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I.S.I. MINI-PROJETS Dossier ressources : Mesures et grandeurs électriques

Ressources Mesures et grandeurs électriques.doc

Dossier ressources

Mesures et grandeurs électriques en courant continu

Sommaire

Les lois de l’électricité en courant continu. p 1

Le générateur de tension continue. p 2

Les piles et accumulateurs. p 3

Le générateur de tension alternative. p 4

Les résistances. p 5

Les diodes. p 6

Les moyens de mesures p 7 Le multimètre p 8

L’oscilloscope p 10

Annexe : Les principaux symboles. p 14

I.S.I. MINI-PROJETS Dossier ressources : Mesures et grandeurs électriques 1/14


Les lois de l’électricité en courant continu : L'électricité est un phénomène invisible (circulation d'électrons), il ne peut être mis en évidence que par ses effets (chaleur, lumière, force etc...). Les grandeurs physiques qui caractérisent l'électricité sont :

L'intensité du courant : I La différence de potentiel : U

Exemple de circuit constitué d'un générateur et d'une lampe (3 représentations) : Par convention, la circulation du courant se fait toujours du PLUS vers le MOINS du générateur. L'intensité : L'intensité d'un courant électrique s'exprime en Ampères, elle caractérise la quantité d'électrons qui circulent par unité de temps dans un circuit. L'appareil utilisé pour la mesure du courant est l'ampèremètre. Le courant se représente par une flèche sur le circuit. Si le courant est dans le sens de la flèche, il est positif. Attention : Le courant à mesurer doit traverser l'appareil, l’ampèremètre doit être monté en série

En cas de dérivation, le courant se divise, la somme des courants reste identique (loi des noeuds) : I = i1 + i2.

La différence de potentiel (ddp) ou tension : Elle s'exprime en volts et caractérise l'attraction qui s'exerce sur les électrons entre deux points d'un circuit. La mesure de la tension se fait avec un voltmètre. Il doit être relié en parallèle sur les deux points du circuit. Représentation des tensions. Uab représente la différence de potentiel Ua - Ub, elle est souvent représentée sous forme d'une flèche, la pointe de flèche représente le premier point (Ua). Si rien n'est précisé, la tension est mesurée par rapport à la masse Addition des tensions (loi des mailles) La somme des tensions dans une maille est toujours nulle.

U1 = U2 + U3 Uac = Uab + Ubc



Générateur de tension continue : On reconnaît un générateur de tension à sa particularité de posséder une tension à ses bornes lorsqu'il est isolé, sans circuit extérieur, c'est-à-dire en l'absence de courant. Cette tension constitue sa force électromotrice E. Lorsque qu'une pile débite du courant, la tension à ses bornes diminue progressivement. La caractéristique est pratiquement une droite d'équation : U = E - r I

E est la force électromotrice ou tension à vide. r est la résistance interne de la pile . Plus cette résistance est importance et

plus la chute de tension est grande lorsque l'intensité augmente. Les accumulateurs ont une résistance interne beaucoup plus faible que les piles, leur tension est pratiquement indépendante de l'intensité. Les générateurs sont des dipôles actifs. Les résistors, les lampes, les diodes sont des dipôles passifs Symboles : Relations utiles :

Loi d'Ohm : U = R.I

La puissance consommée par un dipole en régime continu : P = U . I (W).

Génératrice : U=E - r.I E : force électromotrice r : résistance interne

Puissance Utile : Pu= U.I

Puissance absorbée : Pa = E.I

Moteur : U=E’ + r.I E’ : force contre-électromotrice r : résistance interne

Puissance Utile : Pu = E’.I

Puissance absorbée : Pa = U.I

ou G= + -



Les piles et accumulateurs : Les accumulateurs et les piles sont des systèmes électrochimiques servant à stocker de l'énergie. Ceux-ci la restituent sous forme d'énergie électrique, exprimée en watt-heure (Wh). L'électricité est produite entre deux électrodes baignant dans un électrolyte. L'accumulateur est basé sur un système électrochimique réversible. Il est rechargeable par opposition à une pile qui ne l'est pas. Les piles les plus utilisées sont les piles salines ou alcalines. Caractéristiques La tension nominale d'une pile est de 1,5V. Pour réaliser des piles avec une tension plus importante, on empile les éléments (pile 9V). La résistance interne d'une pile est importante ce qui a pour effet de faire chuter la tension quand le courant augmente. La mise en court circuit est donc sans risque. Charge Pendant la charge, un accumulateur se transforme en récepteur. Le courant de charge en Ampère est en général 1/10 de la capacité en Ampère.heure (Ni-Cd). Certains accumulateurs comme les accumulateurs Lithium-Ion voire les Ni-Mh nécessite l'emploi de chargeur 'intelligents" pour contrôler la charge. La charge se fait avec un générateur de courant constant. Piles Piles salines : Bon marché

