Introduction aux oscillateurs électriques :

Il faut tout d’abord étudier les deux composants des oscillateurs électriques simples au programme que sont :

· le condensateur de capacité « C »

· la bobine d’inductance « L »

Un site pour débuter sur les condensateurs, l’histoire de leur invention et sur les savants qui les ont mis au point

Puis, un exemple de TP en deux parties :

TP D’INTRODUCTION A LA NOTION DE CAPACITE D’UN CONDENSATEUR ET A LA CONSTANTE DE TEMPS « t » D’UN DIPOLE FORME PAR L’ASSOCIATION D’UN CONDENSATEUR ET D’UN CONDUCTEUR OHMIQUE (dipôle « R,C »)

1 ère PARTIE : CHARGE D’UN CONDENSATEUR A INTENSITE DE COURANT CONSTANT

Le générateur de courant constant est dans ce TP un ohmmètre de multimètre débitant un courant constant d’intensité « I » à mesurer au microampèremètre.

Le choix du calibre de l’ohmmètre se fera en fonction de la durée d’acquisition envisagée et du calibre du voltmètre associé à la mesure.

Condensateur utilisé :

Ce type de condensateur n’est pas polarisé ; on peut le relier au générateur dans n’importe quel sens

Il s’agit d’un condensateur « polarisé » qui doit être branché en respectant les polarités :.Å ÞÞÞ (-). Ne pas laisser le condensateur trop se charger

(tension limite :……….. )

Après divers essais, vous noterez la valeur de « I » mesurée au µAmètre

I= ……………..µA =………………A

schéma de principe du montage

· Pour démarrer la charge condensateur vide ou pour décharger le condensateur, on branche en dérivation au bornes du condensateur un interrupteur.

· Quand il est fermé, le courant passe dans cet interrupteur et le condensateur se décharge. La valeur affichée à l’ohmmètre et au voltmètre est nulle.

· Quand on l’ouvre, le courant est obligé de passer dans le condensateur qui se charge. La valeur affichée à l’ohmmètre et au voltmètre augmente. Ne pas rester en charge trop longtemps pour éviter de dépasser la tension limite du condensateur.

schéma du montage pratique à réaliser

OBJECTIF DE L ’EXPERIENCE

· vérifier que la tension U_AB aux bornes du condensateur est proportionnelle à la durée de charge à courant constant I

· sachant qu’en courant continu, avec Q en coulomb et t en s, en déduire que la charge électrique de l’armature A est une fonction linéaire de la tension U_AB aux bornes de ce condensateur.

· montrer graphiquement que la valeur du coefficient directeur de la droite obtenue est liée à la capacité C écrite sur le condensateur C = 470 mF.

· montrer que l’association de 2 condensateurs en parallèle équivaut à un condensateur de capacité égale à la somme des capacités.

MODE OPERATOIRE pour une exploitation informatisée des mesures

Après vérification du montage et essai de charge et décharge du condensateur, lancez le logiciel « GENERIS » alors que l’interrupteur « K » est fermé (l’affichage au niveau de l’ohmmètre indique « 0 »)

1. Dans « TESTS ET CALIBRAGES » , choisir « VOLTMETRE » « valeur instantanée » avec calibre 0,25 V ; « réglage du zéro »

2. Introduire les « PARAMETRES » suivants:

· « VOLTMETRE « pour voie en ordonnée.

· « MODE D’ACQISITION » « f(t) »

· « DUREE D’ACQUISITION » .............. et « NOMBRE DE POINTS »:...................

· « ACQUISITION EN TEMPS REEL »

· « SYNCHRONISATION » et dans le sous menu «SYNCHRONISATION », choisir le déclenchement avec un seuil de :..............V et sur front « CROISSANT » Valider.

· « LANCEMENT » de l’acquisition.

3. Aussitôt après le lancement de l’acquisition , ouvrir l’interrupteur et attendre la fin de l’acquisition où l’ensemble des points de mesures apparaît. Si le nombre de points est important, la courbe de variation semble tracée.

4. Dans « Traitement » ® « régression linéaire » sur un intervalle de temps où la fonction est de valeur supérieure ou égale à zéro, recherchez la valeur du coefficient directeur « a » de cette droite. Notez « a = .....................V/s »

EXPLOITATION DES RESULTATS OBTENUS

Comme Q = I.t Þ t = Q / I et d’après l’équation de la courbe précédents U_AB = a.t Þ U_AB = a. Q / I

On peut présenter cette relation sous la forme : Q = C.U_AB avec C = I / a ; « C » s ’appelle la « capacité « du condensateur . Son unité est le « farad », abréviation « F ».

Calculer cette « capacité » à stocker une quantité d’électricité sous une tension donnée/. Comparez la valeur obtenue avec la valeur donnée par le constructeur à 20 % près.

Quels objectifs a-t-on atteint ?

