Bases de la technique en courant continu

Bases de la technique en
courant continu
Livre d’exercices
24
UL
P
Avec CD-ROM
6
mW
V
16
4
12
3
8
2
4
1
0
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5
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10
mA
12
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I
+
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R1
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U
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U1
Iq
R2
IL
U2
RL
Festo Didactic
567213 fr
Référence :
Version :
Auteur :
Graphisques :
Mise en page :
567213
10/2010
Christine Löffler
Thomas Ocker, Doris Schwarzenberger
09/2011, Beatrice Huber, Susanne Durz
© Festo Didactic GmbH & Co. KG, 73770 Denkendorf, Allemand, 2012
Internet : www.festo-didactic.com
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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 continu » (TP 1011) ___________________________________ IX
Objectifs pédagogiques – Bases du courant continu ______________________________________________ X
Correspondance entre objectifs pédagogiques et travaux pratiques – Bases du courant continu _________ XI
Jeu d’équipement _________________________________________________________________________ XIII
Correspondance entre composants et travaux pratiques – Bases du courant continu _________________ XVII
Notes à l'intention de l'enseignant ou du formateur _____________________________________________ XIX
Structure des travaux pratiques ______________________________________________________________ XX
Désignation des composants ________________________________________________________________ XX
Contenu du CD-ROM _______________________________________________________________________ XXI
Travaux pratiques et corrigés
TP 1 :
Analyse de circuits électriques et mise en évidence de lois __________________________________ 1
TP 2 :
Analyse de résistances _______________________________________________________________ 21
TP 3 :
Détermination de la résistance ballast d'une diode électroluminescente______________________ 29
TP 4 :
Ajout d'un récepteur électrique à un circuit ______________________________________________ 41
TP 5 :
Détermination de la puissance électrique de deux variantes de montage _____________________ 55
TP 6 :
Choix de montages de mesure_________________________________________________________ 67
TP 7 :
Conception d'un montage pour diviseur de tension _______________________________________ 77
TP 8 :
Conception de circuits de protection pour une perceuse ___________________________________ 91
TP 9 :
Réalisation d'une source de tension continue ___________________________________________ 107
TP 10 : Choix d'un condensateur à temps de charge court _______________________________________ 123
Travaux pratiques et fiches de travail
TP 1 :
Analyse de circuits électriques et mise en évidence de lois __________________________________ 1
TP 2 :
Analyse de résistances _______________________________________________________________ 21
TP 3 :
Détermination de la résistance ballast d'une diode électroluminescente______________________ 29
TP 4 :
Ajout d'un récepteur électrique à un circuit ______________________________________________ 41
TP 5 :
Détermination de la puissance électrique de deux variantes de montage _____________________ 55
TP 6 :
Choix de montages de mesure_________________________________________________________ 67
TP 7 :
Conception d'un montage pour diviseur de tension _______________________________________ 77
TP 8 :
Conception de circuits de protection pour une perceuse ___________________________________ 91
TP 9 :
Réalisation d'une source de tension continue ___________________________________________ 107
TP 10 : Choix d'un condensateur à temps de charge court _______________________________________ 123
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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 du pack 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 pour les 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 technologique
•
mécatronique et automatisation des usines
•
automatisation des process et 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 axés sur les technologies traitent de la pneumatique, de l’électropneumatique,
de l'hydraulique, de l’électrohydraulique, de l’hydraulique proportionnelle, des automates programmables
industriels, des capteurs, de l'électrotechnique, de l'électronique et des actionneurs électriques.
La structure modulaire du système de formation permet de réaliser des applications allant au-delà des
limites des différents ensembles de formation. Par exemple, il est possible de commander par automate
programmable des actionneurs pneumatiques, hydrauliques et/ou électriques.
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V
Tous les ensembles de formation se composent des éléments suivants :
•
matériel
•
médias
•
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 médias d'accompagnement.
Médias
Les médias dédiés aux différents domaines de spécialité sont de deux types : supports 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)
•
logiciel 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 vous en remercient d'avance.
VI
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Introduction
Le présent manuel de travaux pratiques fait partie du système de formation « Automatisation et Technique »
de 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 continu » constitue une initiation à
l'électrotechnique/électronique. Il est axé sur la connaissance des grandeurs électriques de base. Les
grandeurs traitées sont, parmi d'autres, la tension, l'intensité, la résistance et la conductance ainsi que le
travail et la puissance. La loi d’Ohm est étudiée en détail. Une importance particulière est attachée à la mise
en œuvre d'instruments de mesure.
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
câbles de laboratoire sécurisés.
Le jeu d’équipement TP 1011 permet de réaliser les montages complets des 10 travaux pratiques consacrés
aux « Bases du courant continu ».
Des fiches techniques des différents composants (résistances linéaires et non linéaires, condensateurs,
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.
Électricité
•
Danger de mort en cas de coupure du conducteur de protection !
–
Le conducteur de protection (jaune/vert) ne doit pas 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 câbles de liaison dotés de connecteurs de
sécurité.
•
Pour débrancher les câbles de liaison, tirez sur les connecteurs, et non pas sur les câbles.
•
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 continu » (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 continu. Certains composants de
l'ensemble de formation TP 1011 peuvent également faire partie d’autres ensembles.
Composants importants du TP 1011
•
Poste de travail bien stable équipé du panneau de montage universel EduTrainer®
•
Jeu de composants « Électrotechnique/électronique » avec cavaliers et câbles de laboratoire sécurisés
•
Bloc d'alimentation de base EduTrainer®
•
Équipements complets de laboratoire
Médias
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 matériels sont fournies sur le CD-ROM avec l'ensemble de formation.
Médias
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 continu
Composants résistance et condensateur
•
Connaître la relation entre valeurs de résistance et de conductance d'une résistance.
•
Connaître les paramètres caractéristiques et types importants de résistances.
•
Savoir appliquer les séries normalisées CEI pour l'identification de résistances.
•
Connaître le symbole et le mode de fonctionnement des résistances non linéaires CTN, CTP, VDR et LDR.
•
Savoir relever et interpréter les caractéristiques de résistances non linéaires.
•
Savoir sélectionner et utiliser des résistances non linéaires en fonction des exigences techniques.
