Déroulement de la séquence

Terminale STI Électronique Système technique : « Pousse seringue » Page 1/21

Séquence n°7 : étude de la fonction alimentation

Présentation de la séquence

G BERTHOME/F MANDIN - Lycée Mireille GRENET - COMPIEGNE

Déroulement de la séquence :

Phase 1 : recentrage fonctionnel sur la fonction alimentation (20 min) (travail individuel)

Page 2

Phase 2 : TP simulation sur la fonction alimentation (3h) (travail en binôme) Page 4 1 Étude de FA1.1 : le transformateur Page 4 Synthèse : le transformateur (20min) (travail en groupe avec le professeur) 2 Étude de FA1.2 : le pont de diode ou pont de Graëtz Page 7 Synthèse : le redressement (20min) (travail en groupe avec le professeur) 3 Étude de FA1.3 : le condensateur Page 10 Synthèse : le filtrage (20min) (travail en groupe avec le professeur) 4 Étude de FA1.4 : le régulateur Page 13 Synthèse : le régulateur (20min) (travail en groupe avec le professeur) Synthèse : l’alimentation (20min) (travail en groupe avec le professeur) Phase 3 : TD dimensionnement du dissipateur thermique pour le régulateur (30

min) (travail individuel) Page 18

Synthèse : le dissipateur (20min) (travail en groupe avec le professeur) Document ressource : le transformateur Page 19 Document ressource : procédure de simulation de l’expression mathématique

de plusieurs sondes du schéma structurel Page 20

Partie du programme traitée lors de cette séquence :

Connaissances Dénomination de la connaissance F.3.2 Transformateur G.2.1 Redresseur G.2.4 Contrôle de l’énergie : le régulateur

Matériel et documents disponibles :

Type de matériel ou de documents Titre du document ou type de matériels Logiciel de simulation PROTEUS 5.2 Dossier technique POUSSE SERINGUE Document constructeur Documents techniques



Phase1 : recentrage fonctionnel sur la fonction alimentation


Compétences terminales demandées lors de cette phase :

B : d’analyser l’organisation fonctionnelle d’un objet technique afin : B2 : de vérifier que toutes les grandeurs d’entrée et de sortie présentes sur le schéma fonctionnel, sont disponibles dans l’environnement de l’objet technique ; D : d’identifier à une fonction la ou les structures participant à sa réalisation.

Objectifs opérationnels : être capable de repérer sur le schéma structurel de FA2 « Contrôle d’avance mécanique » la fonction alimentation, être capable de définir le rôle des fonctions secondaires FA11 « Abaisser la tension », FA12 « Redresser la tension », FA13 « Filtrer la tension » et FA14 « Réguler la tension ».

TRAVAIL DEMANDÉ

Question1 Encadrer sur le schéma structurel page 3 la fonction alimentation. Question2 Donner le nom de l’entrée de la fonction alimentation. Question3 Donner le nom et les caractéristiques de la sortie de la fonction alimentation. Question4 Donner le nom et le rôle de la fonction FA11. Question5 Donner le nom et le rôle de la fonction FA12. Question6 Donner le nom et le rôle de la fonction FA13. Question7 Donner le nom et le rôle de la fonction FA14.



Phase1 : recentrage fonctionnel sur la fonction alimentation


Terminale STI Électronique Système technique : Pousse Seringue Page 4/21


Phase2 : TP simulation sur la fonction alimentation


Compétences terminales demandées lors de cette phase : E : Analyser l’organisation structurelle d’une fonction afin : E1- d’établir les relations entre grandeurs d’entrée et de sortie qui caractérisent cette fonction ; E2 : de justifier le dimensionnement d’un composant ; E4- d’évaluer que la fonction requise est assurée. H : de produire un dispositif de mesurage et/ou de test : H2 : élaborer le mode opératoire adéquat, H3 : effectuer les mesures, H4 : traduire les résultats fournis par le dispositif de test,

Objectifs opérationnels : être capable de simuler la fonction alimentation du pousse seringue, être capable de nommer et justifier la présence des différents éléments de la chaîne de conversion. être capable de justifier le dimensionnement des différents composants.

