FILIERE : TECHNIQUE MATHEMATIQUE DISCIPLINE
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REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE POPULAIRE MINISTERE DE L’EDUCATION NATIONALE COMMISSION NATIONALE DES PROGRAMMES GSD GENIE ELECTRIQUE DOCUMENT D’ACCOMPAGNEMENT FILIERE : TECHNIQUE MATHEMATIQUE DISCIPLINE : TECHNOLOGIE OPTION : GENIE ELECTRIQUE NIVEAU : 2ième ANNEE SECONDAIRE Décembre 2005 1 1 - Introduction: Le programme de technologie accompagnant ce document destiné aux classes de 2AS Technique Mathématique option « Génie Electrique », reprend en grande partie les thèmes du programme de technologie des classes de 2 AS Génie Electrique. Nous y retrouvons toutes les notions essentielles devant participer à la compréhension des fonctions élémentaires de l'électricité, notions qui constitueront à leur tour des pré requis pour la mise en œuvre d'éléments plus complexes une fois leur réinvestissement effectué. Nonobstant certaines similitudes avec les programmes passés, des points fondamentaux différencient l'approche utilisée avec ce qui a pu être réalisé auparavant: - Les orientations imposées pour la conception de ce programme l'ont été dans une optique telle que celui-ci et celui de 3AS ne font qu'un. En effet, au moment où ces lignes sont imprimées, les grandes lignes du programme de 3AS sont déjà connues, et ce dernier sera vu comme une suite logique du travail effectué par l'enseignant en 2AS. - L'approche préconisée se base sur des systèmes existants donc de projets qui équivaudront à une situation problème. Cette approche fera du programme de 2AS la structure de base à laquelle viendront se greffer les nouveautés à acquérir en 3AS et ceci en y incorporant des techniques ou technologies plus complexes mais sans en perturber la structure précédemment évoquée. A titre d'exemple, nous pouvons reprendre un mini système dont la commande en logique câblée ou même programmée par automate sera revue pour en faire un système plus autonome commandé par microcontrôleur. - Il a été décidé d'éviter les études théoriques trop profondes qui s'avèrent souvent inutiles et qui grèvent le volume horaire de l'enseignant et par conséquent celui de l'élève. Ceci peut être explicité en affirmant que ce qui a été étudié doit pouvoir être réinvesti, autrement dit il faut être efficace! Seule la compétence à atteindre est importante. - La pédagogie dite d'approche par compétences entraîne une autre manière d'aborder les thèmes à étudier. A chaque nouvel élément introduit, il y aura lieu de mettre l'élève en situation problème où ce dernier devra se montrer actif afin de trouver la ou les solutions adéquates avec ses camarades accompagnés du professeur. L'apprenant n'est plus passif, et l'approche par projets ou mini projets qui seront vus comme des systèmes à part entière facilitera grandement la tâche de l'enseignant plus que dans toute autre discipline. - L'introduction de l'outil informatique fera de l'enseignant un décideur plus autonome. Il conviendra à lui et à lui seul de juger si un TP est nécessaire, ou si une démonstration à l'aide d'un fichier vidéo suffira. De plus cet outil fera gagner un temps précieux en explications lourdes grâce à la possibilité d'effectuer des simulations sur les notions les plus abstraites mais aussi sur des éléments plus concrets mais indisponibles ou hors d'atteinte en termes d'investissement. - L'ensemble des sujets, thèmes et concepts étudiés s'inscrit dans une perspective essentielle qui est celle d'aboutir aux compétences terminales que l'élève devra acquérir afin d'obtenir son baccalauréat. Cette approche clarifie la manière dont l'enseignant devra aborder les choses. Il s'agira pour lui de dispenser un cours en ayant en vue la compétence terminale ou secondaire dans laquelle s'inscrit ce dernier. Ces compétences sont détaillées à travers leurs énoncés dans les objectifs opérationnels de la grille dite d'opérationnalisation des compétences. 1 2 - Organisation du contenu: Le contenu de ce programme a été réfléchi de manière à en voir l'organisation comme deux grandes parties totalement liées entre elles. La première partie peut être considérée comme un ensemble de connaissances à acquérir ou encore de révision des notions acquises en physique tant au cycle moyen qu'au niveau du lycée même. La seconde partie correspond à l'utilisation de ces connaissances afin de comprendre et d'être capable de mettre en œuvre les fonctions de l'électricité et de l'électronique. Ceci ne signifie nullement que l'étude de ces fonctions est dépourvue d'acquisition de connaissances nouvelles, bien au contraire, chaque fonction servira d'outil de base à l'introduction d'une situation problème, et à travers laquelle on tirera profil pour greffer de nouveaux éléments. La situation problème posée dans l'étude de chaque fonction ou sous fonction doit dans la mesure du possible représenter un système ou partie de système automatisé ou pas, même simplifié, mais en tout état de cause il y aura lieu d'éviter le dernier mois de l'année scolaire pour parler de la structure des systèmes automatisés. Il n'est pas fait obligation à l'enseignant de suivre les thèmes et fonctions à étudier dans un ordre chronologique tels que présentés dans les contenus. Il sera toujours possible de traiter l'organisation des systèmes sommairement en passant les détails, et d'y revenir de manière plus approfondie une fois les différentes fonctions maîtrisées. A l'évidence on remarquera que certaines notions nécessitent des pré requis et qu'en conséquence un certain ordre chronologique devra être respecté. En effet il sera impossible de traiter le courant alternatif ou encore les moteurs si l'électromagnétisme n'est pas maîtrisé! Il a été cité à maintes reprises dans les activités pédagogiques conseillées, l'utilisation de fichiers vidéo informatiques d'extension ".swf". La raison en est toute simple: ces fichiers peuvent être lus grâce au lecteur "Macromedia Flash Player" qui est gratuit et disponible sur l'Internet en téléchargement dans sa version la plus récente. Par ailleurs il est possible de trouver sur des sites pédagogiques nombre de ces fichiers consacrés à l'électricité, accompagnant le plus souvent des documents de présentation de type "Power Point". On fera remarquer que le lecteur "Macromedia Flash Player" est gratuit ce qui n'est pas le cas du logiciel de développement de ces fichiers fourni par la même société. Aussi il doit y avoir respect absolu des droits en se rabattant vers le logiciel libre en cas de non fourniture des outils de développement adéquats. Ce format vidéo est donné à titre d'exemple pour sa disponibilité, mais rien n'empêche l'enseignant de mettre en œuvre d'autres sources vidéo ou supports pédagogiques, l'essentiel étant de parvenir au but recherché. Les activités pédagogiques citées sont fortement conseillées et ce afin d'amener l'élève à un niveau tel qu'il puisse assimiler les concepts les plus aigus avec facilité. Le professeur pourra bien entendu procéder à la mise en place d'autres activités s'il les juge nécessaires. Les compétences attendues qui équivalent pour la deuxième année secondaire plus à un comportement attendu, fixent de manière globale le niveau auquel doit parvenir l'élève. 3 – Simulation : Les logiciels de simulation se sont répandus dans tous les secteurs d’activité avec l’avènement de l’informatique. La simulation donne la possibilité au technicien de réaliser puis de tester un prototype virtuel. Les avantages de la simulation sont évidents, économie de temps et d’argent. Pour l’enseignant la simulation s’impose parfois pour les raisons suivantes : 2 - Cette technique permet d’obtenir des résultats lorsque le matériel nécessaire manque : mesures des grandeurs électriques, tracés de caractéristiques etc.… - Pour de nombreux phénomènes complexes, la simulation permet d’expliquer ce que l’on a des difficultés à expliquer théoriquement. - La simulation est de plus en plus utilisée dans l’industrie, il faudrait donc préparer les élèves à s’en servir à bon escient. Les limitations de la simulation ne doivent pas être ignorées car aussi complexe soit-il, un modèle virtuel n’est jamais la réalité. Pour cette raison la simulation ne remplacera jamais totalement l’expérimentation. L’usage de la simulation pourrait être un bon complément aux TP et aux expériences de cours. 