RECOMMENCEZ UNE ACQUISITION AVEC DEUX CONDENSATEURS EN PARALLELE

valeur du coefficient directeur correspondant ?

Conclusion au niveau de l’association de plusieurs condensateurs en parallèle :

2^ème PARTIE : INTRODUCTION DE LA CONSTANTE DE TEMPS « t » D’UNE ASSOCIATION SERIE D’UN RESISTOR (de résistance « R ») ET D’UN CONDENSATEUR ( de capacité « C » )

On utilise maintenant un montage avec un générateur de tension constante ( ou continue) et réglable

On utilise un condensateur non polarisé

Montage théorique

interrupteur »va et vient »

P             1                    2

       « charge »          « décharge »

                       A

                              C

   +                  B

G de tension



                              R

   -

constante

                            mA

    N

Montage pratique

Remarques:

· dans un premier temps, reliez les deux bornes de l’ampèremètre, pour n’étudier que la tension U_ABen fonction du temps de charge et de décharge.

· utiliser une boite de condensateurs pouvant être montés en parallèles grâce à des « cavaliers ». En parallèle, les capacités s’ajoutent. Choisir par exemple C = 10 mF et R= 10⁴ W.

ETUDE DE L’INFLUENCE DE « R » ET DE « C »

OBJECTIFS:

1. Montrer que plus R est grand , plus le condensateur est long à se charger à C constant.

2. Montrer que , à R constant, plus la capacité est grande et plus le condensateur est long à se charger.

3. Montrer que l’on peut observer la même courbe de charge avec des valeurs de R et de C différentes mais telles que le produit « R.C » soit le même. Ce produit est homogène à un temps en s. On l’appelle « constante de temps « t » du dipôle (R,C).

MODE OPERATOIRE:

1. Placez l’interrupteur de « va et vient » en position « 2 » pour s’assurer de la décharge totale du condensateur. Régler le générateur par exemple sur « 15V » et , en conséquence choisir dans « TESTS ET CALIBRAGES » « valeur instantanée» « 25 V » ; « réglage du zéro » pour le « VOLTMETRE »

2. « NOUVELLE EXPERIENCE » , « PARAMETRES » , « VOLTMETRE » en ordonnée , « MODE D’ACQUISITION » : « f(t) « DUREE D’ACQUISITION » ............s et « NOMBRE DE POINTS »...................Au niveau de la synchronisation, choisir un seuil de déclenchement assez bas mais pas trop faible pour éviter de déclenchements aléatoires.

3. « LANCEMENT ». A la fin du lancement, si la courbe obtenue est valable , « enregistrez la sous »… un nom de fichier que vous notez.

4. Ensuite dans « AFFICHAGE » , « PROPRIETES DE LA COURBE », donnez un nom à cette acquisition et écrire les commentaires utiles sur la valeur de R et de C.

5. .Après avoir changé « R » 10 kW à 5 kW par exemple sans changer la valeur de C, décharger le condensateur en « 2 » , puis « LANCER » ® « ajouter » et basculer su « 1 ». La deuxième acquisition se superpose à la première. (« ENREGISTRER ». Dans « PROPRIETES DE LA COURBE » donnez un autre nom et notez les commentaires utiles.

6. Reproduire le même type de manipulation afin de répondre aux objectifs cités

7. On choisira les acquisitions une par une dans « AFFICHAGE », « REPRESENTATION DES COURBES » et dans « TRAITEMENT », on effectuera d’abord un « TRI »

Reprendre les objectifs un par un et conclure en utilisant les courbes enregistrées :

3^ème PARTIE: MESURE GRAPHIQUE DE LA CONSTANTE DE TEMPS « t = RC »

A partir d’une courbe de charge d’un condensateur , il est assez délicat de trouver cette valeur.

Il faut tracer la tangente à la courbe à la date t=0 ; puis celle à la courbe quand la charge est pratiquement terminée ( c’est pratiquement une tangente horizontale).

Le point d’intersection de ces deux tangentes correspond à la date « t = t »

VERIFICATION ( sur une courbe)

1. tracé de la tangente à « t = 0 » ; utilisez plutôt l’outil « droite » que l’outil « tangente »

( en mode Tableau, changer le nom « droite » en « T0 » par exemple)

2. Tracé de la tangente « asymptotique » à t ®¥

Même méthode que pour la précédente tangente ( en mode tableau, donnez le nom « T infini » à cette droite.

3. Toujours avec « droite », tracez la verticale passant par le point de concours des deux tangentes précédentes.

® le point d’intersection correspond à la date « t = t » comme on le démontrera dans le cours.

Mesurez « t » et comparez avec la valeur du produit « R.C »

COMPARAISON D’UNE CHARGE ET D’UNE DECHARGE DE CONDENSATEUR

En mode sans synchronisation, effectuez une charge et une décharge successive sur une durée adaptée pour avoir les phases sur l’écran.

