MESURES SUR LES CIRCUITS DIVISEURS ET MULTIPLICATEURS DE TENSION

# MESURES SUR LES CIRCUITS DIVISEURS ET MULTIPLICATEURS DE TENSION ## 12- Mesures des tensions/courants dans un diviseur de tension ou de courant simple ### Introduction Bienvenue à cette leçon sur les diviseurs de tension et de courant! Dans le monde de l'électronique, il est souvent nécessaire de modifier les niveaux de tension ou de courant disponibles dans un circuit. Les diviseurs de tension et de courant sont des configurations de circuit fondamentales qui nous permettent de faire exactement cela. Comprendre leur fonctionnement et savoir comment mesurer les tensions et les courants qu'ils produisent est essentiel pour tout technicien en électronique. Cette leçon vous guidera à travers les principes, les formules et les techniques de mesure pratiques pour ces circuits importants. ### Concepts Clés #### 1. Le Diviseur de Tension Un diviseur de tension est un circuit simple composé de deux résistances (ou plus) connectées en série à une source de tension. Son but est de produire une tension de sortie qui est une fraction de la tension d'entrée. ##### Fonctionnement Lorsque des résistances sont en série, la tension totale se divise entre elles proportionnellement à leurs valeurs de résistance. Plus une résistance est grande, plus la chute de tension à ses bornes sera importante. ##### Formule du Diviseur de Tension Pour un diviseur de tension avec deux résistances, \( R_1 \) et \( R_2 \), connectées en série à une tension d'entrée \( V_{in} \), la tension de sortie \( V_{out} \) aux bornes de \( R_2 \) est donnée par : \[ V_{out} = V_{in} \frac{R_2}{R_1 + R_2} \] Où: * \( V_{out} \) est la tension de sortie. * \( V_{in} \) est la tension d'entrée. * \( R_1 \) et \( R_2 \) sont les valeurs des résistances. ##### Mesure des Tensions Pour mesurer la tension dans un diviseur de tension, on utilise un voltmètre. Le voltmètre doit toujours être connecté en parallèle avec le composant dont on veut mesurer la tension. Par exemple, pour mesurer \( V_{out} \) aux bornes de \( R_2 \), on connectera les sondes du voltmètre en parallèle avec \( R_2 \). #### 2. Le Diviseur de Courant Un diviseur de courant est un circuit composé de deux résistances (ou plus) connectées en parallèle à une source de courant (ou à une source de tension alimentant des résistances en parallèle). Son but est de diviser le courant total entrant entre les différentes branches du circuit parallèle. ##### Fonctionnement Lorsque des résistances sont en parallèle, le courant total se divise entre elles, mais inversement proportionnellement à leurs valeurs de résistance. Le courant préfère toujours le chemin de la moindre résistance. Ainsi, une résistance plus petite aura un courant plus élevé la traversant. ##### Formule du Diviseur de Courant Pour un diviseur de courant avec deux résistances, \( R_1 \) et \( R_2 \), connectées en parallèle avec un courant total \( I_{total} \) entrant dans la combinaison parallèle, le courant \( I_1 \) traversant \( R_1 \) et le courant \( I_2 \) traversant \( R_2 \) sont donnés par : \[ I_1 = I_{total} \frac{R_2}{R_1 + R_2} \] \[ I_2 = I_{total} \frac{R_1}{R_1 + R_2} \] Où: * \( I_1 \) et \( I_2 \) sont les courants traversant les résistances \( R_1 \) et \( R_2 \) respectivement. * \( I_{total} \) est le courant total entrant dans le nœud parallèle. * \( R_1 \) et \( R_2 \) sont les valeurs des résistances. ##### Mesure des Courants Pour mesurer le courant dans un diviseur de courant, on utilise un ampèremètre. L'ampèremètre doit toujours être connecté en série avec la branche du circuit où l'on veut mesurer le courant. Il faut "ouvrir" le circuit et insérer l'ampèremètre pour que le courant le