IUFM Aix Marseille 1/6 Sujets abordés : diodes, fonction logiques de base, signaux sinusoïdaux, régimes transitoires, alimentation (partie redressement et transformateur)
Logiciel utilisé : Orcad Spice
1 Caractéristique statique
Proposer une simulation permettant de tracer la caractéristique statique Id=f(Vd) d’une diode de redressement de type 1N4001 (50 V, 1 A), référencée sous Spice comme D1N4001 dans la bibliothèque « Diode ».
2 Redressement monoalternace
On considère le circuit suivant :
0
GENE CHARGE
D1 D1N4001 V1
FREQ = 50 VAMPL = 15
VOFF = 0 R1
1k
Prédéterminer l’évolution des tensions aux bornes du générateur, de la charge et de la diode.
Vérifier par la simulation.
Comme on peut le voir, la sinusoïde du générateur est redressée sur une alternance. On pourra trouver des applications à ce circuit, lorsqu’on souhaite alimenter, avec un schéma simple et des performances médiocres, une charge par un courant unidirectionnel.
On peut améliorer l’aspect continu de l’alimentation, en ajoutant un condensateur en parallèle sur la charge :
D1 D1N4001
0
C1 20u
GENE CHARGE
V1 FREQ = 50 VAMPL = 15 VOFF = 0
R1 1k
Refaire la simulation et justifier la forme des courbes.
Réaliser une simulation paramétrique avec des valeurs du condensateur de 2, puis 20 et 200µF.
Justifier le courbes
2.1 Application à la détection d’enveloppe et à la démodulation d’amplitude
Rappel : le son est une variation de pression du milieu ambiant (généralement l’air) ; l’oreille humaine est sensible à ces variations dans une gamme de fréquence allant de 20 Hz à 20 kHz. Le son n’est pas une onde électromagnétique, mais certains capteur comme le microphone, permettent de
transformer la variation de pression qu’est le son, en tension électrique, donc en onde électromagnétique.
La transmission d’information sonore par voie hertzienne, ou radio-diffusion, nécessite une transposition de fréquence : en effet les ondes électromagnétiques correspondants aux fréquences sonores (20 Hz à 20 kHz) se propagent très mal dans l’air.
Les émetteurs de radio-diffusion utilisent donc une gamme de fréquence plus élevée, par exemple 150 kHz – 285 kHz pour la radio-diffusion grandes ondes en modulation d’amplitude (France Inter, BBC etc…).
Le principe de la modulation d’amplitude consiste comme son nom l’indique, à moduler l’amplitude d’un signal sinusoïdal porteur de fréquence élevée –200 kHz par exemple- par le signal sonore basse fréquence à transmettre.
Nous simulerons ce fonctionnement sous Spice à l’aide d’un multiplieur (composant « Mult » de la bibliothèque « ABM ») qui multipliera la porteuse, par le signal correspondant au son, signal dit
« informatif ». , auquel une composante continue est ajoutée afin que l’enveloppe du signal
« RADIO » puisse toujours être positive (voir les chronogrammes lors de la simulation).
V2 FREQ = 10K VAMPL = .2 VOFF = 1
DEMODULE
0 INFO
D1 D1N4148
V1 FREQ = 200K VAMPL = 1 VOFF = 0
RECEPTEUR
R1 1k C1
20n PORTEUSE
EMETTEUR
RADIO
Lors de la mise au point de ce type de radio-diffusion, il y a plus d’un demi-siècle, les concepteurs ont cherché un système permettant de réaliser des récepteurs bon marché (les composants électroniques de l’époque étaient coûteux et peu performants). Le principe de restauration du signal informatif, aussi appelé « démodulateur »’peut en effet être réaliser avec un simple circuit diode, résistance condensateur comme celui que nous venons d’étudier.
Noter que la diode précédente, 1N4001, diode de redressement (bonne tenue en tension et courant, mais peu rapide), à été remplacée par une diode de signal 1N4148 (rapide).