4 - Evaluation : - Dans l’approche par les compétences, l’évaluation est intégrée dans le processus d’apprentissage. Elle sert à guider et faciliter la progression de chaque élève dans ses apprentissages. Savoirs, savoir faire et savoir être, que l’élève doit être capable d'utiliser à bon escient, doivent être également objets d’évaluation. Pour être dit « compétent », un individu doit avoir fait quelque chose : Production, processus, démarche et ce, à plusieurs occasions. La compétence c’est : la capacité de mobiliser un ensemble de ressources (internes et externes) en vue de traiter un ensemble de situations complexes. Ces ressources peuvent être : INTERNES : savoirs, savoir-faire, stratégies, savoir être EXTERNES : documents, Internet, … Les ressources dont on parle doivent être maîtrisées mais il faut aussi apprendre aux élèves à les utiliser en toute circonstance. Dans une approche par les compétences : ressources et compétences doivent être objets d'évaluation pour une remédiation ou la poursuite du processus d’apprentissage. La situation (Tache ou production complexe) peut en être une d’apprentissage ou d’évaluation. Situations d’évaluation pour chaque type de ressource : SAVOIR (connaissance, connaissance déclarative) : on demande directement une information déjà mémorisée; SAVOIR FAIRE : (habileté, connaissances procédurale) situation bien connue de l’élève mais la réponse qu’il doit produire n’a pas été mémorisée comme telle (elle est générée sur place); STRATÉGIE : choix délibéré (par l’élève) d’un moyen ou procédé pour atteindre un but; proche d’une situation de compétence, mais en plus simple avec des cas à traiter bien identifiés; SAVOIR ÊTRE : ce sont les exigences de la situation qui permettent de vérifier des habitudes que l’élève doit démontrer spontanément (précision, souci de…, propreté, ponctualité, persévérance); COMPETENCE : La situation pose un problème dont la solution n’est pas évidente au départ; c’est plus qu’un savoir-faire ou une stratégie. La situation est assez complexe pour exiger l’utilisation, par l’élève, de plusieurs ressources. Remarque : Toutes les ressources ne sont pas nécessairement impliquées dans chaque situation. Pour couvrir le champ d’une compétence il faut donc recourir à plusieurs situations. 3 Comment peut-on mettre en œuvre ces notions d’évaluation en conformité avec le programme de Technologie ? - Pour chaque fonction ou chapitre du programme le professeur, en plus des activités qui ne sont rien d’autres que des situations d’apprentissage, le professeur doit prévoir des situations d’évaluations des savoirs, savoir-faire, stratégie et savoir- être. - A la fin du chapitre envisager des situations où l’apprenant est censé mobiliser plusieurs ressources y afférentes (Ex : Savoirs, habileté à simuler, stratégie développée pour faire un montage ou effectuer un câblage, rédaction d’un rapport de TP, etc.…); - Prévoir des situations mettant en œuvre des systèmes simples mais évolutifs où l’apprenant est censé mobiliser des ressources diverses ne se référant pas obligatoirement au chapitre étudié récemment ou à la discipline. - Tous les éléments d’une compétence étant évalués et acquis, prévoir des situations d’intégration où l’apprenant doit démontrer sa capacité à intégrer à bon escient tous ses acquis face à des situations complexes. Dans ce cadre la progression serait vue par l’enseignant comme la réussite de ses élèves devant des situations de plus en plus complexes ou leur réussite devant des situations de même complexité mais avec une autonomie croissante. Exemple d’évaluation : Concernant le chapitre « Logique combinatoire », au fur et à mesure de la progression le professeur doit évaluer les connaissances des élèves concernant les systèmes de numération, l’algèbre de Boole, la simplification des fonctions logiques et leurs capacités à réaliser des équations logiques sur simulateur logique et l’exploitation de logiciels de simulation. A la fin du chapitre, l’élève doit montrer sa capacité à résoudre toute situation problème relevant de la logique combinatoire. Soit la figure ci-dessous qui montre les conditions d’alimentation d’une maison en eau potable à partir d’une citerne reliée par une pompe à un puits. Trois variables d’entrées (Détecteurs de niveaux): - niveau minimum du puit (N1) et du réservoir (N2) à partir desquels le pompage et la distribution sont arrêtés respectivement. - le niveau maximum (N3) du réservoir qui arrête le pompage quand il est atteint ou le déclenche dan le cas contraire ; deux sorties qui sont les commandes du pompage de l’eau (C1) et de l’électrovanne de distribution (C2). Travail demandé : - Etablir le montage à base de portes NAND (CMOS 4011) en utilisant deux LEDs comme sorties. - Réaliser le montage sur simulateur logique. -Simuler le fonctionnement du montage en utilisant un logiciel de simulation 4 5 - Structure d’un système automatisé : Le programme de Technologie option « Génie Electrique: • Est axé essentiellement sur l’étude des systèmes pluri techniques dont la fonction est de conférer une valeur ajoutée à une matière d’œuvre qui peut se présenter sous la forme de produit, d’énergie ou d’information ; • est orienté vers l’acquisition des démarches propres à la compréhension des systèmes. • rassemble, organise et structure les connaissances nécessaires à l’action sur les systèmes réels, parties de systèmes ou maquettes modélisant des systèmes réels. 5 A - Circuits à courant continu: Temps alloué : 18 H Compétences attendues : être capable de : - déterminer l’intensité des courants dans un circuit comportant deux mailles - substituer le modèle de Thévenin au modèle de Norton et réciproquement - calculer l’énergie mise en œuvre dans un circuit - mesurer les tensions et les courants dans un circuit - déterminer le point de fonctionnement d’un élément linéaire ou non linéaire La révision des notions acquises doit se faire succinctement, on considérera que l'essentiel telles la loi d'Ohm, de Joule et les groupements de résistances ont été traités de manière adéquate dans le cycle moyen. L'enseignant insistera sur la représentation fléchée des tensions et des courants. L'élève devra parfaitement maîtriser cette représentation afin de la réinvestir dans les lois de Kirchhoff. Dans l'association de générateurs on insistera plus particulièrement sur les montages de générateurs en série, opposés ou pas en vue de la transformation Thévenin Norton ou l'on est souvent confronté à la recherche du générateur équivalent. On rappellera les formules liées à la puissance et l'énergie P=U.I P=R.I2 W=P.t pour un élément résistif. Pour les générateurs et les moteurs on considérera seulement la puissance perdue dans la résistance interne r.I2. De plus on donnera la puissance fournie par un générateur au circuit extérieur P= U.I = (E r.I).I et pour le moteur on explicitera la conversion d'énergie électrique en énergie mécanique P= E'.I = (U – r.I).I puis on calculera le rendement. Les lois de Kirchhoff seront appliquées en classe aux circuits à deux mailles au maximum, mais il est conseillé de demander à l'élève d'effectuer une recherche sous formes d'exercices à domicile des courants dans un circuit à trois mailles. On profitera de l'étude des lois de Kirchhoff pour donner la relation dans un diviseur de tension à deux ou trois résistances, puis l'appliquer au potentiomètre. Les théorèmes de Thévenin et de Norton sont à traiter de manière classique, on peut éventuellement les appliquer à un pont de Wheatstone dans un cas pratique. La transformation Thévenin Norton concernera les circuits comportant cinq générateurs maximum, tension et courant confondus. Reportons nous aux exemples qui suivent pour clarifier ces orientations: Pour les composants non linéaires on distinguera les éléments à semi-conducteurs où une explication sommaire devra être donnée sur leur fonctionnement afin que l'élève puisse avoir une idée du pourquoi de la non conduction de la diode en sens inverse, et pour le transistor du fait qu'un faible courant IB commande un courant plus fort IC. Pour l'ensemble de ces éléments l'essentiel est l'utilisation des caractéristiques, de la droite de charge et du point de fonctionnement. 6 L'utilisation des livres de données "Data Books" mettra l'élève directement en relation avec la réalité des choses notamment en lui inculquant les notions telles les valeurs extrêmes liées aux composants qui seront par exemple pour la diode le courant direct max et la tension inverse max données fournies par le constructeur, pour le transistor ce sera VCEmax, ICmax, Pmax etc. On parlera succinctement des composants tels les CTP, CTN etc. en notant les conversions physiques qui s'y opèrent, on donnera les caractéristiques et on fera allusion à leur rôle de capteurs sans s'y attarder puisqu'on y reviendra plus profondément dans la fonction acquisition de données. Bien que linéaires les condensateurs ont étés inclus dans ce groupe afin de procéder à une étude technologique succincte en donnant les grandeurs les caractérisants Q = C.U mais aussi dans le but d'étudier la charge et la décharge de manière pratique en mesurant la tension aux bornes à l'aide d'un voltmètre numérique (grande résistance interne), en constatant l'influence de la valeur de la résistance et de la capacité mises en jeu. Les formules U= E.