traverse. #### 3. Le Multimètre Un multimètre est un instrument de mesure polyvalent capable de mesurer la tension (voltmètre), le courant (ampèremètre) et la résistance (ohmmètre). Il est crucial de savoir comment l'utiliser correctement pour éviter d'endommager l'instrument ou le circuit. ##### Règles de Sécurité et d'Utilisation * **Voltmètre:** Se connecte en parallèle. A une impédance d'entrée très élevée. * **Ampèremètre:** Se connecte en série. A une impédance interne très faible (quasi-court-circuit). NE JAMAIS connecter un ampèremètre en parallèle avec une source de tension. * **Sélection de Calibre:** Toujours commencer par le calibre le plus élevé et descendre si nécessaire pour obtenir une mesure précise. ### Vocabulaire * **Diviseur de tension:** Circuit réduisant une tension d'entrée à une fraction de celle-ci. * **Diviseur de courant:** Circuit divisant un courant d'entrée entre plusieurs branches parallèles. * **Tension (V):** Différence de potentiel électrique entre deux points. * **Courant (A):** Flux d'électrons à travers un conducteur. * **Résistance (Ohms \( \Omega \)):** Opposition au passage du courant électrique. * **Multimètre:** Instrument de mesure électronique polyvalent (voltmètre, ampèremètre, ohmmètre). * **En série:** Composants connectés bout à bout, le courant est le même, les tensions s'additionnent. * **En parallèle:** Composants connectés aux mêmes deux points, la tension est la même, les courants s'additionnent. ### Exemples #### Exemple 1: Diviseur de Tension Considérons un circuit avec \( V_{in} = 12\text{V} \), \( R_1 = 100\text{ }\Omega \) et \( R_2 = 200\text{ }\Omega \) connectées en série. ##### Calcul de la Tension de Sortie La tension de sortie \( V_{out} \) aux bornes de \( R_2 \) est : \[ V_{out} = 12\text{V} \frac{200\text{ }\Omega}{100\text{ }\Omega + 200\text{ }\Omega} = 12\text{V} \frac{200}{300} = 12\text{V} \times \frac{2}{3} = 8\text{V} \] ##### Mesure Pratique Pour mesurer \( V_{out} \), on réglerait le multimètre en mode voltmètre (DCV si la source est continue), sélectionnerait un calibre approprié (par exemple, 20V) et placerait les sondes en parallèle aux bornes de \( R_2 \). La sonde noire (COM) irait à la borne inférieure (masse) de \( R_2 \) et la sonde rouge (V) à la borne supérieure de \( R_2 \). #### Exemple 2: Diviseur de Courant Considérons un courant total \( I_{total} = 150\text{mA} \) qui entre dans un nœud où deux résistances sont en parallèle : \( R_1 = 1\text{k}\Omega \) et \( R_2 = 2\text{k}\Omega \). ##### Calcul des Courants de Branche Le courant traversant \( R_1 \) est : \[ I_1 = 150\text{mA} \frac{2000\text{ }\Omega}{1000\text{ }\Omega + 2000\text{ }\Omega} = 150\text{mA} \frac{2000}{3000} = 150\text{mA} \times \frac{2}{3} = 100\text{mA} \] Le courant traversant \( R_2 \) est : \[ I_2 = 150\text{mA} \frac{1000\text{ }\Omega}{1000\text{ }\Omega + 2000\text{ }\Omega} = 150\text{mA} \frac{1000}{3000} = 150\text{mA} \times \frac{1}{3} = 50\text{mA} \] ##### Mesure Pratique Pour mesurer \( I_1 \), on éteindrait le circuit, ouvrirait la branche contenant \( R_1 \), puis insérerait l'ampèremètre en série dans cette branche. On réglerait le multimètre en mode ampèremètre (DCA si le courant est continu), sélectionnerait un calibre approprié (par exemple, 200mA) et s'assurerait que le courant traverse l'ampèremètre dans le bon sens (positivement vers la borne rouge de l'ampèremètre, négativement vers la borne COM). ### Exercices 1. Un diviseur de tension est composé de \( R_1 = 4.7\text{k}\Omega \) et \( R_2 = 10\text{k}\Omega \) alimenté par une source de 9V. Quelle est la tension de sortie aux bornes de \( R_2 \)? 