Bases de la technique en courant alternatif - Festo Didactic

Bases de la technique en courant alternatif

Livre d’exercices

Avec CD-ROM

Y1

Y2

I

P

IC

IR

G

IL

φ

90°

QL

U

R

C

L

QC

S

Festo Didactic 567221 fr

Référence : Édition : Auteur : Graphiques : Mise en page :

567221 10/2010 Christine Löffler Thomas Ocker, Doris Schwarzenberger 09/2011, Susanne Durz

© Festo Didactic GmbH & Co. KG, 73770 Denkendorf, Allemand, 2013 Internet : www.festo-didactic.com E-mail : [email protected] L'acheteur obtient un droit d'utilisation simple, non exclusif, non limité dans le temps et restreint géographiquement au site /siège de l'acheteur comme suit. L'acheteur est autorisé à utiliser les contenus de l'ouvrage pour la formation continue du personnel du site et à utiliser aussi des éléments du contenu pour la réalisation de son propre matériel de formation continue du personnel de son site, à condition d'en mentionner la source, et à les dupliquer pour la formation continue sur le site. Pour les écoles/universités et centres de formation, ce droit d'utilisation englobe l'utilisation durant les cours par les élèves, stagiaires et étudiants du site. En est exlcu dans tous les cas le droit de publication ainsi que de chargement et d'utilisation sur intranet ou Internet ou sur plateformes LMS et bases de données telles que Moodle qui permettent à un grand nombre d'utilisateurs d'y accéder en dehors du site de l'acheteur. Tous les autres droits de transmission, de reproduction, de duplication, d'édition, de traduction, de microfilmage ainsi que le transfert, le stockage et le traitement intégral ou partiel sur des systèmes électroniques présupposent l'accord préalable de Festo Didactic GmbH & Co. KG.

Table des matières Utilisation conforme ______________________________________________________________________ IV Avant-propos ____________________________________________________________________________ V Introduction ____________________________________________________________________________ VII Instructions et consignes de sécurité _______________________________________________________ VIII Ensemble de formation « Bases du courant alternatif » (TP 1011) _________________________________ IX Objectifs pédagogiques – Bases du courant alternatif ____________________________________________X Correspondance entre objectifs pédagogiques et travaux pratiques – Bases du courant alternatif ________ XI Jeu d’équipement ________________________________________________________________________ XIII Correspondance entre composants et travaux pratiques – Bases du courant alternatif _______________ XVII Notes à l'intention de l'enseignant ou du formateur ___________________________________________ XVIII Structure des travaux pratiques ____________________________________________________________ XIX Désignation des composants ______________________________________________________________ XIX Contenu du CD-ROM _____________________________________________________________________ XX

Travaux pratiques et corrigés TP 1 : TP 2 : TP 3 : TP 4 : TP 5 : TP 6 : TP 7 : TP 8 : TP 9 : TP 10 :

Acquisition et représentation de grandeurs caractéristiques en courant alternatif _______________1 Vérification du comportement en puissance d'un condensateur ___________________________ 19 Sélection d'une capacité appropriée à un filtre passe-haut ________________________________ 39 Réduction des pics de tension à la commutation de la bobine d'un distributeur _______________ 51 Détermination de l'inductance d'une bobine ___________________________________________ 65 Étude par la mesure de circuits RC ___________________________________________________ 77 Relevé de la réponse en fréquence de filtres passe-haut et passe-bas _______________________ 89 Compensation de la puissance réactive d'un moteur électrique ___________________________ 101 Sélection d'un couplage triphasé d'un radiateur mural à accumulation _____________________ 113 Génération de différents niveaux de puissance sur un radiateur __________________________ 127

Travaux pratiques et fiches de travail TP 1 : TP 2 : TP 3 : TP 4 : TP 5 : TP 6 : TP 7 : TP 8 : TP 9 : TP 10 :


© Festo Didactic GmbH & Co. KG 567221

III

Utilisation conforme L'ensemble de formation « Bases de l'électrotechnique/électronique » ne doit s'utiliser que :  pour l'usage auquel il est destiné, c'est-à-dire dans le cadre de l'enseignement et de la formation, et  en parfait état sur le plan de la sécurité. Les composants de l'ensemble de formation sont construits conformément à l’état de l’art et aux règles techniques reconnues en matière de sécurité. Leur utilisation peut néanmoins mettre en danger la vie et la santé de l’utilisateur ou de tiers ainsi qu'affecter l'intégrité des composants eux-mêmes. Le système de formation de Festo Didactic est exclusivement destiné à la formation initiale et continue dans le domaine de l’automatisation et de la technique. Il incombe à l’établissement de formation et/ou aux formateurs de faire respecter par les étudiants les consignes de sécurité décrites dans le présent manuel de travaux pratiques. Festo Didactic décline par conséquent toute responsabilité quant aux dommages causés aux étudiants, à l’établissement de formation et/ou à des tiers du fait de l'utilisation de ce jeu d’équipement en dehors du contexte d’une pure formation, à moins que ces dommages ne soient imputables à une faute intentionnelle ou à une négligence grossière de Festo Didactic.

IV


Avant-propos Le système de formation « Automatisation et Technique » de Festo Didactic part de différents niveaux d’accès à la formation et objectifs professionnels. C’est dans cette optique qu'est structuré le système de formation :  ensembles de formation axés sur les technologies ;  mécatronique et automatisation d'usine ;  automatisation de process et technique de régulation ;  robotique mobile ;  usines-écoles hybrides. Le système de formation « Automatisation et Technique » fait régulièrement l’objet de mises à jour et extensions parallèlement aux évolutions enregistrées dans le domaine de la formation et des pratiques professionnelles. Les ensembles de formation technologique se penchent sur les technologies suivantes : pneumatique, électropneumatique, hydraulique, électrohydraulique, hydraulique proportionnelle, automates programmables, capteurs, électricité et actionneurs électriques.

La structure modulaire du système de formation permet de réaliser des applications allant au-delà des limites des différents ensembles. Par exemple, il est possible de commander par API des actionneurs pneumatiques, hydrauliques et/ou électriques.


V

Tous les ensembles de formation se composent des éléments suivants :  matériel ;  supports ;  séminaires. Matériel Le matériel des ensembles de formation est constitué de composants industriels et systèmes adaptés à une approche didactique. Le choix et l'exécution des composants faisant partie des ensembles de formation sont spécialement adaptés aux projets des supports d'accompagnement. Supports Les supports dédiés aux différents domaines de spécialité sont de deux types : didactiques et logiciels. Les supports didactiques, axés sur la pratique, comprennent :  manuels de fond et de cours (ouvrages standard de dispense de connaissances fondamentales) ;  manuels de travaux pratiques (avec explications complémentaires et corrigés types) ;  lexiques, manuels, ouvrages spécialisés (donnant des informations plus détaillées sur des thèmes à approfondir) ;  jeux de transparents et vidéos (permettant d'illustrer et de rendre plus vivant l'enseignement) ;  posters (pour la visualisation de sujets plus complexes) ; Dans le domaine du logiciel, des programmes sont disponibles pour les applications suivantes :  didacticiels (présentation pédagogique et multimédia de contenus de formation) ;  logiciels de simulation ;  logiciels de visualisation ;  logiciels de mesure ;  logiciels de conception et de configuration :  logiciels de programmation d'automates programmables industriels. Les supports destinés aux formateurs et aux étudiants sont disponibles en plusieurs langues. Ils sont conçus pour l’enseignement, mais se prêtent aussi à l’autoformation. Séminaires Un large éventail de séminaires consacrés aux contenus des ensembles de formation complète l’offre de formation initiale et continue.

Vous avez des suggestions ou des critiques à propos de ce manuel ? N'hésitez pas à nous en faire part par courriel à : [email protected] Les auteurs et Festo Didactic se feront un plaisir de tenir compte de vos remarques.

