TP

Utilisation du condensateur pour réaliser une fonction temporisation

Mise en situation et objectifs du TP

Objectifs à atteindre

Ce TP a pour but de découvrir un nouveau composant électronique : le condensateur. Après une découverte expérimentale du condensateur sous Proteus, vous étudirez plusieurs exemples de montages électroniques utilisant un condensateur.

Vous découvrirez également à l'occasion de ce TP :

l'utilisation de l'oscilloscope dans Proteus

le circuit intégré NE555 pour réaliser une fonction temporisation

Qu'est-ce qu'un condensateur ?

Un condensateur est un composant électronique qui possède 2 bornes. En première approche nous dirons que le condensateur se comporte comme "un réservoir de tension", que l'on peut remplir ou vider :

lorsque la tension emmagasinée dans le condensateur augmente on dit que le condensateur se charge

lorsque la tension emmagasinée dans le condensateur diminue on dit que le condensateur se décharge

Comment s'appelle le condensaateur dans Proteus ?

Dans Proteus nous utiliserons le condensateur nommé CAP (comme capacité). Ajoutez les composants suivants sur la page 1 de votre fiche mémo de Proteus :

Nom réel du composant

Nom du composant dans Proteus

Catégorie

Bibliothèque

un condensateur

CAP

Capacitors

DEVICE

circuit intégré de temporisation

NE555

Analog ICs

ANALOG

Travail demandé

PARTIE 1 : découverte expérimentale du condensateur dans Proteus

1 - Réalisez dans Proteus le Montage 1 ci-dessous utilisant un interrupteur bipolaire SW-SPDT, une résistance R1 de 10 kilo-ohm, un condensateur C1 de capacité 100 micro-farad et une batterie de 5V. Le voltmètre permet de mesurer à tout moment la tension aux bornes du condensateur :

Montage 1

Lancez la simulation temps réel (F12) puis testez le montage 1 pour les deux positions de l'interrupteur en observant bien la variation de la tension aux bornes du condensateur.

Lorsque le condensateur se charge, combien de temps met-il pour passer de 0V à 5V ?

Lorsque le condensateur se décharge, combien de temps met-il pour passer de 5V à 0V ?

Remarque : on appelle constante de temps d'un circuit RC le produit RxC. Pour le montage 1, la constante de temps vaut R1.C1.

Calculer la constante de temps du circuit RC du Montage 1.

Pour se charger entièrement, c'est-à-dire de 0V jusqu'à la tension d'alimentation du circuit RC, un condensateur met un temps égal à 5 fois la constante de temps. Cette affirmation est-elle vérifiée avec le montage 1 ?

Remarque : physiquement on considère que le condensateur est "pratiquement chargé" au bout d'untemps égal à 5.R.C. Mais mathématiquement il est impossible d'atteindre vraiment la tension d'alimentation, puisque la courbe exponentielle ne peut que "se rapprocher" de son asymptote sans vraiment l'atteindre. En réalité, au bout d'un temps égal à 5.R.C le condensateur est chargé à 98% de la charge totale (et non 100%). La valeur de 5.R.C est donc une valeur approximative, suffisant pour chiffrer le temps de charge, mais ne correspond pas exactement à une charge de 100% (temps qui est en théorie infini).

Expérimentez la charge et la décharge du condensateur pour les différentes valeurs de R1 et C1 suivantes :

Résistance de R1

Capacité de C1

Constante de temps du circuit

5.R.C

10k

50u

20k

100u

20k

50u

1k

1u

Relevez dans votre cahier marque tout :

- le schéma du montage 1
- les réponses aux questions précédentes en rédigeant des phrases entières
- le tableau ci-dessus en le complétant
- la conclusion suivante à encadrer en rouge et à retenir :

Un condensateur met un temps égal à 5.R.C pour se charger entièrement.

2 - Nous allons maintenant utiliser l'oscilloscope de Proteus pour observer l'évolution de la tension aux bornes du condensateur. Dans votre montage :

réglez R1=10k et C1=100u

ajoutez une masse sur la borne moins de la batterie

remplacez le voltmètre par un oscilloscope mesurant la tension du condensateur sur son canal A :

Lisez intégralement et attentivement la fiche pratique "Utilisation de l'oscilloscope sous ISIS Proteus 7" afin de savoir comment l'utiliser et comment le configurer.

