PROGRAMME DE LA troisieme ANNEE

CursusdeMasterenIngénierieen5ans
“SMARTetGREENélectronique:SystèmesElectroniquesintelligents
etdefaibleconsommationpourlesdéfissociétaux”
ANNEE DE L3 En L3, les enseignements sont de plus en plus centrés sur l’électronique. Le second semestre se fait en mobilité internationale. De nombreuses destinations sont accessibles : Canada (Université Mc Gill, University of Waterloo, Ottawa), National University of Singapour, République Tchèque (Prague), Allemagne (Univ. Techno. de Munich), Suisse (EPFL – Lausanne), Israël (Tel Aviv), L3 S5 Nom d’UE 36 Spécialité 21 Induction magnétique et Conversion d’énergie 6 Signaux et systèmes 6 Outils mathématiques pour l’électronique 3 Option : Réseaux électriques intelligents et gestion de l'énergie / Son et images : acquisition et traitement 6 Disciplines d’ouverture scientifique et technologique 6 Base de la mécanique des milieux continus (3A004) 6 Activités de projet 3 Stage de découverte de la recherche en laboratoire 3 Disciplines d’ouverture socio‐économique et culturelle 6 Anglais 3 Gestion de l'innovation 3 S6 Mobilité internationale 36 Premier semestre INDUCTION MAGNETIQUE ET CONVERSION D’ENERGIE (3E101) : 6 ECTS Objectifs : Cette unité d’enseignement s’articule autour de 2 parties distinctes. La première partie du cours est intitulée « champ et induction magnétiques ». La seconde partie du cours est intitulée « conversion de l’énergie électrique ». De très nombreuses applications industrielles mettent en œuvre des dispositifs de conversion de l’énergie électrique. Cette conversion peut être statique et permet alors d’adapter la nature et les caractéristiques de l’énergie électrique demandée par la charge : on peut citer en exemple le transformateur. Mais elle peut faire intervenir des systèmes en mouvement (et en particulier, rotatifs) lorsque la charge requiert un actionnement électromécanique : on parle alors de machines électriques tournantes. Compétences attendues : Connaître les caractéristiques de l’interaction magnétique Comprendre les concepts de champ et d’énergie magnétique Savoir appliquer différentes techniques de calculs de champ magnétique Comprendre le phénomène d’induction et ce qu’est l’inductance d’un composant Avoir des notions sur le comportement magnétique des matériaux Savoir décrire les caractéristiques des convertisseurs et de préciser leurs conditions d’utilisation dans une chaîne de conversion de l’énergie. Programme : Partie « champ et induction magnétiques » : 14 h CM – 16 h TD/BE Interaction et champ d’induction magnétique B : Faits expérimentaux – Notion de champ magnétique – Force de Lorentz – Force de Laplace – Boucle de courant dans un champ magnétique – Notion de moment magnétique. Calcul du champ B créé par des courants : Champ créé par un conducteur rectiligne infini – Loi de Biot et Savart – Symétrie et anti‐symétrie par rapport à un plan. Théorème d'Ampère : Circulation du champ magnétique – Enoncé du théorème d’Ampère –Applications : champ à l’intérieur d’un solénoïde infini ; champ créé par une nappe de courant plane. Inductance d’un circuit électrique : Conservativité du flux magnétique – Flux magnétique à travers un contour fermé – Inductance d’un circuit électrique – Application : calcul de l’inductance d’un solénoide – Notion d’inductance mutuelle – Energie et densité d’énergie magnétique. Phénomène d’induction magnétique : Faits expérimentaux – Loi de Faraday – Cas d’un circuit en mouvement – Cas d’un circuit déformable – Principe du transformateur – Origine de la f.e.m induite, notion de champ électrique induit Matériaux magnétiques : Notion de dipôle magnétique – Définition de l’aimantation – Equivalence aimantation/courant électrique – Propriétés et rôle des matériaux magnétiques doux, notion de perméabilité magnétique et de circuit magnétique– Propriétés et rôle des matériaux