Soutenance mémoire
Circuit complet de l’indicateur lumineux
Historique :
Pendant longtemps, le meilleur moyen de mesurer une tension électrique était le galvanomètre à aiguille. Celui-ci a une caractéristique de réponse dynamique (balistique) fixée par ses caractéristiques électromécaniques, souvent assez lente. L’arrivée des indicateurs lumineux a permis d’augmenter les possibilités de mesure en offrant des systèmes de visualisation plus rapides et reflétant mieux les niveaux instantanés, éventuellement de mémoriser les crêtes, ou d’amortir le retour pour améliorer la lisibilité. Si on recherche de bons schémas pour réaliser des voltmètres ou des VU-mètres linéaires ou logarithmiques pour amplificateurs BF, pour l’accord des récepteurs, ou encore pour d’autres instruments de mesure, avec notre montage à barre de LED on peut remplacer les galvanomètres à aiguille.
Depuis l’arrêt de la fabrication des circuits intégrés de la série UAA170 -AAA180 et des plus récents LM3914-LM3915 qui étaient utilisés pour réaliser des indicateurs à LED simples, beaucoup de lecteurs sont en difficulté car ils ne trouvent pas des circuits intégrés équivalents. Beaucoup d’entre nous pourtant se rappellent combien ils nous étaient utiles ces indicateurs à LED (le plus souvent appelés VU-mètres à LED) qui permettaient de doter de deux VU-mètres –justement- un amplificateur Hi-Fi, mais également de fabriquer des voltmètres simples en continu ou en alternatif ou encore des indicateurs d’accord pour récepteurs ou autres instruments de mesure, sans avoir à acheter de couteux instruments à aiguille. Mais aujourd’hui on ne retrouve plus ces circuits intégrés et les jeunes ne peuvent pas réaliser ces montages qui autrefois ne revenaient pas cher du tout. Pour résoudre ce problème, nous avons décidé de réaliser un indicateur à LED simple fonctionnant avec des amplificateurs opérationnels. Si on met la colonne des LED à la verticale et si on utilise ce circuit comme instrument de mesure, on obtient une lecture immédiate et si nous allumons la colonne des LED du bas vers le haut, nous saurons
Amplificateur
Un amplificateur électronique est un système électronique augmentant la tension et/ou l’intensité d’un signal électrique. L’énergie nécessaire à l’amplification est tirée de l’alimentation du système. Un amplificateur parfait ne déforme pas le signal d’entrée : sa sortie est une réplique exacte de l’entrée mais d’amplitude majorée. Les amplificateurs électroniques sont utilisés dans quasiment tous les circuits électroniques : ils permettent d’élever un signal électrique, comme la sortie d’un capteur vers un niveau de tension exploitable par le reste du système. Ils permettent aussi d’augmenter la puissance maximale disponible que peut fournir un système afin d’alimenter une charge comme une antenne ou une enceinte. Le premier amplificateur électronique fut réalisé en 1906 par l’inventeur américain Lee De Forest. En 1908, il perfectionna son invention en lui rajoutant une électrode, donnant ainsi naissance à la première triode. Elle fut vite perfectionnée par l’ajout de deux grilles supplémentaires, palliant certains effets indésirables.
Ce tube pentode sera rapidement adopté pour la plupart des amplificateurs à tubes, pour son meilleur rendement. Les amplificateurs à tubes sont aussi connus sous le nom d’amplificateurs à « lampes », en raison de la forme des tubes et de la lumière qu’ils émettent lorsqu’ils fonctionnent. Depuis le début des années 1960, grâce à l’apparition des premiers transistors de puissance vraiment sûrs et au coût réduit, la majorité des amplificateurs utilise des transistors. On préfère les transistors aux tubes dans la majorité des cas car ils sont plus robustes, fonctionnent à des tensions plus faibles et sont immédiatement opérationnels une fois mis sous tension (contrairement aux tubes électroniques qui nécessitent une dizaine de secondes de chauffage). Les tubes sont toujours utilisés dans des applications spécifiques comme les amplificateurs audio, surtout ceux destinés aux guitares électriques, et les applications de « très » forte puissance ou à haute fréquence comme pour les fours à micro-ondes, le chauffage par radiofréquence industriel, et l’amplification de puissance pour les émetteurs de radio et de télévision [10].