Schéma structurel de la fonction alimentation :

V batterie

0V

LM 317

R1=220Ω

R2=1.1 KΩ

C1=2200µF

C2=100µF

D5

Batterie 6.6V

+

-

D2 D1

D3 D4

Secteur 220V/50Hz

TR1 220V/12V

Vreg

1 Étude de FA11 : le transformateur

1.1. Caractérisation de l’énergie électrique du réseau

La tension arrivant sur la carte d’alimentation du Pousse Seringue est une tension réseau EDF classique.

Question1 D’après la fiche ressource relative au fonctionnement du transformateur, quelle est à

votre avis la forme de la différence de potentiel fournie par l’EDF ?

Question2 Quelle est sa valeur efficace ?





Question3 Quelle formule permet de calculer cette valeur efficace en fonction de la valeur maximale ou valeur crête ?

Question4 Quelle est sa fréquence ?

Question5 Quelle est sa période ?

1.2 Simulation

Soit le schéma suivant :

La résistance RCH symbolise la consommation du système technique du pousse seringue. Dans un premier temps on la fixera à 100ΩΩΩΩ, avant d’observer l’influence du courant de consommation du système sur l’alimentation.

Question6 Saisir le schéma présenté ci-dessus. Paramétrer le réseau EDF par un générateur pouvant produire le signal décrit lors du paragraphe « 1.1 Caractérisation de l’énergie électrique du réseau » (ce générateur se trouve dans la librairie nommée « ASIMMDLS »). Enregistrer ce schéma avec le nom : « alimentation.dsn » sous votre répertoire de travail.

Question7 On souhaite réaliser la simulation d’un transformateur 220V/12V. En vous aidant de la fiche ressource sur le transformateur, déterminer le rapport de transformation m.





Question8

Sachant que le rapport de transformation m=LsLpk×

-Lp :inductance du primaire, -Ls :inductance du secondaire, -k : facteur de couple (ce facteur de couple est égal à 1 pour un transformateur parfait). On suppose que Lp=2H (Henry : unité de l’inductance). Calculer la valeur de Ls pour obtenir le rapport de transformation m souhaité. Configurer alors les caractéristiques du transformateur afin d’obtenir le rapport de transformation m souhaité.

Question9 Observer et imprimer les différences de potentiel VPRIM et VSEC (au souhaite observer 3 périodes). Afin de simuler la soustraction des sondes VSEC=(VSEC+)-(VSEC-), il faut utiliser le document ressource page 18.

Question10 Calculer le rapport de transformation m. Est-il conforme à celui que l’on souhaitait

obtenir ? Si non modifier les valeurs de Lp et Ls.

Question11 Mesurer l’amplitude de VE et de VS à l’aide des curseurs. Reporter ces valeurs sur les courbes imprimées.

Question12 Mesurer la période de VE et de VS à l’aide des curseurs. Reporter ces valeurs sur les courbes imprimées.

1.3 Synthèse

Question13 Reporter dans le tableau du document réponse n°1 les différentes valeurs caractérisant les tensions en les calculant si nécessaire. Indiquer vos calculs sur votre feuille.

Question14 Quelles sont les caractéristiques des signaux qui ont changé entre l’entrée du

transformateur et sa sortie ?

Question15 La puissance apparente S2 = U2*I2 délivrée par le transformateur est de 12VA (Volt-

ampères). Calculer le courant nominal I2 fournit par le transformateur pour une tension de 12V. Dans ce cas, quel est le courant primaire I1 du transformateur ?





Question16 Quelle est la fonction réalisée ? Abaisser la tension Abaisser la fréquence Lisser la tension Abaisser la période

Question17

Reporter sur le document réponse n°3 le nom de la fonction et les caractéristiques de la différence de potentiel de la sortie.

