Activité Lampe Rechargeable

2AD
Activité Lampe Rechargeable
I. Présentation du Système
1. Fonctionnement
Cette Lampe Rechargeable est un système compact
permettant d’obtenir une source lumineuse à partir d’une
batterie. Sa particularité est que cette batterie peut
être rechargée grâce à une manivelle. Elle est donc
Totalement Autonome.
Son bouton unique permet 4 modes de fonctionnement :
• Mode Lumineux Faible (demi puissance)
• Mode Lumineux Fort (pleine puissance)
• Mode intermittent
• Mode Eteint.
Puissance de la Lampe (LED) : 0,5 W
Portée Lumineuse : 30 m
Autonomie : 10 mn de Lumière pour
1 mn de recharge
2. Structure
Voici le Schéma de Base pour allumer une Lampe :
Une batterie fournie l’énergie
L’interrupteur permet d’allumer ou Éteindre la Diode.
Voici le Schéma avec un Circuit de Gestion d’Allumage :
L’interrupteur est commandé par un circuit Spécial :
Intermittent lent (clignotement)
Intermittent rapide (Tellement rapide que l’œil ne voit qu’une luminosité moyenne)
Totalement allumé
Ou éteint.
Ce circuit est lui-même alimenté par la batterie.
Activité Lampe Rechargeable.doc
Page 1 / 8
2AD
Activité Lampe Rechargeable
Voici le Schéma avec un Circuit de Gestion d’Allumage ET Système de Rechargement :
C’est le Schéma Complet de notre Lampe Rechargeable.
• On Tourne la Manivelle.
• Un Train d’Engrenages augmente la vitesse.
• L’Alternateur produit de l’Énergie Electrique à partir de l’Énergie Mécanique Fournie.
• L’Alternateur crée une tension alternative qu’il faut transformer en tension continue :
C’est le rôle du Redresseur.
II. Objectifs de l’Activité
Cette Lampe est un très bon exemple de Gestion d’énergie : L’énergie entre sous forme
Mécanique, se transforme en Électricité puis enfin en Lumière.
Tous les éléments seront très détaillés en 1ère et en terminale.
Nous n’allons pas étudier le Circuit de Gestion de l’Allumage de la lampe car il est inaccessible. Ce
n’est pas Grave. Si vous avez fait l’activité « Commande Moteur CC », vous devinez que ce circuit
commande la lampe en faisant varier la fréquence et le rapport cyclique d’un signal carré.
Nous allons donc étudier :
• L’intérêt de multiplier la vitesse (Engrenages) pour que l’Alternateur fonctionne.
• La forme de la tension électrique créée par l’Alternateur.
• L’intérêt du Redresseur (pont de diodes) pour charger la Batterie.
Activité Lampe Rechargeable.doc
Page 2 / 8
2AD
Activité Lampe Rechargeable
III. Modifications du Système
Afin de vous aider à effectuer des mesures électriques, Vous disposez d’une lampe ouverte sur
laquelle sont soudés quelques fils.
Attention : Les soudures sont fragiles. Manipulez la lampe avec précaution.
Voici un schéma indiquant la position des fils :
•
•
•
•
Les 3 Fils BLANCS ne DOIVENT PAS se toucher. C’est par ces 3 Fils que l’Énergie
Électrique sort de l’Alternateur.
Les 2 Fils ROUGES peuvent être reliés. Cela connectera le + de la Batterie au circuit.
Les 2 Fils BLEUS peuvent être reliés. Cela connectera le + de la Diode au circuit.
Les 2 Fils MARRONS peuvent être reliés. Cela connectera le - de la Diode au circuit.
Remarquez que l’UN des Fils MARRONS est relié au – de la Batterie (celui qui ne va pas
vers la diode).
Activité Lampe Rechargeable.doc
Page 3 / 8
2AD
Activité Lampe Rechargeable
IV. Etude du Train d’Engrenage
1. Comportement de l’Alternateur
Mesurer à l’oscilloscope la tension entre 2 fils blancs (sortie alternateur).
Tourner la manivelle tranquillement et augmenter progressivement votre vitesse.
Vous remarquez peut-être que la tension a une limite maximale : Il y a un composant caché qui
bloque la tension à 10 volts. Ne tournez donc pas trop vite.