VI


Introduction Le présent manuel de travaux pratiques fait partie du système de formation « Automatisation et Technique » de la société Festo Didactic GmbH & Co. KG. Ce système constitue une solide base de formation initiale et continue axée sur la pratique. L'ensemble de formation « Bases de l'électrotechnique/électronique » TP 1011 traite des thèmes suivants :  bases du courant continu ;  bases du courant alternatif ;  bases des semi-conducteurs ;  montages de base de l'électronique. Le manuel de travaux pratiques « Bases du courant alternatif » poursuit l'initiation à l'électrotechnique/ électronique. Au premier plan, figure l'étude du comportement d'une résistance. d'un condensateur et d'une bobine en alternatif. Un autre centre de gravité pour les montages à condensateur et bobine est le déphasage du courant et de la tension en alternatif. La visualisation et l'analyse des déphasages sont traitées en détail sur des montages mixtes. Sont également étudiées dans ce contexte les grandeurs électriques que sont les puissances active, réactive et apparente. La puissance figure également au premier plan dans l'étude des couplages étoile et triangle des systèmes à tension alternative triphasée. La réalisation et l'étude des montages supposent de disposer d'un poste de travail de laboratoire équipé d'une alimentation secteur protégée, de deux multimètres numériques, d'un oscilloscope à mémoire et de cordons de laboratoire sécurisés. Le jeu d’équipement TP 1011 permet de réaliser les montages complets des 10 travaux pratiques consacrés aux « Bases du courant alternatif ». Des fiches techniques des différents composants (résistances linéaires et non linéaires, condensateurs, bobines, diodes électroluminescentes, instruments de mesure, etc.) sont en outre disponibles.


VII

Instructions et consignes de sécurité

Généralités  Les étudiants ne doivent travailler sur les montages que sous la surveillance d’une formatrice ou d’un formateur.  Respectez les indications données dans les fiches techniques des différents composants, en particulier toutes les consignes de sécurité !  La formation ne doit être à l'origine d'aucune panne susceptible d'affecter la sécurité ; les pannes éventuelles doivent être immédiatement éliminées.

Partie électrique  Danger de mort en cas de coupure du conducteur de protection ! – Le conducteur de protection (jaune/vert) ne doit être coupé ni à l'extérieur ni à l'intérieur de l'appareillage. – L'isolation du conducteur de protection ne doit être ni endommagée ni enlevée.  Dans les établissements industriels ou artisanaux, il conviendra de respecter les directives des organismes professionnels, et notamment celles des mutuelles d'assurance accident applicables aux matériels électriques.  Dans les établissements scolaires et de formation, l'utilisation d'alimentations secteur sera placée sous la responsabilité et la surveillance de personnels qualifiés.  Attention ! Des condensateurs montés dans l'appareillage peuvent encore être chargés même après coupure de toutes les sources de tension.  En cas de remplacement de fusibles : n'utilisez que les fusibles prescrits et du bon calibre.  Ne mettez jamais immédiatement sous tension votre bloc d'alimentation secteur s'il vient de passer d'une pièce froide à une pièce chaude. La condensation susceptible de se former pourrait alors détruire l'appareil. Laissez d'abord l'appareil prendre la température ambiante.  N'utilisez pour l'alimentation des montages des différents travaux pratiques que des tensions de 60 V DC et 25 V AC maximum. Tenez compte en outre de la tension maximale de service indiquée pour les composants utilisés.  N'effectuez les branchements électriques qu'en l'absence de tension.  N'effectuez les débranchements électriques qu'en l'absence de tension.  N’utilisez pour les branchements électriques que des cordons dotés de connecteurs de sécurité.  Lors du débranchement de cordons, tirez uniquement sur le connecteur de sécurité, pas sur le câble.  Raccordez toujours l'oscilloscope à mémoire au secteur par l'intermédiaire d'un transformateur d'isolation.

VIII


Ensemble de formation « Bases du courant alternatif » (TP 1011) L'ensemble de formation TP 1011 se compose d’une multitude de moyens de formation. Cette partie de l'ensemble de formation TP 1011 a pour objet les bases du courant alternatif. Certains composants de l'ensemble de formation TP 1011 peuvent également faire partie d’autres ensembles. Composants importants du TP 1011  Poste de travail stable équipé du panneau de montage universel EduTrainer®  Jeu de composants « Électrotechnique/électronique » avec cavaliers et cordons de laboratoire sécurisés  Bloc d'alimentation de base EduTrainer®  Équipements complets de laboratoire Supports Les supports associés à l'ensemble de formation TP 1011 comprennent des manuels de travaux pratiques. Les manuels de travaux pratiques comportent les fiches de chacun des TP, le corrigé de chaque fiche de travail et un CD-ROM. Un jeu de fiches de travaux pratiques et fiches de travail prêtes à utiliser est fourni avec chaque manuel de travaux pratiques. Des fiches techniques des composants sont fournies sur le CD-ROM. Supports Manuels de travaux

Bases du courant continu

pratiques

Bases du courant alternatif Bases des semi-conducteurs Montages de base de l'électronique

Didacticiels

WBT Électricité 1 – Bases de l'électrotechnique WBT Électricité 2 – Circuits à courant continu et alternatif WBT Électronique 1 – Bases des semi-conducteurs WBT Électronique 2 – Circuits intégrés WBT Mesures de protection électriques

Aperçu des supports associés à l'ensemble de formation TP 1011

Le logiciel disponible pour l'ensemble de formation TP 1011 comprend les didacticiels Électricité 1, Électricité 2, Électronique 1, Électronique 2 et Mesures de protection électriques. Ces didacticiels traitent en détail des bases de l'électrotechnique/électronique. Les contenus sont abordés à la fois du point de vue systématique et en référence aux applications, sous la forme d'exemples pratiques. Les supports sont proposés en plusieurs langues. Vous trouverez d’autres moyens de formation dans nos catalogues et sur Internet.


IX

Objectifs pédagogiques – Bases du courant alternatif                             

X

Savoir décrire les grandeurs caractéristiques utilisées en alternatif et effectuer des calculs sur ces grandeurs. Connaître les différents modes de représentation des grandeurs utilisées en alternatif. Savoir mesurer à l'oscilloscope et analyser les grandeurs caractéristiques du courant alternatif. Connaître le comportement de la résistance ohmique en alternatif. Savoir décrire le comportement du condensateur en alternatif. Savoir déterminer et calculer la réactance capacitive d'un condensateur. Savoir déterminer par la mesure et analyser le déphasage du courant et de la tension du condensateur en alternatif. Savoir déterminer et calculer la puissance réactive capacitive. Savoir calculer la capacité de montages en série et en parallèle de condensateurs. Savoir étudier par la mesure les montages en série et en parallèle de condensateurs et en déduire des lois. Connaître la structure, l'utilisation et les grandeurs caractéristiques d'une bobine. Savoir analyser par la mesure le comportement d'une bobine à l'excitation et à la désexcitation. Savoir comment se répercute l'auto-induction d'une bobine sur son comportement. Savoir décrire le comportement d'une bobine en alternatif. Savoir déterminer l'inductance et la réactance inductive d'une bobine. Savoir déterminer par la mesure et analyser le déphasage du courant et de la tension de la bobine en alternatif. Savoir appliquer les diagrammes vectoriels et temporels à l'addition de grandeurs alternatives dans des circuits RC. Connaître l'utilisation de circuits RC en diviseurs de tension dépendant de la fréquence. Savoir utiliser des circuits RC en filtres passe-haut et passe-bas. Connaître l'importance de la puissance réactive dans le réseau public de distribution d'électricité. Savoir mesurer et appliquer le facteur de puissance cos . Savoir calculer et appliquer le montage RLC parallèle comme montage de compensation de la puissance réactive. Connaître le lien qui existe entre puissances active, réactive et apparente et la représentation de ces puissances. Savoir appliquer les diagrammes vectoriels et temporels à l'addition de grandeurs alternatives dans des montage mixtes. Connaître le principe de la génération d'une tension alternative triphasée. Connaître les couplages de base étoile et triangle utilisés dans les systèmes triphasés et savoir les réaliser. Savoir mesurer et calculer la puissance dans les couplages étoile et triangle. Savoir utiliser à dessein les différentes phases d'un système triphasé en vue de la génération de puissance. Savoir comment se répercute la disparition d'une phase sur la puissance d'un récepteur dans un couplage étoile.