Piles alcalines Grande capacité (Certaines sont rechargeables)

Piles au Lithium Calculatrices, PDA, montres Grande capacité massique Tension d'un élément : 3V Coût élevé

Accumulateurs Ni-Cd

Ni-Mh

Lithium-Ion

Plomb

Pour Les plus courants, charge facile Acceptent une surcharge Possibilité de charge rapide Fort courant de décharge Faible autodécharge Contre Problème d'effet mémoire Pollution du Cadmium Tension d'un élément : 1,2V

Pour Plus grande capacité (+40%) Pas d'effet mémoire Contre Charge plus délicate Courant de décharge plus limité Tension d'un élément : 1,2V

Téléphones GSM, ordinateurs portables, caméscopes. Pour La plus grande capacité Meilleure gestion du niveau de charge Contre Coût élevé Chargeur spécifique Tension d'un élément : 3,6V

Accumulateurs pour automobiles, onduleurs Pour Grande capacité volumique Fort courant de décharge (centaines d'ampères) Très faible résistance interne Contre Très lourds Electrolyte liquide (acide) Tension d'un élément : 2V

Capacité d’une batterie (Ah) : C = I.t I : courant (A)

t = temps de décharge (h)



Générateur de tension alternative : Il y a un seul type de générateur de courant alternatif : l'alternateur. On le trouve sur les vélos sous le nom, donné à tort, de "dynamo". L'alternateur est constitué d'un aimant tournant entre deux bobines de fil, au bout desquelles on récupère le courant alternatif. Symbole Un générateur qui fournit du courant alternatif a une tension variable à ses bornes. Elle prend des valeurs positives puis négatives. Toute tension alternative peut être différenciée d’une autre par la valeur maximale prise par la tension au cours du temps qui est appelée tension maximale et notée Umax. La tension maximale Umax est proportionnelle à la tension efficace Ueff et le coefficient de proportionnalité est, pour une tension

alternative sinusoïdale, égale à 2 : 2max =

Eeff

U

Les tensions alternatives peuvent être visualisées sur un oscilloscope. Elles peuvent être découpées en parties identiques qui se répètent à intervalles de temps régulier : ces tensions sont dites périodiques et la plus petite partie d’une tension qui se répète est appelée motif élémentaire. La durée pendant laquelle le spot décrit un motif élémentaire est appelée période (exprimée en seconde) et se note T On peut de la même façon définir la fréquence d’une tension périodique. C’est le nombre de fois que se répète le motif élémentaire pendant une seconde. Elle s’exprime en hertz (Hz) et se note f. La fréquence d’une tension est simplement l’inverse de la période. On a où f est exprimée en hertz (Hz) et T en

secondes (s) : f

T1=

Umax

G∼∼∼∼



Les résistances : Une résistance est un composant électronique ou électrique dont la principale caractéristique est d'opposer une plus ou moins grande résistance (mesurée en ohms - Ω) à la circulation du courant électrique. La résistance électronique est l'un des composants primordiale dans le domaine de l'électricité.

Pour connaître la valeur ohmique d'une résistance, il faut identifier les couleurs présentes sur la résistance et l'associer au code universel des couleurs : Le premier anneau indique le premier chiffre de la

valeur Ex : Jaune=4 Le second anneau indique le second chiffre de la

valeur Ex : Violet=7 Le troisième anneau indique le coéfficient

multiplicateur Ex : Rouge : 100 Le quatrième anneau indique la tolérance de la

résistance Ex : argent 10% Dans l’exemple ci-dessus la résistance aura donc une valeur de : 4700 Ω ou 4,7 KΩ avec une tolérance de ± 10%. Association de résistance en série Association de résistance en parallèle Lorsque l'on met bout à bout des résistances, on peut simplifier ces résistances par une seule. La valeur ohmique de la résistance équivalente, est alors égale à l'addition de toutes les valeurs des résistances :

R = R1 + R2

Lorsque l'on associe plusieurs résistances en parallèle, alors la résistance équivalente se trouve à l'aide de la formule :

La résistance équivalente est toujours inférieure à la plus petite des résistances.