Quelle est la forme de cette Tension fournie par
l’Alternateur (avant d’atteindre 10 volts) ?
LA TENSION :
LA FRÉQUENCE :
□
□
□
□
Constante
Type Carré
Type Triangle
Type Sinusoïdal
□
□
□
Monte
Diminue
Reste constante
□
□
□
Monte
Diminue
Reste constante
Cette Forme de Tension est typique pour un Alternateur.
On voit donc que la tension est Proportionnelle à la Vitesse. Donc :
On voit aussi que la Fréquence est Proportionnelle à la Vitesse. Donc :
N=KT.U
N=KF.F
On a U en Volt, N en tour/min et F en Hz.
Quelle est l’unité de KT ?...................................
Quelle est l’unité de KF ?...................................
Ces 2 coefficients KT et KF sont différents. Ils n’ont même pas la même unité. A l’aide d’un
tachymètre et d’un voltmètre, j’ai pu mesurer la tension U à une vitesse N donnée. J’ai donc
trouvé le Coefficient KT = 290 tr/min/V
Pour charger la batterie de 3,6 Volts, l’alternateur doit au
moins fournir 3,6 volts. Quelle doit être la vitesse minimale N
Nmini = …………………
de l’alternateur pour développer ces 3,6 volts ?
Activité Lampe Rechargeable.doc
Page 4 / 8
2AD
Activité Lampe Rechargeable
Seriez-vous capable avec vos petites mains de faire tourner un
objet à cette vitesse ?
□
□
OUI
NON
Voilà pourquoi on place un Train d’Engrenage AVANT l’Alternateur.
2. Train d’engrenage
On appelle train d’engrenage, une cascade de roues dentées qui ont pour objectif de modifier la
vitesse de rotation.
Faites tourner la manivelle lentement.
Par rapport à la Manivelle, la Cloche tourne :
Donc Le train d’engrenage :
□
□
□
□
□
Aussi Vite
Plus Vite
Moins Vite
Augmente la Vitesse
Diminue la Vitesse
C’est pourquoi on l’appelle Multiplicateur. On les rencontre
quasiment toujours avant un alternateur. Par exemple sur
cette éolienne la boite de vitesse est un multiplicateur car
les pales ne tournent pas très vite par rapport au besoin de
l’alternateur.
A l’inverse, après un moteur électrique qui tourne vite
(généralement 1500, 3000 tr/min ou plus), on place un
Réducteur à engrenage.
Voici représenté notre train d’engrenage :
Ce Train se compose de 3 Engrenages.
Un Engrenage est un ensemble de 2 cylindres dentés qui
s’entraînent grâce aux dents en contact.
Pour un engrenage, j’appellerai « Un Pignon » le petit
cylindre et « Une Roue » le grand.
Activité Lampe Rechargeable.doc
Page 5 / 8
2AD
Activité Lampe Rechargeable
Je note Z le nombre de dents. L’indice r pour les Roues et p pour les Pignons.
Nombre de dents
de la roue Z r
Nombre de dents
du pignon Z p
Engrenage 1
Z r1 = 29
Z p1 = 8
r1 =
Engrenage 2
Z r 2 = 26
Z p2 = 8
r2 =
Engrenage 3
Zr3 =
Z p 3 = 12
r3 =
Rapport de multiplication de vitesse
r=
Zr
Zp
Comptez le nombre de dents sur la Roue du 3ème engrenage (répondre dans le tableau). Conseil,
repérez une dent avec un feutre, poser une pointe sur la dent et faites tourner lentement la
Cloche de l’Alternateur (pas la manivelle).
Calculer les rapports de multiplication (r1, r2 et r3) de chaque engrenage (répondre dans le
tableau)
rTotal = ……………………
En multipliant ces 3 rapports, vous obtenez le rapport total de
l’ensemble du train :
Vous avez déjà calculé la vitesse minimale Nmini de l’alternateur pour charger la batterie. Cela
correspond à Ns minimum.
N e Mini = ……………………
En déduire la vitesse minimale Ne de la manivelle :
Cette Vitesse vous paraît-elle adaptée pour vos petites mains ?
