Projet de Physique P6-3 STPI/P6-3/2008 – 41

Projet de Physique P6-3
STPI/P6-3/2008 – 41
Nom des étudiants
Matthieu VANDEWALLE / Martin DUMONT
Florian LEGER / Amandine FOURNIER
Faiz IBRAHIM
Enseignant(s)-responsable(s) du projet
Mr CLEVERS
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3
Date de remise du rapport : 23/06/08
Référence du projet : STPI/P6-3/2008 – N°41
Intitulé du projet : Etude et réalisation d’un disjoncteur électronique pour les
pupitres des labos.
Type de projet : expérimental
OBJECTIF DU PROJET
Le sujet abordé par notre groupe est l’étude ainsi que la réalisation d’un
disjoncteur électronique pour les pupitres du laboratoire. Nous sommes au
quatrième semestre et chaque membre du groupe possède des thématiques
différentes. Le but pour notre groupe était avant tout une approche de ce système
ainsi qu’une compréhension du fonctionnement du disjoncteur en général.
Cependant, cette UV a pour objectif principal de nous montrer la façon dont il
faut travailler lors d’un projet mais aussi de nous apprendre en groupe. On peut
donc dire que c’est une première approche des projets que nous aurons durant
nos prochaines années dans nos futurs départements.
INSTITUT NATIONAL DES SCIENCES APPLIQUEES DE ROUEN
Département Sciences et Techniques Pour l’Ingénieur
BP 8 – place Emile Blondel - 76131 Mont-Saint-Aignan - tél : 33 2 35 52 83 00 - fax : 33 2 35 52 83 69
TABLE DES MATIERES
OBJECTIF DU PROJET
p3
I) ORGANISATION DU TRAVAIL
p5
1) METHODOLOGE DE L’ORGANISATION
p6
2) ORGANIGRAMME
p7
II) TRAVAIL REALISE ET RESULTATS
1) PRINCIPE DE L’ALIMENTATION
p8
2) FILTRAGE
p10
3) STABILISATION ET REGULATION
p11
III) PRINCIPE DU DISJONCTEUR
1) PRINCIPE DE LA BASCULE
p13
2) TRANSISTOR
p15
3) PRINCIPE DU RELAI
p16
4) MONTAGE
IV) CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES
p20
V) BIBLIOGRAPHIE
p21
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I) ORGANISATION DU TRAVAIL
Notre travail s’est déroulé de la façon suivante :
-nous avons décomposé le sujet en schéma bloc. Le schéma bloc était composé
de deux parties. La première partie du sujet est l’étude et la réalisation d’une
alimentation stabilisée. La deuxième partie est l’étude de la détection de
surintensité.
-nous nous sommes ensuite diviser en deux groupes de deux personnes lorsque
l’on travaillait sur la première partie. Un des groupes a travaillé sur
l’alimentation stabilisée c'est-à-dire sur le redressement, le filtrage, la régulation.
Un autre groupe a travaillé sur la bascule RS afin de comprendre le principe de
fonctionnement de cette bascule. Puis, le dernier membre de notre groupe a
commencé à faire des recherches sur internet pour obtenir des informations
supplémentaires sur les différentes parties de l’alimentation stabilisée et sur la
« bascule RS ».
-Pour la deuxième partie concernant l’étude de la détection de surintensité, nous
avons travaillé tous ensemble et avec le deuxième groupe qui travaillait aussi sur
le même sujet. Cela était du au fait que l’on possédait qu’une seule plaquette
pour deux groupes, ce qui rendait le travail moins efficace à cause de notre
grand nombre.
-En ce qui concerne la rédaction du rapport, nous nous sommes répartis les
parties du rapport équitablement. Puis, nous avons mis en commun toutes nos
parties.
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1 / Méthodologie de l’organisation du travail
Décomposition du sujet en schéma bloc : composé de deux parties.
Première partie : construction et étude
d’une alimentation stabilisée.
Deuxième partie : étude de la détection
de surintensité.
