LIAISON REFERENTIEL B.32 Le conditionnement du signal
Thèmes : I3 – Liaison entre chaîne d’énergie et chaîne d’information
I4 – Transformation d’une grandeur physique à mesurer en une grandeur mesurable par capteurs analogique ou numérique
Centre d’intérêt : CI9 Acquisition et conditionnement des informations
TP et TD associés : TP-B32-xx, TP-B32-xx
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I- PRESENTATION - DEFINITION :
La chaîne d’énergie exploite les informations qui proviennent de la chaîne d’information. Ces informations sont acquises par des capteurs dont le rôle est de transformer une grandeur physique en une grandeur mesurable. Les éléments qui permettent de mesurer les grandeurs physiques sont nommés capteurs.
Ces capteurs sont de deux familles possibles :
T.O.R : Tout Ou Rien
Et les autres qui peuvent être analogiques ou numériques.
II- Amplification de l’information :
Les capteurs ont transformé une grandeur physique en une grandeur électrique. La grandeur peut être une vitesse, une pression, un temps, une force, un couple, un niveau …
La grandeur mesurable est généralement une tension, un courant qui se présente sous une forme analogique ou numérique.
Les moyens dont on dispose sont les amplificateurs opérationnels pour la tension, et des transistors pour le courant.
II-1- Amplification de tension :
Les AOPs sont des composants monolithiques, ils ont la capacité d’amplifier une tension
En théorie d’un coefficient infini (300 000 en continu) et cette valeur diminue quand la fréquence augmente (30 à quelques 100 kHz).
Symbole : Brochage :
Mode de fonctionnement :
L’amplificateur opérationnel à deux modes de fonctionnement :
Le mode linéaire : La sortie est raccordée à l’entrée inverseuse de l’AOP le gain
Max est limité par les tensions d’alimentation. L’AOP est en boucle fermée.
Le mode non linéaire :
-1 : La sortie n’est pas raccordée à l’une des entrées, il fonctionnement en boucle Ouverte. C’est le comparateur
-2 : la sortie est raccordée à l’entrée non inverseuse dans ce cas c’est un Trigger de Schmitt (ou comparateur double seuil). Il peut être inverseur ou non inverseur.
NOM |
Schéma |
Gain |
Mailles |
Inverseur de Tension |
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Vs=(-R2/R1)Ve |
Ve-R1I-R2I-Vs = 0 |
Non inverseur de tension |
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Vs=(1+R2/R1)Ve |
Ve-R3I+-Vd+R2I-Vs = 0 |
Sommateur inverseur de tension |
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Soustracteur de tension |
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Sommateur non inverseur |
A construire avec les élèves |
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II-2-1- Les différents montages :
Exemple de recherche de solution pour le soustracteur.
Ve1-R1I-R2I-Vs=0
Ve1-R1I+Vd+R3I’-Ve2=0
Ve1-R1I+Vd-R4I’=0
Vs+R2I+Vd+ R3I’-Ve2=0
Vs+R2I+Vd-R4I’=0
Ve2- R3I’-R4I’=0
I= (Ve1-Vs)/(R1+R2) et I’= Ve2/(R3+R4) donc
Ve1- R1(Ve1-Vs)/(R1+R2)+R3Ve2/(R3+R4)- Ve2=0
((1- R1)/(R1+R2))Ve1+ (R3/(R3+R4)-1)Ve2= -R1Vs/(R1+R2)
R2/(R1+R2) Ve1 - R4/(R3+R4) Ve2 = -R1Vs/(R1+R2)
Vs = (R4(R1+R2)/(R3+R4) R1) Ve2 - R2/ R1 Ve1
Nous pouvons utiliser d’autres méthodes telles Millman et le théorème de superposition
Millman : Tension au nœud + : 
Tension au nœud - :
Et on sait que Vd=V+ - V- = 0 donc 
II-2- Amplification de courant :
L’amplification de puissance est l’opération qui consiste à fournir à une charge une puissance importante réglable par un signal de commande. L’amplificateur de puissance est généralement le dernier montage d’une chaîne d’amplification.
Sur quelle grandeur peut-on jouer pour fournir la puissance ?
La tension du montage étant fixe pour faire varier la puissance on ne peut jouer que sur le courant.
Synoptique du transfert de puissance.
Exprimer la puissance de sortie d’un tel système : Ps=Pal+Pe
Le rendement d’un tel montage est : h=Ps/(Pe+Pal)
Remarque :
Les amplificateurs de puissance sont réalisés à l’aide de transistor.
II-2-1 Classification des amplificateurs :
On classe les amplificateurs de puissance en deux classes
La classe A
La classe B
Amplificateur de classe A :
Ce type d’amplificateur met en œuvre un seul transistor de puissance.dont le schéma de principe est le suivant.
Ce montage est le montage classique à transistor que l’on a étudié en commutation.
Lors d’un fonctionnement en amplification le signal envoyé n’est plus continu.
Pour l’étude nous utiliserons un signal alternatif.
Mais quelle est sa particularité ?
Comme le transistor est un transistor bipolaire on ne peut pas amplifier un signal négatif. Dans ce cas il suffit de décaler le signal pour qu’il soit entièrement positif. (Il ne faut pas oublier de rajouter à la tension de décalage la tension Vbe du transistor si on ne la néglige pas).
Quel est l’inconvénient majeur ?
Dans ce genre de montage, au point de repos (signal de commande nul) il existe un courant de repos non nul car le transistor est passant d’ou une consommation d’énergie). Son rendement est inférieur à 25% et son usage est réservé qu’aux faibles puissances.
Tracé de la caractéristique de charge. Ic=f(Vce)
On constate qu’au point de repos le courant n’est pas nul et qu’une puissance est consommée. Que l’amplitude du signal de sortie est fixée à Vcc/2.
Si a est le taux d’attaque (rapport Vce/Vcc) le rendement s’écrit :
h = a²/4
Amplificateur de classe B :
Le problème posé par l’amplificateur de classe A est le point de repos. Pour palier à ce problème on utilise deux transistors complémentaires appairés.
Soit le schéma suivant :
Fonctionnement :
Quand le signal Ve est nul, les deux transistors sont bloqués donc pas de consommation de puissance dans cet état.
En présence d’un signal de commande de signe convenable, il y a conduction du transistor NPN si le signal est positif et conduction du transistor PNP si le signal est négatif.
Quel est le problème posé par ce montage ?
Le transistor n’étant pas parfait il faut tenir compte de la tension Vbe de 0,7 volt.
Le signal de sortie se trouve donc amputé de cette tension.
Comment remédier à ce problème ?
Il suffit de » pouvoir compenser cette chute de tension par le rajout d’une diode
Exprimons la nouvelle tension de sortie. :
Ve + Vd - Vbe =Vs donc Ve = Vs quand Ve est positive
Ve – Vd + Vbe = Vs donc Ve = Vs quand Ve est négative
Evaluation du rendement
En gardant les mêmes notations que pour l’amplification de classe A le rendement devient : h = ap/4 donc le rendement max est de 78,5%
Association d’amplificateurs de puissance :
Analyse du fonctionnement :
A la mise sous tension on suppose que les deux transistors sont bloqués.
L’amplificateur opérationnel est alors en boucle ouverte et donc sa tension de sortie part en butée. Dès qu’on atteint le seuil de Vbe ou Veb le transistor correspondant devient passant. L’amplificateur opérationnel change de mode de fonctionnement, il est en fonctionnement linéaire inverseur de tension.