Détecteur d’inondation

(1)

Détecteur d’inondation

1. Un capteur détecteur d’eau

a. Le capteur : Pile

a.1. Qu’est-ce qu’une pile ?

Une pile électrochimique est constituée d’une solution et de deux électrodes de nature chimique différente : la tension à ses bornes dépend de la nature de la solution et des électrodes.

On envisage, pour simplifier, que l’inondation correspond à de l’eau du robinet.

a.2. Différents types de piles

Vous avez à votre disposition des lames métalliques bien décapées.

Mettre 2 ou 3 cm d’eau du robinet dans un bécher et y plonger deux lames de nature différente : (Faire vérifier par le professeur !)

Noter dans le tableau ci-dessous la tension approximative mesurée en Volt et le nom de la lame qui est le pôle + de cette pile.

Remarque : les valeurs changent beaucoup selon le décapage de la lame...en particulier pour l'aluminium!

En déduire la constitution de la pile qui vous paraît la plus performante : Cu // Zn

La hauteur d’eau a-t-elle une influence importante sur la tension Upile ? non (mais il faut qu’il y ait de l’eau…)

Remarque 1 :

Quelle est la tension aux bornes de cette pile s’il n’y a pas d’eau ? 0 V Explication : l’air est isolant

Remarque 2 :

Réaliser une expérience prouvant qu’il faut des lames de nature différentes

(Faire vérifier par le professeur ! Prendre 2 électrodes identiques : E = 0V b. La visualisation : la LED

L’inondation sera détectée par une LED qui s’allumera.

b.1. Protection de la LED

Cu // Fe Cu // Al Cu // Zn Fe // Al Fe // Zn Al // Zn Tension Upile 00.78 00,76 00,82 00,3 00.1 00.04

Pôle + Cu Cu Cu Fe Fe Zn

(2)

Le fabricant des LED prévient que ces composants ne peuvent pas supporter une trop grande tension à leurs bornes, et ne doivent pas être traversées par une trop grande intensité. Il est donc indispensable de les protéger de ces deux excès afin qu’elles ne soient pas détruites.

Les LED utilisées supportent en général environ 2 V et 15 mA.

On dispose d’un générateur délivrant une tension de 9 V et d’une LED.

Peut-on brancher la LED directement sur le générateur ? non, sinon elle grille

Sinon, quel composant faudra-t-il intercaler entre le générateur et la LED ? une résistance

 Faire un schéma avec le générateur de 9V, la LED et ce composant.

 Calculer la valeur du composant.

UR = 9 - ULED = 9-2 = 7V Or : UR = R I

Donc : R = UR / I= 7/ 0.015 = 467 Ω b.2. Constitution de l’alarme

 Dessiner le montage théorique constitué simplement de la pile choisie et d’une LED seule ( = sans protection ).

On choisit la pile Cu//Al ( E  0.9V)

Réaliser ce montage. (Faire vérifier par le professeur !)

 Que constatez-vous ? Aidez-vous d’un ampèremètre et d’un voltmètre.

La LED est éteinte, i = 0 mA

9 V

I

U_R Rp

U_DEL

(3)

Il est donc nécessaire d’amplifier la tension délivrée par la pile. Pour cela il faut étudier au préalable, le montage amplificateur (non inverseur) réalisé autour d’un amplificateur opérationnel (AO).

2. L’amplificateur opérationnel

a. Présentation

C’est un composant électronique possédant :

 2 entrées (entrée inverseuse Eet entrée non inverseuse E  )

 1 sortie S

Observation préliminaire : Dans tous les montages, l’alimentation de l'A.O.

est réalisée par une alimentation symétrique (-15 V, 0, +15 V). Pour alléger les schémas, cette alimentation n'est pas représentée.

Recommandations :Les opérations suivantes sont à réaliser impérativement dans l’ordre :

1) Connecter l’AO à l’alimentation symétrique (+15 V ; 0 ; - 15 V )

2) Mettre les entrées (E⁺ et E^- ) sous tension ( ne jamais dépasser la tension de polarisation soit 15 V)

En fin de séance, on procédera dans l’ordre inverse.