ALIMENTATION STABILISEE
Répartition des tâches :
Un groupe de deux
personnes pour la
première partie :
l’alimentation stabilisée
c'est-à-dire sur le
redressement, le filtrage, la
régulation.
Une personne pour les
recherches sur internet
pour obtenir des
informations
supplémentaires sur les
différentes parties de
l’alimentation stabilisée
et sur la bascule RS.
Un autre groupe de
deux personnes a
travaillé sur la bascule
RS afin de
comprendre le
principe de
fonctionnement de
cette bascule.
ETUDE DE LA DETECTION DE SURINTENSITE
- Pour la deuxième partie, nous avons travaillé tous ensemble : nous possédions
une seule plaquette pour deux groupes, ce qui rendait le travail moins efficace à
cause de notre grand nombre.
- En ce qui concerne la rédaction du rapport : répartition équitable des parties du
rapport puis, mise en commun.
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2 / Organigramme de l’organisation
Disjoncteur
Electronique
Principe
Informations
Principe du
d’alimentation
disjoncteur
Redressement
Stabilisation
de tension
et
non stabilisée
régulation
Principe de
la bascule
Montage
Filtrage
Transistor
Principe du
relais
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II) TRAVAIL REALISE ET RESULTATS
I / Principe de l’alimentation :
1 / Redressement de tension non stabilisée :
On emploie en général ce montage pour une source de tension non stabilisée.
Cette source peut être une batterie d’accumulateurs mais dans notre cas nous
utiliserons le secteur 50 Hz 220Veff. A partir du secteur (transformateur) on
fabrique une tension continue non stabilisée dont l’amplitude est proportionnelle
à la tension du secteur.
A) Méthodologie :
Redressement simple alternance :
Grace à ce secteur on crée une tension continue non stabilisée avec une
amplitude qui est proportionnelle au secteur. On effectue donc le montage
suivant :
Redressement double alternance :
Le montage précédent n’utilisait qu’une seule alternance du secteur. On peut
améliorer ce montage en optimisant le rendement et en rendant le filtrage
meilleur (nous verrons le filtrage dans la partie suivante). Pour cela, on utilise un
redressement double alternance. On a la possibilité d’utiliser soit un pont de 4
diodes, soit un pont de deux diodes et un transformateur à point milieu.
Toutefois, nous emploierons dans notre cas un pont de quatre diodes.
Dans le cas du redresseur en pont, il faut aussi noter que pour ce montage le
courant traverse deux diodes en série, ce qui implique une chute de tension de
l’ordre de 1,5 V.
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B) Résultats :
A partir du logiciel Synchronie, on obtient une tension redressée, toutefois les
deux courbes ne sont pas sur le même calibre ce qui explique la différence de
hauteur entre les deux courbes.
C) Analyse :
Redressement simple alternance :
Le fonctionnement de ce montage est relativement simple. Quand la tension V2
est quasiment de son maximum, la diode D conduit et le condensateur se charge.
Ensuite, le maximum V2 diminue mais la tension de sortie ne peut suivre parce
que la diode se bloque, puis C se décharge dans la résistance R. La diode peut
conduire à nouveau quand la tension V2 en remontant lors de la période suivante
dépasse Vs et le cycle suivant.
Redressement double alternance :
Le schéma du montage correspond à la figure suivante :
10
Lors de l’alternance positive de V, seules les deux diodes qui ont une tension
d’anode supérieure à la tension de cathode conduiront. Tandis que les deux
autres diodes ne remplissent pas ces conditions, elles sont donc bloquées et ne
laissent pas passer le courant.
Lors d’une alternance négative, il s’agit de la même chose, comme les deux
autres diodes sont disposées dans l’autre sens, le signal –V en entrée sera devenu
+V en sortie. Grace à cela on a toujours une tension positive à travers R, avec
deux diodes qui laissent passer le courant pour chaque alternance. Cela implique
que l’on obtient un doublement de fréquence de sortie si l’entrée est un sinus.
2 / Filtrage :
On utilise le filtrage pour la tension de sortie de notre pont de diodes. La tension
de sortie est une tension double alternée.
