Interrupteur synchrone#
Ce montage a pour objectif d’allumer une lampe à incandescence pendant un temps court sur base d’un signal audio.
Cahier des charges#
Voici les caractéristiques macroscopiques requises pour le circuit.
Un micro mesure l’intensité sonore de la pièce. Lorsque l’intensité sonore dépasse un certain seuil (réglable), une lampe est allumée pendant 100 ms.
Le système doit appliquer un filtre pour ne pas réagir à des fréquences supérieures à 300Hz.
La charge (lampe) doit être pilotée en synchronisation avec le 50Hz du secteur.
Liste des tâches#
Vue d’ensemble#
Tracer 1 signal en entrée avec un pic dépassant le seuil et tracer le courant alimentant la lampe jusqu’à extinction.
Analyser le circuit par blocs
Identifier la fonction de chacun des 5 blocs représentés sur le schéma du montage
Pour chaque bloc, identifier le type de grandeurs physiques en entrée et en sortie
Pour chaque bloc, tracer le schéma de la sortie en fonction de l’entrée (transient)
Pour le tracé des schémas, n’importe quel outil ou logiciel est accepté. Python ou Excel sont cependant conseillés.
Microphone#
Analyser le fonctionnement des microphones en général et du microphone à électret en particulier. Pour ce faire, faire l’essai avec une résistance de polarisation entre 10k\(\Omega\) et 100k\(\Omega\).
Mesurer le courant au repos du microphone à électret et dimensionner la résistance de polarisation pour obtenir une tension aux bornes du micro assurant que le transistor est en régime linéaire (la tension de coude peut être estimée à 2V) et laisser une marge d’1V pour ne pas s’approcher trop de la tension d’alimentation (en sachant que la tension utile sera de l’ordre de 100mV maximum).
Dimensionner le filtre fournissant la tension de polarisation du microphone.
Pré-amplificateur#
Analyser le montage « amplificateur AC » en pleine bande et déterminer son gain. Ceci implique :
De considérer \(C_1\) comme un court-circuit
De considérer \(C_2\) comme un interrupteur ouvert
D’ignorer l’effet du filtre d’entrée formé par \(C_c\), \(R_1\) et \(R_2\).
Analyser le montage « amplificateur AC » en DC (donc en considérant tous les condensateurs comme des interrupteurs ouverts) et déterminer son point de fonctionnement.
Dimensionner les résistances pour obtenir une dynamique de sortie maximale. Pour cela, se baser sur les mesures de la tension de sortie du micro.
Dimensionner les condensateurs \(C_1\) et \(C_2\) pour obtenir une bande passante entre 5Hz et 200Hz et esquisser le diagramme de Bode pour un amplificateur opérationnel idéal.
Valider que la limite en fréquence de l’amplificateur opérationnel n’aura pas d’impact sur la bande passante. Esquisser le diagramme de Bode en tenant compte de cette limite.
Comparateur#
Déterminer la plage de tensions de seuil à utiliser pour le comparateur (sur base de la mesure du signal en sortie du microphone et du gain de l’amplificateur)
Dimensionner \(R_1\), \(R_{pot}\) et \(R_2\) pour permettre un réglage de n’importe quelle valeur de cette plage (en résolvant le système des 2 équations formées par les contraintes pour la valeur maximale et minimale de la plage).
Fonctionnement#
Vue d’ensemble#
Le système peut être représenté d’un point de vue macroscopique par la figure suivante.
Il peut être détaillé par le schéma-bloc suivant.
Le micro mesure l’intensité sonore et la transforme en tension.
Le préamplificateur amplifie cette tension d’un gain à déterminer (aussi gros que possible sans risquer la saturation). Il applique également un filtre passe-bande pour sélectionner les fréquences inférieures à 300Hz.
Le comparateur détermine si le signal est supérieur à un certain seuil (réglable).
Le monostable génère une impulsion de 100ms dès que le comparateur a détecté quelque chose.
Tant que le pulse est actif, l’interrupteur est fermé et la lampe est allumée. La lampe s’éteint après 100ms et le premier passage du courant par 0.
Microphone#
Le schéma suivant implémente la fonction microphone en se basant sur un micro à électret.
Le filtre formé par \(R_f\) et \(C_f\) à pour objectif d’éliminer les éventuelles composantes AC provenant de la tension d’alimentation et pouvant perturber le signal de sortie. Pour le dimensionner, il faut
Prendre une valeur de \(R_f\) négligeable devant \(R_{pol}\).
Prendre une fréquence de coupure telle que les harmoniques passant à travers ne seront pas amplifiées par l’étage d’amplification suivant.
Pré-amplificateur#
Le schéma du pré-amplificateur est donné ci-dessous.
La fonction de transfert en pleine bande (lorsque aucun des filtres n’a d’impact significatif) du montage peut être déterminée en considérant \(C_1\) comme une impédance nulle et \(C_2\) comme une impédance infinie.
La fonction de transfert en fonction de la pulsation peut être déterminée de 2 manière:
Par une méthode exacte : on détermine mathématiquement la fonction de transfert
Par une méthode assymptotique: on observe ce qui se passe à très basse fréquence, en pleine bande et à très haute fréquence. On détermine ensuite les fréquences de coupure.
La deuxième méthode est conseillée ici. Comme les fréquences de coupures basses et hautes sont espacées d’un facteur 100, l’impact du filtre passe-bas peut être négligée lorsqu’on calcule la fréquence de coupure basse et vice-versa.
Comparateur#
Le schéma du comparateur est donné ci-dessous.
Monostable#
Le schéma du monostable est donné ci-dessous.
Interrupteur synchrone#
Le schéma de l’interrupteur synchrone est donné ci-dessous.
