Final nouveau

REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE
POPULAIRE
MINISTERE DE L’EDUCATION NATIONALE
COMMISSION NATIONALE DES PROGRAMMES
GSD GENIE ELECTRIQUE
DOCUMENT D’ACCOMPAGNEMENT
FILIERE : TECHNIQUE MATHEMATIQUE
DISCIPLINE : TECHNOLOGIE
OPTION : GENIE ELECTRIQUE
NIVEAU : 2ième ANNEE SECONDAIRE
Décembre 2005
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1 - Introduction:
Le programme de technologie accompagnant ce document
destiné aux classes de 2AS Technique Mathématique option
« Génie Electrique », reprend en grande partie les thèmes
du programme de technologie des classes de 2 AS Génie
Electrique.
Nous y retrouvons toutes les notions essentielles devant
participer à la compréhension des fonctions élémentaires de
l'électricité, notions qui constitueront à leur tour des pré
requis pour la mise en œuvre d'éléments plus complexes une
fois leur réinvestissement effectué.
Nonobstant certaines similitudes avec les programmes
passés, des points fondamentaux différencient l'approche
utilisée avec ce qui a pu être réalisé auparavant :
- Les orientations imposées pour la conception de ce
programme l'ont été dans une optique telle que celuici et celui de 3AS ne font qu'un. En effet, au moment
où ces lignes sont imprimées, les grandes lignes du
programme de 3AS sont déjà connues, et ce dernier
sera vu comme une suite logique du travail effectué
par l'enseignant en 2AS.
- L'approche préconisée se base sur des systèmes
existants donc de projets qui équivaudront à une
situation problème. Cette approche fera du
programme de 2AS la structure de base à laquelle
viendront se greffer les nouveautés à acquérir en 3AS
et ceci en y incorporant des techniques ou
technologies plus complexes mais sans en perturber la
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structure précédemment évoquée. A titre d'exemple,
nous pouvons reprendre un mini système dont la
commande en logique câblée ou même programmée
par automate sera revue pour en faire un système plus
autonome commandé par microcontrôleur.
- Il a été décidé d'éviter les études théoriques trop
profondes qui s'avèrent souvent inutiles et qui grèvent
le volume horaire de l'enseignant et par conséquent
celui de l'élève. Ceci peut être explicité en affirmant
que ce qui a été étudié doit pouvoir être réinvesti,
autrement dit il faut être efficace ! Seule la
compétence à atteindre est importante.
- La pédagogie dite d'approche par compétences
entraîne une autre manière d'aborder les thèmes à
étudier. A chaque nouvel élément introduit, il y aura
lieu de mettre l'élève en situation problème où ce
dernier devra se montrer actif afin de trouver la ou les
solutions adéquates avec ses camarades accompagnés
du professeur. L'apprenant n'est plus passif, et
l'approche par projets ou mini projets qui seront vus
comme des systèmes à part entière facilitera
grandement la tâche de l'enseignant plus que dans
toute autre discipline.
- L'introduction de l'outil informatique fera de
l'enseignant un décideur plus autonome. Il conviendra
à lui et à lui seul de juger si un TP est nécessaire, ou
si une démonstration à l'aide d'un fichier vidéo
suffira. De plus cet outil fera gagner un temps
précieux en explications lourdes grâce à la possibilité
d'effectuer des simulations sur les notions les plus
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abstraites mais aussi sur des éléments plus concrets
mais indisponibles ou hors d'atteinte en termes
d'investissement.
- L'ensemble des sujets, thèmes et concepts étudiés
s'inscrit dans une perspective essentielle qui est celle
d'aboutir aux compétences terminales que l'élève
devra acquérir afin d'obtenir son baccalauréat.
Cette approche clarifie la manière dont l'enseignant
devra aborder les choses. Il s'agira pour lui de
dispenser un cours en ayant en vue la compétence
terminale ou secondaire dans laquelle s’inscrit ce
dernier. Ces compétences sont détaillées à travers
leurs énoncés dans les objectifs opérationnels de la
grille dite d'opérationnalisation des compétences.
2 - Organisation du contenu :
Le contenu de ce programme a été réfléchi de manière à en
voir l'organisation comme deux grandes parties totalement
liées entre elles.
La première partie peut être considérée comme un ensemble
de connaissances à acquérir ou encore de révision des
notions acquises en physique tant au cycle moyen qu'au
niveau du lycée même. La seconde partie correspond à
l'utilisation de ces connaissances afin de comprendre et
d'être capable de mettre en œuvre les fonctions de
l'électricité et de l'électronique.
Ceci ne signifie nullement que l'étude de ces fonctions est
dépourvue d'acquisition de connaissances nouvelles, bien au
contraire, chaque fonction servira d'outil de base à
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l'introduction d'une situation problème, et à travers laquelle
on tirera profil pour greffer de nouveaux éléments.
La situation problème posée dans l'étude de chaque fonction
ou sous fonction doit dans la mesure du possible représenter
un système ou partie de système automatisé ou pas, même
simplifié, mais en tout état de cause il y aura lieu d'éviter le
dernier mois de l'année scolaire pour parler de la structure
des systèmes automatisés.
Il n'est pas fait obligation à l'enseignant de suivre les thèmes
et fonctions à étudier dans un ordre chronologique tels que
présentés dans les contenus. Il sera toujours possible de
traiter l'organisation des systèmes sommairement en passant
les détails, et d'y revenir de manière plus approfondie une
fois les différentes fonctions maîtrisées.
A l'évidence on remarquera que certaines notions
nécessitent des prés requis et qu'en conséquence un certain
ordre chronologique devra être respecté. En effet il sera
impossible de traiter le courant alternatif ou encore les
moteurs si l'électromagnétisme n'est pas maîtrisé !
Il a été cité à maintes reprises dans les activités
pédagogiques conseillées, l'utilisation de fichiers vidéo
informatiques d'extension ".swf". La raison en est toute
simple: ces fichiers peuvent être lus grâce au lecteur
"Macromedia Flash Player" qui est gratuit et disponible
sur l'Internet en téléchargement dans sa version la plus
récente.
Par ailleurs il est possible de trouver sur des sites
pédagogiques nombre de ces fichiers consacrés à
l'électricité, accompagnant le plus souvent des documents de
présentation de type "Power Point".
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On fera remarquer que le lecteur "Macromedia Flash
Player" est gratuit ce qui n'est pas le cas du logiciel de
développement de ces fichiers fourni par la même société.
Aussi il doit y avoir respect absolu des droits en se rabattant
vers le logiciel libre en cas de non fourniture des outils de
développement adéquats. Ce format vidéo est donné à titre
d'exemple pour sa disponibilité, mais rien n'empêche
l'enseignant de mettre en œuvre d'autres sources vidéo ou
supports pédagogiques, l'essentiel étant de parvenir au but
recherché.
Les activités pédagogiques citées sont fortement conseillées
et ce afin d'amener l'élève à un niveau tel qu'il puisse
assimiler les concepts les plus aigus avec facilité. Le
professeur pourra bien entendu procéder à la mise en place
d'autres activités s'il les juge nécessaires.
Les compétences attendues qui équivalent pour la deuxième
année secondaire plus à un comportement attendu, fixent de
manière globale le niveau auquel doit parvenir l'élève.
3 – Simulation :
Les logiciels de simulation se sont répandus dans tous les
secteurs d’activité avec l’avènement de l’informatique.
La simulation donne la possibilité au technicien de réaliser
puis de tester un prototype virtuel.
Les avantages de la simulation sont évidents, économie de
temps et d’argent.
Pour l’enseignant la simulation s’impose parfois pour les
raisons suivantes :
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- Cette technique permet d’obtenir des résultats lorsque le
matériel nécessaire manque : mesures des grandeurs
électriques, tracés de caractéristiques etc.…
- Pour de nombreux phénomènes complexes, la simulation
permet d’expliquer ce que l’on a des difficultés à expliquer
théoriquement.
- La simulation est de plus en plus utilisée dans l’industrie,
il faudrait donc préparer les élèves à s’en servir à bon
escient.
Les limitations de la simulation ne doivent pas être ignorées
car aussi complexe soit-il, un modèle virtuel n’est jamais la
réalité. Pour cette raison la simulation ne remplacera
jamais totalement l’expérimentation. L’usage de la
simulation pourrait être un bon complément aux TP et aux
expériences de cours.
4 - Evaluation :
- Dans l’approche par les compétences, l’évaluation est
intégrée dans le processus d’apprentissage. Elle sert à guider
et faciliter la progression de chaque élève dans ses
apprentissages. Savoirs, savoir faire et savoir être, que
l’élève doit être capable d'utiliser à bon escient, doivent être
également objets d’évaluation.
Pour être dit « compétent », un individu doit avoir fait
quelque chose : Production, processus, démarche et ce, à
plusieurs occasions.
