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PRE-REQUIS OBJECTIFS

SAVOIR :

· AOP en régime linéaire et non linéaire

SAVOIR :· Valider par le calcul et la mesure, les perfor-

mances des fonctions électroniques.· Analyser les relations entre les sous-

ensembles.· Utiliser un logiciel de Simulation afin de

valider le fonctionnement d'un asservisse-ment de température.

SAVOIR-FAIRE :· Utiliser le logiciel de simulation électronique

SAVOIR-FAIRE :

· Mettre en œuvre une diode laser avec sonalimentation

· Vérifier les différentes caractéristiques pardes mesures.

· Mesurer les performance d'un asservisse-ment de température à l'aide d'un logicielde simulation

· Modéliser un asservissement de diodelaser .

Observations

Chronologie

Durée 4H

· Etude des perfor-mances d'une diodelaser à l'aide de sescaractéristiques gra-phiques.

· Relevée des caracté-ristiques de la diodelaser

· Etude d'un asservis-sement de températu-re à l'aide d'un logicielde simulation

· Modélisation d'unasservissement depuissance d'une diodelaser

Moyens mis en œuvreDiode laser réf. 2255-6175 à

caractériser t - Banc de testlaser ES-760 - Console Lab-master + préamplificateur -Détecteur LM-2 et LM-2 IR -Micro-ordinateur -Imprimante –Détecteur Thorlabs.

· .Logiciel Excel· Logiciel de simulation

électronique+ fichierscorrespondants

· Documentation sur le logi-ciel de simulation en élec-tronique

Evaluations :

· Autonomie de l’élève.· Lecture de la documentation.· Relevés des mesures.· Interprétations.· Conclusions Réflexions.

TP N°4CARACTERISATION DE DIODE LASERET PRINCIPE DES ASSERVISSEMENTS

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CARACTERISATION DE DIODES LASER et principe des asser-vissements

A. Mise en situationLes diodes laser fibrées utilisées dans les telecomnécessitent des performances qui restent stables dansle temps.C’est pour cela que l’on trouve au niveau de lacommande de ces diodes laser 2 typesd’asservissements. L’asservissement en températureet l’asservissement en puissance.

A.1. Eléments à votre disposition

A.1.1. DocumentationDossier technique.

A.2. Objectif du sujetOn désire mesurer les caractéristiques optiques et électri-

ques d'une diode-laser et dans un deuxième temps on étudierale principe des asservissements.

Une tête fibrée est montée sur une semelle support reliéepar un câble au boîtier de pilotage ES-760. Les puissances opti-ques seront mesurées par un détecteur relié à une consoleLabmaster. Un micro-ordinateur permettra via le logiciel Excell’affichage des différentes caractéristiques. Voir cadre 1 le sy-noptique système.

A.3. Caractéristiques d’une diode laser fibrée.

A.3.1..1 Etude de la documentationPremier système :

Rechercher dans le dossier technique, les caractéristiques de la diode laser fibrée pour une température de 25°C :

· Longueur d'onde du laser : ______.· Module à effet Peltier : [OUI/NON].· Photodiode PIN de contrôle : [OUI/NON].

A.3.1..2 Questions préliminairesPremier système :a) Quelle est la cellule de mesure à connecter au Labmaster (LM2 ou LM2-IR, voir cadre 2) ?b) Pourquoi faut-il rentrer la longueur d’onde d’émission de la diode laser dans la console du Labmaster ?c) Quel est le rôle de la photodiode intégrée dans le boîtier de la diode laser ?d) Quel est le rôle du composant Peltier intégré dans le boîtier ?e) Quel est le rôle de la thermistance intégré dans le boîtier ?

Plan du TPA. Mise en situationA.1. Eléments à votre dispositionA.1.1. DocumentationA.2. Objectif du sujetA.3. Caractéristiques d’une diode laser fibréeB. MISE EN ŒUVRE DU SYSTEMEB.1. Mise en œuvre de la diode laser fibréeB.1.1. Réalisation du montageB.1.2. Mesures avec asservissement entempératureC. Principe des asservissementC.1. Simulation d’un Asservissement detempératureC.1.1. Analyse sans correcteurs.C.1.2. Etude de l’influence des correcteurs surla qualité de l’asservissement :D. Asservissement d’une diode laserD.2. Effet d’une perturbationD.2.1. Mode non asservi q=25°CD.2.2. Mode asservi q=25°CE. ANNEXE C :principe de réglage d’unPID.

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B. MISE EN ŒUVRE DU SYSTEME

B.1. Mise en œuvre de la diode laser fibréeLes graphes seront enregistrés et tracé sous Excel.Attention :Ce composant est très fragile. Ne pas toucher ses pattes avec les mains, il subirait un choc électrostatique

(Prix > 5000 F). Ne pas le démonter de son support.

B.1.1. Réalisation du montageRéaliser le montage

donné cadre 1

B.1.1..1 Labmaster

- Régler la longueurd’onde en fonction dela longueur d’onded’émission du laser.