A) Méthodologie :
Pour réaliser ce filtrage de tension, Cela se fait grâce à un circuit RC. On place
ce circuit en parallèle par rapport au pont de diodes, puis on mesure la tension
aux bornes du condensateur. On visualise aussi la courbe de filtrage en plaçant
un oscilloscope aux bornes du condensateur.
B) Résultats :
Sur l’oscilloscope, on observe une tension filtrée de cette forme :
Après avoir testé différents couples, on arrive à différentes constatations :
• Pour une charge donnée, plus T=RC est élevée plus le filtrage est efficace.
• Dans la majorité des cas, quand le redresseur alimente une charge
résistive de résistance R, plus le produit RC est important, plus le filtrage
est bon.
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C) Analyse :
En plaçant en parallèle sur la résistance R ce condensateur, on essaye d’obtenir
une tension continue la plus stable possible. Ce condensateur possède une
double mission :
* accumuler de l’énergie lorsque la tension à ses bornes augmente
*restituer cette énergie en partie à la résistance lorsque la tension U est dans une
phase décroissante.
D’après la figure, on va examiner les trois phases successives du filtrage
marquées 123 sur la figure :
* Durant la phase 1, les diodes D1 et D3 du redressement conduisent et les
diodes D2 et D4 sont bloquées. La tension U suit alors l’évolution de e.
* Pendant la seconde phase, la tension e diminue rapidement. Toutefois, le
condensateur, qui s’était chargé à la valeur maximale E dans la phase 1,
empêche la décroissance rapide de U. Cela provoque un blocage des diodes
D1et D 3. On peut alors affirmer que l’évolution de U est conditionnée par la
décharge du condensateur dans la résistance R. Donc, plus le condensateur a une
grande capacité plus sa décharge sera lente et U peu variable.
* Dans la troisième phase, le début de cette phase correspond au moment où la
tension aux bornes des diodes va redevenir supérieure à U, permettant de les
débloquer. Cela va permettre à U d’augmenter à nouveau et donc de donner la
possibilité au condensateur d’accumuler de l’énergie qu’il restituera dans la
phase suivante.
3 / Stabilisation et régulation :
La stabilisation s’emploie dans des montages qui ne demandent pas une grande
précision de la tension
Les montages stabilisateurs de tensions permettent d’avoir des tensions
continues quasiment parfaites à leurs sorties à partir d’une tension d’entrée
faiblement variable. Par exemple, la tension d’entrée peut être la sortie d’un pont
redresseur filtrée ; cela sera le cas dans notre projet.
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A) Méthodologie :
La stabilisation s’effectue à partir d’une diode zener polarisée en inverse. On
place la diode zener en parallèle par rapport au condensateur qui servait au
filtrage ; puis on fait précéder une résistance avec une valeur fixée à la diode
zener.
Cette résistance est mise en série par rapport à cette diode. Le montage
correspond au schéma ci-dessous :
Ve
Vs = Vz
B) Résultats :
En branchant un oscilloscope aux bornes de la diode zener, on observe une
tension stabilisée Vs qui correspond au graphe suivant :
La tension Vs aux bornes de la diode est stable et celle ci se met à conduire.
C) Analyse :
Nous avons testés le montage dans différentes situations :
* en faisant varier la tension d’entrée Ve.
* en changeant la valeur de la résistance.
On constate que ce montage possède des avantages grâce à sa simplicité mais
aussi grâce à son coût qui est très faible.
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III ) PRINCIPE DU DISJONCTEUR
Lorsqu’un court circuit accidentel se produit en sortie d’une alimentation de
tension (stabilisée), le régulateur qui cherche à tout prix à maintenir une tension
de sortie égale à sa tension de consigne (Vrég) voit son courant de sortie
augmenter fortement jusqu’à, quelquefois, entrainer la destruction du transistor
ballast. Aucun fusible n’est assez rapide pour protéger les composants. Il faut
alors faire appel à un disjoncteur électrique dont le montage est le suivant :
Dans ce schéma, il y a la présence d’une bascule RS et de transistors. Nous
allons donc maintenant étudier ces composants au cas par cas afin de mieux
comprendre leur fonctionnement.