2 Étude de FA12 : le pont de diode Soit le schéma suivant :

Question18 Compléter votre schéma de simulation. Question19 Observer et imprimer les signaux VSEC (tension de sortie du transformateur) et VRED (tension redressée en sortie du pont). Surligner : en vert, le signal de sortie du transformateur. en rouge, le signal en sortie du pont de diodes. Question20 Repérer sur les courbes imprimées, les périodes des signaux relevés.





Étude de FS12 pour t compris entre 0 et T/2 Question21 On symbolise les diodes du pont de diodes par des interrupteurs (voir document réponse n°1).

Quels sont les interrupteurs que l’on va devoir fermer pour que l’alternance positive se retrouve bien positive aux bornes de la résistance Vtran = VR ? ( compléter sur le document réponse n°1 ).

Question22 Dessiner en rouge le parcours du courant dans le pont de diode et la résistance de charge. Étude de FS12 pour t compris entre T/2 et T Question23 Quels interrupteurs doit-on maintenant fermer pour que l’alternance négative en sortie du transformateur se retrouve en positif aux bornes de la résistance : Vtran = -VR ? ( A compléter sur le document réponse n°1) Question24 Dessiner en rouge le parcours du courant dans le pont de diode et la résistance de charge. Alternance positive avec des diodes Question25 Les interrupteurs sont maintenant remplacés par des diodes. Sur le document réponse n°2, dessiner le parcours du courant dans le pont de diode et la résistance de charge lors de l’alternance positive en sortie du transformateur. Puis, cocher pour chaque diode la case correspondant à son état. Alternance négative avec des diodes Question26 Dessiner de la même manière le parcours du courant dans le pont de diode et la résistance de charge lors de l’alternance négative en sortie du transformateur. Puis, cocher pour chaque diode la case correspondant à son état.





Question27

Quelle est la fonction ainsi réalisée ? Redresser la tension

Elever la tension Question28 Reporter sur le document réponse n°3 le nom de la fonction et la tension de sortie. Justification du choix des diodes Question29

Exprimer VR en fonction de Vtran et de Vd (tension de seuil d’une diode) dans les cas suivants :

• 2Vd < Vtran : • -2Vd < Vtran < 2Vd : • Vtran < -2Vd :

Question30

En vous aidant de la documentation technique sur les diodes, donner la signification des termes

• VRRM • IFRM • IFAV • IFSM

Question31

Déterminer la tension inverse maximale que peut supporter une diode du pont ainsi que le courant maximal moyen qui peut la traverser.

On sait que la tension inverse supportée par une diode ne doit pas dépasser la tension de claquage de la diode et que la consommation totale du pousse-seringue est de 0.7A. Question32

Déterminer la tension inverse supportée par les diodes du pont. Question33

Justifier que les diodes D1 à D4 sont correctement dimensionnées.





3 Étude de FA13 : le condensateur 3.1 Rc=100ΩΩΩΩ Question34

À l’aide du logiciel de simulation à disposition, simuler le pont de diodes chargé par une résistance de 100 ohms en parallèle avec un condensateur de 2200µF. Question35

Visualiser et imprimer les chronogrammes de la tension en entrée du pont de diodes et celle aux bornes du condensateur. Question36

Quelle est la valeur moyenne Umoy de la tension ainsi obtenue ? Question37

Mesurer l’ondulation ∆∆∆∆U = (Umax-Umin)/2 (à l’aide des curseurs) de la tension filtrée.

Question38 Calculer le taux d’ondulation ∆∆∆∆U / (Umoy).

