Psy5060-fr-01-2009

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La maquette PSY5060 destinée à l'apprentissage de L’ÉLECTRONIQUE DES COURANTS FORTS, comprend d'une part une console avec les alimentations variables continu et alternatif , 4 charges résistives ,une lampe ,un moteur continu et sa génératrice tachymètrique , et d'autre part 9 modules pré câblés permettant de réaliser 12 TP différents . Les modules sont les suivants : - Module A Caractéristiques du thyristor - Module B Redresseur à déphasage contrôlé - Module C Circuits de déclenchement 1 - Module D Circuits de déclenchement 2 - Module E Circuit de contrôle à photocoupleur - Module F Chargeur automatique de batterie - Module G Onduleur - Module H Contrôle de la vitesse d'un moteur continu - Module J Alimentation continue régulée en tension et courant Les 12 TP décrits dans ce manuel sont les suivants : TP1 caractéristiques du thyristor alimenté par une source continue. TP2 caractéristiques du thyristor alimenté par une source alternative. TP3 circuit redresseur double alternance à contrôle de phase. TP4 contrôle de phase par un circuit dit de Toulon. TP5 circuit de déclenchement à transformateur saturable. TP6 circuit d'amorçage à transistor unijonction. TP7 amorçage d'un triac par circuit à diac. TP8 contrôle de l'angle de conduction par circuit à photo coupleur TP9 chargeur de batterie à contrôle de charge TP10 onduleur. TP11 contrôle de vitesse d'un moteur continu utilisant un hacheur de Jones. TP12 alimentation continue régulée en tension et courant Mise en service. La console se raccorde sur le secteur 220V 50Hz, mais les modules sont alimentés en 100 volts alternatifs EXCLUSIVEMENT FOURNIS PAR LA CONSOLE pour des raisons de SECURITE DES UTILISATEURS et de protection du matériel. La console possède des résistances de charge, de différentes valeurs ohmiques : 200 - 300 400 Ohm, d'une puissance individuelle de 50 W. La lampe a une puissance de 10 W Le moteur, de type continu, est couplé à une génératrice tachymètrique.

PREMIERE PARTIE: RAPPELS THEORIQUES CARACTERISTIQUES DES THYRISTORS Le thyristor appelé également SCR {pour Silicon Controlled Rectifier) est constitué d'un empilage de jonctions : PNPN

+

fig. 1-0 Dont le fonctionnement peut être comparé à celui de deux transistors

fig. 1-1 Cj représente la capacité interne du thyristor Au repos, le courant de fuite émetteur collecteur du transistor PNP est très faible, le gain de boucle de ce circuit est inférieur à un, il reste au repos. Une impulsion appliquée sur la base du transistor NPN suffit à le faire conduire, donc à faire conduire le transistor PNP. Quand l'impulsion a disparu, le transistor NPN alimenté sur sa base par le courant collecteur du PNP continue de conduire. Pour bloquer le thyristor, il faut diminuer son courant anode cathode pour amener le gain de boucle à redevenir inférieur à 1. Ce seuil de courant est appelé courant de maintient Ih (H pour holding).

Fig. 1-2 Réseau de caractéristiques du thyristor

Chaque courbe du réseau de caractéristiques ci dessus correspond à un courant de gâchette. Il est intéressant de noter que la tension de retournement VBO (BO pour Breakover voltage) nécessaire pour amorcer le thyristor est d'autant plus faible que le courant de gâchette est important. Observer également le courant d'accrochage IL (L pour latch), qui est le courant minimum qui doit traverser le thyristor immédiatement après l'amorçage pour qu'il reste conducteur. Dans la pratique IL= 2 à 3 IH

IH= IAK /1000 à 5000

TRIAC Le triac est un élément bidirectionnel, commandé par une gâchette unique, et qui peut être rendu conducteur aussi bien sur l'alternance positive que sur l'alternance négative.

fig. 1-3

Fig. 1-4 SCHEMA EQUIVALENT On peut représenter un triac par deux thyristors tête-bêche, dans lequel les deux gâchettes seraient reliées. La conduction peut être déclenchée sans distinction de polarité.

DIAC La construction d'un diac est analogue à celle d'un transistor NPN dépourvu de base.

fig. 1-5 A l'état bloqué, cette structure lui confère une grande impédance dans les deux sens. Au delà de la tension de retournement (environ 30 V) le diac présente une caractéristique à résistance négative .Utilisé avec un circuit RC, le diac constitue un circuit de déclenchement pour triac dans les montages à déphasage contrôlé. Par exemple les gradateurs de lumière ou le contrôle de vitesse du moteur.

fig. 1-6 La figure 1-6 représente un circuit alimenté par une source alternative, permettant de faire varier la puissance dans la charge

ALLUMAGE DES THYRISTORS PAR UNE IMPULSION Le rapport dV/dt exprime la vitesse d'augmentation de la tension anode cathode. En raison de l'existence des capacités de jonction entre chaque couche PN(voir figure 1-7), si l'on applique une impulsion de tension très raide, le courant de charge de la capacité est I=C dV/dt Si le rapport dV/dt est élevé, il circule un courant analogue à un courant de gâchette élevé. Cela suffit pour amorcer le thyristor. Cette conduction n'entraîne d'ailleurs pas la destruction du composant. ALLUMAGE DES DIACS PAR SURTENSION Cette méthode est utilisée pour les diacs exclusivement, qui sont protégés par construction (pour autant que la tension d'allumage ne persiste pas trop longtemps). Si l'on désire utiliser le diac en zener, il faut limiter le courant qui le traverse.