Alimenter l’AO. (Faire vérifier par le professeur !

b. Montage « amplificateur non inverseur »

Réaliser le montage correspondant au schéma ci-contre : Avec :

R1 = 1 k

R2 = 10 k

La tension d'entrée Ue est fournie par une alimentation réglable.

Les tensions sont mesurées à l'aide d'un voltmètre (COM relié à la masse du montage).

(Faire vérifier par le professeur ! b.1. Etude en régime continu

E-

E+ S

E-

E+ S

Masse

R₁

R₂

Ue Us

(4)

Faire varier Ue . Mesurer Us .

b.2. Observations :

Quelles remarques peut-on faire en analysant les résultats obtenus ? Pour Ue < -1.3 V, Us est constant et négatif

Pour Ue > 1.3 V, Us est constant et positif Pour -1.3V<Ue<1.3V Us varie

b.3. courbe

Reporter les valeurs Us et Ue dans un tableur et tracer la caractéristique de transfert Us = f (Ue).

Cette courbe est constituée de trois portions rectilignes :

 2 paliers horizontaux correspondent au fonctionnement de l’AO en saturation.

 une portion rectiligne non horizontale correspond au fonctionnement de l’AO en régime linéaire, c’est à dire qu’il remplit le rôle d’un amplificateur.

Identifier sur la courbe les 3 parties et indiquer les régimes de fonctionnement correspondants.

b.4. Amplification

 Quand un composant fonctionne en amplificateur, cela signifie que la tension de sortie Us est proportionnelle à la tension d’entréeUe. . Est-ce le cas ici ? oui dans la partie de la courbe rouge….

 Déterminer le coefficient d’amplification A :

On se place sur un point de la courbe rouge ( par exemple le point de coordonnées : Ue = +1 V, Us = +11 V)

Montage amplificateur non inverseur

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

-3 -2 -1 0 1 2 3

Ue(V) Us(V)

S

aturation

S

aturation

Amplification

(5)

Us 11 A= = 11

Ue 1 

 Avec ce montage, on démontre que ²

1

A=1 R

 R

Calculer la valeur théorique de A et comparer à la valeur trouvée

2 1

R 10

A=1 1 11

R 1

   

identiques aux erreurs de mesure près

3. L’alarme opérationnelle

a. Schéma de principe

Il suffit d’intercaler entre la pile et la LED le montage « amplificateur non inverseur » :

La pile choisie remplacera Ue. Donc Ue = 0,82 V

On ne branchera pas la LED tout de suite mais on la remplacera momentanément par un voltmètre.

 On veut que la tension de sortie Us ait une valeur de 9 V environ.

Quelle est le coefficient d’amplification : Us 9

A= = 11

Ue 0.82

 Si on prend R1 = 1 k, quelle valeur de R2 doit-on prendre ?

 D’après l’étude précédente R2 = 10 kΩ

 Dessiner le schéma théorique (Faire vérifier par le professeur !

b. Préparation du montage pratique

 Allumer l’alimentation de l’ampli op pour alimenter le montage.

 Relier les 2 électrodes de la pile par une résistance de 1 M. Cela ne perturbera pas le fonctionnement du montage mais évitera, lorsqu’on enlèvera l’eau, qu’une électrode soit « en l’air » c’est-à-dire à un potentiel non défini (sinon dans ce cas l’AO serait en saturation).

 Mettre de l’eau dans le bécher.

 (Faire vérifier par le professeur ! E-

E+ S

Masse

R₁

R₂

Pile

Us

(6)

 Mesurer la tension de sortie US avec le voltmètre. US = 9V

c. Mise en place de la LED

Quelle est alors la valeur de la résistance de protection Rp à mettre en série avec la DEL.

D’après le § 1 b1 on doit prendre : Rp > 467 Ω donc Rp = 470 Ω

Compléter le schéma précédent en mettant à la sortie du montage la DEL ( dans quel sens ? ) et sa résistance de protection.

(Faire vérifier par le professeur !

Masse

R₁

R₂

Pile

Us Rp

(7)

Evaluation :