Aurélie 30/08/11
 

 

   Surveillance de la température du microprocesseur dans un micro-ordinateur : bac STL PLPI 2011.


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Etude du capteur de température :
Le capteur LM 35 est un composant spécialisé. Il fournit une tension ucapt, qui est l’image de la température θ comme l’indique sa caractéristique donnée.

La tension ucapt est-elle proportionnelle à la température θ ? Justifier la réponse.
La courbe est une droite passant par l'origine :
ucapt est proportionnelle à la température.
Ecrire l’équation associée à la représentation graphique ucapt = f(θ) et préciser l’unité de son coefficient directeur.
Coefficient directeur a = 0,3 / 30 = 0,01 V °C-1;. ucapt = 0,01 q.
Réalisation de l'amplificateur de tension : étude du bloc 1.
La tension ucapt doit être amplifiée de façon à obtenir la tension uq telle que : uq = k.q, avec k = 0,1.

Le bloc 1 est construit autour d’un AOP. Quel doit être son régime de fonctionnement si on veut que le bloc 1 réalise la fonction amplification ?
L'AO doit fonctionner en régime linéaire.
 On pose A = uq / ucapt et  ucapt =0,01 q.
Quelle doit être la valeur de A pour que uq = 0,1.q ?
uq / ucapt = 0,1.q /(0,01 q) = 10 ; A = 10.
Le bloc 1 comporte un AOP et deux résistors de résistances R1 et R2.
R2 est formée par l'association en série d'un résistor de résistance R’2 de valeur fixe, et d'un résistor de résistance variable R’’2 comme indiqué sur la figure.




 Quelle est la valeur de la tension différentielle ud ? Justifier votre réponse.
L'AO est parfait et fonctionne en régime linéaire : Ud = 0.
Quelles sont les propriétés de l’AOP « supposé parfait » ?
La tension différentielle Ud est nulle et les courants i+ et i- dans les deux entrées de l'AO sont nulles.

Etablir la relation liant la tension uθ aux grandeurs ucapt, R1 et R2.
On note i l'intensité traversant
R1 et R2.

ucapt= - R1 i ; uθ +R2 i  = ucapt ; uθ +R2 (-ucaptR1 )  = ucapt ;
uθ =ucapt (1+R2R1 ).
En déduire la relation liant la tension uθ aux grandeurs ucapt, R1, R’2 et R’’2.
uθ =ucapt (1+(R'2 +R"2)/ R1 ).
Quel est la fonction de ce montage ?
Amplificateur non inverseur.
Exprimer R2 en fonction de R1 pour que le bloc 1 fonctionne de manière à avoir
uq / ucapt = 10. Calculer la valeur qu’il faut donner à la résistance R’’2 si R1 = 1 kW et R’2 = 8,2 kW.
uq / ucapt =10 = 1+R2R1 ; 9 =R2R1 ; R2 = 9R1.
R2 = 9
kW ; R’’2 =R2-R’2 =9-8,2 = 0,8 kW.
Que vaut la tension uθ si ucapt vaut 1,0 V ?
uq / ucapt =10 ; uq  =10 V.
Que vaut la tension uθ si ucapt vaut 2,0 V ? Justifier votre réponse.
uq  =20 V. Or Usat = +12 V ; en conséquence  uq  =12 V.
Tracer  la caractéristique de transfert représentant uθ = f(ucapt) de ce montage, sachant que ucapt varie de 0 à 2,0 V.
Faire apparaître les valeurs significatives dont celles correspondant aux limites de fonctionnement du régime linéaire de l’AOP.

 Comment visualiser la caractéristique de transfert sur l’écran de l’oscilloscope ?
Indiquer  les branchements de l’oscilloscope.
Utiliser l'oscilloscope en mode XY.





Les comparateurs de tensions : étude du bloc 2.
La tension uq  est appliquée aux deux comparateurs. On effectue ici l’étude du montage de la figure 4.

On rappelle que 
uq = 0,1.q.
Calculer les valeurs à donner aux tensions U1 et U2 afin que les deux avertisseurs (DEL et « buzzer ») se déclenchent respectivement à 45° C et 55° C ?
A 45°C, uq = 4,5 V . A 55°C, uq = 5,5 V.
Une diode électroluminescente (DEL) si la température dépasse θ1 = 45° C, et déclencher un "buzzer" si la température atteint θ2 = 55° C.
La DEL se déclenche si uq -U1 >0 ( US1 = +Vsat) ; U1 =4,5 V.
Le "buzzer" se déclenche si uq -U2 >0 ( US2 = +Vsat) ; U2 =5,5 V.
 Préciser le régime de fonctionnement des AOP 1 et AOP 2. Justifier votre réponse.
Les deux AO fonctionnent en mode saturation ; il n'y a pas de boucle de contre réaction entre la sortie et l'entrée inverseuse.
Dans la suite du problème, on pose U1 = 4,5 V et U2 = 5,5 V.
Flécher les tensions différentielles ud1 et ud2.

