http://lefevre.pc.free.fr TP Physique 8 Utilisation de l’oscilloscope

Application à l’étude d’un circuit inductif RL TS

Objectifs : - Savoir utiliser les fonctions principales d’un oscilloscope - Étudier l’établissement d’un courant dans un circuit inductif à l’aide d’un oscilloscope - Mesurer la constante de temps τ du circuit RL à l’aide d’un oscilloscope

I. L’oscilloscope et son utilisation

1. Principe de fonctionnement coupe de profil d’un oscilloscope

La partie essentielle d’un oscilloscope est un tube en verre où l’on a fait un vide très poussé.

On arrache des électrons à un filament chauffé. Ces derniers sont accélérés dans le canon à électrons. Le faisceau d’électrons passe alors entre les plaques de déflexion électriques. En général les plaques de déflexion horizontale sont reliées à un générateur interne à l’oscilloscope et permettent au faisceau d’électrons de balayer l’écran de gauche à droite (vu d’en face). Les plaques de déflexion verticale sont elles reliées aux deux bornes de la voie I. Ainsi, si on applique la tension à mesurer entre ces deux bornes, on observe une déviation verticale sur l’écran qui est proportionnelle à la tension mesurée. Remarque : la plupart des oscilloscopes sont bicourbes, c'est-à-dire qu’il y a un deuxième jeu de plaques de déflexion verticale reliées à une autre entrée (la voie II). Lorsque les électrons percutent l’écran (matériau fluorescent particulier), on obtient un spot lumineux. Comme le spot ne s’éteint pas instantanément après un choc, un balayage rapide et répété permet de donner au spot l’allure d’une courbe immobile.

2. Fonctions des principaux boutons utilisés

Voie I

Affichage

Voie II

Balayage Spot 4 5 6 7 8

A’

B’

C’

E

D’

11 10 9

1

2

3

A

B

C

D

On-Off. Intensité. Permet de régler la luminosité afin d’obtenir une trace fine et lumineuse. Focus. Permet d’obtenir une trace nette.

Permet d’arrêter le balayage du spot. Permet de décaler horizontalement l’oscillogramme obtenu. Base de temps. Permet de régler la vitesse de défilement du spot. Permet de régler le niveau seuil déclenchant le départ du spot de la gauche de l’écran. Activation de la fonction mémoire de l’oscilloscope (non développé ici car plus facile avec l’ordinateur).

Permet d’afficher la voie I ou la voie II. Permet d’afficher la voie I et la voie II en même temps. Permet d’affiche directement en temps réel la somme des tensions des voies I et II.

Déplacement vertical de la courbe de la voie choisie (à ne plus toucher après le centrage préliminaire). Sensibilité verticale de la voie choisie. On dit aussi calibre vertical de la voie choisie. Position AC (alternative courant) pour afficher des courants alternatifs. L’affichage est moyenné à zéro. Position DC (direct courant) pour afficher une éventuelle composante continue (bouton décalage générateur). Position GD (Ground). Permet de régler la trace au centre de l’écran quand une tension est mesurée. Voie I ou II selon le côté choisi (avec les 2 bornes : « masse » en noir et « Y » en rouge).

Permet d’inverser l’affichage de la tension mesurée en voie II. Utile pour mesurer 2 tensions en même temps.

3. Utilisation de l’oscilloscope comme voltmètre

Toutes les manipulations simples suivantes peuvent être refaites ou vérifiées grâce au simulateur gratuit « Oscillo » (logiciel à télécharger !).

a. Centrage préliminaire des voies de l’oscilloscope A FAIRE SYSTEMATIQUEMENT AU DEPART Enclencher le bouton GD de la voie 1 et ajuster la trace au centre de l’écran grâce au bouton « Y-pos » Désenclencher le bouton GD et ne plus jamais toucher au bouton « Y-pos ». Refaire la même chose pour la voie 2. b. Mesure de la tension aux bornes d’une pile Brancher une pile sur la voie I et mesurer la tension (f.e.m.) de cette pile. Attention à se placer en mode « continu » : bouton DC de la voie 1 Faire vérifier par le professeur. En changeant les bornes de la pile, vérifier que la tension mesurée est négative. Se replacer en mode alternatif, en désenclenchant le bouton c. Visualisation d’une tension sinusoïdale - Brancher le générateur sur le secteur et relier ses 2 bornes de sortie (SORTIE et masse) à la voie I l’oscilloscope.

ATTENTION : les indications données par les curseurs du GBF ne sont qu’indicatives ; ne pas s’y fier ! Seule la vérification à l’oscilloscope permet d’être sûr du signal délivré par le GBF !