La compétence c’est : la capacité de mobiliser un ensemble
de ressources (internes et externes) en vue de traiter un
ensemble de situations complexes.
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Ces ressources peuvent être :
 INTERNES : savoirs, savoir-faire, stratégies,
savoir être
 EXTERNES : documents, Internet, …
Les ressources dont on parle doivent être maîtrisées mais il
faut aussi apprendre aux élèves à les utiliser en toute
circonstance.
Dans une approche par les compétences : ressources et
compétences doivent être objets d'évaluation pour une
remédiation ou la poursuite du processus d’apprentissage.
La situation (Tache ou production complexe) peut en être
une d’apprentissage ou d’évaluation.
Situations d’évaluation pour chaque type de ressource :
SAVOIR (connaissance, connaissance déclarative) : on
demande directement une information déjà mémorisée;
SAVOIR FAIRE : (habileté, connaissances procédurale)
situation bien connue de l’élève mais la réponse qu’il doit
produire n’a pas été mémorisée comme telle (elle est
générée sur place);
STRATÉGIE : choix délibéré (par l’élève) d’un moyen ou
procédé pour atteindre un but; proche d’une situation de
compétence, mais en plus simple avec des cas à traiter bien
identifiés;
SAVOIR ÊTRE : ce sont les exigences de la situation qui
permettent de vérifier des habitudes que l’élève doit
démontrer spontanément (précision, souci de…, propreté,
ponctualité, persévérance);
COMPETENCE : La situation pose un problème dont la
solution n’est pas évidente au départ; c’est plus qu’un
savoir-faire ou une stratégie. La situation est assez
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complexe pour exiger l’utilisation, par l’élève, de plusieurs
ressources.
Remarque : Toutes les ressources ne sont pas
nécessairement impliquées dans chaque situation. Pour
couvrir le champ d’une compétence il faut donc recourir à
plusieurs situations.
Comment peut-on mettre en œuvre ces notions
d’évaluation en conformité avec le programme de
Technologie ?
- Pour chaque fonction ou chapitre du programme le
professeur, en plus des activités qui ne sont rien d’autres que
des situations d’apprentissage, le professeur doit prévoir des
situations d’évaluations des savoirs, savoir-faire, stratégie et
savoir- être.
- A la fin du chapitre envisager des situations où l’apprenant
est censé mobiliser plusieurs ressources y afférentes (Ex :
Savoirs, habileté à simuler, stratégie développée pour faire
un montage ou effectuer un câblage, rédaction d’un rapport
de TP, etc.…);
- Prévoir des situations mettant en œuvre des systèmes
simples mais évolutifs où l’apprenant est censé mobiliser
des ressources diverses ne se référant pas obligatoirement au
chapitre étudié récemment ou à la discipline.
- Tous les éléments d’une compétence étant évalués et
acquis, prévoir des situations d’intégration où l’apprenant
doit démontrer sa capacité à intégrer à bon escient tous ses
acquis face à des situations complexes.
Dans ce cadre la progression serait vue par l’enseignant
comme la réussite de ses élèves devant des situations de
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plus en plus complexes ou leur réussite devant des
situations de même complexité mais avec une autonomie
croissante.
Exemple d’évaluation :
Concernant le chapitre « Logique combinatoire », au fur et
à mesure de la progression le professeur doit évaluer les
connaissances des élèves concernant les systèmes de
numération, l’algèbre de Boole, la simplification des
fonctions logiques et leurs capacités à réaliser des
équations logiques sur simulateur logique et l’exploitation
de logiciels de simulation.
A la fin du chapitre, l’élève doit montrer sa capacité à
résoudre toute situation problème relevant de la logique
combinatoire.
Soit la figure ci-dessous qui montre les conditions
d’alimentation d’une maison en eau potable à partir d’une
citerne reliée par une pompe à un puits.
 Trois variables d’entrées (Détecteurs de
niveaux):
- niveau minimum du puit (N1) et du réservoir (N2) à
partir desquels le pompage et la distribution sont arrêtés
respectivement.
- le niveau maximum (N3) du réservoir qui arrête le
pompage quand il est atteint ou le déclenche dan le cas
contraire ;
 deux sorties qui sont les commandes du
pompage de l’eau (C1) et de l’électrovanne
de distribution (C2).
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Travail demandé :
- Etablir le montage à base de portes NAND (CMOS 4011)
en utilisant deux LEDs comme sorties.
- Réaliser le montage sur simulateur logique.
-Simuler le fonctionnement du montage en utilisant un
logiciel de simulation
5 - Structure d’un système automatisé :
Le programme de Technologie option « Génie Electrique :
 Est axé essentiellement sur l’étude des systèmes pluri
techniques dont la fonction est de conférer une valeur
ajoutée à une matière d’œuvre qui peut se présenter
sous la forme de produit, d’énergie ou d’information ;
 est orienté vers l’acquisition des démarches propres à la
compréhension des systèmes.
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 rassemble, organise et structure les connaissances
nécessaires à l’action sur les systèmes réels, parties de
systèmes ou maquettes modélisant des systèmes réels.
A - Circuits à courant continu :
 Temps alloué : 18 H
 Compétences attendues : être capable de :
- déterminer l’intensité des courants dans un circuit
comportant deux mailles
- substituer le modèle de Thévenin au modèle de
Norton et réciproquement
- calculer l’énergie mise en œuvre dans un circuit
- mesurer les tensions et les courants dans un circuit
- déterminer le point de fonctionnement d’un élément
linéaire ou non linéaire
La révision des notions acquises doit se faire succinctement,
on considérera que l'essentiel telles la loi d'Ohm, de Joule et
les groupements de résistances ont été traités de manière
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adéquate dans le cycle moyen. L'enseignant insistera sur la
représentation fléchée des tensions et des courants. L'élève
devra parfaitement maîtriser cette représentation afin de la
réinvestir dans les lois de Kirchhoff.
Dans l'association de générateurs on insistera plus
particulièrement sur les montages de générateurs en série,
opposés ou pas en vue de la transformation Thévenin
Norton ou l'on est souvent confronté à la recherche du
générateur équivalent.
On rappellera les formules liées à la puissance et l'énergie
P=U.I P=R.I2 W=P.t pour un élément résistif. Pour les
générateurs et les moteurs on considérera seulement la
puissance perdue dans la résistance interne r.I2. De plus on
donnera la puissance fournie par un générateur au circuit
extérieur P= U.I = (E - r.I).I et pour le moteur on explicitera
la conversion d'énergie électrique en énergie mécanique P=
E'.I = (U – r.I).I puis on calculera le rendement.
Les lois de Kirchhoff seront appliquées en classe aux
circuits à deux mailles au maximum, mais il est conseillé de
demander à l'élève d'effectuer une recherche sous formes
d'exercices à domicile des courants dans un circuit à trois
mailles.
On profitera de l'étude des lois de Kirchhoff pour donner la
relation dans un diviseur de tension à deux ou trois
résistances, puis l'appliquer au potentiomètre.
Les théorèmes de Thévenin et de Norton sont à traiter de
manière classique, on peut éventuellement les appliquer à
un pont de Wheatstone dans un cas pratique. La
transformation Thévenin Norton concernera les circuits
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comportant cinq générateurs maximum, tension et courant
confondus.
Reportons nous aux exemples qui suivent pour clarifier ces
orientations:
Pour les composants non linéaires on distinguera les
éléments à semi-conducteurs où une explication
sommaire devra être donnée sur leur fonctionnement afin
que l'élève puisse avoir une idée du pourquoi de la non
conduction de la diode en sens inverse, et pour le
transistor du fait qu'un faible courant IB commande un
courant plus fort IC.
Pour l'ensemble de ces éléments l'essentiel est
l'utilisation des caractéristiques, de la droite de charge et
du point de fonctionnement.
L'utilisation des livres de données "Data Books" mettra
l'élève directement en relation avec la réalité des choses
notamment en lui inculquant les notions telles les valeurs
extrêmes liées aux composants qui seront par exemple
pour la diode le courant direct max et la tension inverse
max données fournies par le constructeur, pour le
transistor ce sera VCEmax, ICmax, Pmax etc.
On parlera succinctement des composants tels les CTP,
CTN etc. en notant les conversions physiques qui s'y
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opèrent, on donnera les caractéristiques et on fera
allusion à leur rôle de capteurs sans s'y attarder puisqu'on
y reviendra plus profondément dans la fonction
acquisition de données.
Bien que linéaires les condensateurs ont étés inclus dans
ce groupe afin de procéder à une étude technologique
succincte en donnant les grandeurs les caractérisants Q =
C.U mais aussi dans le but d'étudier la charge et la
décharge de manière pratique en mesurant la tension aux
bornes à l'aide d'un voltmètre numérique (grande
résistance interne), en constatant l'influence de la valeur
de la résistance et de la capacité mises en jeu.
