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Thème 3 Ondes et signaux Chapitre 16 Signaux et capteurs

I) Retour vers ………. Pour commencer, réactivons vos connaissances de collège.

Si votre état d’esprit, c’est ça……. Cliquer sur Continuer….

En vrai, un résumé (ouf) à compléter en fonction de vos souvenirs……. Et de nouvelles définitions. Encore du vocabulaire

1. Donner trois mots clés qui permettent de définir un circuit électrique. Donner le rôle de chacun d’entre eux.

2. Définir une maille orientée. Combien en comptez-vous dans chaque cas ? 3. Définir un nœud sachant qu’il n’en existe que dans le circuit où les dipôles

sont associés en dérivation. 4. Comment définir une branche ? Les compter pour chaque cas. 5. Rajouter les branchements du voltmètre qui permettent de mesurer la

tension aux bornes de la résistance. Idem pour mesurer l’intensité du courant

Compétences exercices

SAVO

IRS

Exploiter la loi des mailles et la loi des nœuds dans un circuit électrique comportant au plus deux mailles

Exploiter la caractéristique d’un dipôle électrique : point de fonctionnement, modélisation U=f(I) ou I=g(U)

Citer des exemples de capteurs présents dans les objets de la vie quotidienne

SAVO

IR F

AIR

E

Mesurer une tension et une intensité

Représenter et exploiter la caractéristique d’un dipôle

Mesurer une grandeur physique à l’aide d’un capteur résistif

Produire et utiliser une courbe d’étalonnage reliant résistance avec grandeur (température, pression, intensité

lumineuse…)

Utiliser un dispositif avec microcontrôleur et capteur

Numérique Modéliser la caractéristique d’un dipôle à l’aide d’un

langage de programmation

Mathématique

Identifier une situation de proportionnalité

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qui traverse le moteur. Préciser les noms des bornes pour chaque cas sachant que l’on souhaite obtenir des valeurs positives pour chaque cas, j’insiste vraiment.

II) Loi des nœuds, loi des mailles, nouvelles définitions ou modèles différents ?

Les modes de fonctionnement d’une lampe frontale Situation Une lampe frontale possède plusieurs modes d’éclairage dont :

• Un mode « économique » : puissance moindre (Cf. extrait de la notice)

• Un mode « forte puissance » : puissance pleine (Cf. extrait de la notice)

Informations tirées de la notice Objectif : Comprendre le fonctionnement de ces deux modes en utilisant les lois des circuits électriques et vérifier par la mise en place d’un montage modélisant ce fonctionnement. Partie 1 Étude théorique des deux fonctionnements

Schéma modélisant le circuit électrique de la

lampe en mode économique NB :

1. Chaque dipôle est représenté par un symbole normalisé

2. Le courant sort de la borne + du générateur

Mesure et

représentation d’une tension

NB : La tension

aux bornes d’un fil est

nulle.

DO

CU

MEN

T

D

onné

e 1

3

Travail Réaliser et s’approprier

1. Reproduire le schéma du Document avec l’interrupteur K2 fermé simulant le mode forte puissance. Rappeler le nom de chacun des dipôles représentés par leur symbole.

2. Flécher l’intensité I3 du courant qui passe par l’interrupteur K2. 3. Schématiser la maille APNCBA, puis tracer les flèches tension : UPA , UNP,UCN,

UBC et UAB. 4. Schématiser la maille CBEDC, puis tracer les flèches tension : UBC, UEB, UDE,

et UCD. Analyser, raisonner

1. En précisant votre raisonnement, montrer rigoureusement que UBC=UPN-UAB et UBC=UED.

2. Donner la relation qui existe entre les trois intensités du circuit. Justifier rigoureusement.

3. Dans le montage réel, si K1 est fermé, les tensions UPN, UAB et UBC, ainsi que l’intensité I2 varient très peu que K2 soit ouvert ou fermé. Comment évolue I3 lorsque l’on ferme K2 ?

