Bases de la technique en courant alternatif

Bases de la technique en
courant alternatif
Livre d’exercices
Avec CD-ROM
Y1
Y2
I
P
IC
IR
G
IL
φ
90°
QL
U
R
C
L
QC
S
Festo Didactic
567221 fr
Référence :
Édition :
Auteur :
Graphiques :
Mise en page :
567221
10/2010
Christine Löffler
Thomas Ocker, Doris Schwarzenberger
09/2011, Susanne Durz
© Festo Didactic GmbH & Co. KG, 73770 Denkendorf, Allemand, 2013
Internet : www.festo-didactic.com
E-mail : [email protected]
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du personnel de son site, à condition d'en mentionner la source, et à les dupliquer pour la formation
continue sur le site. Pour les écoles/universités et centres de formation, ce droit d'utilisation englobe
l'utilisation durant les cours par les élèves, stagiaires et étudiants du site.
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Table des matières
Utilisation conforme ______________________________________________________________________ IV
Avant-propos ____________________________________________________________________________ V
Introduction ____________________________________________________________________________ VII
Instructions et consignes de sécurité _______________________________________________________ VIII
Ensemble de formation « Bases du courant alternatif » (TP 1011) _________________________________ IX
Objectifs pédagogiques – Bases du courant alternatif ____________________________________________X
Correspondance entre objectifs pédagogiques et travaux pratiques – Bases du courant alternatif ________ XI
Jeu d’équipement ________________________________________________________________________ XIII
Correspondance entre composants et travaux pratiques – Bases du courant alternatif _______________ XVII
Notes à l'intention de l'enseignant ou du formateur ___________________________________________ XVIII
Structure des travaux pratiques ____________________________________________________________ XIX
Désignation des composants ______________________________________________________________ XIX
Contenu du CD-ROM _____________________________________________________________________ XX
Travaux pratiques et corrigés
TP 1 :
TP 2 :
TP 3 :
TP 4 :
TP 5 :
TP 6 :
TP 7 :
TP 8 :
TP 9 :
TP 10 :
Acquisition et représentation de grandeurs caractéristiques en courant alternatif _______________1
Vérification du comportement en puissance d'un condensateur ___________________________ 19
Sélection d'une capacité appropriée à un filtre passe-haut ________________________________ 39
Réduction des pics de tension à la commutation de la bobine d'un distributeur _______________ 51
Détermination de l'inductance d'une bobine ___________________________________________ 65
Étude par la mesure de circuits RC ___________________________________________________ 77
Relevé de la réponse en fréquence de filtres passe-haut et passe-bas _______________________ 89
Compensation de la puissance réactive d'un moteur électrique ___________________________ 101
Sélection d'un couplage triphasé d'un radiateur mural à accumulation _____________________ 113
Génération de différents niveaux de puissance sur un radiateur __________________________ 127
Travaux pratiques et fiches de travail
TP 1 :
TP 2 :
TP 3 :
TP 4 :
TP 5 :
TP 6 :
TP 7 :
TP 8 :
TP 9 :
TP 10 :
Acquisition et représentation de grandeurs caractéristiques en courant alternatif _______________1
Vérification du comportement en puissance d'un condensateur ___________________________ 19
Sélection d'une capacité appropriée à un filtre passe-haut ________________________________ 39
Réduction des pics de tension à la commutation de la bobine d'un distributeur _______________ 51
Détermination de l'inductance d'une bobine ___________________________________________ 65
Étude par la mesure de circuits RC ___________________________________________________ 77
Relevé de la réponse en fréquence de filtres passe-haut et passe-bas _______________________ 89
Compensation de la puissance réactive d'un moteur électrique ___________________________ 101
Sélection d'un couplage triphasé d'un radiateur mural à accumulation _____________________ 113
Génération de différents niveaux de puissance sur un radiateur __________________________ 127
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III
Utilisation conforme
L'ensemble de formation « Bases de l'électrotechnique/électronique » ne doit s'utiliser que :
 pour l'usage auquel il est destiné, c'est-à-dire dans le cadre de l'enseignement et de la formation, et
 en parfait état sur le plan de la sécurité.
Les composants de l'ensemble de formation sont construits conformément à l’état de l’art et aux règles
techniques reconnues en matière de sécurité. Leur utilisation peut néanmoins mettre en danger la vie et la
santé de l’utilisateur ou de tiers ainsi qu'affecter l'intégrité des composants eux-mêmes.
Le système de formation de Festo Didactic est exclusivement destiné à la formation initiale et continue dans
le domaine de l’automatisation et de la technique. Il incombe à l’établissement de formation et/ou aux
formateurs de faire respecter par les étudiants les consignes de sécurité décrites dans le présent manuel de
travaux pratiques.
Festo Didactic décline par conséquent toute responsabilité quant aux dommages causés aux étudiants, à
l’établissement de formation et/ou à des tiers du fait de l'utilisation de ce jeu d’équipement en dehors du
contexte d’une pure formation, à moins que ces dommages ne soient imputables à une faute intentionnelle
ou à une négligence grossière de Festo Didactic.
IV
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Avant-propos
Le système de formation « Automatisation et Technique » de Festo Didactic part de différents niveaux
d’accès à la formation et objectifs professionnels. C’est dans cette optique qu'est structuré le système de
formation :
 ensembles de formation axés sur les technologies ;
 mécatronique et automatisation d'usine ;
 automatisation de process et technique de régulation ;
 robotique mobile ;
 usines-écoles hybrides.
Le système de formation « Automatisation et Technique » fait régulièrement l’objet de mises à jour et
extensions parallèlement aux évolutions enregistrées dans le domaine de la formation et des pratiques
professionnelles.
Les ensembles de formation technologique se penchent sur les technologies suivantes : pneumatique,
électropneumatique, hydraulique, électrohydraulique, hydraulique proportionnelle, automates
programmables, capteurs, électricité et actionneurs électriques.
La structure modulaire du système de formation permet de réaliser des applications allant au-delà des
limites des différents ensembles. Par exemple, il est possible de commander par API des actionneurs
pneumatiques, hydrauliques et/ou électriques.
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V
Tous les ensembles de formation se composent des éléments suivants :
 matériel ;
 supports ;
 séminaires.
Matériel
Le matériel des ensembles de formation est constitué de composants industriels et systèmes adaptés à une
approche didactique. Le choix et l'exécution des composants faisant partie des ensembles de formation
sont spécialement adaptés aux projets des supports d'accompagnement.
Supports
Les supports dédiés aux différents domaines de spécialité sont de deux types : didactiques et logiciels. Les
supports didactiques, axés sur la pratique, comprennent :
 manuels de fond et de cours (ouvrages standard de dispense de connaissances fondamentales) ;
 manuels de travaux pratiques (avec explications complémentaires et corrigés types) ;
 lexiques, manuels, ouvrages spécialisés (donnant des informations plus détaillées sur des thèmes à
approfondir) ;
 jeux de transparents et vidéos (permettant d'illustrer et de rendre plus vivant l'enseignement) ;
 posters (pour la visualisation de sujets plus complexes) ;
Dans le domaine du logiciel, des programmes sont disponibles pour les applications suivantes :
 didacticiels (présentation pédagogique et multimédia de contenus de formation) ;
 logiciels de simulation ;
 logiciels de visualisation ;
 logiciels de mesure ;
 logiciels de conception et de configuration :
 logiciels de programmation d'automates programmables industriels.
Les supports destinés aux formateurs et aux étudiants sont disponibles en plusieurs langues. Ils sont
conçus pour l’enseignement, mais se prêtent aussi à l’autoformation.
Séminaires
Un large éventail de séminaires consacrés aux contenus des ensembles de formation complète l’offre de
formation initiale et continue.
Vous avez des suggestions ou des critiques à propos de ce manuel ?
N'hésitez pas à nous en faire part par courriel à : [email protected]
Les auteurs et Festo Didactic se feront un plaisir de tenir compte de vos remarques.
VI
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Introduction
Le présent manuel de travaux pratiques fait partie du système de formation « Automatisation et Technique »
de la société Festo Didactic GmbH & Co. KG. Ce système constitue une solide base de formation initiale et
continue axée sur la pratique. L'ensemble de formation « Bases de l'électrotechnique/électronique »
TP 1011 traite des thèmes suivants :
 bases du courant continu ;
 bases du courant alternatif ;
 bases des semi-conducteurs ;
 montages de base de l'électronique.
