SCIENCES DE L'INGENIEUR
Niveau : Première générale, enseignement de spécialité SI
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distribuer L'ENERGIE ELECTRIQUE
1. LA FONCTION DISTRIBUER
L’énergie fournie par l’alimentation du système doit être distribuée aux actionneurs du système (moteurs, résistances chauffantes, ventilateurs, vérins ...). Cette distribution d’énergie doit permettre, en fonction des cas :
- de maitriser précisément le moment où l’énergie est distribuée,
- de choisir le sens de rotation ou de translation des actionneurs,
- de faire varier la vitesse de rotation ou de translation des actionneurs.
Les ordres provenant de la fonction communiquer sont issus généralement de microcontrôleurs. La puissance délivrée par celui-ci n'excède pas 0.1W, puissance trop faible pour alimenter un actionneur.
Les préactionneurs vont permettre de transmettre la puissance électrique nécessaire à l'actionneur, qui va dépendre l'ordre de commande imposé par le microcontrôleur
2. PREACTIONNEURS TOUT OU RIEN(TOR)
Ils reçoivent un ordre binaire 0 ou 1 de la partie communiquer, qui va laisser passer ou non l'énergie électique de la fonction alimenter (batterie, alimentation électrique, ...)
2.1 LES RELAIS
Un relais est un pré-actionneur constitué au moins :
- d’un électroaimant (bobine+circuit ferromagnétique),
- d’une palette mobile supportant un contact mobile,
- d'un contact fixe
- d’un ressort de rappel du contact mobile
En alimentant la bobine, le contact mobile est déplacé fermant ainsi le contact électrique. En l’absence de courant dans la bobine le ressort de rappel maintient le contact ouvert.
Exemple de caractéristiques d'un relais :
| Tension d'alimentation nominale de la bobine | 3 VDC |
|---|---|
| Puissance d'alimentation de la bobine | 0,36 W |
| Pouvoir de coupure maximal du circuit de puissance | 15 A |
| Tension maximale de la tension des contacts | 230 VAC / 30 VDC |
| Puissance maximale supportés par les contacts | 2770 VA / 240W |
Calculer l'intensité du courant I circulant dans la bobine lorsque l'ordre de commande = 3V
Le relais va commander les phares d'une voiture (feux de route) constitués de deux ampoules 12 VDC, de type H7, d'une puissance de 50W chacune.
Vérifier que le relais choisi est bien adapté à la commande des feux de routes
Inconvénients du relais électromécanique :
- il peut être relativement bruyant,
- il a une durée de vie limitée car les pièces mécaniques en mouvement s'usent,
- le temps de commutation est de quelques dizaines de millisecondes.
2.2 LES TRANSISTORS
Bipolaire NPN ou PNP, ils jouent le rôle d'interrupteurs électroniques. Il permettent de distribuer à l'actionneur l'énergie électrique nécessaire à son fonctionnement beaucoup plus rapidement qu'un relais.
Le transistor peut établir et interrompre le passage du courant très rapidement, ce qui lui permet de moduler l'énergie électrique de puissance et de jouer le rôle d'un gradateur.
Il est composé de 3 bornes :
- Base : la borne de commande
- Emetteur : relié à la masse (0v) pour un transistor NPN
- Collecteur : relié à une borne de l'actionneur
Si l'intensité de l'ordre de commande (IBASE)est suffisamment importante, le transistor va faire circuler le courant du collecteur vers l'émetteur
On peut faire l'analogie avec un robinet d'eau
Le courant du collecteur IC est proportionnel au courant de base IB tel que IC = β · IB
β est une constante donnée par le constructeur du transistor souvent noté hfe.
Documentation constructeur d'un transistor BC337 :
Recherchez les valeurs suivantes :
- La puissance maximale dissipée (PD) par le transistor à température ambiante TA = 25°C : PD =
- Le gain HFE MIN pour IC = 100mA pour le BC337-40 : HFE MIN =
- La tension VBE(ON) =
- La tension VCE(SAT) =
Voici le schéma électrique que nous avions utilisé pour réaliser l'éclairage à LED qui avait permis d'éclairer le BLOB
Si la tension de commande provenant du microcontrôleur VFE = 0, calculer IB et en déduite IC et l'état de la LED D1
On considère que la résistance ajustable R2 = 0 Ω donc la tension VDB = 0V.