TERMINOLOGIE DES DATA BOOKS Etat passant : partie de la caractéristique à résistance et tension faible Etat bloqué : partie de la caractéristique à résistance élevée et courant faible. Située entre le zéro et le point d'amorçage. Point d'amorçage : point de la caractéristique où la résistance dynamique devient nulle et la tension maximale. Courant principal : c'est le courant anode cathode Tension principale : c'est la tension anode cathode VBO (BreakOver voltage) tension anode cathode d'amorçage VDRM tension maximale instantanée applicable à un thyristor non conducteur, y compris les tensions répétitives transitoires, mais excluant les tensions non répétitives transitoires v VRRM tension maximale inverse y compris les tensions répétitives transitoires et excluant les tensions non répétitives VT tension principale à l'état passant VGT tension de gâchette nécessaire pour faire circuler le courant de gâchette (BreakOver) courant principal au point d'amorçage IBO IDRM courant max instantané résultat de l'application de VDRM IRRM courant max instantané résultat de l'application de VRRM IT courant maximum à l'état passant pendant un temps bref (précisé par le constructeur) et une forme d'onde (précisée par le constructeur) IL courant d'accrochage (L pour latch). C'est le courant nécessaire pour que le thyristor reste allumé immédiatement après le passage de l'état bloqué à l'état passant. IH Courant de maintient (H pour holding) . C'est le courant minimum Nécessaire au thyristor pour rester passant. courant de gâchette minimum pour faire passer le thyristor à l'état passant IGT PGM (Peak Gate Power) puissance max dissipable entre la gâchette et la cathode en un temps donné par le constructeur PG(AV) (AV=average) puissance moyenne de dissipation entre gâchette et cathode pendant une période. temps de conduction : intervalle de temps entre le début de l'impulsion de gâchette et tgt l'instant où le courant principal atteint la valeur maximale. Tq temps d'extinction : intervalle de temps entre l'instant où le courant principal atteint 0 (à la suite de la coupure de la tension principale) et l'instant où l'on peut rétablir la tension principale sans provoquer l'allumage du thyristor dv/dt rapport critique d’allumage. C'est la valeur mini d'accroissement de la vitesse de la tension principale qui permet d'allumer le thyristor. di/dt rapport critique de courant d’allumage. C'est la vitesse maximale d'accroissement du courant principal au moment de l’allumage, pouvant être supporté par le composant sans effet destructif. RӨJA résistance thermique jonction ambiance c'est le rapport de la différence de température entre jonction et ambiance à la puissance à dissiper, une fois l'équilibre thermique atteint. RӨJC résistance thermique jonction boîtier c'est le rapport de la différence de température entre jonction et boîtier à la puissance à dissiper, une fois l'équilibre thermique atteint.

COURANTS D’AMORÇAGE, D'ACCROCHAGE ET DE MAINTIENT D'UN THYRISTOR Ces trois courants sont les paramètres les plus importants, et leurs interrelations déterminent le fonctionnement correct des circuits. Trois possibilités d'amorçage des thyristors : - application d'une tension d'amorçage (danger de destruction) - application d'une tension principale avec dv/dt très important - application d'un signal de gâchette, cas le plus largement utilisé. Dans ce cas le signal doit satisfaire à IG > IGT et VG > VGT *VGK = VG - VK >0 * seulement pour le thyristor

fig. 1-8 Pour amorcer le thyristor, son courant IT doit être supérieur à IL son courant d’accrochage. Une fois amorcé, il reste allumé tant que IT > IH. Il s'éteint si IT < IH Cas du triac Le signal d'amorçage de gâchette peut être de polarité quelconque, mai le choix de IGT et VGT dépend de la polarité. La figure 1-9 montre 1 sens des courants dans le composant selon les différents modes.

Fig.

1-9

Il existe 4 modes de déclenchement d'un triac

fig. 1-10 La figure 1-10 représente les 4 quadrants d'utilisation possible - les quadrants I et III sont les plus utilisés car les courants IGT, VT étant de même sens, la sensibilité est optimale. Dans le cas où il n'est pas possible d'utiliser les deux quadrants ci dessus, choisir de préférence le quadrant II, où la tension de gâchette est négative par rapport à la tension de l'anode principale MT2. Les valeurs typiques des sensibilités dans les quadrants I et II sont voisines , mais en raison du courant d'accrochage nettement plus faible dans le quadrant II , il est plus difficile d'accrocher un triac dont le courant principal est lui même faible . Le tableau 1-11 donne un aperçu des ordres de grandeurs du courant IGT nécessaire à l’amorçage, en fonction du quadrant utilisé QUADRANT I II III IV TRIAC 4A

1

1,3

1,2

5

TRIAC 10A

1

1,7

1,4

4

fig 1-11 Exemple du triac 4A : Si IGT = 10 mA dans le quadrant I IGT = 13 mA dans le quadrant II IGT = 12 mA dans le quadrant III IGT = 50 mA dans le quadrant IV Le courant de gâchette varie également avec la température

fig 1-12 Pour un courant principal de 10A constant, et en fonctionnement dans le quadrant I à 25°C IGT = 10 mA à -40°C IGT = 20 mA Il en résulte que dans les applications où la température varie il convient de tenir compte du courant IGT minimum.

COURANT D'ACCROCHAGE DES THYRISTORS ET DES TRIACS Le courant d'accrochage IL (L = latch) est défini comme le courant anode cathode minimal nécessaire au maintient du thyristor à l'état passant, dès que le signal de gâchette a cessé . On peut le comparer au courant de maintient d'un relais dès que le relais a collé.

Fig. 1-13A Dans l'exemple fig. 1-13A, le thyristor ne reste pas conducteur à la disparition du signal de gâchette, car le courant principal n'a pas atteint le courant d'accrochage IL

Fig. 1-13B Dans le cas fig. 1-13B, le thyristor s’amorce, reste conducteur la quasi totalité de l’alternance. Il se bloque dès que le courant principal devient inférieur au courant IH (H comme hold). Le cas des triacs est similaire, mais les courants d'accrochage varient d'un quadrant à l’autre. Le tableau 1-14 indique les ordres de grandeurs des courants I d'accrochage en fonction du quadrant utilisé L QUADRANT I II III IV TRIAC 4A