magnétiques durs, notion d’aimantation rémanente. Equations de Maxwell : Récapitulatif des relations globales de l’électromagnétisme : théorème d’Ampère, conservation du flux magnétique, loi de Faraday, théorème de Gauss – Passage de la forme globale à la forme locale, introduction des équations de Maxwell dans le vide et dans les milieux matériels. Partie « conversion de l'énergie électrique » : 12 h CM ‐ 10 h TD ‐ 8 h TP Le transformateur : le transformateur idéal, le transformateur réel, schéma électrique équivalent, éléments de dimensionnement La machine à courant continu : principe de fonctionnement, schéma électrique équivalent, caractéristique mécanique, lois de commande, domaines d’utilisation Le moteur pas à pas : principes de fonctionnement, caractéristique mécanique, lois de commande, domaines d’utilisation Le moteur brushless : principe de fonctionnement de la machine synchrone, caractéristique mécanique, loi de commande, domaines d’utilisation Pré‐requis : Maths : calcul vectoriel – calcul intégral – Physique : mécanique SIGNAUX ET SYSTEMES (3E100) : 6 ECTS Objectifs : Cet enseignement permet d’acquérir les connaissances théoriques et pratiques pour l’étude des signaux et des systèmes, indispensables pour aborder par la suite les techniques de traitement de signal, de filtrage analogique et la modélisation de systèmes. Les différents modes de représentation, temporel et fréquentiel, sont abordés pour les systèmes électroniques analogiques. Compétences attendues : Utiliser les outils adaptés pour analyser et traiter un signal en temps et en fréquence (transformée de Fourier…), Modéliser un système simple en calculant sa fonction de transfert. Synthétiser un filtre simple passif ou actif à partir de ses propriétés. Programme : Définition des systèmes et des signaux : Invariance, causalité, linéarité, continu/discret , signaux tests Analyse fréquentielle des signaux : Rappels sur les séries de Fourier et la transformée de Fourier; Dualité temps/fréquence ; Energie et puissance d’un signal, Fenêtres temporelles; Introduction au traitement du signal : convolution, Théorème de Plancherel, corrélation, Théorème de Wiener‐
Khintchine (densité spectrale de puissance), application à la modulation d’amplitude. Introduction au traitement de signaux discrets : Echantillonnage, Transformée de Fourier de signaux discrets; Modélisation d’un système : Rappels sur la transformée de Laplace, Outils de modélisation : équation différentielle, produit de convolution, fonction de transfert; Représentation fréquentielle d'une fonction complexe (module et argument) dans le diagramme de Bode; Systèmes d’ordre 1 et 2 : Réponse temporelle (réponse impulsionnelle, réponse indicielle); Fonction de transfert; Réponse fréquentielle dans le diagramme de Bode; Filtre parfait et causalité, gabarit d'un filtre, normalisation des impédances, transposition de fréquence; Stabilité d'un système linéaire. Calcul de la fonction de transfert H(p) stable à partir du gain d'un système |H(f)| Prototypes de filtres. Construction et propriétés (distorsion, capacité de coupure…) ; Synthèse de filtres passifs (application HF) et actifs (Sallen‐key, Rauch, Filtres universels). Sensibilité. Pré‐requis : Outils mathématiques: séries de Fourier, Transformée de Fourier, Transformée de Laplace, Fonctions de la variable complexe, éléments d'électronique (R,L,C, Amplificateurs opérationnels parfaits) OUTILS MATHEMATIQUES POUR L’ELECTRONIQUE (3E102) : 3 ECTS Objectifs : Compléter la formation en mathématique des étudiants. Cette UE approfondit le cadre théorique des notions vues en S4 en introduisant les espaces de Hilbert et les distributions. Ces outils sont illustrés par des exemples représentatifs de l’électronique. Ces exemples sont repris dans l’UE « méthodes numériques » par le biais d’un projet de synthèse. Compétences attendues : Exploiter la dualité temps/fréquence, Manipuler des grandeurs impulsionnelles ou ponctuelles, Connaître la notion d’espace de Hilbert Programme :  Compléments d'algèbre linéaire : Rappels sur les espaces vectoriels R2 et R3 ‐ Généralisation aux espaces vectoriels de dimension n ‐ Introduction des espaces vectoriels de fonctions – Normes et Produit scalaire de fonctions.  