Principe de fonctionnement :
Un amplificateur électronique utilise un ou plusieurs composants actifs (transistor ou tube électronique) afin d’augmenter la puissance électrique du signal présent en entrée. Les composants actifs utilisés dans les amplificateurs électroniques permettent de contrôler leur courant de sortie en fonction d’une grandeur électrique (courant ou tension), image du signal à amplifier. Le courant de sortie des composants actifs est directement tiré de l’alimentation de l’amplificateur. Suivant la façon dont ils sont implémentés dans l’amplificateur, les composants actifs permettent ainsi d’augmenter la tension et/ou le courant du signal électrique d’entrée. Les amplificateurs peuvent être conçus pour augmenter la tension (amplificateur de tension), le courant (amplificateur tampon ou suiveur) ou les deux (amplificateur de puissance) d’un signal. Les amplificateurs électroniques peuvent être alimentés par une tension simple (une alimentation positive ou négative, et la masse) ou une tension symétrique (une alimentation positive, une négative et la masse). L’alimentation peut aussi porter le nom de « bus » ou « rail ». On parle alors de bus positif ou négatif et de rail de tension positive ou négative. Les amplificateurs sont souvent composés de plusieurs étages disposés en série afin d’augmenter le gain global. Chaque étage d’amplification est généralement différent des autres afin qu’il corresponde aux besoins spécifiques de l’étage considéré. On peut ainsi tirer avantage des points forts de chaque montage tout en minimisant leurs faiblesses [10].
Montage suiveur : Figure II.7 : Montage suiveur [9].
Les caractéristiques pratiquement idéales d’un ampli OP permettent un usage multiple de ce composant intégré. Afin de déterminer s’il est utilisé en amplificateur petits signaux, il suffit de repérer s’il existe une connexion entre la sortie et l’entrée inverseuse de l’ampli. L’exemple le plus caractéristique est l’amplificateur suiveur car la connexion est directement réalisée par un fil. Le gain en tension de ce montage est égal à l’unité AU = 1 ; ce qui signifie que l’amplitude du signal est la même à la sortie qu’à l’entrée uS = uE. De prime abord ce montage est inutile puisque nous avons le même signal, mais c’est oublier le rôle des impédances. Les impédances d’entrée et de sortie sont celles de l’ampli OP seul, à savoir l’ordre du Mégohm pour ZE et de 75Ω pour ZS. Ceci permet de disposer d’une puissance de signal beaucoup plus grande à la sortie qu’à l’entrée. Ce type de montage est très souvent utilisé lorsque le signal d’entrée est issu d’un capteur ou lorsqu’il ne faut pas trop « charger » l’étage précédent [12]. La tension Us de sortie est donnée par : Us = Ue Possédant une faible impédance de sortie, l’amplificateur opérationnel se comporte comme une source de tension. Cela est utile lorsque qu’en entrée, on applique une tension ayant un faible pouvoir de support de la charge. On parlera ainsi d’étage « tampon » ou « buffer ». Bien sûr cela ne va pas sans modification du signal d’entrée : il faut donc être prudent à l’offset introduit par l’AOP, la distorsion qu’il va insérer sur le signal d’entrée, son produit gain bande et ainsi son pouvoir à laisser passer correctement des signaux à fréquence élevées, sa dynamique d’entrée et de sortie afin de ne pas saturer sa sortie, le bruit qu’il insère etc…[09].