•
Connaître la structure, l'utilisation et les grandeurs caractéristiques d'un condensateur.
•
Savoir mesurer et analyser la charge et la décharge d'un condensateur en courant continu.
Montages de base et exemples
•
Savoir interpréter les grandeurs électriques de base, tension, courant et résistance, et effectuer des
calculs sur ces grandeurs.
•
Connaître la loi d’Ohm et savoir déterminer la relation par la mesure et la représenter graphiquement.
•
Savoir mesurer et interpréter les grandeurs électriques de base.
•
Savoir utiliser des instruments de mesure adéquats.
•
Savoir utiliser les grandeurs électriques de base travail et puissance.
•
Savoir étudier par la mesure des montages électriques de base et déduire des lois des grandeurs
mesurées.
•
Savoir dimensionner et calculer des montages électriques de base, tels que le montage en série.
•
Savoir vérifier le bon fonctionnement de montages et matériels électriques.
•
Savoir dimensionner et calculer des montages électriques de base, tels que le montage en parallèle.
•
Savoir dimensionner et calculer des montages mixtes.
•
Savoir utiliser des montages de mesure adéquats.
•
Connaître le diviseur de tension en tant qu'application des montages mixtes.
•
Savoir calculer la tension de sortie d'un diviseur de tension chargé et non chargé.
•
Savoir dimensionner le diviseur de tension chargé.
Sources de tension
•
Savoir calculer et utiliser les grandeurs caractéristiques d'une source de tension.
•
Savoir relever et interpréter la caractéristique de fonctionnement d'une source de tension.
•
Connaître les applications adaptation de puissance et adaptation de tension pour une source de
tension.
X
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Correspondance entre objectifs pédagogiques et travaux pratiques –
Bases du courant continu
TP
1
2
3
4
5
Savoir utiliser les grandeurs électriques de base travail et
puissance.
•
•
•
Savoir étudier par la mesure des montages électriques de base
et déduire des lois des grandeurs mesurées.
•
•
6
7
8
9
10
Objectif
Savoir interpréter les grandeurs électriques de base, tension,
courant et résistance, et effectuer des calculs sur ces
grandeurs.
•
Connaître la loi d’Ohm et savoir déterminer la relation par la
mesure et la représenter graphiquement.
•
Savoir mesurer et interpréter les grandeurs électriques de base.
•
Savoir utiliser des instruments de mesure adéquats.
•
Connaître la relation entre valeurs de résistance et de
conductance d'une résistance.
Connaître les paramètres caractéristiques et types importants
de résistances.
Savoir appliquer les séries normalisées CEI pour l'identification
de résistances.
Savoir dimensionner et calculer des montages électriques de
base, tels que le montage en série.
Savoir vérifier le bon fonctionnement de montages et matériels
électriques.
Savoir dimensionner et calculer des montages électriques de
base, tels que le montage en parallèle.
Savoir dimensionner et calculer des montages mixtes.
Savoir utiliser des montages de mesure adéquats.
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•
•
•
•
•
•
•
•
XI
TP
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Objectif
Connaître le diviseur de tension en tant qu'application des
montages mixtes.
Savoir calculer la tension de sortie d'un diviseur de tension
chargé et non chargé.
Savoir dimensionner le diviseur de tension chargé.
Connaître le symbole et le mode de fonctionnement des
résistances non linéaires CTN, CTP, VDR et LDR.
Savoir relever et interpréter les caractéristiques de résistances
non linéaires.
Savoir sélectionner et utiliser des résistances non linéaires en
fonction des exigences techniques.
Savoir calculer et utiliser les grandeurs caractéristiques d'une
source de tension.
Savoir relever et interpréter la caractéristique de
fonctionnement d'une source de tension.
Connaître les applications adaptation de puissance et
adaptation de tension pour une source de tension.
Connaître la structure, l'utilisation et les grandeurs
caractéristiques d'un condensateur.
Savoir mesurer et analyser la charge et la décharge d'un
condensateur en courant continu.
XII
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
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Jeu d'équipement
Le manuel de travaux pratiques « Bases du courant continu » dispense des connaissances sur la structure et
le fonctionnement des composants résistance et condensateur 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 câbles 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 électrotechniques/électroniques
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
Self, 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
Self
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
continu
TP
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Composant
Résistance, 10 Ω/2 W
1
Résistance, 22 Ω/2 W
1
Résistance, 33 Ω/2 W
1
Résistance, 100 Ω/2 W
1
1
Résistance, 220 Ω/2 W
1
1
Résistance, 330 Ω/2 W
1
1
Résistance, 470 Ω/2 W
1
1
Résistance, 680 Ω/2 W
1
1
Résistance, 1 kΩ/2 W
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
3
Résistance, 2,2 kΩ/2 W
1
Résistance, 4,7 kΩ/2 W
1
Résistance, 10 kΩ/2 W
1
Résistance, 22 kΩ/2 W
1
Résistance, 47 kΩ/2 W
1
Résistance, 100 kΩ/2 W
1
1
Résistance, 1 MΩ/2 W
1
1
Potentiomètre, 1 kΩ/0,5 W
1
Potentiomètre, 10 kΩ/0,5 W
1
Thermistance (CTN), 4,7 kΩ/0,45 W
1
1
Photorésistance (LDR), 100 V/0,2 W
1
1
Varistance (LDR), 14 V/0,05 W
1
1
1
1
1
1
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
Condensateur, 0,47 μF/100 V
1
Condensateur, 1,0 μF/100 V
1
Condensateur, 10 μF/250 V, polarisé
1
Condensateur, 100 μF/63 V, polarisé
1
Condensateur, 470 μF/50 V, polarisé
1
© Festo Didactic GmbH & Co. KG 567213
XVII
TP
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Composant
Voyant, 12 V/62 mA
1
Diode électroluminescente (LED), 20 mA, bleue
1
1
Inverseur
XVIII
1
Multimètre numérique
2
Bloc d'alimentation de base EduTrainer®
1
1
1
1
1
2
2
2
2
1
1
1
1
1
1
1
1
1
© Festo Didactic GmbH & Co. KG 567213
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 et condensateur en courant continu. 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, qui indique la correspondance entre les
différents objectifs concrets et 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
(DIN VDE 0100-100)
Édification d´installations à basse tension – Principes généraux,
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 indications ne figurent pas dans le recueil de travaux pratiques.