Les formules U= E.(1-e-t/RC) lors de la charge et U= E.et/RC
lors de la décharge seront utilisées sans explication
avec usage de la calculatrice (faire e1=2,71828…) pour
vérifier la concordance des résultats pratiques et
théoriques.
B - Logique combinatoire:
 Temps alloué : 16 H
 Compétences attendues : Etre capable de:
- convertir un nombre écrit dans une base donnée en
un nombre dans une autre base
- utiliser la calculatrice pour les conversions
décimale vers binaire, octal, hexa et vice versa
- remplacer une structure logique complexe en une
autre simplifiée.
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Nous entrerons dans les circuits logiques en remarquant que
ceux-ci ont été fractionnés et dispatchés en diverses
fonctions et ce contrairement à l'habitude précédemment
suivie.
Dans cette partie appelée logique combinatoire, il s'agit de
donner à l'élève les notions de base pour que celui-ci puisse
aborder tous les items du programme où figure la logique
dans les meilleures conditions.
Les systèmes de numération seront expliqués de manière
classique, à savoir :
- qu'est ce qu'un système de numération
- conversion d'un nombre écrit dans une base
quelconque en un nombre décimal à l'aide de la
représentation polynomiale
- conversion d'un nombre décimal en un nombre écrit
dans une autre base à l'aide de la méthode des
divisions successives
Cette leçon devra être axée sur le binaire, l'octal et
l'hexadécimal bien plus que sur n'importe quel autre
système, on montrera les relations existantes entre ces
systèmes en procédant à des conversions directes de l'un à
l'autre sans passer par le décimal. On fera usage de la
calculatrice scientifique à des fins de contrôle uniquement.
Une fois le binaire maîtrisé on s'accordera un certain temps
pour effectuer quelques opérations dans ce système telles
l'addition, la soustraction, la multiplication et la division.
Le BCD sera donné sous formes d'exemples puisqu'il
constitue une forme particulière du binaire. On exécutera
une addition en BCD dont le résultat sur au moins un chiffre
sera supérieur à 9, on y ajoutera donc 6 avec les reports
nécessaires.
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Le binaire réfléchi ou code Gray devra être donné sous
forme de tableau à trois colonnes avec respectivement le
décimal, le binaire et le Gray. Les valeurs devront
s'échelonner au moins de (0)10 jusqu'à (15)10. Il nous servira
dans le codage des tableaux de Karnaugh ainsi que dans les
transcodeurs Binaire vers Gray et Gray vers Binaire.
Algèbre de Boole :
Pour enseigner l'algèbre de Boole, une méthode ayant fait
ses preuves est l'usage de circuits électriques à contacts avec
des sorties qui pourraient être des lampes. A chacune des
fonctions étudiées (OUI, NON, ET, OU etc.) on donnera le
circuit à contacts correspondant, la table de vérité et
l'équation logique.
On devra absolument insister sur ce que représente un
niveau logique, et justifier l'emploi du binaire en électricité
par l'analogie suivante:
0 correspond à l'absence de courant ou de tension, 1
c'est la présence de ce courant ou de cette tension
D'autre part la simplification algébrique des équations
logiques nécessitera l'étude des différentes lois : réflexivité,
associativité, distributivité du produit sur la somme et vice
versa, idempotence, complémentarité, identités
remarquables et bien entendu des lois de De Morgan.
On recherchera l'équation qui correspond à une table de
vérité donnée, puis la recherche inverse : déterminer la table
de vérité correspondant à une équation donnée.
Une fois la logique à contacts maîtrisée, on introduira les
fonctions logiques à portes en utilisant les symboles
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américains sans négliger les symboles européens que l'on
donnera dans un tableau puisqu'ils seront utilisés
ultérieurement comme symboles de base pour les éléments
pneumatiques.
On fera usage de ces portes pour réaliser des logigramme à
partir d'équations logiques reproduites telles quelles,
autrement dit le nombre de portes correspondant au nombre
d'opérations.
On exercera l'élève à transformer l'équation de telle façon
que le logigramme ne comporte que des portes NON ET
(NAND) à deux entrées ou encore que des portes NON OU
(NOR) à deux entrées également.
Tableaux de Karnaugh :
On se limitera aux tableaux à quatre variables au maximum.
On apprendra à l'élève les différents regroupements
possibles, et par suite on usera d'équations logiques à
simplifier afin de remplir le tableau et procéder aux
opérations de simplification.
D'innombrables exercices sont résolus grâce aux tableaux de
Karnaugh, mais ceux conseillés se rapportent aux
transcodeurs. Par exemple réaliser un transcodeur 4bits à
entrées binaires et sorties Gray, ou encore à entrées Gray et
sorties binaires.
Dans ce domaine les activités sont nombreuses et diverses
pour peu que la disponibilité du matériel soit satisfaite.
L'usage de simulateurs électriques (à relais
électromagnétiques) et électroniques (seul le symbole de la
porte est représenté) permettra d'exécuter n'importe quelle
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fonction, le nombre de variables sur l'appareil déterminera
la limite à atteindre.
Remarque : On se limite dans ce document à des
recommandations d’ordre pédagogique pouvant aider
l’enseignant dans la préparation de son cours mais
diverses activités, des situations d’apprentissage et
d’évaluation figurent sur le CD accompagnant le
document.
C - Eléments logiques en circuits intégrés:
 Temps alloué : 6 H
 Compétences attendues : Etre capable de:
- énumérer les caractéristiques des technologies
TTL et CMOS
- utiliser un Data Book pour expliquer la fonction
réalisée par un circuit intégré (C.I.) en logique
combinatoire
- réaliser un additionneur ou un soustracteur 4 bits à
portes TTL ou CMOS
-
mettre en œuvre un additionneur à C.I. sur un
octet
Nous avons dans la partie consacrée à la logique,
délibérément omis la référence aux circuits intégrés. En
effet une fonction logique se retrouve sous différents types
de technologie.
Bien que l'usage des contacts relève déjà de la technologie
électrique, ceux-ci ont été exploités afin de servir de support
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à la compréhension des diverses fonctions étant donné que
celles-ci constituent des concepts absolument nouveaux
pour l'élève.
Il s'agit maintenant de préciser que l'implémentation de
fonctions logiques complexes nécessite l'utilisation de la
technologie électronique. Mais avant d'entamer cette étude,
il y aura lieu de brosser sommairement un tableau des
technologies
existantes :
électrique,
électronique,
pneumatique avec leurs avantages et leurs inconvénients.
- Rapidité
- Puissance consommée
- Facilité de mise en œuvre
- Fonctions existantes
- Disponibilité
- Coût
- Puissance développée etc.
On en conclura que réaliser un ordinateur de la puissance de
ceux disponibles sur le marché, ne peut se concrétiser que
grâce à la technologie électronique.
Expliquer que l'implémentation des portes en technologie
électronique se décline en familles logiques dont nous
citerons les principales représentantes y compris les plus
anciennes, mais seules la TTL et la CMOS seront abordées
dans cette section pour rester dans les limites fixées par le
programme.
En raison du fait que les élèves ont peu ou prou de
connaissances sur le transistor bipolaire, et pas du tout sur le
MOS, on dira simplement que la différence entre la TTL et
la CMOS réside sur le plan technologique dans le type de
transistors utilisés sans aucune autre précision.
140
Par contre pour chacune de ces familles on donnera pour le
type standard :
- les codes de désignation
- Les valeurs de la tension d'alimentation ainsi que leur
tolérance
- la puissance consommée par porte
- la vitesse de commutation
- le temps de propagation du signal entre l'entrée et la
sortie
Après étude de quelques circuits intégrés sur document où
l'on constatera que ces derniers sont implémentés le plus
souvent en :
4 portes/2 entrées, 3 portes/3 entrées, 2 portes/4 entrées, 1
portes/8 entrées, on procédera à des essais sur simulateur
électronique sur lequel on devra faire préciser aux élèves
que :
- une broche en l'air correspond à un niveau logique
haut pour la TTL
- le niveau logique 0 n'est pas nécessairement 0volt et
que le niveau 1 n'est pas nécessairement la tension
d'alimentation comme le 5volts
Dans ce dernier cas de figure on pourra donner les limites de
tension en niveaux bas et hauts tant en entrée qu'en sortie
pour un inverseur TTL standard.
Une fois toutes ces notions acquises, il sera possible de
passer en revue les sous familles telles que les séries
SN74LSxxx, SN74ALSxxx, SN74Fxxx pour la TTL et C,
HC, HCT etc. pour la CMOS. Ceci se fera succinctement
afin que l'élève ait une idée de ce qui existe sur le marché et
on s'aidera de livres de données (Data Books) pour étayer
les explications.