1

5

1

1,5

TRIAC 10A

1

4

0,8

0,7

fig. 1-14 Exemple du triac 4A : Si IL = 10 mA dans le quadrant I IL = 50 mA dans le quadrant II IL = 10 mA dans le quadrant III IL = 15 mA dans le quadrant IV On a déjà vu que dans le quadrant II, le courant de gâchette était plus important, il en est de même du courant d'accrochage IL. Par ailleurs le courant d'accrochage est dépendant de la température, et doit être d'autant plus élevé que l'impulsion de gâchette est brève. Courant de maintient IH (H comme hold) C'est le courant anode cathode, nécessaire à maintenir le thyristor passant, en l'absence de courant de gâchette, une fois que le thyristor a été amorcé. IH est toujours inférieur à IL , maie dans les composants sensibles, ils sont très voisins. IH est indépendant du courant de gâchette et du courant d’accrochage. SENS DU COURANT IH (+) IH (-) DE MAINTIENT TRIAC 4A

1

1,1

TRIAC 10A

1

1,4

Tableau 1-15 Exemple du triac 4A : si IH (+) = 10 mA alors IH {-) = 11 mA

RAPPELS THEORIQUES SUR LE TRANSISTOR UNIJONCTION Le transistor UJT est constitué d'un barreau de silicium dopé N, dont les extrémités sont appelées bases : Bl et B2. Une partie du barreau est dopée P et constitue l’émetteur.

La caractéristique tension VEB1 fonction du courant IEB1 est donnée ci-dessous, pour un montage dans B1 est à la masse, et la tension d’alimentation est de 10V.

Quand une tension est appliquée entre B2 et Bl , un faible courant circule car la résistance RB2 + RB1 est de l'ordre de 5 à 10 KΩ. Le potentiel du point A est

VA = RB1 * VBB RB1 + RB2 n

= RB1 RB1 + RB2

est appelé rapport intrinsèque

VA = n VBB 0,4 < n > 0,9

B2 Quand VE < VA, la diode est polarisée en inverse le courant circulant de A vers B*est très faible. C'est la région de cut-off. Quand VE = VA + 0,4 mV (environ) le courant circulant entre E et Bl provoque l'effondrement de la résistance RB1. La tension d'émetteur qui provoque cet effondrement est appelée tension de pic. La tension d'émetteur chute jusqu'à une valeur appelée tension de vallée La partie de la caractéristique entre le pic et la vallée est celle d'une résistance négative. Au delà du point de vallée, et, si le débit de la source alimentant l'émetteur le permet, la tension et le courant recommencent ensuite à croître selon une caractéristique de diode, donc à tension QUASIMENT CONSTANTE. C'est la zone de saturation La tension de vallée est par contre fonction de la tension VB2B1.

DEUXIEME PARTIE : EXPERIMENTATIONS PRATIQUES TPI : caractéristiques du thyristor alimenté par une source continue

Fig. 2-1 Principe du montage : une tension continue est appliquée entre anode et cathode, à travers la charge Jl J2. Augmenter progressivement le courant de gâchette jusqu'à l’amorçage. Réduire le courant de gâchette et constater que le thyristor reste conducteur car le courant principal reste supérieur au courant de maintient. Important: dès que le thyristor s’allume, le courant de gâchette s’inverse. Il faut donc surveiller l'ampèremètre et observer le courant de gâchette AVANT l'instant de conduction. Conduite du TP Raccorder la source continue de la console à la platine 5060A, tension OV. Vérifier que le potentiomètre RI a sa résistance la plus élevée. Brancher le voltmètre continu aux bornes de la charge J1-J2, et le milliampèremètre de la platine entre J4 et J5. Amener la tension à 10V et fermer S2 Augmenter progressivement le courant de gâchette et noter la valeur lorsque le thyristor s’amorce, c'est à dire quand la tension aux bornes de J1-J2 s'élève brusquement. Pour éteindre le thyristor : (1) tourner RI pour ramener le courant de gâchette à une valeur très faible (2) ouvrir S4 (3) ouvrir S2 (4) refermer S2 Indiquer à quelle phase (1) (2) ou (3) le thyristor s'est éteint. Le thyristor s'est-il rallumé à la phase (4)? Fermer les interrupteurs S2 et S4 et appliquer un courant de gâchette pour faire conduire le thyristor. Ouvrir S4 et presser S3 un bref instant. Que s'est-il passé ? Recommencer à amorcer le thyristor pour différentes tensions d'alimentation : 5 - 10 - 15 20 V, et dresser un tableau comparatif des différents courants de gâchette à l’amorçage. Le courant de gâchette à l'amorçage dépend t-il de la tension anode cathode ? Le thyristor étant amorcé, le courant de gâchette nul (inter S4 ouvert) ramener doucement la tension d'alimentation vers zéro. Noter la valeur de la tension aux bornes du voltmètre à l'instant où il décroche. Mesurer la valeur de la charge. En déduire une valeur du courant de maintient.

TP2 : caractéristiques du thyristor alimenté par une source alternative

fig. 2-2 Ce TP se réalise sur la même platine que le TPI, à savoir 5060A. Le thyristor conduit pendant une demie alternance, durant laquelle la charge est donc alimentée. Le courant de gâchette traverse la diode D1, en demie alternance synchrone de la tension anode cathode. Il s'ensuit que le thyristor s'amorce sur une demie alternance et se désamorce sur la suivante. Conduite du TP Raccorder la platine 5060A sur la source alternative de la console, J2 ouvert. Placer la sonde 1 de l'oscilloscope au point J2, et la sonde 2 au point J5. La masse de l'oscilloscope étant reliée à J3. Connecter le voltmètre continu aux bornes de la charge J1J2, et placer un cavalier entre J4 et J5 Régler la tension sur 20 VAC, fermer J2 et S4 et utiliser RI pour que le courant de gâchette soit minimum. Attention : les sondes de l'oscilloscope doivent avoir des masses communes, reliées à J3. Dans le cas où les cordons de masse de l'oscilloscope seraient connectés à des points de potentiel différents, il y a risque de court circuit à travers l’oscilloscope. La tension aux bornes de R2 est proportionnelle au courant de gâchette. La tension en J2 est la tension anode cathode Observer ces deux signaux en augmentant progressivement le courant de gâchette. Noter à quel niveau de courant de gâchette le thyristor s'amorce. Ouvrir S4. Le thyristor continue t-il à s'amorcer ? Analogie : le thyristor travaille comme un relais polarisé dont le circuit de commande n'est pas isolé du circuit de puissance.

