Évaluation : optocoupleurs

Évaluation : optocoupleurs – Amplificateurs Linéaires Intégrés
I Présentation de l’objet technique « Pompe à perfusion »
Au cours des soins apportés aux patients, il s’avère souvent nécessaire de les alimenter
par voie intra-veineuse. Il est donc nécessaire que les solutés nutritifs soient injectés de
manière très précise avec un débit juste, constant et reproductible sur des périodes de temps
étalées.
L’introduction directe, dans le sang, de solutés nutritifs doit être effectuée en vérifiant
qu’aucune bulle d’air n’est présente dans la tubulure. En effet cela peut entraîner des
conséquences médicales graves pour le patient.
Le goutte à goutte ne peut garantir cette précision. En effet, la hauteur du bras et la
pression veineuse étant susceptible de varier, le débit ne peut être suffisamment constant pour
ce genre de produits. D’autre part, le faible débit peut entraîner l’obturation du cathéter si la
pression d’injection n’est pas suffisante.
Il apparaît donc nécessaire d’utiliser un appareil qui réponde à l’ensemble de ces
besoins.
La pompe à perfusion répond à ces exigences.
Montage classique d’alimentation parentale :
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II Analyse du fonctionnement du détecteur de bulle d’air
Lors de la perfusion d’un liquide, aucune bulle d’air ne doit être injectée dans le sang.
Le dispositif détecte toute bulle d’air d’un volume supérieur ou égal à 0.1 ml présente dans la
tubulure dans laquelle circule le liquide à perfuser. Cette détection se manifeste par le
déclenchement d’une alarme sonore, l’allumage d’un voyant lumineux et l’arrêt de la
perfusion afin d’éviter des conséquences médicales graves pour le patient.
La durée de déplacement de la bulle d’air à travers une fenêtre est liée au volume de
cette bulle d’air. Si lors de la présence de la bulle d’air on compte un nombre de transition
suffisante alors l’alarme est déclenchée.
Il.1 Schéma fonctionnel du détecteur de bulle d’air
Soluté nutritif
A9
Détection de la
présence d’une bulle
d’air
S1
Il.2 Définition des entrées/sorties
F1 : « détection de la présence d’une bulle d’air »
Entrée :
Sorties:
F1
J
Débit du soluté
C3
Soluté nutritif Réarmement
A9: soluté nutritif circulant dans la tubulure
S1: soluté nutritif ne présentant pas de bulle d’air dangereuse pour le patient.
J : différence de potentiel informant à la fonction F2 de la présence ou non
d’une bulle d’air
si la différence de potentiel est égale à 5V : présence d’une bulle d’air.
si la différence de potentiel est égale à 0V : pas de bulle d’air.
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A6
Autorisation du
déclenchement des
alarmes
F2
N
Mise en service des
alarmes
F3
S3
B6

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F2 : Autorisation du déclenchement des alarmes
Entrées :
A6: différence de potentiel dont la fréquence est significative du débit.
C3 : différence de potentiel qui permet une remise à zéro. La remise à
zéro sera effective lors d’une transition bas-haut.
Sortie:
J : déjà caractérisée.
N: différence de potentiel permettant la commande du déclenchement
des alarmes si la bulle d’air a un volume supérieur à 0.1 ml.
F3 : Mise en service des alarmes
Entrées :
Sorties:
N : déjà caractérisée
C3: déjà caractérisée
S3 : information visuelle de la présence d’une bulle d’air dans la
tubulure par allumage d’une LED.
B6 : différence de potentiel permettant de déclencher le buzzer et
stopper la perfusion en cours lors de la détection d’une bulle d’air.
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Il.3 Schéma structurel du détecteur de bulle d’air
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III Etude de F1 : « Détection de la présence d’une bulle
d’air »
1°) Fonctionnement des optocoupleurs
Les optocoupleurs K1 et K2 sont référencés OPB660, la documentation est fournie.
En absence de bulles d’air dans le liquide injecté, le constructeur a réglé les
potentiomètres P20 et P21 de telle sorte que :
UAM=UBM=4V
Une bulle d’air étant moins opaque que le liquide nutritif injecté, la présence de celleci
a pour conséquence de provoquer la saturation des optocoupleurs K1 ou K2.
On donne les caractéristiques techniques de l’optocoupleur OPB660N suivantes :
-taux de transfert τ= Ic =6%,
If
-tension de seuil de la diode VF=1.3V,
-tension de saturation du phototransistor : 0.4V.
Question1
Donner les deux fonctions que peut remplir un optocoupleur (d’une manière
générale).
Question2
Quelle est la fonction réalisée par cet optocoupleur ? (dans le cadre du système
détecteur de bulle d’air) Justifier votre réponse.
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Question3
Donner les valeurs de UAM et UBM lorsqu’une bulle d’air est détectée.
Justifier votre réponse en dessinant le schéma équivalent du phototransistor
de l’optocoupleur et des composants du montage.
Question4
Déterminer la valeur de la résistance R26 afin d’obtenir un courant IF=15mA
(IF courant circulant dans les LEDs des optocoupleurs K1 et K2).