(1-e-t/RC) lors de la charge et U= E.e-t/RC lors de la décharge seront utilisées sans explication avec usage de la calculatrice (faire e1=2,71828…) pour vérifier la concordance des résultats pratiques et théoriques. 7 B - Logique combinatoire: Temps alloué : 16 H Compétences attendues : Etre capable de: - convertir un nombre écrit dans une base donnée en un nombre dans une autre base - utiliser la calculatrice pour les conversions décimale vers binaire, octal, hexa et vice versa - remplacer une structure logique complexe en une autre simplifiée. Nous entrerons dans les circuits logiques en remarquant que ceux-ci ont été fractionnés et dispatchés en diverses fonctions et ce contrairement à l'habitude précédemment suivie. Dans cette partie appelée logique combinatoire, il s'agit de donner à l'élève les notions de base pour que celui-ci puisse aborder tous les items du programme où figure la logique dans les meilleures conditions. Les systèmes de numération seront expliqués de manière classique, à savoir: - qu'est ce qu'un système de numération - conversion d'un nombre écrit dans une base quelconque en un nombre décimal à l'aide de la représentation polynomiale - conversion d'un nombre décimal en un nombre écrit dans une autre base à l'aide de la méthode des divisions successives Cette leçon devra être axée sur le binaire, l'octal et l'hexadécimal bien plus que sur n'importe quel autre système, on montrera les relations existantes entre ces systèmes en procédant à des conversions directes de l'un à l'autre sans passer par le décimal. On fera usage de la calculatrice scientifique à des fins de contrôle uniquement. Une fois le binaire maîtrisé on s'accordera un certain temps pour effectuer quelques opérations dans ce système telles l'addition, la soustraction, la multiplication et la division. Le BCD sera donné sous formes d'exemples puisqu'il constitue une forme particulière du binaire. On exécutera une addition en BCD dont le résultat sur au moins un chiffre sera supérieur à 9, on y ajoutera donc 6 avec les reports nécessaires. Le binaire réfléchi ou code Gray devra être donné sous forme de tableau à trois colonnes avec respectivement le décimal, le binaire et le Gray. Les valeurs devront s'échelonner au moins de (0)10 jusqu'à (15)10. Il nous servira dans le codage des tableaux de Karnaugh ainsi que dans les transcodeurs Binaire vers Gray et Gray vers Binaire. Algèbre de Boole: Pour enseigner l'algèbre de Boole, une méthode ayant fait ses preuves est l'usage de circuits électriques à contacts avec des sorties qui pourraient être des lampes. A chacune des fonctions étudiées (OUI, NON, ET, OU etc.) on donnera le circuit à contacts correspondant, la table de vérité et l'équation logique. On devra absolument insister sur ce que représente un niveau logique, et justifier l'emploi du binaire en électricité par l'analogie suivante: 0 correspond à l'absence de courant ou de tension, 1 c'est la présence de ce courant ou de cette tension D'autre part la simplification algébrique des équations logiques nécessitera l'étude des différentes lois: réflexivité, associativité, distributivité du produit sur la somme et vice versa, idempotence, complémentarité, identités remarquables et bien entendu des lois de De Morgan. On recherchera l'équation qui correspond à une table de vérité donnée, puis la recherche inverse: déterminer la table de vérité correspondant à une équation donnée. 8 Une fois la logique à contacts maîtrisée, on introduira les fonctions logiques à portes en utilisant les symboles américains sans négliger les symboles européens que l'on donnera dans un tableau puisqu'ils seront utilisés ultérieurement comme symboles de base pour les éléments pneumatiques. On fera usage de ces portes pour réaliser des logigramme à partir d'équations logiques reproduites telles quelles, autrement dit le nombre de portes correspondant au nombre d'opérations. On exercera l'élève à transformer l'équation de telle façon que le logigramme ne comporte que des portes NON ET (NAND) à deux entrées ou encore que des portes NON OU (NOR) à deux entrées également. Tableaux de Karnaugh: On se limitera aux tableaux à quatre variables au maximum. On apprendra à l'élève les différents regroupements possibles, et par suite on usera d'équations logiques à simplifier afin de remplir le tableau et procéder aux opérations de simplification. D'innombrables exercices sont résolus grâce aux tableaux de Karnaugh, mais ceux conseillés se rapportent aux transcodeurs. Par exemple réaliser un transcodeur 4bits à entrées binaires et sorties Gray, ou encore à entrées Gray et sorties binaires. Dans ce domaine les activités sont nombreuses et diverses pour peu que la disponibilité du matériel soit satisfaite. L'usage de simulateurs électriques (à relais électromagnétiques) et électroniques (seul le symbole de la porte est représenté) permettra d'exécuter n'importe quelle fonction, le nombre de variables sur l'appareil déterminera la limite à atteindre. Remarque : On se limite dans ce document à des recommandations d’ordre pédagogique pouvant aider l’enseignant dans la préparation de son cours mais diverses activités, des situations d’apprentissage et d’évaluation figurent sur le CD accompagnant le document. 9 C - Eléments logiques en circuits intégrés: Temps alloué : 6 H Compétences attendues : Etre capable de: - énumérer les caractéristiques des technologies TTL et CMOS - utiliser un Data Book pour expliquer la fonction réalisée par un circuit intégré (C.I.) en logique combinatoire - réaliser un additionneur ou un soustracteur 4 bits à portes TTL ou CMOS - mettre en œuvre un additionneur à C.I. sur un octet Nous avons dans la partie consacrée à la logique, délibérément omis la référence aux circuits intégrés. En effet une fonction logique se retrouve sous différents types de technologie. Bien que l'usage des contacts relève déjà de la technologie électrique, ceux-ci ont été exploités afin de servir de support à la compréhension des diverses fonctions étant donné que celles-ci constituent des concepts absolument nouveaux pour l'élève. Il s'agit maintenant de préciser que l'implémentation de fonctions logiques complexes nécessite l'utilisation de la technologie électronique. Mais avant d'entamer cette étude, il y aura lieu de brosser sommairement un tableau des technologies existantes: électrique, électronique, pneumatique avec leurs avantages et leurs inconvénients. - Rapidité - Puissance consommée - Facilité de mise en œuvre - Fonctions existantes - Disponibilité - Coût - Puissance développée etc. On en conclura que réaliser un ordinateur de la puissance de ceux disponibles sur le marché, ne peut se concrétiser que grâce à la technologie électronique. Expliquer que l'implémentation des portes en technologie électronique se décline en familles logiques dont nous citerons les principales représentantes y compris les plus anciennes, mais seules la TTL et la CMOS seront abordées dans cette section pour rester dans les limites fixées par le programme. En raison du fait que les élèves ont peu ou prou de connaissances sur le transistor bipolaire, et pas du tout sur le MOS, on dira simplement que la différence entre la TTL et la CMOS réside sur le plan technologique dans le type de transistors utilisés sans aucune autre précision. Par contre pour chacune de ces familles on donnera pour le type standard: - les codes de désignation - Les valeurs de la tension d'alimentation ainsi que leur tolérance - la puissance consommée par porte - la vitesse de commutation - le temps de propagation du signal entre l'entrée et la sortie Après étude de quelques circuits intégrés sur document où l'on constatera que ces derniers sont implémentés le plus souvent en: 4 portes/2 entrées, 3 portes/3 entrées, 2 portes/4 entrées, 1 portes/8 entrées, on procédera à des essais sur simulateur électronique sur lequel on devra faire préciser aux élèves que: - une broche en l'air correspond à un niveau logique haut pour la TTL - le niveau logique 0 n'est pas nécessairement 0volt et que le niveau 1 n'est pas nécessairement la tension d'alimentation comme le 5volts 10 Dans ce dernier cas de figure on pourra donner les limites de tension en niveaux bas et hauts tant en entrée qu'en sortie pour un inverseur TTL standard. Une fois toutes ces notions acquises, il sera possible de passer en revue les sous familles telles que les séries SN74LSxxx, SN74ALSxxx, SN74Fxxx pour la TTL et C, HC, HCT etc. pour la CMOS. Ceci se fera succinctement afin que l'élève ait une idée de ce qui existe sur le marché et on s'aidera de livres de données (Data Books) pour étayer les explications. La connaissance des circuits logiques intégrant des portes facilitera grandement l'étude de circuits plus complexes. On conclura cette section par les circuits arithmétiques avec l'étude de l'additionneur et du soustracteur. On détaillera plus particulièrement les circuits additionneurs 4 bits SN7483 ou CD4008. 