Réalisation d'un Convertisseur de Tension Continu ... :
7. - QUATRIÈME
EXPÉRIENCE : RÉALISATION D'UN CONVERTISSEUR DE TENSION CONTINUE
Dans certains circuits, à partir
d'une tension continue, il peut être nécessaire de créer une tension continue
de valeur supérieure à celle existante. Il peut être utile d'avoir recours à
un convertisseur de tension continue qui permet d'élever cette tension. Pour
cela, plusieurs types de circuits sont envisageables. Dans le cas présent, nous
allons voir un modèle de convertisseur utilisant le circuit intégré
LM 555.
7. 1. - RÉALISATION ET ESSAI DU CIRCUIT
a) Enlevez de la matrice les
liaisons et les composants relatifs à l'expérience précédente, laissant en
place uniquement le circuit intégré LM
555.
b) Réalisez le montage
illustré figure 15.
Les deux pointes de touche du contrôleur
sont en contact avec deux morceaux de fil rigide dénudé et insérés dans la
matrice.
Le schéma électrique du circuit réalisé
est situé figure 16.
c) Mettez le Digilab sous
tension.
d) Préparez le contrôleur
pour
la mesure de tension continue calibre 10 V
et mettez les pointes de touche en contact avec la cathode de la diode
D1 (pointe de touche rouge) et avec la masse (pointe de touche noire)
comme illustré figure 15.
Vous devez trouver une tension
d'environ 8,8 volts.
e) Mettez le Digilab hors
tension.
En conclusion, ce circuit permet
d'obtenir une tension plus élevée que celle alimentant le circuit.
Le circuit intégré
LM 555 génère un signal rectangulaire dont la fréquence vaut :
Ce signal rectangulaire est appliqué
à l'entrée d'un circuit doubleur de tension constitué par deux diodes et deux
condensateurs comme indiqué figure 17.
Le fonctionnement de ce doubleur de
tension est le suivant :
Lorsque le signal d'entrée (signal rectangulaire)
est au niveau
L, la diode
D2
est polarisée en direct et conduit. Le condensateur C3
se charge et le point A se retrouve au
potentiel + 4,4 volts (figure 18-a). Par
contre, D1 est polarisée en inverse et
aucun courant ne la traverse.
Lorsque
le signal d'entrée passe au niveau H, la
variation de tension ainsi créée se transmet à travers C3
et le point A se retrouve au potentiel
+
9,4 volts (4,4 volts + 5 volts).
Immédiatement la diode D2 cesse de conduire
(figure 18-b), tandis que D1 est polarisée
en direct et permet au condensateur C4
de se
charger. Le point A étant à
+
9,4 volts la sortie sera à un potentiel de
+
8,8 volts (nous considérons que le seuil des diodes
D1
ou D2 est
0,6 volt).
Lorsque le signal d'entrée repasse
au niveau L, la sortie se maintient à
+
8,8 volts puisque C4 ne peut se décharger
immédiatement.
Vous trouverez une tension de sortie
inférieure à 8,8 volts
(plutôt de 8
à 8,5 volts) car la variation de potentiel à la sortie du
multivibrateur est toujours inférieure à 5
volts.
Il serait possible d'obtenir des
tensions de sortie encore plus élevée. Il suffirait pour cela de mettre
plusieurs doubleurs de tension en cascade.
Avec un doubleur de tension, on
obtient 10 volts à partir de 5
volts, avec deux doubleurs, on obtient
15
volts et ainsi de suite.
Si V
est la tension initiale et N le nombre de
doubleurs de tension, la tension finale vaut : (N + 1)
x V (volts).
L'inconvénient de ce montage expérimental
réside dans le fait que le courant disponible en sortie est relativement
faible.
Néanmoins, il existe des
convertisseurs basés sur ce principe et capables de fournir une puissance
suffisante permettant d'alimenter un circuit électronique.
8 - CINQUIÈME EXPÉRIENCE : RÉALISATION D'UN FRÉQUENCEMÈTRE
ANALOGIQUE
Dans cette expérience, le
LM
555 est utilisé pour la conception d'un fréquencemètre assez
simple.
Bien que la précision de celui-ci
soit assez faible, ce circuit permet de comprendre le principe d'un fréquencemètre
analogique.
8. 1. - RÉALISATION DU CIRCUIT
a) Tout en laissant en place
le circuit LM 555, retirez les composants et
les liaisons relatifs à l'expérience précédente.
b) Insérez sur la matrice
deux condensateurs de 0,01 µF, un
condensateur de 330 pF, deux résistances de
6,8
kW,
une résistance de 4,7 kW
et un trimmer de
10 kW
dans les positions illustrées figure 19.
c) Effectuez ensuite les
liaisons indiquées dans cette figure 19.
Le schéma électrique du fréquencemètre
analogique est donné figure 20.
8. 2. - ESSAI DE FONCTIONNEMENT
a) Préparez le contrôleur
pour la mesure de courant continu calibre 1 mA
et reliez la pointe de touche négative (noire) à la masse et la pointe de
touche positive (rouge) à l'extrémité libre du trimmer de 10
kW,
comme illustré figure 19.
Pour effectuer le raccordement des
pointes de touche, utilisez deux morceaux de fil rigide isolé dénudé que vous
enroulerez autour des pointes de touche.
b) Disposez le générateur
d'horloge sur 10 kHz.
c) Mettez le Digilab sous
tension et tournez la vis du trimmer de manière que le galvanomètre indique 1
mA (aiguille en fin d'échelle).
d) Disposez le générateur
d'horloge sur 1 kHz et lisez la valeur
indiquée par le galvanomètre. Elle est d'environ 0,1
mA.
e) Mettez le Digilab hors
tension.
