mesures et

Transcription

mesures et

LPA - FORMATION EXPÉRIMENTALE / ÉLECTRICITÉ
2002 / 2003
GÉNÉRALITÉS SUR LE DÉROULEMENT DES T.P.
I - FONCTIONNEMENT DES TP
L'un des buts de ces TP est de vous apprendre à manipuler avec autonomie. Les énoncés de TP
sont volontairement lapidaires. Utilisez la bibliographie (donnée en début d'énoncé) et les notices des
appareils mis à votre disposition. Préparez le TP avant la séance (lire l'énoncé et répondre aux
questions).
Au cours des séances de TP, il est recommandé de vous familiariser avec TOUT le matériel mis à
disposition. Au début et à la fin de la séance, la table de manip est vide. Le numéro de l’armoire dans
laquelle ranger un appareil est indiqué sur l’appareil. Il vous est demandé de rendre un compte-rendu
succinct (1 feuille recto-verso) par binôme à chaque séance, portant sur une partie du TP choisie par
l’enseignant.
L'examen consistera en des mesures et quelques calculs sur des montages que vous réaliserez
vous-même (le schéma ne sera pas donné systématiquement) et qui seront assez proches de ceux faits en
TP. Vous disposerez de vos notes manuscrites personnelles et des notices des appareils.
II - REGLES DE MANIPULATION
Il est essentiel de pouvoir justifier votre choix d'appareils (par exemple un multimètre de poche
n'est pas fait pour effectuer une mesure précise), de montage et de valeurs de chaque élément (résistance,
capacité, tension et fréquence des générateurs basse fréquence (GBF), ...). Utilisez toujours la pleine
gamme de résolution des appareils. Par exemple, pour les mesures à l'oscillo cela se traduit par des
mesures plein écran. Exception notable : ne pas chercher la déviation maximale de l'aiguille sur le wattmètre
au prix du dépassement de gamme de courant ou de tension.
Une bonne habitude pour construire un circuit consiste à brancher les fils du circuit principal en
partant et en revenant au générateur, puis, dans un second temps, à brancher les circuits en dérivation.
Une certaine logique dans le choix des couleurs des fils est indispensable pour le contrôle et la clarté du
montage : noir pour les fils vers la masse, rouge pour le circuit principal, et par exemple vert pour les
dérivations (voltmètres ...). L’utilisation de cordons de sécurité est obligatoire lorsque vous
manipulez des fortes tensions (> 10 V, cela est bien sûr valable en particulier pour tout circuit utilisant la
tension du secteur).
!
Pour votre propre sécurité, appelez l'enseignant pour vérification avant de mettre sous
tension les montages sous 220 Volts.
III - PROTECTION DES APPAREILS
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Licence physique applications- formation expérimentale électricité 1
Plate-forme 3E (Électricité, Electronique, Electrotechnique) C.E.S.I.R.E. – Université J.Fourier
Grenoble
Tous les appareils peuvent brûler / claquer / lâcher si on n'y prête pas garde. Pour chaque appareil,
il faut connaître la(les) quantité(s) qui présente(nt) un maximum admissible. Par exemple :
tension
pour les oscillos, multimètres, capacités, wattmètres, ...
intensité
pour les boites AOIP (correspond en fait à une puissance maximale dissipée),
multimètres, wattmètres, humains (30 à 50 mA), ...
puiss. électrique
pour les transformateurs, résistances, ...
IV - LA SECURITE EN SALLE DE TP
1
1
127VV
220
N
127 V
2π/3
3
N
2π/3
3
2
2
220
380VV
220 V
distribution électrique
domestique
distribution électrique
dans notre bâtiment
Dans les installations électriques domestiques, les prises délivrent :
- le neutre
- une des trois phases (220 V efficace par rapport au neutre)
- une terre locale, c'est à dire un fil directement relié à la terre sous le bâtiment.
Au niveau du générateur, EDF connecte le fil de référence des trois phases, appelé neutre, à la terre. Le
neutre est régulièrement relié à la terre le long des lignes de transport de l'électricité. Comme la terre n'est
pas un conducteur idéal, il existe une ddp résiduelle, typiquement inférieure à 1 V, entre le neutre d'une
prise domestique et la terre.
Si on touche le neutre, le corps qui est connecté à la terre (pieds, appuis...) ferme le circuit entre la
terre, le neutre du réseau et le relais EDF. La résistance de ce circuit étant grande et la source de tension
faible, le courant traversant notre corps est infime et il n'y a pas de risque. Par contre, si on met un doigt
dans la phase, la décharge est bien réelle.
La tension délivrée par EDF dans notre bâtiment est du 380 V triphasé : les trois phases à 380 V
sont déphasées de 2p/3 les unes par rapport aux autres. Un transfo ramène ces trois tensions à 127 V.
Entre deux phases, la tension est donc 127 * 2 * sin (π/3) = 220 V. Dans ce bâtiment de TP, on trouve
donc dans les prises deux phases (plus la terre). Il y a un piège puisque les appareils électriques (entre
autres les autotransformateurs) sont conçus pour fonctionner sur des installations classiques pour lesquelles
un seul fil est dangereux. L'interrupteur de mise sous tension de l'appareil ne ferme ou n'ouvre la
connection qu'à une seule phase. Ces appareils restent donc en permanence connectés à la deuxième
phase.
Conclusion : Dans notre salle de TP, un autotransfo branché sur le secteur reste dangereux même si
l’interrupteur est ouvert. Utilisez donc systématiquement des fils de sécurité et faites vérifier votre
montage par l’enseignant avant la mise sous tension.
Grenoble
V - MISE A LA TERRE DE LA MASSE DES APPAREILS
Supposons qu'un faux contact apparaisse à l'intérieur d'un appareil, reliant la carcasse (c’est à dire
la masse) de l'appareil à la phase du secteur. Si un étudiant touche la carcasse, il fermera le circuit : phase
- carcasse - étudiant - sol - terre - neutre. Par sécurité, des normes imposent que toutes les carcasses des
appareils soient reliées directement à la terre. Dès que le faux contact se produit, le circuit se ferme (sans
l’intervention de l’étudiant !) et cette fuite à la terre fait disjoncter le disjoncteur.
En résumé : masse = carcasse métallique de l’appareil, reliée à la terre pour des raisons de sécurité.
Une conséquence de ces normes est que l'un des deux pôles de chaque sortie des GBF
(générateur basse fréquence), et de chaque entrée des oscillo est relié à la masse de l’appareil, donc à la
terre. Il sera parfois nécessaire de s'affranchir de cette contrainte (par exemple pour visualiser à l’oscillo
une différence de tension entre deux points dont aucun n’est relié à la masse, ou pour disposer d'un
générateur à différence de potentiel flottante). Pour cela, on utilisera un transformateur d’isolement.
Si on l'oublie, cette mise à la terre des masses des appareils est souvent une source de court-circuit
dans les montages. Pour éviter cela, prenez l’habitude de dessiner un schéma du montage avant de le
réaliser, en précisant la position des masses des différents appareils. Dans l’exemple suivant, on voit que le
branchement est correct dans le montage de gauche, alors qu’à droite (on a juste inversé le branchement
de l’oscillo) la résistance est court-circuitée.
VR
masse de l’oscillo
(reliée à la terre)
VR
R
R
C
GBF
C
GBF
masse du générateur
(reliée à la terre)
Ce problème se posera à chaque fois que l’on aura dans un même circuit un oscillo (non
différentiel) et une source de tension dont un des deux pôles est relié à la terre (c’est le cas d’un GBF non
isolé). L’utilisation d’un voltmètre, par contre, ne pose pas ce type de problème car il mesure une
différence de potentiel entre deux points dont aucun n’est relié à la masse (tout comme un oscillo
différentiel).
Les alimentations continues à trois bornes de sortie notées + / GND / -, délivrent une tension entre
les bornes + et - sans lien avec la terre (tension flottante), sauf si vous choisissez de relier l’une des deux
bornes (+ ou -) à la terre (GND).
Si vous utilisez une alimentation continue dont les bornes sont notées –15 V / 0 / +15 V
(alimentations généralement utilisées pour les ampli-op), vous obtiendrez aussi une tension flottante, mais il
faut se brancher entre les bornes + 15 V et 0 pour avoir une tension de + 15 V (entre les bornes –15 V et
+ 15 V, on obtient + 30 V). En cas de doute, ayez le bon réflexe : vérifiez au voltmètre.
Grenoble
VI - CALCULS D'INCERTITUDE
Il est attendu à l'examen que vous sachiez faire un calcul d'incertitude complet (incertitude de
l'appareil, erreur de lecture, erreur de digit, erreur systématique, incertitude de réglage, …) .
1) Erreur, incertitude absolue et incertitude relative
Erreur = valeur mesurée - valeur vraie. Si on ne connaît pas la valeur vraie, on ne peut pas l'estimer.
Incertitude absolue = maximum de (valeur mesurée - valeur vraie), toujours positive, s'exprime dans l'unité
du mesurande, notée avec un symbole ? (exemple ?R). L'incertitude absolue permet de définir l'intervalle
dans lequel on est sûr de trouver la valeur vraie. Si X désigne la valeur mesurée, Xvraie la vraie valeur et ? X
l'incertitude absolue :
X - ?X = Xvraie = X + ?X
Cette relation se met sous la forme condensée : Xvraie = X ± ? X
Incertitude relative =
Incertitude absolue
Incertitude absolue
X100 ≈
X100
valeur vraie
valeur mesurée
,
elle est positive, s'exprime en % de la valeur mesurée, sans unité.
Erreur systématique = valeur mesurée - valeur qui aurait dû être mesurée avec une meilleure méthode (voir
par exemple : mesure courte ou longue dérivation d'une résistance). Elle peut être estimée. Son signe
(positif ou négatif) est connu car on sait en général si on sur-estime ou sous-estime la valeur par la mesure.
