du « binome2 » dans le répertoire FICH_ELE.

 

-Afficher le tableau binome1.

 

- Supprimer les colonnes Mc, Pc, par le menu « variable » et  « supprimer »

 

Remarques : Régressi réordonne automatiquement les fréquences dans l’ordre croissant au moment du tracé du graphe. (si par cas, on a saisi des points dans un ordre quelconque)

 

2.2) Calibration CC :

 

-Connecter le court circuit

-Saisir pour chaque fréquence f de 1MHz à 180MHz, la partie réelle rm  et imaginaire xm.

-Dans le menu Graphe, sélectionner les coordonnées X,Y du graphe.

 

 

 2.1 Obtention l’inductance Ls : (deux façons)

A)

-Créer une colonne supplémentaire dans le tableau que l’on appelle Ls.

-Définir son expression dans le menu « variable expression »

-La valeur de Ls s’affiche pour chaque point de mesure effectué.

- Dans le menu « Calcul », « Statistique », sélectionner la variable sur laquelle on veut faire la stat, par F10 menu. La valeur moyenne de Ls et son écart type s’affichent.

B)

- Dans le menu « Calcul » « modélisation » return deux fois, puis saisir l’expression en module Xm=Ls*2*pi*f. Ls est automatiquement calculée. (Pi =crtl+P)

 

2.2 Obtention de Rs :

Rs est la valeur de rm  (en basse fréquence) à 1 MHz au delà la partie réelle est toujours très inférieure à la partie imaginaire.

 

Noter les valeurs de Rs et Ls

 

 

2.3) Calibration CO :

 

-Laisser la sonde ouverte.

-Saisir pour chaque fréquence f de 1MHz à 180MHz,  la partie imaginaire Xp.

-Dans le menu Graphe, sélectionner les coordonnées X,Y du graphe.

- En déduire Cp par la même méthode que pour le CC.

 

Attention :  dans le menu « Calcul modélisation », pour aider à la convergence, on peut être amener à donner une valeur initial à Cp :  Xm=1/Cp*2*Pi*f    avec (Pi =crtl+P)

 

Noter la valeur  Cp retenue.

 

3. Mesures

-Afficher le tableau binome2 complet avec 4 colonnes. Rm,Xm Mc,Pc

-Saisir par le menu « Constante », les valeurs Rs, Ls,Cp obtenus précédemment. Elles s’affichent sur la ligne du haut au dessus du tableau de saisie.

 

On est alors prêt pour mesurer les impédances de test Zm….. :

 

-Saisir les valeurs mesurées dans les colonnes rm, xm.

-Le module et la phase corrigées de l’impédance Z recherchée, Mc et Pc sont calculés automatiquement grâce à la formule pré- rentrée dans le fichier

 

on a en effet :

Zm=(Z//Zp)+Zs,

d'où la valeur "vraie" (ou corrigée) de l'impédance :

Z=(ZmZp-ZsZp)/(Zp-Zm+Zs),

 

et la formule de correction module et phase (pré entrée dans Régressi) :

Mc=ABS((rm-rs+j*(xm-ls*2*pi*f))/1+(rs-rm+j*(ls*2*pi*f-xm))*jcp*2*pi*f))

Pc=ARG((rm-rs+j*(xm-ls*2*pi*f))/1+(rs-rm+j*(ls*2*pi*f-xm))*jcp*2*pi*f))

 

-Visualiser éventuellement  la formule par le menu « Variable » « expression ».

-Tracer les graphes Mc puis Pc fonction de la fréquence

 

Remarque : le travail d'exploitation des mesures peut aussi se faire avec le tableur Excel.

 

4. Quelques interprétations de résultats :

 

La résistance série Rs de la sonde augmente avec la fréquence : C'est en relation avec ce que l'on appelle "l'effet de peau" ; Plus la fréquence augmente, plus le courant se propage à la surface d'un conducteur en "désertant" le centre. La section apparente diminue et la résistance augmente. Une image concrète est celle d'un couloir de métro très encombré; plus la fréquence de déplacement des personnes est grande, plus il est difficile de circuler dans le centre du couloir ; par contre on peut encore passer sur les bords (moins de frottement et de bousculade)...