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La connaissance des circuits logiques intégrant des portes
facilitera grandement l'étude de circuits plus complexes. On
conclura cette section par les circuits arithmétiques avec
l'étude de l’additionneur et du soustracteur. On détaillera
plus particulièrement les circuits additionneurs 4 bits
SN7483 ou CD4008.
D - Circuits magnétiques et machines à courant continu:
Temps alloué : 18 H
Compétences attendues : être capable de :
- énumérer les composantes d'un relais
électromagnétique, puis expliquer son
fonctionnement
- mettre en œuvre un relais électromagnétique dans
un montage lumière
- expliquer le principe de fonctionnement d’une
machine à courant continu : en moteur et en
génératrice.
- Expliquer la réversibilité d’une machine à courant
continu.
La plus grande partie de ce vaste domaine que constitue
l'électromagnétisme est étudiée en physique, cependant
deux problèmes se posent à l'enseignant du fait de sa
dépendance vis à vis des éléments théoriquement acquis
en sciences physiques :
- La coordination avec son collègue de physique
s'avérera cruciale puisqu'il devra s'assurer que les
notions dont il fera usage auront été traitées avant
qu'il puisse lui même aborder les chapitres le
concernant.
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- D'autre part il aura à revenir sur certaines explications
données en physique, non pas qu'elles eussent été
fausses, mais simplement à cause de la différence
globale d'approche des problèmes entre un enseignant
de physique et d'électricité, ce dernier restant
beaucoup plus pratique dans sa manière d'appliquer
les théorèmes.
Dans cette section, l'important réside dans la manière de
procéder et des limites à se fixer afin que l'élève puisse
comprendre avec facilité et donc en un minimum de
temps les notions suivantes :
- Grandeurs participant à la production du champ
magnétique dans une bobine
- Influence du noyau sur la canalisation des lignes de
champ dans une bobine, et effet sur la force
d'attraction qu'exercera celle-ci à l'encontre de
composés ferromagnétiques externes. Ici on pourra
d'ores et déjà parler de relais électromagnétiques.
- Ce qui se produit lorsque l'on ferme le noyau sur lui
même ou presque (entrefer), ce qui constitue un
circuit magnétique fermé. Dans cette partie on pourra
faire l'analogie entre circuit électrique et circuit
magnétique à savoir l'équivalence entre force
électromotrice et force magnétomotrice, courant et
flux, résistance électrique et résistance magnétique en
précisant que cette dernière n'est pas fixe.
- Loi de Laplace appliquée à un conducteur puis à une
spire capable de tourner autour d'un axe, donc qui
sera soumise à un couple, ce qui nous amènera à
parler du régime moteur.
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- Loi de Faraday appliquée à une spire en rotation
autour d'un axe ce qui nous permettra d'aborder le
régime générateur, puis de la réaction de cette
dernière à la rotation imposée ce qui équivaut au
couple résistant.
Dans un soucis d'efficacité, l'utilisation de fichiers vidéo
reste une bonne solution pour éviter la perte de temps
notamment sur ce qui est lié à l'auto-induction, mais une
expérience réelle bien préparée et correctement menée
amènera aux mêmes résultats avec pour avantage d'apporter
plus de conviction dans l'esprit de l'élève.
Remarque : On se limite dans ce document à des
recommandations d’ordre pédagogique pouvant aider
l’enseignant dans la préparation de son cours mais diverses
activités, des situations d’apprentissage et d’évaluation
figurent sur le CD accompagnant le document.
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E – Circuits électriques à courant alternatif:
 Temps alloué : 18 H
 Compétences attendues : Etre capable de :
- Calculer l'impédance d'un circuit et l'intensité le
traversant en utilisant la représentation de Fresnel
- Calculer l'impédance d'un circuit et l'intensité le
traversant en utilisant la méthode de Boucherot
- Mesurer les valeurs efficaces des grandeurs à
l'aide de voltmètres et d'ampèremètres
- Expliquer le phénomène de résonance
- Utiliser un oscilloscope pour visualiser et mesurer
une tension
Introduction :
- On abordera ce thème en montrant à l'élève comment
produire du courant alternatif. Ceci constitue un but
facilement réalisable à travers une démonstration à l'aide de
fichiers vidéo montrant un aimant bipolaire tournant devant
une bobine reliée à un oscilloscope. Il est évident qu'une
expérience exécutée en classe est souhaitable en cas de
disponibilité du matériel.
- De cette expérience on déduira qu'il est plus simple de
produire du courant alternatif sinusoïdal que du courant
continu, de plus on notera que la rotation de l'aimant
implique la production d'une tension variable et
bidirectionnelle.
- On fera remarquer la liaison existante entre d'une
part le temps mis par l'aimant pour effectuer un tour, d'autre
part la période, la fréquence ainsi que la pulsation de la
tension obtenue. Il sera donc plus aisé de déduire les
formules relatives à ces grandeurs.
145
- On sera amené à dire que la fréquence est le nombre de
périodes donc de rotations par seconde et que la pulsation
est la vitesse angulaire de rotation de l'aimant. Ici il y aura
lieu de faire l'analogie entre la relation x = v.t et α = ω.t
- L'élève devra distinguer la différence existante entre
courant variable non périodique et périodique tels que les
courants en dents de scie, triangulaires, carrés etc. A cet
effet on lui remettra un document sur lequel figureront ces
grandeurs où l'on procédera à la mesure de la période de la
tension/courant max, et l'on déduira ainsi la fréquence et la
pulsation.
- La représentation de la tension ou du courant par un
vecteur tournant nous amènera par un exercice à tracer les
variations de la grandeur, donc des valeurs instantanées
point par point en fonction du temps et/ou de l'angle α et
cela sur un document préparé à l'avance.
Calcul des valeurs :
Afin d'éviter de s'éterniser en explications sans fin, une
méthode efficace (sans jeu de mots) pour aborder la
signification de la valeur moyenne et efficace est de faire
calculer à l'élève ces valeurs en utilisant des relations
connues et en prenant pour exemple un courant
rectangulaire non alternatif dans lequel on recherchera la
surface moyenne correspondant à la quantité d'électricité
transportée et la racine de la moyenne du carré pour la
quantité de chaleur dégagée dans une résistance R:
146
Dans le graphique suivant la quantité d'électricité q = i.t
transportée sur la période T est q=10A.1ms = 10mC, elle est
représentée par la zone hachurée, la quantité transportée
entre t=1ms et t = 5ms étant nulle.
Durant le même temps équivalent à la période T, un courant
continu ne s'annulant jamais, transportant la même quantité
q serait tel que I = q/T I = 10mC/5ms = 2A, I = Imoy est la
valeur moyenne de ce courant périodique. On fera
remarquer que pour un courant alternatif sinusoïdal cette
valeur est nulle.
Concernant la valeur efficace on procédera de manière
identique en prenant la racine carrée de la moyenne du
carré: soit pour une période W=R.I2.t =R.102.1=100.R, puis
pour un courant continu dégageant la même quantité de
chaleur: W = R.I2eff.T = R.I2eff.5, et puisque:
W = 100.R on en déduit que I2eff = 100.R/5.R = 20 Ieff
= 20 = 4,472…A
La loi d'Ohm appliquée aux circuits à courant alternatif telle
que UR=R.I, UL=Lω.I, UC=I/C.ω verront leur démonstration
conditionnée par le traitement des dérivées en cours de
147
mathématiques au moment d'aborder cette leçon. Dans le
cas contraire elles seront directement données aux élèves.
Une grande partie des circuits à courant alternatif étant des
circuits parallèles, nous ne nous attarderons donc très peu
sur les circuits séries. Dans notre mise en œuvre de la
construction de FRESNEL, on traitera les circuit R-L R-C et
R-L-C résonance comprise puisqu'elle constituera
simplement un cas particulier. Il sera donc préférable de
traiter la majorité restante en utilisant la méthode de
BOUCHEROT en intégrant par exemple les installations
électriques comportant : moteurs, lampes, fours, bobinages
et condensateurs et dans lesquelles on demandera le
relèvement du facteur de puissance Cosφ ceci étant tout à
fait en conformité avec la réalité quotidienne.
Le courant alternatif triphasé ne devra pas faire l'objet d'une
étude approfondie. On se bornera à expliquer ce qu'est un
système triphasé équilibré, les grandeurs simples et
composées ainsi que le rapport existant entre elles. Le but
fixé étant que l'élève puisse brancher un moteur asynchrone
triphasé à la source d'alimentation au moment voulu.
148
F - Fonction Protection:
 Temps alloué : 4 H
 Compétences attendues : être capable de:
- donner la différence entre les diverses méthodes
de protection
- expliquer le fonctionnement de chaque élément de
protection
- établir les domaines de mise en œuvre des
systèmes de protection
On ne peut envisager l'étude de la protection des
installations de manière isolée. On débutera en définissant
dans un premier temps chacun des éléments que sont le
fusible, le relais thermique et le disjoncteur, puis on les
intégrera dans un montage afin de bien comprendre la place
de chaque composant et le type de protection auquel on
aboutit.