B.1.1..2 S-760

B.1.2. Mesures avec asservissement en température- Mettre les potentiomètres à zéro et sélectionner le mode asservi.- Sélectionner une température de 15°C.

· Faire varier le courant ILASER entre IALARME - 5% et 0 en tournant le potentiomètre [GROS] sur l’ES760.Pour chaque valeur de ILASER :(remarque attendre que le Peltier soit stabilisé entre deux acquisitions).

Lire la tension VLASER ainsi que la puissance en sortie de fibre P sur le Labmaster .

· Refaire ces manipulations pour une température de 0°C· Tracer sur Excel et sur le même graphe les courbes P = f(ILASER) puis Vlaser=f(Ilaser) pour les températures

15°C et 0°C .

cadre 1

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+-

Se

Perturbation

consigne devitesse

écartde vitesse

vitesseasservie

vitessemesurée

CAPTEURde vitesse

M O T E U R

Correcteur

?

· Déterminer le courant de seuil pour les températures 0°C et 15°C.· Conclusions.

C. Principe des asservissement

On cherche ici à se familiariser avec la notion d'asservissement et faire sentir le rôle de différents correcteurs surla qualité d’un l'asservissement c’est à dire le temps de réponse, la précision, la stabilité.On étudiera aussi l’influence d’une perturbation sur un système bouclé.

Principe d'un asservissement (Exemple asservissement de vitesse)

Correcteurs

LM-2Spectral Reponse 400 nm to 1080 nmAccurary ± 5 %Aperture Size 7,9 mmMaximum CW Power 50 mWMaximum CW Power Density 1 W.cm-2

Maximum Energy Density N/AMinimum Full Scall Power 100 nWMinimum Power Resolution 1 nWCooling ConvectionSensor Type Silicium Cell

LM-2 IRSpectral Reponse 800 nm to 1550 nmAccurary ± 6 %Aperture Size 5 mm central ÆMaximum CW Power 10 mWMaximum CW Power Density 0,5 W.cm-2

Maximum Energy Density N/AMinimum Full Scall Power 5 µW-LM, 10µW-FMMinimum Power Resolution 10 nW-LM, 1nW-FMCooling ConvectionSensor Type Germanium Cell

cadre 2 : Caractéristiques détecteurs

t(°C) R(kW)(65) 2,1(60) 2,5(55) 3(50) 3,7(45) 4,5(40) 5,4(35) 6,730 7,125 1020 12,515 16,210 19,95 26,10 32,5

(-5) 39,2( ): A évitergras: Valeurs préconisées

cadre 3 : Valeurs thermistances

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KP

sortie

0v

0

0

V1

TD = 1

TF = 1nPW = 100PER = 200

V1 = 0

TR = 1n

V2 = 1

exp(-0.6*s)

(1 + 9.8*s)

consigne

0

intégrateur

Pour améliorer les performances d'un système asservi, on utilise des correcteurs. Les correcteurs sont des trans-mittances qu'on insère dans la chaîne directe du schéma bloc, et qui sont calculés pour ne modifier qu'un seulparamètre du système, mais naturellement ces correcteurs influent d'autres paramètres de manière minimisée.

C.1. Simulation d’un Asservissement de température

C.1.1. Analyse sans correcteurs.

Ouvrir sous orcad9 le projet asser.opj

On retrouve sur le schéma :

La consigne de températureDes correcteurs

La fonction de transfert d’un asservissement de température en boucle ouverte.

Le signal à l'entrée est un échelon de température.La fonction de transfert de l'asservissement est donnée en utilisant le formalisme de LAPLACE.

C.1.1..1 Simulation.· Tous les correcteurs sont réglés à 0.· Faire une analyse temporelle sur 40s en visualisant le signal de consigne, le signal de sortie.· Imprimer le résultat :Déduire de vos mesures :

1. La constante de temps du système bouclé (t=63 % qmax.).2. L'erreur qui existe en % entre la consigne et la sortie. (Précision statique t®µ)

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3. La fonction de transfert en boucle ouverte de l’asservissement était :p

epTp

.1)(

6.0

t+=

-

avec t la constante de

temps du système en boucle ouverte (ici égale à 9.8s)Comparer la constante de temps que vous avez relevée (système en boucle fermée) avec celle en boucleouverte(9.8s). Qu'en concluez-vous sur la rapidité d'un système en boucle fermée ?

C.1.2. Etude de l’influence des correcteurs sur la qualité de l’asservissement :

C.1.2..1 Correcteur proportionnel P

K VS=KVeVe

Pour trois valeurs de K(1,5,9.15) mesurez :· La constante de tempsl’erreur en %. (Précision statique) qui est la limite en % du signal de sortie lorsque t ¥®· Conclusion :· Quelle est l’influence de ce correcteur sur la précision et la vitesse du système bouclé ?· Réglage optimal de KUn réglage optimal de K doit permettre d’obtenir la réponsesuivante :Le dépassement D1en % est donné par la relation suivante

21

.