3.2 Rc=10ΩΩΩΩ

Reprendre les questions ci-dessus avec une résistance de 10 ohms. Question39

Visualiser et imprimer les chronogrammes de la tension en entrée du pont de diodes, celle aux bornes du condensateur et le courant dans la charge. Question40

Quelle est la valeur moyenne Umoy de la tension ainsi obtenue ? Question41

Mesurer l’ondulation ∆∆∆∆U = (Umax-Umin)/2 (à l’aide des curseurs) de la tension filtrée. Question42

Calculer le taux d’ondulation ∆∆∆∆U / (Umoy). 3.3 Etude du courant dans la charge Question43

À l’aide du logiciel de simulation à disposition, simuler le pont de diodes chargé par une résistance de 100 ohms sans le condensateur.





Question44

Visualiser et imprimer les chronogrammes des courants dans les diodes D1 et D2 et dans la charge. Question45

À l’aide du logiciel de simulation à disposition, simuler le pont de diodes chargé par une résistance de 100 ohms avec le condensateur 2200µF. Question46

Visualiser et imprimer les chronogrammes des courants dans les diodes D1 et D2 et dans la charge. Question47 Déterminer la valeur du courant dans la charge pendant le temps de conduction des diodes quand le condensateur est présent. Question48 Déterminer la valeur du courant dans la charge pendant le temps où les diodes sont bloquées quand le condensateur est présent. Question49 En comparant les résultats des deux simulations, donner le rôle du condensateur en considérant le courant dans la charge. 3.4 Synthèse Question50

Quelle fonction a-t-on réalisée ? Lisser le courant Aplatir la tension Filtrer la tension Stocker l’énergie

Question51 Reporter sur le document réponse n°3 le nom de la fonction et la tension de sortie. Question52 D’après les résultats de simulation, préciser l’évolution de la tension filtrée lorsque la charge (le courant débité) augmente. Pour que la régulation du LM317 soit correcte, la tension filtrée ne doit pas être inférieure à 10V. Question53

Déterminer la tension moyenne après filtrage de C1.





Question54 En considérant

- que le temps pendant lequel le condensateur se charge est négligeable devant le temps de décharge du condensateur,

- que le courant dans la charge est constant, - la formule liant la capacité du condensateur, le courant qui le traverse et la tension

à ses bornes, - les valeurs numériques mesurées sur les chronogrammes,

Justifier que le condensateur est bien dimensionné pour fournir le courant mesuré à la charge.





4 Étude de FA14 : le régulateur Question55

Compléter le schéma de simulation avec le régulateur LM317 et les résistances R1 et R2. Placer une résistance de charge RCH de 15ΩΩΩΩ. Question56 Visualiser et imprimer la tension en entrée et celle en sortie du régulateur. Question57

Quelle est la nouvelle valeur de tension obtenue ?

Question58 D’après la documentation constructeur du LM317, trouver la formule liant la tension de sortie du régulateur aux résistances R1 et R2.

Question59

Calculer la tension de sortie du régulateur. Comparer la valeur simulée avec celle calculée dans la documentation constructeur.

Question60 En prenant le schéma structurel complet, valider que la tension de sortie de l’alimentation est bien 6.8V. Donner le rôle de D7.

Question61 Quelle fonction a-t-on réalisée ?

Régulation de la tension Régulation de la fréquence Régulation du courant

Question62 Reporter sur le document réponse n°3 le nom de la fonction et la tension de sortie.

4.1 Étude des limites du régulateur LM317

4.1.1 Limite du courant de sortie (régulation en charge : load regulation)

Question63 Modifier la valeur de la résistance de charge afin d’augmenter la valeur du courant consommé. Mesurer alors la valeur de la tension de sortie. Question64 À partir de ce qui vient d’être observé, conclure sur l’effet d’un courant de consommation trop important sur la tension de sortie du régulateur. Question65





D’après la documentation constructeur, trouver les courants de sortie maximum selon les différents boîtier utilisés. 4.1.2 Limite de la tension de sortie (régulation de ligne : line regulation) Question66 Modifier la valeur de la résistance R2 afin d’augmenter la tension de sortie jusqu’à obtenir une ondulation sur la sortie.. Question67 Mesurer l’écart entre la tension de sortie et la tension d’entrée du régulateur à partir duquel la régulation ne fonctionne plus. Question68 D’après la documentation constructeur, trouver la valeur minimale VIN-VOUT pour obtenir une régulation correcte.