Correspondance entre objectifs pédagogiques et travaux pratiques – Bases du courant alternatif TP

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Objectif Savoir décrire les grandeurs caractéristiques utilisées en alternatif et effectuer des calculs sur ces grandeurs.

•

Connaître les différents modes de représentation des grandeurs utilisées en alternatif.

•

Savoir mesurer à l'oscilloscope et analyser les grandeurs caractéristiques du courant alternatif. Connaître le comportement de la résistance ohmique en alternatif. Savoir décrire le comportement du condensateur en alternatif. Savoir déterminer et calculer la réactance capacitive d'un condensateur.

• • • •

Savoir déterminer par la mesure et analyser le déphasage du courant et de la tension du condensateur en alternatif.

•

Savoir déterminer et calculer la puissance réactive capacitive.

•

Savoir calculer la capacité de montages en série et en parallèle de condensateurs. Savoir étudier par la mesure les montages en série et en parallèle de condensateurs et en déduire des lois. Connaître la structure, l'utilisation et les grandeurs caractéristiques d'une bobine. Savoir analyser par la mesure le comportement d'une bobine à l'excitation et à la désexcitation. Savoir comment se répercute l'auto-induction d'une bobine sur son comportement.


•

• • • • •

XI

TP

1

2

3

4

5

6

7

•

•

8

9

10

Objectif Savoir décrire le comportement d'une bobine en alternatif.

•

Savoir déterminer l'inductance et la réactance inductive d'une bobine.

•

Savoir déterminer par la mesure et analyser le déphasage du courant et de la tension de la bobine en alternatif. Savoir appliquer les diagrammes vectoriels et temporels à l'addition de grandeurs alternatives dans des circuits RC. Connaître l'utilisation de circuits RC en diviseurs de tension dépendant de la fréquence.

•

Savoir utiliser des circuits RC en filtres passe-haut et passe-bas.

•

Connaître l'importance de la puissance réactive dans le réseau public de distribution d'électricité.

•

Savoir mesurer et appliquer le facteur de puissance cos .

•

Savoir calculer et appliquer le montage RLC parallèle comme montage de compensation de la puissance réactive.

•

Connaître le lien qui existe entre puissances active, réactive et apparente et la représentation de ces puissances.

•

Savoir appliquer les diagrammes vectoriels et temporels à l'addition de grandeurs alternatives dans des montage mixtes.

•

Connaître le principe de la génération d'une tension alternative triphasée.

•

Connaître les couplages de base étoile et triangle utilisés dans les systèmes triphasés et savoir les réaliser.

•

Savoir mesurer et calculer la puissance dans les couplages étoile et triangle.

•

Savoir utiliser à dessein les différentes phases d'un système triphasé en vue de la génération de puissance. Savoir comment se répercute la disparition d'une phase sur la puissance d'un récepteur dans un couplage étoile.

XII

•

• •


Jeu d'équipement Le manuel de travaux pratiques « Bases du courant alternatif » dispense des connaissances sur la structure et le fonctionnement des composants condensateur et bobine ainsi que sur le comportement de ces composants dans des montages de base et applications simples. Le jeu d'équipement « Bases de l'électrotechnique/électronique » TP 1011 comprend tous les composants nécessaires à l'acquisition des compétences définies par les objectifs pédagogiques fixés. La réalisation et l'analyse de montages opérationnels exigent en outre deux multimètres numériques et des cordons de laboratoire sécurisés.

Jeu d'équipement « Bases de l'électrotechnique/électronique », Réf. 571780 Composant

Référence

Quantité

Bloc d'alimentation de base EduTrainer®

567321

1

Panneau de montage universel EduTrainer®

567322

1

Jeu de composants Électrotechnique/électronique

567306

1

Jeu de cavaliers, 19 mm, gris-noir

571809

1

Aperçu du jeu de composants Électrotechnique/électronique, Réf. 567306 Composant

Quantité

Résistance, 10 Ω/2 W

1


2


1


2


1


1


2


1

Résistance, 1 kΩ/2 W

3

Résistance, 2,2 kΩ/2 W

2


2


3


3


2


2

Résistance, 1 MΩ/2 W

1


XIII

XIV

Composant

Quantité

Potentiomètre, 1 kΩ/0,5 W

1

Potentiomètre, 10 kΩ/0,5 W

1

Thermistance (CTN), 4,7 kΩ/0,45 W

1

Photorésistance (LDR), 100 V/0,2 W

1

Varistance (LDR), 14 V/0,05 W

1

Condensateur, 100 pF/100 V

1

Condensateur, 10 nF/100 V

2


1

Condensateur, 0,1 μF/100 V

2


1


2


2

Condensateur, 10 μF/250 V, polarisé

2


1


1

Bobine, 100 mH/50 mA

1

Diode, AA118

1

Diode, 1N4007

6

Diode Zener, ZPD 3,3

1

Diode Zener, ZPD 10

1

Diac, 33 V/1 mA

1

Transistor NPN, BC140, 40 V/1 A

2

Transistor NPN, BC547, 50 V/100 mA

1

Transistor PNP, BC160, 40 V/1 A

1

Transistor JFET canal P, 2N3820, 20 V/10 mA

1

Transistor JFET canal N, 2N3819, 25 V/50 mA

1

Transistor unijonction, 2N2647, 35 V/50 mA

1

Transistor MOSFET canal P, BS250, 60 V/180 mA

1

Thyristor, TIC 106, 400 V/5 A

1

Triac, TIC206, 400 V/4 A

1

Bobine de transformateur, N = 200

1


2

Noyau de transformateur avec support

1

Voyant, 12 V/62 mA

1

Diode électroluminescente (LED), 20 mA, bleue

1

Diode électroluminescente (LED), 20 mA, rouge ou verte

1

Inverseur

1


Symboles graphiques du jeu d'équipement Composant

Symbole graphique

Composant

Résistance

Diode Zener

Potentiomètre

Diac

Thermistance (CTN)

Transistor NPN

Photorésistance (LDR)

Transistor PNP

Varistance (VDR)

Transistor JFET canal P

Symbole graphique

U

Condensateur

Transistor JFET canal N

Condensateur, polarisé

Transistor unijonction

Bobine

Transistor MOSFET canal P

Diode

Thyristor


XV

Composant

XVI

Symbole graphique

Composant

Triac

LED bleue

Bobine de transformateur

LED rouge ou verte

Voyant

Inverseur

Symbole graphique


Correspondance entre composants et travaux pratiques – Bases du courant alternatif TP