2. Si un courant de 2A arrive à un nœud avec deux résistances en parallèle, \( R_A = 30\text{ }\Omega \) et \( R_B = 60\text{ }\Omega \). Calculez le courant traversant chaque résistance. 3. Comment connecteriez-vous un multimètre pour mesurer la tension aux bornes d'un composant? Et pour mesurer le courant le traversant? ### Devoirs 1. Vous devez concevoir un diviseur de tension qui prend une tension d'entrée de 24V et produit une tension de sortie de 5V. Si vous choisissez \( R_1 = 10\text{k}\Omega \), quelle devrait être la valeur de \( R_2 \)? 2. Expliquez pourquoi il est dangereux de connecter un ampèremètre directement en parallèle avec une source de tension ou une charge, sans résistance série. 3. Dans un diviseur de courant avec trois résistances en parallèle (\( R_1 = 100\text{ }\Omega \), \( R_2 = 200\text{ }\Omega \), \( R_3 = 300\text{ }\Omega \)) et un courant total \( I_{total} = 330\text{mA} \), calculez le courant traversant chaque résistance. (Indice : calculez d'abord la résistance équivalente parallèle, puis la tension aux bornes des résistances, puis les courants). ### Résumé Nous avons exploré les principes fondamentaux des diviseurs de tension et de courant, deux circuits essentiels en électronique. Les diviseurs de tension réduisent une tension à une fraction de sa valeur et se mesurent avec un voltmètre en parallèle. Les diviseurs de courant répartissent un courant total entre des branches parallèles et se mesurent avec un ampèremètre en série. Il est crucial d'utiliser correctement le multimètre, en sélectionnant le bon mode et le bon calibre, pour des mesures précises et sécuritaires. La maîtrise de ces concepts et techniques de mesure est une étape clé dans votre parcours en électronique. ## 13- Mesures des tensions/courants dans un doubleur de tension de shenkel ou Latour ### Introduction Bienvenue à cette leçon sur les doubleurs de tension. Nous allons explorer l'un des circuits redresseurs les plus utiles : le doubleur de tension de Schenkel ou Latour. Ces circuits permettent de convertir une tension alternative (AC) en une tension continue (DC) dont la valeur est environ le double de la tension crête d'entrée. C'est une technique couramment utilisée dans les alimentations où des tensions DC élevées sont requises à partir d'une source AC plus faible, sans utiliser de transformateur élévateur. ### Concepts Clés #### Qu'est-ce qu'un doubleur de tension? Un doubleur de tension est un circuit redresseur qui produit une tension de sortie DC égale à environ le double de la tension crête de la source d'entrée AC. Il est composé principalement de diodes et de condensateurs. #### Principe de Fonctionnement du Doubleur de Tension de Schenkel/Latour Le doubleur de tension de Schenkel (ou Latour) est un redresseur doubleur de tension en série. Il fonctionne en deux phases, correspondant aux alternances positive et négative de la tension d'entrée AC. ##### Composants Essentiels * **Diodes (D1, D2):** Permettent au courant de circuler dans une seule direction, agissant comme des interrupteurs contrôlés par la polarité de la tension. Chaque diode a une tension de seuil \(V_F\) (environ 0.7V pour le silicium) qui doit être dépassée pour qu'elle conduise. * **Condensateurs (C1, C2):** Stockent l'énergie électrique et la libèrent pour maintenir une tension stable ou ajouter des tensions. La tension aux bornes d'un condensateur ne peut pas changer instantanément. ##### Fonctionnement Phase par Phase 1. **Alternance Négative (quand la source AC est négative en haut et positive en bas): ** * Lorsque la tension d'entrée AC descend vers son minimum négatif (\(-V_{crête}\)), la diode D1 est polarisée en direct et conduit. * Le condensateur C1 se charge à travers D1 jusqu'à la tension crête de l'entrée AC, soit environ \(V_{crête}\). La polarité est telle que la borne reliée à D1 est négative, et l'autre borne positive. * À la fin de cette alternance, la tension aux bornes de C1 est \(V_{C1} \approx V_{crête}\). 