11 D - Circuits magnétiques et machines à courant continu: Temps alloué : 18 H Compétences attendues : être capable de : - énumérer les composantes d'un relais électromagnétique, puis expliquer son fonctionnement - mettre en œuvre un relais électromagnétique dans un montage lumière - expliquer le principe de fonctionnement d’une machine à courant continu : en moteur et en génératrice. - Expliquer la réversibilité d’une machine à courant continu. La plus grande partie de ce vaste domaine que constitue l'électromagnétisme est étudiée en physique, cependant deux problèmes se posent à l'enseignant du fait de sa dépendance vis à vis des éléments théoriquement acquis en sciences physiques: - La coordination avec son collègue de physique s'avérera cruciale puisqu'il devra s'assurer que les notions dont il fera usage auront été traitées avant qu'il puisse lui même aborder les chapitres le concernant. - D'autre part il aura à revenir sur certaines explications données en physique, non pas qu'elles eussent été fausses, mais simplement à cause de la différence globale d'approche des problèmes entre un enseignant de physique et d'électricité, ce dernier restant beaucoup plus pratique dans sa manière d'appliquer les théorèmes. Dans cette section, l'important réside dans la manière de procéder et des limites à se fixer afin que l'élève puisse comprendre avec facilité et donc en un minimum de temps les notions suivantes: - - Grandeurs participant à la production du champ magnétique dans une bobine Influence du noyau sur la canalisation des lignes de champ dans une bobine, et effet sur la force d'attraction qu'exercera celle-ci à l'encontre de composés ferromagnétiques externes. Ici on pourra d'ores et déjà parler de relais électromagnétiques. Ce qui se produit lorsque l'on ferme le noyau sur lui même ou presque (entrefer), ce qui constitue un circuit magnétique fermé. Dans cette partie on pourra faire l'analogie entre circuit électrique et circuit magnétique à savoir l'équivalence entre force électromotrice et force magnétomotrice, courant et flux, résistance électrique et résistance magnétique en précisant que cette dernière n'est pas fixe. Loi de Laplace appliquée à un conducteur puis à une spire capable de tourner autour d'un axe, donc qui sera soumise à un couple, ce qui nous amènera à parler du régime moteur. Loi de Faraday appliquée à une spire en rotation autour d'un axe ce qui nous permettra d'aborder le régime générateur, puis de la réaction de cette dernière à la rotation imposée ce qui équivaut au couple résistant. Dans un soucis d'efficacité, l'utilisation de fichiers vidéo reste une bonne solution pour éviter la perte de temps notamment sur ce qui est lié à l'auto-induction, mais une expérience réelle bien préparée et correctement menée amènera aux mêmes résultats avec pour avantage d'apporter plus de conviction dans l'esprit de l'élève. Remarque : On se limite dans ce document à des recommandations d’ordre pédagogique pouvant aider l’enseignant dans la préparation de son cours mais diverses activités, des situations d’apprentissage et d’évaluation figurent sur le CD accompagnant le document. 12 E – Circuits électriques à courant alternatif: Temps alloué : 18 H Compétences attendues : Etre capable de: - Calculer l'impédance d'un circuit et l'intensité le traversant en utilisant la représentation de Fresnel - Calculer l'impédance d'un circuit et l'intensité le traversant en utilisant la méthode de Boucherot - Mesurer les valeurs efficaces des grandeurs à l'aide de voltmètres et d'ampèremètres - Expliquer le phénomène de résonance - Utiliser un oscilloscope pour visualiser et mesurer une tension Introduction: - On abordera ce thème en montrant à l'élève comment produire du courant alternatif. Ceci constitue un but facilement réalisable à travers une démonstration à l'aide de fichiers vidéo montrant un aimant bipolaire tournant devant une bobine reliée à un oscilloscope. Il est évident qu'une expérience exécutée en classe est souhaitable en cas de disponibilité du matériel. - De cette expérience on déduira qu'il est plus simple de produire du courant alternatif sinusoïdal que du courant continu, de plus on notera que la rotation de l'aimant implique la production d'une tension variable et bidirectionnelle. - On fera remarquer la liaison existante entre d'une part le temps mis par l'aimant pour effectuer un tour, d'autre part la période, la fréquence ainsi que la pulsation de la tension obtenue. Il sera donc plus aisé de déduire les formules relatives à ces grandeurs. - On sera amené à dire que la fréquence est le nombre de périodes donc de rotations par seconde et que la pulsation est la vitesse angulaire de rotation de l'aimant. Ici il y aura lieu de faire l'analogie entre la relation x = v.t et α = ω.t - L'élève devra distinguer la différence existante entre courant variable non périodique et périodique tels que les courants en dents de scie, triangulaires, carrés etc. A cet effet on lui remettra un document sur lequel figureront ces grandeurs où l'on procédera à la mesure de la période de la tension/courant max, et l'on déduira ainsi la fréquence et la pulsation. - La représentation de la tension ou du courant par un vecteur tournant nous amènera par un exercice à tracer les variations de la grandeur, donc des valeurs instantanées point par point en fonction du temps et/ou de l'angle α et cela sur un document préparé à l'avance. Calcul des valeurs: Afin d'éviter de s'éterniser en explications sans fin, une méthode efficace (sans jeu de mots) pour aborder la signification de la valeur moyenne et efficace est de faire calculer à l'élève ces valeurs en utilisant des relations connues et en prenant pour exemple un courant rectangulaire non alternatif dans lequel on recherchera la surface moyenne correspondant à la quantité d'électricité transportée et la racine de la moyenne du carré pour la quantité de chaleur dégagée dans une résistance R: Dans le graphique suivant la quantité d'électricité q = i.t transportée sur la période T est q=10A.1ms = 10mC, elle est représentée par la zone hachurée, la quantité transportée entre t=1ms et t = 5ms étant nulle. Durant le même temps équivalent à la période T, un courant continu ne s'annulant jamais, transportant la même quantité q serait tel que I = q/T I = 10mC/5ms = 2A, I = Imoy est la valeur moyenne de ce courant périodique. On fera remarquer que pour un courant alternatif sinusoïdal cette valeur est nulle. 13 Concernant la valeur efficace on procédera de manière identique en prenant la racine carrée de la moyenne du carré: soit pour une période W=R.I2.t =R.102.1=100.R, puis pour un courant continu dégageant la même quantité de chaleur: W = R.I2eff.T = R.I2eff.5, et puisque: W = 100.R on en déduit que I2eff = 100.R/5.R = 20 Ieff = 20 = 4,472…A La loi d'Ohm appliquée aux circuits à courant alternatif telle que UR=R.I, UL=Lω.I, UC=I/C.ω verront leur démonstration conditionnée par le traitement des dérivées en cours de mathématiques au moment d'aborder cette leçon. Dans le cas contraire elles seront directement données aux élèves. Une grande partie des circuits à courant alternatif étant des circuits parallèles, nous ne nous attarderons donc très peu sur les circuits séries. Dans notre mise en œuvre de la construction de FRESNEL, on traitera les circuit R-L R-C et R-L-C résonance comprise puisqu'elle constituera simplement un cas particulier. Il sera donc préférable de traiter la majorité restante en utilisant la méthode de BOUCHEROT en intégrant par exemple les installations électriques comportant: moteurs, lampes, fours, bobinages et condensateurs et dans lesquelles on demandera le relèvement du facteur de puissance Cosφ ceci étant tout à fait en conformité avec la réalité quotidienne. Le courant alternatif triphasé ne devra pas faire l'objet d'une étude approfondie. On se bornera à expliquer ce qu'est un système triphasé équilibré, les grandeurs simples et composées ainsi que le rapport existant entre elles. Le but fixé étant que l'élève puisse brancher un moteur asynchrone triphasé à la source d'alimentation au moment voulu. 