Document réponse n°1 1 Le transformateur

Secteur EDF Sortie Transfo Forme

Vc Veff

F T

2 Le pont de diode ou de Graetz 2.1 Alternance positive : 2.2 Alternance négative :

Vsec RCH Vred

+

-

I1 I2

I3 I4

Vsec RCH Vred

-

+

I1 I2

I3 I4





Document réponse n°2 2.3 Alternance positive avec les diodes : D1 : Passant D2 : Passant Bloqué Bloqué D3 : Passant D4 : Passant Bloqué Bloqué 2.4 Alternance négative avec les diodes : D1 : Passant D2 : Passant Bloqué Bloqué D3 : Passant D4 : Passant Bloqué Bloqué

Vsec RCH Vred

+

-

D1 D2

D3 D4

Vred Vsec RCH

-

+

D1 D2

D3 D4





DOCUMENT REPONSE N°3

FA1.1 FA1.2 FA1.3 FA1.4

220Volts Alternatif

12 Volt Continu

FA1



Phase 3 : TD dimensionnement du dissipateur thermique pour le régulateur (30 min) (travail individuel)


Compétences terminales demandées lors de cette phase : E : Analyser l’organisation structurelle d’une fonction afin : E1- d’établir les relations entre grandeurs d’entrée et de sortie qui caractérisent cette fonction ; E2 : de justifier le dimensionnement d’un composant ; E4- d’évaluer que la fonction requise est assurée.

Objectifs opérationnels : être capable de justifier que l’utilisation d’un dissipateur thermique est nécessaire,

être capable de dimensionner le dissipateur pour le régulateur LM317K. 1 Justification de l’utilisation d’un dissipateur thermique Question1 Calculer la puissance maximale Pmax que l’on souhaite dissiper. Question2 Calculer la puissance maximale Pth dissipable par le régulateur LM317K Question3 Conclure sur la nécessité ou non d’un dissipateur thermique. 2 Dimensionnement du dissipateur thermique Question4 Sachant que le LM317K correspond à un boîtier de type TO3 et que l’on place un isolant entre le boîtier du LM317K et le radiateur. Déterminer la valeur de Rthc-r. Question5 D’après la documentation constructeur du LM317K, trouver la valeur de la résistance Rthj-c. Question6 Calculer alors la valeur de Rthr-a afin de pouvoir dissiper la puissance maximale Pmax. Question7 Choisir un dissipateur thermique.



Document ressource : : le transformateur


Le transformateur

Le transformateur est un quadripôle. Il possède deux bornes d’entrée reliées à un enroulement nommé le primaire et deux bornes de sortie reliées à un enroulement nommé le secondaire. Ces deux enroulements sont électriquement indépendants et placés sur un circuit magnétique unique qui véhicule le flux magnétique. ( le primaire est souvent relié au secteur EDF. )

Un transformateur parfait est tel que : U1*I1 = U2*I2 On détermine le rapport de transformation m du transformateur par la formule :

m = N2 / N1 = U2 / U1 = I1 / I2

N1 étant le nombre de spires du primaire et N2 le nombre de spires du secondaire.



Document ressource : : procédure de simulation de l’expression mathématique de plusieurs sondes du schéma structurel


Afin d’observer l’expression mathématique 2 sondes,, il faut procéder comme suit :

1) Dans le menu graphe, cliquer sur « Ajouter courbe »,

la fenêtre suivante s’ouvre :

2) Sélectionner les sondes dans les champs P1 et P2 :



Document ressource : : procédure de simulation de l’expression mathématique de plusieurs sondes du schéma structurel


3) Modifier le champ « Expression » afin d’obtenir la relation souhaitée :