Caractéristique tension-courant d'une diode. Utilisation en capteur de température

 
1. Description de la diode utilisée.
   
   Les diodes sont des dipôles polarisés. Leur symbole est donc dissymétrique :
   Il existe une grande variété de diodes. On étudie dans ce TP une diode ordinaire, la N4007.
   Le composant est un petit cylindre noir, l'extrémité correspondant au pôle B est cerclée de blanc.
   La diode que nous utilisons a été gainée de plastique pour pouvoir être plongée dans l'eau. Le pôle noté A sur le schéma, conventionnellement appelé + , est relié au fil rouge, le pôle B sur le schéma, appelé -, est relié au fil noir.
   
    
2. Caractéristique tension-courant
   
   Réaliser le circuit représenté. Le rôle de la résistance est de protéger la diode. Faire vérifier le circuit avant de mettre le générateur en route.
    
   1. Mesures
      
       
      1. Faire varier la tension U_AC aux bornes du générateur de 0 à 8V, sans faire de mesures dans un premier temps. Observer les variations de I. Quel est le signe de U_AC et celui de U_BC ?
         Inverser les bornes du générateur : la borne + du générateur est maintenant reliée à C et sa borne - à A.. Faire varier l'indication de l'afficheur de tension du générateur entre 0 et 8V. Quel est le signe de U_AC et de U_BC ? Que peut-on dire de I ?
          
      2. On dit qu'une diode laisse passer le courant dans un sens, le sens passant, mais pas dans l'autre, le sens bloqué.
         D'après vos observations quel est le sens passant d'une diode ?
         
      
       
   2. Tracé de la caractéristique
      
      Mettre en place un multimètre permettant de mesurer U_BC. Faire vérifier.
      Créer un nouveau classeur Lotus 123.
      Faire varier U_AC entre -3V et 8V. Relever les mesures dans le classeur Lotus sur le modèle du tableau ci-dessous.
      

      Tension UAC V (d'après l'afficheur de tension du générateur)	Tension UBC	Intensité I
      -3
      -2
      valeurs intermédiaires, par ordre croissant :-1, 0, 0,5 , 1, 2, 3, etc
      8

      
      Tracer le graphe XY I (en ordonnée) en fonction de U_BC (en abscisse). Imprimer
       
      1. Suffit-il que U_BC soit positif pour que la diode soit passante (laisse passer le courant )?
          
      2. On caractérise une diode par sa tension de seuil, valeur de U_BC de part et d'autre de laquelle le comportement de la diode change. Quelle est la tension de seuil de la diode étudiée ?
         
         Enregistrer le classeur sous le nom 'DIODE' sur le disque K:\ [home sur serveur]
         Eteindre le générateur mais ne pas défaire le montage.
         
   
    
3. Le thermomètre électronique
   
   On utiliser un multimètre auquel on connecte, à travers une interface approprié, une sonde de température. Sur le calibre mV le multimètre affiche alors une valeur numérique correspondant à la température en degrés Celsius.
   On retrouve dans ce dispositif les principales fonctions d'une chaîne de mesure :
   
    
   • Capteur transformant une grandeur physique (signal physique) à mesurer (par exemple pression , température, éclairement...) en grandeur électrique (signal électrique)
      
   • Traitement, mise en forme du signal électrique
      
   • Mesure du signal électrique après traitement.
      
   • Affichage du résultat de la mesure .
   
   Associer à chaque partie du dispositif (multimètre utilisé en thermomètre) son ou ses rôles dans la chaîne de mesure.
   
   
    
4. Diode en capteur de température.
   
   Placer dans le bécher environ 100mL d'eau froide et un peu de glace.
    
   1. Mesures
      Créer (menu Création) une nouvelle feuille dans le même classeur
      Le montage est identique au précédent, la diode est utilisée dans le sens passant au voisinage de sa tension de seuil. On étudie les variations de la tension U_AB aux bornes de la diode en fonction de la température T, l'intensité du courant étant fixée.
      Régler la tension du générateur aux environ de 5V puis, avec le bouton de réglage fin, ajuster cette tension U_AC pour obtenir une intensité la plus proche possible de 10mA dans le circuit.
      Plonger la diode dans l'eau. Relever les valeurs de la température et la tension aux bornes de la diode, U_BC en V, avec 3 chiffres significatifs au moins
      .
      Mettre en route l'agitation et le chauffage. Attention à ce que les fils ne touchent pas la plaque chauffante.
      Relever la température T et la tension U_BC (en V, avec 3 chiffres significatifs au moins) tous les 5°C environ, relever les mesures dans la feuille Lotus 123 (température dans la première colonne et tension dans la deuxième). Vérifier avant chaque mesure que l'intensité est toujours 10mA. Au besoin, modifier le réglage du générateur pour conserver cette valeur. Ne pas dépasser 60°C. Une fois les mesures finies, arrêter le chauffage et le générateur, retirer la diode.
       
   2. Exploitation
      
       
      1. Tracer dans Lotus 123 le graphe de U_BC (en ordonnée) en fonction de la température T(en abscisse).
          
      2. Pourquoi peut-on dire que la diode est un capteur de température ?
          
      3. Modéliser pour déterminer la relation numérique entre U_BC et T.
          
      4. En admettant que ce modèle est toujours valable au-dessus de 60° , quelle serait (d'après le graphe ou le modèle) la valeur de U_BC à cette température ?
          
      5. A l'aide du graphe ou du modèle, prévoir réciproquement quelle est la température si la valeur de la tension U_BC est 605mV .
         
   
    
5. Application : réalisation d'un thermomètre
   
   On va utiliser l'ordinateur muni d'une carte d'acquisition pour déterminer la rempérature, à partir de la tension mesurée aux bornes de la diode. Le montage est le même que précédemment mais le voltmètre est remplacé par la carte d'acquisition. Ajuster la tension du générateur pour que l'intensité du courant soit la plus proche possible de 10mA.
   On utilise le programme Mesure : il donne la tension mesurée sur la voie de la carte d'acquisition choisie. A partir de cette tension U, il calcule une grandeur X=a.U+b. Les valeurs de a et b peuvent être modifiées . On peut aussi préciser le nom de la grandeur X , son unité et le nombre de chiffres significatifs affichés. Attention : X est affiché au format scientifique et E signifie 'x 10 puissance...", comme dans le tableur.
    
   1. En utilisant les résultats du D, déterminer les valeurs à donner à a et b pour que la valeur de X fournie par le programme soit la plus proche possible de la température de la diode. Comparer la température affichée par l'ordinateur et celle indiquée par le multimètre.
       
   2. La résolution (voir fiche-résumé 1) de la carte d'acquisition utilisée est d'environ (5.10^-4 x calibre) .
      
       
      1. Si on utilise le calibre 10V la résolution est alors de 5mV. Quelle est la variation de la température calculée par le programme quand la tension mesurée varie de 5mV ?
          
      2. Compte-tenu de l'ordre de grandeur de la tension aux bornes de la diode, quel calibre choisira-t-on de préférence ?
          
      3. Quelle est alors la résolution du "thermomètre" ainsi réalisé ?
         
      
      Remarque : outre le choix du calibre, la précision du "thermomètre" obtenu dépend de la qualité des mesures du D, qui ont servi à étalonner le dispositif. Il faut également que l'intensité du courant dans la diode soit la même lors de l'utilisation qu'au cours de ces mesures.