Les diodes : Une diode a la propriété de laisser passer le courant dans un sens (diode passante) et de l'arrêter dans l'autre sens (diode bloquée). Elle laisse passer le courant dans un sens de l'anode vers la cathode. Une étude approximative semble montrer que la diode se comporte comme un fil de résistance négligeable quand elle est passante et comme un interrupteur ouvert quand elle est bloquée. La réalité est un peu différente, la diode n'est passante que lorsque la tension de l'anode est de 0,7 V supérieur à celle de la cathode; cette tension s' appelle la tension de seuil. Il y a une tension de seuil qui apparaît

entre 0,6 V à 0,7 V environ pour une diode au silicium (0.4V pour une diode au germanium). La zone où la diode est bloquée, c'est a dire que Vd < 0.7V. La zone où la diode est passante, c'est à dire que Vd > 0.7V.

Les principales diodes :

C'est le symbole de la diode classique

Les diodes électroluminescentes (D.E.L.) sont commercialisées sous leur dénomination anglaise : L.E.D., abréviation de Light Emetting Diode (diode qui émet de la lumière). Elles ont la propriété d’être lumineuse lorsqu’elles sont polarisées en sens direct ( les couleurs que l’on trouve généralement sont : rouge, jaune, vert et bleu ).

Ce sont les symboles de la diode zener. Lorsque Vd > 0, la diode zener se comporte comme une diode normale. Par contre, si Vd < 0, la diode zener va redevenir passante à partir d'une certaine tension à ses bornes (Vdz). Cette tension s'appelle la tension zener; elle est généralement écrite sur le boîtier de la diode.

Diode zener programmable

Tension Zener Vdz



Les moyens de mesures Plusieurs types d'appareils de mesure sont utilisés, notamment:

• le voltmètre, pour mesurer des tensions. • l'ampèremètre, pour mesurer des intensités. • l'ohmmètre, pour mesurer la valeur des résistances.

Remarque : Ces trois appareils sont souvent regroupés en un seul, qu'on appelle le multimètre. • la pine ampèremétrique, pour mesurer des intensités. • la l’ocilloscope, pour visualiser la forme d'une onde et d'obtenir de nombreux renseignements (amplitude,

période, etc.). • le wattmètre, pour mesurer des puissances.

Le multimètre

La pince ampèremétrique

l’ocilloscope

Le wattmètre

Les principales grandeurs électriques qu'un électronicien est amené à mesurer sont les suivantes:

• la tension, ou la d.d.p. entre deux points, • l'intensité d'un courant, • la résistance d'un récepteur, • la capacité d'un condensateur, • la puissance dissipée.

Complétons cette courte liste par la fréquence et la période, qui ne sont pas des grandeurs "électriques", mais qui sont désormais incontournables en électronique.



Les multimètres Avant toute mesure, pensez "SECURITE"! Pensez-y: le 230 V "secteur" peut être mortel! Tout montage raccordé au secteur implique de prendre les plus grandes précautions. Evitez alors de travailler seul. En cas de doute sur vos compétences ou sur l'isolation de l'appareil de mesure, abstenez-vous! Même hors tension, on ne doit prendre aucune mesure sur un montage avant d'avoir déchargé tous les condensateurs! Un courant, même faible, peut entraîner la dissipation d'une puissance importante dans certains composants et les rendre brûlants. La mise en court-circuit d'une simple pile de 9 V peut elle aussi provoquer une dangereuse élévation de température. Comment utiliser le multimètre? Nous n'aborderons ici que trois types de mesure: tension, intensité, résistance.

On reconnait sur l'illustration, de haut en bas: • l'afficheur LCD, • le commutateur rotatif de sélection de la

fonction (voltmètre, ampèremètre, ohmmètre...) et du calibre (de 0 à 200 mV, de 200 mV à 2 V, de 2 V à 20 V, etc...),

• les bornes de raccordement des cordons, qui sont généralement au nombre de trois ou quatre, dont une borne "COM" (commune) où on branchera le cordon relié à la masse,

• les cordons de mesure et les pointes de touche. La plupart des appareils proposent aujourd'hui des fonctions supplémentaires (au minimum, le test de continuité).

