Qu'est-ce qu'un diviseur de tension Résistors de tirage
Capteur de température Conclusion Pont de Wheatstone Microphone LIENS...Didier VILLERS
| Dans ce chapitre, tu vas comprendre comment est réalisé un diviseur de tension et quelques applications qui montrent l'importance de ce montage en électronique |
| Qu'est-ce qu'un diviseur de tension | Résistors de tirage
|
| Capteur de température | Conclusion |
| Pont de Wheatstone | |
| Microphone | LIENS... |
Ce chapitre fournit les informations nécessaires pour comprendre l'intéret du montage diviseur de tension.
Le schéma suivant nous montre un résistor dont la résistance est fonction de la lumière reçue par celui ci. Son nom est "LDR" (light dependent resistor)
La partie sensible de la LDR est une piste de sulfure de cadmium qui serpente à la surface du capteur). L'énergie lumineuse déclenche l'augmentation des porteurs libres dans la matière de la LDR, si bien que la valeur de la résistance diminue d'autant plus que la luminosité augmente.
Une résistance dont la valeur dépends de son éclairement (LDR) est utilisée pour réalisée le pont diviseur de tension.
Le schéma structurel du diviseur de tension est:
Comme vous pouvez le voir, deux résistors sont connectés en série, avec Vin, tension souvent réalisée par une source de tension continue, connectée à la résistance Rtop.La tension de sortie Vout est la tensionmesurée aux bornes du résistor Rbottom. La tension à ses bornes est donnée par la formule suivante:
Cela peut-être vous aider pour vous souvenir que Rbottom se situe au numérateur de la formule parce que Vout est mesurée au bornes de Rbottom.
FORMULE CLE: |
Ceci est un formule usuelle extrêmement importante que vous devez savoir par coeur absolument |
Que
se passe t''il si l'un des résistors du pont diviseur de tension est remplacé
par une LDR? Dans le circuit ci dessous, Rtop a une valeur
de 10 
, et une LDR est utilisée en remplacement de Rbottom
:
Supposons que la LDR a une resistance de500 
en lumière vive et 200
dans l'obscurité (ces valeurs sont raisonnables).
Quand la LDR est éclairé en lumière vive:
Dans l'obscurité, Vout sera de:
En d'autres termes, ce circuit donne une tension FAIBLE quand la LDR est dans la lumière, et une tension élevée quand la LDR est dans l'obcurité. Le montage "pont diviseur de tension" donne une tension de sortie qui change avec l'éclairement de la LDR.
Un montage de ce type peut être utilisé comme un détecteur d'obscurité qui allume automatiquement une lampe au crépuscule.
Ceci ne te semble peut être pas trés interesssant, mais la plupart des montages utilisant un capteur sont réalisés avec un pont diviseur de tension. Il n'y a pas d'autre solution aussi simple pour réaliser un montage fonctionnant avec un capteur.
Voici le montage du pont diviseur de tension construit avec une LDR à la place de Rtop:
Quel effet cela a t-il sur la valeur de la tension Vout?
L'action sur le circuit est inversée ce qui veut dire que la tension Vout augmente quand la LDR est éclairée progressivement et que Vout diminue quand la LDR passe progressivement dans l'obscurité. Recalcule la tension Vout avec les différentes valeurs appropriées et tu constateras ce résultat.
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Un résistor sensible à la température est appelé thermistor. Il y a plusieurs modéles de thermistors.
La résistance de la plupart des thermistances décroit quand la température augmente. Dans ce cas on dit que le coefficient de température est négatif: "C.T.N". Remarques que dans ce cas on rajoute un signe "-" au symbole graphique ""-t° " (voir la figure ci dessus). Un thermistor de type C.T.N. est fabriqué avec des matériaux à base d'oxyde de métal. (Les semi-conducteurs ont des propriétés résistives qui se situent entre les conducteurs et les isolants.) Quand la température augmente, il a plus de charges négatives libres et donc leurs résistances chutent.