Réaliser la simulation sur 300 µs (par pas de 1 µs) et observer dans un premier temps les signaux de la partie « émetteur ». Repérer dans le signal RADIO où se trouve l’information.
Observer ensuite les signaux de la partie « récepteur » et vérifier, qu’à une ondulation près à 200 kHz et une composante continue (auxquelles l’oreille humaine n’est pas sensible), on retrouve bien sur le signal « DEMODULE », la partie alternative du signal « INFO ».
Remarque : nous n’avons étudié ici que la partie démodulation du récepteur, en omettant volontairement la partie sélection du signal.
2.1.1 Influence de la constante de temps R1.C1
Faire varier la valeur du condensateur, puis de la résistance (par une analyse paramétrique) et observer les effets. Conclure sur la gamme de valeur possible pour la constante R1.C1 en fonctions des fréquences de la porteuse et des signaux informatifs.
2.1.2 Influence du choix de la diode
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3 Fonctions logiques
Les schémas que nous allons voir maintenant étaient utilisés au début de l’électronique numérique pour réaliser des fonctions booléennes de base, puis sont tombées en désuétude, avant d’être implantées de nouveau au sein de circuits numériques programmables.
L’étude de ces schémas permet de comprendre le principe de fonctionnement de schémas plus complexes.
3.1 Fonction OU
Considérons le montage suivant, où les deux générateurs fournissent des signaux numériques 0 à 5 V (niveau logique « 0 » et niveau logique « 1 ») :
0 GENE1
0
R1 1k V2
TD = 0 TF = 0 PW = 2m PER = 4m V1 = 0
TR = 0 V2 = 5
SORTIE D2
D1N4148 V1
TD = 0 TF = 0 PW = 1m PER = 2m V1 = 0
TR = 0 V2 = 5
D1 D1N4148
0 GENE2
Prédéterminer les chronogrammes et vérifier que l’on obtient bien une fonction OU entre les entrées et la sortie.
Vérifier par la simulation.
Conclure, que lorsque plusieurs diodes on leurs cathodes communes, c’est celle qui a son potentiel d’anode le plus élevé qui l’impose sur les cathodes (à la chute de tension près)/
3.2 Fonction ET
On modifie le schéma de la manière suivante (le symbole Vcc peut être pris à partir des icônes à droite de l’écran, ou être constitué d’une simple étiquette –alias net-) :
GENE1
V2 TD = 0
TF = 0 PW = 2m PER = 4m V1 = 0
TR = 0 V2 = 5 VCC
VCC
V3 5Vdc
D2 D1N4148
R1 1k
GENE2
V1 TD = 0
TF = 0 PW = 1m PER = 2m V1 = 0
TR = 0 V2 = 5
0 D1 D1N4148 0
0
SORTIE
Prédéterminer les chronogrammes et vérifier que l’on obtient bien une fonction OU entre les entrées et la sortie.
Vérifier par la simulation.
Conclure, que lorsque plusieurs diodes on leurs anodes communes, c’est celle qui a son potentiel de cathode le plus faible qui l’impose sur les anodes (à la chute de tension près)/
4 Redressement bi-alternance et pont de Graetz
Pour réaliser une alimentation continue à partir du réseau de distribution d’énergie EDF, on utilise généralement un transformateur qui isole et abaisse la tension secteur. Si ce transformateur possède un point milieu (voir cours), deux diodes suffisent pour réaliser le redressement.
Le montage suivant permet une simulation sous Spice d’un tel schéma.
PLUS
MOINS 0 V2 FREQ = 50 VAMPL = 15
VOFF = 0
V1 FREQ = 50 VAMPL = 15
VOFF = 0
0 CHARGE D1
D1N4001
D2 D1N4001
R1 1k
Prédéterminer les chronogrammes des différentes tensions. Pour le point « CHARGE » en particulier, on se rappellera la conclusion tiré du chapitre sur la fonction OU.