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XIX
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 continu » 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 DIN 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 :
R, R1, R2, ...
Condensateurs :
C, C1, C2, …
Appareils de signalisation :
P, P1, P2, ...
Nota
Quand des résistances et condensateurs 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.
XX
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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 comporte 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
un certain nombre de travaux pratiques. 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.
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XXI
XXII
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TP 1
Analyse de circuits électriques et mise en évidence de lois
Objectifs pédagogiques
Lorsque vous aurez fait ce TP,
•
vous saurez interpréter les grandeurs électriques de base, tension, courant et résistance, et effectuer
des calculs sur ces grandeurs.
•
vous connaîtrez la loi d’Ohm et saurez déterminer la relation par la mesure et la représenter
graphiquement.
•
vous saurez mesurer et interpréter les grandeurs électriques de base.
•
vous saurez utiliser des instruments de mesure adéquats.
Problème
Vous êtes appelé à participer à la conception et à la réalisation d'installations d'éclairage. Il est donc bon de
vous familiariser avec les lois des circuits simples et les mesures associées.
Vous trouverez des informations d'initiation dans les manuels de cours et mémentos ainsi que sur Internet.
Montage
Poste de travail de laboratoire
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1
TP 1 : Analyse de circuits électriques et mise en évidence de lois
Travaux à exécuter
1. Déterminez les relations électriques découlant de l'utilisation d'une lampe. Utilisez pour ce faire les
fiches de travail préparées.
2. Informez-vous sur les multimètres analogiques et numériques et répondez aux questions.
3. Sélectionnez un instrument adéquat pour vos mesures de courant, de tension et de résistance dans des
montages à courant continu.
4. Informez-vous sur la manière de mesurer les tensions, les courants et les résistances et répondez aux
questions.
5. Procédez à des mesures relatives à la loi d'Ohm sur un montage électrique simple.
Aides
•
Manuels de cours, mémentos
•
Fiches techniques
•
Didacticiel Électricité 1
•
Internet
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 : Analyse de circuits électriques et mise en évidence de lois
Description des relations dans le circuit électrique
Déterminez les relations électriques découlant de l'utilisation d'une lampe. Ces informations vous
permettront de dimensionner des montages simples.
Constituants d’un circuit
–
Décrivez les constituants essentiels d'un circuit simple.
Tout circuit électrique se compose essentiellement
•
d'une source de tension
•
de câbles de liaison
•
d'un récepteur
La source de tension, telle que pile, batterie ou prise de courant, fournit l'énergie électrique sous
forme de séparation des charges.
Le câble sert de moyen de transport de l'énergie électrique, qui circule sous forme de courant entre la
source de tension et le récepteur.
Dans le récepteur, l'énergie délivrée par la source de tension est convertie sous une autre forme, par
exemple en chaleur, en lumière ou en mouvement.
–
Complétez le circuit électrique de manière à obtenir un circuit simple en boucle fermée.
–
Indiquez par des flèches et leur désignation les grandeurs électriques intervenant dans le circuit.
Circuit à résistance utilisée comme récepteur
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Circuit à lampe utilisée comme récepteur
3
TP 1 : Analyse de circuits électriques et mise en évidence de lois
Sens du courant
La tension électrique est engendrée par séparation des charges positives et négatives.
•
charge négative : excédent d’électrons
•
charge positive : manque d’électrons.
–
Décrivez ce que l'on entend par sens technique du courant et par sens physique du courant.
–
Indiquez dans le schéma représenté le sens conventionnel et le sens physique du courant.
Sens du courant dans le circuit
Sens physique du courant
Le sens physique du courant décrit le sens de circulation des porteurs de charge négative (électrons)
dans les métaux et va du pôle négatif (moins) au pôle positif (plus).
Sens conventionnel du courant
Le sens conventionnel du courant est de nature historique et part d'un courant de charges supposées
positives. Il est donc convenu qu'il va du pôle positif (plus) au pôle négatif (moins).
Le sens conventionnel du courant a été conservé pour des raisons pratiques. C'est pourquoi,
aujourd'hui encore, le sens du courant dans un montage va du plus ou moins.
4
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TP 1 : Analyse de circuits électriques et mise en évidence de lois
Grandeurs électriques de base
–
Complétez le tableau des grandeurs électriques de base. Donnez une brève description, le symbole et
l'unité physique.
Grandeur électrique
Description
Symbole
Unité
Courant électrique :
Le courant électrique indique le nombre de porteurs libres de charge
électrique circulant dans un sens dans le circuit.
I
Ampère [A]
Tension électrique
La tension électrique indique la différence de charge entre deux pôles. Les U
sources de tension ont deux pôles de charge différente.
Volt [V]
Résistance électrique
La résistance électrique indique la propriété de matériaux de s'opposer à
Ohm [Ω]
R
la circulation d'un courant dans un circuit.
Grandeurs électriques de base
Loi d'Ohm
–
Décrivez la relation entre courant, tension et résistance. Elle est formulée dans la loi d'Ohm.
Information
La loi d'Ohm ne s'applique qu'à des résistances ohmiques. Les résistances ohmiques sont des
résistances linéaires.
Quand, dans un circuit simple à résistance constante, on augmente la tension appliquée, le courant
circulant dans le circuit augmente également. L'intensité du courant I est proportionnelle à la tension
appliquée U, c'est-à-dire que
•
quand la tension U croît, l'intensité du courant I croît également ;
•
quand la tension U décroît, l'intensité du courant I décroît également.
U= R ⋅ I
ou en isolant I ou R à gauche :
I=
U
R
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R=
U
I
5
TP 1 : Analyse de circuits électriques et mise en évidence de lois
–
Décrivez ce qui caractérise une résistance ohmique.
La résistance ohmique est une résistance électrique spéciale dont la valeur est indépendante de la
tension, de l'intensité du courant et de la fréquence.
–
Calculez la valeur de résistance de la lampe quand, pour une tension appliquée de 12 V, il y circule un
courant de 0,062 A.
Information
À l'issue de la mise sous tension, les lampes à incandescence se comportent comme des résistances
ohmiques.