Veillez par ailleurs à la cohérence du nombres de chiffres significatifs que vous retenez. Le nombre de
chiffres significatifs sous-entend la précision de la valeur numérique. Par exemple :
2 et 2,0 sont deux choses différentes : 2 sous-entend une précision de l’ordre de ± 1,
alors que 2,0 sous-entend une précision de l’ordre de ± 0,1
annoncer 6,053 +/- 0,1 ne signifie rien,
1,0/3,0 = 0,33 et non 0,33333...
2) Calculs d'incertitude
Principe : Dans la plupart des cas, la mesure d'une grandeur ne s'effectue pas par comparaison directe
avec un étalon de mesure mais par la mesure d'autres grandeurs physiques intermédiaires x,y,z,u,v
indépendantes : G = G(x,y,z,u,v...)
Connaissant les incertitudes de mesure sur x, y, z, u, v, on doit déterminer les incertitudes absolue ?G et
relative ?G/G. On effectue le calcul par la méthode mathématique des différentielles.
Par définition, la différentielle totale de G est :
∂G
∂G
∂G
∂G
∂G
dG =
dx +
dy +
dz +
du +
dv + ...
∂x
∂y
∂z
∂u
∂v
On effectue une majoration (on se place dans le cas le plus défavorable) :
∂G
∂G
∂G
∂G
∂G
∆G =
∆x +
∆y +
∆z +
∆u +
∆v + ...
∂x
∂y
∂z
∂u
∂v
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Théorèmes élémentaires :
- Somme ou différence G = u + v ou G = u – v :
?G = ?u + ?v : on somme les incertitudes absolues
u
- Produit ou quotient : G = u × v ou G = :
v
dG du dv
dG du dv
=
+
ou
=
−
G
u
v
G
u
v
∆G ∆u ∆v
On obtient dans les deux cas :
=
+
: on somme les incertitudes relatives
G
u
v
Remarque : Quand on somme les incertitudes, on se place dans le cas le plus défavorable : on tient compte
du cas (possible mais très peu probable), où toutes les erreurs sont maximales et vont dans le même sens,
donc s’ajoutent. Ceci conduit à une surestimation de l’incertitude. Si les différentes variables u, v, … sont
indépendantes, il est plus juste de sommer les variances, ce qui conduit au calcul suivant :
2
2
 ∆u   ∆v 
∆G
 +
 : si on a 10 % d’erreur sur u et sur v, cela
Par exemple, si G = u × v, alors
= 
 u   v 
G

 

donne 10 × 2 ≈ 14 % d’erreur sur G, et non 20 %.
Pour simplifier, nous sommerons les incertitudes et non les variances en TP.
Méthodes de calcul :
- Exemple 1 : G = f(x,y,z,u) = xy +
u x
+
z u
1
u
1
x
étape 1 : on différencie la fonction G. dG = ydx + xdy + du − 2 dz − dx + 2 du
z
u
z
u
étape 2 : on regroupe les termes. En oubliant cette étape, on peut éventuellement omettre de faire se
compenser certains termes et surestimer l'incertitude.

dG =  y −
1
u
1 x 
dx
+
xdy
+
−
dz
+
+
du
2
 z u2 
u
z
étape 3 : on majore pour obtenir l'incertitude absolue.
∆G = y −
1
u
1 x
∆x + x ∆y + 2 ∆z + + 2 ∆u
u
z u
z
- Exemple 2 : G(x,y,z,u) =
x−u
y−u
étape 1 : prendre le logarithme népérien de G. ln G = ln x − u − ln y − u
étape 2 : différencier logG (et non pas G). d ln G =
dG
G
Grenoble
dG d(x − u) d( y − u )
dx
du
dy
du
=
−
=
−
−
+
G
x−u
y−u
x − u x − u y− u y − u
étape 3 : regrouper les termes.
étape 4 : majorer. On obtient :
∆G
∆x
∆y
1
1
=
+
+
−
∆u
G
x− u y − u y − u x − u
3) Estimation des incertitudes expérimentales dues à la précision de l’instrument de mesure
Suivant le type d'appareil (exemple : un voltmètre), les incertitudes s'exprimeront de façon différente.
- Voltmètre analogique (à aiguille) : la classe est l'incertitude de construction exprimée en pourcentage de la
pleine échelle (PE). Elle est indiquée sur le cadran de l’appareil et sur la notice. S'ajoute à cela une
éventuelle incertitude de lecture (en général, ± une demi graduation).
Exemple : pour un voltmètre analogique de classe 2 : ∆V = 2% × PE + ½ graduation.
- Voltmètre numérique (ceux que vous utiliserez le plus souvent) : l'incertitude de mesure s'exprime en
pourcentage de la valeur affichée plus un certain nombre d'unités de représentation (U.R.). L'U.R. (ou
point, ou digit, ou encore résolution) est la plus petite valeur que l’affichage numérique peut donner.
Cela correspond donc à la valeur 1 sur le dernier chiffre affiché à droite (l’unité dépend bien sûr du
calibre).
Exemple : la notice d'un multimètre numérique indique : incertitude 1% + 3 U.R. sur le calibre 200 mV,
dont la résolution est de 0,1 mV (valeur affichée sur 4 digits : par exemple 153,4 mV) :
∆V = 1% × V + 3 × 0,1 mV
Dans chaque cas, on est amené à faire la somme d'une incertitude donnée en relatif et d'une incertitude
donnée en absolu. L'incertitude relative est à multiplier par une valeur en Volts (la pleine échelle ou la
lecture) pour pouvoir l'ajouter à l'incertitude donnée en absolu.
Exercice : dans chaque cas ci-dessus, justifiez que l'on doit toujours travailler le plus près possible de la
pleine échelle (c’est-à-dire à déviation maximale pour un appareil analogique). Vérifiez aussi que
l’incertitude donnée en relatif sera dominante lorsqu’on travaille près de la pleine échelle, alors que
l’incertitude donnée en absolu domine si l’on mesure des tensions très faibles par rapport au calibre.
Remarque : Il faut noter que les précisions des multimètres ne sont données que dans une certaine gamme
de fréquence (bande passante).
Pour ne pas surcharger les calculs d’incertitudes, sachez négliger ce qui est négligeable et ne garder dans
les calculs que les chiffres vraiment significatifs !
Exemple : G = u × v, où u est connu à 3 % près, v à 0,1 %, et G = 6,103.
∆G ∆u ∆v
Le calcul « exact » donnerait :
=
+
= 3,1 % donc ∆G ≈ 6,103 × 3,1/100 = 0,189193.
G
u
v
La précision des appareils n’étant donnée qu’avec un seul chiffre significatif, on arrondit : G ≈ 0,2.
On obtient donc le résultat : G = 6,103 ± 0,2 que l’on doit arrondir à G = 6,1 ± 0,2.
Grenoble
En négligeant dès le départ l’erreur sur v, et en ne gardant qu’un seul chiffre significatif sur ∆G, on a plus
simplement : ∆G ≈ 6 × 3/100 = 0,2 donc G = 6,1 ± 0,2. On obtient le même résultat, et le calcul peut ici
se faire de tête !
Grenoble
TP n°1
CONNAISSANCE ET MAITRISE DU MATERIEL
Objectifs fondamentaux
• Maîtriser les problèmes de synchronisation et de déclenchement.
• Savoir stabiliser un signal quelconque quel que soit l'état initial des réglages de l'oscillo.
• Être capable d'effectuer avec la précision maximale une mesure de tension, de fréquence et de différence
de phase. Évaluation de la précision de ces mesures.
• Comprendre les problèmes de masse que peut causer un oscillo et les façons d'y remédier.
• Savoir utiliser un câble coaxial.
• Principe de la mesure d'une impédance d'entrée par la méthode du pont diviseur.
Bibliographie :
- BEAUVILLAIN-LATY : Mesures électriques
- HAAS : L'oscilloscope au travail
- DUPART et col. : Mesures et essais d'électricité
- JOURNEAUX : TP de Physique (Ch1.1 pour l’oscillo, Ch8.1.2 et rappels théoriques en fin de chapitre
pour les mesures de valeurs efficaces)
I - DISTRIBUTION ELECTRIQUE
1 - Distribution électrique triphasée
- Avec l'enseignant, mesurer au tableau d'alimentation générale de la salle les valeurs des tensions
disponibles. Identifier le neutre et les trois phases.
- Conclusion : comment fait-on pour obtenir 220V entre les bornes d'une prise électrique (dans un
réseau domestique normal, ou dans le cas particulier de notre bâtiment de TP) ?
2 - Masse d'un appareil, Terre ?
- Qu'est-ce que la masse ? Relation avec la terre ?
- Exemple de problème : Le montage ci-dessous est obligatoire lorsque l'on veut utiliser un
oscillo et le secteur. Faire le montage. Pourquoi la tension V2 récupérée au secondaire du transformateur
n'a-t-elle plus de référence commune avec le secteur ? Qu'est-ce qui différencie un transformateur d’un
transformateur d’isolement ou d'un autotransformateur ?
Grenoble
A
A’
220 V
V1
Autotransfo.
B
V2
Transfo. d’isolement
Y
B’
Remarque : Quand c’est possible, on utilisera toujours des câbles coaxiaux pour les liaisons vers un oscillo
ou vers un GBF (cela diminue les parasites). Vérifiez que vous savez vous en servir. En cas de doute,
vérifiez les connexions à l’aide d’un ohmmètre (sur un câble non branché sur un circuit !).
II - ETUDE D'UN OSCILLOSCOPE
- Principe d'un canon à électrons.
- Il existe deux grandes classes d'oscilloscopes : les appareils analogiques (ceux que vous utiliserez
le plus couramment en TP) et les numériques (à mémoire).
1 - L'oscilloscope est un voltmètre
- En mode DC : Mesurer la résistance
d'entrée d'un oscillo, compte tenu du montage
équivalent de cette entrée reproduit ci-contre.
Indice : constituer un pont diviseur en rajoutant
une résistance en série avec l'entrée de l'oscillo et
travailler dans une gamme de fréquence où la
capacité d’entrée de l’oscillo est négligeable.