Lancez la simulation temps réel (F12) puis réglez l'oscilloscope comme ci-dessous :

Déclenchement (Trigger)

Mode : DC                Front : Montant

Niveau (Level) : 0                Auto : OUI

Source : A                 One-Shot : NON

Voie A (Channel A)

Mode : DC            Invert : NON

Position : -40            A+B : NON

Sensibilité : 0.5

Voie C (Channel C)

Mode : OFF             Invert :

Position :             C+D :

Sensibilité :

Base de temps (Horizontal)

Source : toujours en position gauche

Position : 0

Sensibilité : 0.5

Voie B (Channel B)

Mode : OFF            Invert : NON

Position :

Sensibilité :

Voie D (Channel D)

Mode : OFF             Invert :

Position :

Sensibilité :

On commutant l'interrupteur bipolaire, observez la charge et la décharge du condensateur sur l'oscilloscope.

Pour que la trace de l'oscilloscope s'arrête une fois que l'écran est rempli, désélectionnez le bouton Auto dans le cadre Trigger. Vous avez ainsi tout le temps pour observer le signal :

Lorsque le condensateur se charge :

le passage de la tension de 0V à 5V est-il instantané ?

l'évolution de la tension dans le temps est-elle linéaire ?

Lorsque le condensateur se décharge :

le passage de la tension de 5V à 0V est-il instantané ?

l'évolution de la tension dans le temps est-elle linéaire ?

Remarque : grâce à l'oscilloscope on constate que la charge du condensateur n'est pas linéaire : au début le condensateur se charge "vite", puis sur la fin il se charge "de moins en moins vite" (on pouvait déjà le constater en observant l'évolution du voltmètre sur le montage 1). Une telle courbe s'appelle une courbe exponentielle (par opposition à une droite totalement linéaire, ou à un cercle régulièrement arrondi).

En utilisant le bouton Cursors dans le cadre Trigger de l'oscilloscope, mesurez sur l'écran de l'oscilloscope le temps que met le condensateur pour se charger de 0V à 5V :

Relevez dans votre cahier marque tout la conclusion suivante à encadrer en rouge et à retenir :

La charge du condensateur n'est ni linéaire, ni instantanée : elle est en forme d'exponentielle.

3 - L'avantage de l'oscilloscope est de pouvoir mesurer des signaux avec des périodes minuscules (de l'ordre de la milli-seconde ou de la micro-seconde). En utilisant un générateur DCLOCK, alimentez le circuit RC par un signal carré H de fréquence 100 Hz, et connectez l'oscilloscope afin de mesurer le signal H sur le canal A et la charge du condensateur sur le canal B :

Lancez la simulation puis configurez correctement l'oscilloscope afin d'observer le signal carré H (en jaune ci-dessous) ainsi que la tension aux bornes du condensateur (en bleu ci-dessous) :

On remarque que lorsque le signal H vaut 5V, le condensateur se charge, et losque le signal H vaut 0V le condensateur se décharge.

PARTIE 2 : les montages de base utilisant un condensateur

La fonction ASTABLE

Nous allons dans cette partie 2 découvrir un nouveau circuit intégré : le circuit NE555.

Le NE555 est un circuit intégré à 8 bornes, et permet de réaliser facilement une fonction temporisation.

Photo du circuit NE555

Comme tous les circuits intégrés, pour fonctionner le circuit NE555 doit être alimenté :

la borne 1 doit être reliée à la masse (0 V)

la borne 8 doit être relié à la tension d'alimentation (tension comprise entre 5V et 12V)

Réalisez dans Proteus le montage suivant utilisant un circuit intégré NE555, 2 résistances R1 et R2, un condensateur C1 et une batterie de 5 V. Configurez correctement la valeur de la batterie, des résistances et du condensateur :

Lancez la simulation (F12) et observez l'évolution de la sortie 3 du circuit NE555 : elle passe sans arrêt de 0 à 1, puis de 1 à 0, puis de 0 à 1, etc.

L'état logique 0 n'est pas stable : il disparaitra automatiquement au bout d'un certain temps.

