Etude de la fonction de service «S adapter à l énergie électrique»

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1 Expression du besoin (Intérêt de l activité) Support utilisé A qui rend-il Sur quoi agit-il? Aux élèves des Sciences de l Ingénieur de Première Les connaissances de l entité générique «Alimenter» Activité de formation Dans quel but? Permettre aux élèves d identifier, de caractériser, de quantifier les formes d énergies et les paramètres d entrée et de sortie de la fonction «Alimenter» Distributeur de boisson BARMATIC Consignes de sécurité Le démontage d un appareil ne peut être envisagé que déconnecter du réseau électrique. Etude de la fonction de service «S adapter à l énergie électrique» S adapter à l énergie électrique Abaisser la tension Redresser la tension Filtrer la tension Réguler la tension Solutions constructives Transformateur Pont de Gräetz Condensateur électrochimique Régulateur intégré Problématique technique : comment réaliser l alimentation en énergie électrique du système BARMATIC? 1

2 Le Barmatic a besoin pour fonctionner d être alimenté avec une source de tension continue de 12 V. Ce système étant en général utilisé dans des lieux où l on dispose du secteur 230 V / 50 Hz, le concepteur a prévu d utiliser une "alimentation secteur" pour fournir l énergie électrique nécessaire. En effet, l utilisation de piles, batteries ou autres accumulateurs est réservée à l alimentation de produits qui ne disposent pas de l énergie électrique du réseau EDF à proximité. Ces équipements sont nommés systèmes embarqués. La fonction globale de l alimentation secteur est de Convertir une tension, comme le montre l actigramme de niveau A-0 ci-dessous : W Tension Secteur Forme sinusoïdale 230 V eff - 50Hz CONVERTIR UNE TENSION A-0 Pertes calorifiques Tension continue régulée Déroulement de l activité. Mise en situation de l alimentation secteur Recherche de ses caractéristiques et de sa structure. Analyse des solutions constructives. Recherche des paramètres électriques d entrée et de sortie par simulation Bilan de puissance. Documents ressource : Travail demandé. «Alimentation secteur» Les alimentations régulées Ref_alim_régulée.doc Codification des résistances Mise en situation de l alimentation secteur. Les alimentations secteur sont des produits fiables et peu coûteux, car elles sont produites en grandes séries avec très peu de composants. I.1 Caractéristiques de l alimentation secteur du Barmatic Reproduisez sur votre copie l étiquette «produit» présente sur l appareil et indiquez en correspondance la signification de chaque indication. Calculez à partir des données «constructeur» la puissance nominale que peut fournir cette alimentation. 2

3 I.2 Structure de l alimentation secteur du Barmatic. Démontez l alimentation et modifiez le schéma structurel (identique à celui du document ressource "Les alimentations régulées") ci-dessous pour qu il devienne le schéma structurel de l alimentation étudiée. Vous noterez pour les diodes leur référence, pour le condensateur sa valeur. Vous ajouterez ou supprimerez les éléments nécessaires. Vous placerez également la tension du secteur (230 V~) et la tension de sortie (12 V=). U 1 (t) L alimentation secteur n est pas une alimentation régulée mais une alimentation filtrée. Donnez le nom du dispositif électronique absent dans ce système qui permettrait de réaliser une régulation de la tension de sortie. Afin de vérifier que la tension fournie par l alimentation reste suffisamment stable dans le temps et à une valeur correcte, vous allez réaliser la simulation du schéma structurel correspondant à l alimentation secteur. Analyse des solutions constructives. II.1 Schéma de simulation de l alimentation secteur du barmatic. La simulation du comportement de l alimentation secteur va être réalisée avec le logiciel ORCAD, à partir du schéma structurel ci-dessous qui est présenté dans le document ressource «Orcad Psice. Figure 1 3

