Ce sujet est le premier d’une série proposant de vérifier des calculs ou concepts théoriques à l’aide d’un simulateur Orcad Spice. Il est indispensable de se référer au polycopié intitulé « Démarrer avec Orcad Pspice » même si les premiers exercices sont très guidés.
Afin d’être efficace lors de la séance de TP, une préparation est à effectuer avant l’arrivée en salle ; les questions concernant la préparation sont notées en gras et italique. Au début de chaque sujet, le paragraphe Sujets abordés fait référence au(x) chapitre(s) du polycopié de cours abordés par les simulationS. L’étude préliminaire de ce chapitre est évidemment indispensable.
Sujets abordés : lois générales du courant continu
1 Générateurs parfaits
1.1 Association générateur résistance
Saisir le schéma ci-après (voir « Démarrer avec Orcad Pspice ») .
V1 12Vdc
0
R1 1k
Le générateur est l’élément VDC de la bibliothèque « SOURCE », la résistance est l’élément R de la bibliothèque « ANALOG », la masse est obtenue à partir de l’icône « Place Ground » sur la droite de l’écran.
Attention : le symbole de masse est obligatoire et doit impérativement contenir le chiffre 0. Le logiciel référence alors toutes les tensions par rapport à ce potentiel (qui est donc à 0 volt):
Faire un double clic sur les valeurs de ces éléments pour imposer 12 V et 1 kΩ.
Calculer tensions et courant aux différents points.
Lancer une simulation de type « Point de Polarisation » « Bias Point » :
Fermer la fenêtre qui s’ouvre pour revenir au schéma, autoriser l’affichage de vérifier que le calcul du simulateur est conforme à votre prédétermination.
R1 1k 12.00mA 12.00V
0V 0 V1 12Vdc
12.00mA
Eventuellement modifier la valeur des éléments et refaire prédétermination et simulation.
1.2 Variation de la résistance
Nous allons maintenant faire varier la valeur de la résistance afin de vérifier que la tension aux bornes du générateur reste constante ; pour cela définir un nouveau profil de simulation en paramètrant un
« balayage continu » (DC Sweep) pour la résistance R1 (« Global parameter ») qui variera linéairement de 1 Ω à 10 k Ω par pas de 100 Ω.
Afin que l’affichage des courbes reste le même si on modifie un élément, valider « Last plot » de l’onglet « Probe Windows » du profil de simulation, puis « OK: »
Il faut ensuite (ou avant) déclarer la variation d’un paramètre sur le schéma, en plaçant le symbole
« param » extrait de la bibliothèque « Special ».
Double cliquer ensuite sur ce symbole pour afficher ses propretés.
Définir une nouvelle propriété (New…) que l’on nommera R1.
Rendre cette propriété visible sur le schéma (Display… puis Name and value).
Donner la valeur {R1} – pour les accolades : Alt Gr 4 et += - à la résistance R1 sur le symbole de la résistance.
Afin de faciliter la sélection de l’affichage, placer une étiquette (Place net alias), PLUS par exemple, sur le pole positif du générateur (attention pas de +, *, [ etc…)
0 PLUS
PARAMETERS:
R1 = 1
R1 {R1}
V1 12Vdc
Lancer la simulation, puis en activant l’icône « Add Trace », sélectionner V(PLUS) –si le pôle positif a été nommé PLUS- dans la fenêtre qui s’ouvre, puis « OK ».
La courbe suivante apparaît alors, montrant l’indépendance de la tension V1 par rapport à la résistance.
R1
0 2K 4K 6K 8K 10K
V(PLUS) 5V
10V 15V 20V
Vérifier que ce résultat est cohérent.
1.3 Générateur de courant
Reprendre la démarche précédente en remplaçant le générateur de tension par un générateur de courant (symbole IDC de la bibliothèque SOURCE), et tracer cette fois l’évolution du courant (nommé I(I1) par le logiciel) en fonction des variations de la résistance.
PARAMETERS:
R1 = 1
0 PLUS
1mAdc I1
R1 {R1}
1.4 Caractéristique statique du générateur de tension
Pour définir un dipôle, on cherche en général à tracer sa caractéristique statique, c’est à dire l’évolution de la tension à ses bornes en fonction du courant le traversant.
Pour cela, saisir le schéma ci-après où le générateur de tension débite dans un générateur de courant, dont on va contrôler la valeur.
Associer le profil de simulation décrivant un balayage continu (DC Sweep) pour la source de courant I1 sur une valeur de 0 à 1 A par pas linéaire de 0,1 A.
Il est inutile cette fois de placer le symbole « param », la variation se faisant directement sur le générateur d’alimentation.
I1
0.1mAdc V1
12Vdc PLUS
Lancer la simulation et demander l’affichage de V(PLUS). On obtient alors la courbe ci-après :
I_I1
0A 0.2A 0.4A 0.6A 0.8A 1.0A
V(PLUS) 0V
10V 20V
Est-ce bien le résultat attendu ?
1.5 Caractéristique du générateur de courant
A partir du même schéma, lancer la simulation en faisant varier cette fois la source de tension V1 de 0 à 20 V par pas de 1 V.
Les caractéristiques statiques des générateurs sont habituellement tracées avec le courant en abscisse. Le logiciel proposant par défaut la grandeur de variation, ici la tension V1, en abscisse, modifier comme indiqué ci-après pour y placer le courant.
Demander ensuite de tracer l’évolution de la tension V1 pour obtenir le graphe suivant :
I(I1)
50uA 100uA 150uA
V(PLUS) 0V
5V 10V 15V 20V
2 Résistance
2.1 Loi d’Ohm
Proposer un schéma et une méthode permettant de tracer avec le simulateur la caractéristique statique d’une résistance de 1 kΩ.
On rappelle que pour être simulé, le schéma doit présenter un symbole de masse, ne pas avoir de boucle ouverte, ni de résistance de valeur nulle.
Vérifier que la courbe obtenue suit la loi d’Ohm.
2.2 Associations série
Saisir le schéma suivant (à gauche) :
PLUS
V1 12
R1 6k
R2 2k
R3 1k VS2
VS1 VS1
V1
12Vdc
VS2 PLUS
V(PLUS)
R1 6k
R2 2k
V(VS2) R3
1k
V(VS1)
Le schéma de droite rappelle comment Spice interprète les tensions qui sont toujours référencées par rapport au 0 volt.
Prédéterminer les tensions sur chaque point du schéma, ainsi que la résistance équivalente vue du générateur et le courant dans le circuit. Vérifier la loi des mailles.
Vérifier vos calculs par la simulation.
Reprendre cet exemple avec R2=100 kΩΩΩΩ et R3=10 MΩΩΩΩ. Conclusion ?
Reprendre cet exemple dans les deux cas en remplaçant le générateur de tension par un générateur de courant continu de 0,1 mA.
2.3 Association parallèle
Saisir le schéma suivant :
0 V1
12
PLUS
R1 6k
R2 2k
R3 1k
Prédéterminer les tensions sur chaque point du schéma, ainsi que la résistance équivalente vue du générateur et le courant dans chaque branche du circuit. Vérifier la loi des nœuds.
Vérifier vos calculs par la simulation.
Reprendre cet exemple avec R2=100 kΩΩΩΩ et R3=10 MΩΩΩΩ. Conclusion ?
Reprendre cet exemple dans les deux cas en remplaçant le générateur de tension par un générateur de courant continu de 0,1 mA.