Comparateur : Le comparateur est un amplificateur opérationnel à très haut gain et extrêmement rapide car il n’a pas de compensation en fréquence. Il n’est en effet pas prévu pour travailler dans un circuit à réaction négative, mais uniquement en boucle ouverte ou dans un circuit à réaction positive. Il est donc conçu et utilisé pour basculer rapidement d’un niveau de saturation vers l’autre. L’utilisation d’un AOP en tant que comparateur se voit immédiatement en observant que la réaction se fait sur la borne non inverseuse. La sortie n’a alors que deux états possibles, VH (niveau haut) et VL (niveau bas) et leurs valeurs absolues ne sont pas nécessairement opposées. Ces deux niveaux peuvent en particulier être choisis pour être compatibles avec l’entrée d’une famille de circuits logiques. Idéalement, ils sont indépendants des tensions d’alimentation de l’AOP. L’utilisation la plus simple d’un amplificateur opérationnel est de l’utiliser comme comparateur. Comme l’ampli-op dispose de deux entrées, on peut les utiliser pour les comparer entre elles afin d’ajuster le niveau de sa sortie. Comme pour chaque montage avec un ampli-op, une formule permet de déterminer la tension de sortie. Dans le cas d’un comparateur, la différence de tension observée entre les deux entrées sera multipliée par le gain de l’ampli-op. On appelle entrée non inverseuse l’entrée dénommée VIN(+) et entrée inverseuse celle notée VIN(–). 𝑉𝑠𝑜𝑟𝑡𝑖𝑒=𝐺𝑎𝑖𝑛∗(𝑉𝐼𝑁(+)−𝑉𝐼𝑁(−)) Il faut savoir que lorsqu’on utilise un ampli-op en mode comparateur, le gain est tellement élevé qu’on le considère comme infini. Ainsi, peu importe la différence de tension entre les deux entrées, la sortie va saturer soit positivement soit négativement.
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Table des matières
Introduction générale
CHAPITRE I : Généralités
I.1. Définition
I.2. Schéma de principe d’un indicateur
I.3. Historique
I.4 .Galvanomètre à aiguille
I.4.1. Caractéristiques générales
I.5. Quelque type d’indicateur
I.5.1. Le crête-mètre
I.5.2. Le peak-mètre
I.5.3. Le LU-mètre
I.5.4. Le VU-mètre
I.5.4. 1. Le VU-mètre à aiguille
I.5.4.2. Le VU-mètre à LED
I.5.4.3. Caractéristiques
CHAPITRE2 : Etude théorique des différents étages
II.1.Introduction
II.2. Schéma synoptique du circuit
II.3. Schéma Bloc Global d’indicateur
II.4. Fonctionnement global du montage
II.5. Etude théorique des différents étages
II.5.1. Alimentation
II.5.2. Amplificateur
II.5.2.1. Introduction
II.5.2.2. Principe de fonctionnement
II.5.2.2.1. Principes généraux
II.5.2.2.1.1. Bande Passante
II.5.2.2.1.2. Linéarité
II.5.3. Amplificateur Opérationnel (AOP
II.5.3.1. Présentation
II.5.3.2. Montage suiveur
II.5.3.3. Montage amplificateur inverseur
II.5.3.3.1. Fonction de transfert
II.5.3.3.2. Propriétés du montage
II.5.3.4. Montage amplificateur non inverseur
II.5.3.4.1. Fonction de transfert
II.5.3.4.2. Propriétés du montage
II.5.4. Comparateur
II.5.4.1. Introduction
II.5.4.2. Principe
II.5.4.3. Comparateur non inverseur
II.5.4.4. Comparateur inverseur
II.5.4.5.Translation du point de basculement pour les montages du comparateur
II.5.4.6. Montage du comparateur inverseur
II.5.5. Circuit intégré LM324
II.5.6. Le redresseur
II.5.6.1. Redressement double alternances
II.5.5.2 Valeur DC ou valeur moyenne
II.5.6.3. Fréquence de sortie
II.5.7. Filtrage
II.5.7.1. Types de filtres
CHAPITRE III : Réalisation pratique
III.1. Circuit complet de l’indicateur lumineux
III.2. Principe de fonctionnement
III.2.1. Affichage linéaire
III.2.2. Affichage logarithmique
III.3. Circuit imprimé
III.3.1. Proteus ISIS
III.3.2. Proteus ARES
Conclusion générale
Annexe
Bibliographie
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