Le manuel de travaux pratiques « Bases du courant alternatif » poursuit l'initiation à l'électrotechnique/
électronique. Au premier plan, figure l'étude du comportement d'une résistance. d'un condensateur et
d'une bobine en alternatif. Un autre centre de gravité pour les montages à condensateur et bobine est le
déphasage du courant et de la tension en alternatif. La visualisation et l'analyse des déphasages sont
traitées en détail sur des montages mixtes. Sont également étudiées dans ce contexte les grandeurs
électriques que sont les puissances active, réactive et apparente. La puissance figure également au premier
plan dans l'étude des couplages étoile et triangle des systèmes à tension alternative triphasée.
La réalisation et l'étude des montages supposent de disposer d'un poste de travail de laboratoire équipé
d'une alimentation secteur protégée, de deux multimètres numériques, d'un oscilloscope à mémoire et de
cordons de laboratoire sécurisés.
Le jeu d’équipement TP 1011 permet de réaliser les montages complets des 10 travaux pratiques consacrés
aux « Bases du courant alternatif ».
Des fiches techniques des différents composants (résistances linéaires et non linéaires, condensateurs,
bobines, diodes électroluminescentes, instruments de mesure, etc.) sont en outre disponibles.
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VII
Instructions et consignes de sécurité
Généralités
 Les étudiants ne doivent travailler sur les montages que sous la surveillance d’une formatrice ou d’un
formateur.
 Respectez les indications données dans les fiches techniques des différents composants, en particulier
toutes les consignes de sécurité !
 La formation ne doit être à l'origine d'aucune panne susceptible d'affecter la sécurité ; les pannes
éventuelles doivent être immédiatement éliminées.
Partie électrique
 Danger de mort en cas de coupure du conducteur de protection !
– Le conducteur de protection (jaune/vert) ne doit être coupé ni à l'extérieur ni à l'intérieur de
l'appareillage.
– L'isolation du conducteur de protection ne doit être ni endommagée ni enlevée.
 Dans les établissements industriels ou artisanaux, il conviendra de respecter les directives des
organismes professionnels, et notamment celles des mutuelles d'assurance accident applicables aux
matériels électriques.
 Dans les établissements scolaires et de formation, l'utilisation d'alimentations secteur sera placée sous
la responsabilité et la surveillance de personnels qualifiés.
 Attention !
Des condensateurs montés dans l'appareillage peuvent encore être chargés même après coupure de
toutes les sources de tension.
 En cas de remplacement de fusibles : n'utilisez que les fusibles prescrits et du bon calibre.
 Ne mettez jamais immédiatement sous tension votre bloc d'alimentation secteur s'il vient de passer
d'une pièce froide à une pièce chaude. La condensation susceptible de se former pourrait alors détruire
l'appareil. Laissez d'abord l'appareil prendre la température ambiante.
 N'utilisez pour l'alimentation des montages des différents travaux pratiques que des tensions de
60 V DC et 25 V AC maximum. Tenez compte en outre de la tension maximale de service indiquée pour
les composants utilisés.
 N'effectuez les branchements électriques qu'en l'absence de tension.
 N'effectuez les débranchements électriques qu'en l'absence de tension.
 N’utilisez pour les branchements électriques que des cordons dotés de connecteurs de sécurité.
 Lors du débranchement de cordons, tirez uniquement sur le connecteur de sécurité, pas sur le câble.
 Raccordez toujours l'oscilloscope à mémoire au secteur par l'intermédiaire d'un transformateur
d'isolation.
VIII
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Ensemble de formation « Bases du courant alternatif » (TP 1011)
L'ensemble de formation TP 1011 se compose d’une multitude de moyens de formation. Cette partie de
l'ensemble de formation TP 1011 a pour objet les bases du courant alternatif. Certains composants de
l'ensemble de formation TP 1011 peuvent également faire partie d’autres ensembles.
Composants importants du TP 1011
 Poste de travail stable équipé du panneau de montage universel EduTrainer®
 Jeu de composants « Électrotechnique/électronique » avec cavaliers et cordons de laboratoire sécurisés
 Bloc d'alimentation de base EduTrainer®
 Équipements complets de laboratoire
Supports
Les supports associés à l'ensemble de formation TP 1011 comprennent des manuels de travaux pratiques.
Les manuels de travaux pratiques comportent les fiches de chacun des TP, le corrigé de chaque fiche de
travail et un CD-ROM. Un jeu de fiches de travaux pratiques et fiches de travail prêtes à utiliser est fourni
avec chaque manuel de travaux pratiques.
Des fiches techniques des composants sont fournies sur le CD-ROM.
Supports
Manuels de travaux
Bases du courant continu
pratiques
Bases du courant alternatif
Bases des semi-conducteurs
Montages de base de l'électronique
Didacticiels
WBT Électricité 1 – Bases de l'électrotechnique
WBT Électricité 2 – Circuits à courant continu et alternatif
WBT Électronique 1 – Bases des semi-conducteurs
WBT Électronique 2 – Circuits intégrés
WBT Mesures de protection électriques
Aperçu des supports associés à l'ensemble de formation TP 1011
Le logiciel disponible pour l'ensemble de formation TP 1011 comprend les didacticiels Électricité 1,
Électricité 2, Électronique 1, Électronique 2 et Mesures de protection électriques. Ces didacticiels traitent en
détail des bases de l'électrotechnique/électronique. Les contenus sont abordés à la fois du point de vue
systématique et en référence aux applications, sous la forme d'exemples pratiques.
Les supports sont proposés en plusieurs langues. Vous trouverez d’autres moyens de formation dans nos
catalogues et sur Internet.
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IX
Objectifs pédagogiques – Bases du courant alternatif



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
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

X
Savoir décrire les grandeurs caractéristiques utilisées en alternatif et effectuer des calculs sur ces
grandeurs.
Connaître les différents modes de représentation des grandeurs utilisées en alternatif.
Savoir mesurer à l'oscilloscope et analyser les grandeurs caractéristiques du courant alternatif.
Connaître le comportement de la résistance ohmique en alternatif.
Savoir décrire le comportement du condensateur en alternatif.
Savoir déterminer et calculer la réactance capacitive d'un condensateur.
Savoir déterminer par la mesure et analyser le déphasage du courant et de la tension du condensateur
en alternatif.
Savoir déterminer et calculer la puissance réactive capacitive.
Savoir calculer la capacité de montages en série et en parallèle de condensateurs.
Savoir étudier par la mesure les montages en série et en parallèle de condensateurs et en déduire des
lois.
Connaître la structure, l'utilisation et les grandeurs caractéristiques d'une bobine.
Savoir analyser par la mesure le comportement d'une bobine à l'excitation et à la désexcitation.
Savoir comment se répercute l'auto-induction d'une bobine sur son comportement.
Savoir décrire le comportement d'une bobine en alternatif.
Savoir déterminer l'inductance et la réactance inductive d'une bobine.
Savoir déterminer par la mesure et analyser le déphasage du courant et de la tension de la bobine en
alternatif.
Savoir appliquer les diagrammes vectoriels et temporels à l'addition de grandeurs alternatives dans des
circuits RC.
Connaître l'utilisation de circuits RC en diviseurs de tension dépendant de la fréquence.
Savoir utiliser des circuits RC en filtres passe-haut et passe-bas.
Connaître l'importance de la puissance réactive dans le réseau public de distribution d'électricité.
Savoir mesurer et appliquer le facteur de puissance cos .
Savoir calculer et appliquer le montage RLC parallèle comme montage de compensation de la puissance
réactive.
Connaître le lien qui existe entre puissances active, réactive et apparente et la représentation de ces
puissances.
Savoir appliquer les diagrammes vectoriels et temporels à l'addition de grandeurs alternatives dans des
montage mixtes.
Connaître le principe de la génération d'une tension alternative triphasée.
Connaître les couplages de base étoile et triangle utilisés dans les systèmes triphasés et savoir les
réaliser.
Savoir mesurer et calculer la puissance dans les couplages étoile et triangle.
Savoir utiliser à dessein les différentes phases d'un système triphasé en vue de la génération de
puissance.
Savoir comment se répercute la disparition d'une phase sur la puissance d'un récepteur dans un
couplage étoile.
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Correspondance entre objectifs pédagogiques et travaux pratiques – Bases
du courant alternatif
TP
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Objectif
Savoir décrire les grandeurs caractéristiques utilisées en alternatif
et effectuer des calculs sur ces grandeurs.
•
Connaître les différents modes de représentation des grandeurs
utilisées en alternatif.
•
Savoir mesurer à l'oscilloscope et analyser les grandeurs
caractéristiques du courant alternatif.
Connaître le comportement de la résistance ohmique en alternatif.
Savoir décrire le comportement du condensateur en alternatif.
Savoir déterminer et calculer la réactance capacitive d'un
condensateur.
•
•
•
•
Savoir déterminer par la mesure et analyser le déphasage du
courant et de la tension du condensateur en alternatif.