Si la tension de commande provenant du microcontrôleur VFE = 5V, calculer IB et en déduite IC
On donne les caractéristiques de la diode LED D1
Calculer la tension VCE et en déduire la puissance dissipée par le transistor PD = VCE · IC
NOTIONS DE PUISSANCES ET RENDEMENT
- PP : la Puissance Perdue par le transistor, c'est PD dissipée par le transistor calculée précédemment. (Il faudrait lui ajouter la puissance dans la base du transistor, mais elle est négligeable.)
- PU : la Puissance Utile pour illuminer la DEL D1
- PA : la Puissance Absorbée par le système est donc PA = PU + PP
Calculer le rendement en utilisant la relation
Refaire le calcul de IC lorsque R2 = 10 kΩ
Ce schéma permet-il d'obtenir un courant circulant dans la diode D1 de 150 mA sans dépasser la puissance maximale dissipable par le transistor ?
De technologie MOS, ces transistors sont adaptés aux charges réclamant des courants importants. Ils sont commandés en tension et le courant de commande (IGRILLE) est quasiment nul. La flèche du symbole représente le sens du fléchage de la tension VGS.
Fonctionnement d'un transistor NMOS :
- VGS = 0V → canal fermé → interrupteur ouvert : pas de circulation du courant du drain et la source.
- VGS > VTH → canal ouvert → interrupteur fermé (quelques ohms) : Le courant peut circuler du drain vers la source.
VTH est la tension de seuil donnée par le constructeur du transistor quelques volts en général.
3. MODULATION DE LARGEUR D'IMPULSION MLI (ou PWM)
Pour améliorer le rendement, les transistors peuvent "hacher" la tension afin que la valeur moyenne corresponde à la tension de la diode
La MLI fait varier le rapport cyclique d’une tension ce qui faire briller plus ou moins la diode D1.
La valeur moyenne de UAC est Umoy = α · Umax avec :
La période T du signal soir être inférieure à 15ms
Calculez les rapports cycliques des 2 signaux électriques ci-dessous, puis la valeur moyenne Umoy lorsque Umax = 5V :
 | |
Calculer le rapport cyclique, TON et le nouveau rendement lorsque le transistor fonctionne en hacheur pour UAC(MOY) = 3.5 V
En remplaçant le transistor bipolaire par un NMOS on obtient le schéma suivant :
Document constructeur du transistor NMOS :
Rechercher les valeurs de :
- La puissance maximale dissipée (PD) par le transistor à température ambiante TA = 25°C : PD =
- La tension de seuil typique VGS(th) permettant de faire conduire le transistor : VGS(th) =
- Le courant maximal ID =
- La résistance max entre le drain et la source lorsque le canal est ouvert rDS(ON) =
4. PONT EN H
Pour inverser le sens de rotation de manière électrique, on utilise la structure du pont en H suivante :
Les interrupteurs sont généralement remplacés par des transistors
Arduino propose des "shield" moteur contenant 2 ponts en H à base du circuit intègre L298
Broches d'interfaces :
| Moteur A | Moteur B | Commentaire | |
|---|---|---|---|
| Sens de rotation | 12 | 13 | Niveau logique 0 ou 1 qui change la polarité de la sortie |
| Vitesse | 3 | 11 | Octet variant de 0 à 255 faisant varier le rapport cyclique de 0 à 100% |
| Activation frein | 9 | 8 | Niveau logique 0 ou 1, relie les deux bornes du moteur au même potentiel pour le freiner |
On souhaite programmer la séquence suivante :
- Faire fonctionner un moteur à 60% de sa vitesse nominale pendant 2s
- Freiner le moteur durant 1 seconde
- Inverser son sens de rotation et réduire sa vitesse à 40% durant 2s
- Arrêter le moteur
Compléter le programme ci-dessous
Contenu
sous licence CC BY-NC-SA 3.0
Pascal Hassenforder 21/09/2022
MAJ le 19/04/2022