 

Une résistance carbone devient capacitive lorque la fréquence augmente : cela est dû à la structure granulaire de la résistance et aux interstices entre grains qui forment autant de capacités parasistes.

 

Un condensateur ou une inductance ne sont pas parfaits : le fils d'une inductance bobiné présente une résistance série et des capacités parasites entre les spires. Un condensateur présente, lui aussi, une résistance ( l'isolant n'est pas parfait) et une inductance ( fils de connexion). Ce sont donc des réseaux R,L,C, qui assurent leur fonction première C ou L en dessous de la résonance.

 

 

THEME 4 : MANIPULATION OPTOELECTRONIQUE

 

Attention : Nouveau banc de mesure depuis 2010, mais les compléments ci-après restent valables.

1. Banc de mesure

- Emetteur :1300nm mode continu, ou modulé par signal TTL

- Emetteur 1550nm mode continu, ou modulé par signal TTL

- Module détecteur 100MHz

- Boitier, isloateur coupleur, atténuateur, rouleau de fibre

- Modulateur audio vidéo

- Microvoltmètre, voltmètre, oscilloscope

- Fibres monomode

+

 

- Diode LED rouge orange et diode laser

- Spectromètre à monochromateur et photo multiplieur.


ATTENTION : le module détecteur met 1/2 h a se stabiliser en température; du aux photodiodes essentiellement.


2. Un cours de mon collègue et ami Yannick Deshaye (© Copyright  2010) pour bien aborder ce TP.

 

3. Exemple réel : extrait de schéma émetteur à diode LASER 34MBits.

 

Le train binaire 34 Mbits codé en CMI arrive sur la carte émetteur.Après remise en forme, il est converti en niveau ECL (question de rapidité), pour attaquer la diode émétrice LASER.

Pour celle-ci fonctionne correctement (sans risque de destruction par emballement), il est nécessaire de controler l'intensité lumineuse émise ainsi que la température de fonctionnement. L'asservissement de puissance et température n'est pas représentée (confidentiel), mais on remarque une photodiode et une thermistance associée à la diode LASER, qui servent à cet asservissement.

Figure 2 : Schéma partiel émetteur 34 Mbits ancienne génération 1984

Figure 3 : boitier diode LASER incluant photodiode, thermistance et module à effet peltier pour le "refroidissement" de la diode

4° Fonctionnement d'une diode

question : Qu'est- ce qu'une diode ? : petite explication des phénomènes électrique et lumineux avec les mains :

Une jonction PN (A anode zone P, cathode avec un "K" zone N)

Si l'on admet qu'une diode n'est autre qu'une porte, une porte qui ne s'ouvre que dans un sens (pas une porte "saloon" !), alors on peut donner l'image de son fonctionnement à travers la petite histoire qui suit :

Imaginons une file d'attente longue et dense devant une porte de cinéma lors d'une "avant première". La foule, impatiente, massée devant les portes, pousse et comprime les premiers rangs :

1° une image pour l'aspect électrique de l'ouverture, de la fermeture et de la commutation:

  • une légère surpression (ou surtension) apparaît juste au moment de l'ouverture des portes (mise en conduction) puis le flot s'écoule normalement avec un débit régulier ( courant direct constant) lié à la vitesse des piétons et à la largeur des portes. Une pression résiduelle constante (tension de seuil Vd) est juste nécessaire pour maintenir les portes ouvertes.

Arrive le moment où le portier doit fermer la porte, la capacité maximale du cinéma étant atteinte... tant pis pour ceux qui sont restés dehors... dans le froid et l'espoir déçu de ne pas pouvoir assister à cette "avant première". Le flux ne peut naturellement pas s'interrompre instantanément (la diode ne peut pas se bloquer immédiatement) :

  • Si le portier ferme la porte violemment (tension inverse appliquée importante), un reflux intense avec des répercutions loin en arrière dans la file, mais bref, va s'opérer. (courant de recouvrement inverse intense, mais temps de recouvrement très court).
  • Si le portier ferme la porte plus mollement, le reflux sera moins brutal mais plus long avant que la foule ne retrouve sa position d'équilibre. (courant de recouvrement inverse modéré mais temps de recouvrement inverse important).