DC
20 MΩ
AC
0,1 µF
20 pF
Mesurer ensuite la capacité d’entrée par
une méthode similaire.
- Définir les calibres de ce voltmètre. Pour une tension sinusoïdale correspondant à 8 carreaux sur
l'écran donner : la valeur crête à crête, l'amplitude du signal, la valeur efficace que l'on comparera à celle
affichée par un voltmètre numérique et analogique.
- Reprendre les 3 mesures avec un signal en créneaux. Commentaires.
- Visualiser une tension sinusoïdale avec une composante continue (bouton « offset » sur le GBF) :
que se passe-t-il si on passe en mode AC ? Justifier (cf. dessin ci-dessus). Recommencer avec une tension
carrée de basse fréquence et estimer la capacité introduite par le commutateur AC. Conclusion : quel est
l’intérêt du mode AC ? Quand faut-il s’en méfier ?
- Etude de la fonction de calibrage : influence sur la forme, l'amplitude, la fréquence.
-
Cadrage du signal sur l'écran : influence des boutons de cadrage en X, en Y.
-
Quelle est (en %) la précision maximale de mesure de tension que l'on peut obtenir à l'écran?
Grenoble
2 - L'oscilloscope permet d'analyser une tension en fonction du temps
L'analyse d'un phénomène périodique s'effectue en faisant déplacer le spot à vitesse constante de la
gauche vers la droite de l'écran, le retour du spot s'effectuant presque instantanément à sa position initiale.
Pour cela, un générateur de tension en "dents de scie" interne à l'oscilloscope est couplé aux plaques X. La
stabilité d'un signal périodique analysé à l'aide d'un autre phénomène périodique implique que la fréquence
de l'un soit un multiple entier de l'autre. Ceci est réalisé en intercalant un temps d'attente entre deux
balayages de l'écran.
La synchronisation peut être réalisée en mode MANUEL ou AUTO. En mode MANUEL, la trace
n’est visible que si le signal est synchronisé, alors qu’elle est toujours visible en mode AUTO. Le niveau de
déclenchement (LEVEL) reste en général réglable dans les deux modes, sauf sur certains oscillos (c’est le
cas notamment des Hameg HM 203 (ancien modèle), où ce réglage est inactif en mode AUTO). Vous
pouvez aussi choisir le sens de déclenchement (sur une pente positive ou négative). Le signal utilisé pour la
synchronisation est en général le signal visualisé en voie 1 (TRIG Y1) ou en voie 2 (TRIG Y2). On peut
aussi synchroniser sur un autre signal, non visualisé, que l’on envoie sur l’entrée EXT (TRIG EXT). Un
exemple : on veut visualiser un signal complexe, de faible amplitude ou très bruité, prélevé sur un circuit
alimenté par un GBF. La synchronisation sur ce signal étant difficile, on préfère synchroniser sur le signal de
sortie TTL du GBF (signal carré 0 - 5 V, de même fréquence que la sortie signal du GBF), envoyé sur
l’entrée EXT de l’oscillo.
Remarque : le signal TTL est couramment utilisé pour la synchronisation, mais il ne doit pas être utilisé pour
alimenter un circuit (il ne débite pas de courant).
- Régler la synchronisation pour stabiliser le signal issu d'un GBF par ces différentes méthodes.
- Visualisation de deux signaux - fonctionnement ALT / CHOP : quel mode choisir suivant la
gamme de fréquence ?
3 - L'oscilloscope est un fréquencemètre
- Entrer sur une voie de l'oscilloscope une tension périodique. Déterminer la fréquence de cette
tension (précision ?). Comparer à la valeur affichée au fréquencemètre. Influence du bouton de calibrage
de la base de temps.
- Etudier la bande passante de l'oscilloscope à très basse et à très haute fréquence sur les
différentes positions AC et DC. Quelles sont les causes de la limitation en fréquence ?
4 - L'oscilloscope permet de mesurer des déphasages
Faire un montage permettant d’obtenir deux tensions sinusoïdales déphasées (par exemple, un
circuit RC), que l’on envoie sur les deux entrées de l’oscillo. Faire la construction de Fresnel et en déduire
une valeur théorique du déphasage ϕ ainsi que son signe.
- Méthode de la double trace : On visualise à l’oscillo les deux tensions déphasées en fonction du
temps. Quelle est la tension qui est en avance sur l'autre ? Donner la formule permettant d'obtenir le
déphasage ϕ en fonction du retard. Faire la mesure en ajustant la base de temps pour qu’une demi-période
corresponde à 9 carreaux (la calibration n’influence pas la mesure ici : pourquoi ?). Incertitudes.
Grenoble
-
Méthode de l'ellipse (Lissajous) : Se placer en XY. On obtient alors une ellipse inscrite dans un
rectangle. Quelle est la relation permettant de trouver le déphasage ? Mesure et incertitude.
Comment pourrait-on connaître le signe du déphasage ? (cette méthode est surtout utilisée pour
repérer les signaux en phase)
-
Vérifiez vos mesures (valeur et signe de ϕ) en utilisant un phasemètre.
III - MISE EN PRATIQUE
- Demandez à votre binôme de dérégler tous les boutons de l'oscillo dans votre dos. Réglez
l'appareil à nouveau pour obtenir un signal stable à l'écran.
IV - UTILISATION D'UNE CARTE D'ACQUISITION
S'il vous reste du temps à la fin de ce TP, entraînez-vous à faire des mesures sur la carte
d'acquisition SYSAM, pilotée par le logiciel SYNCHRONIE, sur PC.
Grenoble
TP n°2
MESURES D'ELEMENTS
Sujet
Le sujet de ce TP est la mesure de l'impédance des trois "briques" élémentaires de tout circuit
électrique : le résistor, le condensateur et la bobine. Par abus de langage, on désigne souvent ces éléments
par le nom de l'impédance qui leur est idéalement associée : résistance, capacité et inductance. Il existe de
nombreuses méthodes de mesure de ces impédances, chacune étant adaptée plus particulièrement à un
degré de précision, à un environnement expérimental (mesure à distance, bruit particulier, ...), à un matériel
de mesure disponible et/ou à la mesure de valeurs d'impédance extrêmes, ... On propose ici une sélection
des méthodes les plus importantes :
- La méthode la plus directe consiste à mesurer au multimètre les valeurs efficaces U et I pour en
déduire la rapport U/I (méthode Volt-Ampèremétrique). Ceci ne donne directement l’impédance que si
elle est réelle (cas d’une résistance) ou imaginaire pure (cas d’un condensateur supposé sans pertes).
D’autre part, il faut préalablement déterminer les positions respectives de l'ampèremètre et du voltmètre
(montage longue ou courte dérivation). Cela requiert la comparaison des résistances internes du voltmètre
et de l'ampèremètre avec l'impédance approximative de l'élément mesuré. Si l’impédance est complexe
(cas d’une bobine, dont la partie résistive n’est en général pas négligeable devant la partie inductive),
différentes méthodes peuvent être utilisées. On propose ici la méthode Volt-Ampèremétrique appliquée en
continu et en alternatif, puis méthode des 3 voltmètres.
- Les méthodes les plus précises se ramènent à la détection d'un zéro (tension nulle ou courant nul) et
nécessitent un ou plusieurs éléments de comparaison calibrés (mesure par ponts).
- On utilisera aussi bien sûr des instruments de mesure directe : Ohm-mètre ou LC-mètre.
Objectifs fondamentaux
• Savoir choisir une dérivation courte ou longue, savoir le justifier QUANTITATIVEMENT et évaluer
l'erreur systématique en utilisant les données des notices des appareils de mesure.
• Savoir faire un bilan COMPLET des incertitudes d'une mesure : incertitude due à l’erreur systématique
de méthode (cas de la méthode V-A), incertitude due à l’appareil de mesure (classe, lecture, "digit"),
incertitude due à la précision de réglage ou à la précision des valeur des composants de comparaison (cas
des ponts).
• Connaître les limites typiques d'utilisation des appareils (voltmètre, ampèremètre) et composants
(résistors, condensateurs, bobines, boîtes AOIP). Savoir choisir l'appareil de mesure le mieux adapté à la
mesure (multimètre de poche, de table, oscillo ...), équilibrer un pont.
• Utilisation d'un diagramme de Fresnel.
• Savoir déterminer une grandeur à partir d'un relevé de points expérimentaux en traçant un graphique dont
les axes sont choisis pour obtenir une droite dont la pente et éventuellement l'ordonnée ou l'abscisse à
l'origine permettent de remonter à la grandeur recherchée.
Grenoble
Références bibliographiques :
- DUPART et col. : Mesures et essais d'électricité
- BEAUVILLAIN - LATY : Mesures électriques et électroniques
- BAURAND : Mesures électriques 1
- JOURNEAUX : TP de Physique Ch3
A préparer avant le TP :
• Évaluer le rapport U/I en fonction de Z pour les montages des figures 1 et 2 ci-dessous en prenant en
compte la résistance interne RV du voltmètre et RA de l'ampèremètre. Déterminer l'erreur systématique
commise dans chacun des montages, en fonction de RV, RA et Z. Quel règle retenir pour choisir le montage
le plus adapté ?
• Démontrer la condition d'équilibre sur un pont de Wheatstone et la relation sur les impédances.
A
Z
V
Fig.1 : montage "longue dérivation" ou "I vrai"
A
Z
V
Fig.2 : montage "courte dérivation" ou "U vraie"
I - MÉTHODE VOLT-AMPÈREMÉTRIQUE
1 - Mesure d'une résistance
Le modèle de résistance radio le plus courant peut dissiper 1/4 W, à une précision de 5 % et coûte
quelques centimes d’Euros à l'achat. Le prix dépend principalement de la puissance maximale qui peut y
être dissipée et de la précision de leur calibration. Les modèles de tailles supérieures peuvent dissiper 1/2
W, 1 W et davantage. Pour dissiper plusieurs Watts, le choix d'un rhéostat s'impose. Les résistances radio
précises (à mieux que 5 %) coûtent beaucoup plus cher. Pour fixer les idées, les boites AOIP sont
constituées de résistances dont la précision est environ 0,1 %, ce qui explique en partie leur prix élevé (>
800 F). Le comportement haute fréquence des résistances radio est médiocre ainsi que leur stabilité en
température.