TP 3 : circuit redresseur double alternance à contrôle de déphasage. Dans le cas d'un circuit comportant un seul thyristor, celui ci s'amorce sur une alternance et se désamorce durant la suivante. Pour obtenir un courant continue dans une charge, il faut utiliser deux thyristors, débitant dans le même sens sur la source, et travaillant l'un sur l'alternance positive, l'autre sur l'alternance négative

fig. 2-3

fig. 2-4 D'autre part, il faut que les impulsions de gâchette soient synchrones des tensions anode cathode. Tout déphasage arrière du courant de gâchette, entraînera un retard d'amorçage du thyristor, qui ne conduira que sur la fin de l’alternance. Voir fig. 2-3.

fig. 2-5 Dans ce circuit, les tensions de gâchette sont élaborées par: - un bobinage isolé sur le transformateur, - un pont à diodes qui délivre donc un courant redressé 100 Hz, à travers R1. La zener ZD écrête ce signal, avant de l'appliquer au circuit oscillateur constitué de

VR1 C1 et l’UJT. Ce circuit oscillateur fonctionne de la manière suivante : chaque impulsion charge Cl à travers VRl. Quand la tension de C1 atteint la tension de pic, la jonction émetteur - base E-B1 conduit brusquement avec une résistance très faible. Cl se décharge dans R3 -La tension qui apparaît ainsi aux bornes de R3 est appliquée simultanément aux deux gâchettes, provoquant l'amorçage du thyristor dont la tension anode cathode est positive .

Important: la capa Cl est chargée par une impulsion synchrone de la tension principale. Donc le passage de Cl à la tension de pic est synchrone (mais déphasé) de la tension principale anode cathode. Le déphasage entre la tension principale et l'amorçage de l'UJT est d'autant plus important que le temps de charge de Cl est important. En réglant la constante de temps V R1 Cl, il est donc possible de régler l'instant d'apparition de l'impulsion sur Bl (tous les instants sont repérés par rapport au passage à zéro du signal redressé double alternance). Plus le temps de charge de Cl est bref, et plus longtemps le thyristor reste conducteur. Ce temps est appelé angle de conduction, et s'exprime en ° dans le diagramme de Fresnel. Conduite du TP Raccorder la source 100 VAC sur la platine 5060B, S1 ouvert, S2 fermé. Placer la voie 1 de l'oscilloscope sur Jl et la masse en J2. Placer la voie 2 en J6 afin d'observer les pics d'amorçage envoyés aux gâchettes. Tourner VR1 à fond sens trigo, brancher le voltmètre continu entre Jl et J2 pour observer la tension efficace. Quelle est la fréquence de ce signal ? Fermer S1 et observer les variations de l'angle de conduction lorsque l'on tourne lentement VR1 dans le sens horaire. Observer la forme de l'onde aux bornes de la charge quand on ouvre S2 Remplacer le voltmètre par la lampe. Observer l'intensité lumineuse selon l'angle de conduction. Ouvrir S2, que remarque t-on ? En utilisant une sonde atténuatrice par 1/10, observer le signal de la source 100 V, selon que S2 est ouvert ou fermé. Observer le déphasage entre le signal de la source 100 V et la tension en Bl. Représenter sur un même diagramme des temps les signaux suivants : - la tension de la source 100 V - la tension en sortie du pont à diodes - la tension aux bornes de ZD - la tension aux bornes de Cl - la tension en B1 - la tension entre J1 et J2 pour S2 fermé - la tension entre J1 et J2 pour S2 ouvert.

TP 4 : Contrôle du déphasage par un circuit dit de Toulon Le TP décrit ci dessous nécessite l'emploi d'un voltmètre alternatif d'impédance d'entrée élevée - 10 MΩ au moins PRELIMINAIRE

Fig. 2-6 a

fig. 2-6 b

La figure 2-6a représente un circuit de Toulon, et le diagramme vectoriel de ce circuit est dessiné en 2-6 b. Les deux bobinages série MN et MQ ont le même nombre de tours. Leurs tensions égales et de sens opposés, sont représentées par les vecteurs MN et MQ. Le courant traversant C et Rv génère à leurs bornes des tensions VC et VRv. La tension VC est déphasée de 90° en arrière par rapport à VR_ La tension VP - VN aux bornes de RV est représentée par le vecteur NP La tension VQ - VP aux bornes de C est représentée par le vecteur PQ** La somme des deux vecteurs NP**+ PQ**- NQP** Choisissons le point M milieu du bobinage comme référence de potentiel 0 volt. Le point P se trouvant entre C et Rv, sa tension (par rapport à M) est représentée par le vecteur MP. Si l'on connecte entre M et P une résistance de charge, la tension appliquée à celle ci sera représentée par le vecteur MP. L'angle 9 représente le retard de MP sur MN. Cet angle © est d'autant plus petit que la longueur du vecteur NP est faible, c'est à dire que la tension maximale aux bornes de Rv est faible. Cette tension atteint son minimum pour Rv = 0 ohm APPLICATION PRATIQUE DU CIRCUIT DE TOULON

Fig. 2-7

fig. 2-8

Dans le circuit de Toulon de la figure 2-7, la charge placée entre M et P est constituée par Dl RI et la diode gâchette cathode. a) La tension entre anode et cathode Vz - Vj2 est en phase avec Vz - Vy {la charge étant purement résistive) La tension Vz - Vy est en phase elle même avec Vj7 - VM car ces deux enroulements du transformateur sont de même sens. Donc la tension entre anode et cathode VA - VK est en phase avec la tension VJ7 - VM représentée par le vecteur MN. b) La tension entre gâchette et cathode Vj3 - Vj6 est en phase avec la tension VP - Vj6 (car Dl RI et la diode gâchette cathode n'introduisent aucun déphasage) . Donc la tension gâchette cathode VG - VK est en phase avec le vecteur MP de a) et b) il résulte que la tension anode cathode en phase avec le vecteur MN est en avance sur la tension gâchette cathode en phase avec le vecteur MP. L'angle θ représente donc le retard de phase de la tension de gâchette sur la tension d'anode (tensions prises par rapport à la cathode) Si θ1 est voisin de 0°, les tensions VG et VA sont en phase. Le thyristor s'allume dès l'apparition de la tension de gâchette* et le courant circule dans la charge pendant toute la demie alternance (zone hachurée) Figure 2-8 du haut. Si ©2 voisin de 90°. La tension de gâchette VG allume le thyristor sur la fin de l'alternance pendant laquelle il peut conduire. Il conduit seulement un court instant, ou pas du tout si ©2 est très prés de 90°. C'est le cas représenté Figure 2-8 du bas. CONCLUSION En augmentant la résistance Rv , on augmente l'angle © de 0° à 90° et l'on diminue l'angle de conduction du thyristor. nota : même lorsque VG et VA sont exactement en phase, le thyristor ne s'allume pas au tout début de l’alternance. En effet il faut aussi que VG atteigne 600mV