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

3

3

1

1

Composant Résistance, 100 Ω/2 W

1

Résistance, 470 Ω/2 W Résistance, 1 kΩ/2 W

1 1


1

1

1

1

1 1

1


1


1

Varistance (VDR), 14 V/0,05 W

1

Condensateur, 100 pF/100 V

1


1


1


1


1

1

1


1


1

1

Bobine, 100 mH/50 mA

1


1


1

Multimètre numérique

1

Oscilloscope, 2 voies

1

1


1

1


1

1

1

1

1

1 1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1 1

1

1

XVII

Notes à l'intention de l'enseignant ou du formateur Objectifs pédagogiques L'objectif pédagogique général du présent manuel de travaux pratiques est l'étude de montages de base simples à résistance, condensateur et bobine en courant alternatif. L'acquisition des connaissances se fera par des questions théoriques, la réalisation pratique des montages et la mesure de grandeurs électriques. Cette interaction directe entre théorie et pratique est le garant de progrès rapides et durables. Les objectifs pédagogiques spécifiques sont documentés dans la matrice, Des objectifs pédagogiques plus concrets sont affectés à chaque travail pratique. Temps alloué Le temps nécessaire à la réalisation d’un travail pratique dépend des connaissances préalables de l'étudiant. Chaque travail pratique est prévu pour durer environ 1 heure à 1 heure et demie. Composants du jeu d'équipement Manuel de travaux pratiques, recueil de travaux pratiques et jeu d'équipement sont adaptés les uns aux autres. Pour les 10 TP, vous n’avez besoin que des composants d’un seul jeu d’équipement TP 1011. Normes Le présent manuel de travaux pratiques applique les normes suivantes : EN 60617-2 à EN 60617-8 Symbole graphiques pour schémas EN 81346-2 Systèmes industriels, installations et appareils, et produits industriels ; principes de structuration et désignations de référence CEI 60364-1 Édification d´installations à basse tension – Principes généraux, (DIN VDE 0100-100) Principes fondamentaux, détermination des caractéristiques générales, définitions CEI 60364-4-41 Édification d´installations à basse tension – Mesures de protection, (DIN VDE 0100-410) Protection contre les chocs électriques

Repérage dans le manuel de travaux pratiques Le texte des corrigés et les compléments donnés dans les graphiques ou diagrammes sont repérés en rouge. Exception : Les indications et conclusions concernant le courant sont toujours repérées en rouge, celle concernant la tension toujours en bleu. Repérage dans le recueil de travaux pratiques Les textes à compléter sont repérés par des lignes d'écriture ou des cases grisées dans les tableaux. Les graphiques à compléter sont sur fond tramé. Notes à l'intention de l'enseignant Des informations additionnelles sont données ici sur la démarche didactico-méthologique et sur les composants. Ces notes ne figurent pas dans le recueil de travaux pratiques.

XVIII


Corrigés Les corrigés indiqués dans le présent manuel de travaux pratiques sont le résultat de mesures effectuées lors d'essais. Les résultats de vos mesures peuvent différer de ces valeurs. Thèmes d'apprentissage Pour l'apprentissage du métier d'électronicien/ne, le thème « Bases du courant alternatif » fait partie du volet 1 du programme du centre de formation.

Structure des travaux pratiques Les 10 travaux pratiques ont la même structure méthodologique. Ils se divisent en :  Titre  Objectifs pédagogiques  Problème  Montage ou schéma d'implantation  Travail à exécuter  Aides  Fiches de travail Le manuel de travaux pratiques contient les corrigés de chacune des fiches de travail du recueil de travaux pratiques.

Désignation des composants La désignation des composants représentés dans les schémas s'inspire de la norme EN 81346-2. Des lettres sont attribuées en fonction du composant. Les composants existant en plusieurs exemplaires dans un circuit sont numérotés en continu. Résistances : Condensateurs : Bobines : Auxiliaires de signalisation :

R, R1, R2, ... C, C1, C2, … L, L1, L2, … P, P1, P2, ...

Nota Quand des résistances, condensateurs ou bobines sont considérés comme grandeurs physiques, leur lettre de désignation est en italique (symbole de formule). Si une numérotation est nécessaire, les chiffres sont traités comme indices.


XIX

Contenu du CD-ROM Le manuel de travaux pratiques figure sous forme de fichier pdf sur le CD-ROM fourni. Celui-ci met en outre à votre disposition des supports additionnels. Le CD-ROM contient les dossiers suivants :  Notices d’utilisation  Illustrations  Informations sur les produits Notices d’utilisation Des notices d’utilisation sont ici disponibles pour différents composants de l'ensemble de formation. Elles aident à mettre en service et à utiliser les composants. Illustrations Des photos et graphiques de composants et applications industrielles sont fournis. Ils permettent d’illustrer des travaux pratiques plus personnalisés. Les présentations de projets peuvent également être complétées par utilisation de ces illustrations. Informations sur les produits Ce dossier contient des informations du fabricant pour un certain nombre de composants. La représentation et la description des composants sous cette forme ont pour but de montrer comment sont présentés ces composants dans un catalogue industriel. Vous y trouverez en outre des informations complémentaires sur les composants.

XX


TP 1 Acquisition et représentation de grandeurs caractéristiques en courant alternatif Objectifs pédagogiques Quand vous aurez réalisé ce TP, vous aurez appris à  savoir décrire les grandeurs caractéristiques utilisées en alternatif et effectuer des calculs sur ces grandeurs ;  connaître les différents modes de représentation des grandeurs utilisées en alternatif ;  savoir mesurer à l'oscilloscope et analyser les grandeurs caractéristiques du courant alternatif ;  connaître le comportement de la résistance ohmique en alternatif.

Problème Vous êtes appelé à travailler à l'avenir à l'assurance qualité pour y contrôler des montages électroniques défectueux. Pour vous initier, vous allez effectuer des mesures sur des montages simples à courant alternatif.

Montage

G

U

RL

Montage à courant alternatif avec oscilloscope


1

TP 1 : Acquisition et représentation de grandeurs caractéristiques en courant alternatif

3. 4. 5. 6.

Travaux à exécuter Décrivez comme est définie la tension alternative. Répondez aux questions concernant la représentation vectorielle et temporelle de grandeurs alternatives. Expliquez les principales grandeurs caractéristiques rencontrées en courant alternatif. Familiarisez-vous avec le mode de fonctionnement de l'oscilloscope et répondez aux questions. Effectuez vos premières mesures à l'oscilloscope. Étudiez l'allure du courant, de la tension et de la puissance dans un montage à simple résistance.

   

Aides Manuels de cours, mémentos Fiches techniques Didacticiel Électricité 1 Internet

1. 2.

Nota N’appliquez la tension d'alimentation électrique qu’après avoir réalisé et contrôlé tous les branchements. À l'issue du TP, coupez l'alimentation électrique avant de démonter les composants.

2



Description de la tension alternative –

Décrivez comme est définie la tension alternative. La tension alternative est une tension dont la polarité (sens) et la valeur varient périodiquement.

–

La figure montre trois évolutions temporelles fréquentes de grandeurs alternatives. Donnez le nom de l'allure de la courbe dans le tableau.

Allure du signal

Désignation

u

T 2

T

t

Signal sinusoïdal

u

Signal triangulaire ou en dents de scie

T 2

T

t

T 2

T

t

u

Signal rectangulaire ou carré

Formes typiques de signaux électriques


3


Explication de la représentation vectorielle et de la représentation temporelle d'une tension alternative Le vecteur tournant dans le cercle permet de reconstituer l'évolution temporelle sinusoïdale de la tension alternative. Le rayon du cercle correspond à l'amplitude de l'oscillation sinusoïdale, désignée par valeur de crête Uc. u

Uc Uc α

u α

90°

180°

270°

360°

π 2

π

3π 2

2π

α, t

-Uc

Représentation vectorielle et représentation temporelle d'une tension alternative sinusoïdale.

–

Indiquez la formule de calcul de la valeur instantanée de la tension u. On a : sin  

Perpendiculaire u  Hypothenuse Uc

On en déduit pour la valeur instantanée u : u  U c  sin 

Plus la fréquence de l'oscillation sinusoïdale est élevée, plus la période est courte, et plus le vecteur associé tourne vite. La vitesse de rotation du vecteur s'exprime par la pulsation ω. – –

Indiquez la formule de calcul de la valeur instantanée u en fonction de ω. Complétez également à cet effet le diagramme de la courbe sinusoïdale en inscrivant sous l'indication de l'angle en degrés celle de l'angle en radians.