- En utilisant deux multimètres numériques et une alimentation continue, mesurer les résistances radio
(n’utilisez pas les boîtes AOIP ici) de 1 ? et 10 k? , en distinguant pour chaque cas le montage à I vrai et
à V vraie. ATTENTION à ne pas dépasser la puissance maximale admissible par le composant (si
nécessaire, limiter le courant en ajoutant une résistance de protection en série).
- Dans chaque cas, estimer l’erreur systématique due à la méthode.
- Dans la meilleure des deux méthodes, calculer l’incertitude due à la précision des appareils de mesure.
- Donner le résultat sous la forme R ± ∆R, en sommant les deux incertitudes précédentes (attention au
nombre de chiffres significatifs). Comparer à la valeur indiquée sur le composant (qui s’exprime aussi sous
la forme R ± ∆R, compte tenu de la précision de la valeur de la résistance) : votre mesure est-elle
cohérente avec la valeur indiquée sur le composant ?
2 - Mesure d'un condensateur
Grenoble
Il existe une multitude de technologies différentes pour la fabrication de condensateurs. Elles
diffèrent par la gamme des capacités, la résistance de fuite (à l’origine de la décharge lente d’un
condensateur isolé), la tension maximale admissible, la dépendance en température, le comportement à
haute fréquence (pertes), la stabilité dans le temps. La plupart des condensateurs mis à votre disposition en
TP sont céramiques, polyester, chimiques ( = électrolytiques). Quelle est la particularité des condensateurs
chimiques ?
- On veut mesurer la capacité d'un condensateur voisin de 0,5 µF. Choix de la fréquence (consulter la
notice des appareils de mesure pour connaître leur bande passante) ? Justifier alors le choix du
montage I vrai ou V vraie.
- Faire une série de mesures à des fréquences différentes (4 ou 5 points). A l’aide d’un graphique
judicieusement choisi, vérifier que l’impédance du condensateur peut être modélisée par une capacité
parfaite (pertes négligeables). On placera sur le graphique des barres d’erreur sur chaque point de
mesure. La courbe théorique doit passer à l’intérieur de chaque barre d’erreur, mais pas forcément par
chaque point expérimental.
- En déduire la valeur de C ± ∆C et comparer à la valeur indiquée sur le composant.
3 - Mesure d'une bobine
Méthode V-A : Choisir une bobine sans noyau ayant une inductance d'environ 50 mH.
- Ecrire l'impédance complexe Z d'une bobine. Quel est le lien entre U/I (valeurs efficaces) et Z ?
- Mesurer le rapport U/I en continu et à 50 Hz.
- En déduire la valeur de l'inductance L et de la résistance RL de la bobine. Incertitudes.
Méthode des trois voltmètres :
Dans le circuit précédent, ajouter une résistance R en série avec la bobine (réfléchir au choix de la
valeur de R) et mesurer les tensions V aux bornes du circuit, VB aux bornes de la bobine et VR aux bornes
de la résistance ajoutée. Diagramme de Fresnel : tracer ces trois tensions sachant que V = VR + VB
(somme vectorielle ! - utiliser un compas), en déduire la valeur de la résistance RB et de l'inductance L de
la bobine. Comparer à la mesure précédente.
II - MESURES AU MULTIMÈTRE
Mesurer les 2 résistances avec un ohmmètre. Précision et limites de la méthode ? Comparer aux
mesures précédentes. Quel courant circule dans la résistance pendant la mesure ? Ce courant dépend-il de
la résistance ? du calibre ? Comment fonctionne un ohmmètre ?
Faire la mesure du condensateur et de la bobine au LC-mètre. Précision ?
III - MESURES PAR PONTS
1) Principe de la mesure
Les mesures d'impédances à l'aide de ponts sont employées lorsque l'on recherche une certaine
précision. En effet, la mesure est déduite d'une détermination de zéro (équilibrage du pont), ce qui est plus
facile et plus précis que la mesure d'une valeur absolue. Nous présenterons d'abord le principe des
mesures en pont, puis nous décrirons 2 types de ponts, permettant de mesurer des résistances et des
capacités. Dans tous les cas, le montage électrique est le suivant :
Grenoble
B
Z1
A
i1
i2
iD
Dans le cas général, tous les éléments ont une
Impédance complexe : Zi = R i + j Xi
Z3
i3
D
C
G : générateur de tension
i4
Z2
Z4
D
D : appareil de détection,
continu (ampèremètre ou galvanomètre)
ou alternatif (oscilloscope ou voltmètre)
G
L'équilibre du pont est obtenu lorsque l'appareil de détection mesure un courant ou une tension
nulle entre les points B et D : UBD = 0 et iD = 0. On a alors :
UBA = UDA d’où Z1 i1 = Z2 i2
UCB = UCD d’où Z3 i3 = Z4 i4 ;
i1 = i3 et i2 = i4.
On en déduit i2 / i1 = Z1 / Z2 = i4 / i3 = Z3 / Z4 et enfin : Z1 Z4 = Z2 Z3
Cette relation permet de déterminer une impédance connaissant les trois autres.
2) Le pont de Wheatstone permet de mesurer des résistances pures.
R1
R3
Gv
R2
R4
Tous les éléments du pont sont des résistances pures :
Zi = Ri (X i = 0 , ∀ i)
Le pont peut fonctionner en continu ou en alternatif,
mais est généralement employé en continu. Dans ce
cas, on obtiendra la meilleure sensibilité en utilisant un
Galvanomètre (Gv) comme appareil de détection du
zéro.
La relation d'équilibre du pont se réduit alors à : R1 R4 = R2 R3. Si la résistance inconnue est R3,
on aura R3 = R4 × r, où le rapport r = R1 / R2 est un multiple de 10 (10-4 à 104) obtenu à l'aide d'une
"tête de pont" (double boîte à décades de résistances de précision 0,05 % variant de 100 à 104 ? ). La
résistance R4 sera une boîte de précision à plusieurs tourelles. On choisira le rapport r de façon à utiliser
toutes les décades de R4 (nombre maximum de « digits »). Les valeurs de R1 et R2 sont ensuite choisies si
possible du même ordre de grandeur que la résistance à mesurer, afin que les tensions des quatre branches
du circuit soient toutes du même ordre de grandeur. On placera un interrupteur à la sortie du générateur,
afin de mesurer des résistances qui restent "froides" (pourquoi ?). On prendra garde aux courants limites
admissibles dans les résistances ! Par précaution, on utilisera d'abord un ampèremètre comme appareil de
détection, et le galvanomètre ne sera inséré dans le circuit que lorsque l'on sera proche de l'équilibre du
pont (iD voisin de 0).
- Ce pont peut être utilisé en continu et en alternatif. Avantages et inconvénients de travailler en
alternatif. Pourquoi faut-il éviter les fréquences de 50 et 100 Hz ?
- Equilibrer le pont pour chacune des deux résistances à mesurer (il peut être judicieux de changer
le valeur de la tête de pont). Chiffrer les incertitudes dues à la précision des composants et à la précision
de réglage du zéro (incertitude sur la valeur de R4 à l’équilibre). Ne pas démonter le pont (utilisé cidessous).
3) Le pont de Sauty permet de mesurer la capacité d'un condensateur.
Grenoble
R1
C
Os
R2
C0
Les éléments 3 et 4 sont des condensateurs :
Z3 = 1 / jCω et Z4 = 1 / jC0ω
Le pont ne peut fonctionner qu'en alternatif (les
condensateurs se comportent en circuit ouvert pour les
courants continus). Pour une bonne sensibilité, l'appareil de détection de zéro sera un Oscilloscope (Os).
La relation d'équilibre du pont se réduit alors à : R1 C = R2 C0. Si le condensateur inconnu est C,
on aura alors : C = C0 R2/R1 , soit C = C0 / r. Prendre pour C0 une boîte de condensateurs de précision
à plusieurs tourelles. Remarquons que cette relation est indépendante de la fréquence. En général, la
fréquence du générateur sera choisie différente du 50 Hz du réseau, afin de ne pas être perturbé par les
tensions parasites apparaissant aux bornes des résistances du circuit. Comment déclencher l'oscilloscope
de façon stable ? L'équilibre du pont sera obtenu en cherchant à annuler la tension sinusoïdale à la
fréquence du générateur. Attention aux problèmes de masse !
- Mesurer deux capacités différentes ( C ˜ 0,05 et 0,5 µF).
- Faire le calcul d'incertitudes
Grenoble
TP n°4
INDUCTION MAGNETIQUE TRANSFORMATEURS, ÉLECTROAIMANTS, SONDE DE HALL,
DISPOSITIFS DE SÉCURITÉ
Sujet : (voir le principe avant le TP)
- Champs magnétiques créés par des circuits de formes simples.
- Transformateur, électroaimant.
- Effet Hall dans les semiconducteurs.
Bibliographie :
- HEBERT : Machines élec., p.93 (transfo)
- MERAT : Physique appliquée, 1ères Génie Elec., p.217 (transfo), p.136 (ferromagnétisme)
- DUFFAIT : Expériences de Physique au CAPES, p.61 (électroaimant)
- LEGRAND : La protection (sécurité)
- CAPLIEZ : Electrotechnique, distribution BT, protection des personnes
- CAPLIEZ : Electricité Tome II (sécurité)
I - SPECTRE MAGNETIQUE D'UN CIRCUIT
Visualiser à l'aide de plaques à aiguilles (ou limaille de fer, plus difficile) les lignes de champ produites par
un solénoïde. Utiliser une bobine de fil épais en cuivre acceptant 10 A.
