Diviseur de tension
PIÈCES ET MATÉRIAUX
- Calculatrice (ou crayon et papier pour faire de l'arithmétique)
- Batterie 6 volts
- Assortiment de résistances entre 1 KΩ et 100 kΩ en valeur
Je limite volontairement les valeurs de résistance entre 1 kΩ et 100 kΩ afin d'obtenir des lectures précises de tension et de courant avec votre compteur.
Avec des valeurs de résistance très faibles, la résistance interne de l'ampèremètre a un impact significatif sur la précision de la mesure.
Des valeurs de résistance très élevées peuvent poser des problèmes pour la mesure de tension, la résistance interne du voltmètre modifiant considérablement la résistance du circuit lorsqu'il est connecté en parallèle avec une résistance de valeur élevée.
REFERENCES CROISEES
Leçons En Circuits Électriques , Volume 1, chapitre 6 : « Circuits diviseurs et lois de Kirchhoff »
OBJECTIFS D'APPRENTISSAGE
- Utilisation du voltmètre
- Utilisation de l'ampèremètre
- Utilisation de l'ohmmètre
- Utilisation de la loi d'Ohm
- Utilisation de la loi de tension de Kirchhoff (« KVL »)
- Conception du diviseur de tension
SCHÉMA SCHÉMA
ILLUSTRATION
INSTRUCTIONS
Voici trois méthodes différentes de construction de circuits :sur une maquette, sur un bornier et en « forme libre ».
Essayez de construire le même circuit dans chaque sens pour vous familiariser avec les différentes techniques de construction et leurs mérites respectifs.
La méthode « de forme libre » - où tous les composants sont connectés ensemble avec des câbles de démarrage de style « alligator » - est la moins professionnelle, mais appropriée pour une expérience simple comme celle-ci.
La construction de la planche à pain est polyvalente et permet une densité élevée de composants (de nombreuses pièces dans un petit espace), mais est assez temporaire.
Les borniers offrent une forme de construction beaucoup plus permanente au prix d'une faible densité de composants.
Sélectionnez trois résistances dans votre assortiment de résistances et mesurez la résistance de chacune avec un ohmmètre.
Notez ces valeurs de résistance avec un stylo et du papier, pour référence dans vos calculs de circuit.
Connectez les trois résistances en série et à la batterie 6 volts, comme indiqué sur les illustrations.
Mesurez la tension de la batterie avec un voltmètre après y avoir connecté les résistances, en notant également ce chiffre de tension sur papier.
Il est conseillé de mesurer la tension de la batterie pendant qu'elle alimente le circuit de résistance car cette tension peut différer légèrement d'une condition à vide.
Nous avons vu cet effet exagéré dans l'expérience de la « batterie parallèle » lors de l'alimentation d'une lampe à haute puissance :la tension de la batterie a tendance à « s'affaisser » ou à « baisser » sous la charge.
Bien que ce circuit à trois résistances ne devrait pas présenter une charge suffisamment élevée (pas assez de courant consommé) pour provoquer un "affaissement" de tension important, la mesure de la tension de la batterie sous charge est une bonne pratique scientifique car elle fournit des données plus réalistes.
Utilisez la loi d'Ohm (I=E/R) pour calculer le courant du circuit, puis vérifiez cette valeur calculée en mesurant le courant avec un ampèremètre comme celui-ci (version « bornier » du circuit présentée comme un choix arbitraire dans la méthode de construction) :
Si vos valeurs de résistance sont effectivement comprises entre 1 kΩ et 100 kΩ et que la tension de la batterie est d'environ 6 volts, le courant doit être une très petite valeur, de l'ordre du milliampère (mA) ou du microampère (µA).
Lorsque vous mesurez le courant avec un compteur numérique, le compteur peut afficher le symbole de préfixe métrique approprié (m ou µ) dans un coin de l'écran.
Ces témoins de préfixe métrique sont faciles à ignorer lors de la lecture de l'affichage d'un compteur numérique, alors faites très attention !
La valeur mesurée du courant doit correspondre étroitement à votre calcul de la loi d'Ohm.
Maintenant, prenez cette valeur calculée pour le courant et multipliez-la par les résistances respectives de chaque résistance pour prédire leurs chutes de tension (E=IR).
Mettez votre multimètre en mode « tension » et mesurez la chute de tension sur chaque résistance, en vérifiant l'exactitude de vos prédictions.
Encore une fois, il devrait y avoir un accord étroit entre les chiffres de tension calculés et mesurés.