Mesurer une tension

Le point important est le suivant: une tension se mesure toujours en parallèle avec le circuit. Si par exemple on souhaite mesurer la tension aux bornes d'un récepteur, on branche les pointes de touche en parallèle sur ce récepteur, la pointe "noire" du côté du point de référence. En cas d'erreur de polarité, si les pointes ont été interverties, un multimètre numérique affichera une valeur négative. Pour mesurer une tension, on branche le multimètre en parallèle avec le circuit, la pointe de touche noire (COM) étant connectée au potentiel de référence. A l'aide du rotacteur central, on sélectionne la fonction VOLT (mesure d'une tension continue), et le calibre approprié, ici 20 V.



Mesurer une intensité

Pour mesurer un courant, le multimètre doit être connecté en série avec la branche du circuit considéré. Par conséquent, le circuit doit être interrompu: ici, entre le + de la pile et l'anode de la DEL. Il est important de choisir le calibre approprié ou, en cas de doute, le calibre le plus élevé. Par ailleurs, sur de nombreux appareils, il existe une borne 10 ou 20 ampères, en plus de la borne "mA". Remarque : la mesure d'une intensité doit toujours se faire rapidement, sous peine d'endommager le multimètre. La notion de durée de la mesure est ici très importante.

Les professionnels utilisent une pince ampèremétrique pour mesurer un courant sans couper le circuit. Mesurer une résistance Remarque : la borne "OHM" est souvent commune avec la borne "VOLTS". Deux points sont ici essentiels:

• Avec un multimètre numérique, la mesure d'une résistance doit être faite hors tension. En effet, c'est l'appareil qui applique une tension connue aux bornes de la résistance inconnue avant de procéder au calcul; la présence d'une autre tension (celle du montage) fausserait la mesure.

• Il faut bien prendre garde de ne pas shunter la résistance inconnue avec les doigts, ce qui, là encore, fausserait la mesure. Au besoin, on se servira de pinces "crocodile" ou de grip-fils.

La mesure d'une résistance avec un multimètre numérique se fait hors tension, donc circuit ouvert . La fonction "OHM" (mesure d'une résistance) étant choisie, on sélectionne le calibre approprié: ici, la valeur 2k. On place ensuite les pointes de touche, ou mieux les grip-fils, aux bornes de la résistance. Attention de ne pas shunter celle-ci avec les doigts, ce qui fausserait complètement la mesure!

Ajoutons que les cordons de mesure, quelle que soit leur qualité, présentent forcément une certaine résistance. Elle est en général si faible (typiquement, de l'ordre de 0,2 à 0,5 ohm) qu'on peut la négliger, sauf dans le cas particulier où on serait amené à mesurer une résistance elle-même de très faible valeur. Enfin, il ne faut pas oublier que le multimètre, même le plus sophistiqué, est affligé d'une marge d'erreur, si minime soit-elle. Cette précision, variable selon les fonctions et les calibres, est indiquée dans la notice de l'appareil. Il faudra parfois en tenir compte. Après usage, n'oubliez pas d'éteindre l'appareil en plaçant le commutateur central sur OFF et rangez-le dans son étui ou une housse de protection.



1- Mode d’acquisition (normal, détection crêtes, moyennage). 2- Etat de déclenchement. 3- Marqueur de position horizontale du déclenchement. 5- Marqueur de niveau de déclenchement. 6- Niveau de déclenchement vertical 7- Icône indiquant le type de déclenchement (front montant, front

descendant, vidéo ligne, vidéo trame) 8- Signal sur lequel est synchronisé le déclenchement. 10- Base de temps. 11- Sensibilités verticales. 13- 0 V des voies 1 et 2.

L’oscilloscope L'oscilloscope est un appareil qui représente un signal électrique sous la forme d'une trace visible sur un écran: le plus souvent, il montre la variation de la tension du signal étudié en fonction du temps. Retenons que l'oscilloscope sert surtout à visualiser l'allure d'un ou plusieurs signaux, plutôt qu'à prendre des mesures précises. Les appareils les plus récents, toutefois, sont dotés de performances très avantageuses dans le domaine de la mesure. En outre, ils peuvent être connectés à un PC, ce qui décuple leurs possibilités.