II - LE TRANSFORMATEUR
1 – Principe : Etre capable d'énoncer :
- les propriétés du transformateur parfait.
- les différentes pertes de puissance dans le transformateur :
- pertes fer : pertes par hystérésis et pertes par courants de Foucault,
- pertes cuivre : pertes par effet Joule dans les enroulements primaire et secondaire.
Montage : réaliser un transformateur démontable avec deux bobines et une carcasse magnétique
feuilletée. Quelles doivent être les propriétés magnétiques de la pièce magnétique ?
Grenoble
220 V
V1
Autotransfo.
V2
Transfo. démontable
1000 spires / 500 spires
- Vérifier la loi des tensions (application de la loi de Faraday) : V2 / V1 = n2 / n1
Il y aurait vraiment égalité s'il n'y avait pas de fuites magnétiques (pertes de flux). Vérifier que le
rapport des tensions diminue si on ouvre le circuit magnétique.
2 – Applications
2 - 1 Adaptation d'impédance
- Démontrer que le transfert de puissance depuis un générateur de résistance de sortie RS vers une
charge RC est maximal lorsque RS = RC (adaptation d’impédance).
- Démontrer qu’une charge RC placée au secondaire d’un transfo de rapport m = n2/n1 est
équivalente, du point de vue du primaire, à une charge RC / m2.
- Expérience : La charge est un haut parleur (RC = 8 Ω). Le générateur est un GBF en série avec
une résistance de 3 kΩ (on « simule» ici un mauvais générateur). Calculer le rapport de transformation m
permettant d'obtenir l'adaptation d'impédance. Choisir un transformateur permettant d'approcher au mieux
ce rapport.
- Comparer les volumes du son émis (et les puissances fournies à la charge, ajouter un
ampèremètre en série pour cela) sans puis avec le transformateur (choisir une fréquence audible !).
2 - 2 Fusion de métal
I
220 V
5000
2000
1000
spires
1 spire
Autotransfo.
- Commencer par 5 000 spires, puis réduire successivement le nombre de spires de la bobine du
primaire. On fera attention aux limitations en courant des bobines. On augmentera progressivement la
tension jusqu'à 220V en début de mesure pour la ramener à zéro avant chaque changement de la
bobine du primaire. A chaque fois, mesurer I1 et calculer I2
Grenoble
- Pour quelle valeur la soudure fond-elle ? Quel est alors l'ordre de grandeur du courant dans la
spire unique au secondaire ?
III – LES ELECTROAIMANTS
- On utilise deux bobines 1 000 spires, une carcasse magnétique feuilletée, deux pièces polaires, un
ampèremètre et une alimentation continue pouvant fournir jusqu'à 8 ampères.
- Connecter les bobines de telle sorte que les pièces polaires non fixées s'attirent. Attention à ne
pas dépasser le courant maximum admissible par les bobines. Fixer solidement les pièces polaires en
laissant un écart x = 2 cm permettant le passage du Teslamètre.
- Indiquer le sens du champ dans la carcasse et dans l'entrefer.
- Utiliser un Teslamètre pour mesurer le champ B créé par l’électroaimant en fonction du courant
IB traversant les bobines (environ 10 points de 0 à IB max). Tracer la courbe B = f(IB).
Ne pas démonter l’électroaimant, ne pas changer l’entrefer : l’électroaimant, ainsi que la courbe B = f(IB)
que vous avez mesurée, sera utilisé dans la partie suivante.
IV – ETUDE D’UNE SONDE A EFFET HALL – APPLICATION COMME CAPTEUR DE
CHAMP MAGNETIQUE
Faire un schéma expliquant clairement ce qu'est l'effet Hall dans un conducteur électrique :
Différencier le cas d'un semiconducteur dopé P (les porteurs majoritaires sont des trous chargés
positivement) de celui d'un semiconducteur dopé N (les porteurs de charges sont des électrons).
I
v
B
e
Cas d’un type n
Dans chaque cas, indiquer le sens de la force de Laplace
F, le sens du champ EH induit, et le sens de la ddp
correspondante. Exprimer la tension de Hall VH en
fonction de I, B, n (densité volumique de charges), e
(épaisseur du semiconducteur) et q (charge d’un
électron).
- Comment limiter le courant dans le circuit de polarisation de la sonde Hall ? Faire le montage
électrique en utilisant la sonde de Hall Siemens et en respectant les indications inscrites au dos de la sonde,
en particulier la limitation en courant . La sonde de Hall coûte cher : faire vérifier votre montage
avant branchement.
- Placer la sonde de Hall dans l’entrefer de l’électroaimant démontable (sans modifier sa largeur).
Fixer le champ B (donc le courant IB) à une valeur arbitraire (pas trop faible), et vérifier rapidement que la
tension VH est directement proportionnelle au courant I dans la sonde.
- Fixer maintenant I et vérifier que la tension VH est proportionnelle au champ B. Pour pouvoir
utiliser facilement les mesures faites précédemment au Teslamètre, on fera des mesures de VH aux mêmes
valeurs de IB que dans la partie précédente. Tracer la courbe VH = f (B).
Grenoble
- Votre sonde de Hall est maintenant étalonnée (ne plus modifier I), elle peut servir de capteur de
champ magnétique : placez-là près d'un aimant, mesurez VH et utilisez votre courbe d’étalonnage pour en
déduire une valeur de B.
- Pour un courant I de 20 mA dans la sonde, que vaut la tension de dérive (tension de Hall en
absence de champ magnétique) ? Comment peut-on annuler cette tension ? (Si nécessaire, faire le montage
de compensation en utilisant un potentiomètre de 100 k? .)
- Vérifier qu’une sonde à effet Hall permet de trouver aussi la direction et le sens d’un champ
magnétique (faites-le pour l'aimant utilisé précédemment).
- Pourrait t'on connaître le signe des porteurs et leur densité dans la sonde de Hall ?
- Comment fonctionne un Teslamètre ? A quoi correspond le bouton de réglage du zéro ?
Grenoble
TP n°3
PHOTO CELLULES
Sujet :
Il existe toute une zoologie de capteurs optiques utilisés pour la détection d'un signal et la
conversion d'une énergie électromagnétique en une énergie électrique. Les caractéristiques principales d'un
capteur sont : sa sensibilité, sa réponse spectrale, sa réponse en fréquence, son domaine de linéarité, son
bruit et son courant d'obscurité. Ce TP vous propose une étude de quelques capteurs optiques : un capteur
thermique (thermopile de Moll) et des dispositifs à semiconducteurs (photorésistance, photodiode,
photopile). Il est intéressant, en fin de TP, de récapituler les caractéristiques des différents détecteurs et de
faire le lien avec les applications possibles qui en découlent.
Objectifs fondamentaux (à préparer avant le TP).
• Comprendre le principe physique de chaque mécanisme de détection.
• Savoir construire un circuit électrique adapté à la détection du signal utile (tension, courant, résistance)
généré par chaque type de capteur.
• Savoir tracer une droite de charge sur la caractéristique I-V d’un composant électronique (diode), pour
en déduire son point de fonctionnement. Application au mode générateur (photopile) ou récepteur
(photodiode).
Matériel mis à disposition :
- Capteurs : thermique (thermopile de Moll, puissance-mètre Melles Griot)
et optiques (photorésistance, photodiode, photopile).
- Système optique :
- lampe à iode (lampe à filament de Tungstène chauffé par le passage d’un courant, dans une
atmosphère d’iode empêchant son évaporation) : elle est utilisée ici comme source de lumière
blanche, mais il faut savoir qu’elle émet aussi une grande quantité d'infrarouge, qui peut être
absorbé par un verre anti-calorique (VAC).
- condenseur : lentille convergente de courte focale et de grande ouverture, permettant de focaliser
plus ou moins la lumière de la lampe vers le détecteur.
- polariseurs : filtres transmettant la composante de la lumière polarisée dans une direction, et
absorbant dans la direction perpendiculaire. Ils seront utilisés pour faire varier le flux lumineux
de la lampe de manière connue (on utilisera la loi de Malus : l’intensité transmise par deux
polariseurs idéaux faisant un angle α entre eux varie en cos2α).
- diode électroluminescente (DEL, ou LED en anglais) : petits émetteurs de lumière couramment
utilisés pour l’affichage.
- stroboscope : sera utilisé pour l’étude du temps de réponse des photodétecteurs.
Grenoble
Bibliographie
- NIARD : Electronique, 1ères F2-F3…, term. F6-F10, édition 1991, ch 1 et 9
- ASCH : Les capteurs en instrumentation industrielle
I - CAPTEUR THERMIQUE : la thermopile de Moll
Principe physique : tout faisceau entrant dans le détecteur est guidé par un cône métallique
jusqu’à une pastille noire, qui s’échauffe en absorbant idéalement toute l’énergie lumineuse, quelle que soit
sa longueur d’onde. Un ensemble de thermocouples délivre ensuite une tension proportionnelle à la
différence de température entre cette pastille et la surface extérieure du capteur, elle-même proportionnelle
à la puissance lumineuse reçue.
(Un thermocouple est un thermomètre fonctionnant sur le principe de l’effet thermo-électrique : lorsque les
deux extrémités d’un fil métallique sont portées à deux températures différentes, il apparaît une différence
de potentiel proportionnelle à cette différence de température.)
Ce capteur est très lent (inertie thermique) et assez peu sensible, mais il a le grand avantage d'avoir
une réponse linéaire et constante dans un très large domaine spectral (UV, visible et IR) et il est calibré (sa
sensibilité, en V/W, est donnée par le constructeur). Il servira donc de détecteur de référence pour les
mesures effectuées dans la suite du TP (il existe peu de détecteurs calibrés).
- Faire une mesure de l'énergie lumineuse du jour et rapporter le résultat en W/m2. Le signal à
mesurer étant faible, utiliser un instrument de mesure précis (microvoltmètre Keithley). Pour comparer,
utiliser le puissance-mètre Melles Griot : cet appareil commercial fonctionne sur le même principe que la
thermopile, mais il donne directement un affichage de la puissance reçue en Watt et il est plus rapide.