Toutes choses étant égales par ailleurs, plus le flux de personnes sera important (courant direct élevé) plus le temps de fermeture (blocage) sera long. Ce temps de blocage est lié à la quantité de personnes (de charges électriques) présentes (stockées) dans l'espace proche et entre les portes ( la jonction en directe)...

2° une image pour l'aspect lumière :

  • Revenons au direct (!) : Une diode LED émettrice a un seuil supérieur à une diode ordinaire (environ 1,6V). En franchissant le seuil et en descendant la marche à l'intérieur du cinéma, les clients perdent de l'énergie potentielle qui est transformée en chaleur ( frottement sur la porte d'entrée, effort musculaire pour descendre la marche).Les électrons eux perdent leur énergie qui est transformée en flux lumineux; plus le flot d'électrons est important plus le flux lumineux le sera. Plus la hauter de la marche est importante plus l'énergie libérée sera grande. Plus la tension de seuil est grande plus le flux lumineux le sera.
  • La porte est maintenant totalement fermée: cependant, les personnes restées à l'extérieur peuvent voir un fin rai de lumière passant sous la porte en provenance de l'intérieur du cinéma : la porte n'est pas tout à fait étanche (courant d'inverse de diode faible mais non nul). Plus l'éclairage intérieur sera important, plus le rai de lumière passant sous la porte le sera également : le courant inverse est proportionnel à au flux lumineux ( C'est pour cela que l'on utilise une photo diode polarisée en inverse en réception)

5. Caractéristiques générales diodes émettrices :

 

Couleur

Longueur d'onde (nm)

Tension de seuil (V)

semi-conducteur utilisé

InfraRouge

λ>760

V<1,63

(AlGaAs)

Rouge

610<λ<760

1,63<V<2,03

(AlGaAs) ou (GaAsP)

Orange

590<λ<610

2,03<V<2,10

(GaAsP)

Jaune

570<λ<590

2,10<V<2,18

(GaAsP)

Vert

500<λ<570

2,18<V<2,48

(GaN) ou (GaP)

Bleu

450<λ<500

2,48<V<2,76

(ZnSe) (InGaN) (SiC)

Violet

400<λ<450

2,76<V<3,1

Ultraviolet

λ<400

V>3,1

diamant (C)

Blanc

Chaude à froide

V=3,5

Figure 4: caractéristiques générales LED

6. Caratérisation LED

Visser l’embout avec la LED intégrée sur l’entrée monochromateur. Polariser la LED
-La fente sur le monochromateur joue sur la résolution spectrale…
 
- Sur le Photo multiplicateur, (PM) régler le gain pour que la tension de sortie ne dépasse pas 20V  (sinon mauvaise linéarité). Penser à « ouvrir » le PM pour qu’il puisse capter la lumière.

Tracer le spectre d'émission en longueur d'onde de la diode.

Modéliser sous forme d'une gaussienne en utilisant excel

7. Caratérisation diode LASER
Mettre le cache noir entre la diode et le monochromateur (attention aux yeux !)
Si besoin, atténuer le rayonnement de la diode laser (trop puissante, elle peut saturer le PM) en mettant un carton dans la rondelle à l’entrée du monochromateur.

Tracer le spectre d'émission. Comparer à celui d'une diode "classique"

Conclusion : limites de monochromateur la raie laser est plsu fine que la résolution de l'appareil.

 

Figure 4: Situation de l'infrarouge dans le spectre global

question : quel est l'intéret de la diode laser par rapport à une diode LED ordinaire ?

Le temps de propagation de groupe dans une fibre varie avec la longueur d'onde. Ceci entraine une dispersion chromatique : Lorsque l'on transmet un train binaire dans la fibre, le signal reçu est déformé par rapport au signal émis (les impulsions s'arrondissent et s'élargissent). Plus le rayonnement est monochromatique, plus la déformation sera faible.