•
Savoir déterminer et calculer la puissance réactive capacitive.
•
Savoir calculer la capacité de montages en série et en parallèle de
condensateurs.
Savoir étudier par la mesure les montages en série et en parallèle
de condensateurs et en déduire des lois.
Connaître la structure, l'utilisation et les grandeurs
caractéristiques d'une bobine.
Savoir analyser par la mesure le comportement d'une bobine à
l'excitation et à la désexcitation.
Savoir comment se répercute l'auto-induction d'une bobine sur
son comportement.
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•
•
•
•
•
•
XI
TP
1
2
3
4
5
6
7
•
•
8
9
10
Objectif
Savoir décrire le comportement d'une bobine en alternatif.
•
Savoir déterminer l'inductance et la réactance inductive d'une
bobine.
•
Savoir déterminer par la mesure et analyser le déphasage du
courant et de la tension de la bobine en alternatif.
Savoir appliquer les diagrammes vectoriels et temporels à
l'addition de grandeurs alternatives dans des circuits RC.
Connaître l'utilisation de circuits RC en diviseurs de tension
dépendant de la fréquence.
•
Savoir utiliser des circuits RC en filtres passe-haut et passe-bas.
•
Connaître l'importance de la puissance réactive dans le réseau
public de distribution d'électricité.
•
Savoir mesurer et appliquer le facteur de puissance cos .
•
Savoir calculer et appliquer le montage RLC parallèle comme
montage de compensation de la puissance réactive.
•
Connaître le lien qui existe entre puissances active, réactive et
apparente et la représentation de ces puissances.
•
Savoir appliquer les diagrammes vectoriels et temporels à
l'addition de grandeurs alternatives dans des montage mixtes.
•
Connaître le principe de la génération d'une tension alternative
triphasée.
•
Connaître les couplages de base étoile et triangle utilisés dans les
systèmes triphasés et savoir les réaliser.
•
Savoir mesurer et calculer la puissance dans les couplages étoile
et triangle.
•
Savoir utiliser à dessein les différentes phases d'un système
triphasé en vue de la génération de puissance.
Savoir comment se répercute la disparition d'une phase sur la
puissance d'un récepteur dans un couplage étoile.
XII
•
•
•
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Jeu d'équipement
Le manuel de travaux pratiques « Bases du courant alternatif » dispense des connaissances sur la structure
et le fonctionnement des composants condensateur et bobine ainsi que sur le comportement de ces
composants dans des montages de base et applications simples.
Le jeu d'équipement « Bases de l'électrotechnique/électronique » TP 1011 comprend tous les composants
nécessaires à l'acquisition des compétences définies par les objectifs pédagogiques fixés. La réalisation et
l'analyse de montages opérationnels exigent en outre deux multimètres numériques et des cordons de
laboratoire sécurisés.
Jeu d'équipement « Bases de l'électrotechnique/électronique », Réf. 571780
Composant
Référence
Quantité
Bloc d'alimentation de base EduTrainer®
567321
1
Panneau de montage universel EduTrainer®
567322
1
Jeu de composants Électrotechnique/électronique
567306
1
Jeu de cavaliers, 19 mm, gris-noir
571809
1
Aperçu du jeu de composants Électrotechnique/électronique, Réf. 567306
Composant
Quantité
Résistance, 10 Ω/2 W
1
Résistance, 22 Ω/2 W
2
Résistance, 33 Ω/2 W
1
Résistance, 100 Ω/2 W
2
Résistance, 220 Ω/2 W
1
Résistance, 330 Ω/2 W
1
Résistance, 470 Ω/2 W
2
Résistance, 680 Ω/2 W
1
Résistance, 1 kΩ/2 W
3
Résistance, 2,2 kΩ/2 W
2
Résistance, 4,7 kΩ/2 W
2
Résistance, 10 kΩ/2 W
3
Résistance, 22 kΩ/2 W
3
Résistance, 47 kΩ/2 W
2
Résistance, 100 kΩ/2 W
2
Résistance, 1 MΩ/2 W
1
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XIII
XIV
Composant
Quantité
Potentiomètre, 1 kΩ/0,5 W
1
Potentiomètre, 10 kΩ/0,5 W
1
Thermistance (CTN), 4,7 kΩ/0,45 W
1
Photorésistance (LDR), 100 V/0,2 W
1
Varistance (LDR), 14 V/0,05 W
1
Condensateur, 100 pF/100 V
1
Condensateur, 10 nF/100 V
2
Condensateur, 47 nF/100 V
1
Condensateur, 0,1 μF/100 V
2
Condensateur, 0,22 μF/100 V
1
Condensateur, 0,47 μF/100 V
2
Condensateur, 1,0 μF/100 V
2
Condensateur, 10 μF/250 V, polarisé
2
Condensateur, 100 μF/63 V, polarisé
1
Condensateur, 470 μF/50 V, polarisé
1
Bobine, 100 mH/50 mA
1
Diode, AA118
1
Diode, 1N4007
6
Diode Zener, ZPD 3,3
1
Diode Zener, ZPD 10
1
Diac, 33 V/1 mA
1
Transistor NPN, BC140, 40 V/1 A
2
Transistor NPN, BC547, 50 V/100 mA
1
Transistor PNP, BC160, 40 V/1 A
1
Transistor JFET canal P, 2N3820, 20 V/10 mA
1
Transistor JFET canal N, 2N3819, 25 V/50 mA
1
Transistor unijonction, 2N2647, 35 V/50 mA
1
Transistor MOSFET canal P, BS250, 60 V/180 mA
1
Thyristor, TIC 106, 400 V/5 A
1
Triac, TIC206, 400 V/4 A
1
Bobine de transformateur, N = 200
1
Bobine de transformateur, N = 600
2
Noyau de transformateur avec support
1
Voyant, 12 V/62 mA
1
Diode électroluminescente (LED), 20 mA, bleue
1
Diode électroluminescente (LED), 20 mA, rouge ou verte
1
Inverseur
1
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Symboles graphiques du jeu d'équipement
Composant
Symbole graphique
Composant
Résistance
Diode Zener
Potentiomètre
Diac
Thermistance (CTN)
Transistor NPN
Photorésistance (LDR)
Transistor PNP
Varistance (VDR)
Transistor JFET canal P
Symbole graphique
U
Condensateur
Transistor JFET canal N
Condensateur, polarisé
Transistor unijonction
Bobine
Transistor MOSFET canal P
Diode
Thyristor
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XV
Composant
XVI
Symbole graphique
Composant
Triac
LED bleue
Bobine de transformateur
LED rouge ou verte
Voyant
Inverseur
Symbole graphique
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Correspondance entre composants et travaux pratiques – Bases du courant
alternatif
TP
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
3
3
1
1
Composant
Résistance, 100 Ω/2 W
1
Résistance, 470 Ω/2 W
Résistance, 1 kΩ/2 W
1
1
Résistance, 4,7 kΩ/2 W
1
1
1
1
1
1
1
Résistance, 10 kΩ/2 W
1
Résistance, 22 kΩ/2 W
1
Varistance (VDR), 14 V/0,05 W
1
Condensateur, 100 pF/100 V
1
Condensateur, 10 nF/100 V
1
Condensateur, 47 nF/100 V
1
Condensateur, 0,1 μF/100 V
1
Condensateur, 0,22 μF/100 V
1
1
1
Condensateur, 0,47 μF/100 V
1
Condensateur, 1,0 μF/100 V
1
1
Bobine, 100 mH/50 mA
1
Bobine de transformateur, N = 200
1
Bobine de transformateur, N = 600
1
Multimètre numérique
1
Oscilloscope, 2 voies
1
1
Bloc d'alimentation de base EduTrainer®
1
1
© Festo Didactic GmbH & Co. KG 567221
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
XVII
Notes à l'intention de l'enseignant ou du formateur
Objectifs pédagogiques
L'objectif pédagogique général du présent manuel de travaux pratiques est l'étude de montages de base
simples à résistance, condensateur et bobine en courant alternatif. L'acquisition des connaissances se fera
par des questions théoriques, la réalisation pratique des montages et la mesure de grandeurs électriques.
Cette interaction directe entre théorie et pratique est le garant de progrès rapides et durables. Les objectifs
pédagogiques spécifiques sont documentés dans la matrice, Des objectifs pédagogiques plus concrets sont
affectés à chaque travail pratique.
Temps alloué
Le temps nécessaire à la réalisation d’un travail pratique dépend des connaissances préalables de
l'étudiant. Chaque travail pratique est prévu pour durer environ 1 heure à 1 heure et demie.
Composants du jeu d'équipement
Manuel de travaux pratiques, recueil de travaux pratiques et jeu d'équipement sont adaptés les uns aux
autres. Pour les 10 TP, vous n’avez besoin que des composants d’un seul jeu d’équipement TP 1011.