On en déduira que les protections à envisager dépendent des
installations dans lesquelles elles doivent être insérées.
On abordera l'étude de l'élément le plus simple à savoir le
fusible ou coupe circuit en donnant :
- les différents aspects externes sur lesquels il peut
apparaître
- sa constitution
- le rôle de chacun des constituants
- les indications présentes sur son corps.
A cet effet on présentera un jeu de fusibles de types et
valeurs différents, et en plus de la lecture des valeurs
149
relevées, on donnera la différence entre fusibles rapides et
fusibles "accompagnement moteur" aM.
Le relais thermique devra posséder une protection
différentielle en plus de celle existante contre les surcharges.
Une bonne façon de l'étudier est de le faire démonter par les
élèves afin qu'ils puissent voir d'eux-mêmes :
- les bilames insérées dans la partie puissance
- le contact normalement fermé de coupure de la partie
commande en cas de surcharge
- le contact normalement ouvert de signalisation de
défaut
- la partie mécanique assurant le déclenchement
- la protection différentielle par mécanique à
déséquilibre
- l'effet du bouton de réarmement
- la mécanique de réglage du courant assurant le
déclenchement
Ces parties étant assimilées, on expérimentera sur un relais à
faible courant (réglable de 0,5A à 1A environ) le
déclenchement en utilisant comme charge un rhéostat de
lampes ou toute autre charge consommant un courant
supérieur à la valeur réglée.
On constatera le temps mis par les bilames pour se déformer
et provoquer l'ouverture du contact, on en déduira ainsi la
différence qui l'oppose au fusible.
On abordera le disjoncteur avec une procédure identique au
relais thermique. Il ne sera pas nécessaire d'utiliser un
disjoncteur des plus complexes, les petits disjoncteurs de
fabrication locale 10A et 15A sont très bien adaptés à ce
genre d'étude. Ils sont facilement démontables et leur
150
constitution interne tant du point de vue électrique que
mécanique est des plus simple.
Comme pour le fusible et le relais thermique on procédera à
une expérimentation sur l'un d'entre eux pour noter la
rapidité du déclenchement.
A noter que ces expériences peuvent être simulées sur
matériel informatique. Il suffira de disposer des fichiers
adéquats ou alors de les concevoir. Néanmoins une
expérience de visu est bien plus profitable par le fait qu'elle
montre la réalité de l'installation.
G - Fonction Puissance :
Temps alloué : 12 H
Compétences attendues : Etre capable de :
- expliciter la transformation d'énergie effectuée
dans un moteur
- énumérer les diverses parties d'un moteur série CC
- énumérer les diverses parties d'un moteur
asynchrone triphasé
- expliquer le fonctionnement et les domaines de
mise en œuvre des moteurs série CC et asynchrone
triphasé
- expliquer le fonctionnement et le rôle attribué à un
vérin pneumatique
- expliquer le rôle du distributeur
Les trois sections qui suivent et qui sont en respectant
l'ordre chronologique donné : les fonctions puissance,
commande et acquisition de données, vont nous permettre
d'ores et déjà de parler de système automatisé sans entrer
151
dans tous les détails des interactions existantes entre les
divers constituants de ces derniers.
L'enseignant devra trouver des astuces afin de fixer chez
l'apprenant un cap tel que celui-ci sache exactement
l'objectif de la leçon et ce à quoi vont servir les
connaissances à acquérir.
Il s'agira d'expliquer aux élèves qu'un système minimum
automatisé ou pas agit par l'intermédiaire d'actionneurs, que
ces derniers ne font qu'exécuter des ordres provenant d'une
partie appelée "commande" et que celle-ci prend ses
décisions en fonction d'informations reçues qui
correspondent à des signaux électriques résultants
d'éléments appelés capteurs, et ce dans le cas d'un système
automatique.
On notera qu'à cette étape du programme, l'élève a déjà une
certaine idée de ce que sont les capteurs puisqu'on y aura
fait allusion lors de l'étude des CTP, CTN etc. (voir section
sur le courant continu). De même qu'on aura abordé les
relais électromagnétiques sans s'y attarder certes (voir
section sur le courant alternatif) mais suffisamment pour
dire que cet élément est à intégrer dans la partie commande.
De ceci on déduira que :
- L'information provient des capteurs qui l'envoient à la
partie commande c'est la fonction acquisition de
données
- Un ordonnateur prend des décisions qui sont fonction
de ces informations et qu'il enverra sous forme
d'ordres à exécuter c'est la partie commande
- Des composants vont agir pour exécuter ces ordres
reçus sur le plan de la puissance ce sont des
actionneurs : moteurs, vérins électrovannes etc.
Par cette manière d'aborder les choses l'élève saura à quoi
s'en tenir en distinguant parfaitement le rôle et l'importance
152
de chacune des fonctions auxquelles nous avons fait
référence.
Il nous reste à présent à entrer dans les détails techniques et
technologiques des thèmes du programme.
Moteur série:
On se limitera au moteur bipolaire. Pour l'introduire il
suffira de revenir sur la spire en rotation vue dans la loi de
Laplace. Montrer que celle-ci placée dans un champ
magnétique et traversée par un courant, était soumise à un
couple.
Le champ ne provient plus d'un aimant mais d'une bobine
c'est l'inducteur
Afin de maintenir une rotation continue on utilise plusieurs
spires reliées à un élément essentiel qui est le collecteur. De
la on parlera succinctement des différents types d'excitation
et nous nous intéresserons uniquement à l'excitation série
avec ses avantages et ses inconvénients. On montrera que la
rotation entraîne la variation du champ dans chaque spire et
que conformément à la loi de Faraday il y a création d'une
FCEM.
On donnera les formules liées
- à la FCEM E'=NФn
- à la puissance absorbée P=U.I
- à la puissance perdue par effet joule dans l'induit et
l'inducteur
- au couple électromagnétique
- à l'existence de pertes constantes
- au couple utile et à la puissance mécanique utile
- au rendement.
Cette partie mathématique assimilée, on prouvera d'une part
qu'il est possible de faire varier le sens de rotation en
153
inversant le sens du courant dans l'inducteur ou dans
l'induit, d'autre part que la vitesse de rotation peut être
réglée.
Dans ce dernier cas nous placerons un rhéostat en parallèle
avec l'inducteur, on fera varier la tension aux bornes de
celui-ci en déviant une partie du courant consommé, ceci
nous permettra de maintenir une tension d'alimentation
constante. Les schémas aideront à comprendre la partie
théorique, l'exécution pratique sur panneaux confirmera le
tout.
Moteur asynchrone triphasé :
Il ne sera pas nécessaire d'entrer dans les détails du
fonctionnement du moteur asynchrone triphasé, il suffira de
dire que les bobines produisent un champ tournant qui
entraîne un rotor en aluminium ou en cuivre (cage
d'écureuil) et que ce rotor peut être bobiné pour les gros
moteurs.
On procédera par une expérience simple demandant la
présence d'un cylindre en aluminium placé au milieu de
trois bobines que l'on alimentera par une source triphasée.
Après avoir constaté la rotation, on permutera deux phases
pour montrer la manière de changer le sens de rotation. Il est
important que l'élève sache que la vitesse du champ tournant
étant fixe, seule la charge influera sur la vitesse de rotation,
on sera amené à définir le glissement ainsi que les formules
liées. La présence d'un stroboscope nous permettra de
mesurer directement ce glissement en faisant variant la
charge sur un moteur réel.
On détaillera les transformations de l'énergie consommée à
travers les formules donnant :
154
la puissance absorbée P= 3 . UI Cosφ
les pertes Joule et fer au stator
la puissance transmise vers le rotor
les pertes Joule rotor
le couple électromagnétique et la puissance
mécanique
- la puissance mécanique utile et le couple utile
- le rendement
-
Un diagramme où figure le bilan des puissances complétera
le tout.
L'élève devra être capable de faire usage des relations sans
explication ou démonstration mathématique profonde. En
effet n'ayant pas encore atteint un degré de maîtrise
prononcé des systèmes triphasés seule l'application des
formules sera prise en compte.
Nous conclurons en donnant la plaque à bornes où l'on
expliquera la méthode à suivre pour effectuer un couplage
étoile ou triangle, de même que l'on se prêtera au jeu de la
lecture de plusieurs plaques signalétiques pour déterminer le
type de couplage à adopter.
Vérins et distributeurs :
Il s'agira de définir le vérin en tant qu'actionneur dans un
système et le distributeur en tant que pré actionneur. On
donnera la constitution du vérin simple effet puis double
effet, et on s'intéressera aux différences existantes entre eux.