Soit
la tension
U = 12 V
l'intensité du courant
I = 62 mA
On cherche
la résistance R en Ω
Calcul
=
R
6
U
12 V
12 V
=
=
= 193,5 Ω
I 62 mA 0 ,062 A
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TP 1 : Analyse de circuits électriques et mise en évidence de lois
Description des caractéristiques et symboles d'instruments de mesure
Vous allez effectuer différentes mesures sur des montages électriques. Il vous faut utiliser pour ce faire des
instruments de mesure adéquats.
Pour la mesure de tensions continues et de courants continus sur des montages électriques, on utilise en
général deux types d'instruments de mesure :
•
un multimètre analogique ou
•
un multimètre numérique
Multimètre numérique
Extrait des caractéristiques techniques
Affichage
Afficheur à cristaux liquides (LCD) de 3 chiffres 3/4 (3999 points) et
bargraphe analogique à 41 segments
Tension continue
Calibres : 400 mV ; 4 V ; 40 V ; 400 V ; 1000 V
Résolution : 100 µV
Précision : ± (0,7 % de l'affichage + 1 chiffre)
Résistance d'entrée : 10 MΩ
Tension alternative (45 Hz – 500 Hz)
Calibres : 400 mV ; 4 V ; 40 V ; 400 V ; 750 V
Résolution : 100 µV
Précision : ± (1,5 % de l'affichage + 4 chiffres)
Sur le calibre 4 V : ± (2,0 % de l'affichage + 4 chiffres)
Résistance d'entrée : 10 MΩ
Courant continu
Calibres : 400 µA ; 4 mA ; 40 mA ; 300 mA ; 10 A
Résolution : 0,1 µA
Précision : ± (1,0 % de l'affichage + 1 chiffre)
Courant alternatif (45 Hz – 500 Hz)
Calibres : 400 µA ; 4 mA ; 40 mA ; 300 mA ; 10 A
Résolution : 0,1 µA
Précision : ± (1,5 % de l'affichage + 4 chiffres)
Sur le calibre 10 A : ± (2,5 % de l'affichage + 4 chiffres)
Exemple de multimètre numérique
–
Décrivez ce que signifie l'indication 3 chiffres 3/4.
L'afficheur de l'instrument de mesure comporte 4 chiffres.
Les 3 derniers chiffres peuvent aller de 0 à 9. Le chiffre de plus haut rang avant la virgule ne peut aller
que de 0 à 3.
Exemple :
Sur le calibre 400 V, la plus grande valeur affichable est 399,9 V pour une résolution de 0,1 V.
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7
TP 1 : Analyse de circuits électriques et mise en évidence de lois
Multimètre analogique
Extrait des caractéristiques techniques
Calibres de mesure de tension :
0,1 V ; 0,3 V ; 1 V ; 3 V ; 10 V ; 30 V ; 100 V ; 300 V ; 1000 V
=/~
Résistance d'entrée : 10 MΩ
Calibres de mesure de courant :
1 µA ; 3 µA ; 10 µA ; 30 µA ; 100 µA ; 300 µA ; 1 mA ;
3 mA ; 10 mA ; 30 mA ; 100 mA ; 1 A ; 3 A ; 10 A
=/~
Précision :
1,5 =; 2,5 ~
Exemple de multimètre analogique
–
Décrivez la signification des symboles imprimés.
Symbole
Description
Équipage de mesure à cadre mobile avec redresseur
Position d'utilisation horizontale
Courant alternatif uniquement
Courant continu uniquement
Consulter le manuel
Tension électrique dangereuse
8
CAT II 1000 V
Marquage de sécurité selon EN 61010-1 ou CEI 61010-1 :
CAT III 600 V
identifie la catégorie de surtension et la tension d'essai admissible
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TP 1 : Analyse de circuits électriques et mise en évidence de lois
Sélection d'un instrument de mesure
Vous êtes appelé à faire des mesures sur des montages à courant continu. Vous disposez d'un multimètre
numérique et d'un multimètre analogique. Votre choix de l'instrument de mesure à utiliser sera dicté par la
précision de mesure.
La précision d'un multimètre indique l'erreur maximale de mesure susceptible d'apparaître sous certaines
conditions extérieures.
Erreur de mesure d'un multimètre numérique
Pour un multimètre numérique, la précision est indiquée en pourcentage de la valeur mesurée.
Dans le cas d'un multimètre numérique, il faut y ajouter une erreur constante résultant de la conversion
d'analogique en numérique. Cette valeur concerne le chiffre de plus faible poids.
Lors d'une mesure au multimètre numérique, l'instrument affiche la valeur ci-dessous.
Valeur mesurée affichée par le multimètre numérique
–
Indiquez la valeur mesurée.
La valeur mesurée lue est de 23,58 V.
–
Déterminez l'erreur absolue de mesure pour la valeur mesurée affichée.
La précision sur le calibre sélectionné est :
± (0,7 % de l'affichage + 1 chiffre)
±(
0,7
⋅ 23,58 V + 1 ⋅ 0 , 01 V) =± 0 ,175 V
100
La valeur vraie est donc comprise entre 23,405 V (23,58 V - 0,175 V) et 23,755 V (23,58 V + 0,175 V).
–
Déterminez l'erreur relative de mesure.
0 ,175 V
⋅ 100 =
0 , 74 %
23,58 V
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9
TP 1 : Analyse de circuits électriques et mise en évidence de lois
Erreur de mesure d'un multimètre analogique
Sur un multimètre analogique, la précision se rapporte toujours au calibre, c'est-à-dire à la pleine échelle.
Les multimètres sont répartis en classes de précision. Autrement dit, quelle que soit la valeur mesurée lue, il
faut toujours ajouter la même erreur. C'est pourquoi l'erreur en pourcentage diminue au fur et à mesure que
l'on s'approche de la pleine échelle. Un multimètre analogique devrait donc toujours s'utiliser dans le tiers
supérieur de l'échelle.
Exemple d'une classe de précision
Une classe de précision 2,5 signifie que l'erreur sur un calibre est de ± 2,5 % de la pleine échelle.
Si la pleine échelle est, par exemple, de 70, l'erreur maximale est de ± 2,5 % de 70, soit : ± 3,571.