Formule de calcul des valeurs instantanées u : u  U c  sin (  t )

4



Description des grandeurs caractéristiques en alternatif Pour travailler en alternatif, il vous faut bien maîtriser les grandeurs caractéristiques du courant alternatif. –

Décrivez brièvement les principales grandeurs caractéristiques utilisées en alternatif. Complétez à cet effet les cases correspondantes du tableau.

Grandeur caractéristique

Symbole et/ou formule

Description

Tension de crête Uc

Uc

Valeur maximale ou minimale de la tension alternative, également appelée amplitude ou valeur de crête.

Courant de crête Ic

Ic

Valeur maximale ou minimale du courant alternatif

Tension crête à crête

U cc  2  U c

Différence entre valeurs de crête positive et négative Pour une tension sinusoïdale : Ucc est le double de l'amplitude.

Ucc Tension efficace Ueff

Courant efficace Ieff

Période T en s

U eff 

I eff 

UC 2

IS 2

T

La valeur efficace est la valeur d'une tension alternative donnant aux bornes d'une résistance ohmique la même puissance qu'une tension continue de cette valeur. La valeur efficace est la valeur d'un courant alternatif donnant aux bornes d'une résistance ohmique la même puissance qu'un courant continu de cette valeur. Une oscillation complète formée d'une alternance positive et d'une alternance négative dure un certain temps. Ce temps s'appelle la période T.

Fréquence f en Hz

f 

1 T

Nombre de périodes par seconde

  2 f

Angle décrit en radians par unité de temps

Valeur instantanée u

u  U c  sin (  t )

Valeur momentanée d'une tension alternative sinusoïdale à l'instant considéré

Valeur instantanée i

i  I c  sin(  t )

Valeur momentanée d'un courant alternatif sinusoïdal à l'instant considéré

Pulsation en

1 s

Grandeurs caractéristiques utilisées en alternatif


5


–

Dessinez quelques-unes des grandeurs caractéristiques dans la représentation de la tension alternative sinusoïdale. Donnez dans le tableau les désignations des grandeurs correspondant aux chiffres indiqués.

u

3

1

2

0

t

4

Tension alternative sinusoïdale

Chiffre

Désignation

1

Valeur de crête Uc

2

Valeur crête à crête Ucc

3

Tension efficace Ueff

4

Période T

Description des fonctions de base d'un oscilloscope Un oscilloscope dispose de multiples possibilités de réglage et de branchement, qui diffèrent selon le type et le modèle. Un certain nombre de réglages de base sont en général présents sur tout oscilloscope.

AUTORANGE SAVE/RECALL

UTILITY

MEASURE

ACQUIRE

HELP

CURSOR

DISPLAY

DEFAULT SETUP

VERTICAL POSITION

SAVE

CH1 MENU

RUN/ STOP SINGLE SEQ

REF MENU

PRINT

AUTOSET

MATH MENU

HORIZONTAL POSITION

CH2 MENU

VOLT/DIV

TRIGGER LEVEL

HORIZ MENU

TRIG MENU

SET TO ZERO

SET TO 50%

SEC/DIV

FORCE TRIG TRIG VIEW

CH1

CH2

EXT.TRIG.

USB Flash Drive

Exemple d'oscilloscope

6



–

Informez-vous sur le mode de fonctionnement de l'oscilloscope mis à votre disposition pour les mesures. Complétez dans le tableau la désignation des éléments de commande permettant de déclencher les fonctions décrites.

–

Élément de commande

Description sommaire

Interrupteur 0/I

Interrupteur secteur (M/A).

Bouton rotatif POSITION CH1

Positionne verticalement le signal de la voie 1 (CH1).

Bouton rotatif VOLTS/DIV (CH1)

Règle la sensibilité verticale du signal d’entrée CH1.

Touche CH1 MENU

Active ou désactive l'affichage de la voie 1.

Bouton rotatif POSITION

Positionne horizontalement tous les signaux.

Bouton rotatif SEC/DIV

Règle le balayage temporel des signaux.

Touche CH1 MENU -> Sonde

Réglage de la sonde de la voie 1.

Touche CH1 MENU -> Couplage

Règle sur la voie 1 : DC, AC, Ground. Ground signifie : mise à la masse de la voie.

Touche CH1 MENU -> Inverser

Représente inversé le signal de la voie CH1.

Touche TRIG MENU

Réglage du déclenchement

Touche TRIG MENU -> Front

Règle le déclenchement sur front

Connecteur d'entrée EXT. TRIG.

Connecteur d'entrée pour source de déclenchement externe.

CH1

Voie de mesure 1

CH2

Voie de mesure 2

Fonctions de base d'un oscilloscope

Note à l'intention de l'enseignant Les fonctions de base et éléments de commande sont présentés sur la base de l'oscilloscope à mémoire numérique à 2 voiesTektronix TDS 1002B.

–

Décrivez ce que fait la fonction de déclenchement dans les visualisations à l'oscilloscope. La fonction de déclenchement fait en sorte que dans le cas de signaux périodiques, le point de départ du faisceau à l'écran soit à la même valeur d'amplitude que dans la visualisation précédente du signal. On obtient ainsi un oscillogramme apparemment stable.


7


Pour créer des oscillogrammes, procédez comme suit :  Assurez-vous que le balayage en X et Y est étalonné.  Vérifiez que l'axe zéro est bien là où vous voulez qu'il soit.  Si vous réglez une fréquence sur le générateur de fonctions, mesurez la fréquence à l'oscilloscope pour être sûr qu'elle est correcte.  Quand vous dessinez une courbe, représentez toujours au moins une période du signal.  Tracez toujours l'axe zéro sur le dessin.  Notez toujours le balayage temporel sur le dessin.  Notez toujours sur le dessin le balayage de tension adopté sur chaque voie utilisée (CH1 et CH2).  Veillez à la référence de temps des signaux entre eux quand vous les dessinez.  Déclenchez toujours sur le signal le plus lent.

Réglages sur l'oscilloscope :

Ucc

T

Y = 2 V/DIV X = 0,1 ms/DIV

Exemple de mesure à l'oscilloscope

–

Analysez les résultats des mesures à l'oscilloscope. Déterminez la tension crête à crête Ucc et la période T. Tension crête à crête Ucc : Ucc correspond à 4 divisions (DIV).

U cc  4 DIV  2

V 8V DIV

Période T :

T correspond à 6 divisions. T  6 DIV  0 ,1

8

ms  0 , 6 ms DIV



Mesure à l'oscilloscope Étudiez à l'oscilloscope l'évolution dans le temps d'une tension alternative. –

Réalisez le montage.

G

Y1 U

Montage d'étude à l'oscilloscope d'une tension alternative sinusoïdale

Désignation

Dénomination

–

Oscilloscope

Valeurs 2 voies ®

–

Bloc d'alimentation de base EduTrainer

–

Nomenclature du matériel

– – –

Raccordez le générateur de fonctions. Procédez aux réglages indiqués des calibres sur l'oscilloscope. Réglez le générateur de fonctions à la fréquence et à la tension nécessaires à l'obtention de la courbe de tension représentée sur l'oscillogramme ci-dessous.


9


Réglages sur l'oscilloscope

Voie 1 : Y1 = 1 V/DIV

Balayage : 0 (Y1)

X = 0,1 ms/DIV

Oscillogramme de la tension alternative à étudier

–

–

10

Mesurez la tension crête à crête Ucc et la période T. V 6V DIV

Tension crête à crête Ucc :

U cc  6 DIV  1

Période T :

T  10 DIV  0,1

ms  1 ms DIV

Déterminez par le calcul, à partir des valeurs mesurées, la tension de crête Uc, la tension efficace Ueff et la fréquence f. U cc 6 V  3V 2 2

Tension de crête Uc :

Uc 

Tension efficace Ueff :

U eff 

Fréquence f :

f 

Uc 2



3V 2

 2 ,12 V

1 1 1   1  103  1 kHz T 1 ms s



– –

Mesurez la valeur efficace Ueff au multimètre numérique. Comparez la valeur efficace mesurée à la valeur efficace déterminée par le calcul.