Bien qu'utilisé beaucoup moins souvent, il est possible de fabriquer des thermistors à coefficient de température positif appelé "C.T.P." ou "P.T.C." en anglais. Les thermistors de type C.T.P. sont fabriqués avec différents matériaux dont la résistance augmente avec la température.
Comment utiliser un capteur pour réaliser une alarme anti-feux? Tu prends un circuit qui délivrera une tension "HAUTE" quand la condition de température élevée est détecté. Tu as besoin d'un montage diviseur de tension avec un thermistor de type C.T.N. cablé à la place de Rtop.
Comment peut-tu réaliser un capteur qui détecte une température inférieure à 4°C qui alerte les conducteurs de véhicules qu'un risque de verglas est possible sur la chaussée routière? Tu veux un montage qui foournit une tension élevée pour des températures inférieures à 4 °C. Tu as besoins d'un pont diviseur de tensioin avec un thermistor à la place de Rbottom:
Cette dernière application nous amène à nous poser une question très importante: Comment savoir que la tension Vout correspond à une température de 4°C?
Pour répondre à cette question, tu as besoins de connaître la valeur de la résistance du thermistor pour une température de 4°C
Il existe différents modèles de thermistance. Chacune a ses propres caractéristiques de changement de valeur de résistance suivant la température. Le diagramme ci-dessous montre un exemple de courbe caractéristique d'un modèle de thermistance
Sur l'axe des "Y",
la résistance est graduée sur une échelle logarithmique.Cette
échelle logarithmique est organisée en 3 décades: 100 
à 1000;
1000
à 10000 et 10000 à 10000.
C'est une manière de comprimer le graphique, de cette façon il est
plus facile de voir la variation de la valeur de la résistance. Entre 100
et 1000 ,
chaque graduation correspond à 100
. Entre 1000 et 10000 ,
chaque graduation graduation correspond à 1000 ,
A partir de 1000 ,
chaque graduation correspond à 10000 ..
Comme tu peux le voir, cette thermistance
a une résistance qui varie autour de 70 
à 0°C jusqu'à 1
à 100°C. Les documentations constructeurs nous donnent usuellement
des valeurs de résistance à 25°C. laquelle est de 20dans notre cas (voir courbe ci dessous). Les catalogues fournissent aussi la valeur
d'une constante appelée "Beta" ou "B-value". Quand
ces deux nombres sont indiqués, il est possible de calculer la valeur approximative
de la résistance du thermistance à n'importe quelle température
à partir de la formule suivante:
Ou:
RT est la valeur de la résistance à une température T en degré Kelvin (= °C +273)
e est le logarithme naturel, à la puissance 
dans cette équation.
B est la valeur "B-value" spécifiée dans la documentation constructeur de ce thermistor.
Tu n'as pas besoin de retenir ou d'utiliser cette formule maintenant, mais il est utile de savoir que l' information fournie par les catalogues est suffissante pour tracer la caractéristique du RT = f(T) de la thermistance.En utilissant un tableur du type Excel, il est possible de tracer les courbes des caractéristiques de n'importe quelle thermistance en calculant les valeurs de résistance suivant la gamme des températures de cette thermistance..
Avec
RT0
= 20
et B =4200, la résistance varie de 0 à 10°C comme l'indique
le graphe ci dessous:
A
partir du graphe, la résistance à 4°C peut estimée comme
un petit moins que .
Par le calcul en utilisant la formule mathématique, la valeur exacte de
la résistance est de 58.2 .
|
KEY POINT: |
La plus grande variation de Vout est obtenue avec un pont diviseur de tension dont les valeurs des résistors Rtop et Rbottom sont EGALES. |
Il
faut donc choisir la valeur la plus proche de Rtop (qui est ici de 58.2 ),
ce qui rendra le montage le plus précis possible pour une détection
à 4°C. La valeur la plus proche dans la série E12/E24 est la
valeur 56 ..
Ceci est important parce que ceci perment la plus grande variation possible de
Vout ( en plus ou en moins) et donc une meilleur précision. pour le fonctionnement
des autres sous-ensembles, qui utilsent cette information pour avertir que la
température est au dessus de 4°C.
