TP n°4 : Régimes transitoires, circuits RC

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IUFM Aix Marseille 1/4

TP n°4 : Régimes transitoires, circuits RC

Sujets abordés : Régimes transitoires, Multivibrateurs astables et monostables (définitions).

Logiciel utilisé : Orcad Spice

1 Charge et décharge d’un circuit RC alimenté en tension

On considère le circuit suivant :

GENE

R1 {R}

VC

V TD = 0

TF = 0 PW = 10u PER = 20u V1 = 0

TR = 0 V2 = 10

PARAMETERS:

R = 1K C = 1n

0

C1 {C}

Le générateur est le composant « VPULSE » de la bibliothèque « SOURCE ». Il fournit un signal carré dont le niveau bas, le niveau haut, le temps de retard, le temps de montée, le temps de descente ; la largeur d’impulsion et la période sont donnés respectivement par V1, V2, TD (delay time), TR (rise time), TF (Fall Time), PW (pulse width) et PER.

1.1 Influence du condensateur

Nous lancerons une simulation dans un premier temps juste sur l’état haut (soit pendant 10 µs), le signal V1 passant à 10 V à t=0, pour différentes valeurs du condensateur : 0,1 nF, 1,1 nF et 2,1 nF, la résistance valant 1 kΩ (valeur précisée sous le symbole « PARAMETERS »).

Prédéterminer l’allure des tensions et courants pour les différentes valeurs de C1. Préciser les points remarquables : (à t=0 et t=ττττ=RC).

Effectuer les simulations et vérifier que les courbes correspondent bien aux déterminations. Utiliser le curseur pour mesurer les constantes de temps.

1.2 Influence de la résistance

Prédéterminer l’allure des tensions et courants pour les différentes valeurs de R1 : 100 ΩΩΩΩ^, 1,1 kΩΩΩΩ et 2,1 kΩΩΩΩ. Préciser les points remarquables : (à t=0 et t=ττττ=RC).

Effectuer les simulations et vérifier que les courbes correspondent bien aux déterminations. Utiliser le curseur pour mesurer les constantes de temps.

1.3 Influence de la tension d’alimentation

Mesurer la constante de temps pour différentes tensions d’alimentation. Conclusion ?

1.4 Influence de l’état initial

On peut imposer une charge initiale au condensateur en éditant ses propriétés (double clic sur le symbole) et imposant la valeur souhaitée (par exemple 5 V) dans la colonne IC (pour « Initial Condition ») ; il faut cependant veiller à ce que le condensateur ait la borne 1 reliée au pôle positif (faute de quoi la charge initiale sera en fait de – 5V).

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TP4 : régimes transitoires, circuits RC

On doit ensuite veiller à ce que l’encoche « Skip the initial bias point calculation » (« ignorer le calcul du point de polarisation ») soit désactivée dans le profile de simulation.

Lancer la simulation et mesurer la constante de temps. Conclusion ?

1.5 Influence de la fréquence

Pour une résistance de 1 kΩ et un condensateur 1 nF, lancer une simulation sur 10 périodes du signal du générateur pour une fréquence de 50 kHz, puis 500 kHz puis 1 MHz. Observer à chaque fois tensions et courant.

Quelle opération mathématique est réalisée en VC par rapport au signal du générateur si la période de celui-ci est faible devant la constante de temps RC ?

Observer la tension aux bornes de la résistance en demandant l’affichage de V(GENE)-V(VC) :

Noter que les variations de tension imposée par le générateur se retrouvent aux bornes de la résistance, le condensateur n’admettant pas de brusque variations de tension.

1.6 Application : Multivibrateur astable

Attention : l’application suivante n’est pas simulable avec la version démonstration du logiciel.

On a souvent besoin en électronique de générer des signaux carrés, 0/5 V par exemple, dont la fréquence sera ajustable par des composants. On parle alors, suivant le cas, d’oscillateur, d’horloge ou de circuit multivibrateur astable

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Le circuit RC peut répondre à ce problème en jouant sur la constante de temps.

Nous allons réaliser un tel signal en utilisant le circuit ci-après, une « porte inverseuse à hystérésis » (ou trigger de Schmitt), composant « CD40106B » issus de la bibliothèque « CD4000 ».

La connaissance précise du fonctionnement n’est pas nécessaire, il suffit juste de savoir que :

- la sortie ne peut prendre que les valeurs 0 V ou 5 V.

- si la sortie est à 5 V, elle y restera tant que l’entrée ne passera pas au-dessus de 2,9 V ;

- si la sortie est à 0 V, elle y restera tant que l’entrée ne passera pas au dessous de 1,9 V .

SORTIE U4A

CD40106B

1 2

ENTREE

Le schéma complet est alors le suivant :

R2 100k

C1 1n

U4A

CD40106B

1 2

0

SORTIE ENTREE

Lancer une simulation sur 500 µs (pas de 10 ns) et observer les signaux d’entrée et de sortie. Justifier la forme des courbes, retrouver les seuils de basculement en s’aidant des curseurs.

1.7 Application : Multivibrateur monostable

Attention : l’application suivante n’est pas simulable avec la version démonstration du logiciel.

Un autre besoin important en électronique concerne les temporisations. Cette fonction ne concerne que les signaux numériques (ne pouvant prendre que deux valeurs : 0 ou 5 V par exemple.

A partir d’un événement (généralement un front montant ou descendant sur un signal, une tension passera et restera à un niveau défini (5 V par exemple) pendant un temps choisi (fonction de la constante de temps d’un circuit RC par exemple). On parle de multivibrateur monostable (voir cours pour plus de détails).

Le circuit ci-après, un « 555 », composant « 555alt » issus de la bibliothèque « ANL_MISC » permet de répondre à ce besoin. Là non plus il n’est pas nécessaire de connaître parfaitement le composant, il suffit de savoir :

- qu’il s’alimente par une tension continue positive entre les bornes 8 et 0 ; - que dans la configuration décrite, la sortie 7 se met à la masse par défaut ;

- qu’elle se présente comme un circuit ouvert, si l’entrée passe à 0 et qu’elle le reste tant que la borne 6 n’est pas repassée au-dessus de 2,66 V

- lorsque la borne 7 est à la masse, la sortie 3 est à 5 V, lorsqu’elle se met en circuit ouvert, la borne 3 se met au 5 V.

Remarque : sur ce schéma, comme sur les autres, les fils de même nom sont reliés (« VCC » ou

« 0 » par exemple).

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C2 1n

0 VC

R1 1k

0 0

ENTREE VCC

0 U4

555alt 1

2

3 4

5 6 7

8

GND TRIGGER

OUTPUT RESET

CONTROL THRESHOLD DISCHARGE

VCC

V1 5Vdc VCC

C1 1n

SORTIE

R3 100k

0

V2 TD = 1u TF = 0 PW = .1U PER = 5U V1 = 5

TR = 0 V2 = 0 VCC

0

Réaliser une simulation temporelle sur 3 µs (pas de 10 ns), visualiser les signaux ENTREE, SORTIE et VC en justifiant la forme des courbes.

Calculer à l’aide des curseurs la durée du signal en sortie.