4 II.1.1 Travail préparatoire Fonction technique «Abaisser la tension» Le modèle de simulation d un transformateur n est pas un composant simple d emploi, nous alimenterons donc la partie Redresser la tension avec un générateur de tension sinusoïdale de même amplitude et de même fréquence que le signal normalement fourni par le transformateur. Le transformateur utilisé a un rapport de transformation m = 3/50. A partir du document ressource «les alimentations régulées» : Calculez la valeur maximale U 2 max de la tension u 2 (t) qui va être utilisée pour remplacer le transformateur lors de la simulation. La tension d entrée v 1 du montage simulé correspond à la tension secondaire u 2 du transformateur de l alimentation. La valeur que vous venez de calculer est le paramètre V AMPL du générateur. Fonction technique «Redresser la tension» En ne considérant que le schéma comprenant le générateur de tension et le pont de diodes, le condensateur et la résistance R1 n étant pas connectés : Dessinez sur un chronogramme deux périodes du signal v 1 et de la tension de sortie du redresseur seul v RED (échelle 2 ms/cm en abscisse et 2 V/cm en ordonnée). Donnez l expression littérale de la valeur moyenne VREDmoy de v RED puis calculez sa valeur pour notre application. Rappel : La valeur moyenne Smoy d un signal s(t) ayant la forme d une calotte de sinusoïde de valeur 2S max maximale Smax vaut Smoy Fonction de service : s adapter à l énergie électrique. Le montage complet doit être analysé dans les conditions nominales de fonctionnement. La résistance R1 fait partie de l alimentation. Une résistance Rc doit être placée en parallèle sur la sortie pour remplacer la partie électronique du Barmatic, qui dans notre application consomme le courant nominal In de l alimentation sous la tension nominale. Déterminez la résistance de charge Rc qu il faut placer en parallèle avec la résistance R1 pour simuler la charge. Le courant de charge fourni par l alimentation passe exclusivement dans Rc. Avant de commencer à saisir le schéma structurel de l alimentation, vous devez présenter à votre professeur une synthèse de votre travail. La valeur de V AMPL de v 1 (tension max du générateur), le type des diodes utilisées, le chronogramme de v 1 et v RED, la valeur de VREDmoy, la valeur du condensateur de filtrage, la valeur de la résistance R1, la valeur de la résistance Rc simulant la charge pour un fonctionnement nominal. 4

5 II.1.2 Elaboration du schéma de simulation Pour accéder au schéma de la figure 1, lancez le programme Orcad Capture schémas du logiciel Orcad. qui est l éditeur de Ensuite, accédez au projet redressement.opj Une fois le projet redressement.opj ouvert, ouvrez le schéma à modifier en double cliquant sur le fichier PAGE1 sous SCHEMATIC1. Vous pouvez maintenant modifier le schéma pour qu il corresponde à l alimentation étudiée. Valeur maximale de la tension sinusoïdale d entrée. Double cliquez sur Vamp et changez la valeur 17V Type de diodes Supprimez les diodes en les choisissant (Bouton gauche BG) puis en sélectionnant Delete avec le bouton droit BD. Ajoutez les bonnes diodes en faisant ajouter composant puis en sélectionnant la référence souhaitée après avoir sélectionné la librairie DIODE. 5

6 Modification de la valeur du condensateur C1 Double cliquez sur 1000uF et mettre la valeur souhaitée (u représente (10-6 )) Modification de la valeur de la résistance R1 Double cliquez sur 100 et mettre la valeur souhaitée Placement de la résistance Rc Ajoutez la résistance en dupliquant la résistance R1. Sélectionner R1 avec BG, puis BD copy et enfin BD paste. Changer son nom et sa valeur pour être conforme à notre étude. Placez des fils de connexion pour la relier au montage. Avant de commencer à simuler le fonctionnement de l alimentation, vous devez présenter à votre professeur le schéma modifié que vous comptez simuler. IMPORTANT : Les différentes courbes doivent être réalisées sur une feuille spécifique à petits carreaux. Elles doivent être tracées de différentes couleurs pour bien les différencier. Les courbes doivent présenter les paramètres de mesure importants (ex : valeurs max, min et moy). Remarques sur la visualisation des courbes Lorsque la simulation est lancée, PSPICE détermine tous les courants et tous les potentiels du montage. Pour ajouter une trace sous PROBE : Trace Add Trace ou on obtient l écran suivant : 6