Remarque : Ce montage est situé entre le filtrage et le régulateur. Il permet avant
tout de protéger le régulateur.
1 / Principe de la bascule :
Les bascules sont des éléments bistables, on peut dire que les deux sorties ont
deux états stables car la transition d’un état à l’autre est provoquée par des
signaux de commande. On constate d’après nos manipulations que ces deux
sorties sont complémentaires. Une bascule forme une sorte de cellule mémoire
parce que les l’état de la sortie reflète l’état des entrées. On peut dire que si on
emploie des bascules, l’état des circuits évolue avec le temps ; on appelle ces
circuits des systèmes séquentiels. Il existe plusieurs applications des bascules ;
dans notre cas nous utiliserons des bascules de types R-S pour participer à la
création du disjoncteur électronique.
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A) Méthodologie :
On branche les deux entrées à une alimentation, puis on branche un oscilloscope
les deux sorties afin d’obtenir la courbe des différents cas que l’on testera.
B) Observations :
Ce composant est composé de deux portes NOR. On essaye tous les cas
possibles en entrées pour pouvoir trouver toutes les possibilités en sorties. On
prendra le cas « d’une bascule RS » avec portes NOR (NON-OU). L’état initial
est R=0 et S=0.
Après avoir essayé tous les cas possibles plusieurs fois, on constate que :
- Une mise à 1de S (Set) entraine que Q passe à 1.
- Une mise à 1 de R (Reset) provoque un passage de Q à 0.
- Si R et S sont égales à 0, cela implique un maintien de l’état précédent des
sorties. C’est une mémorisation.
- On constate que R et S ne peuvent pas être mis à 1en même temps.
On obtient donc une table de vérité :
S R Q Q'
1 0 1 0 Set (allumer)
0 0 1 0 Mémorisation
0 1 0 1 Reset (éteindre)
0 0 0 1 Mémorisation
1 1 0 0 Etat Interdit !
C) Analyse :
On en déduit que les sorties dépend de l’état précédent, qui lui aussi, dépend de
l’état qui l’a précédé.
On peut expliquer l’état interdit (R=S=1) par le fait que l’on ne peut pas
demander simultanément d’allumer et d’éteindre.
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2 / Transistor :
A) Méthodologie :
Nous prenons un transistor seul. En fonctionnement normal, le courant principal
passe de l’émetteur au collecteur. Il est commandé par un courant beaucoup plus
faible « courant de base ». Il existe différents type de transistors :
* le transistor NPN : Dans ce transistor, le courant d’émetteur est sortant c'est-àdire que la flèche est vers l’extérieur tandis que les courants collecteurs et de
base sont rentrants.
* le transistor PNP : Dans ce transistor, le courant d’émetteur est entrant c'est-àdire que la flèche est vers l’intérieur tandis que les courants collecteurs et de
base sont sortants.
Dans le cas du disjoncteur électrique, nous avons un transistor NPN à la sortie
de la bascule qui a pour référence BC 337. Puis, nous avons trois transistors
PNP de couleur gris métal qui ont pour référence 2N 2907. Puis, on identifie la
base et l’émetteur de chaque transistor du montage.
B)Observations :
Après avoir effectué quelques manipulations sur un transistor NPN afin de
comprendre son fonctionnement, nous avons observés et interprétés les
différentes courbes de fonctionnement qui sont : Ic = f (Ib), Vbe = f (Ib), Ic = f
(Vce). Ces courbes sont tirées d’un document internet.
On peut réunir/tracer les courbes sur un seul plan parce que les caractéristiques
électriques de ce transistor NPN sont unies directionnelles.
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D’après ces courbes, on peut faire plusieurs observations :
* la courbe Ic = f(Vce) est maitrisée par la valeur du courant de base. Cette
courbe comporte deux domaines :
- Un régime linéaire où Ic est peu variable pour une valeur fixée d’Ib.
- Un régime saturé : c’est la partie coudée où le transistor est en régime saturé.
* Au point M0, le transistor est bloqué. Le transistor équivaut donc à un
interrupteur fermé entre le collecteur et l’émetteur.