 THEME OPTIONNEL : MACHINE A COURANT CONTINU :

Attention :

- Utiliser les câbles isolés uniquement haute tension continue >100V

- Vérifier que le câble de terre "court" bien de l’alimentation inducteur génératrice à la carcasse du moteur, de la génératrice et au boitier variateur commandant le moteur

- Avant de mettre  une charge (rhéostat)  sur la génératrice vérifier la position des curseurs… La résistance doit être maximale au branchement pour éviter de griller les enroulements…

-Dans un moteur à courant continu, la force contre électromotrice Em est égale à Km..W (où Km= k.F - flux généré par l'excitation- et W la vitesse de rotation). L'alimentation de l'excitation ne doit jamais être coupée avant celle de l'induit. En effet, une telle opération entraîne une brusque diminution de F ; Compte tenu de l'inertie du moteur, Em se maintient constant de sorte que W croît rapidement en provoquant un emballement du moteur avec un effet gyroscopique potentiellement " dévastateur ".

 

 - Sur l’alimentation « inducteur génératrice », il y a une sortie  alimentation  fixe et une variable : utiliser la sortie variable en montant progressivement la tension de 0 à 150 V environ pour ne pas dépasser le courant   mentionné sur l’ampèremètre correspondant.

 

- la tachymètre fonctionne avec un aimant permanent.

 

1. Composition du banc :

 

 Figure 5 : banc moteur à courant continu Leroy Somer

 

2. Mesures à réaliser

2.1° Courbe Eg= F(Ig) : La tension génératrice à vide Eg dépend de la vitesse de rotation N (tr/min) et du courant Ig  dans l’inducteur de la génératrice. Eg =f(N,Ig)  Pour la courbe,  Faire varier un seul paramètre à la fois…c-à-d maintenir N constant en corrigeant la commande moteur.

 

2.2° Magnétisation résiduelle : Même si l’alimentation inducteur de la génératrice est coupée, une magnétisation résiduelle subsiste et  la tension de sortie à vide génératrice  en rotation est alors non nulle. On peut effectuer une démagnétisation en inversant la polarité de l’alim inducteur doucement (moteur à l’arrêt) et en faisant des cycles d’hystérésis de plus en plus réduit pour ramener la magnétisation à zéro…

 

2.3° Courbe tension-courant génératrice : Corriger la commande pour maintenir Eg constante : car au fur et à mesure du relevé, lorsque le courant de charge  augmente, la vitesse N diminue et donc Eg a aussi tendance  à diminuer.  La courbe est théoriquement une droite :

U= Eg –Rinterne.Ig                                     (cf Rint mesurée mesurée selon méthode en 5.1°)

 

Cependant, Lorsque le courant Ig à travers le rhéostat augmente, il provoque une réaction d’induit : le champ magnétique  crée par ce courant diminue le champ produit par l’inducteur et provoque une chute tension supplémentaire et amène une non linéarité dans la courbe.

  

Figure 6: courbe U=f(Ig) génératrice

2.4° Constante Kg de la génératrice

Alimenter l'excitation de la génératrice à sa valeur nominale.

La fem de la génératrice vaut à courant d'excitation donné : Eg=Kg.W. La vitesse mesurée sur la tachymètre (sans charge) et la tension à vide mesurée donne Kg.

 

3° Modélisation du moteur

question : Pourquoi "modéliser" ? : En vue de la réalisation d'un asservissement, il est nécessaire de connaitre les fonctions de transfert des élements composants cet asservissement, en particulier celle du moteur. En effet, la valeur du gain, l'ordre, et la phase de cette F.T conditionne la stabilité de l'asservissement.

On peut écrire l'équation fondamentale des solides en rotation : (somme des moments des couple moteurs- somme des moments des couples résistants) = J.dW/dt :

J.dW/dt = Cem - Cd- f.W -Kg.Ig

Où :

J = moment d'inertie

Cem= couple moteur = Km.Im

Cd = couple de démarrage ou de cédage (frottement secs)

f = constante de frottement visqueux

Kg.Ig = couple résistant de la génératrice. (Kg= valeur déterminée ci avant)

3.1° Résistance interne induit du moteur (ou de la génératrice) Rint.

 

            * On peut mesurer cette résistance à froid (c- à- dire pas dans les conditions nominales) avec un simple Ohmètre à vide.

            * Faire tourner à la main l’arbre du moteur et voir la dispersion sur la valeur lue en raison des charbons et des sauts d’enroulement.