7 V+ V+ V- V Tous les potentiels et les courants sont déterminés tandis que des fonctions prédéfinies peuvent être appliquées à ces signaux ou combinaisons. Exemple : Cliquer sur AVG() V(in) OK pour visualiser la valeur moyenne de vin. NB : pour revenir à tout moment au schéma, sélectionner OrCAD Capt dans la barre de lancement rapide ou fermer PROBE. Remarques sur la mesure d éléments des courbes Pour appeler le curseur : Trace Cursor Display ou. Deux curseurs sont disponibles par clic gauche et droit. Afin de sélectionner un curseur sur une trace précise : clic droit ou gauche sur le symbole de la trace (à coté de son nom). On connaît alors les coordonnées de chaque point de la courbe qui nous intéresse. Recherche des paramètres électriques d entrée et de sortie. III.1 Etude de la fonction technique "Redresser la tension" Cette étude partielle du montage sert à mettre en évidence le rôle joué par le pont de diodes. A partir du schéma original : - Supprimez la liaison entre le point commun entre les diodes D1 et D2 et le signal sortie. - Déplacez la résistance R1 pour la placer entre la diode D2 et le condensateur C1. Sélectionnez BG R1, BD cut puis vous placez R1 entre D2 et C1 Connectez R1 d un coté à la masse et de l autre coté au point commun entre D1 et D2. - Déplacez la sonde de tension V. Vous obtenez le schéma suivant : VOFF = 0V VAMPL = 18.66V FREQ = 50Hz V1 V- Entree+ Entree- D4 D1 D3 Visualisez les courbes de v1 : V(V1:+,V1:-) et v RED : V(D1:2) Comparez le résultat obtenu avec celui que vous avez prédéterminé. Ajoutez une courbe présentant la valeur moyenne de la tension v RED calculée à partir de 30 ms pour ne pas prendre en compte la phase initiale. Cliquez sur, puis AVGX(,) V(D1:2) 30ms OK. Mesurez la valeur moyenne VREDmoy de v RED et la comparez avec la valeur prédéterminée. D2 R1 C1 sortie Rc 7

8 V+ V On remarque que pendant l alternance positive de v1, alors que les diodes D1 et D3 conduisent, la tension v RED n a pas exactement la même valeur que v1. Visualisez la tension aux bornes de la diode D1 : v D1 ou V(D1:1,D1:2) Mesurer la tension v D1 pendant l alternance positive de v1 et en déduire la tension de seuil notée Vd1 de la diode D1 qui est une caractéristique importante des diodes. A partir des résultats précédents exprimez VREDmoy mesuré en fonction de VREDmoy théorique et de v D tension de seuil des diodes du montage. Pour la suite de l étude les sondes différentielles autour de la diode ne sont plus utiles. Pour les supprimer il suffit d en sélectionner une avec BG puis faire Suppr ou BD delete. III.2 Etude du montage complet en charge Avec OrCAD capture, redessinez votre schéma pour retrouver le schéma de base suivant : VOFF = 0V VAMPL = 18.66V FREQ = 50Hz V1 V- Entree+ Entree- Tensions à visualiser et à mesurer : Tension d entrée v1 : V(V1:+,V1:-) Tension de sortie, vs. V(sortie) D4 D1 D3 D2 Visualisez et dessinez sur un même chronogramme v1 et vs Ajoutez une courbe présentant la valeur moyenne de la tension vs calculée à partir de 30 ms pour ne pas prendre en compte la phase initiale. Cliquez sur, puis AVGX(,) V(sortie) 30ms OK. Mesurez la valeur moyenne Vsmoy de la tension vs Mesurez les valeurs minimales vmin et maximale vmax de vs une fois le régime permanent établi. Mesurez ou calculez l ondulation de la tension de sortie vs. C1 sortie R1 Rc 8

9 Courants à visualiser et à mesurer : Courant fourni par le générateur i1 : I(V1) Courant dans le condensateur ic : I(C1) Courant de sortie, is. V(Rc) Visualisez et dessinez ces trois courants sur un même chronogramme qui sera placé en dessous en concordance de temps avec celui des tensions v1 et vs. Comparez vos résultats avec ceux présentés dans le document ressource. Nota : A près avoir positionné dans le temps les courbes des courants par rapport aux tensions, vous pouvez obtenir des courbes plus précises en supprimant les courbes des tensions. Bilan de puissance. Tracez sur la même fenêtre les puissances moyennes à l entrée du pont AVGX((V(Entree+)-V(Entree-))*-I(V1),30ms) et à la sortie du pont AVGX((V(Rc:2)*- I(Rc),30ms) Mesurez alors la puissance absorbée par le montage Pa et la puissance utile dissipée dans la charge Pu. Déterminez les éléments qui consomment de la puissance. Calculez le rendement de l alimentation et conclure. 9