* Au point M1, le transistor est saturé. Le transistor équivaut donc à un
interrupteur fermé entre le collecteur et l’émetteur.
* En faisant varier le courant Ib de zéro à Ib4 ou inversement on peut aller de
M0 à M1et vice versa. Dans ce type de fonctionnement tout ou rien, on dit que
le transistor fonctionne en commutation. Cela nous amène à la partie analyse où
nous allons traiter des transistors en commutation.
C) Analyse :
En observant les transistors du montage (cf schéma), on remarque qu’au moins
trois transistors sont en commutation. Un transistor en commutation est
représenté par le schéma suivant :
Dans ce cas de figure, on appelle le mode de fonctionnement du transistor un
fonctionnement en tout ou rien. Le transistor est alors soit bloqué soit parcouru
par un courant assez important pour qu’il soit saturé c’est-à-dire que Vce est
réduit à moins de 1V. Le transistor est bloqué si la tension Ve est égale à zéro.
3 / Principe du relais :
Un relais électromécanique est doté d'un bobinage en guise d'organe de
commande. La tension appliquée à ce bobinage va créer un courant, ce courant
produisant un champ électromagnétique à l'extrémité de la bobine (il ne s'agit ni
plus ni moins que d'un électro-aimant). Ce champ magnétique va être capable de
faire déplacer un élément mécanique métallique monté sur un axe mobile, qui
déplacera alors des contacts mécaniques.
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Sur la photo ci-avant, on voit nettement la bobine, constituée d'un très grand
nombre de spires d'un fil de cuivre très fin. Quand cette bobine est parcourue par
un courant suffisant, un champs magnétique attire la partie mobile vers lui (sur
la photo, l'élément marqué Partie mobile se soulève), et déplace par le biais d'un
axe, les contacts mécaniques situés à côté (sur la photo, les contacts mécaniques
se déplacent vers la droite). Quand plus aucun courant ne circule dans la
bobine, les contacts reprennent leur position de repos grâce à un ressort de
rappel. Les connexions extérieures permettent simplement d'avoir accès aux fils
de la bobine et aux contacts électriques solidaires des parties mécaniques
mobiles.
Avantages du relais électromécanique :
•
•
•
•
•
Capacité de commuter aussi bien des signaux continus qu'alternatifs
sur une large gamme de fréquences.
Fonctionnement avec une dynamique considérable du signal
commuté.
Aucun ajout de bruit ou de distorsion.
Résistance de contact fermé très faible.
Résistance de contact ouvert très élevée.
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4 / Montage:
A) Ensemble du montage :
On reprend le schéma du montage précédent et on s’intéresse du montage en
général
On constate que les transistors T1 et T2 sont des transistors PNP. Tant que la
tension RIs aux bornes de la résistance R est supérieure à 0,6 V c'est-à-dire tant
que le potentiel de la base est inférieur à 0,6 V par rapport au potentiel de
l’émetteur, les transistors sont passants.
Cela implique que la sortie S de la bascule RS est à l’état 0 ainsi que la sortie R.
La sortie Q de la bascule est à 1. Le transistor T3 de type NPN est alors passant.
Donc, la bobine du relais est alors alimentée et le contact du relais est fermé.
Toutefois, s’il y a la présence d’une intensité anormalement élevée dans la ligne
d’alimentation, alors le transistor T1 se bloque. L’entrée R reste toujours à 0
mais l’entrée S passe à l’état 1, donc la sortie Q de la bascule passe à l’état 0 et
cela provoque un blocage du transistor T3 et l’ouverture du contact du relais.
Enfin, pour réarmer le disjoncteur après la présence d’une intensité élevée tout
en ayant remédié aux raisons de la surintensité, on agit sur le bouton de
réarmement Bp. L’entrée R passe à l’état 1 et l’entrée S reste toujours à 1 ; la
sortie Qb passe à 0 et donc la sortie Q repasse à 1. La sortie Q est réinitialisée.