Exprimer les tensions ud1 et ud2 en fonction des tensions d’entrée de chacun des AOP.
ud1 = uq -U1 ; ud2 = uq -U2.
Préciser les valeurs que peuvent prendre us1 et us2 en fonction du signe de ud1 et ud2.
Si
ud1 >0, alors us1 = +Vsat ; si ud1< 0, alors us1 = -Vsat ;
Si ud2 >0, alors us2 = +Vsat ; si ud2< 0, alors us2 = -Vsat.
Représenter l’allure de la caractéristique de transfert de l’AOP 1 en y faisant apparaître le nom des axes, ainsi que la valeur U1. (On rappelle que la tension
d’entrée du montage est la tension uθ.)
Représenter l’allure de la caractéristique de transfert de l’AOP 2 en y faisant apparaître le nom des axes ainsi que la valeur U2.

Compléter le tableau :

Ud1 Ud2 US1 US2
uq<U1<U2 < 0 < 0 -Vsat -Vsat
U1< uq< U2 > 0 < 0 +Vsat -Vsat
U1<U2< uq > 0 > 0 +Vsat +Vsat







Préciser, en le justifiant, la nature (DEL ou buzzer) des avertisseurs 1 et 2.
Une diode électroluminescente (DEL) si la température dépasse θ1 = 45° C, et déclencher un "buzzer" si la température atteint θ2 = 55°.
L'avertisseur 1 est la diode, l'avertisseur 2 est le "buzer".
 Les tensions U1 et U2 sont obtenues à partir d’une tension U = 12 V au moyen de résistors de résistances variables R4 et R6, comme indiqué sur la figure.

Exprimer la tension U2 en fonction des résistances R3, R4 et U.
On note i l'intensité du courant traversant R3 et R4.
U2 = R4 i ; U = (R3+R4)i = (R3+R4)U2 / R4 ; U2 =R4 U /(R3+R4).
R3 étant fixée à 500 W, calculer la valeur de la résistance R4 pour obtenir la tension de consigne U2 = 5,5 V.
(R3+R4)U2 =R4 U ; R4(U - U2 )= R3U2 ;  R4=R3U2 / (U - U2 ) =500*5,5 / 6,5 =423 ohms.
R5 étant fixée à 1000 W, calculer la valeur de la résistance R6 pour obtenir la tension de consigne U1 = 4,5 V.
 U1 =R6 U /(R5+R6) ; R6=R5U1 / (U - U1 ) =1000*4,5 / 7,5 =600 ohms.
Le buzzer est un composant polarisé pouvant être alimenté par la sortie des comparateurs choisis. Il supporte la tension 12 V.
On donne la caractéristique uD = f(ID) de la DEL (de type TTLR440). La DEL utilisable en avertisseur supporte un courant maximal
de l'ordre de ID = 20 mA et doit donc être protégée par une résistance RP.


Exprimer puis calculer la valeur de la résistance RP permettant de limiter l’intensité du courant ID dans la DEL à 20 mA.
La DEL étant passante UD = 1,6 V ; U = RPID +UD ; RP = (U-UD) / ID =(12-1,6) / 0,02 =520 ohms.
Compléter le schéma  en y représentant les résistances variables R4 et R6, les résistances R3 et R5, la DEL avec sa résistance de protection RP et le buzzer que l’on symbolisera par un rectangle.




Synthèse :
- tracer la caractéristique uθ = f(θ), évolution de la tension uθ en fonction de la température θ si θ varie de 0° C à 130° C.
- faire apparaitre les températures θ1 = 45° C et θ2 = 55° C.
- pour les différentes plages de températures, indiquer l’état de la DEL et du buzzer.

On souhaite modifier le cahier des charges de ce montage : on veut que la DEL s’allume si la température dépasse 35° C et que le « buzzer » se déclenche dès que la température atteint 45° C.
Quel(s) paramètre(s) du montage faut-il modifier ?
Diminuer les valeurs des résistances variables R4 et R6.




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