□
□
OUI
NON
V. Etude du Redresseur
1. Pourquoi un Redresseur ?
Une batterie se charge grâce à des phénomènes Chimiques comme l’oxydoréduction par exemple.
Quelque soit le type de la batterie, la réaction chimique lors de la charge nécessite une Tension
Continue.
Pourquoi utilisons-nous un Alternateur qui fournit une Tension Alternative ? Si vous avez fait
l’activité « Commande Moteur CC », vous savez qu’il peut fonctionner à l’envers et fournir une
tension Continue. Mais l’Alternateur a beaucoup d’avantages : Il est moins Cher, sans entretien,
et surtout il a un meilleur rendement. C’est pourquoi on le préfère, MAIS il FAUT REDRESSER.
Activité Lampe Rechargeable.doc
Page 6 / 8
2AD
Activité Lampe Rechargeable
2. Fonctionnement du Redresseur
Le Redresseur est composé de 6 Diodes. On peut les voir sur le système, ce sont des petits
cylindres Noirs et Gris. Ce type de Diode n’est pas lumineux.
Mesure de la Tension sur les 3 Fils BLANCS :
Voici les 3 Tensions U1, U2 et U3 sortant de l’Alternateur. Nous
ne pouvons pas toutes les mesurer à l’oscilloscope car les 3
pieds de flèches (prises noires sur l’oscilloscope) sont sur des
fils différents. Or dans l’oscilloscope les prises noires sont
reliées, on aurait donc des courts-circuits.
En plaçant le Fil BLANC du milieu aux entrées noires de
l’oscilloscope, on peut mesurer U1 et -U2 en placant les 2 autres
Fils BLANCS sur 2 entrées rouges de l’oscilloscope.
MAIS on NE peut PAS mesurer U3.
Faites cette mesure en faisant tourner la manivelle. Figez la
mesure grâce au bouton "Run/Stop" de l’oscilloscope. Dessinez
les 2 courbes U1 et -U2 de votre écran (en bleu et vert) :
Mesure de la Tension de Sortie US du Redresseur :
Mesurez la Tension entre le Fil ROUGE et le Fil MARRON
indiqués sur le schéma en haut de cette page. Tournez la
manivelle et figer l’écran. Dessinez la courbe de US (en rouge).
Qu’a fait le Redresseur pour obtenir ce résultat ? Nous allons le voir maintenant…
Activité Lampe Rechargeable.doc
Page 7 / 8
2AD
Activité Lampe Rechargeable
Voici les 3 Tensions U1, U2 et U3 :
Les 3 Diodes supérieures font que le Fil
ROUGE a une Tension égale au Maximum des
3 courbes. Repassez en trait fort la tension
obtenue sur ce Fil ROUGE.
Les 3 Diodes inférieures font que le Fil MARRON a une Tension égale au Minimum des 3 courbes.
Repassez en trait fort la tension obtenue sur ce Fil MARRON.
La Tension que vous avez mesurée à la Sortie du Redresseur correspond à l’écart entre ces 2
courbes. C’est une tension QUASI constante.
3. Utilisons un Multimètre :
Pour mesurer une Tension avec un Multimètre, il faut le régler sur
ou
.
est prévu pour une tension Continue (DC), c’est à dire
Constante. Il indique la moyenne de la Tension, ce qui
élimine donc les petites Variations.
est prévu pour une tension Alternative (AC), c'est-àdire une tension qui change de signe et dont la moyenne
est nulle. Il indique la valeur efficace Seulement de la
Partie Variable
ATTENTION : une Erreur de Sélection du Multimètre peut provoquer un
Court-Circuit ! DECONNECTEZ le Multimètre AVANT de toucher son bouton
Avec le multimètre, vous allez mesurer U1 entre 2 Fils BLANCS puis US entre les Fils ROUGES et
MARRONS (les mêmes que précédemment). Pour chaque Tension, faites la mesure avec les 2
options.
TENSION U1 TENSION US
Multimètre en
U1DC =……………
USDC =……………
Multimètre en
U1EFF =……………
USEFF =……………
Quelle valeur m’indique que U1 étant alternatif sa valeur moyenne est nulle ? ………………………
Quelle valeur m’indique que US n’est pas parfaitement Continue ? ………………………
Activité Lampe Rechargeable.doc
Page 8 / 8