Conduite du TP Connecter le 100 VAC sur la platine 5060C, inter S2 ouvert, Vr à fond sens trigo. Placer la sonde 1 de l'oscilloscope en J1, la sonde 2 en J8, la masse de l'oscilloscope à J6. Fermer S2 et observer le déphasage entre la tension VL aux bornes de la charge et la tension de gâchette VG lorsque l'on fait varier Rv Tracer un diagramme des temps en représentant comme sur la figure 2-8 , les signaux VL , VG pour différentes valeurs de Rv Mesurer les tensions aux bornes de C et Rv et en déduire une relation avec θ. Ce circuit peut fonctionner avec un triac à la place du thyristor SCR1 en retirant la diode Dl.

TP 5 : circuit de déclenchement à transformateur saturable Utiliser la platine U5060C

OFF

fig. 3-1 Dans ce circuit, le secondaire du transformateur saturable T1 est connecté en parallèle sur la gâchette du thyristor. Quand le secondaire de T1 est saturé, sa réactance est réduite à zéro. Quand il n'est pas saturé, elle est très élevée et dans ce cas le courant traversant Dl traverse aussi la gâchette et peut déclencher l'amorçage du thyristor. Une fois amorcé, le thyristor pourra se bloquer à nouveau si T1 repasse à l'état saturé supprimant le courant de gâchette pendant l'alternance positive. Si l'on applique au primaire une impulsion positive qui sature T1, le courant traversant Dl traverse le secondaire qui reste ainsi saturé même quand l'impulsion du primaire a cessé. Le thyristor est maintenu à l'état non conducteur. Si l'on applique une impulsion négative sur le primaire, Tl cesse instantanément d'être saturé, la réactance du secondaire augmente, le thyristor s’amorce. Ainsi, il est possible de contrôler l'amorçage d'un thyristor par des impulsions appliquées à travers un transformateur saturable.

Conduite du TP Connecter la sortie alternative sur la platine U5060C, placer entre J1 et J2 la lampe en guise de charge. Placer la sonde d'oscilloscope en J3, sa masse en J4. Régler l'alimentation CONTINUE sur 20VDC Fermer S1. La lampe s’allume. Appliquer une brève impulsion continue sur la borne + du primaire de T1 en connectant brièvement le + de l'alimentation continue. Que fait la lampe ? Connecter maintenant le + de l'alimentation sur l'entrée - du primaire. Que fait la lampe ? Peut-on comparer ce circuit à transformateur à un circuit bistable ? En la faisant varier, déterminer la tension continue minimal nécessaire pour saturer / dé saturer le transformateur. Remarque : une impulsion de faible puissance permet de commander un courant élevé, une tension élevée et donc une puissance considérable.

TP 6 : circuit d'amorçage à transistor unijonction C'est la méthode la plus couramment utilisée

Fig. 3-2(a) Considérons le schéma 3-2(a) . A la mise sous tension, seul le faible courant de polarisation traverse l'UJT de B2 à Bl. En effet le potentiel de E est à zéro et donc la jonction B2-E est polarisée en inverse. La capacité Cl se charge à travers VR1. Quand la tension VE atteint la tension de pic Vp, la capacité Cl se décharge dans R2, provoquant une brusque impulsion de tension sur B1. La capacité se déchargeant dans B1, sa tension repasse en dessous de la tension de vallée, et l'UJT se bloque à nouveau. C1 recommence à se charger à travers VR1 pour un nouveau cycle.

Fig. 3-2b Le diagramme des temps 3-2(b) représentent la charge et la décharge de Cl et les impulsions de tensions qui apparaissent en B1. Le circuit 3-3 présente un circuit d'amorçage par UJT, couramment utilisé.

fig. 3-3 La capacité Cl se charge sur l'alternance positive,à travers la diode D1 et VR1, sous impulsion écrêtée la zener D2. La charge de la capacité étant synchrone de l'alternance positive, l'impulsion sur B1 au moment où l'UJT conduit l'est également, mais déphasée en arrière, d'un angle correspondant au temps de charge de C1 de 0 volts à Vp. L'impulsion arrivant alors que l'alternance positive est appliquée entre anode et cathode amorce donc le thyristor. Lorsque l'UJT cesse de conduire alors que le thyristor est encore en conduction, la capacité Cl ne commence pas immédiatement un cycle de charge. En effet, la tension de l'anode du thyristor étant voisine de zéro, il n'y a pas de tension significative au point P pouvant charger la capacité Cl. Lorsque l'alternance positive cesse, le thyristor s’éteint. Il n'y a pas de charge négative de la capacité C1 pendant l'alternance négative, en raison de la diode D1. Conduite du TP Connecter la source alternative 100V sur la platine 5060D et S2 sur D1. Placer la voie 1 de l'oscilloscope en J5 (signal de charge de la capa), la voie 2 en J3 et la masse de l'oscilloscope en J4 Tourner VR1 lentement dans le sens horaire et observer le déphasage des deux signaux. Commuter la sonde 1 sur la position atténuation par 10, la placer en J1 et observer le déphasage de l'impulsion de gâchette par rapport à la tension d’alimentation. Tracer le diagramme des temps pour 3 positions de VRl des trois signaux observés ci dessus Résultats et questions Si VRl est petit, Cl se charge rapidement à la tension Vp. Le thyristor est déclenché en début d’alternance, et son angle de conduction est important, la puissance dissipée dans la charge également. Si l'on augmente VR1, que devient l'angle de conduction, et la puissance dissipée dans la charge. Que se passe t-il si l'on connecte S2 sur une source continue ? - le thyristor restera t-il bloqué ? - l'impulsion de gâchette est elle synchrone de l'alternance positive ?