Normes
Le présent manuel de travaux pratiques applique les normes suivantes :
EN 60617-2 à EN 60617-8
Symbole graphiques pour schémas
EN 81346-2
Systèmes industriels, installations et appareils, et produits industriels ;
principes de structuration et désignations de référence
CEI 60364-1
Édification d´installations à basse tension – Principes généraux,
(DIN VDE 0100-100)
Principes fondamentaux, détermination des caractéristiques générales,
définitions
CEI 60364-4-41
Édification d´installations à basse tension – Mesures de protection,
(DIN VDE 0100-410)
Protection contre les chocs électriques
Repérage dans le manuel de travaux pratiques
Le texte des corrigés et les compléments donnés dans les graphiques ou diagrammes sont repérés en
rouge.
Exception : Les indications et conclusions concernant le courant sont toujours repérées en rouge, celle
concernant la tension toujours en bleu.
Repérage dans le recueil de travaux pratiques
Les textes à compléter sont repérés par des lignes d'écriture ou des cases grisées dans les tableaux.
Les graphiques à compléter sont sur fond tramé.
Notes à l'intention de l'enseignant
Des informations additionnelles sont données ici sur la démarche didactico-méthologique et sur les
composants. Ces notes ne figurent pas dans le recueil de travaux pratiques.
XVIII
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Corrigés
Les corrigés indiqués dans le présent manuel de travaux pratiques sont le résultat de mesures effectuées
lors d'essais. Les résultats de vos mesures peuvent différer de ces valeurs.
Thèmes d'apprentissage
Pour l'apprentissage du métier d'électronicien/ne, le thème « Bases du courant alternatif » fait partie du
volet 1 du programme du centre de formation.
Structure des travaux pratiques
Les 10 travaux pratiques ont la même structure méthodologique. Ils se divisent en :
 Titre
 Objectifs pédagogiques
 Problème
 Montage ou schéma d'implantation
 Travail à exécuter
 Aides
 Fiches de travail
Le manuel de travaux pratiques contient les corrigés de chacune des fiches de travail du recueil de travaux
pratiques.
Désignation des composants
La désignation des composants représentés dans les schémas s'inspire de la norme EN 81346-2. Des lettres
sont attribuées en fonction du composant. Les composants existant en plusieurs exemplaires dans un
circuit sont numérotés en continu.
Résistances :
Condensateurs :
Bobines :
Auxiliaires de signalisation :
R, R1, R2, ...
C, C1, C2, …
L, L1, L2, …
P, P1, P2, ...
Nota
Quand des résistances, condensateurs ou bobines sont considérés comme grandeurs physiques, leur
lettre de désignation est en italique (symbole de formule). Si une numérotation est nécessaire, les
chiffres sont traités comme indices.
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XIX
Contenu du CD-ROM
Le manuel de travaux pratiques figure sous forme de fichier pdf sur le CD-ROM fourni. Celui-ci met en outre
à votre disposition des supports additionnels.
Le CD-ROM contient les dossiers suivants :
 Notices d’utilisation
 Illustrations
 Informations sur les produits
Notices d’utilisation
Des notices d’utilisation sont ici disponibles pour différents composants de l'ensemble de formation. Elles
aident à mettre en service et à utiliser les composants.
Illustrations
Des photos et graphiques de composants et applications industrielles sont fournis. Ils permettent d’illustrer
des travaux pratiques plus personnalisés. Les présentations de projets peuvent également être complétées
par utilisation de ces illustrations.
Informations sur les produits
Ce dossier contient des informations du fabricant pour un certain nombre de composants. La représentation
et la description des composants sous cette forme ont pour but de montrer comment sont présentés ces
composants dans un catalogue industriel. Vous y trouverez en outre des informations complémentaires sur
les composants.
XX
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TP 1
Acquisition et représentation de grandeurs caractéristiques en courant
alternatif
Objectifs pédagogiques
Quand vous aurez réalisé ce TP, vous aurez appris à
 savoir décrire les grandeurs caractéristiques utilisées en alternatif et effectuer des calculs sur ces
grandeurs ;
 connaître les différents modes de représentation des grandeurs utilisées en alternatif ;
 savoir mesurer à l'oscilloscope et analyser les grandeurs caractéristiques du courant alternatif ;
 connaître le comportement de la résistance ohmique en alternatif.
Problème
Vous êtes appelé à travailler à l'avenir à l'assurance qualité pour y contrôler des montages électroniques
défectueux.
Pour vous initier, vous allez effectuer des mesures sur des montages simples à courant alternatif.
Montage
G
U
RL
Montage à courant alternatif avec oscilloscope
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1
TP 1 : Acquisition et représentation de grandeurs caractéristiques en courant alternatif
3.
4.
5.
6.
Travaux à exécuter
Décrivez comme est définie la tension alternative.
Répondez aux questions concernant la représentation vectorielle et temporelle de grandeurs
alternatives.
Expliquez les principales grandeurs caractéristiques rencontrées en courant alternatif.
Familiarisez-vous avec le mode de fonctionnement de l'oscilloscope et répondez aux questions.
Effectuez vos premières mesures à l'oscilloscope.
Étudiez l'allure du courant, de la tension et de la puissance dans un montage à simple résistance.




Aides
Manuels de cours, mémentos
Fiches techniques
Didacticiel Électricité 1
Internet
1.
2.
Nota
N’appliquez la tension d'alimentation électrique qu’après avoir réalisé et contrôlé tous les
branchements. À l'issue du TP, coupez l'alimentation électrique avant de démonter les composants.
2
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TP 1 : Acquisition et représentation de grandeurs caractéristiques en courant alternatif
Description de la tension alternative
–
Décrivez comme est définie la tension alternative.
La tension alternative est une tension dont la polarité (sens) et la valeur varient périodiquement.
–
La figure montre trois évolutions temporelles fréquentes de grandeurs alternatives.
Donnez le nom de l'allure de la courbe dans le tableau.
Allure du signal
Désignation
u
T
2
T
t
Signal sinusoïdal
u
Signal triangulaire ou en dents de scie
T
2
T
t
T
2
T
t
u
Signal rectangulaire ou carré
Formes typiques de signaux électriques
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3
TP 1 : Acquisition et représentation de grandeurs caractéristiques en courant alternatif
Explication de la représentation vectorielle et de la représentation temporelle d'une tension
alternative
Le vecteur tournant dans le cercle permet de reconstituer l'évolution temporelle sinusoïdale de la tension
alternative. Le rayon du cercle correspond à l'amplitude de l'oscillation sinusoïdale, désignée par valeur de
crête Uc.
u
Uc
Uc
α
u
α
90°
180°
270°
360°
π
2
π
3π
2
2π
α, t
-Uc
Représentation vectorielle et représentation temporelle d'une tension alternative sinusoïdale.
–
Indiquez la formule de calcul de la valeur instantanée de la tension u.
On a :
sin  
Perpendiculaire
u

Hypothenuse
Uc
On en déduit pour la valeur instantanée u :
u  U c  sin 
Plus la fréquence de l'oscillation sinusoïdale est élevée, plus la période est courte, et plus le vecteur associé
tourne vite. La vitesse de rotation du vecteur s'exprime par la pulsation ω.
–
–
Indiquez la formule de calcul de la valeur instantanée u en fonction de ω.
Complétez également à cet effet le diagramme de la courbe sinusoïdale en inscrivant sous l'indication
de l'angle en degrés celle de l'angle en radians.
Formule de calcul des valeurs instantanées u :
u  U c  sin (  t )
4
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TP 1 : Acquisition et représentation de grandeurs caractéristiques en courant alternatif
Description des grandeurs caractéristiques en alternatif
Pour travailler en alternatif, il vous faut bien maîtriser les grandeurs caractéristiques du courant alternatif.
–
Décrivez brièvement les principales grandeurs caractéristiques utilisées en alternatif. Complétez à cet
effet les cases correspondantes du tableau.
Grandeur
caractéristique
Symbole et/ou formule
Description
Tension de crête Uc
Uc
Valeur maximale ou minimale de la tension alternative, également appelée
amplitude ou valeur de crête.
Courant de crête Ic
Ic
Valeur maximale ou minimale du courant alternatif
Tension crête à crête
U cc  2  U c
Différence entre valeurs de crête positive et négative
Pour une tension sinusoïdale : Ucc est le double de l'amplitude.
Ucc
Tension efficace Ueff
Courant efficace Ieff
Période T en s
U eff 
I eff 
UC
2
IS
2
T
La valeur efficace est la valeur d'une tension alternative donnant aux bornes
d'une résistance ohmique la même puissance qu'une tension continue de
cette valeur.