Lors d'une mesure au multimètre analogique, l'instrument indique la valeur ci-dessous. Le calibre
sélectionné est 30 V.
Valeur mesurée indiquée par le multimètre analogique
–
Indiquez la valeur mesurée.
La valeur mesurée lue est de 23,5 V.
–
Déterminez l'erreur absolue de mesure.
La classe de précision du multimètre analogique utilisé est 1,5 pour ce calibre.
±(
1,5
⋅ 30 V) =
± 0 , 45 V
100
La valeur vraie est donc comprise entre 23,05 V (23,5 V - 0,45 V) et 23,95 V (23,5 V + 0,45 V).
10
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TP 1 : Analyse de circuits électriques et mise en évidence de lois
–
Déterminez l'erreur relative de mesure.
0 , 45 V
⋅ 100 =
1,91 %
23,5 V
Sélection d'un instrument de mesure
–
Sélectionnez à présent l'instrument convenant aux mesures en continu et justifiez votre choix.
Pour les mesures en continu, on utilisera le multimètre numérique.
Les avantages du multimètre numérique sont les suivants :
• précision et résolution plus élevées
•
erreur de lecture improbable
•
plus grande robustesse
Mesures de courant, de tension et de résistance
L'utilisation d'un instrument de mesure se traduit toujours par une modification des valeurs mesurées dans
le montage étudié. Il est donc important de connaître les influences possibles et de savoir les évaluer.
Mesure de courant
•
Lorsque vous mesurez le courant, branchez toujours l'instrument de mesure en série avec le récepteur.
Il est ainsi traversé par la totalité du courant du récepteur.
•
La résistance interne de l'instrument de mesure doit être aussi faible que possible pour réduire au
maximum son influence sur le montage.
A
U
P
Mesure de courant
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11
TP 1 : Analyse de circuits électriques et mise en évidence de lois
–
Décrivez l'influence de la résistance interne de l’instrument sur la mesure.
Tout instrument de mesure du courant (ampèremètre) possède une résistance interne. Cette
résistance supplémentaire réduit le flux de courant. Pour minimiser les erreurs de mesure,
l’instrument de mesure du courant doit posséder une résistance interne très faible.
Mesure de tension
•
Lorsque vous mesurez la tension, branchez toujours l'instrument de mesure en parallèle avec le
récepteur.
La chute de tension au niveau du récepteur correspond à la chute de tension au niveau de l’instrument
de mesure.
•
La résistance interne de l'instrument de mesure doit être aussi faible que possible pour réduire au
maximum son influence sur le montage.
V
U
P
Mesure de tension
–
Décrivez l'influence de la résistance interne de l’instrument sur la mesure.
Tout instrument de mesure de la tension (voltmètre) possède une résistance interne. Pour fausser le
moins possible le résultat de la mesure, l'instrument de mesure ne doit être traversé que par un
courant très faible. Ce qui signifie : la résistance interne du voltmètre doit être aussi élevée que
possible.
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TP 1 : Analyse de circuits électriques et mise en évidence de lois
Mesure de résistance
La résistance d’un récepteur électrique au sein d’un circuit à courant continu peut être mesurée soit
directement, soit indirectement.
Mesure indirecte
•
Lors d'une mesure indirecte, vous mesurez le courant qui traverse le récepteur et la chute de tension
•
Vous pouvez effectuer les deux mesures soit simultanément, soit l’une à la suite de l’autre.
•
Vous calculez ensuite la résistance à l’aide de la loi d’Ohm.
aux bornes du récepteur.
Mesure de résistance indirecte
Mesure directe
•
Coupez le récepteur du reste du montage.
•
Le récepteur ne doit pas être connecté à une source de tension pendant la mesure.
•
Sur l'instrument de mesure, sélectionnez le mode de mesure et le calibre.
•
Branchez le récepteur à l'instrument de mesure et lisez la valeur de résistance affichée.
Ω
P
Mesure de résistance directe
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13
TP 1 : Analyse de circuits électriques et mise en évidence de lois
–
Expliquez pourquoi le récepteur ne doit pas être branché à une source de tension lors de la mesure de
résistance directe.
Lors de la mesure de résistance directe, il ne faut pas que le récepteur soit connecté à une source de
tension parce que l'instrument de mesure détermine la valeur de résistance au moyen d'une tension
ou d'un courant interne défini.
Procédure de mesure dans un circuit électrique
•
Coupez l'alimentation électrique du circuit électrique.
•
Sélectionnez sur le multimètre le mode voulu, à savoir mesure de courant ou mesure de tension.
•
Sur les instruments à aiguille, vérifiez le zéro et ajustez-le si nécessaire.
•
Sélectionnez le plus grand calibre afin que, sur les instruments analogiques, le débattement de
l'aiguille reste au sein de l'échelle graduée.
•
Respectez la polarité de raccordement de l'instrument lors des mesures de tension ou de courant
continu.
•
Mettez le circuit électrique sous tension d'alimentation.
•
Observez le débattement de l'aiguille ou l'affichage et sélectionnez pas à pas un calibre inférieur.
•
Lisez l'affichage lorsque le débattement de l'aiguille est maximal (dans le plus petit calibre possible).
•
Placez-vous systématiquement à la verticale des instruments à aiguille pour éviter les erreurs de
lecture.
14
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TP 1 : Analyse de circuits électriques et mise en évidence de lois
Mesures relatives à la loi d’Ohm
Démontrez les relations de la loi d'Ohm par des expériences de laboratoire appropriées. Relevez pour ce
faire les caractéristiques I = f(U) pour une résistance constante et I = f(R) pour une tension constante.
Caractéristique U-I d'une résistance ohmique
–
Choisissez une résistance R = 330 Ω.
–
Contrôlez la résistance choisie R par une mesure de résistance directe, la résistance étant hors tension.
–
Réalisez le montage avec la résistance R.
Montage de mesure avec R = 330 Ω
Repère
Désignation
Valeurs
R
Résistance
330 Ω/2 W
–
Multimètre numérique
–
®
–
Bloc d'alimentation de base EduTrainer
–
Nomenclature des composants
–
Faites varier la tension de U = 0 V à U = 10 V par pas de 2 V et mesurez chaque fois l'intensité du
courant I.
Inscrivez les résultats dans le protocole de mesure.