Analyse de Fourier : Forme exponentielle des SF ‐ La SF vue comme décomposition d'une fonction sur une base de fonctions orthogonales ‐ Rappel des propriétés de la SF ‐ La transformée de Fourier ‐.  Distributions : Introduction – Espace vectoriel des fonctions‐tests D – Espace vectoriel des distributions D’ – Distributions régulières et singulières – Impulsion et peigne de Dirac – Produit fonction/distribution ‐ Dérivation et intégration – Suite et séries de distributions.  Outils d'analyse des systèmes linéaires dans le cadre des distributions : Série de Fourier des distributions et du peigne de Dirac – Transformée de Fourier des distributions tempérées – Analyse de Fourier 2D ‐ Exemples dans le domaine de l'électronique et de l'électromagnétisme. Pré‐requis : Calcul intégral simple – Suite et séries de fonctions – Séries de Fourier – Espaces vectoriels de dimension finie (produits scalaires et bases de vecteurs) OPTION :
RESEAUX ELECTRIQUES INTELLIGENTS ET GESTION DE L'ENERGIE (3E104) : 6 ECTS Objectifs et compétences attendues: Cette unité d’enseignement a pour objectif de présenter les réseaux électriques d’aujourd’hui et leur évolution vers une gestion toujours plus intelligente de l'énergie, avec en particulier la problématique de l'intégration des EnR (énergies renouvelables). La première partie du cours présente les réseaux de distribution de l’énergie électrique, qu'ils soient terrestres ou embarqués. L'objectif pédagogique est la connaissance des différents éléments constitutifs d’un réseau de distribution, les critères de dimensionnement de ces éléments et les principales règles de conduite et de régulation du réseau. On s'intéressera alors aux réseaux intelligents appelés « smart grids ». Ces réseaux associent différentes sources d'énergie électriques (dont les EnR) et des dispositifs de stockage afin d'améliorer l'efficacité énergétique du réseau par l'utilisation d'algorithmes d'optimisation. La distribution et l'utilisation de l'énergie électrique nécessitent un certain nombre de conversion de cette énergie depuis sa production jusqu'à son utilisation, afin d'adapter ses caractéristiques (courant continu ou alternatif, niveau de tension, fréquence) au contexte (transport longue distance; alimentation d'un bâtiment, d'une machine industrielle, d'un ordinateur ...). La seconde partie du cours traite des convertisseurs qui assurent ces fonctions d'adaptation des caractéristiques de l'énergie aux besoins : conversion continu/alternatif ou alternatif/continu; conversion de fréquence, de tension, ... L'objectif pédagogique est la connaissance et la compréhension des différents types de convertisseurs qui existent ainsi que l’apprentissage des stratégies de commande de ces convertisseurs en fonction de l’application. Programme : Partie « réseaux de distribution de l’énergie » : 12 h CM – 8 h TD Description du réseau de transport de l’énergie‐ description du réseau de distribution Réseaux électriques monophasés et triphasés Protection des installations : les régimes de neutre Les grandeurs observées sur les réseaux – qualité des réseaux Les smart grids Partie « conversion statique de l'énergie électrique » : 14 h CM ‐ 14 h TD ‐ 12 h TP Structure de base des convertisseurs – règles d’association des sources d’énergie – notion de cellule de commutation Introduction sur les interrupteurs en électronique de puissance – fonctionnement en commutation – notion de caractéristique statique Les différentes fonctions des convertisseurs statiques : hacheur, onduleur, redresseur et gradateur Les alimentations à découpage à isolation galvanique Problème de la dissipation thermique dans les convertisseurs Association convertisseur – machine, stratégie de commande associée Pré‐requis : électronique : électrocinétique ‐ circuits électriques ‐ calcul intégral SON ET IMAGE: ACQUISITION ET TRAITEMENT (3E105) : 6 ECTS Objectif : Cette unité d’enseignement a pour objectif d’initier les étudiants à l’acquisition et au traitement des images et du son. Pour ce faire, l’ensemble de la chaine d’acquisition de l’information sera étudiée, partant du capteur (caméra et microphones), en passant par son traitement (traitements d’image élémentaires, analyse et traitements de base en audio), jusqu’à la restitution (haut‐parleur). L’UE se déroulera par ailleurs en partie sous la forme d’ateliers‐problèmes au cours desquels les étudiants seront répartis en petits groupes travaillant en autonomie sur des problématiques ciblées. Les connaissances acquises seront utilisées au cours d’un projet en audio mettant en oeuvre une chaine d’acquisition/traitement/restitution temps réel. Compétences attendues : A l’issue de cette UE, les étudiants seront capables d’acquérir une image et un son (réglages de l’acquisition), d’en interpréter son contenu, et d’appliquer un traitement simple à l’information acquise. Programme : Image : • Capteur : photométrie (notion de couleur, spectre), formation des images (optique), capteurs CCD/CMOS, bruit de photons, courant d’obscurité, bruit de la chaine de mesure. Illustration sur une caméra / appareil photo. • Du signal à l’image : codage et représentation d’une image. • Initiation au traitement des images : niveaux de gris, couleurs, histogramme, renforcement de contraste, suppression du bruit (filtrage linéaire et non linéaire), extraction de contours, notions élémentaires de morphologie mathématique. Son : ∙ Physique et capteur : notion d’ondes et de propagation, captation d’un son par un microphone à électret, notion de directivité, sensibilité (mV/dB). ∙ Perception : définition du dBA, bande audible, notions de psychoacoustique. • Acquisition : amplificateur, filtrage passe‐bas, échantillonneur (phénomène de repliement), quantification (bruit, notion de rapport signal sur bruit). • Analyse et traitement audio : analyse en fréquence (spectrogramme), filtres numériques simples (échos, effets sonores), caractérisation, modélisation et codage élémentaire d’un signal de parole. • Restitution : sortie d’une carte son (bloqueur d’ordre 0, modélisation), amplificateurs de puissance, haut‐
parleur. Pré‐requis : mathématiques pour l’ingénierie Modalités de contrôle des Connaissances : contrôle continu et projets BASE DE LA MECANIQUE DES MILIEUX CONTINUS (3A004) : 6 ECTS Objectifs : Cet enseignement a pour objectif de fournir les concepts de base de la mécanique des milieux continus (indispensables pour la poursuite d’études en mécanique) et les illustrer sur des exemples de comportements simples de milieux fluides et solides Compétences attendues : ‐Formuler les équations et conditions aux limites d’un problème simple de mécanique des milieux continus solides (élasticité linéaire) et fluides (newtonien) ‐ Résoudre des problèmes simples de mécanique des milieux continus ‐ Analyser et interpréter les solutions en termes de déplacement, déformations, contraintes Programme :
