Investigation-pertes d`un moteur élec

T.D. avec un peu d’investigation (testé avec 1 GM en classe entière le 2/12/09) :
Applications de la résistance
Niveau et durée conseillée :
1 STI : 1H00
Prérequis :
Energie, puissance, loi des mailles, loi d’Ohm, associations série
et parallèle.
Introduction à la séance: (environ 5 min.)
En début de séance, le professeur fait réfléchir les élèves sur deux aspects de la résistance des conducteurs :
Si dans certains cas elle est un inconvénient (perte de puissance, chute de tension etc…), dans d’autres elle
est utile dans les montages (contrôler le courant dans un composant, ajuster un potentiel dans un circuit
etc…).
Le professeur propose quatre applications pour illustrer l’utilité de la résistance.
NB : - Les applications de chauffage sont exclues car la notion de valeur efficace n’a pas encore été abordée.
- Les applications proposées sont proches de la réalité.
Déroulement de la séance de TD :
1. Distribution d’une feuille présentant quatre applications de la
résistance. Les élèves sont répartis en quatre groupes, les tables sont
déplacées en conséquence (elles seront replacées en fin de séance !),
chaque groupe va traiter une application. (environ 20 min.)
 Application n° 1 : Alimenter une D.E.L. (30 mA ; 1,5 V) à partir d’une
source de tension constante de 100 V.
 Application n° 2 : Convertir un courant d’intensité variant de 4 mA à
20 mA (délivré par un transmetteur de température) en une tension
variant de 2 V à 10 V (exploitable par un automate programmable).
 Application n° 3 : Réaliser une tension de 5 V pour alimenter un système de logique TTL à partir
d’une batterie Ni-MH délivrant une tension de 7,2V. (Quelle contrainte sur le courant d’entrée dans la
logique TTL ?).
 Application n° 4 : Alimenter deux haut-parleurs de résistance 4 Ω par un amplificateur. On étudiera le
branchement série et le branchement parallèle des H.P. et calculera dans les deux cas l’intensité et la
puissance fournies par l’amplificateur.
2. Présentation orale rapide (environ 5 min. par groupe !) des applications et des solutions proposées
(schémas + notes de calcul) par les rapporteurs des groupes.
Quels sont les éléments d’investigation de la séance ?
 Les schémas doivent être conçus (ou au moins complétés) par les élèves.
 Dans l’application n° 3, le pont diviseur de tension est une découverte pour les élèves qui doivent
comprendre son utilité et l’adapter à la situation proposée.
Réinvestissement :
Une séance de TP pour réaliser les montages et valider les calculs peut-être envisagé.
Les éventuelles erreurs commises par les élèves seront signalées mais pas toutes corrigées, les élèves devant
traiter ensuite les quatre applications en D.M. que certains exposeront à l’oral au cours de la séance suivante.
Les connaissances nouvellement acquises (ici le pont diviseur de tension) seront intégrées dans le cours.
Des approfondissements sont possibles (Capteurs, batterie, logique TTL, fonctionnement H.P. etc…) mais
pas forcément judicieux à ce niveau du cours.
Mon point de vue : J’ai été surpris du plaisir et de l’engagement que les élèves ont manifestés. Des
« leaders » sont nettement apparus dans les groupes d’où la nécessité de réinvestir ces applications en DM et
en TP pour offrir aux élèves d’autres occasions d’assimiler ces nouvelles connaissances.
Auteur(s)
Jean-Paul Nougué – Lycée Vauvenargues – Aix en Provence (13) Déc. 2009
ANNEXE : sujets proposés aux élèves
Application n° 1 :
On veut alimenter une D.E.L. à partir d’une source de tension délivrant une tension constante u = 100 V. la D.E.L. supporte un
courant d’intensité i = 30 mA. lorsqu’elle fonctionne la D.E.L. présente à ses bornes une tension uD = 1,5 V.
 Proposer un schéma en utilisant les symboles suivants :
 Calculer la résistance R du résistor permettant de régler la valeur de
uD
u
l’intensité i du courant dans la D.E.L.
 De quelle puissance minimum faudra-t-il choisir cette résistance ?
Application n° 2 :
Carte d’entrée automate
programmable
≈ 200 mètres
i
capteur de
température
transmetteur
v
Un système de télémesure de température est composé d’un capteur de température, d’un transmetteur qui met en forme le signal de
mesure et le transmet à une carte d’entrée d’un automate programmable.
Le transmetteur génère un courant compris entre 4 et 20 mA quand la
température varie de - 30 °C à + 50 °C (voir courbe ci-contre).
Intensité i
Caractéristique
La tension v d’entrée de l’automate programmable doit être comprise entre
(mA)
du transmetteur
20
2 V et 10 V.
1. Proposer le schéma à l’intérieur de la carte d’entrée automate
programmable.
2. Calculer les caractéristiques du (ou des) composants rajoutés.
3. Quelle sera la valeur de v pour une température de -10°C ?
4. Pensez-vous que ce système soit capable de détecter une coupure de
la ligne de transmission entre le transmetteur et l’automate
programmable ?
16
12
8
4
Température θ (degré Celcius)
0
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
Application n° 3 :
Dans une voiture de compétition modèle réduit la tension délivrée par la batterie Ni-MH vaut u = 7,2 V.
Pour alimenter un circuit électronique en logique TTL, un élève de 1 STI doit fabriquer une tension de 5 V à partir de la tension u. Il
se demande s’il pourrait utiliser un pont diviseur de tension dont il a trouvé le schéma sur internet :
v
Aux bornes de chacune des deux résistances le pont délivre une fraction de la tension v appliquée
entre A et B : par exemple aux bornes de R2, la tension u2 est donnée par la formule :
R1
R2
u2
1. Proposez-lui un schéma.
2. L’élève trouve dans le laboratoire de physique une résistance R1 de 100 kΩ. Quelle valeur doit-il choisir pour la résistance
R2 ?
3. Il est écrit que les résistances R1 et R2 forment un pont diviseur de tension si elles sont parcourues par le même courant :
Que doit-il vérifier concernant la valeur du courant d’entrée dans son système électronique ?
4. Quelle est la valeur de l’intensité du courant qui traverse les résistances R1 et R2 ? Est-ce gênant pour la batterie ?
Application n°4 :
Deux haut-parleurs présentent chacun entre leurs bornes une résistance R = 4 Ω. ils sont alimentés par un amplificateur qui délivre
un pic de tension u = 10 V au moment d’un pic musical.
1. On branche les deux H.P. en série :
 Faire un schéma du montage.
 Calculer les pics de l’intensité i et de la puissance p fournies par l’amplificateur.
2. On branche les deux H.P. en parallèle :
 Faire un schéma du montage.
 Calculer les pics de l’intensité i et de la puissance p fournies par l’amplificateur.