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TP 1 : Analyse de circuits électriques et mise en évidence de lois
Tension U (V)
Courant I (mA)
Tension U (V)
Courant I (mA)
0
0
6
17,6
2
5,9
8
23,45
4
11,65
10
29,33
Protocole de mesure : I= f(U), R = 330 Ω
–
Représentez les résultats de mesure dans un graphique. Reportez les valeurs du protocole de mesure
dans le diagramme.
Caractéristique U-I, R = 330 Ω
–
Décrivez la relation du courant I à la tension U lorsque la résistance R est constante.
La caractéristique U-I est une droite. En d'autres termes :
Lorsque la tension augmente, l'intensité du courant augmente dans les mêmes proportions. Le
courant est proportionnel à la tension.
I ~U
16
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TP 1 : Analyse de circuits électriques et mise en évidence de lois
Caractéristique R-I d'une résistance ohmique
Relevez à présent la caractéristique I = f(R) sous une tension constante.
–
Réalisez le montage.
Montage de mesure avec différentes résistances
Repère
Désignation
Valeurs
R
Résistance
100 Ω/2 W
R
Résistance
220 Ω/2 W
R
Résistance
330 Ω/2 W
R
Résistance
470 Ω/2 W
R
Résistance
680 Ω/2 W
R
Résistance
1 kΩ/2 W
–
Multimètre numérique
–
–
Bloc d'alimentation de base EduTrainer®
–
Nomenclature des composants
–
Appliquez au montage une tension constante U = 10 V.
–
Mettez de 6 à 8 résistances différentes comprises entre 100 Ω et 1 kΩ en circuit et mesurez chaque fois
l'intensité du courant I.
Inscrivez les résultats dans le protocole de mesure.
–
Notez les résistances utilisées dans la nomenclature des composants.
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TP 1 : Analyse de circuits électriques et mise en évidence de lois
Résistance R (Ω)
Courant I (mA)
100
97,3
220
45,0
330
30,2
470
21,1
680
14,5
1000
9,9
Protocole de mesure : I = f(R), U = 10 V
–
Représentez les résultats de mesure dans un graphique. Reportez les valeurs du protocole de mesure
dans le diagramme.
Caractéristique R-I, U = 10 V
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TP 1 : Analyse de circuits électriques et mise en évidence de lois
–
Décrivez la relation de l'intensité I à la résistance R pour une tension constante U.
Lorsque la résistance augmente, le courant diminue. Le courant est inversement proportionnel à la
résistance.
I~
1
R
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TP 1 : Analyse de circuits électriques et mise en évidence de lois
20
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Table des matières
Travaux pratiques et fiches de travail
TP 1 :
Analyse de circuits électriques et mise en évidence de lois __________________________________ 1
TP 2 :
Analyse de résistances _______________________________________________________________ 21
TP 3 :
Détermination de la résistance ballast d'une diode électroluminescente______________________ 29
TP 4 :
Ajout d'un récepteur électrique à un circuit ______________________________________________ 41
TP 5 :
Détermination de la puissance électrique de deux variantes de montage _____________________ 55
TP 6 :
Choix de montages de mesure_________________________________________________________ 67
TP 7 :
Conception d'un montage pour diviseur de tension _______________________________________ 77
TP 8 :
Conception de circuits de protection pour une perceuse ___________________________________ 91
TP 9 :
Réalisation d'une source de tension continue ___________________________________________ 107
TP 10 : Choix d'un condensateur à temps de charge court _______________________________________ 123
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I
II
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TP 1
Analyse de circuits électriques et mise en évidence de lois
Objectifs pédagogiques
Lorsque vous aurez fait ce TP,
•
vous saurez interpréter les grandeurs électriques de base, tension, courant et résistance, et effectuer
des calculs sur ces grandeurs.
•
vous connaîtrez la loi d’Ohm et saurez déterminer la relation par la mesure et la représenter
graphiquement.
•
vous saurez mesurer et interpréter les grandeurs électriques de base.
•
vous saurez utiliser des instruments de mesure adéquats.
Problème
Vous êtes appelé à participer à la conception et à la réalisation d'installations d'éclairage. Il est donc bon de
vous familiariser avec les lois des circuits simples et les mesures associées.
Vous trouverez des informations d'initiation dans les manuels de cours et mémentos ainsi que sur Internet.
Montage
Poste de travail de laboratoire
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TP 1 : Analyse de circuits électriques et mise en évidence de lois
Travaux à exécuter
1. Déterminez les relations électriques découlant de l'utilisation d'une lampe. Utilisez pour ce faire les
fiches de travail préparées.
2. Informez-vous sur les multimètres analogiques et numériques et répondez aux questions.
3. Sélectionnez un instrument adéquat pour vos mesures de courant, de tension et de résistance dans des
montages à courant continu.
4. Informez-vous sur la manière de mesurer les tensions, les courants et les résistances et répondez aux
questions.
5. Procédez à des mesures relatives à la loi d'Ohm sur un montage électrique simple.
Aides
•
Manuels de cours, mémentos
•
Fiches techniques
•
Didacticiel Électricité 1
•
Internet
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.
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Date : ____________
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TP 1 : Analyse de circuits électriques et mise en évidence de lois
Description des relations dans le circuit électrique
Déterminez les relations électriques découlant de l'utilisation d'une lampe. Ces informations vous
permettront de dimensionner des montages simples.
Constituants d’un circuit
–
Décrivez les constituants essentiels d'un circuit simple.
–
Complétez le circuit électrique de manière à obtenir un circuit simple en boucle fermée.
–
Indiquez par des flèches et leur désignation les grandeurs électriques intervenant dans le circuit.
+
Circuit à résistance utilisée comme récepteur
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+
Circuit à lampe utilisée comme récepteur
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Date : ____________
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TP 1 : Analyse de circuits électriques et mise en évidence de lois
Sens du courant
La tension électrique est engendrée par séparation des charges positives et négatives.
•
charge négative : excédent d’électrons
•
charge positive : manque d’électrons.
–
Décrivez ce que l'on entend par sens technique du courant et par sens physique du courant.
–
Indiquez dans le schéma représenté le sens conventionnel et le sens physique du courant.