1 m

m

eD --

=p

où m est le coefficient d’amortissement.Un réglage optimal de K doit permettre d’obtenir undépassement D1 tel que m=0.707.L’allure de D1 enfonction de m est donnée cadre 4Trouver la valeur de K qui permet d’avoir m=0,707

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1 0 0 %1 0 5 %

95 %

t r

C.1.2..2 Correction proportionnelle intégrale PI

Kp VS=KpVeVe

KI VS=KI Ve(t) dtVe

On règle KP à 9.15Donner à KI 3 valeurs (1;8)Mesurez dans les 3 cas :· La précision statique· La précision dynamique définie par les 2 paramètres

suivants :1. Le coefficient d’amortissement m2. Temps de réponse à +/- 5% du système.

· Que remarquez-vous sur la précision, la rapidité, la stabilité du signal obtenu par rapport au correc-teur P seul ?

· Conclusion (intérêt et danger du correcteur intégrateur).

00 .10 .20 .30 .40 .50 .60 .70 .80 .9

1

0 0 .1 0 .2 0 .3 0 .4 0 .5 0 .6 0 .7 0 .8 0 .9 1

m

D1

cadre 4

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Kp VS=KpVeVe

KI VS=KI Ve(t) dtVe

D. Asservissement d’une diode laserOn donne la documentation technique de la diode laser.(cadre 7)Dans toute l’étude la température est fixée à 25°C

+-

VC(V)

? AOP

1000001+p

63transistor

bR6

(V) (V) IFlaser(A)+

+

perturbation

LASER

(W)

photodiode

A

conversioncourant-tension

? ?

VR(V)

?e

signal d'erreur

IF(A)

(A)

cadre 5

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D.1.1. Sans perturbation

D.1.1..1 Etude théorique q=25°C· D’après le schéma structurel de l’asservissement ( cadre 6) et la documentation technique, Déterminez les 4

paramètres manquant de l’asservissement donné sous forme de blocs diagrammes (cadre 5) c’est à dire :1. VC ?2. Fonction de transfert de la photodiode ?3. Fonction de transfert de la diode laser ?4. Fonction de transfert du convertisseur courant tension ?

· Si l’asservissement est réalisé, que peut-on dire de la tension VC et VR ?· En déduire alors la puissance émise par la diode laser. ?

D.2. Effet d’une perturbationOn se propose de montrer quel est l’effet d’une perturbation lors de deux situations différentes :

1. le système n’est pas asservi2. Le système est asservi.

1mV->1mW

12

Q1

Q2N2222

0

R6

200

12

U2A

LM324

1

3

2

41

1

OUT

+

-

V+

V-

0

V112

12

PARAMETERS:B = 0.5

U1

LASERHI_PWR

DLASER.K

DLASER.A photod.K

photod.A

VPWR1

2 3

4

6

0

0

R9

10k

R8

2.2meg

0

R2

1meg

R4

3.3k

R14

8.2k

R7

230

0

soptique

R3

10k

cadre 6:diode laser ne mode asservi.

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D.2.1. Mode non asservi q=25°COuvrir sous orcad9 le projet dlaser2.opj· A l’aide de l’analyse temporelle, préciser les 2 points suivants :1. A quel instant apparaît la perturbation ?2. Donner la variation de puissance engendrée par la perturbation ?

D.2.2. Mode asservi q=25°CModifier le schéma afin de fonctionner en mode asservi. Effectuer alors la même simulation que précédemment.· Quelle est maintenant l’influence de la perturbation sur le système ?· Conclusion (intérêt d’un asservissement vis à vis des perturbations extérieures ?)

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cadre 7 : Modèle de diode laser dans la partie D :asservissement d’un diode laser

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NOTATION COMPTE RENDU

Pts sur place Compte renduA.3.Caractéristique d’une diode laser fibrée

Etude de la documentation 1

B)Mise en œuvre du systèmeMontageParametrage du labmaster

20.5

B.1.2)Mesure avec asservissement en températureExcel P=f(Ilaser) puis Vlaser=f(Ilaser)Courant de seuilConclusion

20.51

C.1)SimulationSans correcteur signal de sortieConstante de temps système boucléErreur en %Comparaison constantes de temps, conclusion

0.50.50.50.5

C.1.2 influence des correcteursCorrecteur proportionnelConclusionCorrecteur PIPrécision statiquePrécision dynamiqueObservationconclusion

10.51

0.50.50.50.5

D)Asservissement d’une diode laserVCFonction de transfert de la photodiodeFonction de transfert de la diode laserFonction de transfert du convertissuer courant tensionVC,VR ?Puissance émise par la diode laser

10.50.50.50.50.51

D.2)Effet d’une perturbationMode non asserviMode asservi

11

NOTE /20