Dernière mise à jour le 23/02/2014
Caractéristiques principales
Gain en tension : 10
Tension : 1VCC (Crête à crête)
Vin : 35mV
Technologies : AOP TL071
Présentation
Dans ce présent article nous allons analyser et démontrer à quoi sert un condensateur de découplage, cet article sert uniquement de base théorique, puis nous allons étudier plusieurs cas de figures et voir l’intérêt d’un condensateur de découplage. Avant de lire la suite je vous conseil de lire ce qui ce trouve juste en dessous ;-).
Pour mémoire un petit rappel :
En continu
Court-circuiter les sources de tension alternatives et ouvrir les sources de courant. Le condensateur en continu a une impédance qui tend vers l’infini , on se contentera de dire que l’impédance est grande, ce qui correspond à un interrupteur ouvert, les condensateurs sont donc représentés comme un interrupteur ouvert en continu.
En alternatif
Court-circuiter les sources de tension continue et ouvrir les sources de courant. Le condensateur en alternatif a une impédance qui tend vers zéro on se contentera de dire que l’impédance est nul, ce qui correspond à un interrupteur fermé, les condensateurs sont donc représentés comme un interrupteur fermé en alternatif.
Sans condensateur de découplage
Vous voyer des condensateurs?? moi non plus, mais avant de commencer dans le vif du sujet commençons par calculer le gain. Calcul du Gain (amplification) Voilà une chose primordiale, et on va s’attaquer directement au gain (Av) du montage pour débroussailler le terrain et voir plus clair pour la suite des exemples. Le signal en entrée (In) doit être amplifié avec un gain de 10 c’est-à-dire 10 fois la tension d’entrée, pour une tension par exemple de 707mV soit 1V en valeur max, on retrouve en sortie 7V et qui a une valeur max de 10V soit 20V crête à crête. Av=R4/R3=100000/10000=10. Vout=Vin*10
Pour calculer le gain du montage suffit de court-circuiter les sources de tension continue, comme nous montre le schéma 002, puisque ce qui nous interesse c’est le signal alternatif amplifier, je vous laise lire dans le paragraphe “Présentation” si vous avez manqué le début…
Le signal d’entrée est un signal de 1Vcc (crête à crête), qui correspond au signal In, ce signal est envoyé sur l’entrée inverseuse (E-) de notre AOP, la tension entre la patte inverseuse (E-) et la patte non inverseuse (E+) est nul, car il y’a la boucle de contre réaction formé avec R3 et R4, dans ce cas: Vd= E+-E-=0V ce qui en résulte que E+=E-. Or si on regarde le graph sur le schéma 001, on s’aperçoit que ce n’est pas le cas. La tension situé sur E- ne correspond pas à la tension en entrée (In) et cette tension présente une composante continue de 1V, comme si on avait décalé cette tension d’entrée vers le haut de +1V. Si on regarde maintenant la borne non inverseuse (E+), celle-ci comporte une tension continue de +5V, en effet à l’aide du pont diviseur de tension nous avons la moitié de la tension d’alimentation.
En ce qui concerne la sortie (Vout) elle sature…
Essayons de comprendre…
Il faut faire la part des choses dans un premier temps, occupons nous d’abord de la tension continue, et on élimine donc toutes les tensions alternatives en court-circuitant ces sources. L’entrée se retrouve comme le montre le schéma 003 à la masse, et si on applique le Théorème de Millman nous obtenons E-=(Vout*R3/(R3+R4)), Or E+=E- comme nous l‘avons expliqué précédemment, on obtient donc:
Vout=(E-(R3+R4))/R3=(5*(10000+100000))/10000=55V, or avoir une tension de 55V avec une alimentation de 10V de la magie doit surement être là !! bien évidement que non pas de magie est pas de saturation à 55V mais à 10V théorique (car en définitive l’AOP sature à environ 8V). Admettons qu’on continu de resté dans la théorie (j’aime bien ça d’ailleurs pas vous ?) Prenons maintenant Vout qui sature à 10V.
Mais !! si on passe la sortie (Vout) de 55V à 10V cela veut donc dire que la tension sur la borne E- n’est plus de 5V ??? Oui exactement. E-=(Vout*R3/(R3+R4))=(10*10000)/(10000+100000)=0,9V, tiens ça par exemple on retrouve la fameuse composante continue sur la patte (E-) !!! Il faudrait trouver un moyen qui empêche l’AOP de saturer, il faut donc trouver un moyen « d’isoler » l’alternatif du continu. Trouver un composant électronique qui permet de « laisser la patte d’entrée In en l’air », c’est comme si on déconnectait l’entrée…. Oui puisque comme nous l’avons dis lorsque nous résonnons uniquement en continu, nous somme dans l’obligation de court-circuiter les sources alternatives en l’occurrence l’entrée In est court-circuiter et se retrouve directement à la masse. Ainsi pour éviter ce court-circuit et de mettre directement l’entrée à la masse autant mettre un condensateur en voilà une bonne idée…
Attention : Quand je dis court-circuiter l’entrée In à la masse IL NE FAUT PAS LE FAIRE C’EST THEORIQUE, (lire l’aide mémoire situé dans le paragraphe « Présentation ». )
Avec condensateur de découplage
1er condensateur de découplage
(schéma 004)
Le schéma 004 montre un premier condensateur de découplage qui permet « d’empêcher » le passage de l’alternatif vers le continu, il joue le rôle de « barrière ».
Ca va quand même mieux par rapport à avant, bon la seul différence c‘est la sortie Vout, puis je ne suis pas parti de 0 mais de 300ms (je ne voudrais pas vous embêter concernant les régimes transitoires…).