            * On peut aussi mesurer « à chaud » (en conditions nominales) tension et courant lus sur voltmètre et ampèremètre : machine à l’arrêt, la fcem est nulle. On connecte l’alimentation variable à l’ inducteur de la génératrice, en série avec un ampèremètre DC et un voltmètre DCen // sur l’inducteur. Monter la tension tout doucement, jusqu’à ce que I=0,8 A ( valeur nominale) et l’on mesure V/I…

 

Figure 7: mesure résistance induit génératrice

3.2° Constante Km du moteur

 

Moteur non chargé,(génératrice à vide) le courant Im est faible. on accède à Em (fem du moteur) par Em=Um-Rint.Im (Um :tension appliqué à l'induit).

Avec W vitesse mesurée sur la tachymètre, on en déduit Km=Em/W.

3.3° Couple de démarrage ou de cédage (frottement sec)

Le moteur et la génératrice à vide (Ig=0) étant excitée dans les conditions nominales, augmenter progressivement la tension d'induit moteur, jusqu'à la limite du démarrage.

Noter Umo et Imo. A ce point, Em = 0 (vitesse nulle) et donc Umo=Rint Imo.

Puis on déduit le couple de frottement sec : Cd=Kmo.Imo

3.4° Mesure constante de frottement visqueux

Le moteur et la génératrice à vide étant excitée (Ig=0) dans les conditions nominales, à vitesse de rotation constante (pas d'accélération) , l'équation de base se réduit à :

0 = Cem - Cd- f.W

soit :

Cem = Cd+f.W

Connaissant Km, en relevant la vitesse et Im, on en déduit le coefficient f. (spécifier ses unités)...

3.5° Mesure et identification de la constante de temps.

Le moteur est lancé à sa vitesse nominale Wo=1500t/min. génératrice à vide (Ig=0). Mesurer la tension Umo et le courant Imo correspondant.

On coupe brutalement le courant d'induit moteur (échelon de courant négatif) par le bouton poussoir STOP.

A cause de son inertie, le moteur continue de tourner encore quelques instants avant de s'arrêter. En relevant, à l'oscilloscope à mémoire, la décroissance de la tension de la tachymètre en fonction du temps on accède à la constante temps T du moteur ...

Figure 8: constante de temps du moteur

L'équation différentielle qui correspond à ce régime de fonctionnement devient :

Cm(t)= Km.Im(t)= f.W+ J.dW/dt (car le couple de cédage Cd intervient au démarrage mais n'intervient plus une fois le moteur lancé)

D'où la solution W = Wo. e(-t/T) puis l'expression de T=J/f .

3.6° Calcul du moment d'inertie J

A partir des mesures du 3.5 et du 3.4° on en déduit J.(préciser les unités)

 

THEME OPTIONNEL : MANIPULATION ENERGIE RENOUVELABLE, PILE A HYDROGENE

 

Attention :

- Retirer les bouchons noirs obturant les tubes verticaux contenant l'eau distillée avant la manipulation et les remettre à la fin.

- Respecter les consignes de sécurité,

- Purger la pile selon la procédure indiquée avant de faire les mesures.

- Attention à la connectique fragile.

 

En savoir plus sur la manipulation (texte complet)

 

THEME OPTIONNEL : MANIPULATION A/Det D/A

 

Utilisation des platines didalab.

Au choix convertisseur simple ou double rampe etc...

Attention, la logique de commande présente quelques défaillances si la fréquence horloge est trop importante....

 

Quelques principes de conversion A/N :

convertisseur flash (très rapide)

conversion par approximation successive (apporche dichotomique)

conversion simple rampe (lent mais précis)

 

Quelques principes de conversion N/A :

convertisseur potentiométrique

convertisseur à résistances pondérées

convertisseur R-2R

 

 

THEME OPTIONNEL : MANIPULATION MAGNETISME

  

- Mettre sous tension l’électro aimant.

- Faire plusieurs mesures  dans un sens et dans l’autre avec la sonde du fluxmètre (faire un mouvement franc avec le bras).

- Ttravailler sur l’exploitation statistique des valeurs mesurées.

- Maquette dida lab : comparaison tranformateurs,

 

THEME OPTIONNEL : MANIPULATION MESURES THERMIQUES

En savoir plus: (texte complet)

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