La valeur efficace est la valeur d'un courant alternatif donnant aux bornes
d'une résistance ohmique la même puissance qu'un courant continu de cette
valeur.
Une oscillation complète formée d'une alternance positive et d'une alternance
négative dure un certain temps. Ce temps s'appelle la période T.
Fréquence f en Hz
f 
1
T
Nombre de périodes par seconde
  2 f
Angle décrit en radians par unité de temps
Valeur instantanée u
u  U c  sin (  t )
Valeur momentanée d'une tension alternative sinusoïdale à l'instant
considéré
Valeur instantanée i
i  I c  sin(  t )
Valeur momentanée d'un courant alternatif sinusoïdal à l'instant considéré
Pulsation en
1
s
Grandeurs caractéristiques utilisées en alternatif
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5
TP 1 : Acquisition et représentation de grandeurs caractéristiques en courant alternatif
–
Dessinez quelques-unes des grandeurs caractéristiques dans la représentation de la tension alternative
sinusoïdale. Donnez dans le tableau les désignations des grandeurs correspondant aux chiffres
indiqués.
u
3
1
2
0
t
4
Tension alternative sinusoïdale
Chiffre
Désignation
1
Valeur de crête Uc
2
Valeur crête à crête Ucc
3
Tension efficace Ueff
4
Période T
Description des fonctions de base d'un oscilloscope
Un oscilloscope dispose de multiples possibilités de réglage et de branchement, qui diffèrent selon le type
et le modèle. Un certain nombre de réglages de base sont en général présents sur tout oscilloscope.
AUTORANGE SAVE/RECALL
UTILITY
MEASURE
ACQUIRE
HELP
CURSOR
DISPLAY
DEFAULT SETUP
VERTICAL
POSITION
SAVE
CH1
MENU
RUN/
STOP
SINGLE
SEQ
REF
MENU
PRINT
AUTOSET
MATH
MENU
HORIZONTAL
POSITION
CH2
MENU
VOLT/DIV
TRIGGER
LEVEL
HORIZ
MENU
TRIG
MENU
SET TO
ZERO
SET TO
50%
SEC/DIV
FORCE
TRIG
TRIG
VIEW
CH1
CH2
EXT.TRIG.
USB
Flash Drive
Exemple d'oscilloscope
6
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TP 1 : Acquisition et représentation de grandeurs caractéristiques en courant alternatif
–
Informez-vous sur le mode de fonctionnement de l'oscilloscope mis à votre disposition pour les
mesures.
Complétez dans le tableau la désignation des éléments de commande permettant de déclencher les
fonctions décrites.
–
Élément de commande
Description sommaire
Interrupteur 0/I
Interrupteur secteur (M/A).
Bouton rotatif POSITION CH1
Positionne verticalement le signal de la voie 1 (CH1).
Bouton rotatif VOLTS/DIV (CH1)
Règle la sensibilité verticale du signal d’entrée CH1.
Touche CH1 MENU
Active ou désactive l'affichage de la voie 1.
Bouton rotatif POSITION
Positionne horizontalement tous les signaux.
Bouton rotatif SEC/DIV
Règle le balayage temporel des signaux.
Touche CH1 MENU -> Sonde
Réglage de la sonde de la voie 1.
Touche CH1 MENU -> Couplage
Règle sur la voie 1 : DC, AC, Ground.
Ground signifie : mise à la masse de la voie.
Touche CH1 MENU -> Inverser
Représente inversé le signal de la voie CH1.
Touche TRIG MENU
Réglage du déclenchement
Touche TRIG MENU -> Front
Règle le déclenchement sur front
Connecteur d'entrée EXT. TRIG.
Connecteur d'entrée pour source de déclenchement externe.
CH1
Voie de mesure 1
CH2
Voie de mesure 2
Fonctions de base d'un oscilloscope
Note à l'intention de l'enseignant
Les fonctions de base et éléments de commande sont présentés sur la base de l'oscilloscope à mémoire
numérique à 2 voiesTektronix TDS 1002B.
–
Décrivez ce que fait la fonction de déclenchement dans les visualisations à l'oscilloscope.
La fonction de déclenchement fait en sorte que dans le cas de signaux périodiques, le point de départ
du faisceau à l'écran soit à la même valeur d'amplitude que dans la visualisation précédente du
signal. On obtient ainsi un oscillogramme apparemment stable.
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7
TP 1 : Acquisition et représentation de grandeurs caractéristiques en courant alternatif
Pour créer des oscillogrammes, procédez comme suit :
 Assurez-vous que le balayage en X et Y est étalonné.
 Vérifiez que l'axe zéro est bien là où vous voulez qu'il soit.
 Si vous réglez une fréquence sur le générateur de fonctions, mesurez la fréquence à l'oscilloscope pour
être sûr qu'elle est correcte.
 Quand vous dessinez une courbe, représentez toujours au moins une période du signal.
 Tracez toujours l'axe zéro sur le dessin.
 Notez toujours le balayage temporel sur le dessin.
 Notez toujours sur le dessin le balayage de tension adopté sur chaque voie utilisée (CH1 et CH2).
 Veillez à la référence de temps des signaux entre eux quand vous les dessinez.
 Déclenchez toujours sur le signal le plus lent.
Réglages sur l'oscilloscope :
Ucc
T
Y = 2 V/DIV
X = 0,1 ms/DIV
Exemple de mesure à l'oscilloscope
–
Analysez les résultats des mesures à l'oscilloscope.
Déterminez la tension crête à crête Ucc et la période T.
Tension crête à crête Ucc :
Ucc correspond à 4 divisions (DIV).
U cc  4 DIV  2
V
8V
DIV
Période T :
T correspond à 6 divisions.
T  6 DIV  0 ,1
8
ms
 0 , 6 ms
DIV
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TP 1 : Acquisition et représentation de grandeurs caractéristiques en courant alternatif
Mesure à l'oscilloscope
Étudiez à l'oscilloscope l'évolution dans le temps d'une tension alternative.
–
Réalisez le montage.
G
Y1
U
Montage d'étude à l'oscilloscope d'une tension alternative sinusoïdale
Désignation
Dénomination
–
Oscilloscope
Valeurs
2 voies
®
–
Bloc d'alimentation de base EduTrainer
–
Nomenclature du matériel
–
–
–
Raccordez le générateur de fonctions.
Procédez aux réglages indiqués des calibres sur l'oscilloscope.
Réglez le générateur de fonctions à la fréquence et à la tension nécessaires à l'obtention de la courbe
de tension représentée sur l'oscillogramme ci-dessous.
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9
TP 1 : Acquisition et représentation de grandeurs caractéristiques en courant alternatif
Réglages sur l'oscilloscope
Voie 1 :
Y1 = 1 V/DIV
Balayage :
0 (Y1)
X = 0,1 ms/DIV
Oscillogramme de la tension alternative à étudier
–
–
10
Mesurez la tension crête à crête Ucc et la période T.
V
6V
DIV
Tension crête à crête Ucc :
U cc  6 DIV  1
Période T :
T  10 DIV  0,1
ms
 1 ms
DIV
Déterminez par le calcul, à partir des valeurs mesurées, la tension de crête Uc, la tension efficace Ueff et
la fréquence f.
U cc 6 V

3V
2
2
Tension de crête Uc :
Uc 
Tension efficace Ueff :
U eff 
Fréquence f :
f 
Uc
2

3V
2
 2 ,12 V
1
1
1

 1  103  1 kHz
T 1 ms
s
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TP 1 : Acquisition et représentation de grandeurs caractéristiques en courant alternatif
–
–
Mesurez la valeur efficace Ueff au multimètre numérique.
Comparez la valeur efficace mesurée à la valeur efficace déterminée par le calcul.
Ueff mesurée :
Ueff = 2,01 V
Ueff calculée :
Ueff = 2,12 V
Les faibles écarts entre valeurs mesurées et valeurs calculées sont dus aux erreurs de mesure et aux
tolérances des composants.
Mesure de tension, de courant et de puissance sur résistance ohmique
Représentez l'allure dans le temps de la tension alternative aux bornes d'une résistance ohmique et celle du
courant alternatif qui la traverse. Tracez à partir des valeurs instantanées du courant et de la tension la
courbe de puissance de la résistance. Comparez cette courbe de puissance à celle obtenue avec une tension
continue comparable.
–
Décrivez comment visualiser l'allure de courants à l'oscilloscope.
Pour pouvoir mesurer le courant, il faut ajouter au circuit une résistance ampèremétrique RM. On
détermine alors à l'oscilloscope la chute de tension URM aux bornes de la résistance ampèremétrique
et on en déduit par le calcul le courant qui circule dans le montage.