On étudiera les divers types de distributeurs donnés dans le
programme mono et bistables, puis on s'appuiera sur des
exemples liés à des systèmes simples tels que les cycles:
pendulaires, en "L" ou en "U" pour les applications. Il est
155
évident qu'il y aura lieu d'y faire figurer les fins de courses
nécessaires, et pour cela on se basera plus particulièrement
sur les éléments électropneumatiques (le tout pneumatique
sera détaillé en classe supérieure).
En cas de non disponibilité de salle de pneumatique, on
procédera par simulation sur système informatique à l'aide
d'un logiciel adéquat.
H - Fonction commande :
 Temps alloué : 6 H
 Compétences attendues : Etre capable de :
- expliquer le contrôle d'un grand courant par un
petit courant
- expliquer le fonctionnement du transistor en
commutation
- câbler un contacteur commandé en 24V avec
circuit de puissance en 220/380V
- mettre en œuvre un relais statique commandé par
une fonction logique
La commande est vue dans les systèmes automatiques
comme la partie la plus importante du point de vue fonction
et complexité.
Elle constitue pour nous un centre d'intérêt essentiel en ce
sens qu'elle peut évoluer sur le plan technologique. A ce
stade, nous demeurons encore dans les balbutiements de son
étude puisqu'il est demandé dans cette section uniquement la
mise en œuvre du transistor en régime de commutation et du
contacteur.
156
Le relais et le contacteur :
Utiliser des relais usagés dont nous étudierons la
constitution par démontage. On expliquera le rôle de chaque
élément puis on procédera aux essais montrant le
mouvement de fermeture ou d'ouverture des contacts. On
n'omettra pas de signaler la différence existante entre un
relais et un contacteur (présence ou non de contacts de
puissance et protection contre l'arc par soufflage).
L'essai devra montrer que l'on peut commander une grande
tension (Puissance) à l'aide d'une petite tension
(Commande) c'est ici que la mise en valeur de l'élément
prend toute son ampleur.
Que devra-t-on déduire de cette première approche ?
- Tout d'abord que l'introduction d'un contacteur amène
à distinguer deux montages : la puissance et la
commande; on mettra ceci en valeur par le schéma
suivant :
- Puis on profitera de cette acquisition de connaissance
pour introduire l'effet mémoire engendré par le
contact de maintient.
157
- On remplace l'interrupteur par un bouton poussoir et
on devra mener l'élève à trouver la solution suivante
pour la commande :
Lors de chaque réalisation on fera intervenir le sectionneur
en tant que premier appareil de la partie puissance.
- On conclura avec la mise en œuvre du relais
thermique dans un montage commandant un moteur.
Le transistor en commutation:
L'assimilation de la commande d'une grande tension par une
petite tension va grandement faciliter l'étude du transistor en
commutation. En effet il est demandé de contrôler un grand
courant (IC) par un petit courant (IB) de manière rapide et
efficace.
A ce stade il n'est pas nécessaire que l'élève ait une maîtrise
parfaite du transistor. Le seul but est d'utiliser celui-ci en
interrupteur commandé.
On donnera la relation IC = β.IB, la valeur VBESat et on
considérera que VCESat = 0 lors de la saturation du transistor
et IC = 0 lors du blocage.
Un moyen simple pour débuter est d'utiliser comme charge
une LED et un interrupteur comme suit:
158
On remplacera ensuite l'ensemble résistance de limitation
par un mini relais 24 Volts pour charger le transistor. On
mettra à profit cette situation pour montrer le rôle joué par la
diode de roue libre.
Afin d'évoluer en complexité et efficacité on posera une
situation problème où il sera demandé de commander un
élément de puissance à partir d'une fonction logique comme
suit:
159
I - Fonction acquisition de données:
Temps alloué : 6 H
Compétences attendues : Etre capable de :
- dire avec des mots simples l'élément convertissant
une grandeur physique en grandeur électrique
- expliquer le rôle d'un capteur
- énumérer les principaux types de capteurs
Le but est des plus clairs: il s'agit de montrer que la partie
commande nécessite la présence d'informations pour
prendre ses décisions. Elle utilise pour cela les comptes
rendus fournis par les capteurs qui convertissent les
grandeurs physiques externes en grandeurs électriques
compréhensibles et aptes donc à être traités par les
constituants de la commande.
L'élève ne part pas désarmé puisqu'il possède certaines
capacités concernant les CTN, CTP, photocellule etc.
Il s'agira à travers une situation problème adéquate comme
le contrôle de température dans un chauffage électrique dans
des limites déterminées (thermostat), de faire de l'ensemble
des capacités des compétences reconnues chez l'élève.
Des situations quotidiennes connues en plus de l'exemple
donné ci-dessus sont:
- commande de l'alimentation du moteur d'un
réfrigérateur
- commande de l'éclairage public avec cellule
photoélectrique
160
- alimentation d'un compresseur (capteur de pression)
- contrôle du niveau de l'eau dans un château d’eau etc.
La liste n'est pas exhaustive.
On donnera les caractéristiques connues de certains capteurs
telle la photocellule pour procéder à des calculs.
Les phototransistors pourront par exemple être mis en
œuvre dans les disques codés GRAY ou autre pour le
contrôle du positionnement d'antennes ou de caméras, les
sources de lumière étant des LED.
161
J - Fonction comparaison de données:
Temps alloué : 6 H
Compétences attendues : Etre capable de :
- expliquer le rôle d'un comparateur logique, et d'un
comparateur analogique
- donner la différence existante entre comparateur
logique et analogique
- mettre en œuvre un comparateur logique et
interpréter les résultats
- mettre en œuvre un Ampli -Opérationnel en
comparateur et déterminer son domaine d'action
Dans la fonction comparaison de données entre deux
grandeurs A et B, on notera que l'on a dérogé à la méthode
habituelle qui consiste à classer le comparateur analogique à
ampli opérationnel dans un compartiment différent de celui
du comparateur numérique.
Effectivement les différences existent, la plus notable étant
qu'en analogique nous n'obtenons jamais A = B comme cela
se fait en numérique. En tout état de cause nous restons dans
la comparaison de données, et si l'on devait rester dans le
tout numérique il aurait fallu procéder à la conversion
analogique digital domaine réservé à la 3AS.
Comparateur analogique:
Tout comme pour le transistor dans la fonction commande,
il n'est pas fait obligation d'avoir une maîtrise parfaite de
l'ampli opérationnel étant donné qu'on le fait travailler en
saturation.
162
Par exemple dans la situation problème de l'éclairage public,
on reviendra sur la commande du transistor par photocellule
pour montrer qu'il est plus efficace d'utiliser un ampli
opérationnel:
Comparateur logique :
Les élèves doivent avoir à présent une assez bonne idée des
circuits TTL et CMOS. Il suffira alors d'étudier en premier
lieu la comparaison de deux nombres A et B à un bit et de
déterminer les équations de sorties pour les sorties A=B,
A>B et A<B pour expliquer le principe de la comparaison.
On généralisera le tout avec un circuit comparateur existant
à 4 bits SN 7485 ou le CD 4585 en CMOS.
163
Les situations problèmes sont nombreuses, par exemple on
pourrait commander un transistor chargé par un relais si A =
B.
Les deux nombres A et B peuvent être générés par des roues
codeuses et/ou par le résultat obtenu en sortie d'un
additionneur 4 bits tel le SN 7483.
Une autre situation problème pourrait être la commande
d'un four de cuisson ou d'un moteur de machine à laver qui
devront s'arrêter dès que le minuteur fournit une valeur
égale à celle donnée par la référence:
164
K - Fonction amplification :
Temps alloué : 8 H
Compétences attendues : Etre capable de :
- expliquer le rôle de l'amplificateur en électronique
- calculer l'amplification en tension d'un étage
Emetteur Commun unique à transistor
- calculer l'amplification et choisir les résistances
appropriées dans un amplificateur opérationnel
(A.O).
- monter un ampli linéaire en CI en utilisant la
documentation constructeur.
A l'évidence le volume horaire imparti ne permet
aucunement d'entrer dans les détails de l'étude sur
l'amplification telle que celle-ci s'effectuait auparavant.
Le programme est assez explicite en ce sens qu'il demande :
a)
de donner le principe de l’amplification : pour cela on
utilisera le réseau de caractéristiques du transistor que l'on
donnera aux élèves sur tirage avec le point de
fonctionnement fixé et application d'un signal sinusoïdal sur
la base qui fera varier le potentiel de cette dernière. On
montrera que ce point de fonctionnement en IC et VCE varie
pour donner en sortie le même signal mais inversé et surtout
le plus grands amplitude on endeduit.
b) On en déduit AV = ΔVCE/ΔVBE.