Voici ce qu'on peut visualiser sur l'écran d'un oscilloscope numérique moderne:

Description de l’oscilloscope du laboratoire : Tektronix TDS210

Figure 2 : Ecran de l’oscilloscope Tektronix TDS210

Figure 1 : panneaux avant de l’oscilloscope Tektronix

TDS210



Mise en service de l’oscilloscope : bouton Marche / Arrêt ( Power ) situé sur le haut de l’appareil. Réglages des voies :

Mise en service des voies L’oscilloscope possède 2 voies : CH1 ET CH2. Pour les mettre en service, il suffit d’appuyer sur les boutons : CH1 MENU et CH2 MENU. Pour mettre les voies hors service, appuyez sur ces mêmes boutons. Rem. : Le fait d’appuyer sur ces boutons permet d’afficher un menu dans la partie droite de l’écran. Réglage du couplage de la voie Dans le menu CH1 ou CH2, il faut faire apparaître dans la case couplage, le terme CC (couplage continu). Pour cela appuyez autant de fois que nécessaire sur le bouton situé en face la case couplage. Vous verrez apparaître successivement : Masse ; CC (Couplage Continu) ; CA (Couplage Alternatif). Réglage du zéro Régler le 0V a votre convenance grâce au potentiomètre POSITION au-dessus de CH1 MENU pour la voie 1 ou CH2 MENU pour la voie 2. Le zéro est repéré à gauche de l’écran par une flèche précédée d’un chiffre indiquant le numéro de la voie (voir sur la figure 2 : marqueurs 13). Utilisation sans sonde Les mesures étant effectuées sans sonde, vérifiez que le menu sonde de chaque voie affiche 1X. Réglage des sensibilités verticales Le réglage des sensibilités verticales, s’effectue à l’aide des commutateurs : VOLTS/DIV . Le réglage permet d’aller de 5 V/div à 2 mV/div. Rem. : En bas de l’écran, on peut visualiser en permanence la sensibilité des 2 voies. (Exemple : CH1 5.00V).

Réglages de la voie 1 Réglages de la voie 2

Réglages de la base temps

Réglage du trigger

(Déclenchement)

Boutons accès menu écran

Autoset : l’oscilloscope se débrouille tout seul pour afficher le signal.

Réglages des paramètres d’affichages Acquisition : pour afficher

un signal sans bruit

Recopie pour impression

Figure 3 : Principaux boutons



Réglages de la base temps : Type de Base de temps Vérifier que la base de temps sélectionnée est : Base de temps principale. Pour cela, faire apparaître le menu de la base de temps en appuyant sur le bouton HORIZONTAL MEN U. Réglage de la base de temps La base de temps se règle avec le commutateur : SEC/DIV. Le réglage permet d’aller de 5 s/div à 5 ns/div. Rem. : Au milieu et en bas de l’écran est affichée la valeur de la base de temps. ( Exemple : M 10.0ms ).

Réglages du déclenchement (Trigger) : (si nécessaire et si on utilise les deux voies) Choix de la voie et du type de déclenchement L’oscilloscope doit être synchronisé sur un signal. C’est généralement le signal injecté sur la voie 1 qui sert à la synchronisation. Pour cela, appuyez sur le bouton : « TRIGGER MENU ». En appuyant sur le bouton situé en face la case Source, vous sélectionnerez CH1. Rem. : La synchronisation peut aussi se faire sur « CH2 », sur l’entrée de synchronisation prévue à cet effet « EXT TRIG » ou sur la tension délivrée par le secteur. Vous devez également indiquer le style de déclenchement souhaité : exemple : FRONT ; PENTE MONTANTE . Réglage du seuil de déclenchement Sur le côté droit de l’écran, se trouve une flèche (fig.2 marqueur 5). Elle indique le niveau (ou seuil) de déclenchement de l’oscilloscope. Il faut que la flèche soit située entre le minimum et le maximum de la tension de la voie de synchronisation. Si ce n’est pas le cas, l’oscillogramme n’est pas stable. Pour le rendre stable, c’est à dire déclencher correctement l’oscilloscope, il faut régler le bouton rotatif NIVEAU dans la colonne TRIGGER . Rem. : En bas à droite de l’écran, est affichée la voie de synchronisation (fig2 marqueur 8) ainsi que la valeur du seuil de déclenchement de l’oscilloscope (fig2 marqueur 6). Réglage de la position horizontale de déclenchement En haut de l’écran, se trouve une flèche (fig.2 marqueur 3). Elle indique la position horizontale du déclenchement de l’oscilloscope. Le réglage de cette position horizontale de déclenchement se fait en agissant sur le bouton rotatif POSITION dans la colonne HORIZONTAL. Ce réglage est particulièrement important dans le cas d’un déclenchement monocoup.