TP 7 : amorçage d'un triac par circuit à diac Le diac présente une analogie avec l'UJT : ils ont tous les deux une partie de caractéristique négative, c'est à dire un fonctionnement où lorsque la tension à leurs bornes DIMINUE, le courant gui les traverse AUGMENTE. Cette particularité est utilisée pour décharger TRES RAPIDEMENT un condensateur sur la gâchette du redresseur commandé (thyristor ou triac) Ce principe de base est utilisé dans le circuit figure 3-4

fig. 3-4

fig. 3-5 Dans un premier temps relier J1 à J3. A la mise sous tension, C1 n'étant pas chargé, le diac et le triac ne conduisent pas, Si par exemple la première alternance qui se présente est positive sur J2, la capacité Cl se charge à travers VR1 . Appelons J6 le point à potentiel zéro durant cette alternance. Le triac ne conduisant pas, J4 est au potentiel zéro. Lorsque la tension en J5 atteint la tension de retournement du diac, une partie de la tension de Cl est appliquée à J4 et le triac s’amorce. Il reste allumé jusqu'à la fin de l’alternance. L'alternance suivante de signe opposé charge la capacité Cl en sens inverse. Quand la tension en J5 atteint la tension de retournement une impulsion de polarité opposée à la précédente est appliquée au triac, qui conduit dans l'autre sens. Plus VR1 est petit, plus rapide est la charge de Cl et plus le triac commence à conduire prés du début de l’alternance. Autrement dit, plus petit est VR1 plus grand est l'angle de conduction -

Nota 1 : si la tension atteinte par Cl est inférieure à VS, le diac ne s'amorce pas et n'envoie pas d'impulsion sur la gâchette du triac qui reste éteint. Nota 2 : la première charge de la capacité, à la mise sous tension est plus rapide que les charges suivantes. En effet lors de la première charge, la capacité Cl n'est pas chargée, alors que dans les charges suivantes, la capacité est partiellement chargée par l'alternance précédente, donc en sens inverse. La capacité doit être d'abord déchargée puis rechargée avant d'atteindre la tension VS. Il en résulte que la valeur de VR1 nécessaire pour obtenir le premier amorçage est toujours plus élevée que la valeur nécessaire pour obtenir les amorçages suivants. Nota 3 : -connexion J2-J3 Dans cette configuration, dès que le triac conduit, la tension en J1 devient faible et donc le circuit VR1-C1 cesse d'être alimenté ce qui limite automatiquement le courant traversant le diac au courant de décharge de C1. Il n'y a pas de risque de destruction du diac, MEME AVEC UNE RESISTANCE VR1 TRES FAIBLE. On peut par conséquent obtenir des angles de conduction importants. -connexion J2-J3 Dans cette configuration le circuit VR1-C1 est alimenté même pendant la conduction du triac. Il est nécessaire de placer une résistance de 15K pour éviter la destruction du diac qui serait traversé par un courant important. Cette résistance de protection en série avec VR1, augmente le temps de charge de Cl et diminue donc l'angle de conduction. Conduite du TP Alimenter la platine 5060D par la source alternative, Jl étant relié à J3, SI ouvert, tourner VR1 à fond dans le sens trigo. Placer la sonde 1 de l'oscilloscope en J4, la sonde 2 en J5 et la masse de l'oscilloscope en J6. Fermer SI et tourner lentement VR1 dans le sens horaire. Observer le déphasage entre les deux signaux Commuter la sonde 1 sur la position atténuation par 10 et la déplacer en J2 pour visualiser la source alternative. Observer le déphasage entre J2 et J5 potentiel de la capacité. Déplacer la sonde 2 en J4 et comparer le déphasage des deux signaux. Mesurer l'angle de conduction lorsque VR1 est minimum Tracer le diagramme des temps des 3 signaux aux points J2 J4 J5 Pour 3 valeurs de VR1 : mini - milieu - maxi. Faire apparaître les angles de conduction sur ce diagramme Déplacer maintenant le cavalier J1-J3 en J3- J2 en insérant la résistance de protection RI =15K Recommencer les mesures de déphasage ci dessus. Comparer les angles de conduction des deux montages.

TP 8 : contrôle de l'angle de conduction par circuit à photocoupleur Ce type de montage est couramment utilisé pour s'affranchir des parasites et présente l'avantage d'isoler galvaniquement la commande du circuit de puissance, donc des tensions élevées.

fig. 4-1 Dans ce circuit, le courant de charge de la capacité Cl est fixé par le phototransistor TR. Ce courant est fonction de 1'éclairement du phototransistor. Le fonctionnement du circuit oscillateur constitué de la capacité Cl et de l'UJT est identique à celui du TP 6. Comme nous l'avons vu dans ce TP 6, l'angle de conduction dépend du temps de charge de la capacité Cl. Il en résulte que l'angle de conduction dépend de 1'éclairement et aussi que la PUISSANCE dissipée dans la charge dépend de 1’ECLAIREMENT. Conduite du TP Connecter le platine 5060E à l’alimentation 100VAC, S1 étant ouvert, la tension continue 24VDC à zéro. Brancher entre J3 et J4 à la fois le voltmètre alternatif et la lampe de la console en guise de charge. Placer la sonde 1 de l'oscilloscope en J2, la sonde 2 en J3 et la masse en J5. Attention la sonde 2 doit être sur la position atténuée par 10. Fermer SI et augmenter progressivement la tension continue jusqu'à l'allumage de la lampe de la barrière lumineuse placée sur la platine. Faire un tableau de la tension alternative aux bornes de la charge en fonction de la tension continue. Ramener la tension continue à zéro, puis l'augmenter de nouveau en notant le déphasage entre la tension de gâchette en J2 et la tension en J3. Dessiner le diagramme des temps de ces deux signaux, pour 3 valeurs de la tension d’éclairement. Amener la tension continue à 24V et couper le rayon lumineux de la barrière avec un objet opaque. Que se passe t-il ?