–
Décrivez ce que l'on entend par résistance réelle.
Une résistance ohmique s'appelle en alternatif résistance réelle. La résistance réelle a en alternatif le
même effet qu'en continu. Elle agit sur l'énergie électrique et la convertit en chaleur, en lumière ou en
énergie mécanique. La puissance transformée dans la réactance se désigne aussi par puissance
active.
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11
TP 1 : Acquisition et représentation de grandeurs caractéristiques en courant alternatif
Indiquez la formule de calcul du courant I traversant la résistance réelle R.
–
I
U
R
Tension et courant sur résistance réelle
Y1
G
RL
URL
RM
URM
UC = 6,6 V
(sinusoïdale)
f = 1 kHz
Y2
Montage à résistances avec RL = 1 k, RM = 100, Uc = 6,6 V, f = 1 kHz
Désignation
Dénomination
Valeurs
RL
Résistance
1 kΩ/2W
RM
Résistance
100 Ω/2 W
–
Oscilloscope
–
2 voies
®
Bloc d'alimentation de base EduTrainer
–
Nomenclature du matériel
Nota
Pour pouvoir visualiser en même temps les tensions URL et URM à l'oscilloscope, on fixe le point de
référence des deux tensions entre les deux résistances. Ceci implique de devoir inverser le signal de
tension URM.
Veillez à ce que les branchements aux deux voies de mesure de l'oscilloscope n'entraînent pas de
boucles de masse via les conducteurs de protection. Insérez donc un transformateur d'isolation.
12
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TP 1 : Acquisition et représentation de grandeurs caractéristiques en courant alternatif
–
–
–
–
–
–
–
–
Réalisez le montage.
Raccordez le générateur de fonctions.
Réglez une tension sinusoïdale Uc = 6,6 V de fréquence f = 1 kHz.
Procédez sur l'oscilloscope aux réglages nécessaires aux mesures.
Mesurez à l'oscilloscope la tension sinusoïdale URL présente aux bornes de la résistance RL.
Reportez l'allure de la tension dans l'oscillogramme.
Mesurez à l'oscilloscope la tension sinusoïdale URM aux bornes de la résistance RM.
Reportez également l'allure de la tension dans l'oscillogramme.
Réglages sur l'oscilloscope
Y1
Voie 1 :
Y1 = 2 V/DIV
Voie 2 :
Y2 = 0,5 V/DIV
(inverser)
Y2
0 (Y1), (Y2)
Balayage :
X = 0,1 ms/DIV
Centrer les axes zéro
des voies 1 et 2
Déclenchement : Y1
Oscillogramme pour uRL et uRM
–
–
Déterminez les valeurs instantanées uRL et uRM aux instants indiqués dans le procès verbal de mesure.
Notez les valeurs instantanées dans le procès verbal de mesure.
Calculez le courant i et la puissances active p aux instants indiqués dans le procès verbal de mesure.
Notez également les valeurs. Indiquez aussi la formule de calcul de p.
Formule de calcul des valeurs instantanées de la puissance :
p u i
–
Représentez les valeurs de courant i, les valeurs de tension u et la courbe de puissance p dans le
diagramme préparé.
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13
TP 1 : Acquisition et représentation de grandeurs caractéristiques en courant alternatif
Temps t (ms)
Tension uRL (V)
Tension uRM (V)
Courant i (mA)
Puissance active p (mW)
0
0
0
0
0
0,1
3,8
0,38
3,8
14,4
0,15
5,0
0,5
5,0
25,0
0,25
6,0
0,6
6,0
36,0
0,35
5,0
0,5
5,0
25,0
0,4
3,8
0,38
3,8
14,4
0,5
0
0
0
0
0,6
-3,8
-0,38
-3,8
14,4
0,65
-5,0
-0,5
-5,0
25,0
0,75
-6,0
-0,6
-6,0
36,0
0,85
-5,0
-0,5
-5,0
25,0
0,9
-3,8
-0,38
-3,8
14,4
1,0
0
0
0
0
25
10
mW
mA
V
30
15
Tension u
50
Courant i
Puissance p
Procès verbal de mesure
p
6
20
10
4
10
5
2
0
0
0
u
i
0,1
-10
-5
-2
-20
-10
-4
-30
-15
-6
-40
-20
-8
-50
-25
-10
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
ms
1,0
Temps t
Courbes de tension, de courant et de puissance sur résistance ohmique RL
14
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TP 1 : Acquisition et représentation de grandeurs caractéristiques en courant alternatif
–
Décrivez l’allure des courbes de courant et de tension.
Le courant et la tension sont en phase. Ils passent au même instant par zéro et atteignent au même
instant leur valeur de crête.
–
Décrivez l'allure de la courbe de puissance.
L'allure de la courbe de puissance est de nouveau sinusoïdale, mais ne présente pas de composantes
négatives. La fréquence a doublé par rapport à l'allure de la tension et du courant.
L'allure de la courbe de la puissance active sur résistance ohmique peut se remplacer par une valeur
moyenne constante. C'est la valeur efficace de la puissance.
–
Indiquez la formule de calcul de la valeur efficace de la puissance P.
Peff  U eff  I eff
La loi d'Ohm donne deux autres formules de calcul de la puissance :
2
Peff  R  I eff
–
Peff 
ou
2
U eff
R
Indiquez la valeur efficace de la puissance pour le montage à résistances.
Peff  U eff  I eff 
Uc
2

Ic
2

6 V 6 mA

 18 mW
2
2
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15
TP 1 : Acquisition et représentation de grandeurs caractéristiques en courant alternatif
Puissance en continu et en alternatif
Pour pouvoir comparer les puissances en continu et en alternatif, déterminez la puissance dissipée par la
résistance ohmique RL = 1 kΩ pour une tension continue de U = 4,24 V.
–
Justifiez pourquoi la mesure comparative en continu s'effectue pour une tension continue de
U = 4,24 V.
La tension alternative sinusoïdale Uc = 6 V a pour valeur efficace :
U eff 
Uc
2

6V
2
 4, 24 V
Une tension continue U = 4,24 V dissipe dans une résistance ohmique la même puissance que la
valeur efficace Ueff = 4,24 V d'une tension alternative.
–
Mesurez la puissance en continu du montage représenté suivant la méthode indirecte et notez les
valeurs mesurées.
U = 4,24 V
RL
URL
Montage à résistance avec RL = 1 k, U = 4,24 V
Désignation
Dénomination
Valeurs
RL
Résistance
1 kΩ/2W
–
Multimètre numérique
–
–
Bloc d'alimentation de base EduTrainer®
–
Nomenclature du matériel pour le montage à résistance en continu
Valeurs mesurées des grandeurs électriques pour le calcul de puissance :
U = 4,24 V
I = 4,19 mA
16
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TP 1 : Acquisition et représentation de grandeurs caractéristiques en courant alternatif
–
Calculez à partir des valeurs mesurées la puissance électrique dissipée par la résistance ohmique dans
le montage en continu.
P  U  I  4, 24 V  4,19 mA =17,8 mW
Tracez les courbes des grandeurs électriques mesurées et de la puissance électrique calculée dans le
diagramme correspondant.
Circuit en continu
Circuit en alternatif
5
0
I
2
0
-5
-2
-10
-4
-15
-6
-20
-8
mA
U
4
G
URL
10
5
0
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 ms 1,0
Temps t
UC = 6 V
V
0
-10
-4
-15
-6
-20
-8
50
mW
mW
Puissance P
50
30
20
P
10
0
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 ms 1,0
30
URL
i
2
-2
RL
u
4
-5
Puissance p
10
V
RL
Courant i
Courant I
mA
Tension U
U = 4,24 V
Tension u
–
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 ms 1,0
Temps t
p
20
10
0
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 ms 1,0
Temps t
Temps t
Comparaison : puissance dans le circuit en continu et dans le circuit en alternatif pour RL = 1 kΩ
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17
TP 1 : Acquisition et représentation de grandeurs caractéristiques en courant alternatif
–
Décrivez la relation qui existe entre les deux courbes de puissance.
•
•
•
18
Dans le circuit en continu, la puissance dissipée est invariablement constante.
Dans le circuit en alternatif, la puissance dissipée varie beaucoup.
Dans le cas d'une tension alternative sinusoïdale, les deux sources délivrent en moyenne la même
puissance quand la valeur maximale de la puissance dissipée en alternatif est exactement le
double de la puissance constante délivrée par la source de tension continue.