Acquisition de signaux : Autoset La touche AUTOSET en haut à gauche, permet de ne faire aucun réglage préliminaire avant de visualiser un signal. En appuyant sur ce bouton, l’oscilloscope se débrouille tout seul pour afficher le signal, choisir le bon calibre, la bonne base de temps… C’est pratique mais attention, cela modifie tous les réglages préalables. Capture d’un signal monocoup Utilisez le mode monocoup dans le réglage du Trigger pour saisir une acquisition unique d’un signal. Procédure à suivre :

Réglez les boutons VOLTS/DIV et SEC/DIV à des valeurs adaptées au signal à visualiser. Appuyez sur le bouton ACQUISITION et sélectionnez NORMALE . Appuyez sur le bouton TRIGGER MENU et choisissez le MODE MONOCOUP. Sélectionnez PENTE MONTANTE s’il s’agit d’une tension croissante ou PENTE DESCENDANTE s’il

s’agit d’une tension décroissante. Utilisez le bouton rotatif NIVEAU pour régler le seuil de déclenchement entre les deux niveaux extrêmes de

la tension. Utilisez le bouton rotatif POSITION dans la colonne HORIZONTAL pour régler la position horizontale de

déclenchement (1ère ou 2ème division en partant de la gauche de l’écran par exemple). Si la mention « Armed » (armé) ou « Ready » (prêt) n’apparaît pas en haut de l’écran, appuyez sur

RUN/STOP. Lorsque l’acquisition est terminée, « Stop » s’affiche. Appuyez de nouveau sur RUN/STOP pour lancer une

nouvelle acquisition en mode monocoup.



Faire des mesures L’oscilloscope permet de faire de nombreuses mesures. Appuyer sur la touche : MESURES.

La 1ère case permet de choisir la Source ou le Type de mesure à effectuer. Appuyez sur le bouton en face pour choisir Source ou Type.

Sur les 4 autres cases, on peut afficher des mesures relatives à la voie 1 et/ou à la voie 2. Exemples de mesures : Fréquence, Période, Moyenne, Tension crête-crête ( C–C ), Tension efficace.

Menu mathématiques Appuyez sur la touche MATH MENU afin d’afficher les opérations mathématiques sur les signaux. Appuyez à nouveau sur cette touche pour effacer l’affichage d’un signal mathématique. Opérations possibles : CH1-CH2 ; CH2-CH1 ; CH1+CH2 ; CH1 inversée ou CH2 inversée. Signal bruité Si le signal que vous visualisez est bruité, l’oscilloscope peut faire l’acquisition de plusieurs signaux et en faire la moyenne avant de l’afficher. Pour cela appuyer sur le bouton ACQUISITION et sélectionner Moyennage. Sinon restez dans le mode Normal. Affichage Pour augmenter ou diminuer le contraste de l’affichage, appuyez sur AFFICHAGE et réglez à l’aide des deux derniers boutons. Remarque importante : les opérations effectuées tiennent compte des réglages effectifs de chaque voie : en particulier des sensibilités verticales et des zéros. Il est donc impératif de choisir le même zéro et le même calibre sur les deux voies pour additionner ou soustraire deux tensions…

Annexe : les principaux symboles

Piles, accumulateur

Interrupteur NO (circuit ouvert)

Générateur de tension continue

Interrupteur NF (circuit fermé)

Générateur de tension alternative

Ampèremètre

Lampe, voyant, ampoule

Voltmètre

Résistance (résistor)

Diode

Moteur

diode électroluminescente

Transformateur

Condensateur