14 F - Fonction Protection: Temps alloué : 4 H Compétences attendues : être capable de: - donner la différence entre les diverses méthodes de protection - expliquer le fonctionnement de chaque élément de protection - établir les domaines de mise en œuvre des systèmes de protection On ne peut envisager l'étude de la protection des installations de manière isolée. On débutera en définissant dans un premier temps chacun des éléments que sont le fusible, le relais thermique et le disjoncteur, puis on les intégrera dans un montage afin de bien comprendre la place de chaque composant et le type de protection auquel on aboutit. On en déduira que les protections à envisager dépendent des installations dans lesquelles elles doivent être insérées. On abordera l'étude de l'élément le plus simple à savoir le fusible ou coupe circuit en donnant: - les différents aspects externes sur lesquels il peut apparaître - sa constitution - le rôle de chacun des constituants - les indications présentes sur son corps. A cet effet on présentera un jeu de fusibles de types et valeurs différents, et en plus de la lecture des valeurs relevées, on donnera la différence entre fusibles rapides et fusibles "accompagnement moteur" aM. Le relais thermique devra posséder une protection différentielle en plus de celle existante contre les surcharges. Une bonne façon de l'étudier est de le faire démonter par les élèves afin qu'ils puissent voir d'eux-mêmes: - les bilames insérées dans la partie puissance - le contact normalement fermé de coupure de la partie commande en cas de surcharge - le contact normalement ouvert de signalisation de défaut - la partie mécanique assurant le déclenchement - la protection différentielle par mécanique à déséquilibre - l'effet du bouton de réarmement - la mécanique de réglage du courant assurant le déclenchement Ces parties étant assimilées, on expérimentera sur un relais à faible courant (réglable de 0,5A à 1A environ) le déclenchement en utilisant comme charge un rhéostat de lampes ou toute autre charge consommant un courant supérieur à la valeur réglée. On constatera le temps mis par les bilames pour se déformer et provoquer l'ouverture du contact, on en déduira ainsi la différence qui l'oppose au fusible. On abordera le disjoncteur avec une procédure identique au relais thermique. Il ne sera pas nécessaire d'utiliser un disjoncteur des plus complexes, les petits disjoncteurs de fabrication locale 10A et 15A sont très bien adaptés à ce genre d'étude. Ils sont facilement démontables et leur constitution interne tant du point de vue électrique que mécanique est des plus simple. Comme pour le fusible et le relais thermique on procédera à une expérimentation sur l'un d'entre eux pour noter la rapidité du déclenchement. A noter que ces expériences peuvent être simulées sur matériel informatique. Il suffira de disposer des fichiers adéquats ou alors de les concevoir. Néanmoins une expérience de visu est bien plus profitable par le fait qu'elle montre la réalité de l'installation. 15 G - Fonction Puissance: Temps alloué : 12 H Compétences attendues : Etre capable de: - expliciter la transformation d'énergie effectuée dans un moteur - énumérer les diverses parties d'un moteur série CC - énumérer les diverses parties d'un moteur asynchrone triphasé - expliquer le fonctionnement et les domaines de mise en œuvre des moteurs série CC et asynchrone triphasé - expliquer le fonctionnement et le rôle attribué à un vérin pneumatique - expliquer le rôle du distributeur Les trois sections qui suivent et qui sont en respectant l'ordre chronologique donné: les fonctions puissance, commande et acquisition de données, vont nous permettre d'ores et déjà de parler de système automatisé sans entrer dans tous les détails des interactions existantes entre les divers constituants de ces derniers. L'enseignant devra trouver des astuces afin de fixer chez l'apprenant un cap tel que celui-ci sache exactement l'objectif de la leçon et ce à quoi vont servir les connaissances à acquérir. Il s'agira d'expliquer aux élèves qu'un système minimum automatisé ou pas agit par l'intermédiaire d'actionneurs, que ces derniers ne font qu'exécuter des ordres provenant d'une partie appelée "commande" et que celle-ci prend ses décisions en fonction d'informations reçues qui correspondent à des signaux électriques résultants d'éléments appelés capteurs, et ce dans le cas d'un système automatique. On notera qu'à cette étape du programme, l'élève a déjà une certaine idée de ce que sont les capteurs puisqu'on y aura fait allusion lors de l'étude des CTP, CTN etc. (voir section sur le courant continu). De même qu'on aura abordé les relais électromagnétiques sans s'y attarder certes (voir section sur le courant alternatif) mais suffisamment pour dire que cet élément est à intégrer dans la partie commande. De ceci on déduira que: - L'information provient des capteurs qui l'envoient à la partie commande c'est la fonction acquisition de données - Un ordonnateur prend des décisions qui sont fonction de ces informations et qu'il enverra sous forme d'ordres à exécuter c'est la partie commande - Des composants vont agir pour exécuter ces ordres reçus sur le plan de la puissance ce sont des actionneurs: moteurs, vérins électrovannes etc. Par cette manière d'aborder les choses l'élève saura à quoi s'en tenir en distinguant parfaitement le rôle et l'importance de chacune des fonctions auxquelles nous avons fait référence. Il nous reste à présent à entrer dans les détails techniques et technologiques des thèmes du programme. Moteur série: On se limitera au moteur bipolaire. Pour l'introduire il suffira de revenir sur la spire en rotation vue dans la loi de Laplace. Montrer que celle-ci placée dans un champ magnétique et traversée par un courant, était soumise à un couple. Le champ ne provient plus d'un aimant mais d'une bobine c'est l'inducteur Afin de maintenir une rotation continue on utilise plusieurs spires reliées à un élément essentiel qui est le collecteur. De la on parlera succinctement des différents types d'excitation et nous nous intéresserons uniquement à l'excitation série avec ses avantages et ses inconvénients. On montrera que la rotation entraîne la variation du champ dans chaque spire et que conformément à la loi de Faraday il y a création d'une FCEM. On donnera les formules liées - à la FCEM E'=NФn - à la puissance absorbée P=U.I - à la puissance perdue par effet joule dans l'induit et l'inducteur - au couple électromagnétique 16 - à l'existence de pertes constantes - au couple utile et à la puissance mécanique utile - au rendement. Cette partie mathématique assimilée, on prouvera d'une part qu'il est possible de faire varier le sens de rotation en inversant le sens du courant dans l'inducteur ou dans l'induit, d'autre part que la vitesse de rotation peut être réglée. Dans ce dernier cas nous placerons un rhéostat en parallèle avec l'inducteur, on fera varier la tension aux bornes de celui-ci en déviant une partie du courant consommé, ceci nous permettra de maintenir une tension d'alimentation constante. Les schémas aideront à comprendre la partie théorique, l'exécution pratique sur panneaux confirmera le tout. Moteur asynchrone triphasé: Il ne sera pas nécessaire d'entrer dans les détails du fonctionnement du moteur asynchrone triphasé, il suffira de dire que les bobines produisent un champ tournant qui entraîne un rotor en aluminium ou en cuivre (cage d'écureuil) et que ce rotor peut être bobiné pour les gros moteurs. On procédera par une expérience simple demandant la présence d'un cylindre en aluminium placé au milieu de trois bobines que l'on alimentera par une source triphasée. Après avoir constaté la rotation, on permutera deux phases pour montrer la manière de changer le sens de rotation. Il est important que l'élève sache que la vitesse du champ tournant étant fixe, seule la charge influera sur la vitesse de rotation, on sera amené à définir le glissement ainsi que les formules liées. La présence d'un stroboscope nous permettra de mesurer directement ce glissement en faisant variant la charge sur un moteur réel. On détaillera les transformations de l'énergie consommée à travers les formules donnant: - la puissance absorbée P= 3 . UI Cosφ les pertes Joule et fer au stator la puissance transmise vers le rotor les pertes Joule rotor le couple électromagnétique et la puissance mécanique la puissance mécanique utile et le couple utile le rendement Un diagramme où figure le bilan des puissances complétera le tout. L'élève devra être capable de faire usage des relations sans explication ou démonstration mathématique profonde. En effet n'ayant pas encore atteint un degré de maîtrise prononcé des systèmes triphasés seule l'application des formules sera prise en compte. Nous conclurons en donnant la plaque à bornes où l'on expliquera la méthode à suivre pour effectuer un couplage étoile ou triangle, de même que l'on se prêtera au jeu de la lecture de plusieurs plaques signalétiques pour déterminer le type de couplage à adopter. Vérins et distributeurs: Il s'agira de définir le vérin en tant qu'actionneur dans un système et le distributeur en tant que pré actionneur. On donnera la constitution du vérin simple effet puis double effet, et on s'intéressera aux différences existantes entre eux. On étudiera les divers types de distributeurs donnés dans le programme mono et bistables, puis on s'appuiera sur des exemples liés à des systèmes simples tels que les cycles: pendulaires, en "L" ou en "U" pour les applications. Il est évident qu'il y aura lieu d'y faire figurer les fins de courses nécessaires, et pour cela on se basera plus particulièrement sur les éléments électropneumatiques (le tout pneumatique sera détaillé en classe supérieure). En cas de non disponibilité de salle de pneumatique, on procédera par simulation sur système informatique à l'aide d'un logiciel adéquat. 