Vérifier par la simulation.
On complète maintenant le schéma de la manière suivante.
D2 D1N4001
0 V1
FREQ = 50 VAMPL = 15
VOFF = 0 0
CHARGE2 MOINS
D1 D1N4001 V2
FREQ = 50 VAMPL = 15
VOFF = 0
D4
D1N4001 PLUS
CHARGE
D3
D1N4001
R1 1k 0
R2 1k
Prédéterminer le chronogramme au point « CHARGE2 » en particulier, on se rappellera la conclusion tiré du chapitre sur la fonction ET.
Vérifier par la simulation. Afficher le chronogramme « CHARGE – CHARGE2 »
On arrange maintenant le schéma de la manière suivante. Vérifier, qu’au placement de la masse près, ce schéma et le précédent sont identiques.
IUFM Aix Marseille 5/6 D4
D1N4001 D2
D1N4001
0 PLUS
D1 D1N4001
D3 D1N4001
R3 2k SORTIE
MOINS V3 FREQ = 50
VAMPL = 30 VOFF = 0
Montrer que les tensions « CHARGE – CHARGE2 » et SORTIE sont identiques.
Vérifier par la simulation.
Ce dernier montage, nommé pont de Graëtz, est très classiquement utilisé, en monophasé, mais aussi en triphasé (par exemple pour redresser la tension issue de l’alternateur d’une automobile).
L’étude comme nous venons de la mener permet de retrouver la forme des courbes très facilement, quel que soit le nombre de phases.
5 Diode zener
5.1 Tracé de caractéristique
Tracer la caractéristique statique de la diode zener BZX84C3 (bibliothèque « Diode ») à l’aide du schéma suivant :
0 I1
0Adc
GENE
D1
BZX84C3V0L
13
On placera le courant en abscisse par le menu « Plot » de la fenêtre d’affichage, puis « Axis settings» puis « Axis Variable… » de l’onglet « X axis ».
Avec quel courant minimal faut-il polariser la zener pour entrer dans la zone linéaire de la caractéristique, là où une variation de courant aura la plus faible influence sur la tension ?
5.2 Utilisation
Considérons le schéma suivant :
GENE R1
D1
BZX84C3V0L
13
SORTIE
0 V1
La tension V1 est susceptible de varier entre 5 et 7 V. La diode zener va permettre d’obtenir en SORTIE, une tension à peu près constante On souhaite, dans un premier temps, un courant dans la zener d’au moins 10 mA afin qu’elle soit correctement polarisée.
Calculer alors la valeur de la résistance R1 et déterminer le courant maximal dans la zener (on supposera la tension zener constante à 3 V)
Vérifier par la simulation en traçant le courant en fonction de la tension V1. Justifier les différences.
La tension en SORTIE est utilisée pour alimenter un circuit qui sera modélisé par une résistance comme indiqué ci-après :
On estime que la tension zener garde une valeur acceptable si le courant descend jusqu’à 5 mA.
Calculer, dans le cas le plus défavorable de la tension V1, le courant maximal admissible dans la résistance R2 ainsi que la valeur de celle-ci.
Vérifier par la simulation et justifier les différences avec vos calculs.
5.3 Calcul des éléments
Le problème que nous venons d’étudier se pose habituellement dans l’autre sens : un cahier des charges nous impose :
- une tension de sortie de 3 V.
- une tension d’entrée évoluant entre 5 et 7 V ; - une charge absorbant un courant maximal de 5 mA.
-
Il reste alors à choisir la diode zener et à calculer la résistance R1.
Dans notre cas, la zener est imposée, le courant la traversant devant être au moins de 5 mA afin de polariser correctement le composant, et au plus de 10 mA (pour limiter la consommation de l’ensemble et la puissance dissipée dans la diode).
A partir de ces données, déterminer les valeurs maximale et minimale de R1.