+ -

1

2

3

4

5

6

7

8

9

11

A

B

C

D

E

10

? Div

A C

C

C

Sensibilité verticale : 2 V/div J’ai ……… divisions donc une tension de 2 x……… = …… V !

Exemple : on souhaite que le GBF délivre une tension sinusoïdale d’amplitude 6,0 V de fréquence 2,5 kHz.

Il est nécessaire de réfléchir un peu avant et de connaître la période du signal ! Fréquence : f = 2,5 kHz donc période : T = 1/f = 1/(2,5.103) = 0,4 ms Pour obtenir sur l’écran de l’oscilloscope un « beau » signal comme sur la photo ci-contre, quelles doivent être les réglages de l’oscilloscope à effectuer ?

Réglage de l’oscilloscope SOLUTION : choisir une sensibilité verticale de 2 V/div. sur la voie I et une base de temps de 0,1 ms/div. Justifier.

Réglage du GBF Une fois l’oscilloscope prêt, ajuster les réglages du GBF (tension et fréquence) pour qu’il délivre le signal demandé. Faire vérifier par le professeur.

Remarque : cette démarche est à maîtriser parfaitement ! d. Visualisation d’un signal rectangulaire ou triangulaire Sélectionner les 2 autres formes de tensions que le GBF peut délivrer avec ces boutons et observer les oscillogrammes. e. Visualisation simultanée de deux signaux Rajouter le branchement de la pile sur la voie II et sélectionner le bouton adéquat pour visualiser les deux tensions en même temps. Remarquer que chaque tension a sa propre sensibilité verticale. f. Exercices S’il reste du temps, s’entraîner individuellement à régler un des signaux suivants : Dessiner l’oscillogramme obtenu en notant la sensibilité verticale et la base de temps choisies.

1. sinusoïdal, f = 1 kHz, Umax = 1,0 V 2. sinusoïdal, f = 5 kHz, Umax = 4,0 V 3. rectangulaire, f = 800 Hz, Umax = 6,0 V 4. triangulaire, f = 10 kHz, Umax = 500 mV

4 Div

3 Div

« beau « signal en physique signifie visible en entier (crête à crête) sur 2 ou 3 périodes !

Sensibilité verticale : Base de temps :

II. Application à l’étude d’un circuit inductif RL

1. Réalisation du montage

Rappel : toujours faire le montage du circuit principal avant de brancher les fils de connexion vers les instruments de mesure (ici l’oscilloscope).

Régler le GBF à l’aide de l’oscilloscope pour qu’il délivre un signal rectangulaire (on dit aussi signal en créneaux) de fréquence f = 1 kHz et d’amplitude Um = 2 V. Mesurer à l’ohmmètre la résistance interne r de la bobine d’inductance L = 70 mH et noter sa valeur dans le tableau ci-dessous. Réaliser le montage suivant avec boîte de résistance réglables où R = 1 kΩ et en gardant les réglages du G.B.F. effectués précédemment. Régler les sensibilités verticales de l’oscilloscope afin d’avoir les plus grands signaux possibles. Le balayage horizontal sera choisi pour observer 1 ou 2 périodes sur l'écran.

Appeler le professeur pour vérification du montage (Appel 1)

2. Analyse du montage et exploitation de l’oscillogramme

2.1. Flécher sur le schéma les 2 tensions visualisées. 2.2. Comment nomme-t-on ces 2 tensions ? Quel est l’intérêt de visualiser chacune d’elle ? 2.3. Déterminer la constante de temps théorique thτ du dipôle RL d’après les caractéristiques des éléments du montage. La noter dans le tableau ci-dessus. 2.4. A partir d’une des courbes de l’oscillogramme, déduire la valeur expérimentale de la constante de temps τ du dipôle RL (dilater au maximum les signaux pour cette mesure). 2.5. Cette valeur est-elle en accord avec la valeur théorique ? Calculer l’écart relatif correspondant.

Influence de L et de Rtot : 2.6. Proposer une méthode expérimentale pour mettre en évidence la dépendance de τ avec L et Rtot. La réaliser et vérifier que le résultat expérimental est en accord avec la théorie.

Influence de la tension du GBF : 2.7. Diminuer l’amplitude de la tension du GBF. Noter vos observations. 2.8. Multiplier la fréquence de la tension délivrée par le GBF par un facteur 10. Étaler le signal au maximum. Noter vos observations et conclure. Ramener la tension du GBF à 0 V puis l’éteindre. Défaire le montage et ranger le matériel sur la paillasse.

(L, r)

R

GBF

masse

Y2

Y1

B

A

M

L = 70 mH et r = Ω

R = 1 kΩ d’où Rtot = Ω

GBF : tension Umax = 2 V et f = 1 kHz

RL tot

th ==τ