17 H - Fonction commande: Temps alloué : 6 H Compétences attendues : Etre capable de: - expliquer le contrôle d'un grand courant par un petit courant - expliquer le fonctionnement du transistor en commutation - câbler un contacteur commandé en 24V avec circuit de puissance en 220/380V - mettre en œuvre un relais statique commandé par une fonction logique La commande est vue dans les systèmes automatiques comme la partie la plus importante du point de vue fonction et complexité. Elle constitue pour nous un centre d'intérêt essentiel en ce sens qu'elle peut évoluer sur le plan technologique. A ce stade, nous demeurons encore dans les balbutiements de son étude puisqu'il est demandé dans cette section uniquement la mise en œuvre du transistor en régime de commutation et du contacteur. Le relais et le contacteur: Utiliser des relais usagés dont nous étudierons la constitution par démontage. On expliquera le rôle de chaque élément puis on procédera aux essais montrant le mouvement de fermeture ou d'ouverture des contacts. On n'omettra pas de signaler la différence existante entre un relais et un contacteur (présence ou non de contacts de puissance et protection contre l'arc par soufflage). L'essai devra montrer que l'on peut commander une grande tension (Puissance) à l'aide d'une petite tension (Commande) c'est ici que la mise en valeur de l'élément prend toute son ampleur. Que devra-t-on déduire de cette première approche? - Tout d'abord que l'introduction d'un contacteur amène à distinguer deux montages: la puissance et la commande; on mettra ceci en valeur par le schéma suivant: - Puis on profitera de cette acquisition de connaissance pour introduire l'effet mémoire engendré par le contact de maintient. On remplace l'interrupteur par un bouton poussoir et on devra mener l'élève à trouver la solution suivante pour la commande: - Lors de chaque réalisation on fera intervenir le sectionneur en tant que premier appareil de la partie puissance. - On conclura avec la mise en œuvre du relais thermique dans un montage commandant un moteur. 18 Le transistor en commutation: L'assimilation de la commande d'une grande tension par une petite tension va grandement faciliter l'étude du transistor en commutation. En effet il est demandé de contrôler un grand courant (IC) par un petit courant (IB) de manière rapide et efficace. A ce stade il n'est pas nécessaire que l'élève ait une maîtrise parfaite du transistor. Le seul but est d'utiliser celui-ci en interrupteur commandé. On donnera la relation IC = β.IB, la valeur VBESat et on considérera que VCESat = 0 lors de la saturation du transistor et IC = 0 lors du blocage. Un moyen simple pour débuter est d'utiliser comme charge une LED et un interrupteur comme suit: On remplacera ensuite l'ensemble résistance de limitation par un mini relais 24 Volts pour charger le transistor. On mettra à profit cette situation pour montrer le rôle joué par la diode de roue libre. Afin d'évoluer en complexité et efficacité on posera une situation problème où il sera demandé de commander un élément de puissance à partir d'une fonction logique comme suit: 19 I - Fonction acquisition de données: Temps alloué : 6 H Compétences attendues : Etre capable de: - dire avec des mots simples l'élément convertissant une grandeur physique en grandeur électrique - expliquer le rôle d'un capteur - énumérer les principaux types de capteurs Le but est des plus clairs: il s'agit de montrer que la partie commande nécessite la présence d'informations pour prendre ses décisions. Elle utilise pour cela les comptes rendus fournis par les capteurs qui convertissent les grandeurs physiques externes en grandeurs électriques compréhensibles et aptes donc à être traités par les constituants de la commande. L'élève ne part pas désarmé puisqu'il possède certaines capacités concernant les CTN, CTP, photocellule etc. Il s'agira à travers une situation problème adéquate comme le contrôle de température dans un chauffage électrique dans des limites déterminées (thermostat), de faire de l'ensemble des capacités des compétences reconnues chez l'élève. Des situations quotidiennes connues en plus de l'exemple donné ci-dessus sont: - commande de l'alimentation du moteur d'un réfrigérateur - commande de l'éclairage public avec cellule photoélectrique - alimentation d'un compresseur (capteur de pression) - contrôle du niveau de l'eau dans un château d'eau etc. La liste n'est pas exhaustive. On donnera les caractéristiques connues de certains capteurs telle la photocellule pour procéder à des calculs. Les phototransistors pourront par exemple être mis en œuvre dans les disques codés GRAY ou autre pour le contrôle du positionnement d'antennes ou de caméras, les sources de lumière étant des LED. 20 J - Fonction comparaison de données: Temps alloué : 6 H Compétences attendues : Etre capable de: - expliquer le rôle d'un comparateur logique, et d'un comparateur analogique - donner la différence existante entre comparateur logique et analogique - mettre en œuvre un comparateur logique et interpréter les résultats - mettre en œuvre un Ampli -Opérationnel en comparateur et déterminer son domaine d'action Dans la fonction comparaison de données entre deux grandeurs A et B, on notera que l'on a dérogé à la méthode habituelle qui consiste à classer le comparateur analogique à ampli opérationnel dans un compartiment différent de celui du comparateur numérique. Effectivement les différences existent, la plus notable étant qu'en analogique nous n'obtenons jamais A = B comme cela se fait en numérique. En tout état de cause nous restons dans la comparaison de données, et si l'on devait rester dans le tout numérique il aurait fallu procéder à la conversion analogique digital domaine réservé à la 3AS. Comparateur analogique: Tout comme pour le transistor dans la fonction commande, il n'est pas fait obligation d'avoir une maîtrise parfaite de l'ampli opérationnel étant donné qu'on le fait travailler en saturation. Par exemple dans la situation problème de l'éclairage public, on reviendra sur la commande du transistor par photocellule pour montrer qu'il est plus efficace d'utiliser un ampli opérationnel: Comparateur logique: Les élèves doivent avoir à présent une assez bonne idée des circuits TTL et CMOS. Il suffira alors d'étudier en premier lieu la comparaison de deux nombres A et B à un bit et de déterminer les équations de sorties pour les sorties A=B, A>B et A<B pour expliquer le principe de la comparaison. On généralisera le tout avec un circuit comparateur existant à 4 bits SN 7485 ou le CD 4585 en CMOS. Les situations problèmes sont nombreuses, par exemple on pourrait commander un transistor chargé par un relais si A = B. Les deux nombres A et B peuvent être générés par des roues codeuses et/ou par le résultat obtenu en sortie d'un additionneur 4 bits tel le SN 7483. 21 Une autre situation problème pourrait être la commande d'un four de cuisson ou d'un moteur de machine à laver qui devront s'arrêter dès que le minuteur fournit une valeur égale à celle donnée par la référence: 22 K - Fonction amplification: Temps alloué : 8 H Compétences attendues : Etre capable de: - expliquer le rôle de l'amplificateur en électronique - calculer l'amplification en tension d'un étage Emetteur Commun unique à transistor - calculer l'amplification et choisir les résistances appropriées dans un amplificateur opérationnel (A.O). - monter un ampli linéaire en CI en utilisant la documentation constructeur. A l'évidence le volume horaire imparti ne permet aucunement d'entrer dans les détails de l'étude sur l'amplification telle que celle-ci s'effectuait auparavant. Le programme est assez explicite en ce sens qu'il demande: a) de donner le principe de l'amplification: pour cela on utilisera le réseau de caractéristiques du transistor que l'on donnera aux élèves sur tirage avec le point de fonctionnement fixé et application d'un signal sinusoïdal sur la base qui fera varier le potentiel de cette dernière. On montrera que ce point de fonctionnement en IC et VCE varie pour donner en sortie le même signal mais inversé et surtout de plus grande amplitude. On en déduit AV = ∆VCE/∆VBE. b) On utilisera ce même réseau pour déterminer : h11 = ∆Vbe/∆Ib h12 = ∆Vbe/∆Vce ≈ 0 h21 = β = ∆Ic/∆Ib h22 = ∆Ic/∆Vce ≈ 0 c) Les condensateurs de liaisons et de découplage seront considérés d'impédance nulle à la fréquence de travail de même que le générateur d'alimentation