2. **Alternance Positive (quand la source AC est positive en haut et négative en bas): ** * Lorsque la tension d'entrée AC monte vers son maximum positif (\(V_{crête}\)), la diode D1 est polarisée en inverse et bloque. * Simultanément, la tension d'entrée AC (qui est maintenant positive) s'ajoute à la tension déjà stockée dans C1. La somme de ces deux tensions (\(V_{crête} + V_{C1}\)) se trouve aux bornes de la diode D2. * La diode D2 est polarisée en direct et conduit. Le condensateur C2 se charge à travers D2. La tension aux bornes de C2 devient environ \(V_{crête} + V_{C1}\). * Comme \(V_{C1} \approx V_{crête}\), la tension aux bornes de C2 est d'environ \(2 \times V_{crête}\). ##### Tension de Sortie La tension de sortie DC (\(V_{sortie}\)) est prélevée aux bornes du condensateur C2. En l'absence de charge, elle est approximativement égale à deux fois la tension crête de l'entrée AC, moins les chutes de tension aux bornes des diodes : \[ V_{sortie} \approx 2V_{crête} - V_{F1} - V_{F2} \] Où \(V_{crête}\) est la tension crête de l'entrée AC, et \(V_{F1}\) et \(V_{F2}\) sont les chutes de tension directes des diodes D1 et D2 respectivement. Si l'entrée est une tension efficace \(V_{eff}\), alors \(V_{crête} = V_{eff} \times \sqrt{2}\). ##### Ondulation (Ripple) La tension de sortie DC n'est pas parfaitement constante ; elle contient une petite composante AC appelée ondulation. Plus la charge connectée au doubleur est importante, et plus la fréquence d'entrée est basse, plus l'ondulation sera prononcée. L'amplitude de l'ondulation peut être réduite en utilisant des condensateurs de plus grande valeur ou en ajoutant un étage de filtrage supplémentaire. #### Mesures Importantes Pour caractériser un doubleur de tension, plusieurs mesures sont essentielles : * **Mesure de la tension d'entrée AC :** * Utiliser un multimètre en mode AC pour mesurer la valeur efficace (RMS). Exemple : \(V_{eff} = 12V_{AC}\). * Utiliser un oscilloscope pour mesurer la tension crête (\(V_{crête}\)) directement ou pour confirmer \(V_{crête} = V_{eff} \times \sqrt{2}\). * **Mesure des tensions aux bornes des condensateurs (DC) :** * Utiliser un multimètre en mode DC pour mesurer \(V_{C1}\) et \(V_{C2}\). * On devrait trouver \(V_{C1} \approx V_{crête}\) et \(V_{C2} \approx 2V_{crête}\). * **Mesure de la tension de sortie DC :** * Utiliser un multimètre en mode DC pour mesurer \(V_{sortie}\) à vide et sous charge. Comparez avec la valeur théorique.\(V_{sortie} \approx 2V_{crête}\). * **Mesure du courant de charge :** * Insérer un ampèremètre en série avec la charge pour mesurer le courant DC. Cela permet de vérifier le comportement du doubleur sous différentes charges. * **Mesure de l'ondulation :** * Utiliser un oscilloscope en mode couplage AC sur la sortie DC. La petite composante AC visible est l'ondulation. Mesurez son amplitude crête-à-crête (\(V_{pp(ripple)}\)). ### Vocabulaire * **Doubleur de tension :** Circuit électronique qui multiplie la tension d'entrée AC par deux pour produire une tension de sortie DC. * **Tension alternative (AC) :** Tension dont la polarité et l'amplitude varient périodiquement dans le temps. * **Tension continue (DC) :** Tension dont la polarité reste constante et dont l'amplitude est généralement stable. * **Crête (Peak) :** Valeur maximale atteinte par une tension alternative dans une alternance. * **Valeur efficace (RMS - Root Mean Square) :** Valeur équivalente d'une tension AC qui produirait la même puissance thermique qu'une tension DC de même