On utilisera ce même réseau pour déterminer :
h11 = ΔVbe/ΔIb h12 = ΔVbe/ΔVce ≈ 0 h21 = β = ΔIc/ΔIb
h22 = ΔIc/ΔVce ≈ 0
165
c) Les condensateurs de liaisons et de découplage seront
considérés d'impédance nulle à la fréquence de travail
de même que le générateur d'alimentation sera vu
comme un court circuit en régime
dynamique. On déduira le schéma équivalent pour le
transistor où l'on aura négligé h12 et h22:
On ajoute la résistance Rc de polarisation qui sert de
charge et on calcule.
e)
Av=-βRc/h11 puis la résistance d'entrée Re = Vbe/ib
= h11:
d)
f) On ajoute les résistances de polarisation de la base
(pont) Rp, donc h11 se retrouve en parallèle avec Rp
ce qui donne Re = h11 // Rp
166
g) enfin on placera une charge RL externe qui dans le
schéma se retrouve en parallèle avec Rc ce qui donne
Av = - β(Rc//RL)/h11. On déduira que le gain pour un
transistor donné dépend de la charge.
Dès le début du cours l'élève devra remarquer que la
position du point de fonctionnement ainsi que la valeur
des signaux de commande interdisent le travail du
transistor en tout ou rien.
Amplificateur à Ampli Opérationnel :
Dans le comparateur analogique nous aurons engendré
chez l'élève une réflexion certaine quand au régime de
fonctionnement en saturation.
On sera peut être amené à rappeler l'instabilité due au
fort gain en boucle ouverte. Il découlera de cette
situation problème la recherche d'une solution en vue
d'obtenir en sortie un signal stable. C'est ici qu'il y aura
lieu d'introduire la contre réaction négative en renvoyant
sur l'entrée le ou une fraction du signal de sortie ce qui
entraînera l'ensemble vers l'équilibre.
167
On déterminera le gain pour un ampli inverseur et non
inverseur, puis on procédera aux calculs des résistances à
placer pour obtenir un gain imposé.
On éludera le calcul des résistances d'entrée et de sortie
de l'amplificateur. On conclura en faisant une analogie
avec le transistor en rappelant que l'ampli opérationnel
peut fonctionner en tout ou rien ou en régime
d'amplification.
Amplificateur linéaire en circuits intégrés :
Les items précédents ont permis de comprendre le
principe de l'amplification, d'effectuer des calculs; mais
il serait difficile de mettre en œuvre ces montages à un
étage dans une application réelle même simple.
Ce troisième item, offre la possibilité d'exécuter une
expérience bénéfique aux élèves en montant un ampli BF
son pour télévision ou chaîne stéréo. On y ajoutera un
microphone, un haut parleur et les composants
nécessaires indiqués dans les livres de données.
De nombreux amplis en CI linéaires de type TDAxxxx
et autres sont disponibles sur le marché tels que:
TBA 820S
TDA 2010 12W / 4Ω
TDA 2020 20W / 4Ω
TDA 2030 12W / 4Ω
TDA 1037 10W / 5A etc.
Il suffira de se référer à la documentation constructeur
pour avoir le schéma à constituer :
168
L - Fonction codage et décodage :
 Temps alloué : 8 H
 Compétences attendues : Etre capable de :
- Donner le rôle du multiplexeur et démultiplexeur,
et expliciter le rôle des différentes broches
- Utiliser un Multiplexeur, démultiplexeur pour la
transmission et la réception de données
- Etablir le schéma d'un décodeur BCD - décimal
- Etablir la commande d'afficheurs anode ou
cathode commune par des décodeurs BCD-7
segments mis en cascade
- Etablir le schéma d'un transcodeur simple de type
Binaire - Gray avec portes logiques
Cette fonction peut se retrouver dans un système tant en
entrée qu'en sortie mais aussi lors du traitement des
données.
Transcodeur :
Pour entrer dans la fonction codage et décodage, l'étude
des transcodeurs est une bonne solution. Rappelons qu'il
n'est pas question de traiter d'un transcodage complexe,
mais simplement de montrer comment une structure
logique permet un changement de code. On se limitera à
169
des mots de 4 bits avec des transcodeurs de type Binaire
vers Gray ou Gray vers Binaire d'où l'on extraira les
équations logiques des sorties à l'aide des tableaux de
Karnaugh.
Les logigrammes résultants seront utilisés pour des
réalisations pratiques sur simulateur à des fins de
vérification.
Affichage des données :
L'affichage de données est une opération essentielle pour
que l'être humain puisse interpréter les résultats d'un
traitement.
Il n'est pas nécessaire de détailler la manière à suivre
pour s'approprier cette fonction. L'affichage constitue un
domaine assez vaste, particulièrement avec l'arrivée des
nouvelles
technologies.
Nous
recommandons
uniquement l'étude du principe d'un décodeur BCD vers
7 segments à travers la recherche des équations des
sorties a,b,c,d,e,f et g à l'aide des tableaux de Karnaugh.
Il est par contre impératif d'étudier en détail les
décodeurs de type SN 7447 AC et SN 7448 CC avec la
mise en œuvre des broches RBI et BI/RBO pour
l'effacement des zéros non significatifs.
Sur simulateur on expérimentera les décodeurs et
afficheurs avec commande par roues codeuses. On
parlera du rôle des résistances de limitation du courant
des segments (LEDs)
170
SN7447
BI/RBO
SN 7447
RBI
BI/RBO
Roue
codeuse
RBI
Roue
codeuse
Toutes les réalisations effectuées lors des précédentes
leçons telles l'utilisation d'additionneurs peuvent être
reprises avec leurs sorties placées sur décodeurs pour
obtenir un ensemble plus conséquent et plus proche de la
réalité.
Multiplexeur et démultiplexeur:
En général le multiplexage de données s'intègre dans des
structures trop complexes à ce niveau d'étude, et
nécessite souvent des éléments dynamiques extérieurs
tels les compteurs qui ne sont pas connus ici.
Nous nous limiterons donc à l'étude du multiplexage et
du démultiplexage en tant que sélecteur et orienteur de
données.
Multiplexeur :SN 74151 8 bits SN 74150 16 bits SN
74153 double 4bits
Démux
: SN 74138 8 bits SN 74154 16 bits SN
74155 double 4 bits
Une situation problème adéquate sera la transmission de
données sur une ligne téléphonique à travers la
171
conversion parallèle série par le multiplexeur puis en
réception série parallèle par le démultiplexeur.
Les données à transmettre seront des suites
alphanumériques codées en ASCII, chaque élève devra
avoir en sa possession le code ASCII limité.
Un autre exercice utile aux élèves est la génération d’une
équation logique par multiplexeur dans une structure
logique ce qui évite l’usage encombrant de portes.
Par ailleurs il serait bénéfique d'associer les deux
domaines que sont le multiplexage et l'affichage de
données sur 7 segments en posant la situation problème
où l'on souhaite éviter la présence d'un nombre trop élevé
de décodeurs.
Un seul décodeur BCD vers 7 segments commande
l'ensemble des afficheurs le choix de chacun d'entre eux
se faisant par multiplexage. Mais la encore il faudra
introduire un compteur qui rythmera le tout et donnera la
cadence de l'allumage et de l'extinction de chacun des
afficheurs.
172
M - Notions de logique programmée :
 Temps alloué : 18 H
 Compétences attendues : Etre capable de :
- distinguer la logique câblée de la logique
programmée
- utiliser la documentation constructrice pour
réaliser une fonction déterminée à base d’une
UAL (de type 74181) par programmation des
entrées de commande
- commander un moteur à deux sens de rotation par
API en utilisant le langage à contact
L'enseignement de cette section est crucial non pas par le
volume qu'elle impose en terme d'horaire ou de
complexité, mais plutôt par les conséquences qu'elle
engendrera chez les élèves quand à la relation qu'ils
auront face à un environnement où la technologie
programmée gagne de plus en plus d'espace.
Après avoir montré la différence entre logique câblée et
logique programmée nous entrerons graduellement dans
cette notion d'une complexité avérée en abordant tout
d'abord l'unité arithmétique et logique UAL dont les
fonctions internes en logique combinatoire sont bien
connues des élèves.
Sa programmation ne nécessitant pas la connaissance
d'un langage particulier ou d'algorithmique, il suffira
d'avoir en sa possession un support pour UAL SN 74 181
et un ensemble de roues codeuses sur simulateur pour
mener à bien le contrôle de la table de vérité.
L'élève se sera ainsi approprié cette notion sans
difficultés majeures en constatant que le changement de
173
la valeur du mot sur les entrées de contrôle déterminera
la fonction à réaliser en sortie.
On fera noter aux élèves que les entrées de contrôle
équivalent à un programme qui pourrait être lu en mémoire.
L'automate programmable :
C'est l'appareil type utilisé en logique programmé dans
l'industrie. On recommande fortement l'étude de son
organisation interne en schémas blocs même si certaines
parties telles les mémoires ou le microprocesseur restent
dans un domaine à étudier.
