Variables, composantes et Loi de Kirchhoff

Analyse des circuits électriques
-GPA220-
Cours #1: Introduction à la matière, loi d’Ohm et lois de Kirchhoff
Enseignant: Jean-Philippe Roberge
S
Jean-Philippe Roberge - Janvier 2014
Cours #1
S Présentation personnelle
S Présentation du plan de cours
S Discussion sur vos intérêts et attentes
S Introduction à la matière (Chapitre 1):
S Pré-entrée en matière
S Concepts fondamentaux, variables utilisées en génie électrique:
S
Voltage, courant et autres éléments de base
S
Définition de puissance et d’énergie
2
Jean-Philippe Roberge - Janvier 2014
Cours #1
S Concepts fondamentaux (Suite):
S
Composantes électriques
S
Sources de courant et de tension
S Loi d’Ohm
S Lois de Kirchhoff
S Principe de la conservation de la puissance
S Questions et commentaires
3
Jean-Philippe Roberge - Janvier 2014
Présentation personnelle
S
Formation académique:
S Tech. (Ahuntsic, génie électrique – instrumentation et contrôle)
S B. Ing. (ÉTS, génie de la production automatisée)
S M.Sc.A. (École Polytechnique, génie électrique – Contrôle et systèmes robotiques)
S Ph.D. (Stanford – ÉTS , systèmes haptiques et intelligence tactile, en cours)
S
Expérience professionnelle en recherche (plus récente) :
S Agence spatiale canadienne (2009-2012):
S -Ingénieur & adjoint de recherche en robotique mobile au département du développement de
l’exploration spatiale.
S École Polytechnique (2010-2012) :
S -Chargé de cours et labs: Robotique (ELE4203) et systèmes linéaires (ELE3202)
S ÉTS (2013-présent):
S -Professionnel de recherche au laboratoire de Commande et de Robotique (CoRo)
S -Chargé de cours: GPA435 – GPA220 – GPA141
S Institut de Recherche en Électricité du Québec – IREQ (2013-présent):
S Contracteur / Consultant – Laboratoire d’expérimentation (robotique)
Travaux de recherche actuels
Intérêts
Site web: http://www.jproberge.net Linkedin: http://ca.linkedin.com/in/jproberge
S
S
S
4
5
6
Qui suis-je ?
• Travail à la création de nouveau capteur
• Composantes pour robot (ex:main)
• Commande des robots destinés à interagir avec l’humain
Quelques-unes de mes publications…
S
Roberge, Jean-Philippe. "Conception et intégration d'un capteur LIDAR 3D pour la navigation autonome des robots mobiles en
terrain inconnu". Masters thesis, École Polytechnique de Montréal.
S
Motamedi, M.R.; Roberge, J.-P.; Duchaine, V., "Tactile Sensation Transmission from a Robotic Arm to the Human Body via
a Haptic Interface," in World Haptics Conference (WHC), 2015 IEEE , vol., no., pp.139-145, 22-26 June 2015
S
Motamedi, M.R.; Roberge, J.-P.; Duchaine, V., "The Use of Vibrotactile Feedback to Restore Texture Recognition
Capabilities, and the Effect of Subject Training," submitted to 2015 IEEE Transactions on Haptics.
S
Rana, A. and Roberge, J.-P. and Duchaine, V., "Improved Soft Dielectric for Increasing Sensitivity of Capacitive Based
Tactile Sensor ", submitted to IEEE Transactions on Robotics 2015.
S
Motamedi, M.R.; Roberge, J.-P.; Chossat, J.-B., Duchaine, V., "Haptic Feedback for Improved Robotic Arm Control During
Simple Grasping Task", submitted to International Conference on Robotics and Automation (ICRA) 2016.
S
Roberge, J.-P.; Rispal, S.; Duchaine, V., "Unsupervised Feature Learning for Classifying Dynamic Tactile Events Using Sparse
Coding", submitted to International Conference on Robotics and Automation (ICRA) 2016.
S
Cockburn, D. and Roberge, J.-P. and Duchaine, V., "Sparse Coding of Tactile Sensor Signals to Enhance Grasping and
Manipulation Skills", IEEE International Conference on Artificial Life and Robotics 2016, (Accepté, parution Janvier
2016).
8
Présentation du plan de cours
9
Jean-Philippe Roberge - Janvier 2014
Vos intérêts et attentes?
10
Jean-Philippe Roberge - Janvier 2014
Pré-entrée en matière
S Quel est la pertinence du cours ?
S Design / Conception de circuits électriques
S Liens avec vos objectifs de carrière
S Culture générale de l’ingénieur
S Mes attentes face à vous…
11
Jean-Philippe Roberge - Janvier 2014
Variables utilisées en génie électrique (1)
S Charges électriques
S Analogie: molécule d’eau
S Se mesure en Coulombs, dénoté C
S Polarité: une charge peut être positive ou négative!
S Normalement représenté par la variable q
La charge d’un Coulomb est équivalent à la charge de
6.241 X 1018 électrons
Charles-Augustin de Coulomb
1 Coulomb = 1 Ampère X 1 seconde
12
Jean-Philippe Roberge - Janvier 2014
Variables utilisées en génie électrique (2)
S Courant électrique
S Analogie: courant dans une rivière (débit)
S Se mesure en Ampères, dénoté A
S Comme dans une rivière, le courant à un sens!
S Normalement représenté par la variable i
S Par conséquent, en génie électrique: 1  j (et non i)
1 Coulomb
André-Marie Ampère
seconde
S Le courant électrique représente le mouvement des charges électriques:
d q t 
i t  
13
dt
Jean-Philippe Roberge - Janvier 2014
1 Ampère =
Variables utilisées en génie électrique (3)
S On distingue deux types de courant:
S 1) Continu (Edison):
S 2) Alternatif (Westinghouse):
14
Jean-Philippe Roberge - Janvier 2014
Variables utilisées en génie électrique (4)
S Tension
S Analogie: Potentiel de chute d’eau d’un barrage,
différence de pression.
S Se mesure en Volts, dénoté V
S Normalement représenté par la variable v, E ou U
S Parfois nommé force électromotrice
1 Joule
Alessandro Giuseppe Antonio
1 Coulomb
Anastasio Volta
S Le voltage est l’énergie par unité de charge, créée par la séparation des
1 Volt =
charges:
d  t 
V t  
d q t 
15
Jean-Philippe Roberge - Janvier 2014
Variables utilisées en génie électrique (5)
S Convention passive des signes (CPS):
16
Jean-Philippe Roberge - Janvier 2014
Variables utilisées en génie électrique (6)
S Puissance
S Analogie: Puissance (barrage)
S Se mesure en Watts, dénoté W
S Représenté par la variable P
1 Joule
1 Watt =
1 seconde
S La puissance est le travail réalisé par rapport au temps, ou encore la
variation d’énergie:
P=
d d dq d dq