 Introduction au calcul tensoriel ; utilisation du calcul indiciel.  Représentation des milieux continus : échelles, descriptions lagrangienne et eulérienne.  Tenseurs des déformations  Tenseurs des taux de déformation.  Equations de conservation : conservation de la masse, conservation de la quantité de  mouvement et introduction du tenseur des contraintes.  Elasticité linéaire : loi de comportement, équation de Navier et résolution de problèmes élémentaires  Fluides newtoniens : loi de comportement, équation de Navier‐Stokes, applications à des exemples  d’écoulements incompressibles parallèles  Travaux pratiques : identification de caractéristiques élastiques, mesure de viscosité. Pré‐requis : Principes fondamentaux de la statique et de la dynamique des fluides et des solides, Fonctions de plusieurs variables et opérateurs (gradient, divergence, rotationnel). GESTION DE L’INNOVATION Objectifs : Ce cours introduit les étudiants aux questions de la gestion de l’innovation. Il s’intéresse à l’évolution des institutions et des techniques du management de l’innovation au cours du vingtième siècle et aux bonnes pratiques qui ont été développées dans ce domaine depuis une vingtaine d’années. Les étudiants se familiariseront notamment avec la recherche industrielle, l’innovation ouverte, le management de la propriété intellectuelle et la gestion de projets en R&D. Ces enseignements seront accompagnés par des exercices pratiques ainsi que par des études de cas issues de la Silicon Valley et de l’univers des hautes technologies. Programme : Séance 1 : Présentation du cours : Gérer l’innovation du 19e siècle au 21e siècle. Séance 2 : Inventeurs et recherche industrielle. Lire : David Hounshell, « The Evolution of Industrial Research », pp. 3‐26. Exposé : Naomi Lamoreaux et Kenneth Sokoloff, « Inventors, Firms, and the Market for Technology » . Séance 3 : ÉTat, universités et industrie après la seconde guerre mondiale. Lire : David Mowery et Richard Langlois, « Spinning off and Spinning on » . Exposé : (aussi) Stuart Leslie, The ColdWar and American Science, introduction et 1er chapitre. Séance 4 : Exercice pratique : Qu’est‐ce qu’un brevet ? Apporter : Proposition de mémoire. Lire : Gertrud Neumark, «Wide Band‐Gap Semiconductors » ou Shuji Nakamura, « Method of vapour growing a semiconductor crystal » . Séance 5 : La Silicon Valley. Lire : ThierryWeil, « Histoires de la Silicon Valley » et Christophe Lécuyer, Making Silicon Valley, introduction. Exposé : (aussi) Christophe Lécuyer, Making Silicon Valley, chapitres 4, 6 et 7. Séance 6 : La loi de Moore. Lire : Gordon Moore, « Cramming more Components onto Integrated Circuits » et « Progress in Digital Integrated Electronics » ; Robert Schaller, « Moore’s Law : Past, Present, and Future » . Exposé : (aussi) David Brock, Understanding Moore’s Law. Séance 7 : L’innovation ouverte. Lire : Henry Chesbrough, Open innovation, introduction et chapitre 5 ou 6. Exposé : (aussi) Henry Chesbrough, Open Innovation, chapitres 1, 8 et 9. Séance 8 : Le mouvement « open source » . Lire : Sébastien Broca, Utopie du logiciel libre, pp. 39‐78 Exposé : (aussi) Sébastien Broca, Utopie du logiciel libre, pp. 79‐100 et 133‐200. Séance 9 : Gérer l’incertitude technique. Lire : Christophe Lécuyer et Hyungsub Choi, « Les secrets de la Silicon Valley » ou Kevin Borg, « Les sens perdus du garagiste » . Exposé : les deux articles. Séances 10‐11‐12 : Soutenance des mémoires. Modalités de contrôle des Connaissances : Assiduité et participation aux séances : 20 %, Exposé : 20 %, Mémoire : 40 %, Soutenance du mémoire : 20 %. STAGE D’INITIATION A LA RECHERCHE. L’objectif de ce stage en Licence 3 est d’initier l’étudiant au travail de recherche, lui faire découvrir la vie et les activités d’un laboratoire de recherche. Le stage comporte une partie bibliographique et une réalisation sous forme expérimentale, numérique ou de modélisation. Les étudiants sont accueillis au sein d’un laboratoire sur une demi‐journée minimum par semaine sur toute la durée du semestre, puis pendant deux semaines complètes en fin de semestre, ce qui conduit au total à environ trois semaines à temps plein en laboratoire. Le travail est évalué sur la base d’un rapport de stage de 20 pages environ, d’une soutenance de 15 mn suivie de 10 à 15 min de questions et de l’appréciation de l’encadreur.