+
P
Sens du courant dans le circuit
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Nom : __________________________________
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TP 1 : Analyse de circuits électriques et mise en évidence de lois
Grandeurs électriques de base
–
Complétez le tableau des grandeurs électriques de base. Donnez une brève description, le symbole et
l'unité physique.
Grandeur électrique
Description
Symbole
Unité
Courant électrique :
Tension électrique
Résistance électrique
Grandeurs électriques de base
Loi d'Ohm
–
Décrivez la relation entre courant, tension et résistance. Elle est formulée dans la loi d'Ohm.
Information
La loi d'Ohm ne s'applique qu'à des résistances ohmiques. Les résistances ohmiques sont des
résistances linéaires.
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TP 1 : Analyse de circuits électriques et mise en évidence de lois
–
Décrivez ce qui caractérise une résistance ohmique.
–
Calculez la valeur de résistance de la lampe quand, pour une tension appliquée de 12 V, il y circule un
courant de 0,062 A.
Information
À l'issue de la mise sous tension, les lampes à incandescence se comportent comme des résistances
ohmiques.
Soit
la tension
U = 12 V
l'intensité du courant
I = 62 mA
On cherche
la résistance R en Ω
Calcul
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TP 1 : Analyse de circuits électriques et mise en évidence de lois
Description des caractéristiques et symboles d'instruments de mesure
Vous allez effectuer différentes mesures sur des montages électriques. Il vous faut utiliser pour ce faire des
instruments de mesure adéquats.
Pour la mesure de tensions continues et de courants continus sur des montages électriques, on utilise en
général deux types d'instruments de mesure :
•
un multimètre analogique ou
•
un multimètre numérique
Multimètre numérique
Extrait des caractéristiques techniques
Affichage
Afficheur à cristaux liquides (LCD) de 3 chiffres 3/4 (3999 points) et
bargraphe analogique à 41 segments
Tension continue
Calibres : 400 mV ; 4 V ; 40 V ; 400 V ; 1000 V
Résolution : 100 µV
Précision : ± (0,7 % de l'affichage + 1 chiffre)
Résistance d'entrée : 10 MΩ
Tension alternative (45 Hz – 500 Hz)
Calibres : 400 mV ; 4 V ; 40 V ; 400 V ; 750 V
Résolution : 100 µV
Précision : ± (1,5 % de l'affichage + 4 chiffres)
Sur le calibre 4 V : ± (2,0 % de l'affichage + 4 chiffres)
Résistance d'entrée : 10 MΩ
Courant continu
Calibres : 400 µA ; 4 mA ; 40 mA ; 300 mA ; 10 A
Résolution : 0,1 µA
Précision : ± (1,0 % de l'affichage + 1 chiffre)
Courant alternatif (45 Hz – 500 Hz)
Calibres : 400 µA ; 4 mA ; 40 mA ; 300 mA ; 10 A
Résolution : 0,1 µA
Précision : ± (1,5 % de l'affichage + 4 chiffres)
Sur le calibre 10 A : ± (2,5 % de l'affichage + 4 chiffres)
Exemple de multimètre numérique
–
Décrivez ce que signifie l'indication 3 chiffres 3/4.
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TP 1 : Analyse de circuits électriques et mise en évidence de lois
Multimètre analogique
Extrait des caractéristiques techniques
Calibres de mesure de tension :
0,1 V ; 0,3 V ; 1 V ; 3 V ; 10 V ; 30 V ; 100 V ; 300 V ; 1000 V
=/~
Résistance d'entrée : 10 MΩ
Calibres de mesure de courant :
1 µA ; 3 µA ; 10 µA ; 30 µA ; 100 µA ; 300 µA ; 1 mA ;
3 mA ; 10 mA ; 30 mA ; 100 mA ; 1 A ; 3 A ; 10 A
=/~
Précision :
1,5 =; 2,5 ~
Exemple de multimètre analogique
–
Décrivez la signification des symboles imprimés.
Symbole
Description
CAT II 1000 V
CAT III 600 V
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TP 1 : Analyse de circuits électriques et mise en évidence de lois
Sélection d'un instrument de mesure
Vous êtes appelé à faire des mesures sur des montages à courant continu. Vous disposez d'un multimètre
numérique et d'un multimètre analogique. Votre choix de l'instrument de mesure à utiliser sera dicté par la
précision de mesure.
La précision d'un multimètre indique l'erreur maximale de mesure susceptible d'apparaître sous certaines
conditions extérieures.
Erreur de mesure d'un multimètre numérique
Pour un multimètre numérique, la précision est indiquée en pourcentage de la valeur mesurée.
Dans le cas d'un multimètre numérique, il faut y ajouter une erreur constante résultant de la conversion
d'analogique en numérique. Cette valeur concerne le chiffre de plus faible poids.
Lors d'une mesure au multimètre numérique, l'instrument affiche la valeur ci-dessous.
Valeur mesurée affichée par le multimètre numérique
–
Indiquez la valeur mesurée.
–
Déterminez l'erreur absolue de mesure pour la valeur mesurée affichée.
La précision sur le calibre sélectionné est :
± (0,7 % de l'affichage + 1 chiffre)
–
Déterminez l'erreur relative de mesure.
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TP 1 : Analyse de circuits électriques et mise en évidence de lois
Erreur de mesure d'un multimètre analogique
Sur un multimètre analogique, la précision se rapporte toujours au calibre, c'est-à-dire à la pleine échelle.
Les multimètres sont répartis en classes de précision. Autrement dit, quelle que soit la valeur mesurée lue, il
faut toujours ajouter la même erreur. C'est pourquoi l'erreur en pourcentage diminue au fur et à mesure que
l'on s'approche de la pleine échelle. Un multimètre analogique devrait donc toujours s'utiliser dans le tiers
supérieur de l'échelle.
Exemple d'une classe de précision
Une classe de précision 2,5 signifie que l'erreur sur un calibre est de ± 2,5 % de la pleine échelle.
Si la pleine échelle est, par exemple, de 70, l'erreur maximale est de ± 2,5 % de 70, soit : ± 3,571.
Lors d'une mesure au multimètre analogique, l'instrument indique la valeur ci-dessous. Le calibre
sélectionné est 30 V.