Avec le circuit que vous venez de réaliser,
vous obtenez donc une indication analogique de la valeur d'une fréquence. En
effet, la position de l'aiguille du galvanomètre est directement fonction de la
fréquence du signal présent à l'entrée du circuit. Il suffirait d'utiliser
une échelle appropriée pour effectuer la lecture directement en Hz.
Dans le cas présent, c'est le
calibre 1 mA qui est utilisé et le trimmer
R4
sert de résistance additionnelle pour que la fréquence de 10
kHz corresponde à la déviation maximale de l'aiguille.
L'indication du galvanomètre est
proportionnelle à la fréquence. C'est pour cela qu'à 1
kHz, le galvanomètre indique
0,1 mA.
A 5 kHz,
il indiquerait 0,5 mA, à
8
kHz il
indiquerait également 0,8 mA et ainsi de suite.
Le principe de fonctionnement est
basé sur la mesure de la tension moyenne du signal de sortie du monostable.
La valeur moyenne de la tension d'un
signal périodique se calcule sur une période.
Dans le cas du signal de la figure
21, la valeur moyenne Vm vaut :
Dans le circuit expérimenté, pour
chaque transition du signal d'horloge d'un niveau H
à un niveau L, le monostable génère une
impulsion dont la durée Tvaut :
T = 1,1 R1 C2 =
1,1 x 6,8 x 103 x 0,01 x 10-6
T = 75 µS
A la sortie du
monostable, on obtient un signal rectangulaire dont la fréquence est identique à celle du
signal de déclenchement et dont chaque impulsion dure
75 µS.
La figure 22 représente les
tensions Ve
à l'entrée du monostable, Vt
sur l'entrée de déclenchement du monostable et
Vs
à la sortie du monostable dans les deux cas expérimentés.
Les tensionsVt
représentent les tensions d'entrée Ve différentiées
grâce au réseau constitué de R2,
R3
et C3 (figure 20).
Ceci permet d'avoir une impulsion de
déclenchement très courte par rapport à l'impulsion de sortie du monostable.
Ce problème a été abordé au cours de la théorie digitale 6 (pseudo-monostable).
Vous remarquez que le monostable est déclenché sur le front négatif du signal
d'entrée.
Lors du front montant du signal
d'entrée, une impulsion positive est appliquée sur l'entrée de déclenchement
puis très rapidement la tension sur l'entrée de déclenchement retombe à 2
volts (Vt = 2 volts).
En effet, le rapport des résistances
R2 et
R3
impose un potentiel de 2 volts sur l'entrée
de déclenchement.
Par ailleurs, n'oublions pas que le
comparateur de déclenchement bascule pour 1,66
volt.
Donc lorsque le signal d'entrée
repasse au niveau L, une impulsion négative
est créée sur l'entrée de déclenchement dont le potentiel descend en dessous
de 1,66 volt et le monostable se déclenche
à ce moment-là.
Si nous observons
la figure 22, nous nous apercevons que le rapport entre
la durée de l'impulsion de sortie (75 µs)
et la durée pendant laquelle le signal de sortie est au niveau L
est directement proportionnel à la fréquence du signal d'entrée.
Effectivement, lorsque la fréquence
du signal d'entrée vaut 10 kHz, la valeur
moyenne Vm1 du signal de sortie vaut :
Vm1 = VH x tH x F
= 5 x 75 x 10-6 x 10 x 103 = 3,75 volts.
Dans le second cas, avec
F
= 1 kHz, nous obtenons :
Vm2 = VH x tH x F
= 5 x 75 x 10-6 x 103 = 0,375 volt
Il serait donc possible d'effectuer
directement la mesure de cette tension moyenne avec un galvanomètre équipé
d'une bobine mobile car cette dernière ne peut suivre les variations rapides de
tension.
Dans le cas qui nous préoccupe,
nous préférons utiliser le trimmer R4 et
mesurer le courant qui le traverse, celui-ci étant proportionnel à la tension
moyenne de sortie du monostable.
Cela vous permet de calibrer le
galvanomètre afin qu'à 10 kHz l'aiguille dévie
au maximum (1 mA).
Le courant moyen mesuré est
Im = Vm / R;R étant la
somme des résistances en série du trimmer et du galvanomètre.
C'est une constante, donc Imest bien proportionnel à Vm et
par conséquent à la fréquence.
Néanmoins, ce système de mesure
est relativement imprécis, tant par l'imprécision du contrôleur et des
composants que par la méthode par laquelle on obtient la valeur moyenne. Pour réaliser
des mesures plus précises, il serait nécessaire de recourir à des circuits
plus complexes, réalisés avec des amplificateurs opérationnels, mais cela dépasserait
le cadre de ce cours.
Nous allons voir comment effectuer
cette mesure de fréquence avec un système digital.
Réalisation d'un Fréquencemètre Analogique
Lorsque le signal d'entrée (signal rectangulaire)
est au niveau
L, la diode
D2
est polarisée en direct et conduit. Le condensateur C3
se charge et le point A se retrouve au
potentiel + 4,4 volts (figure 18-a). Par
contre, D1 est polarisée en inverse et
aucun courant ne la traverse.
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