Question5
Justifier que le phototransistor peut fonctionner en saturé lorsqu’une bulle d’air
est détectée.
Donner toutes les étapes de votre démonstration (calcul, recherche dans la
documentation constructeur,…..)
Question6
Remplir le tableau de synthèse du document réponse.
2°) Etude de la structure réalisée autour du LM324
Question7
Quel est le mode de fonctionnement de l’amplificateur linéaire intégré ?
Justifier votre réponse.
Question8
Justifier pourquoi on peut considérer que les composants R33, R34, R35 et R36
sont parcourus par le même courant i.
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Question9
Déterminer les expressions des différences de potentiel UDM, UEM et UFM.
Calculer les valeurs des différences de potentiels UDM, UEM et UFM.
Question10
Déterminer l’expression de UCM en fonction de UAM, UBM et UEM.
Détailler toutes les étapes de votre calcul.
Question11
Calculer UCM dans les trois cas suivants :
Aucune bulle d’air n’est présente dans les fenêtres de K1 et K2.
Une bulle d’air est présente uniquement à travers K1.
Une bulle d’air est présente uniquement à travers K2.
Question12
Compléter le tableau de synthèse du document réponse page 11.
3°) Etude du filtre
Afin d’éviter que des éléments parasites viennent perturber le bon fonctionnement de
la cellule de détection, le constructeur a intercalé un filtre du premier ordre.
Lors du fonctionnement normal du détecteur de bulle d’air ( présence ou non de bulle
d’air à travers K1 ou K2 ), la différence de potentiel aux bornes du condensateur UC16M est
telle que :
UC16M= UCM
Question13
Déterminer l’expression de UGM en fonction de UCM. Justifier votre réponse.
Compléter le tableau de synthèse du document réponse page 11.
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4°) Etude de la structure réalisée autour des composants U20 :B et
U20 :C
UFM et UDM sont issues du pont diviseur de tension dont les valeurs ont été calculées
au paragraphe 2°).
Rappel : le circuit intégré U20 est alimenté entre 0V et VCC=5V.
Etude de la structure réalisée autour de U20 :B
réponse.
Question14
Quel est le mode de fonctionnement du composant U20 :B ? Justifier votre
En déduire les valeurs prises par UHM.
Question15
Déterminer l’expression de ε.
Détailler toutes les étapes de votre calcul.
Question16
Déterminer la condition sur UGM pour que la différence de potentiel de sortie
UHM soit égale à +5V (on prendra UFM=2.95V).
Question17
Déterminer la condition sur UGM pour que la différence de potentiel de sortie
UHM soit égale à 0V (on prendra UFM=2.95V).
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Question18
Représenter la caractéristique de transfert UHM en fonction de UGM.
Question19
Indiquer les valeurs que prend UHM dans les 3 cas suivants :
Aucune bulle d’air n’est présente dans les fenêtres de K1 et K2.
Une bulle d’air est présente uniquement à travers K1.
Une bulle d’air est présente uniquement à travers K2.
Question20
Compléter le tableau de synthèse du document réponse page 11.
Etude de la structure réalisée autour de U20 :C
Question21
Quel le mode de fonctionnement du composant U20 :C ?
En déduire les valeurs prises par UIM.
Question22
Déterminer l’expression de ε.
Détailler toutes les étapes de votre calcul.
Question23
Déterminer la condition sur UGM pour que la différence de potentiel de sortie
UIM soit égale à +5V (on prendra UDM=2.05V).
Question24
Déterminer la condition sur UGM pour que la différence de potentiel de sortie
UIM soit égale à 0V (on prendra UDM=2.05V).
Question25
Représenter la caractéristique de transfert UIM en fonction de UGM.
Question26
Indiquer les valeurs que prend UIM dans les 3 cas suivants :
Aucune bulle d’air n’est présente dans les fenêtres de K1 et K2.
Une bulle d’air est présente uniquement à travers K1.
Une bulle d’air est présente uniquement à travers K2.
Question27
Compléter le tableau de synthèse du document réponse page 11.
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réponse.
5°) Etude de la fonction logique
Question28
Quelle est la fonction logique réalisée par la structure ci-dessus ? Justifier votre
Justifier votre réponse en proposant un tableau avec les différents états des
diodes D20 et D21 pour les différentes valeurs des différences de potentiel UHM et UIM.
Question29
Compléter le tableau de synthèse du document réponse page 11.
6°) Conclusion
Question30
Remplir les chronogrammes du document réponse 2 page 12 en utilisant les
résultats obtenus (notamment le tableau de synthèse page 11).
Question31
Conclure quant à la validité de la structure pour réaliser la fonction F1 :
« Détection de la présence d’une bulle d’air ».
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UAM
UBM
UCM
UGM
UHM
UIM
UJM
Document réponse
TABLEAU DE SYNTHESE
Pas de bulle d’air
en K1 ou K2
Présence d’une bulle
d’air en K1
Présence d’une bulle
d’air en K2
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K1
présence
absence
K2
présence
absence
UAM
4.5V
4V
UBM
4.5V
4V
UGM
5V
0V
UHM
5V
0V
UIM
5V
0V
UJM
5V
0V
Document réponse 2
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