Étude de la distribution d'énergie au sécateur et de son autonomie

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1 TP Terminale S Sciences de l'ingénieur Chaîne d'énergie du sécateur Étude de la distribution d'énergie au sécateur et de son autonomie Le vigneron est confronté à une fatigue importante des muscles de la main dans son travail de taille des ceps. Le sécateur électrique a pour but de le soulager de l'effort de coupe. L'énergie est fournie par un pack de batteries et c'est un moteur électrique qui fournit l'effort mécanique nécessaire. L'utilisateur actionne une gâchette, celle-ci est liée à un aimant qui passe devant un capteur à effet Hall solidaire des lames. Le décalage entre la position demandée et la position réelle des lames est pris en compte par les circuits de commande. Des impulsions électrique sous forme MLI (modulation par largeur d'impulsion ou PWM) sont envoyées au circuit de distribution d'énergie. C'est finalement un pont en H constitué de quatre transistors MOS qui permet d'alimenter le moteur à courant continu. Sécateur Etude de la chaîne d'énergie et de l'autonomie alain.charbonnel@ac-caen.fr 1/6

2 Étude de la structure qui assure la distribution de l'énergie au moteur. Les transistor MOS Q1 et Q4 sont commandés par le transistors bipolaire Q6. Les transistors MOS Q2 et Q3 sont commandés par le transistors bipolaire Q5 Une structure simplifiée de la commande de Q1 et Q4 est donnée ci-contre. Sécateur Etude de la chaîne d'énergie et de l'autonomie 2/6

3 Soit le transistor Q6 bloqué Déterminer les potentiels aux points A et B sachant que dans tous les cas Ig est nul pour un transistor MOS. En déduire les tensions VGS1 et VGS4 Soit le transistor Q6 saturé (avec V CEsat =0V) Déterminer les potentiels aux points A et B En déduire les tensions VGS1 et VGS4 Les transistors Q1 à Q4 sont de MOS TEC à enrichissement. Ces transistors sont bloqués pour VGS < Vt, avec Vt peu différent de 2V Compléter le tableau suivant Etat de Q6 Tension V GS1 État de Q1 Tension V GS4 État de Q4 Bloqué Saturé Tracer sur le schéma structurel de la feuille ci-dessus le trajet du courant qui passe par le moteur depuis Vcc jusqu'à la masse pour la fermeture des lames de la borne M+ vers la borne M- et pour l'ouverture de la borne M- vers la borne M+. Utiliser deux couleurs différentes. Compléter le tableau suivant pour déterminer l'état de chacun des transistors du pont en H Q1 Q2 Q3 Q Arrêt Fermeture des lames Ouverture des lames Représenter sur le schéma le branchement de l'oscilloscope pour mesurer la tension aux bornes du moteur Vm. Représenter sur le schéma le branchement de l'oscilloscope pour mesurer la tension aux bornes de R47. Compte tenu de la position de R47 dans le circuit, que représente la tension à ses bornes? Relever à l'aide d'un oscilloscope numérique, l'évolution de la tension aux bornes du moteur pendant un cycle de fermeture et d'ouverture des lames. Relever à l'aide d'un oscilloscope numérique, l'évolution de la tension aux bornes du moteur pendant un cycle de fermeture et d'ouverture des lames mais cette fois ci pendant la coupe d'un tourillon de 12mm. Sécateur Etude de la chaîne d'énergie et de l'autonomie alain.charbonnel@ac-caen.fr 3/6

4 Relever à l'aide d'un oscilloscope numérique, l'évolution de la tension aux bornes de la résistance R47 pendant un cycle de fermeture et d'ouverture des lames. Relever à l'aide d'un oscilloscope numérique, l'évolution de la tension aux bornes de la résistance R47 pendant un cycle de fermeture et d'ouverture des lames pendant la coupe d'un tourillon de 12mm. Imprimer tous ces oscillogrammes et représenter sur chacun les intervalles de temps suivants. Lames ouvertes => fermeture => lames fermées =>ouverture =>lames ouvertes. Justifier l'évolution de la tension aux bornes du moteur dans les deux cas. Justifier l'évolution de la tension aux bornes de R47 dans les deux cas. A quels paramètres mécaniques peut-on associer chacun des deux modèles de courbes obtenues Étude de l'énergie consommée par le sécateur Seule une partie de l'énergie prélevée sur les batteries est réellement disponible pour la coupe, le rendement de chacun des éléments est donné ci dessous. Sécateur Etude de la chaîne d'énergie et de l'autonomie alain.charbonnel@ac-caen.fr 4/6

5 Nous allons effectuer des mesures de l'énergie prélevée sur les batteries. Pour cela, nous allons mesurer la tension et le courant en sortie de la batterie pendant la coupe d'un tourillon de 10mm qui correspond à la taille d'une branche de cep. La tension sera prélevée sur les bornes prévues à cet effet et le courant sera mesuré par une pince ampèremètrique reliée à l'oscilloscope. Vous devrez tenir compte du calibre de conversion de la sonde en volt/ampère. Effectuer les mesures et imprimer la courbe du courant. L'énergie consommée, W (en joules) est égale à la puissance en Watts multipliée par le temps. La puissance P est égale au produit de la tension par le courant. Cela nous donne donc W=U.I.t. Sur la courbe de relevé du courant, nous avons le temps en abcisse et le courant en ordonnée. Si nous calculons la surface sous la courbe nous obtenons donc un produit I.t, Il suffit ensuite de le multiplier par la tension pour avoir l'énergie. Vous découperez la courbe I=f(t) en surfaces élémentaires pour calculer l'énergie consommée par une coupe. Sachant que la capacité de la batterie est de 6Ah et qu'un vigneron en forme fait environ 15 coupes à la minute, quelle est alors l'autonomie de la batterie. Sécateur Etude de la chaîne d'énergie et de l'autonomie alain.charbonnel@ac-caen.fr 5/6

6 Courbes de secours Tension Courant Sécateur Etude de la chaîne d'énergie et de l'autonomie 6/6