B) Parties du montage :
Détermination de l’intensité maximale :
-Méthodologie :
On veut déterminer l’intensité maximale qui laisse passer le courant c'est-à-dire
l’intensité qui ne laisse pas passer le courant. On mesure avec un ohmmètre la
valeur de la résistance R en haut à droite du montage, monté entre la base et
l’émetteur du transistor PNP. On obtient une valeur de 3 Ohms pour R. On sait
que la tension de disjonction est de 0,6 V. En effet, si U est supérieur à 0,6V
pour un transistor NPN, alors ce transistor conduit et inversement pour un
transistor PNP. Cela implique que l’on utilise la formule U=RI. On obtient alors
une intensité de disjonction égale à 0,2A.
-Interprétation :
On peut donc donner les valeurs de courant permettant de conduire.
Pour le transistor PNP T1
-T1 conduit si l’intensité est supérieure à 0,2A.
-T1 est bloqué si l’intensité est inférieure à 0,2A.
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Etude de la partie « Relais » du montage :
Tout d’abord, on identifie les sorties du contact du relais.
Ensuite, on teste le relais ; pour cela on applique un signal carré de fréquence
10 Hz sur les contacts de la bobine du relais. On doit entendre le contact du
relais s’ouvrir et se fermer successivement. Cela témoigne donc du bon
fonctionnement du relais qui s’ouvre ou ferme en fonction de la tension
d’enclenchement.
Le schéma suivant se rapproche beaucoup de la commande de relais de notre
montage :
Ce schéma est plus communément appelé la commande de relais. Le transistor
de la figure permet de commander le relais en tout ou en rien à partir de la
tension Ve. Le relais R comprend entre ses bornes une bobine que l’on
assimilera à une inductance L en série avec une résistance r. La diode D
correspond à une diode qui garantit la continuité du courant dans l’inductance du
relais au blocage du transistor. En l’absence de cette diode, il se produirait une
surtension destructrice pour le transistor. Nous avons mis une diode zener de
12V, car le relais est alimenté en 12V et la tension de la carte est de 12V.
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IV) : CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES
Conclusions sur le travail réalisé
Ceci nous démontre que le disjoncteur électronique est le système de sécurité de
certains montages. Lorsqu’un court-circuit accidentel se produit en sortie d’une
alimentation, le régulateur cherche à tout prix à maintenir une tension de sortie
égale à sa tension de consigne. Il voit donc son courant de sortie s’accroître de
façon considérable et cela occasionne la destruction du circuit. Aucun fusible
n’est assez rapide pour protéger les composants, donc nécessité d’installation
d’un disjoncteur ce qui protège également tout ce qui est en aval du montage.
Conclusions sur l’apport personnel de cette U.V. projet
Il a fallu que le groupe se réunisse de façon à s’organiser pour la méthodologie
du travail de groupe et mener à bien un projet ensemble.
La répartition des tâches a été effectuée de manière à ce qu’il y ait une
complémentarité, puis une mise en commun du travail individuel et des
échanges ont été nécessaires pour que le projet puisse être concret et fiable.
C’est également une bonne approche du système du travail dans la vie active :
dans la manière de travailler en équipe.
Perspectives pour la poursuite de ce projet
Au niveau du projet proprement dit : cela nous montre la nécessité de
l’installation de certains systèmes pour assurer la sécurité des équipements de
façon à éviter des dommages collatéraux.
Au niveau individuel, cela nous éduque pour avoir une meilleure visualisation
des projets que nous aurons durant les prochaines années dans nos thématiques.
C’est aussi perspective pour évoluer et aboutir lors d’un travail de groupe.
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V) BIBLIOGRAPHIE
-
http : // www.lab.ntie.org/
-
http : // www.labolycee.org/
-
http : // fr.wikipédia.org/
-
http : // www.stielec-ac-aix-marseille.fr/
-
http : // www.univ-lemans.fr
-
http : // www.ac-nancy-metz.fr
-
http : // etronics.free.fr
-
http : // www.fleuriault.net/
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http : // electoonix.free.fr/
-
http : // sonelec-musique.com/
- J. Auvray : Systèmes électroniques