L'état logique 1 n'est pas stable : il disparaitra automatiquement au bout d'un certain temps.

On appelle ce montage un montage "astable" car il ne présente aucun état stable dans le temps sur sa sortie.

Les applications du montage astable sont nombreuses en électronique : faire clignoter une LED, générer un signal d'horloge, générer un signal rectangulaire de rapport cyclique précis, etc.

Ajoutez à votre montage une LED rouge connectée sur la sortie 3 et branchée en série avec une résistance de 220 ohms, puis relancez la simulation en observant l'état de la LED :

Nous allons maintenant observer l'évolution de la tension aux bornes du condensateur. Pour cela, connectez le canal A de l'oscilloscope à la borne du condensateur qui n'est pas reliée à la masse. Comme l'oscilloscope mesure toujours une tension par rapport à la masse, dans ces conditions il mesure bien la tension entre les 2 bornes du condensateur (car la seconde borne du condensateur est à la masse). Appelons Uc1 la tension du condensateur mesurée par l'oscilloscope :

Lancez la simulation temps réel (F12), configurez correctement l'oscilloscope afin de pouvoir observer l'évolution du signal Uc1 :

En utilisant l'oscilloscope, mesurez :

la période de Uc1

la valeur maximale de Uc1

la valeur minimale de Uc1

l'amplitude crête à crête de Uc1

Remarque : le mode GND dans le cadre Channel de l'oscilloscope permet de connaître le niveau du 0V sur l'écran (référence des potentiels). Cela permet par exemple de mesurer la valeur maximale d'un signal.

D'après le Mémotech électronique, quel est la relation entre la fréquence du signal généré et la valeur des composants R1, R2 et C1 ?

Rappel : dans le Mémotech électronique, le sommaire des circuit intégré analogique (comme le NE555) se trouve à la fin du chapitre 3.

Relevez dans votre cahier marque tout le montage astable à base de NE555 ainsi que la relation donnant la période du signal généré en fonction des résistances et du condensateur.

La fonction MONOSTABLE

Réalisez dans Proteus le montage suivant utilisant un circuit NE555 associé à un circuit RC :

Configurez la résistance à 10k (10 kilo ohms) et le condensateur à 100uF (100 micro farad).

Connectez une sonde LOGICPROBE (BIG) sur la sortie du NE555 (borne n°3).

Connectez un générateur LOGICTOGGLE sur l'entrée de déclenchement du NE555 (borne n°2).

Configurez le générateur LOGICTOGGLE afin qu'il soit à l'état logique 1 dans sa position de repos (Initial State dans ses propriétés)

Lancez la simulation (F12), cliquez sur le LOGICTOGGLE afin d'envoyer une impultion de niveau bas sur l'entrée n°2 et observez l'état de la sortie n°3.

On remarque que la sortie du montage passe à 1, y reste un certain temps, puis repasse automatiquement à 0.

L'état logique 1 en sortie n'est pas stable : il disparaitra automatiquement au bout d'un certain temps.

L'état logique 0 en sortie est stable : une fois que la sortie est à 0 elle y restera tant que l'utilisateur ne redéclenche pas le montage.

Il y a donc un seul état stable en sortie, d'où le nom de ce montage : il s'agit d'un montage MONOSTABLE (mono = un seul état stable).

Quelle est la durée pendant laquelle la sortie reste à 1 après une impulsion sur l'entrée ?

D'après le Mémotech électronique, quelle est la relation entre la durée du monostable, la résistance R1 et la capacité de C1 ?

En utilisant cette relation, donnez une valeur correcte à R1 et à C1 afin de créer une temporisation de :

1 seconde

5 secondes

10 secondes

30 secondes

Testez et validez vos proposition sous Proteus en mesurant le temps du monostable avec l'oscilloscope et ses curseurs.

Relevez dans votre cahier marque tout le montage du monostable à base de NE555 ainsi que la relation donnant la durée de la temporisation en fonction de la résistance et du condensateur.

Fonctionnement du circuit intégré NE555

En utilisant le logiciel Proteus pour prendre des mesures et afficher l'allure des signaux dans le temps, réalisez le travail demandé sur l'exercice papier "Le circuit intégré NE555" en rédigeant vos réponses aux question dans votre cahier marque tout.

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