Chaque chute de tension de résistance sera une fraction ou un pourcentage de la tension totale, d'où le nom diviseur de tension attribué à ce circuit.
Cette valeur fractionnaire est déterminée par la résistance de la résistance particulière et la résistance totale.
Si une résistance chute de 50 % de la tension totale de la batterie dans un circuit diviseur de tension, cette proportion de 50 % restera la même tant que les valeurs de la résistance ne sont pas modifiées.
Ainsi, si la tension totale est de 6 volts, la tension aux bornes de cette résistance sera de 50% de 6, ou 3 volts. Si la tension totale est de 20 volts, cette résistance chutera de 10 volts, soit 50 % de 20 volts.
La prochaine partie de cette expérience est une validation de la loi de tension de Kirchhoff.
Pour cela, vous devez identifier chaque point unique du circuit avec un numéro.
Les points électriquement communs (directement connectés les uns aux autres avec une résistance insignifiante entre eux) doivent porter le même numéro.
Un exemple utilisant les nombres 0 à 3 est montré ici sous forme illustrative et schématique.
Dans l'illustration, je montre comment les points du circuit peuvent être étiquetés avec de petits morceaux de ruban adhésif, des nombres écrits sur le ruban :
Utiliser un numérique voltmètre (c'est important !), mesurer les chutes de tension autour de la boucle formée par les points 0-1-2-3-0.
Ecrivez sur papier chacune de ces tensions, ainsi que son signe respectif tel qu'indiqué par le compteur.
En d'autres termes, si le voltmètre enregistre une tension négative telle que -1,325 volts, vous devez écrire ce chiffre sous la forme d'un nombre négatif.
Ne pas inversez les connexions de la sonde du compteur avec le circuit pour que le numéro soit lu « correctement ».
Le signe mathématique est très important dans cette phase de l'expérience ! Voici une séquence d'illustrations montrant comment « faire le tour » de la boucle du circuit, en commençant et en se terminant au point 0 :
L'utilisation du voltmètre pour « passer » autour du circuit de cette manière donne trois valeurs de tension positives et une négative :
Ces chiffres, additionnés algébriquement (« algébriquement » =en respectant les signes des nombres), doivent être égaux à zéro.
C'est le principe fondamental de la loi de tension de Kirchhoff :que la somme algébrique de toutes les chutes de tension dans une « boucle » s'additionne à zéro.
Il est important de réaliser que la « boucle » contournée ne doit pas nécessairement être le même chemin que le courant prend dans le circuit, ni même un chemin de courant légitime.
La boucle dans laquelle nous comptons les chutes de tension peut être n'importe quel ensemble de points , tant qu'il commence et se termine par le même point.
Par exemple, nous pouvons mesurer et additionner les tensions dans la boucle 1-2-3-1, et elles formeront également une somme de zéro :
Essayez de vous déplacer entre n'importe quel ensemble de points, dans n'importe quel ordre, autour de votre circuit et voyez par vous-même que la somme algébrique est toujours égale à zéro.
Cette loi est vraie quelle que soit la configuration du circuit :série, parallèle, série-parallèle, voire un réseau irréductible.
La loi de tension de Kirchhoff est un concept puissant, nous permettant de prédire l'amplitude et la polarité des tensions dans un circuit en développant des équations mathématiques pour l'analyse basées sur la vérité de toutes les tensions dans une boucle totalisant jusqu'à zéro.
Cette expérience est destinée à fournir des preuves empiriques et une compréhension approfondie de la loi de tension de Kirchhoff en tant que principe général.
SIMULATION INFORMATIQUE
Netlist (créer un fichier texte contenant le texte suivant, textuellement) :
Cette simulation informatique est basée sur les numéros de points indiqués dans les diagrammes précédents pour illustrer la loi de tension de Kirchhoff (points 0 à 3).
Les valeurs de résistance ont été choisies pour fournir des proportions de 50 %, 30 % et 20 % de la tension totale aux bornes de R1 , R2 , et R3 , respectivement. N'hésitez pas à modifier la valeur de la source de tension (dans le fichier « .dc ", représentée ici par 6 volts) et/ou les valeurs de résistance.
Une fois exécuté, SPICE imprimera une ligne de texte contenant quatre chiffres de tension, puis une autre ligne de texte contenant trois chiffres de tension, ainsi que de nombreuses autres lignes de texte décrivant le processus d'analyse. Ajoutez les chiffres de tension dans chaque ligne pour voir que la somme est nulle.
FICHES DE TRAVAIL CONNEXES :
Feuille de travail sur les circuits diviseurs de tension
Technologie industrielle