Ueff mesurée : Ueff = 2,01 V Ueff calculée : Ueff = 2,12 V Les faibles écarts entre valeurs mesurées et valeurs calculées sont dus aux erreurs de mesure et aux tolérances des composants.

Mesure de tension, de courant et de puissance sur résistance ohmique Représentez l'allure dans le temps de la tension alternative aux bornes d'une résistance ohmique et celle du courant alternatif qui la traverse. Tracez à partir des valeurs instantanées du courant et de la tension la courbe de puissance de la résistance. Comparez cette courbe de puissance à celle obtenue avec une tension continue comparable.

–

Décrivez comment visualiser l'allure de courants à l'oscilloscope. Pour pouvoir mesurer le courant, il faut ajouter au circuit une résistance ampèremétrique RM. On détermine alors à l'oscilloscope la chute de tension URM aux bornes de la résistance ampèremétrique et on en déduit par le calcul le courant qui circule dans le montage.

–

Décrivez ce que l'on entend par résistance réelle. Une résistance ohmique s'appelle en alternatif résistance réelle. La résistance réelle a en alternatif le même effet qu'en continu. Elle agit sur l'énergie électrique et la convertit en chaleur, en lumière ou en énergie mécanique. La puissance transformée dans la réactance se désigne aussi par puissance active.


11


Indiquez la formule de calcul du courant I traversant la résistance réelle R.

–

I

U R

Tension et courant sur résistance réelle

Y1

G

RL

URL

RM

URM

UC = 6,6 V (sinusoïdale) f = 1 kHz

Y2

Montage à résistances avec RL = 1 k, RM = 100, Uc = 6,6 V, f = 1 kHz

Désignation

Dénomination

Valeurs

RL

Résistance

1 kΩ/2W

RM

Résistance

100 Ω/2 W

–

Oscilloscope

–

2 voies ®


–


Nota Pour pouvoir visualiser en même temps les tensions URL et URM à l'oscilloscope, on fixe le point de référence des deux tensions entre les deux résistances. Ceci implique de devoir inverser le signal de tension URM. Veillez à ce que les branchements aux deux voies de mesure de l'oscilloscope n'entraînent pas de boucles de masse via les conducteurs de protection. Insérez donc un transformateur d'isolation.

12



– – – – – – – –

Réalisez le montage. Raccordez le générateur de fonctions. Réglez une tension sinusoïdale Uc = 6,6 V de fréquence f = 1 kHz. Procédez sur l'oscilloscope aux réglages nécessaires aux mesures. Mesurez à l'oscilloscope la tension sinusoïdale URL présente aux bornes de la résistance RL. Reportez l'allure de la tension dans l'oscillogramme. Mesurez à l'oscilloscope la tension sinusoïdale URM aux bornes de la résistance RM. Reportez également l'allure de la tension dans l'oscillogramme. Réglages sur l'oscilloscope

Y1

Voie 1 : Y1 = 2 V/DIV Voie 2 : Y2 = 0,5 V/DIV (inverser)

Y2 0 (Y1), (Y2)

Balayage : X = 0,1 ms/DIV Centrer les axes zéro des voies 1 et 2 Déclenchement : Y1

Oscillogramme pour uRL et uRM

– –

Déterminez les valeurs instantanées uRL et uRM aux instants indiqués dans le procès verbal de mesure. Notez les valeurs instantanées dans le procès verbal de mesure. Calculez le courant i et la puissances active p aux instants indiqués dans le procès verbal de mesure. Notez également les valeurs. Indiquez aussi la formule de calcul de p.

Formule de calcul des valeurs instantanées de la puissance : p u i

–

Représentez les valeurs de courant i, les valeurs de tension u et la courbe de puissance p dans le diagramme préparé.


13


Temps t (ms)

Tension uRL (V)

Tension uRM (V)

Courant i (mA)

Puissance active p (mW)

0

0

0

0

0

0,1

3,8

0,38

3,8

14,4

0,15

5,0

0,5

5,0

25,0

0,25

6,0

0,6

6,0

36,0

0,35

5,0

0,5

5,0

25,0

0,4

3,8

0,38

3,8

14,4

0,5

0

0

0

0

0,6

-3,8

-0,38

-3,8

14,4

0,65

-5,0

-0,5

-5,0

25,0

0,75

-6,0

-0,6

-6,0

36,0

0,85

-5,0

-0,5

-5,0

25,0

0,9

-3,8

-0,38

-3,8

14,4

1,0

0

0

0

0

25

10

mW

mA

V

30

15

Tension u

50

Courant i

Puissance p

Procès verbal de mesure

p 6

20

10

4

10

5

2

0

0

0

u

i

0,1 -10

-5

-2

-20

-10

-4

-30

-15

-6

-40

-20

-8

-50

-25

-10

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

ms

1,0

Temps t

Courbes de tension, de courant et de puissance sur résistance ohmique RL

14



–

Décrivez l’allure des courbes de courant et de tension. Le courant et la tension sont en phase. Ils passent au même instant par zéro et atteignent au même instant leur valeur de crête.

–

Décrivez l'allure de la courbe de puissance. L'allure de la courbe de puissance est de nouveau sinusoïdale, mais ne présente pas de composantes négatives. La fréquence a doublé par rapport à l'allure de la tension et du courant.

L'allure de la courbe de la puissance active sur résistance ohmique peut se remplacer par une valeur moyenne constante. C'est la valeur efficace de la puissance. –

Indiquez la formule de calcul de la valeur efficace de la puissance P. Peff  U eff  I eff

La loi d'Ohm donne deux autres formules de calcul de la puissance : 2 Peff  R  I eff

–

Peff 

ou

2 U eff R

Indiquez la valeur efficace de la puissance pour le montage à résistances. Peff  U eff  I eff 

Uc

2



Ic

2



6 V 6 mA   18 mW 2 2


15


Puissance en continu et en alternatif Pour pouvoir comparer les puissances en continu et en alternatif, déterminez la puissance dissipée par la résistance ohmique RL = 1 kΩ pour une tension continue de U = 4,24 V. –

Justifiez pourquoi la mesure comparative en continu s'effectue pour une tension continue de U = 4,24 V. La tension alternative sinusoïdale Uc = 6 V a pour valeur efficace : U eff 

Uc

2



6V 2

 4, 24 V

Une tension continue U = 4,24 V dissipe dans une résistance ohmique la même puissance que la valeur efficace Ueff = 4,24 V d'une tension alternative.

–

Mesurez la puissance en continu du montage représenté suivant la méthode indirecte et notez les valeurs mesurées.

U = 4,24 V

RL

URL

Montage à résistance avec RL = 1 k, U = 4,24 V

Désignation

Dénomination

Valeurs

RL

Résistance

1 kΩ/2W

–


–

–


–

Nomenclature du matériel pour le montage à résistance en continu

Valeurs mesurées des grandeurs électriques pour le calcul de puissance :

U = 4,24 V I = 4,19 mA

16



–

Calculez à partir des valeurs mesurées la puissance électrique dissipée par la résistance ohmique dans le montage en continu. P  U  I  4, 24 V  4,19 mA =17,8 mW

Tracez les courbes des grandeurs électriques mesurées et de la puissance électrique calculée dans le diagramme correspondant.