Valider et communiquer 1. La puissance lumineuse émise par la diode électroluminescente (DEL) est

proportionnelle à la puissance électrique reçue : P = UAB x I1. Expliquer alors pourquoi la DEL brille plus fortement lorsque les interrupteurs sont fermés.

La loi des nœuds Vidéo de Florence Raffin Son énoncé

La somme des intensités des courants qui arrivent à un nœud est égale à la somme des intensités des courants qui en repartent.

La loi des mailles Vidéo de Florence Raffin Son énoncé

Don

née

2 D

onné

e 3 La somme des tensions

le long d’une maille orientée est BADCB est

nulle : UAB+UDA+UCD+UBC=0

4

2. Répondre à la question du II. Loi des mailles ? Loi des nœuds ? Partie 2 Réalisation du montage modélisant ce fonctionnement On part de l’étude précédente mais afin d’assurer un fonctionnement optimal des dipôles utilisés, notamment ici celui de la DEL. Faisons quelques vérifications.

Travail Analyser, réaliser et raisonner

1. Sachant que la tension aux bornes de la pile vaut 4,5 V, et que la tension aux bornes de la diode vaut 2,1 V, vérifier par le calcul que la diode ne grille pas quel que soit le mode utilisé. S’inspirer des résultats précédents. Sachant que la conducteur ohmique R3 a pour valeur 1000 W et que R2 a pour valeur 450 W. Préciser votre stratégie en indiquant les étapes et ensuite réaliser les calculs et conclure.

2. Réaliser le montage et rajouter un ampèremètre sur le schéma du montage pour vérifier que l’intensité du courant qui traverse la DEL est bien inférieure à 30 mA.

Caractéristiques des DEL et de celle utilisée

Rappel de la loi d’Ohm

Don

née

4

Pour la DEL blanche utilisée, les valeurs nominales sont : 2,1 V et 20 mA, sa tension seuil à est de 2,1 V. (Tension en dessous de laquelle, elle ne fonctionne pas). L’intensité du courant qui la traverse sera alors de 20 mA. Elle supporte au maximum, une intensité de 30 mA et une tension de 3,5V. Sinon, elle grille !!!! Elle ne s’allume que si le courant la traverse dans le sens passant (De A vers K sur le schéma ci-contre.

Don

née

5

5

III) Utilisation de la caractéristique intensité-tension tension et du point de fonctionnement pour l’étude des dipôles

Utiliser le point de fonctionnement d’un circuit électrique pour choisir une résistance pour protéger une DEL

Situation En activité expérimentale, vous avez associé en série une DEL rouge et une résistance aux bornes d’une broche numérique de votre carte Arduino. Les DEL que vous trouvez dans votre kit sont généralement conçues pour fonctionner sous une tension de 2,1 V et une intensité maximum de 25 mA. Or la tension aux bornes de la broche délivre une tension de 5,0 V, il faut donc protéger la diode en rajoutant une résistance. La plus petite résistance de notre kit est de 220 W.

Objectif Déterminer si cette résistance est suffisante pour protéger notre diode lorsqu’elle est utilisée avec Arduino.

La Diode électroluminescente ou DEL La diode est un dipôle non linéaire et polarisé. Sa principale propriété est de ne laisser passer le courant que dans un seul sens, dit sens passant, à condition que la tension entre ses bornes soit supérieure à une tension seuil Us. la diode électroluminescente (DEL) a également la propriété d’émettre de la lumière, uniquement si elle est dans le sens passant. Le courant électrique qui circule dans une DEL ne doit pas être trop intense au risque de la détériorer. Pour la protéger, on l’associe en série avec un conducteur ohmique. Pour fonctionner convenablement, une DEL de valeurs nominales (3,6V ; 20 mA) doit avoir une tension de 3,6 V et l’intensité du courant qui circule dans la DEL sera alors de 20 mA.