 VI
dt
dt dq dq dt
17
Jean-Philippe Roberge - Janvier 2014
Composantes électriques (1)
S La résistance
S Analogie: Diminution du diamètre d’un tuyau (plomberie)
S Se mesure en Ohm, dénoté Ω
S Représenté par la variable R
S Une résistance est un mauvais conducteur qui dissipe de la puissance en
chauffant
18
Jean-Philippe Roberge - Janvier 2014
Composantes électriques (2)
S La résistance (suite)
S Code de couleur:
19
Jean-Philippe Roberge - Janvier 2014
La loi d’Ohm (1)
S Rappel: Nous avons fait l’analogie entre 1) une résistance et la
diminution du diamètre d’un tuyau et 2) la tension électrique et une
différence de pression…
S Si un courant électrique passe à travers une résistance, il se créé donc une
différence de pression (tension) aux bornes de la résistance.
S La loi d’Ohm traduit se phénomène:
v  Ri
20
Jean-Philippe Roberge - Janvier 2014
La loi d’Ohm (2)
S Schémas, en respectant la CPS:
S Sinon:
21
Jean-Philippe Roberge - Janvier 2014
La loi d’Ohm (3)
S La conductance
S Se mesure en Mho, dénoté S ou Ω-1
S Représenté par la variable G
S Bien que ce terme sera peu utilisé dans le cadre du cours, la
conductance est l’inverse de la résistance:
S Donc:
i  vG

v
G
1
R
i
G
22
Jean-Philippe Roberge - Janvier 2014
Puissance dissipée dans une résistance
S Une
résistance
R
donnée
dissipe
de
la
puissance
proportionnellement au carré du courant qui la traverse, i.e.:
Pi
2
23
Jean-Philippe Roberge - Janvier 2014
Composantes électriques (3)
S Sources indépendantes:
24
Jean-Philippe Roberge - Janvier 2014
Composantes électriques (4)
S Sources dépendantes:
25
Jean-Philippe Roberge - Janvier 2014
Composantes électriques (5)
S Sources dépendantes:
26
Jean-Philippe Roberge - Janvier 2014
Lois de Kirchhoff (1)
S Définissons d’abord les noeuds et les boucles:
S 1) Un noeud est un point de connexion d’au moins deux éléments d’un
circuit.
27
Jean-Philippe Roberge - Janvier 2014
Lois de Kirchhoff (2)
S Définissons d’abord les noeuds et les boucles (suite):
S 1) Une boucle est un chemin fermé dans un circuit électrique
S
Truc: ne jamais rencontrer un noeud plus d’une fois
28
Jean-Philippe Roberge - Janvier 2014
Lois de Kirchhoff (3)
S Maintenant que nous avons définis ce que sont les noeuds et les
boucles, nous introduisons les lois de Kirchhoff.
S 1) La loi des courants: la somme des courants entrant dans un noeud est
nulle. Autre formulation: la quantité de courant qui entre dans un noeud
doit égaler celle qui sort.
S 2) La loi des tensions: la somme des tensions sur le parcours d’une
boucle est nulle.
S Attention aux signes!
29
Jean-Philippe Roberge - Janvier 2014
Lois de Kirchhoff (4)
S Ces deux lois nous permettront de poser le système d’équations qui
nous permettra de résoudre le système (quantifier les courants et
les tensions en tout point d’un circuit électrique)
S Les lois de Kirchhoff s’appliquent également en présence de
source(s) de tension dépendante(s). En présence d’une source
dépendante, le système d’équation sera augmenté d’une équation
et d’une variable.
30
Jean-Philippe Roberge - Janvier 2014
Principe de conservation de la puissance
S Toute puissance amenée au système doit être consommée!
31
Jean-Philippe Roberge - Janvier 2014
Références
S
[1] Présentations PowerPoint du cours GPA220, Vincent Duchaine, Hiver 2011
S
[2] NILSSON, J. W. et S.A. RIEDEL. Introductory Circuits for Electrical and Computer
Engineering, Prentice Hall, 2002.
32
Jean-Philippe Roberge - Janvier 2014