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Table des matières
Travaux pratiques et fiches de travail
TP 1 :
TP 2 :
TP 3 :
TP 4 :
TP 5 :
TP 6 :
TP 7 :
TP 8 :
TP 9 :
TP 10 :
Acquisition et représentation de grandeurs caractéristiques en courant alternatif _______________1
Vérification du comportement en puissance d'un condensateur ___________________________ 19
Sélection d'une capacité appropriée à un filtre passe-haut ________________________________ 39
Réduction des pics de tension à la commutation de la bobine d'un distributeur _______________ 51
Détermination de l'inductance d'une bobine ___________________________________________ 65
Étude par la mesure de circuits RC ___________________________________________________ 77
Relevé de la réponse en fréquence de filtres passe-haut et passe-bas _______________________ 89
Compensation de la puissance réactive d'un moteur électrique ___________________________ 101
Sélection d'un couplage triphasé d'un radiateur mural à accumulation _____________________ 113
Génération de différents niveaux de puissance sur un radiateur __________________________ 127
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I
II
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TP 1
Acquisition et représentation de grandeurs caractéristiques en courant
alternatif
Objectifs pédagogiques
Quand vous aurez réalisé ce TP, vous aurez appris à
• savoir décrire les grandeurs caractéristiques utilisées en alternatif et effectuer des calculs sur ces
grandeurs ;
• connaître les différents modes de représentation des grandeurs utilisées en alternatif ;
• savoir mesurer à l'oscilloscope et analyser les grandeurs caractéristiques du courant alternatif ;
• connaître le comportement de la résistance ohmique en alternatif.
Problème
Vous êtes appelé à travailler à l'avenir à l'assurance qualité pour y contrôler des montages électroniques
défectueux.
Pour vous initier, vous allez effectuer des mesures sur des montages simples à courant alternatif.
Montage
G
U
RL
Montage à courant alternatif avec oscilloscope
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1
TP 1 : Acquisition et représentation de grandeurs caractéristiques en courant alternatif
3.
4.
5.
6.
Travaux à exécuter
Décrivez comme est définie la tension alternative.
Répondez aux questions concernant la représentation vectorielle et temporelle de grandeurs
alternatives.
Expliquez les principales grandeurs caractéristiques rencontrées en courant alternatif.
Familiarisez-vous avec le mode de fonctionnement de l'oscilloscope et répondez aux questions.
Effectuez vos premières mesures à l'oscilloscope.
Étudiez l'allure du courant, de la tension et de la puissance dans un montage à simple résistance.
•
•
•
•
Aides
Manuels de cours, mémentos
Fiches techniques
Didacticiel Électricité 1
Internet
1.
2.
Nota
N’appliquez la tension d'alimentation électrique qu’après avoir réalisé et contrôlé tous les
branchements. À l'issue du TP, coupez l'alimentation électrique avant de démonter les composants.
2
Nom : __________________________________ Date : ____________
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TP 1 : Acquisition et représentation de grandeurs caractéristiques en courant alternatif
Description de la tension alternative
–
Décrivez comme est définie la tension alternative.
–
La figure montre trois évolutions temporelles fréquentes de grandeurs alternatives.
Donnez le nom de l'allure de la courbe dans le tableau.
Allure du signal
Désignation
u
T
2
T
t
T
2
T
t
T
2
T
t
u
u
Formes typiques de signaux électriques
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Nom : __________________________________ Date : ____________
3
TP 1 : Acquisition et représentation de grandeurs caractéristiques en courant alternatif
Explication de la représentation vectorielle et de la représentation temporelle d'une tension
alternative
Le vecteur tournant dans le cercle permet de reconstituer l'évolution temporelle sinusoïdale de la tension
alternative. Le rayon du cercle correspond à l'amplitude de l'oscillation sinusoïdale, désignée par valeur de
crête Uc.
u
Uc
Uc
α
u
α
90°
180°
270°
360°
α, t
-Uc
Représentation vectorielle et représentation temporelle d'une tension alternative sinusoïdale.
–
Indiquez la formule de calcul de la valeur instantanée de la tension u.
Plus la fréquence de l'oscillation sinusoïdale est élevée, plus la période est courte, et plus le vecteur associé
tourne vite. La vitesse de rotation du vecteur s'exprime par la pulsation ω .
–
–
Indiquez la formule de calcul de la valeur instantanée u en fonction de ω.
Complétez également à cet effet le diagramme de la courbe sinusoïdale en inscrivant sous l'indication
de l'angle en degrés celle de l'angle en radians.
Formule de calcul des valeurs instantanées u :
4
Nom : __________________________________ Date : ____________
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TP 1 : Acquisition et représentation de grandeurs caractéristiques en courant alternatif
Description des grandeurs caractéristiques en alternatif
Pour travailler en alternatif, il vous faut bien maîtriser les grandeurs caractéristiques du courant alternatif.
–
Décrivez brièvement les principales grandeurs caractéristiques utilisées en alternatif. Complétez à cet
effet les cases correspondantes du tableau.
Grandeur
caractéristique
Symbole et/ou formule
Tension de crête Uc
Uc
Courant de crête Ic
Ic
Description
Tension crête à crête
Ucc
Tension efficace Ueff
Courant efficace Ieff
Période T en s
T
Fréquence f en Hz
Pulsation ω en
1
s
Valeur instantanée u
Valeur instantanée i
Grandeurs caractéristiques utilisées en alternatif
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Nom : __________________________________ Date : ____________
5
TP 1 : Acquisition et représentation de grandeurs caractéristiques en courant alternatif
–
Dessinez quelques-unes des grandeurs caractéristiques dans la représentation de la tension alternative
sinusoïdale. Donnez dans le tableau les désignations des grandeurs correspondant aux chiffres
indiqués.
u
3
1
2
0
t
4
Tension alternative sinusoïdale
Chiffre
Désignation
1
2
3
4
Description des fonctions de base d'un oscilloscope
Un oscilloscope dispose de multiples possibilités de réglage et de branchement, qui diffèrent selon le type
et le modèle. Un certain nombre de réglages de base sont en général présents sur tout oscilloscope.
AUTORANGE SAVE/RECALL
UTILITY
MEASURE
ACQUIRE
HELP
CURSOR
DISPLAY
DEFAULT SETUP
VERTICAL
POSITION
SAVE
CH1
MENU
RUN/
STOP
SINGLE
SEQ
REF
MENU
PRINT
AUTOSET
MATH
MENU
HORIZONTAL
POSITION
CH2
MENU
VOLT/DIV
TRIGGER
LEVEL
HORIZ
MENU
TRIG
MENU
SET TO
ZERO
SET TO
50%
SEC/DIV
FORCE
TRIG
TRIG
VIEW
CH1
CH2
EXT.TRIG.
USB
Flash Drive
Exemple d'oscilloscope
6
Nom : __________________________________ Date : ____________
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TP 1 : Acquisition et représentation de grandeurs caractéristiques en courant alternatif
–
–
Informez-vous sur le mode de fonctionnement de l'oscilloscope mis à votre disposition pour les
mesures.
Complétez dans le tableau la désignation des éléments de commande permettant de déclencher les
fonctions décrites.
Élément de commande
Description sommaire
Interrupteur secteur (M/A).
Positionne verticalement le signal de la voie 1 (CH1).
Règle la sensibilité verticale du signal d’entrée CH1.
Active ou désactive l'affichage de la voie 1.
Positionne horizontalement tous les signaux.
Règle le balayage temporel des signaux.
Réglage de la sonde de la voie 1.
Règle sur la voie 1 : DC, AC, Ground.
Ground signifie : mise à la masse de la voie.
Représente inversé le signal de la voie CH1.
Réglage du déclenchement
Règle le déclenchement sur front
Connecteur d'entrée pour source de déclenchement externe.
Voie de mesure 1
Voie de mesure 2
Fonctions de base d'un oscilloscope
–
Décrivez ce que fait la fonction de déclenchement dans les visualisations à l'oscilloscope.
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Nom : __________________________________ Date : ____________
7
TP 1 : Acquisition et représentation de grandeurs caractéristiques en courant alternatif
Pour créer des oscillogrammes, procédez comme suit :
• Assurez-vous que le balayage en X et Y est étalonné.
• Vérifiez que l'axe zéro est bien là où vous voulez qu'il soit.
• Si vous réglez une fréquence sur le générateur de fonctions, mesurez la fréquence à l'oscilloscope pour
être sûr qu'elle est correcte.
• Quand vous dessinez une courbe, représentez toujours au moins une période du signal.
• Tracez toujours l'axe zéro sur le dessin.
• Notez toujours le balayage temporel sur le dessin.
• Notez toujours sur le dessin le balayage de tension adopté sur chaque voie utilisée (CH1 et CH2).
• Veillez à la référence de temps des signaux entre eux quand vous les dessinez.
• Déclenchez toujours sur le signal le plus lent.