sera vu comme un court circuit en régime dynamique. On déduira le schéma équivalent pour le transistor où l'on aura négligé h12 et h22: d) On ajoute la résistance Rc de polarisation qui sert Av=-βRc/h11 puis la résistance d'entrée Re = Vbe/ib = h11: de charge et on calcule e) On ajoute les résistances de polarisation de la base (pont) Rp, donc h11 se retrouve en parallèle avec Rp ce qui donne Re = h11 // Rp 23 f) enfin on placera une charge RL externe qui dans le schéma se retrouve en parallèle avec Rc ce qui donne Av = - β(Rc//RL)/h11. On déduira que le gain pour un transistor donné dépend de la charge. Dès le début du cours l'élève devra remarquer que la position du point de fonctionnement ainsi que la valeur des signaux de commande interdisent le travail du transistor en tout ou rien. Amplificateur à Ampli Opérationnel : Dans le comparateur analogique nous aurons engendré chez l'élève une réflexion certaine quand au régime de fonctionnement en saturation. On sera peut être amené à rappeler l'instabilité due au fort gain en boucle ouverte. Il découlera de cette situation problème la recherche d'une solution en vue d'obtenir en sortie un signal stable. C'est ici qu'il y aura lieu d'introduire la contre réaction négative en renvoyant sur l'entrée le ou une fraction du signal de sortie ce qui entraînera l'ensemble vers l'équilibre. On déterminera le gain pour un ampli inverseur et non inverseur, puis on procédera aux calculs des résistances à placer pour obtenir un gain imposé. On éludera le calcul des résistances d'entrée et de sortie de l'amplificateur. On conclura en faisant une analogie avec le transistor en rappelant que l'ampli opérationnel peut fonctionner en tout ou rien ou en régime d'amplification. Amplificateur linéaire en circuits intégrés: Les items précédents ont permis de comprendre le principe de l'amplification, d'effectuer des calculs; mais il serait difficile de mettre en œuvre ces montages à un étage dans une application réelle même simple. Ce troisième item, offre la possibilité d'exécuter une expérience bénéfique aux élèves en montant un ampli BF son pour télévision ou chaîne stéréo. On y ajoutera un microphone, un haut parleur et les composants nécessaires indiqués dans les livres de données. De nombreux amplis en CI linéaires de type TDAxxxx et autres sont disponibles sur le marché tels que: TBA 820S TDA 2010 12W / 4Ω TDA 2020 20W / 4Ω TDA 2030 12W / 4Ω TDA 1037 10W / 5A etc. Il suffira de se référer à la documentation constructeur pour avoir le schéma à constituer: 24 L - Fonction codage et décodage: - Temps alloué : 8 H Compétences attendues : Etre capable de: Donner le rôle du multiplexeur et démultiplexeur, et expliciter le rôle des différentes broches Utiliser un Multiplexeur, démultiplexeur pour la transmission et la réception de données Etablir le schéma d'un décodeur BCD - décimal Etablir la commande d'afficheurs anode ou cathode commune par des décodeurs BCD-7 segments mis en cascade Etablir le schéma d'un transcodeur simple de type Binaire - Gray avec portes logiques Cette fonction peut se retrouver dans un système tant en entrée qu'en sortie mais aussi lors du traitement des données. Transcodeur: Pour entrer dans la fonction codage et décodage, l'étude des transcodeurs est une bonne solution. Rappelons qu'il n'est pas question de traiter d'un transcodage complexe, mais simplement de montrer comment une structure logique permet un changement de code. On se limitera à des mots de 4 bits avec des transcodeurs de type Binaire vers Gray ou Gray vers Binaire d'où l'on extraira les équations logiques des sorties à l'aide des tableaux de Karnaugh. Les logigrammes résultants seront utilisés pour des réalisations pratiques sur simulateur à des fins de vérification. Affichage des données: L'affichage de données est une opération essentielle pour que l'être humain puisse interpréter les résultats d'un traitement. Il n'est pas nécessaire de détailler la manière à suivre pour s'approprier cette fonction. L'affichage constitue un domaine assez vaste, particulièrement avec l'arrivée des nouvelles technologies. Nous recommandons uniquement l'étude du principe d'un décodeur BCD vers 7 segments à travers la recherche des équations des sorties a,b,c,d,e,f et g à l'aide des tableaux de Karnaugh. Il est par contre impératif d'étudier en détail les décodeurs de type SN 7447 AC et SN 7448 CC avec la mise en œuvre des broches RBI et BI/RBO pour l'effacement des zéros non significatifs. Sur simulateur on expérimentera les décodeurs et afficheurs avec commande par roues codeuses. On parlera du rôle des résistances de limitation du courant des segments (LEDs) Toutes les réalisations effectuées lors des précédentes leçons telles l'utilisation d'additionneurs peuvent être reprises avec leurs sorties placées sur décodeurs pour obtenir un ensemble plus conséquent et plus proche de la réalité. 25 Multiplexeur et démultiplexeur: En général le multiplexage de données s'intègre dans des structures trop complexes à ce niveau d'étude, et nécessite souvent des éléments dynamiques extérieurs tels les compteurs qui ne sont pas connus ici. Nous nous limiterons donc à l'étude du multiplexage et du démultiplexage en tant que sélecteur et orienteur de données. Multiplexeur :SN 74151 8 bits SN 74150 16 bits SN 74153 double 4bits Démux :SN 74138 8 bits SN 74154 16 bits SN 74155 double 4 bits Une situation problème adéquate sera la transmission de données sur une ligne téléphonique à travers la conversion parallèle série par le multiplexeur puis en réception série parallèle par le démultiplexeur. Les données à transmettre seront des suites alphanumériques codées en ASCII, chaque élève devra avoir en sa possession le code ASCII limité. Un autre exercice utile aux élèves est la génération d’une équation logique par multiplexeur dans une structure logique ce qui évite l’usage encombrant de portes. Par ailleurs il serait bénéfique d'associer les deux domaines que sont le multiplexage et l'affichage de données sur 7 segments en posant la situation problème où l'on souhaite éviter la présence d'un nombre trop élevé de décodeurs. Un seul décodeur BCD vers 7 segments commande l'ensemble des afficheurs le choix de chacun d'entre eux se faisant par multiplexage. Mais la encore il faudra introduire un compteur qui rythmera le tout et donnera la cadence de l'allumage et de l'extinction de chacun des afficheurs. 26 M - Notions de logique programmée: - Temps alloué : 18 H Compétences attendues : Etre capable de: distinguer la logique câblée de la logique programmée utiliser la documentation constructeur pour réaliser une fonction déterminée à base d’une UAL (de type 74181) par programmation des entrées de commande commander un moteur à deux sens de rotation par API en utilisant le langage à contact L'enseignement de cette section est crucial non pas par le volume qu'elle impose en terme d'horaire ou de complexité, mais plutôt par les conséquences qu'elle engendrera chez les élèves quand à la relation qu'ils auront face à un environnement où la technologie programmée gagne de plus en plus d'espace. Après avoir montré la différence entre logique câblée et logique programmée nous entrerons graduellement dans cette notion d'une complexité avérée en abordant tout d'abord l'unité arithmétique et logique UAL dont les fonctions internes en logique combinatoire sont bien connues des élèves. Sa programmation ne nécessitant pas la connaissance d'un langage particulier ou d'algorithmique, il suffira d'avoir en sa possession un support pour UAL SN 74 181 et un ensemble de roues codeuses sur simulateur pour mener à bien le contrôle de la table de vérité. L'élève se sera ainsi approprié cette notion sans difficultés majeures en constatant que le changement de la valeur du mot sur les entrées de contrôle déterminera la fonction à réaliser en sortie. On fera noter aux élèves que les entrées de contrôle équivalent à un programme qui pourrait être lu en mémoire. L'automate programmable: C'est l'appareil type utilisé en logique programmé dans l'industrie. On recommande fortement l'étude de son organisation interne en schémas blocs même si certaines parties telles les mémoires ou le microprocesseur restent dans un domaine à étudier. On mettra en évidence le fait que le nombre d'entrées et de sorties est fixe mais que l'on peut utiliser tout ou partie de celles-ci. Les automates à programmation par logique à contact sont d'une simplicité d'utilisation réelle, aussi les applications qui s'y attachent sont très nombreuses: - commande de moteurs du point de vue sens, vitesse, type de démarrage etc. - jeux de lumières, domaine très prisé des élèves - génération d'un signal de commande si une certaine condition est réalisée (résultat d'une opération arithmétique, logique etc.) Il serait judicieux de mettre en évidence la souplesse de l'automate par rapport à un système en logique dite câblée en exécutant deux montages: le premier en logique programmée commandé donc par l'automate, le second en logique câblée. On définira divers types de fonctionnements qui entraîneront une évolution du câblage, les élèves constateront alors une différence à l'avantage de la logique programmée dès que le système se complique. C'est là le but de l'appropriation de cette notion. 