Tracé de la caractéristique de la diode La tension UAB aux bornes d’un dipôle varie en fonction de l’intensité du courant qui le traverse (UAB=f(I)). La caractéristique tension-courant est la courbe représentative de la tension aux bornes du dipôle en fonction de l’intensité : UAB=f(I)). (I en abscisse et UAB en ordonnée.) C’est une sorte de « carte d’identité du composant ». Pour l’obtenir, on fait varier la tension entre ses bornes, généralement grâce à un générateur de tension réglable et on mesure la tension entre ses bornes grâce à un voltmètre et l’intensité du courant qui le traverse grâce à un ampèremètre. On a relevé des couples de points (UAB, I) et reporté les valeurs dans un tableau. UAB(V) 0 1 1,5 1,7 1,8 1,9 1,95 1,97 1,99 2,0 2,1 2,2

I (mA) 0 0 0 0 0 2 4,8 5,8 6,9 7,4 12,6 17,8

Matériel mis à disposition

Don

née

5 D

onné

e 6

6

Travail

Analyser et s’approprier

1. On souhaite tracer la caractéristique tension-courant de la diode : U=f(I) à l’aide du langage de programmation Python, le fichier déjà préparé doit être complété. Commencer par la version papier du code donné en annexe : « caractéristique diode.py » et à rendre. Vous vous aiderez notamment des documents issus de votre activité sur la loi d’Ohm.

2. Ouvrir ensuite le logiciel Winpython et compléter le code mis à disposition. Faire tourner le

code et appeler le professeur pour qu’il valide la caractéristique obtenue.

3. Voici le montage que l’on souhaite réaliser. Montrer de manière rigoureuse que la tension aux bornes de la diode vaut : E- r x I. On prendra E = 5V (tension appliquée par la broche numérique de l’Arduino) et r = 220 (résistance de protection de la diode) + 30 (résistance du générateur de tension) = 250 W.

4. Compléter alors le fichier « point de fonctionnement .py » donné en annexe et à rendre. Faire tourner le programme et vérifier qu’il trace la représentation de la tension aux bornes de la diode dans le circuit précédent en plus de la caractéristique de la diode. Appeler le professeur pour qu’il valide les deux courbes obtenues.

Valider et communiquer

1. Les deux courbes sont-elles sécantes ? Si oui, noter les valeurs de tension et tension qui lui

sont associées en les lisant directement.

2. Répondre à la problématique posée.

Extraits d’un cours de seconde : notion de point de fonctionnement

Don

née

7 Ses

coordonnées indiquent les valeurs de

l’intensité et de la tension aux bornes du dipôle lorsqu’il

fonctionne.

7

IV) Les capteurs et leur intérêt couplés avec un système de contrôle : le microcontrôleur, ici la carte Arduino.

Le schéma de la chaîne de mesures est le suivant :

à Le capteur est un composant électronique sur lequel l’environnement peut agir : une

grandeur physique de l’environnement (température, pression, position, intensité lumineuse, masse etc.…) appelée grandeur d’entrée modifie une grandeur physique du capteur appelée grandeur de sortie. Des exemples,

Pour les autres exemples, voir la vidéo de Florence Raffin.

Alarme à incendie et capteur de température

Commander un éclairage avec un capteur électrique : la photorésistance et un microcontrôleur de type Arduino.

Capteur Actionneur

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à Les deux capteurs précédents vont être intégrés dans un circuit électrique. Le signal électrique est envoyé en entrée du microcontrôleur, qui le traite par l’intermédiaire du codage et envoie un signal électrique de sortie. Ce signal de sortie permet de piloter un autre dispositif (ici représenté par un actionneur) qui permettra par exemple de déclencher une alarme ou de commander un système d’éclairage. à Pour exploiter un capteur, on a parfois besoin de connaître la relation entre la grandeur

d’entrée et celle de sortie du capteur : c’est ce que l’on appelle la courbe d’étalonnage.

NB : Comment utiliser cette courbe pour l’alarme à incendie ?