Réglages sur l'oscilloscope :
Ucc
T
Y = 2 V/DIV
X = 0,1 ms/DIV
Exemple de mesure à l'oscilloscope
–
8
Analysez les résultats des mesures à l'oscilloscope.
Déterminez la tension crête à crête Ucc et la période T.
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TP 1 : Acquisition et représentation de grandeurs caractéristiques en courant alternatif
Mesure à l'oscilloscope
Étudiez à l'oscilloscope l'évolution dans le temps d'une tension alternative.
–
Réalisez le montage.
G
Y1
U
Montage d'étude à l'oscilloscope d'une tension alternative sinusoïdale
Désignation
Dénomination
–
Oscilloscope
Valeurs
2 voies
®
–
Bloc d'alimentation de base EduTrainer
–
Nomenclature du matériel
–
–
–
Raccordez le générateur de fonctions.
Procédez aux réglages indiqués des calibres sur l'oscilloscope.
Réglez le générateur de fonctions à la fréquence et à la tension nécessaires à l'obtention de la courbe
de tension représentée sur l'oscillogramme ci-dessous.
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Nom : __________________________________ Date : ____________
9
TP 1 : Acquisition et représentation de grandeurs caractéristiques en courant alternatif
Réglages sur l'oscilloscope
Voie 1 :
Y1 = 1 V/DIV
Balayage :
0 (Y1)
X = 0,1 ms/DIV
Oscillogramme de la tension alternative à étudier
10
–
Mesurez la tension crête à crête Ucc et la période T.
–
Déterminez par le calcul, à partir des valeurs mesurées, la tension de crête Uc, la tension efficace Ueff et
la fréquence f.
Nom : __________________________________ Date : ____________
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TP 1 : Acquisition et représentation de grandeurs caractéristiques en courant alternatif
–
–
Mesurez la valeur efficace Ueff au multimètre numérique.
Comparez la valeur efficace mesurée à la valeur efficace déterminée par le calcul.
Mesure de tension, de courant et de puissance sur résistance ohmique
Représentez l'allure dans le temps de la tension alternative aux bornes d'une résistance ohmique et celle du
courant alternatif qui la traverse. Tracez à partir des valeurs instantanées du courant et de la tension la
courbe de puissance de la résistance. Comparez cette courbe de puissance à celle obtenue avec une tension
continue comparable.
–
Décrivez comment visualiser l'allure de courants à l'oscilloscope.
–
Décrivez ce que l'on entend par résistance réelle.
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Nom : __________________________________ Date : ____________
11
TP 1 : Acquisition et représentation de grandeurs caractéristiques en courant alternatif
Indiquez la formule de calcul du courant I traversant la résistance réelle R.
–
Tension et courant sur résistance réelle
Y1
G
RL
URL
RM
URM
UC = 6,6 V
(sinusoïdale)
f = 1 kHz
Y2
Montage à résistances avec RL = 1 kΩ, RM = 100 Ω, Uc = 6,6 V, f = 1 kHz
Désignation
Dénomination
Valeurs
RL
Résistance
1 kΩ/2W
RM
Résistance
100 Ω/2 W
–
Oscilloscope
2 voies
–
Bloc d'alimentation de base EduTrainer®
–
Nomenclature du matériel
Nota
Pour pouvoir visualiser en même temps les tensions URL et URM à l'oscilloscope, on fixe le point de
référence des deux tensions entre les deux résistances. Ceci implique de devoir inverser le signal de
tension URM.
Veillez à ce que les branchements aux deux voies de mesure de l'oscilloscope n'entraînent pas de
boucles de masse via les conducteurs de protection. Insérez donc un transformateur d'isolation.
12
Nom : __________________________________ Date : ____________
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TP 1 : Acquisition et représentation de grandeurs caractéristiques en courant alternatif
–
–
–
–
–
–
–
–
Réalisez le montage.
Raccordez le générateur de fonctions.
Réglez une tension sinusoïdale Uc = 6,6 V de fréquence f = 1 kHz.
Procédez sur l'oscilloscope aux réglages nécessaires aux mesures.
Mesurez à l'oscilloscope la tension sinusoïdale URL présente aux bornes de la résistance RL.
Reportez l'allure de la tension dans l'oscillogramme.
Mesurez à l'oscilloscope la tension sinusoïdale URM aux bornes de la résistance RM.
Reportez également l'allure de la tension dans l'oscillogramme.
Réglages sur l'oscilloscope
Voie 1 :
Y1 = 2 V/DIV
Voie 2 :
Y2 = 0,5 V/DIV
(inverser)
0 (Y1), (Y2)
Balayage :
X = 0,1 ms/DIV
Centrer les axes zéro
des voies 1 et 2
Déclenchement : Y1
Oscillogramme pour uRL et uRM
–
–
Déterminez les valeurs instantanées uRL et uRM aux instants indiqués dans le procès verbal de mesure.
Notez les valeurs instantanées dans le procès verbal de mesure.
Calculez le courant i et la puissances active p aux instants indiqués dans le procès verbal de mesure.
Notez également les valeurs. Indiquez aussi la formule de calcul de p.
Formule de calcul des valeurs instantanées de la puissance :
–
Représentez les valeurs de courant i, les valeurs de tension u et la courbe de puissance p dans le
diagramme préparé.
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Nom : __________________________________ Date : ____________
13
TP 1 : Acquisition et représentation de grandeurs caractéristiques en courant alternatif
Temps t (ms)
Tension uRL (V)
Tension uRM (V)
Courant i (mA)
Puissance active p (mW)
0
0,1
0,15
0,25
0,35
0,4
0,5
0,6
0,65
0,75
0,85
0,9
1,0
25
10
mW
mA
V
30
15
Tension u
50
Courant i
Puissance p
Procès verbal de mesure
6
20
10
4
10
5
2
0
0
0
0,1
-10
-5
-2
-20
-10
-4
-30
-15
-6
-40
-20
-8
-50
-25
-10
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
ms
1,0
Temps t
Courbes de tension, de courant et de puissance sur résistance ohmique RL
14
Nom : __________________________________ Date : ____________
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TP 1 : Acquisition et représentation de grandeurs caractéristiques en courant alternatif
–
Décrivez l’allure des courbes de courant et de tension.
–
Décrivez l'allure de la courbe de puissance.
L'allure de la courbe de la puissance active sur résistance ohmique peut se remplacer par une valeur
moyenne constante. C'est la valeur efficace de la puissance.
–
Indiquez la formule de calcul de la valeur efficace de la puissance P.
–
Indiquez la valeur efficace de la puissance pour le montage à résistances.
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Nom : __________________________________ Date : ____________
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TP 1 : Acquisition et représentation de grandeurs caractéristiques en courant alternatif
Puissance en continu et en alternatif
Pour pouvoir comparer les puissances en continu et en alternatif, déterminez la puissance dissipée par la
résistance ohmique RL = 1 kΩ pour une tension continue de U = 4,24 V.
–
Justifiez pourquoi la mesure comparative en continu s'effectue pour une tension continue de
U = 4,24 V.
–
Mesurez la puissance en continu du montage représenté suivant la méthode indirecte et notez les
valeurs mesurées.
U = 4,24 V
RL
URL
Montage à résistance avec RL = 1 kΩ, U = 4,24 V
Désignation
Dénomination
Valeurs
RL
Résistance
1 kΩ/2W
–
Multimètre numérique
–
–
®
Bloc d'alimentation de base EduTrainer
–
Nomenclature du matériel pour le montage à résistance en continu
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TP 1 : Acquisition et représentation de grandeurs caractéristiques en courant alternatif
–
Calculez à partir des valeurs mesurées la puissance électrique dissipée par la résistance ohmique dans
le montage en continu.
–
Tracez les courbes des grandeurs électriques mesurées et de la puissance électrique calculée dans le
diagramme correspondant.
Circuit en alternatif
10
5
0
RL
mA
V
4
2
0
-5
-2
-10
-4
-15
-6
-20
-8
G
URL
Courant i
Courant I
mA
Tension U
U = 4,24 V
10
5
0
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 ms 1,0
Temps t
UC = 6 V
Tension u
Circuit en continu
V
i
2
-5
-2
-10
-4
-15
-6
-20
-8
URL
u
4
0
RL
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 ms 1,0
Temps t
50
mW
Puissance p
Puissance P
mW
30
20
10
0
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 ms 1,0
30
p
20
10
0
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 ms 1,0
Temps t
Temps t
Comparaison : puissance dans le circuit en continu et dans le circuit en alternatif pour RL = 1 kΩ
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Nom : __________________________________ Date : ____________
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TP 1 : Acquisition et représentation de grandeurs caractéristiques en courant alternatif
–
18
Décrivez la relation qui existe entre les deux courbes de puissance.
Nom : __________________________________ Date : ____________
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