Valeur mesurée indiquée par le multimètre analogique
–
Indiquez la valeur mesurée.
–
Déterminez l'erreur absolue de mesure.
La classe de précision du multimètre analogique utilisé est 1,5 pour ce calibre.
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TP 1 : Analyse de circuits électriques et mise en évidence de lois
–
Déterminez l'erreur relative de mesure.
Sélection d'un instrument de mesure
–
Sélectionnez à présent l'instrument convenant aux mesures en continu et justifiez votre choix.
Mesures de courant, de tension et de résistance
L'utilisation d'un instrument de mesure se traduit toujours par une modification des valeurs mesurées dans
le montage étudié. Il est donc important de connaître les influences possibles et de savoir les évaluer.
Mesure de courant
•
Lorsque vous mesurez le courant, branchez toujours l'instrument de mesure en série avec le récepteur.
Il est ainsi traversé par la totalité du courant du récepteur.
•
La résistance interne de l'instrument de mesure doit être aussi faible que possible pour réduire au
maximum son influence sur le montage.
A
U
P
Mesure de courant
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TP 1 : Analyse de circuits électriques et mise en évidence de lois
–
Décrivez l'influence de la résistance interne de l’instrument sur la mesure.
Mesure de tension
•
Lorsque vous mesurez la tension, branchez toujours l'instrument de mesure en parallèle avec le
récepteur.
La chute de tension au niveau du récepteur correspond à la chute de tension au niveau de l’instrument
de mesure.
•
La résistance interne de l'instrument de mesure doit être aussi faible que possible pour réduire au
maximum son influence sur le montage.
V
U
P
Mesure de tension
–
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Décrivez l'influence de la résistance interne de l’instrument sur la mesure.
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Mesure de résistance
La résistance d’un récepteur électrique au sein d’un circuit à courant continu peut être mesurée soit
directement, soit indirectement.
Mesure indirecte
•
Lors d'une mesure indirecte, vous mesurez le courant qui traverse le récepteur et la chute de tension
aux bornes du récepteur.
•
Vous pouvez effectuer les deux mesures soit simultanément, soit l’une à la suite de l’autre.
•
Vous calculez ensuite la résistance à l’aide de la loi d’Ohm.
Mesure de résistance indirecte
Mesure directe
•
Coupez le récepteur du reste du montage.
•
Le récepteur ne doit pas être connecté à une source de tension pendant la mesure.
•
Sur l'instrument de mesure, sélectionnez le mode de mesure et le calibre.
•
Branchez le récepteur à l'instrument de mesure et lisez la valeur de résistance affichée.
Ω
P
Mesure de résistance directe
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TP 1 : Analyse de circuits électriques et mise en évidence de lois
–
Expliquez pourquoi le récepteur ne doit pas être branché à une source de tension lors de la mesure de
résistance directe.
Procédure de mesure dans un circuit électrique
•
Coupez l'alimentation électrique du circuit électrique.
•
Sélectionnez sur le multimètre le mode voulu, à savoir mesure de courant ou mesure de tension.
•
Sur les instruments à aiguille, vérifiez le zéro et ajustez-le si nécessaire.
•
Sélectionnez le plus grand calibre afin que, sur les instruments analogiques, le débattement de
l'aiguille reste au sein de l'échelle graduée.
•
Respectez la polarité de raccordement de l'instrument lors des mesures de tension ou de courant
•
Mettez le circuit électrique sous tension d'alimentation.
•
Observez le débattement de l'aiguille ou l'affichage et sélectionnez pas à pas un calibre inférieur.
•
Lisez l'affichage lorsque le débattement de l'aiguille est maximal (dans le plus petit calibre possible).
•
Placez-vous systématiquement à la verticale des instruments à aiguille pour éviter les erreurs de
continu.
lecture.
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Mesures relatives à la loi d’Ohm
Démontrez les relations de la loi d'Ohm par des expériences de laboratoire appropriées. Relevez pour ce
faire les caractéristiques I = f(U) pour une résistance constante et I = f(R) pour une tension constante.
Caractéristique U -I d'une résistance ohmique
–
Choisissez une résistance R = 330 Ω.
–
Contrôlez la résistance choisie R par une mesure de résistance directe, la résistance étant hors tension.
–
Réalisez le montage avec la résistance R.
Montage de mesure avec R = 330 Ω
Repère
Désignation
Valeurs
R
Résistance
330 Ω/2 W
–
Multimètre numérique
–
–
Bloc d'alimentation de base EduTrainer
®
–
Nomenclature des composants
–
Faites varier la tension de U = 0 V à U = 10 V par pas de 2 V et mesurez chaque fois l'intensité du
courant I.
Inscrivez les résultats dans le protocole de mesure.
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Tension U (V)
Courant I (mA)
Tension U (V)
0
6
2
8
4
10
Courant I (mA)
Protocole de mesure : I= f(U), R = 330 Ω
–
Représentez les résultats de mesure dans un graphique. Reportez les valeurs du protocole de mesure
dans le diagramme.
Caractéristique U-I, R = 330 Ω
–
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Décrivez la relation du courant I à la tension U lorsque la résistance R est constante.
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Caractéristique R-I d'une résistance ohmique
Relevez à présent la caractéristique I = f(R) sous une tension constante.
–
Réalisez le montage.
Montage de mesure avec différentes résistances
Repère
Désignation
Valeurs
–
Multimètre numérique
–
–
Bloc d'alimentation de base EduTrainer®
–
Nomenclature des composants
–
–
Appliquez au montage une tension constante U = 10 V.
Mettez de 6 à 8 résistances différentes comprises entre 100 Ω et 1 kΩ en circuit et mesurez chaque fois
l'intensité du courant I.
Inscrivez les résultats dans le protocole de mesure.
–
Notez les résistances utilisées dans la nomenclature des composants.
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Résistance R (Ω)
Courant I (mA)
Protocole de mesure : I = f(R), U = 10 V
–
Représentez les résultats de mesure dans un graphique. Reportez les valeurs du protocole de mesure
dans le diagramme.
Caractéristique R-I, U = 10 V
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Nom : __________________________________
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TP 1 : Analyse de circuits électriques et mise en évidence de lois
–
Décrivez la relation de l'intensité I à la résistance R pour une tension constante U.
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