- Eclairer la thermopile avec une lampe à iode suivie d'un condenseur. Estimer le temps de réponse
de la thermopile (ordre de grandeur).
- Mesurer la tension après avoir interposé entre la source et le détecteur deux polariseurs formant
entre eux un angle de 0°, 45°, puis 90° (attention à ne pas faire fondre les polariseurs : ne pas faire
converger la lumière dessus).
- Reprendre l'expérience après avoir ajouté un VAC derrière la source. Interpréter : dans quelle
gamme spectrale ces polariseurs doivent-ils être utilisés ? Quelle précaution faut-il prendre si on veut
utiliser ces polariseurs pour faire varier le flux de manière connue par la suite ?
- Utilisez vos mesures pour estimer la proportion de lumière infrarouge émise par la source.
II - CELLULES A SEMICONDUCTEURS
1 - Photorésistance
- Comment est constituée une photorésistance ? Principe physique ?
- Mesurer avec un ohmmètre sa résistance RP à la lumière ambiante et dans l'obscurité totale.
- En utilisant une lampe à iode suivie du VAC et du condenseur, faire un faisceau sensiblement
convergent. Mettre sur le trajet du faisceau lumineux deux polariseurs faisant entre eux un angle α. Tracer
Grenoble
l'évolution de la résistance RP en fonction de cos2α (on suppose que le flux lumineux varie en cos2α).
Conclusion.
- On veut mesurer le temps de réponse de la photorésistance, éclairée par un stroboscope.
Alimenter sous une tension continue E = 5 V la résistance RP en série avec une résistance fixe R. Comment
choisir R et quelle tension prélever sur ce circuit pour visualiser à l’oscillo la variation RP(t) ? Utiliser la
sortie synchro du stroboscope pour stabiliser le signal à l’oscillo.
- Conclusions sur les caractéristiques de ce détecteur ?
- Exemple d'application : on peut citer le système d'alarme, ou l’allumeur de réverbère (allumage
automatique de l’éclairage si l’intensité lumineuse ambiante devient trop faible).
2 - Photodiode : principe et caractéristique
Faire vérifier les montages avant la mise sous tension.
Une photodiode est une jonction semiconductrice pn utilisée avec une polarisation inverse (p au
- et n au +). L'apport énergétique dû à l'éclairement permet de créer des paires électron-trou, qui sont
ensuite séparées par le fort champ électrique régnant près de la jonction. Les porteurs ainsi créés se
rajoutent aux porteurs majoritaires et minoritaires des zones p et n. L'influence du nombre de porteurs
créés par les photons est directement décelable sur le courant de porteurs minoritaires (très faible en
l'absence d'éclairement), c'est à dire le courant inverse.
- Alimenter à l’aide d’un GBF (à fréquence assez basse) une photodiode en série avec une
résistance R. Utiliser ce montage pour observer directement à l'oscillo, en X-Y, la caractéristique I-V de la
photodiode. Visualiser l'effet de l'éclairement.
Remarque : Vous pouvez aussi plus simplement utiliser l’entrée « testeur de composant » de l’oscillo.
- Préciser dans quel cadran la jonction est utilisée en générateur ou en récepteur. Dessiner un
schéma du montage électrique correspondant à chacune de ces deux applications et placer la droite de
charge correspondante sur la caractéristique I-V. Une photodiode optimisée pour travailler dans un régime
générateur (d'électricité) s'appelle une photopile (ou cellule photovoltaïque). Cette application sera étudiée
dans la partie suivante.
- Repérer le côté P et N de la photodiode en utilisant la caractéristique mesurée à l'oscillo, le
testeur de diode du multimètre, ou simplement un ohmmètre (on utilise le fait que la résistance équivalente
d’une diode est très faible lorsqu'elle est polarisée en direct, et très grande en inverse).
3 - Photodiode : jonction utilisée en récepteur
- Faire le montage électrique permettant de mesurer le courant traversant la photodiode polarisée
en inverse sous une tension continue d’environ 5 V. La mesure du courant peut être réalisée en prenant la
tension aux bornes d'une résistance série R bien choisie (quel ordre de grandeur : 1 Ω, 1 kΩ, 1 MΩ ... ?) :
qu'est-ce qui limite ce choix vers les grandes ou petites valeurs de R ?
- En réalisant une expérience similaire à celle faite avec la photorésistance, étudier en quelques
points la linéarité du courant avec le flux lumineux.
Grenoble
- En utilisant le stroboscope, estimer le temps de réponse de la photodiode. Comment peut-on
savoir si on mesure ici le temps de réponse de la photodiode ou celui du stroboscope ? Faire varier la
résistance R et interpréter.
- Application : on peut citer par exemple les optocoupleurs, composants contenant dans un même
boîtier un émetteur (une LED) et une photodiode (ou plus souvent un phototransistor) en regard. Ils sont
surtout utilisés pour transmettre une information entre deux circuits électriquement isolés (isolation
galvanique), par exemple pour commander sans danger un circuit de puissance depuis un circuit basse
tension. Quel est leur intérêt par rapport aux transfo d'isolement ?
4 - Photopile (ou cellule photovoltaïque) : jonction utilisée en générateur
On utilise ici une photodiode de très grande surface, permettant de capter beaucoup de lumière.
C’est ce type de détecteur qui est utilisé pour réaliser des panneaux solaires.
- Eclairer uniformément toute la surface de la photopile en utilisant la lampe à iode suivie du VAC
et du condenseur. Faire débiter ce générateur sur une résistance de charge variable RC en série avec une
résistance étalon R = 1 Ω (qui servira à mesurer le courant).
- Tracer point par point la caractéristique I-V du générateur en changeant la valeur de RC (de 0 à
l’∞). On peut faire ces mesures avec un voltmètre (ou éventuellement si on a le temps sur ordinateur avec
l'interface SYSAM et le logiciel SYNCHRONIE : dans ce cas, faire l’acquisition des deux tensions V et
RI en mode « pas à pas » : pour chaque valeur de RC, on appuie sur la touche F10 pour faire une
acquisition).
- Indiquer où se trouvent sur la caractéristique I-V la tension du générateur en circuit ouvert VCO
(générateur fermé sur une résistance infinie) et le courant de court-circuit ICC (générateur fermé sur une
résistance nulle).
- Déterminer la puissance électrique maximale fournie par la photopile, ainsi que la charge adaptée
(résistance de charge pour laquelle la puissance fournie par la pile est maximale). Pour cela, calculer P =
VI et RC = V/I, et tracer P(RC) (sur ordinateur, utiliser la feuille de calcul).
- Pourquoi n’utilise-t-on pas simplement un ampèremètre pour mesurer I ?
- Sans modifier le réglage optique, mesurer le flux lumineux à l'aide de la thermopile de Moll
(placer l’entrée de la thermopile de Moll exactement à l’emplacement de la photopile). En déduire la
puissance lumineuse incidente sur la photopile (tenir compte du rapport des surfaces).
- Calculer alors le rendement optimal de la cellule. Apprécier. Obtiendrait-on le même rendement
sans VAC ? Quelle est la mesure la plus intéressante (avec ou sans VAC ?) pour les applications utilisant
la lumière solaire ?
Grenoble
TP n°5
CIRCUITS OSCILLANTS
Sujet et objectifs :(théorie à revoir chez soi)
- Oscillations libres d'un circuit RLC. 3 régimes : pseudo-périodique, critique et apériodique. Fréquence
propre fo , durée du transitoire τ, résistance critique RC, facteur de qualité Q.
- Oscillations forcées d’un circuit RLC. Fréquence de résonance fo , facteur de qualité Q, couplage par
mutuelle inductance. Impédance et déphasage, construction de Fresnel avant, après, et à la
résonance.
- Retenir que les GBF ont la plupart du temps une impédance de sortie résistive de 50 Ω.
DUPART : Mesures et essais d'électricité
BERTIN, FAROUX, RENAULT : Electromagnétisme 2.
Matériel mis à disposition :
- GBF : générateur de fonctions périodiques à fréquence variable. Pour certaines applications, on utilisera
un GBF ayant la possibilité de faire un balayage en fréquence (fonction SWEEP)
- Résistances, condensateurs, bobine d'inductance à air (self)
- Bobines de Bruhat (pour le couplage par mutuelle).
- Multimètres, Oscilloscope, Carte d’acquisition SYSAM + logiciel SYNCHRONIE sur PC
I - OSCILLATIONS LIBRES D'UN CIRCUIT RLC SERIE
(choisir C ≈ 0,1 µF, L ≈ 50 mH)
- Faire un montage permettant d'étudier les oscillations libres d'un circuit RLC série. On peut
utiliser une alimentation continue et un interrupteur, mais il est souvent plus simple d’alimenter le circuit par
un GBF en carré (comment choisir la fréquence si on veut observer les oscillations libres du circuit et non le
régime forcé ?).
- Commencer par observer le comportement du circuit sur oscillo. Ensuite, on fera des acquisitions
sur PC, avec la carte SYSAM, de façon à pouvoir imprimer les résultats et les traiter précisément grâce au
logiciel SYNCHRONIE. Comme sur l’oscillo, il faut alors régler la durée de mesure, le calibre, le
déclenchement (pour synchroniser, on a intérêt à utiliser la sortie TTL du GBF : pourquoi ?).
- Mettre en évidence les trois régimes du circuit. Imprimer un enregistrement dans chacun de ces
régimes. Estimer la valeur de la résistance critique RC.
- Régime pseudo-périodique : utiliser l’outil « modélisation » du logiciel pour vérifier l’accord entre
la courbe théorique et expérimentale (modéliser par un sinus amorti exponentiellement). En déduire la
Grenoble
fréquence propre fo , le temps de décroissance τ ainsi que le facteur de qualité Q du circuit. Comparer aux
valeurs théoriques. Que vaut la résistance totale du circuit ?