Tracez les tangentes à la courbe au début d’une charge et au début d’une décharge correspondant à un condensateur totalement chargé.

Montrez que l’on peut retrouver la valeur de « t » pendant la charge et pendant la décharge.

4 ème partie : EVOLUTION DE L’INTENSITE DU COURANT PENDANT UNE CHARGE ET UNE DECHARGE

Introduire l’adaptateur ampèremètre dans le circuit ; augmentez le nombre de points d’acquisition.

Effectuez la même manipulation que précédemment.

Observez les courbes de « u(t) » et de « i(t) ».

· Que peut-on en déduire sur le sens du courant pendant une charge ou une décharge ?

· Comment évolue l’intensité de ce courant pendant une charge ou une décharge ?

5^ème partie MODELISATION DE LA COURBE DE CHARGE D’UN CONDENSATEUR DANS UN DIPOLE (R,C)

Choisir une courbe de charge que l’on « lissera »

Dans « MODELISATION », proposez une fonction du type:

avec U, tension maximale atteinte en fin de charge et RC le produit des deux valeurs correspondant à l’expérience. Le logiciel proposera de donner une estimation de des 3 « paramètres » U , R et C . Pour E, on observera sur la courbe la valeur asymptotique obtenue quand t®¥.

Comparez la courbe tracée et la courbe provenant des mesures.

Que vaut, à partir de l’équation précédente, le rapport « » au bout d’une durée de charge égale à « 5.t » ?

Que peut-on en conclure au niveau de la charge du condensateur à cette date ?

COMPLEMENTS EXPERIMENTAUX (dans une autre séance de TP)

I. CHARGE ET DECHARGE AUTOMATIQUE ET PERIODIQUE

On reprend le travail précédent sur la charge et la décharge d’un condensateur en utilisant un GBF pour provoquer automatiquement et périodiquement ces phénomènes.

schéma du montage :

Le GBF doit donner une tension entre 0V et une valeur maximum U _MAX . Pour débuter, on prendra une tension périodique et alternative, puis dans un deuxième temps on règlera la tension délivrée en non alternative grâce au bouton de « décalage » prévu sur le GBF.

Par tâtonnements, en mesure instantanée sur calibre 2,5 V pour le voltmètre, déterminer tous les autres réglages et paramètres utiles pour observer convenablement une période au moins du phénomène.

Pour effectuer les réglages de zéros de l’ampèremètre et du voltmètre, on branchera les deux fils de sortie du GBF sur la seule borne noire le temps de ces réglages.

La synchronisation se fait sur le voltmètre en tension croissante déclenchée quand elle atteint 0,0005 V par exemple.

L’ordre de grandeur de la durée d’acquisition est à trouver dans l’expérience manuelle.

observer l’allure des deux courbes u_C(t) et i (t) quand on a au moins une durée de charge et de décharge complète.
Utiliser le décalage de tension au niveau du GBF et par tâtonnement, régler la tension fournie par le GBF de telle façon qu’elle soit toujours positive ou nulle. Noter les valeurs de R et de C utilisées.
Recommencer avec une constante de temps plus grande ne permettant pas une charge totale. Noter les nouvelles valeurs de R et C. Sortir les deux courbes de u_c(t) correspondantes sur papier.
Dans quel cas peut-on déterminer graphiquement « t » ? Que vaut-il dan l’autre cas ?

Sortir la courbe i(t) dans le premier cas après avoir noté la valeurs de R et C, mais aussi la valeur de la tension maximale atteinte.
Commenter l’évolution de ce courant en fonction de la valeur de u_C(t). Peut-on vérifier que l’intensité maximale est au début d’une charge est égale à U_MAX/R_T où R_T est la résistance totale dans le circuit y compris celle correspondant au GBF.

II. UTILISATION D’UN OSCILLOSCOPE A LA PLACE DU SYSTEME INFORMATISE ASSOCIE A L’ORDINATEUR

Reprendre le même montage en supprimant l’ampèremètre et en remplaçant l’adaptateur voltmètre par un oscilloscope analogique à deux voies ch1 et ch2.

Les bornes noires du G.B.F et de l’oscilloscope sont reliées à la terre électrique (fil de terre commun au niveau des prises de courant). Il faut donc qu’elles soient reliées entre elles dans le circuit.

Visualiser u_GBF sur la voie CH1 et u_C sur la voie CH2.

Optimiser les réglages pour retrouver au moins une charge et une décharge successives.

Les borne noires de chaque voies de l’oscilloscope sont déjà reliées entre elles et à la terre ; il est donc inutile d’ajouter une liaison à la deuxième borne noire

Montrer l’influence du choix de R et de C sur la valeur de « t ».

Vérifier que pour une durée d’environ « 5.t » on peut considérer que le condensateur est pratiquement chargé ou déchargé.