Circuit en continu

Circuit en alternatif

5 0

I

2 0

-5

-2

-10

-4

-15

-6

-20

-8

mA

U

4

G

URL

10 5 0

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 ms 1,0

Temps t

UC = 6 V

V

0

-10

-4

-15

-6

-20

-8 50

mW

mW

Puissance P

50 30 20

P

10 0

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 ms 1,0

30

URL

i

2 -2

RL

u

4

-5

Puissance p

10

V

RL

Courant i

Courant I

mA

Tension U

U = 4,24 V

Tension u

–

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 ms 1,0

Temps t

p

20 10 0

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 ms 1,0

Temps t

Temps t

Comparaison : puissance dans le circuit en continu et dans le circuit en alternatif pour RL = 1 kΩ


17


–

Décrivez la relation qui existe entre les deux courbes de puissance. • • •

18

Dans le circuit en continu, la puissance dissipée est invariablement constante. Dans le circuit en alternatif, la puissance dissipée varie beaucoup. Dans le cas d'une tension alternative sinusoïdale, les deux sources délivrent en moyenne la même puissance quand la valeur maximale de la puissance dissipée en alternatif est exactement le double de la puissance constante délivrée par la source de tension continue.


Table des matières Travaux pratiques et fiches de travail TP 1 : TP 2 : TP 3 : TP 4 : TP 5 : TP 6 : TP 7 : TP 8 : TP 9 : TP 10 :



I

II


TP 1 Acquisition et représentation de grandeurs caractéristiques en courant alternatif Objectifs pédagogiques Quand vous aurez réalisé ce TP, vous aurez appris à • savoir décrire les grandeurs caractéristiques utilisées en alternatif et effectuer des calculs sur ces grandeurs ; • connaître les différents modes de représentation des grandeurs utilisées en alternatif ; • savoir mesurer à l'oscilloscope et analyser les grandeurs caractéristiques du courant alternatif ; • connaître le comportement de la résistance ohmique en alternatif.

Problème Vous êtes appelé à travailler à l'avenir à l'assurance qualité pour y contrôler des montages électroniques défectueux. Pour vous initier, vous allez effectuer des mesures sur des montages simples à courant alternatif.

Montage

G

U

RL

Montage à courant alternatif avec oscilloscope


1


3. 4. 5. 6.

Travaux à exécuter Décrivez comme est définie la tension alternative. Répondez aux questions concernant la représentation vectorielle et temporelle de grandeurs alternatives. Expliquez les principales grandeurs caractéristiques rencontrées en courant alternatif. Familiarisez-vous avec le mode de fonctionnement de l'oscilloscope et répondez aux questions. Effectuez vos premières mesures à l'oscilloscope. Étudiez l'allure du courant, de la tension et de la puissance dans un montage à simple résistance.

• • • •

Aides Manuels de cours, mémentos Fiches techniques Didacticiel Électricité 1 Internet

1. 2.

Nota N’appliquez la tension d'alimentation électrique qu’après avoir réalisé et contrôlé tous les branchements. À l'issue du TP, coupez l'alimentation électrique avant de démonter les composants.

2

Nom : __________________________________ Date : ____________



Description de la tension alternative –

Décrivez comme est définie la tension alternative.

–

La figure montre trois évolutions temporelles fréquentes de grandeurs alternatives. Donnez le nom de l'allure de la courbe dans le tableau.

Allure du signal

Désignation

u

T 2

T

t

T 2

T

t

T 2

T

t

u

u

Formes typiques de signaux électriques


Nom : __________________________________ Date : ____________

3


Explication de la représentation vectorielle et de la représentation temporelle d'une tension alternative Le vecteur tournant dans le cercle permet de reconstituer l'évolution temporelle sinusoïdale de la tension alternative. Le rayon du cercle correspond à l'amplitude de l'oscillation sinusoïdale, désignée par valeur de crête Uc. u Uc

Uc α

u α

90°

180°

270°

360°

α, t

-Uc

Représentation vectorielle et représentation temporelle d'une tension alternative sinusoïdale.

–

Indiquez la formule de calcul de la valeur instantanée de la tension u.

Plus la fréquence de l'oscillation sinusoïdale est élevée, plus la période est courte, et plus le vecteur associé tourne vite. La vitesse de rotation du vecteur s'exprime par la pulsation ω . – –

Indiquez la formule de calcul de la valeur instantanée u en fonction de ω. Complétez également à cet effet le diagramme de la courbe sinusoïdale en inscrivant sous l'indication de l'angle en degrés celle de l'angle en radians.

Formule de calcul des valeurs instantanées u :

4

Nom : __________________________________ Date : ____________



Description des grandeurs caractéristiques en alternatif Pour travailler en alternatif, il vous faut bien maîtriser les grandeurs caractéristiques du courant alternatif. –

Décrivez brièvement les principales grandeurs caractéristiques utilisées en alternatif. Complétez à cet effet les cases correspondantes du tableau.

Grandeur caractéristique

Symbole et/ou formule

Tension de crête Uc

Uc

Courant de crête Ic

Ic

Description

Tension crête à crête Ucc Tension efficace Ueff

Courant efficace Ieff

Période T en s

T

Fréquence f en Hz

Pulsation ω en

1 s

Valeur instantanée u

Valeur instantanée i

Grandeurs caractéristiques utilisées en alternatif


Nom : __________________________________ Date : ____________

5


–

Dessinez quelques-unes des grandeurs caractéristiques dans la représentation de la tension alternative sinusoïdale. Donnez dans le tableau les désignations des grandeurs correspondant aux chiffres indiqués.

u

3

1

2

0

t

4

Tension alternative sinusoïdale

Chiffre

Désignation

1 2 3 4

Description des fonctions de base d'un oscilloscope Un oscilloscope dispose de multiples possibilités de réglage et de branchement, qui diffèrent selon le type et le modèle. Un certain nombre de réglages de base sont en général présents sur tout oscilloscope.

AUTORANGE SAVE/RECALL

UTILITY

MEASURE

ACQUIRE

HELP

CURSOR

DISPLAY

DEFAULT SETUP

VERTICAL POSITION

SAVE

CH1 MENU

RUN/ STOP SINGLE SEQ

REF MENU

PRINT

AUTOSET

MATH MENU

HORIZONTAL POSITION

CH2 MENU

VOLT/DIV

TRIGGER LEVEL

HORIZ MENU

TRIG MENU

SET TO ZERO

SET TO 50%

SEC/DIV

FORCE TRIG TRIG VIEW

CH1

CH2

EXT.TRIG.

USB Flash Drive

Exemple d'oscilloscope

6

Nom : __________________________________ Date : ____________



– –

Informez-vous sur le mode de fonctionnement de l'oscilloscope mis à votre disposition pour les mesures. Complétez dans le tableau la désignation des éléments de commande permettant de déclencher les fonctions décrites.

Élément de commande

Description sommaire Interrupteur secteur (M/A). Positionne verticalement le signal de la voie 1 (CH1). Règle la sensibilité verticale du signal d’entrée CH1. Active ou désactive l'affichage de la voie 1. Positionne horizontalement tous les signaux. Règle le balayage temporel des signaux. Réglage de la sonde de la voie 1. Règle sur la voie 1 : DC, AC, Ground. Ground signifie : mise à la masse de la voie. Représente inversé le signal de la voie CH1. Réglage du déclenchement Règle le déclenchement sur front Connecteur d'entrée pour source de déclenchement externe. Voie de mesure 1 Voie de mesure 2

Fonctions de base d'un oscilloscope

–

Décrivez ce que fait la fonction de déclenchement dans les visualisations à l'oscilloscope.


Nom : __________________________________ Date : ____________

7


Pour créer des oscillogrammes, procédez comme suit : • Assurez-vous que le balayage en X et Y est étalonné. • Vérifiez que l'axe zéro est bien là où vous voulez qu'il soit. • Si vous réglez une fréquence sur le générateur de fonctions, mesurez la fréquence à l'oscilloscope pour être sûr qu'elle est correcte. • Quand vous dessinez une courbe, représentez toujours au moins une période du signal. • Tracez toujours l'axe zéro sur le dessin. • Notez toujours le balayage temporel sur le dessin. • Notez toujours sur le dessin le balayage de tension adopté sur chaque voie utilisée (CH1 et CH2). • Veillez à la référence de temps des signaux entre eux quand vous les dessinez. • Déclenchez toujours sur le signal le plus lent.