On mettra en évidence le fait que le nombre d'entrées et de
sorties est fixe mais que l'on peut utiliser tout ou partie de
celles-ci.
Les automates à programmation par logique à contact sont
d'une simplicité d'utilisation réelle, aussi les applications qui
s'y attachent sont très nombreuses:
- commande de moteurs du point de vue sens, vitesse,
type de démarrage etc.
- jeux de lumières, domaine très prisé des élèves
174
- génération d'un signal de commande si une certaine
condition est réalisée (résultat d'une opération
arithmétique, logique etc.)
Il serait judicieux de mettre en évidence la souplesse de
l'automate par rapport à un système en logique dite câblée
en exécutant deux montages : le premier en logique
programmée commandé donc par l'automate, le second en
logique câblée.
On définira divers types de fonctionnements qui
entraîneront une évolution du câblage, les élèves
constateront alors une différence à l'avantage de la logique
programmée dès que le système se complique. C'est là le but
de l'appropriation de cette notion.
N - Fonction alimentation :
Temps alloué : 12 H
Compétences attendues : Etre capable de :
- Expliquer le but de l'alimentation
- Expliquer le but du redressement, le rôle du
transformateur dans le montage, le rôle des diodes
et des condensateurs
- Calculer les valeurs moyennes et efficaces
obtenues, les mesurer au voltmètre et à
l'oscilloscope
- Monter un circuit de conversion alternatif continu, en utilisant un transformateur approprié,
un filtre et un régulateur de type 78xx
Les composants électroniques des montages sont polarisés
en courant continu. En plus des appareils fonctionnant sur
batterie, on trouve ceux fonctionnant sur pile et secteur et
175
ceux utilisant uniquement le secteur. La situation à poser
aux élèves est comment résoudre le problème de
l'appareillage électronique fixe alimenté à partir du secteur.
De là on déduira qu'il est impératif de trouver un moyen de
conversion de l'alternatif au continu.
La première étape consistera à donner le schéma bloc d'une
alimentation simple :
On étudiera le rôle de chaque partie :
Le transformateur :
Il n'est pas question d'étudier le transformateur de manière
détaillée, nous nous baserons sur les acquis des élèves
concernant le circuit magnétique et les bobinages. Donc en
plus de la constitution nous montrerons que l'application
d'une tension U1 au primaire induit une tension U2 au
secondaire dont la valeur dépendra du rapport du nombre de
spire de chaque enroulement. On ne parlera ni de pertes fer
ni de pertes cuivre encore moins de l'hystérésis. L'élève
devra intégrer la seule relation U2/U1 = N2/N1.
Nous profiterons de cette conclusion pour parler des
transformateurs dont le primaire possède deux entrées
(110V/220V) et de ceux à plusieurs sorties (point milieu ou
multi sorties) ces derniers sont assez connus puisqu'ils sont
largement répandus sur le marché.
176
Le redressement:
Seul l'utilisation de diodes est indiquée.
On commencera par le redressement simple alternance en
donnant le schéma, le fonctionnement avec les formes
d'ondes ainsi que les valeurs moyenne et efficace de la
tension ou du courant redressé. Les formules seront données
directement, le calcul intégral n'étant pas étudié. Il est
important de définir les notions de facteur de forme
F=Ueff/Umoy et de taux d'ondulation (F2-1)1/2.100% pour
situer la tension redressée par rapport à une grandeur
continue.
On déterminera pour la diode les valeurs extrêmes à savoir
le courant direct maximal et la tension inverse maximale
dans le but de pouvoir choisir le type de diodes à mettre en
œuvre pour une réalisation déterminée.
Le redressement double alternance doit suivre le même
cheminement dans l'étude si ce n'est qu'il faudra donner des
exemple d'utilisation de redresseurs en ponts intégrés.
On terminera par la même méthode avec le redressement
utilisant un transformateur à point milieu que l'on retrouve
très souvent dans les magnétophones. D'ailleurs le
programme précis qu'il est souhaitable de démonter un
appareil usagé de ce type pour mettre en évidence
l'opération de redressement et le rôle du contact connectant
ou déconnectant la batterie suivant la mise en place du
cordon de secteur.
Filtrage :
Le filtrage dans notre cas utilisera seulement des
condensateurs. Ces derniers ayant été abordés dans la
section courant continu, il s'agit ici de rappeler le
177
phénomène de charge et de décharge et l'influence de la
constante de temps τ = R.C.
De là on déduira les valeurs moyenne et efficace approchées
ainsi que le facteur de forme et le taux d'ondulation suivant
le type de redressement la charge et la valeur de la capacité.
L'alimentation stabilisée:
Afin d'entrer avec facilité dans les régulateurs de tension en
circuits intégrés, il est impératif de montrer comment une
alimentation stabilise en tension. On donnera un schéma
bloc du type suivant pour étayer l'explication:
Tous les éléments sont connus: diode zéner pour la
référence, transistor ou ampli opérationnel pour le
comparateur et transistor de sortie pour l'amplification en
courant. On peut à présent mettre en œuvre les régulateurs
de type 78xx.
178
O - Les systèmes automatiques :
Temps alloué : 24 H
Compétences attendues : Etre capable de:
- expliciter les documents constitutifs du dossier
technique d'un système automatisé
- Spécifier la matière d'œuvre mise en jeu entre
l'entrée et la sortie
- Suivre une démarche d'analyse fonctionnelle d'un
système automatisé
- Identifier les différentes parties du système et
définir leur fonction
- Etablir une représentation structurée du système
On aura constaté que l'enseignement proposé se basant sur
des situations problèmes où l'on fait référence de manière
permanente à des objets techniques donc des systèmes
automatisés ou pas, l'élève ne sera point surpris une fois
entré dans cette section.
Il s'agit ici de généraliser le concept de systèmes
automatiques en introduisant un cahier des charges au lieu
d'une simple situation problème, de modéliser les taches à
réaliser et à automatiser en introduisant le SADT et enfin de
mettre en œuvre une méthode d'automatisation avec l'usage
de techniques pas à pas qui est le Grafcet.
Il est absolument impératif de traiter la structure des
systèmes automatisés dès la 2AS avec tous les éléments qui
s’intègrent dans cet environnement. Evacuer en classe de
3AS ce qui n’a pas été appréhendé cette année entraînera
l’enseignant et plus encore ses élèves vers un échec assuré.
179
Après avoir défini la structure des systèmes automatisés on
évoquera le cahier des charges qui devra dans la mesure du
possible correspondre à un système existant pour éviter de
rester dans le tout théorique et l’imaginatif !
On montrera que la matière d’œuvre peut être de diverses
origines : matière, énergie, information et que le but est de
la traiter pour en faire un produit à valeur ajoutée tel est
l’objectif de tout système. On mettra en valeur les
différentes spécifications que l’on peut y trouver et toutes
les contraintes imposées.
Dans la méthode SADT on ne parlera que de l’actigramme
(A0) sans jamais faire référence à ce qu’est un datagramme.
On se limitera à une analyse fonctionnelle descendante de
niveau 2 (A1). Les fonctions qui en découlent nous
permettrons d’aborder la notion de tâche. On précisera que
si une tâche reste complexe il y aura lieu de la décomposer
en sous tâches mais sans entrer dans une analyse
descendante de niveau 3.
A ce stade il faudra exercer les élèves par usage de systèmes
existants ou tout à fait théoriques (sur papier) afin qu’ils
parviennent à situer la matière d’œuvre traitée, déterminer la
valeur ajoutée, trouver les supports qui pourrait agir sur la
matière d’œuvre pour accomplir une tâche donnée,
rechercher les contraintes etc.
Ceci est crucial pour l’élève qui est amené à affronter la
réalité des choses seul ou avec ses camarades de groupe, il
s’agit d’en faire un être autonome de manière progressive
mais sûre. Une fois que l’enseignant aura jugé d’un niveau
de maîtrise de l’analyse fonctionnelle conforme à la
compétence correspondante on pourra aborder le Grafcet de
180
ib
ic
h21 Ib
Vbe
h11 1 et de niveau 2 en reprenant les systèmes utilisés
niveau
comme supports
Vce ou en y introduisant de nouveaux.
Le Grafcet devra rester dans les limites de sa signification à
savoir la description du fonctionnement d’un système
automatique en niveau 1 ou 2 mais il est hors de question de
parler d’implémentation matériel du Grafcet en abordant les
séquenceurs qui nécessite la connaissance des mémoires
lesquelles sont du domaines de la 3AS.
Toutefois il a été prévu de mettre en œuvre un système
automatisé avec Grafcet en utilisant un appareil qui à
présent doit être connu des élèves : l’automate
programmable.
Dans la partie commande en logique programmée on a pu
voir avec l’API et la programmation à contacts la facilité
avec laquelle les solutions se présentaient.
181