27 N - Fonction alimentation: Temps alloué : 12 H Compétences attendues : Etre capable de: - Expliquer le but de l'alimentation - Expliquer le but du redressement, le rôle du transformateur dans le montage, le rôle des diodes et des condensateurs - Calculer les valeurs moyennes et efficaces obtenues, les mesurer au voltmètre et à l'oscilloscope - Monter un circuit de conversion alternatif -continu, en utilisant un transformateur approprié, un filtre et un régulateur de type 78xx Les composants électroniques des montages sont polarisés en courant continu. En plus des appareils fonctionnant sur batterie, on trouve ceux fonctionnant sur pile et secteur et ceux utilisant uniquement le secteur. La situation à poser aux élèves est comment résoudre le problème de l'appareillage électronique fixe alimenté à partir du secteur. De là on déduira qu'il est impératif de trouver un moyen de conversion de l'alternatif au continu. La première étape consistera à donner le schéma bloc d'une alimentation simple: On étudiera le rôle de chaque partie: Le transformateur: Il n'est pas question d'étudier le transformateur de manière détaillée, nous nous baserons sur les acquis des élèves concernant le circuit magnétique et les bobinages. Donc en plus de la constitution nous montrerons que l'application d'une tension U1 au primaire induit une tension U2 au secondaire dont la valeur dépendra du rapport du nombre de spire de chaque enroulement. On ne parlera ni de pertes fer ni de pertes cuivre encore moins de l'hystérésis. L'élève devra intégrer la seule relation U2/U1 = N2/N1. Nous profiterons de cette conclusion pour parler des transformateurs dont le primaire possède deux entrées (110V/220V) et de ceux à plusieurs sorties (point milieu ou multi sorties) ces derniers sont assez connus puisqu'ils sont largement répandus sur le marché. Le redressement: Seul l'utilisation de diodes est indiquée. On commencera par le redressement simple alternance en donnant le schéma, le fonctionnement avec les formes d'ondes ainsi que les valeurs moyenne et efficace de la tension ou du courant redressé. Les formules seront données directement, le calcul intégral n'étant pas étudié. Il est important de définir les notions de facteur de forme F=Ueff/Umoy et de taux d'ondulation (F2-1)1/2.100% pour situer la tension redressée par rapport à une grandeur continue. On déterminera pour la diode les valeurs extrêmes à savoir le courant direct maximal et la tension inverse maximale dans le but de pouvoir choisir le type de diodes à mettre en œuvre pour une réalisation déterminée. Le redressement double alternance doit suivre le même cheminement dans l'étude si ce n'est qu'il faudra donner des exemple d'utilisation de redresseurs en ponts intégrés. 28 On terminera par la même méthode avec le redressement utilisant un transformateur à point milieu que l'on retrouve très souvent dans les magnétophones. D'ailleurs le programme précise qu'il est souhaitable de démonter un appareil usagé de ce type pour mettre en évidence l'opération de redressement et le rôle du contact connectant ou déconnectant la batterie suivant la mise en place du cordon de secteur. Filtrage: Le filtrage dans notre cas utilisera seulement des condensateurs. Ces derniers ayant été abordés dans la section courant continu, il s'agit ici de rappeler le phénomène de charge et de décharge et l'influence de la constante de temps τ = R.C. De là on déduira les valeurs moyenne et efficace approchées ainsi que le facteur de forme et le taux d'ondulation suivant le type de redressement la charge et la valeur de la capacité. L'alimentation stabilisée: Afin d'entrer avec facilité dans les régulateurs de tension en circuits intégrés, il est impératif de montrer comment une alimentation stabilise en tension. On donnera un schéma bloc du type suivant pour étayer l'explication: Tous les éléments sont connus: diode zéner pour la référence, transistor ou ampli opérationnel pour le comparateur et transistor de sortie pour l'amplification en courant. On peut à présent mettre en œuvre les régulateurs de type 78xx. 29 O - Les systèmes automatiques: Temps alloué : 24 H Compétences attendues : Etre capable de: - expliciter les documents constitutifs du dossier technique d'un système automatisé - Spécifier la matière d'œuvre mise en jeu entre l'entrée et la sortie - Suivre une démarche d'analyse fonctionnelle d'un système automatisé - Identifier les différentes parties du système et définir leur fonction - Etablir une représentation structurée du système On aura constaté que l'enseignement proposé se basant sur des situations problèmes où l'on fait référence de manière permanente à des objets techniques donc des systèmes automatisés ou pas, l'élève ne sera point surpris une fois entré dans cette section. Il s'agit ici de généraliser le concept de systèmes automatiques en introduisant un cahier des charges au lieu d'une simple situation problème, de modéliser les taches à réaliser et à automatiser en introduisant le SADT et enfin de mettre en œuvre une méthode d'automatisation avec l'usage de techniques pas à pas qui est le Grafcet. Il est absolument impératif de traiter la structure des systèmes automatisés dès la 2AS avec tous les éléments qui s’intègrent dans cet environnement. Evacuer en classe de 3AS ce qui n’a pas été appréhendé cette année entraînera l’enseignant et plus encore ses élèves vers un échec assuré. Après avoir défini la structure des systèmes automatisés on évoquera le cahier des charges qui devra dans la mesure du possible correspondre à un système existant pour éviter de rester dans le tout théorique et l’imaginatif ! On montrera que la matière d’œuvre peut être de diverses origines : matière, énergie, information et que le but est de la traiter pour en faire un produit à valeur ajoutée tel est l’objectif de tout système. On mettra en valeur les différentes spécifications que l’on peut y trouver et toutes les contraintes imposées. Dans la méthode SADT on ne parlera que de l’actigramme (A0) sans jamais faire référence à ce qu’est un datagramme. On se limitera à une analyse fonctionnelle descendante de niveau 2 (A1). Les fonctions qui en découlent nous permettrons d’aborder la notion de tâche. On précisera que si une tâche reste complexe il y aura lieu de la décomposer en sous tâches mais sans entrer dans une analyse descendante de niveau 3. A ce stade il faudra exercer les élèves par usage de systèmes existants ou tout à fait théoriques (sur papier) afin qu’ils parviennent à situer la matière d’œuvre traitée, déterminer la valeur ajoutée, trouver les supports qui pourrait agir sur la matière d’œuvre pour accomplir une tâche donnée, rechercher les contraintes etc. Ceci est crucial pour l’élève qui est amené à affronter la réalité des choses seul ou avec ses camarades de groupe, il s’agit d’en faire un être autonome de manière progressive mais sûre. Une fois que l’enseignant aura jugé d’un niveau de maîtrise de l’analyse fonctionnelle conforme à la compétence correspondante on pourra aborder le Grafcet de niveau 1 et de niveau 2 en reprenant les systèmes utilisés comme supports ou en y introduisant de nouveaux. Le Grafcet devra rester dans les limites de sa signification à savoir la description du fonctionnement d’un système automatique en niveau 1 ou 2 mais il est hors de question de parler d’implémentation matériel du Grafcet en abordant les séquenceurs qui nécessite la connaissance des mémoires lesquelles sont du domaines de la 3AS. Toutefois il a été prévu de mettre en œuvre un système automatisé avec Grafcet en utilisant un appareil qui à présent doit être connu des élèves : l’automate programmable. Dans la partie commande en logique programmée on a pu voir avec l’API et la programmation à contacts la facilité avec laquelle les solutions se présentaient. 30 Nom du document : Guide Final Répertoire : C:\Documents and Settings\MEGHZI\Bureau Modèle : C:\Documents and Settings\MEGHZI\Application Data\Microsoft\Modèles\Normal.dot Titre : FILIERE TECHNIQUE MATHEMATIQUE Sujet : Auteur : Amar BenAmara Mots clés : Commentaires : Date de création : 10/02/2006 11:42 N° de révision : 29 Dernier enregistr. le : 11/02/2006 3:33 Dernier enregistrement par : MEGHZI Temps total d'édition :236 Minutes Dernière impression sur : 11/02/2006 3:33 Tel qu'à la dernière impression Nombre de pages : 31 Nombre de mots : 10 837 (approx.) Nombre de caractères : 59 608 (approx.)