Réglages sur l'oscilloscope :

Ucc

T

Y = 2 V/DIV X = 0,1 ms/DIV

Exemple de mesure à l'oscilloscope

–

8

Analysez les résultats des mesures à l'oscilloscope. Déterminez la tension crête à crête Ucc et la période T.

Nom : __________________________________ Date : ____________



Mesure à l'oscilloscope Étudiez à l'oscilloscope l'évolution dans le temps d'une tension alternative. –

Réalisez le montage.

G

Y1 U

Montage d'étude à l'oscilloscope d'une tension alternative sinusoïdale

Désignation

Dénomination

–

Oscilloscope

Valeurs 2 voies ®

–


–


– – –

Raccordez le générateur de fonctions. Procédez aux réglages indiqués des calibres sur l'oscilloscope. Réglez le générateur de fonctions à la fréquence et à la tension nécessaires à l'obtention de la courbe de tension représentée sur l'oscillogramme ci-dessous.


Nom : __________________________________ Date : ____________

9


Réglages sur l'oscilloscope

Voie 1 : Y1 = 1 V/DIV

Balayage : 0 (Y1)

X = 0,1 ms/DIV

Oscillogramme de la tension alternative à étudier

10

–

Mesurez la tension crête à crête Ucc et la période T.

–

Déterminez par le calcul, à partir des valeurs mesurées, la tension de crête Uc, la tension efficace Ueff et la fréquence f.

Nom : __________________________________ Date : ____________



– –

Mesurez la valeur efficace Ueff au multimètre numérique. Comparez la valeur efficace mesurée à la valeur efficace déterminée par le calcul.

Mesure de tension, de courant et de puissance sur résistance ohmique Représentez l'allure dans le temps de la tension alternative aux bornes d'une résistance ohmique et celle du courant alternatif qui la traverse. Tracez à partir des valeurs instantanées du courant et de la tension la courbe de puissance de la résistance. Comparez cette courbe de puissance à celle obtenue avec une tension continue comparable.

–

Décrivez comment visualiser l'allure de courants à l'oscilloscope.

–

Décrivez ce que l'on entend par résistance réelle.


Nom : __________________________________ Date : ____________

11


Indiquez la formule de calcul du courant I traversant la résistance réelle R.

–

Tension et courant sur résistance réelle

Y1

G

RL

URL

RM

URM

UC = 6,6 V (sinusoïdale) f = 1 kHz

Y2

Montage à résistances avec RL = 1 kΩ, RM = 100 Ω, Uc = 6,6 V, f = 1 kHz

Désignation

Dénomination

Valeurs

RL

Résistance

1 kΩ/2W

RM

Résistance

100 Ω/2 W

–

Oscilloscope

2 voies

–


–


Nota Pour pouvoir visualiser en même temps les tensions URL et URM à l'oscilloscope, on fixe le point de référence des deux tensions entre les deux résistances. Ceci implique de devoir inverser le signal de tension URM. Veillez à ce que les branchements aux deux voies de mesure de l'oscilloscope n'entraînent pas de boucles de masse via les conducteurs de protection. Insérez donc un transformateur d'isolation.

12

Nom : __________________________________ Date : ____________



– – – – – – – –

Réalisez le montage. Raccordez le générateur de fonctions. Réglez une tension sinusoïdale Uc = 6,6 V de fréquence f = 1 kHz. Procédez sur l'oscilloscope aux réglages nécessaires aux mesures. Mesurez à l'oscilloscope la tension sinusoïdale URL présente aux bornes de la résistance RL. Reportez l'allure de la tension dans l'oscillogramme. Mesurez à l'oscilloscope la tension sinusoïdale URM aux bornes de la résistance RM. Reportez également l'allure de la tension dans l'oscillogramme. Réglages sur l'oscilloscope

Voie 1 : Y1 = 2 V/DIV Voie 2 : Y2 = 0,5 V/DIV (inverser)

0 (Y1), (Y2)

Balayage : X = 0,1 ms/DIV Centrer les axes zéro des voies 1 et 2 Déclenchement : Y1

Oscillogramme pour uRL et uRM

– –

Déterminez les valeurs instantanées uRL et uRM aux instants indiqués dans le procès verbal de mesure. Notez les valeurs instantanées dans le procès verbal de mesure. Calculez le courant i et la puissances active p aux instants indiqués dans le procès verbal de mesure. Notez également les valeurs. Indiquez aussi la formule de calcul de p.

Formule de calcul des valeurs instantanées de la puissance :

–

Représentez les valeurs de courant i, les valeurs de tension u et la courbe de puissance p dans le diagramme préparé.


Nom : __________________________________ Date : ____________

13


Temps t (ms)

Tension uRL (V)

Tension uRM (V)

Courant i (mA)

Puissance active p (mW)

0 0,1 0,15 0,25 0,35 0,4 0,5 0,6 0,65 0,75 0,85 0,9 1,0

25

10

mW

mA

V

30

15

Tension u

50

Courant i

Puissance p

Procès verbal de mesure

6

20

10

4

10

5

2

0

0

0 0,1

-10

-5

-2

-20

-10

-4

-30

-15

-6

-40

-20

-8

-50

-25

-10

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

ms

1,0

Temps t

Courbes de tension, de courant et de puissance sur résistance ohmique RL

14

Nom : __________________________________ Date : ____________



–

Décrivez l’allure des courbes de courant et de tension.

–

Décrivez l'allure de la courbe de puissance.

L'allure de la courbe de la puissance active sur résistance ohmique peut se remplacer par une valeur moyenne constante. C'est la valeur efficace de la puissance. –

Indiquez la formule de calcul de la valeur efficace de la puissance P.

–

Indiquez la valeur efficace de la puissance pour le montage à résistances.


Nom : __________________________________ Date : ____________

15


Puissance en continu et en alternatif Pour pouvoir comparer les puissances en continu et en alternatif, déterminez la puissance dissipée par la résistance ohmique RL = 1 kΩ pour une tension continue de U = 4,24 V. –

Justifiez pourquoi la mesure comparative en continu s'effectue pour une tension continue de U = 4,24 V.

–

Mesurez la puissance en continu du montage représenté suivant la méthode indirecte et notez les valeurs mesurées.

U = 4,24 V

RL

URL

Montage à résistance avec RL = 1 kΩ, U = 4,24 V

Désignation

Dénomination

Valeurs

RL

Résistance

1 kΩ/2W

–


–

– ®


–

Nomenclature du matériel pour le montage à résistance en continu

16

Nom : __________________________________ Date : ____________



–

Calculez à partir des valeurs mesurées la puissance électrique dissipée par la résistance ohmique dans le montage en continu.

–

Tracez les courbes des grandeurs électriques mesurées et de la puissance électrique calculée dans le diagramme correspondant. Circuit en alternatif

10 5 0

RL

mA

V 4 2 0

-5

-2

-10

-4

-15

-6

-20

-8

G

URL

Courant i

Courant I

mA

Tension U

U = 4,24 V

10 5 0

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 ms 1,0

Temps t

UC = 6 V

Tension u

Circuit en continu

V

i

2

-5

-2

-10

-4

-15

-6

-20

-8

URL

u

4 0

RL

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 ms 1,0

Temps t

50 mW

Puissance p

Puissance P

mW 30 20 10 0

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 ms 1,0

30

p

20 10 0

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 ms 1,0

Temps t

Temps t

Comparaison : puissance dans le circuit en continu et dans le circuit en alternatif pour RL = 1 kΩ


Nom : __________________________________ Date : ____________

17


–

18

Décrivez la relation qui existe entre les deux courbes de puissance.

Nom : __________________________________ Date : ____________