valeur. \(V_{crête} = V_{eff} \times \sqrt{2}\). * **Diode :** Composant semi-conducteur qui permet au courant de circuler dans un seul sens. * **Condensateur :** Composant qui stocke de l'énergie électrique dans un champ électrique. * **Ondulation (Ripple) :** Petite variation AC superposée à une tension DC, résultant d'un redressement et d'un filtrage imparfaits. * **Redressement :** Processus de conversion d'une tension AC en une tension DC. ### Exemples #### Exemple 1 : Calcul de la Tension de Sortie Supposons que nous avons un doubleur de tension alimenté par une source AC de \(10V_{eff}\) (efficacité). Nous utilisons des diodes au silicium avec une chute de tension de 0.7V. 1. **Calcul de la tension crête (\(V_{crête}\)) :** \(V_{crête} = V_{eff} \times \sqrt{2} = 10V \times 1.414 \approx 14.14V\) 2. **Calcul de la tension de sortie DC théorique (idéale) :** \(V_{sortie(idéale)} = 2 \times V_{crête} = 2 \times 14.14V \approx 28.28V\) 3. **Calcul de la tension de sortie DC réelle (en tenant compte des diodes) :** \(V_{sortie(réelle)} = 2V_{crête} - V_{F1} - V_{F2} = 28.28V - 0.7V - 0.7V = 28.28V - 1.4V = 26.88V\) #### Exemple 2 : Mesure pratique Lors de la mise en œuvre de ce circuit avec une entrée de \(10V_{eff}\) et l'utilisation d'un multimètre : * Vous mesurerez \(10V_{AC}\) à l'entrée avec le multimètre en mode AC. * Vous mesurerez environ \(14V_{DC}\) aux bornes de C1 avec le multimètre en mode DC. * Vous mesurerez environ \(27V_{DC}\) à la sortie (aux bornes de C2) avec le multimètre en mode DC. (La petite différence avec 26.88V est due aux tolérances des composants et aux mesures). * En utilisant un oscilloscope, vous verrez une tension DC stable d'environ \(27V\) avec une petite ondulation (ripple) superposée. ### Exercices 1. Un doubleur de tension de Schenkel est alimenté par une source AC de \(24V_{eff}\). Si les diodes ont une chute de tension de 0.7V chacune, quelle est la tension crête d'entrée ? Quelle est la tension de sortie DC attendue sans charge ? 2. Décrivez le rôle de chaque composant (D1, D2, C1, C2) dans le fonctionnement du doubleur de tension pendant l'alternance positive de la tension d'entrée AC. 3. Si la valeur des condensateurs C1 et C2 est réduite, quel effet cela aura-t-il sur l'ondulation de la tension de sortie ? Expliquez pourquoi. ### Devoirs 1. Concevez un doubleur de tension pour obtenir une tension de sortie DC d'environ \(50V\) à partir d'une source AC standard. Spécifiez les tensions efficaces et crêtes d'entrée nécessaires, ainsi que les valeurs et types de diodes et condensateurs que vous utiliseriez. 2. Recherchez et expliquez le fonctionnement d'un tripleur de tension. Comment se compare-t-il au doubleur de tension en termes de complexité et de tension de sortie ? 3. Utilisez un simulateur de circuits (comme LTSpice, Proteus, ou TinkerCAD Circuits) pour construire le doubleur de tension de l'Exemple 1. Mesurez les tensions \(V_{C1}\), \(V_{C2}\) et \(V_{sortie}\) et comparez-les avec les valeurs calculées et mesurées. ### Résumé Le doubleur de tension de Schenkel/Latour est un circuit essentiel pour obtenir une tension DC élevée à partir d'une source AC plus faible, sans transformateur élévateur. Il utilise une combinaison de diodes et de condensateurs pour charger séquentiellement les condensateurs, ce qui permet d'additionner les tensions pour doubler la tension crête d'entrée. Il est crucial de comprendre le rôle de chaque composant et de savoir mesurer correctement les tensions d'entrée AC, les tensions aux condensateurs, la tension de sortie DC et l'ondulation pour évaluer et caractériser le circuit. Ce circuit est largement utilisé dans diverses applications électroniques nécessitant des tensions DC élevées.