Les capteurs ont une résistance qui varie considérablement. Vous pouvez utiliser cette propriété pour réaliser des diviseurs de tension qui seront calculer pour obtenir la tension de sortie Vout désirée à la température désirée (on appelle cela le point critique).
Les thermistances sont utilisées dans plus d'objets techniques que vous ne pourriez l'imaginer. Elles sont intensivement employées dans le secteur automobile, par exemple dans :
Des thermistances sont utilisées pour mesurer les températures de la mer en surface et en profondeur aidant ainsi à surveiller les courants d'océan de El Niño . Moins évidemment, des thermistances sont employées pour mesurer la circulation de l'air, par exemple pour surveiller la respiration de l'air respiré par les bébés prématurés.
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Monsieur Charles Wheatstone était un scientifique talentueux dans de nombreux domaines. Il a inventé la "concertina", a réalisé des recherches sur la photographie stéréoscopique: il a inventé le stéreoscope et a joué un rôle important dans le développement des communications avec le télégraphe. Il a été le premier à exploiter le circuit qui porte aujourd'hui son nom, (il ne l'a pas inventé) en faisant des mesures de résistance.
Qu'est-ce donc qu'un "Pont de Wheastone"? Voici le circuit:
Le pont de wheastone est constitué de deux ponts diviseurs de tension. Supposons que la valeur de RX est inconnu et que la valeur de RC est réglé jusqu'à obtenir que la tension Vout du second diviseur de tension soit égale à la tension Vout du premier diviseur de tension (celui qui contient le résistor RX.) Quand les 2 tensions sont égales, on dit que le circuit est équilibré. Le point d'équilibre peut être obtenu en branchant un galvanomètre ou un voltmètre à point milieu aux sorties des deux ponts. Le montage est équilibré quand la tension mesurée par le voltmètre est nulle (0V).
Quand le circuit est équilibré, le rapport RX / RA est égal au rapport RB / RC . En remaniant l'égalité, on en déduit la valeur de RX
Cela veut dire que si les valeurs de RA , RB and RC sont connues, alors il est facile de calculer la valeur de RX. Dans un pont de Wheatstone de laboratoire, les valeurs de RA and RBsont fixés et la valeur de RC est réglé par rapport à une échelle qui donne directement la valeur de RX (Ce qui évite de faire le calcul décrit ci-dessus).
Aujourd'hui les ponts de Wheatstone ne sont plus utilisés pour mesurer la valeur des résistors (du fait de l'utilisation des multimètres de type numérique beaucoup plus précis). Il sont par contre utilisés dans les montages utilisant des capteurs.
Un variomètre est un instrument utilisé dans les planeurs pour détecter des changements de pression atmosphérique due aux changements soudains d'altitude. Le variomètre alerte le pilote de planeur de la présence de courants aériens ascendants ou de courants ascendants. En entrant dans un courant ascendant le pilote peut gagnerde l'altitude et continuer à voler plus longtemps.
Voici un montage d'un variomètre utilisant des thermistances pour détecter des changements de pression :
Les variations d'altitude provoquent des variations de pression qui produissent un courant d'air. Un élément chauffant réchauffe l'air dans le passage d'écoulement entre l'air extérieur et chambre de référence (reference chamber) Les thermistances A er B sont plus ou moins réchauffées suivant le sens et la vitesse du flux d'air provoqué dans le passage. La différence de température entre les deux thermistances permettent de calculer la pression extérieure (sachant que l'on connait la pression dans la chambre de référence
Les capteurs à base de thermistance sont utilisés avec le montage "Pont de Wheatston" :
Pour étalonner l'instrument, le montage est réglé pour obtenir une tension de sortie nulle. L'avantage du pont de Wheatstone est que seulement les différences de la température entre les deux sondes mettront le pont hors de l'équilibre.Le Froid ou chaud agissent de la même façon sur les deux sondes. La circulationde l'air dans ou en dehors de la chambre de référence a l'effet opposé sur les deux sondes : l'une sera chauffé par le courant d'air, alors que l'autre est refroidie. Cela a pour conséqunece que la tension de sortie comme si il n'y avait qu'un seule sonde. Les deux sondes thermistances font parties du pont de Wheastone.