II - OSCILLATIONS FORCEES D'UN CIRCUIT RLC SERIE
(choisir C ≈ 0,1 µF, L ≈ 50 mH)
-
Donner les différentes expressions du facteur de qualité Q :
- une expression en fonction des valeurs des composants R, L et C du montage
- deux expressions permettant deux déterminations expérimentales indépendantes de Q.
-
Faire un montage permettant d'étudier la réponse d'un circuit RLC série à une excitation sinusoïdale de
fréquence variable, en visualisant Vtotal (sortie du GBF) et VR à l'oscilloscope.
-
Déterminer la fréquence de résonance fo en observant l’amplitude de VR , puis en observant le
déphasage entre Vtotal et VR en XY. Quelle est la méthode la plus précise ? Que vaut sa précision ∆f
? Comment choisir R ?
-
Comparer la mesure f ± ∆f à la valeur théorique (qui elle aussi est incertaine, car la valeur des
composants n’est connue qu’avec une certaine précision, donnée généralement par le constructeur).
-
Observer la variation du déphasage entre Vtotal et VR quand f varie, et interpréter qualitativement en
utilisant un diagramme de Fresnel : pour quelle gamme de fréquence le circuit est-il inductif ?
capacitif ? le courant est-il en avance ou en retard sur Vtotal ?
-
Observer la variation de Vtotal à la résonance. Interpréter.
-
Fixer la tension à vide du GBF à une valeur arbitraire. Pour R = 10 Ω, tracer les tensions VC et VR en
fonction de la fréquence (faire les mesures au multimètre). Pour gagner du temps, vous pouvez tracer
ces courbes sur PC (en utilisant un logiciel de traitement de données, au choix EXCEL,
KALEIDAGRAPH ou SYNCHRONIE). On prendra surtout des points près de la résonance, en
particulier un point à V = Vmax et les deux points à V = Vmax/ 2 .
-
Déterminer expérimentalement le facteur de qualité Q à partir de la courbe de résonance en intensité
et par une mesure appropriée à la résonance. Comparer à la valeur théorique.
-
Recommencer rapidement avec R = 100 Ω (inutile de tracer toute la courbe de résonance : mesurer
uniquement les points particuliers intéressants pour la détermination de Q).
-
Quel est le facteur de qualité maximal de ce montage ? Comment pourrait-on l’améliorer ?
-
Application : alimenter le circuit par un signal carré ou triangulaire de fréquence proche de f0 et
interpréter. A quoi peut servir ce montage ?
-
Utilisation de la fonction SWEEP du GBF : Régler la modulation de fréquence de fmin à fmax de façon à
encadrer largement f0. Régler la durée de balayage entre 0,1 et 1 s typiquement. Observer la courbe
de résonance à l’oscillo (pour le déclenchement, utiliser la sortie SWEEP OUT du GBF : rampe de
tension proportionnelle à la fréquence du signal).
Facultatif : faire l’acquisition de cette courbe sur PC. Exploiter en utilisant les curseurs. Imprimer.
Grenoble
III - OSCILLATIONS COUPLEES DE DEUX CIRCUITS RLC
Couplage par mutuelle inductance (utiliser les bobines de BRUHAT)
- Mesurer au LC-mètre les inductances des bobines du stator et du rotor prises isolément, puis des
bobines du stator et du rotor en série. Pour ce dernier montage, déterminer la valeur L (φ) de la self pour
les angles entre bobines de 0°, 90° et 180°. En déduire la valeur de la mutuelle inductance.
- Faire un circuit RLC série (L bobine du stator, C = 0,2 µF, R pas trop grande), l'alimenter par un
GBF ayant un balayage en fréquence (fonction SWEEP). Coupler un autre condensateur de 0,2 µF à la
bobine du rotor (inutile d’ajouter une résistance dans ce second circuit). Calculer les fréquences de
résonance théoriques f1 et f2 des deux circuits isolés.
- En visualisant à l’oscillo le courant aux bornes de la résistance incluse dans le premier circuit,
mettre en évidence la présence de deux résonances à deux fréquences dépendant de l'angle entre les
bobines du circuit (quand le couplage augmente, ces deux fréquences s’éloignent des fréquences f1 et f2 en
s’écartant). On commencera par faire varier la fréquence à la main, puis on utilisera la fonction SWEEP du
GBF pour obtenir la courbe de résonance directement à l’oscillo ou sur PC.
Grenoble
TP n°6
MESURE DE PUISSANCE - TRANSFORMATEURS
Sujet :
- Puissance apparente, active, réactive, facteur de puissance.
- Utilisation d’un Wattmètre : choix du montage amont/aval, choix des calibres I et V.
- Théorème d'Ampère, flux d'induction, carcasse magnétique, transformateur, rapport de transformation,
pertes et rendement d'un transformateur, point de fonctionnement nominal.
- DUPART : Mesures et essais, Dunod (utilisation du Wattmètre)
- HEBERT : Machines élec. p.93 (transfo)
- MERAT : Physique appliquée, 1ères Génie Elec. p.217 (transfo), p.136 (ferromagnétisme)
I - MESURES DE PUISSANCES CONTINUES OU ALTERNATIVES
(Mesures et essais p. 118 et suivantes)
!!! Attention : Pour toute utilisation d’un Wattmètre (prix > 5000 F), il est obligatoire de mettre un
ampèremètre en série avec le wattmètre et un voltmètre en parallèle. Le choix du calibre du
wattmètre s'effectue en fonction des indications de l'ampèremètre et du voltmètre, et non en
fonction de la déviation du wattmètre (on ne peut pas toujours travailler près de la pleine échelle).
-
Proposer deux montages permettant de mesurer la puissance consommée par une charge Z
quelconque.
-
Justifier le choix des branchements des appareils de mesure en fonction de la valeur de la charge Z
étudiée (consulter la notice pour connaître la valeur des résistances de l’entrée ampèremètre et
voltmètre du Wattmètre). Précision : il y a trois sources d’incertitudes différentes. Lesquelles ?
-
Mesurer la puissance dissipée dans une charge résistive alimentée en continu (choisir une charge
supportant une puissance facilement mesurable par le Wattmètre). Comparer au produit V × I.
Incertitudes.
-
Mesurer la puissance dissipée dans une charge réactive (bobine en série avec un rhéostat) alimentée
par le secteur. Comparer au produit V × I. Etudier à l'oscilloscope le déphasage courant-tension
(attention aux problèmes de masse). En déduire deux mesures du facteur de puissance (cos ϕ).
Comparer à la valeur théorique (calculée à partir des valeurs des composants : R, L et rL). Tracer, sur
papier millimétré, le diagramme des puissances (active, réactive, apparente).
-
Pourquoi est-il nécessaire de relever la valeur du cos ϕ des appareils mis sur le réseau EDF à une
valeur proche de 1 ? La norme est de 0,9 minimum. Faire le schéma d'un montage le permettant.
Grenoble
-
Pourquoi est il préférable de transporter l'électricité sous forte tension ?
II - ETUDE DU TRANSFORMATEUR
Préliminaire : Etre capable d'énoncer les propriétés du transformateur parfait, les différentes pertes de
puissance dans le transformateur :
- pertes fer : pertes par hystérésis et pertes par courants de Foucault,
- pertes cuivre : pertes par effet Joule dans les enroulements primaire et secondaire.
On préfère étudier un transformateur du commerce, car on peut alors utiliser les informations portées sur la
plaque signalétique du transformateur. Choisir un transfo 220 V / 24 V, de faible puissance : 60 VA (ces
valeurs correspondent au point de fonctionnement nominal du transfo).
1- Montage
Le primaire du transformateur étudié sera alimenté par un autotransfo branché sur le secteur. La
charge au secondaire sera un rhéostat RC. Dessiner puis réaliser le montage permettant de mesurer les
tensions au primaire V1, au secondaire V2, les courants au primaire I1, au secondaire I2 et la puissance au
primaire P1. On appliquera au primaire la tension nominale du transformateur V1n = 220 V. On veillera a
toujours ramener la tension du primaire à 0 avant de changer un branchement ou un calibre du Wattmètre.
-
En général, le constructeur n'autorise pas de dépassement de l'intensité I2 de plus de 10 % de la valeur
nominale I2n . Calculer I2n puis I2max et choisir le rhéostat en conséquences. On fera varier RC de ∝ à
RCmin (calculer cette valeur).
- Montage amont ou aval ? Pour faire le bon choix, on évaluera l'impédance équivalente à l'ensemble
transfo + charge : Z = V1/I1, quand RC varie de ∝ à RCmin.
2- Mesures
Diminuer progressivement la résistance de charge RC et mesurer aussi précisément que possible I1,
I2, V1, V2 et P1 (attention : I2 doit varier entre 0 et I2max). Etablir un tableau de mesures dans lequel
on fera apparaître également : la puissance au secondaire P2 = I2V2, le rendement η = P2/P1 ainsi que les
rapports V2/V1 et I1/I2 (on pourra gagner du temps en réalisant ce tableau sur PC : logiciel Excel,
Kaleidagraph ou Synchronie)
3- Exploitation des résultats
a) Relation entre les tensions V1 et V2
La loi des tensions (V2/V1 = n2/n1) reste assez bien vérifiée, mais elle l'est d'autant moins que les intensités
augmentent (causes : fuites magnétiques, résistances des enroulements, voir le schéma équivalent du
transformateur réel : HEBERT p. 97). Le rapport du nombre de spires n2/n1 peut donc être déduit du
rapport V2/V1 à secondaire ouvert. Ce rapport est un peu différent du rapport 220 V / 24 V indiqué par le
constructeur, puisque celui-ci est valable dans les conditions nominales (puissance 60 VA) et non en circuit
ouvert.
b) Relation entre les intensités I 1 et I2
Grenoble
C'est une illustration du théorème d'Ampère (voir MERAT ch.11 et 17) :
n1I1 + n2I2 (en charge) = n1I1v (à vide)
Pour le transformateur parfait :I1v = 0 donc n1I1 = n2I2.