TP 9 : chargeur de batterie à contrôle de charge

Ce circuit comprend deux thyristors : - SCR1 qui charge la batterie - SCR2 qui stoppe l'allumage de SCR1 quand la batterie est chargée A la mise sous tension , la batterie étant en dessous de sa tension nominale , la tension redressée double alternance par Dl et D2 fait circuler un courant à travers R3-D3 qui amorce le thyristor SCR1 . La batterie se charge à travers RI. Lorsque la batterie atteint sa tension nominale et la dépasse, la tension de Cl dépasse la tension de zener de D4. Une tension apparaît sur la gâchette de SCR2 qui déclenche l'amorçage du thyristor. J4 se trouve ramené à un potentiel voisin de zéro alors que J2 est toujours à +12V. La diode D3 est bloquée, les impulsions n'arrivent plus sur la gâchette de SCR1 qui reste éteint. La charge de la batterie est terminée. LED1 s'allume pendant la charge, en raison de la tension qui apparaît aux bornes de RI. S'éteint dès que SCR1 ne conduit plus LED2 s'allume quand SCR2 conduit, car le potentiel de J4 étant voisin de zéro, la tension aux bornes de R3 est voisine de 20V. Lorsque SCR1 conduit le courant de gâchette traverse R3, mais le potentiel de J4 est de 13V environ, donc la tension aux bornes de R3 est réduite à 7V. LED2 est soit éteinte soit faiblement lumineuse. LED2 allumée signifie donc que la charge de la batterie est terminée Conduite du TP Connecter la platine 5060F à l'alimentation 100VAC, SI étant ouvert. Connecter la batterie factice entre J2 et J3, au minimum de tension, et placer à ses bornes un voltmètre continu. Placer la sonde 1 de l'oscilloscope en J4 et la masse en J3. Fermer SI et vérifier que la LED1 s’allume. Sinon tourner lentement VR1 Dans le sens horaire jusqu'à l’allumage. Continuer à tourner d'un angle d’environ 30° supplémentaires après l’allumage. Noter la tension de crête en J4 Simuler la pleine charge de la batterie factice en amenant la tension à +12V. La LED2 doit s’allumer. Noter alors la tension de J4 et la comparer à la mesure précédente effectuée pendant la charge. Faire varier la tension de la batterie factice et relever pour 3 tensions, les positions respectives de VRl. En déduire le rôle de VR1 pendant la charge et le maintient de la charge. Il est possible de remplacer la batterie factice par une vraie batterie cadmium nickel. Dans ce cas utiliser une batterie de petite capacité (12V 100 mA/h) pour limiter le temps de charge à 30 mn lors de la première charge ou d'une charge complète. Régler VR1 pour que la tension en fin de charge soit de +12V. Expliquer le rôle protecteur de VR1.

Conduite du TP Connecter la platine 5060G. Placer la sonde 1 de l'oscilloscope aux bornes de la charge et la sonde 2 en J2, la masse de l'oscilloscope en J4. Attention utiliser les positions atténuatrice par 10 sur les sondes. Utiliser la lampe de la console comme charge entre J8 et J9. Fermer SI et observer le déphasage des signaux, avec et sans la lampe. Utiliser la résistance 100 Ohm pour observer la forme du signal au secondaire de T2 en présence d'une surcharge. Utiliser successivement les résistances 200 - 300 - 400 Ω et noter les variations de tension au secondaire de T2 Ouvrir SI, court-circuiter J1-J2 et refermer SI un bref instant, environ 1 seconde. La tension est elle apparue sur la charge ? Attention : Si ne doit pas rester fermé trop longtemps pendant cet essai il y a risque de destruction du circuit. Placer la voie 2 de l'oscilloscope aux bornes de C3 et comparer les formes d'ondes aux bornes de la charge et de C3. Que se passe t-il si l'on coupe l'oscillateur sans couper l'alimentation continue ?

TP 11 : contrôle de vitesse d'un moteur continu utilisant un hacheur de Jones Il existe deux méthodes de réglage de la vitesse d'un moteur continu : - par variation de la tension continue appliquée à ses bornes - par variation de la puissance qu'il reçoit. Dans cette dernière, le moteur est alimenté par des créneaux à tension et durée constantes, mais dont la fréquence est variable.

fig. 4-4 Ce montage comprend : - un circuit "conduction du moteur", avec l'UJT1 et le thyristor SCR1 - un circuit "coupure du courant moteur" avec l'UJT2 et le thyristor SCR2 VR1 C2 UJT1 constituent un circuit oscillant qui débite sur le primaire de T1. La tension secondaire de T1 redressée double alternance, envoie des impulsions sur la gâchette "a" du thyristor SCR1. Le courant circule dès l'amorçage de SCR1 du + de l'alimentation à travers SCR1 - L2 - J7 - le moteur - J8. Au moment de l’amorçage, le courant augmente dans L2. T3 est un autotransformateur élévateur, et la tension qui apparaît aux bornes de L1 charge la capacité C3 à travers D3 (SCR2 n'étant pas conducteur). La tension J5-J4 > 0. Quand le courant dans L2 cesse d’augmenter, la tension aux bornes de L1 s’annule, mais C3 reste chargée à cause de D3. Dès que SCR1 conduit, sa cathode J6 est portée à un potentiel proche de la tension de la source continue E. Un courant parcourt R4 - R6 - C4. A la tension de pic de l’UJT, C4 se décharge dans le primaire de T2 dont le secondaire envoie une impulsion sur la gâchette "b" du thyristor SCR2. Dès que SCR2 conduit, la tension de la capacité C3 est appliquée aux bornes de SCR1 et le bloque. Le moteur n'est plus alimenté. La capacité C3 finit de se décharger à travers L2 - J7 - J4, et SCR2 n'étant plus parcouru par un courant anode cathode, il se bloque. L'impulsion suivante arrivant de l'oscillateur sur "a" amorce SCR1 et un nouveau créneau est appliqué au moteur.