Les montages à base de pont de Wheatstone semblent plus difficiles comprendre que les montages à base de pont diviseur de tension. Le circuit est habituellement dessiné comme diamant :
Il est moins évident de comprendre ce montage. mais si vous pensez que ce montage est réalisé à l'aide de deux ponts diviseurs de tension, alors cela deviendra plus facile.
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Le microphone est un capteur sensible aux sons (bruit, musique, voix, etc) LeDessin suivant nous montre un microphone de type "Cermet".
'Cermet' est la contraction des mots 'céramique 'et 'métal'.. Un
mélange de ces deux matériaux est employé dans la fabrication de la partie "sensible"
du microphone. Pour les faire fonctionner correctement, les microphones de technologie
"Cermet" doivent être alimentées sous une tension d'environ
1.5 V. Avec un circuit alimenté par une source de tension d'alimentation
de +9 V, un pont diviseur de tension réalisé avec deux résistances
de 4.7
et de 1font un diviseur de tension qui fournit une tension de 1.6 V aux bornes du microphone.
Les ondes sonores produisent de petites variations de tension, de l'ordre de 10
à 20mV. Pour extraire ces petits signaux de la tension continue de +1.6
V, on utilise un condensateur. Les condensateurs sont décrits dans un autre
chapitre.
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Quand un bouton-poussoir est utilisé pour fournir une information à l' entrée d'un circuit, en règle générale, en appuyant sur ce bouton-poussoir on obtient le changement de niveau d'une tension continue. C'est cette tension continue qui déclenche l'action dans le circuit électrique commandé. Pour réaliser le signal électrique de commande, vous avez besoin d'un pont diviseur de tension. Le circuit de commande peut être réalisé des deux manières suivantes:
La
résistance de "tirage vers le bas" (pull down) dans le premier
circuit fournit au repos (bouton poussoir non enfoncé) une tension de sortie
Vout qui est toujours à un niveau de tension dit "BAS" (ici OV)..
Quand on actionne sur le bouton poussoir (bouton poussoir enfoncé), la
tension de sortie "bascule" à un niveau de tension dit "HAUT"
(ici + 9V). Une valeur de 10 est une valeur courament utilisée dans ce genre de montage.
Dans le second circuit, au repos (bouton poussoir non enfoncé), la résistance de "tirage vers le haut" (pull up) force la tension de sortie Vout à un niveau de tension "HAUT" (ici +9V). En agissant sur le bouton poussoir (bouton poussoir enfoncé), la tension Vout bascule à un niveau de tension "BAS" (ici 0V).
Dans des circuits à base de composants numériques, une basse tension s'appelle le 'niveau bas "0", tandis qu'une haute tension s'appelle le 'niveau logique haut "1" Les circuits ci dessus sont parfaits pour fournir des signaux d'entrée pour des systèmes de logique binaire.
Quels sorte d'interrupteur, de commutateur peut-on employer? .Il existe une variété de commutateurs, de bouton-poussoirs. Celui proposé ci dessous s'appelle un bouton poussoir tactile miniature.
Comme vous pouvez voir, le bouton poussoir a quatre bornes qui sont liées deux à deux. par deux pistes internes en métal. En appuyant sur le bouton poussoir un contact électrique (court-circuit) est réalisée entre les deux pistes internes du bouton poussoir. On dit alors que l'interrupteur (le bouton poussoir )est fermé.
Il y a un bon nombre d'autres commutateurs que vous pourriez vouloir utiliser dans un montage pont diviseur de tension. Ceux-ci incluent les commutateurs tubulaires magnétique-actionnés, comprennent les commutateurs et les garnitures de pression, avec comme application par exemple une alarme détection d'intrusion de cambrioleurs.
Il y a beaucoup de sortes d'interrupteurs et de boutons poussoirs que tu pourrais utiliser dans un montage "pont diviseur de tension".
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Les diviseurs de tension ne sont pas seulement important, ils sont fondamentaux pour comprendre les schémas électroniques. Tu les trouveras partout.
Sir
Charles Wheatstone
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