Cette fois-ci, si on court-circuite la tension d’entrée (In) et que le condensateur jour le rôle d’un interrupteur ouvert en continu, nous avons la patte de la résistance R3 qui se retrouve en « l’air », théoriquement bien sûr mais en réalité aucun court-circuit n’existe bien évidement je me répète !!
Si on s’intéresse à la sortie Vout elle est amplifié c’est d’ailleurs ce que nous voulons amplifier de 10 (R4/R3), le problème c’est que maintenant l’alternance positive est écrêté, encore une chose que nous avons oublié de voir, c’est que la tension d’alimentation qui est comprise entre +10V et -10V nous pose problème, bon à vrai dire elle se situe environ entre 8,5V et -8,5V on admettra que ce sont les imperfections de notre TL071 ;-).
On aurait pus mettre un peu plus de tension qui alimente l’AOP pour permettre de laisser passé l’alternance positive sans qu’elle se fasse « sabré », mais à savoir si l’AOP est conçu pour obtenir une tension d’alimentation plus importante , ça c’est à vous de voir sur le datasheet et de choisir l’AOP que vous voulez mettre, encore une fois il existe des tonnes d’AOP sur le marché je ne fais que d’expliquer théoriquement le fonctionnement d’un seul AOP, et j’ai pris comme modèle le TL071 j’aurais pus aussi prendre un autre….
Revenons à nos moutons, il faut trouver un moyen d’éviter que la tension soit écrêter pour que celle-ci ce trouve entre le +10V et le -10V. Comme nous l’avons vue dans le paragraphe « Calcul du gain », l’alternance positive se retrouve à une valeur max de 10V (limite de la tension d’alimentation) et une alternance négative à -10V, or comme nous l’avons dis précédemment une composante continu est présente, et celle-ci entraine le déplacement du signal vers le haut de 5V, on se retrouve donc avec un signal transposé avec une valeur max de 15V et une valeur mini de 5V comme nous le montre le schéma 004, (la aussi se situe des imperfections voilà ce qui se passe en théorie !!!), on va donc changer la valeur de tension en entrée et mettre 35mV par exemple du moment que l’alternance positive ne soit pas proche des 8,5V essayer de retirer 2 à 3V, comme ça vous est tranquille on sais jamais si un moment donné on a une « hausse de tension ».
Pourquoi 35mV ?? Et pourquoi pas ?!!
Je n’ai pas mis 35mV au hasard, je vous explique, La tension max est de 8,5V je retire 3V (prenons large pour être tranquille), ce qui nous donne 5,5V sachant qu’il y’a une composante continu je retire 5V reste 0,5V, la dessus je divise par racine de 2 puisque les 0,5V corresponde à la valeur max de l’alternance positive et -0,5V pour l’alternance négative, et quand on divise par racine de 2 cela nous donne la coquette somme de 353mV Oui mais ce n’est pas terminé je re-divise (et oui encore une fois) par 10 pour retrouvé le signal d’entrée Vin qui est : Vin=(Vout/10)=0,353/10=35mV ouf !!! Enfin terminé.
Ah !! Voilà enfin des résultats proches de la théorie, vous voyer quand on se met dans des conditions correcte la théorie est proche de la pratique, même si parfois certaines personnes ne sont pas d’accord avec vous…
2ème condensateur de découplage
Nous avons maintenant solutionné la saturation de l’AOP essayons maintenant de supprimer cette composante continue de 5V.
En entrée notre signal In est de 35mV puis en sortie Vout notre signal qui comporte toujours cette fameuse composante continu de 5V. C’est normal puisque la tension E- se retrouve à 5V le signal va donc « onduler » autour de cette valeur. Il faut trouver un moyen « d’empêcher » cette composante continu de se retrouver en sortie et de pénétrer dans un montage électronique qui peut ce situé en aval causant d’autres problème.
Le schéma 006 montre un condensateur de découplage C2 qui permet d’isoler la tension de sortie vers le circuit électronique situé en aval, la résistance CH (charge) permet de simuler le montage électronique situé en aval.
Et bien voilà , si on regarde la tension en sortie Vout la composante continu est supprimé et nous avons un signal en sortie qui est 10 fois plus grand.
Comment calculer les condensateurs de découplage ?
Ah enfin bien sûr une bonne question la aussi , je n’ai pas mis les valeurs des condensateurs de découplage juste avant mais le schéma 007 nous les montrent.
Pour calculer un condensateur de découplage il faut ce mettre dans la « peau » du courant qui circule de l’entrée In jusque-à la sortie de l’AOP et non Vout oui vous avez il faut donc calculer l’impédance vue par le courant. En partant de In pour allez a Vout , ceci va nous déterminer le condensateur C1, et pareil pour calculer C2 on part de Vout pour aller à In.
Calcul de C1
On part du principe que nous commençons pas la tension d’entrée, dans ce cas on court-circuite la tension de sortie de l’AOP et non Vout attention voir le schéma 008.
Effectivement l’AOP reboucle sa sortie sur la bornes inverseuse il équilibre toujours sa sortie avec E- quand il fonctionne en régime linéaire .
Le montage devient alors comme celui-ci en version simplifié :
Le courant traverse le condensateur C1 puis ne peu pas rentrée dans la borne inverseuse puisque I+=I-=0A car l’entrée à une impédance très élevé, il va donc parcourir R3 puis R4 puis se rebouclé.
Je pense que vous avez remarquez qu’il s’agit d’un filtre passe bas on a tous les éléments pour calculer la valeur du condensateur C1, avec une fréquence de coupure (Fc) de 1Hz et en utilisant la célèbre formule Fc=1/(2*3,14*R*C) .
La valeur du condensateur C1 est de 1,44µF.
Calcul de C2
Le calcul du condensateur C2 dépend de l’impédance située en aval, et le calcul sera identique que C1