Pour un transfo réel, n1I1 est d'autant plus proche de n2I2 que I1v est négligeable devant I1.
Exploitation des résultats : A partir des mesures, montrer que le rapport I1/I2 tend vers le rapport de
transformation n2/n1 quand I1 augmente.
c) Le transformateur est un appareil à haut rendement
C'est un point fondamental à souligner : le transformateur est un appareil qui transfère la
puissance en en consommant très peu. Les transformateurs industriels de forte puissance ont des
rendements atteignant facilement 95%. Un transformateur démontable aura un rendement de l'ordre de
75%, un petit transformateur du commerce de 80 à 85%.
Par définition, le rendement est :
P
P2
η= 2 =
P1 P2 + Ppertes
Le transformateur est dimensionné de façon à ce que le rendement soit maximal pour le point de
fonctionnement nominal. On montre que cela correspond à l'égalité des pertes cuivre et des pertes fer (voir
HEBERT p. 114 : très clair).
Exploitation des résultats :
- Tracer la courbe η = f(I2), I2 variant de 0 à I2max.
- Montrer que le rendement est supérieur à 80% pour une plage de variation très large de I2 de part
et d'autre de I2n (intensité nominale).
- Vérifier que le maximum de rendement est obtenu près du point de fonctionnement nominal indiqué
par le constructeur.
Conclusion : quand on choisit un transformateur, pour travailler au meilleur rendement, on n'a pas intérêt
à choisir un gros transformateur (surdimensionné).
d) Estimation des pertes (le faire au point de rendement maximum)
-
Les pertes cuivre peuvent être estimées après avoir mesuré à l'ohmmètre la résistance des
enroulements du primaire et du secondaire : PCu = R1 I12 + R2 I22
-
Les pertes fer sont données par la mesure de P1v = puissance au primaire lorsque le secondaire est
ouvert.
En effet, les pertes fer sont imposées par la valeur de V1 et ne dépendent donc pas de la valeur de RC .
D’autre part,
si RC = ∝, on a : I2 = 0 donc P2 = 0 et PCu = R1 I1v2
et on a toujours : pertes = P1 – P2 = PFe + PCu d’où : PFer = P1 – P2 – PCu = P1v – 0 – R1 I1v2
On a donc : PFer = P1v – R1 I1v2 ≈ P1v
Grenoble
Vérifier alors que PFer ≈ PCu et que l'on a bien P1 ≈ P2 + PFer + PCu (estimer les incertitudes, et vérifier
cette formule aux incertitudes près).
Grenoble
TP n°7
APPROCHE DU COURANT ALTERNATIF TRIPHASE.
COMPLÉMENTS DE SECURITE
Sujet :
- Bobine d'inductance.
- Force électromotrice induite, principe des génératrice et des moteurs à courant continu et alternatif.
- Distribution électrique, dispositifs de sécurité, courant alternatif triphasé.
- DUPART : Mesures et essais d'électricité.
- NOTICE LEYBOLD : Expériences avec les machines électriques pour l'enseignement.
- NIARD : Machines électriques.
- NOTICE PICHOIR : cours d'électrotechnique.
- CAPLIEZ : Electricité Tome 2.
- NOTICE LEGRAND : La protection.
- Manuels de Physique de Terminale : par exemple DURANDEAU Terminale S ch.15
I - FORCE ELECTROMOTRICE INDUITE
- Mécano Leybold : Identifier le matériel décrit dans la notice LEYBOLD.
- Mettre en évidence la fem induite lors du déplacement d'un aimant devant une bobine fixe (ou l'inverse).
Définition du flux, signe de la fem en fonction du sens d'orientation choisi, détermination des pôles de
l’aimant.
- A l'aide du matériel mécano LEYBOLD étudier la fem induite lors de la rotation d'une bobine (rotor
bipolaire) dans le champ magnétique créé par deux aimants discoïdes (cf. notice LEYBOLD p. 19). Placer
ces deux aimants de façon à ce que leurs effets s’ajoutent. Entraîner le rotor par un moteur annexe.
- Visualiser à l'oscillo l'allure des courbes obtenues en collectant le courant sur les bagues ou sur le
collecteur. Interpréter chaque cas observé. Changer l’orientation du collecteur : comment faut-il le placer
pour générer un signal avec une composante continue (redressement double alternance) ? On a ainsi
réalisé une dynamo (vous pouvez essayer de la faire débiter sur une charge, une petite ampoule par
exemple).
(Ne pas démonter : montage utilisé dans la partie suivante)
II - MACHINES ELECTRIQUES A COURANT CONTINU
Grenoble
-
Principe du moteur à courant continu. Types de moteur à courant continu § 29. p. 37 (série, shunt et
compound).
-
Construire un moteur continu avec le rotor bipolaire (§ 19. p. 31). Ce moteur démarre-t-il seul ?
-
Comment inverser le sens de rotation de tels moteurs ?
III - MACHINES ELECTRIQUES ALTERNATIVES
(Cf. notice LEYBOLD § 44. p. 48).
- Construire un alternateur triphasé à pôles internes comprenant un inducteur : rotor bipolaire alimenté en
courant continu sur les bagues, entraîné par le moteur annexe et un induit : stator comportant 3 pôles à
120°.
- Vérifier à l'oscillo le déphasage entre les trois tensions induites dans les bobines du stator
1 - Montage étoile (Cf. notice LEYBOLD § 46. p. 50)
Les bobines de l'induit ont un point commun qui constitue le neutre, les bornes libres de
chaque bobine constituent les phases.
- Fixer une vitesse de rotation de l'inducteur, la mesurer par stroboscopie. Comment être sûr de
mesurer la bonne valeur de la vitesse ?
1 - 1 - Alternateur à vide
- Mesurer au voltmètre les tensions V entre neutre et phase et U entre deux phases. Quel rapport
existe-t-il entre ces tensions ?
- Tracer la construction vectorielle V1, V2, V3, U1, U2 et U3 pour l'alternateur à vide.
1 - 2 - Alternateur en charge : Rôle du neutre (Cf. notice LEYBOLD § 46. p. 50)
- Faire débiter l'alternateur dans une charge en étoile équilibrée en mettant un ampèremètre
identique sur chaque fil de phase et sur le neutre. Pour une vitesse de rotation du moteur donnée, relever I1
, I2 , I3 et In . Interpréter.
- Déséquilibrer l'une des charges, observer ce qui se passe. Conclusions.
2 - Montage triangle (§ 47. p. 51)
2 - 1 - Alternateur à vide
- Mesurer les tensions entre deux phases et le courant dans une bobine de l'induit. Comparer aux
valeurs théoriques. Conclure.
2 - 2 - Alternateur en charge
- Faire débiter sur un récepteur équilibré. Mesurer la tension et le courant dans les différentes
branches.
- Observer ce qui se passe si on déséquilibre la charge : inconvénient de ce type de branchement ?
Grenoble
IV - PROTECTION DES CIRCUITS ET DES INDIVIDUS
Regarder dans la documentation :
- comment s'effectue la distribution électrique. Pourquoi la distribution électrique avec neutre est-elle
préférentiellement adoptée ?
- comment s'effectue la protection des circuits (fusibles, disjoncteurs thermiques et magnéto-thermiques)
et des individus (disjoncteurs différentiels). Quel est l'ordre de grandeur des courants alternatifs
dangereux pour les individus ?
1- Protection des circuits : Disjoncteur magnéto-thermique du commerce
-
Schéma de principe : voir CAPLIEZ - électricité.
-
Déchiffrer ses performances sur la plaque d'identité : courant nominal, type, intensité de déclenchement
magnétique (voir notice LEGRAND).
interrupteur
220 V
Disjoncteur
magnétothermique
I
Rv
- Placer le disjoncteur magnéto-thermique entre le secteur, pris au travers d'un autotransfo, et un
circuit d'utilisation constitué d'une résistance variable Rv (rhéostats 11 ? ) en série avec un ampèremètre.
- Ajuster la résistance variable de telle sorte que l'intensité soit supérieure à l'intensité nominale
du disjoncteur tout en restant inférieure à l'intensité de déclenchement magnétique .
- Peut-on réarmer lorsque le disjoncteur a fonctionné ? Quelle sécurité a joué ?
- Mettre ensuite le disjoncteur directement sur le secteur (220V) en conservant l'interrupteur dans
le circuit mais en enlevant l’ampèremètre (pourquoi ?). Mettre la résistance variable à 11? (pourquoi ?).
- Le disjoncteur étudié étant en position "marche", établir le courant en fermant l'interrupteur inséré
dans le circuit. Qu'observe-t-on ?
- Ouvrir l'interrupteur : peut-on réarmer le disjoncteur ? Quelle sécurité a fonctionné ?
2 - Protection des personnes : disjoncteur différentiel (cf. CAPLIEZ)
- Schéma de principe
- Disjoncteurs différentiels disponibles : les tables sont équipées de différentiels 30 mA ; un
différentiel 500 mA est placé en amont, sur le tableau général.
Grenoble
I - quelques A
220 V
Disjoncteur
différentiel
30 mA
I
Rhéostat
"fuite" à la terre,
à travers une résistance
variable ou un rhéostat.
R
If
I
Réaliser le montage ci-dessus (le disjoncteur différentiel 30 mA se trouve déjà sur votre table de
travail) et faire varier R (potentiomètre 100 k? ). Le disjoncteur ouvre le circuit quand la fuite à la terre If
atteint 30 mA.
V - COMPLÉMENTS DE SÉCURITÉ : PLAQUETTE PROTON
À l'aide la plaquette pédagogique PROTON, montrer l'effet d'une "bonne" ou d'une "mauvaise" terre.
Attention, les tensions sont réduites d'un facteur 19, les intensités sont les intensités réelles. Estimer les
intensités auxquelles une personne peut être exposée en touchant une carcasse métallique avec un défaut
d'isolement.
Grenoble

mesures et

Transcription

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