fig. 4-5 Le diagramme des temps ci dessus, représente : - les impulsions délivrées par le secondaire de Tl qui amorcent la conduction de SCR1, donc l'alimentation du moteur. - les impulsions délivrées par le secondaire de T2 qui amorce la conduction de SCR1, donc la coupure du courant dans le moteur. - les créneaux de tension appliqués au moteur. - la vitesse du moteur ou encore la puissance envoyée au moteur. Examinons les éléments qui déterminent ce diagramme LARGEUR DU CRENEAU. Lorsque l'impulsion du secondaire de Tl apparaît sur "a", SCR1 s'amorce et une tension est appliquée au moteur. Au bout d'un temps fonction de la constante R6C4, le secondaire de T2 envoie une impulsion sur la gâchette "b" de SCR2 ce qui coupe le courant dans le moteur. FREQUENCE DES CRENEAUX Chaque amorçage de l’UJT1, déclenche l'amorçage du thyristor SCR1 et la conduction du moteur. L'intervalle de temps séparant deux amorçages consécutifs est donc égal à la période de l’oscillateur, donc fonction de la constante de temps VR1C2. En diminuant la constante de temps VR1C2, la fréquence des créneaux augmente, la puissance envoyée au moteur augmente et sa vitesse croit. Conduite du TP Raccorder la platine 5060H, SI ouvert, VR1 à fond dans le sens trigo, moteur connecté entre J7 et J8, brancher un voltmètre sur la sortie tachymètrique de la console, calibre 3V environ . Placer la sonde 1 de l'oscilloscope en J1, la voie 2 en J3 et la masse en J2. Fermer SI et noter le déphasage des signaux lorsque l'on fait tourner VR1. Les courbes doivent ressembler à celles de la figure 4-5 Déplacer la sonde 1 en J7, la masse de l'oscilloscope en J8 et retirer la sonde 2. En faisant varier VR1 observer les créneaux et leur fréquence. Retirer le moteur et observer la forme d'onde quand VR1 varie du mini au maxi. Expliquer comment réaliser une boucle d'asservissement en vitesse, en ramenant une fraction de la tension de la génératrice tachymètrique sur la résistance VR1.

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TP 12 : alimentation continue régulée en tension et courant

fig. 4-6 Le circuit ci dessus est divisé en 4 parties : - le circuit redresseur composé des thyristors SCR1 et SCR2 - le circuit de contrôle de la tension de sortie - le circuit de contrôle du courant de sortie - le circuit de contrôle des gâchettes Si l'on considère les circuits SCR1 et SCR2 d'une part et son circuit d'amorçage d'autre part, il s'agit d'un système analogue à celui de la figure 2-5, auquel s'ajoutent deux boucles d'asservissement aux signaux de sortie tension et courant. Ces signaux sont réinjectés dans le circuit de contrôle des gâchettes. CIRCUIT DE CONTROLE DE TENSION Ce circuit compare la tension de sortie en J6, par rapport à la tension de consigne affichée par l'utilisateur à l'aide de VR1. La différence de tension, appelée tension d'erreur est envoyée vers le circuit de commande des gâchettes. CIRCUIT DE CONTROLE DU COURANT DE SORTIE Le courant de sortie traverse le shunt R2. La tension aux bornes de ce shunt est donc proportionnelle au courant débité par l’alimentation. Ce circuit compare la tension aux bornes du shunt R2, par rapport à la tension de consigne affichée par l'utilisateur à l'aide de VR2. La différence de tension, appelée tension d'erreur est envoyée vers le circuit de commande des gâchettes Plus les gains des boucles d'asservissement tension et courant sont élevés, plus rapide est la réponse en sortie de l’alimentation, et plus précise est la tension (respectivement le courant) de sortie par rapport à la valeur de consigne. Par contre l'augmentation excessive du gain conduit le système à l’instabilité. Le filtre constitué par C1 – CH1 - C2 est un circuit de lissage R1 permet de mesurer les fuites en courant redressé non filtré

33Conduite du TP Raccorder l'alimentation alternative à la platine 5060J, S1 ouvert. Placer la sonde 1 de l'oscilloscope en J8, la sonde 2 en J9 la masse en J7, les amplificateurs en mode continu. Placer le voltmètre continu sur la sortie, entre J6 et J7, calibre 50VDC, tourner VR1 et VR2 à fond sens trigo. Connecter aux bornes de R2 un multimètre calibre 10VDC. Fermer S1 et tourner lentement VR1 jusqu'à ce que le voltmètre de sortie indique 20VDC. Relier la résistance 100R entre J6 et J7. La tension du voltmètre passe à zéro, car le potentiomètre VR2 (débit) est au minimum. Tourner lentement VR2 tout en observant le signal en J9. La tension de sortie ne dépassera pas 20V en raison de la régulation en tension. Ramener VR2 dans le sens trigo en observant les signaux en J9 et J8 quand le voltmètre commence à indiquer moins de 20 VDC. Connecter la résistance 400 Ω sur la sortie et tourner VR1 au maximum. Observer le déphasage des signaux en J3 et J10. Régler VR2 pour que la tension aux bornes de R2 soit de 10VDC, puis remplacer la résistance 400 Ω par une 100 Ω puis une l KΩ. Observer la variation du niveau de tension en J9. Quelle que soit la résistance, la tension aux bornes de R2 reste constante. Il s'agit d'une source de courant. Nota : il est possible d'utiliser d'autres résistances en les connectant en série ou parallèle. Tourner VR2 au maximum dans le sens horaire, et VR1 au maximum dans le sens trigo, puis retirer la charge. Représenter sur un tableau les variations relatives de : - la tension de sortie lue sur le voltmètre - la tension en J8 - la tension en J9 au fur et à mesure que VR1 est tourné dans le sens trigo Ajuster la tension de sortie à 20VDC et connecter entre J6 et J7 des charges allant de 100 Ω à l KΩ. Noter dans un tableau en face de chaque résistance, les tensions relevées en J8 et J9 Placer la sonde 1 de l'oscilloscope en J10, la sonde 2 en J4 et observer le déphasage entre ces deux signaux lorsque la tension de sortie passe de zéro au maximum.

PSY5060-FR-01-2009