LES SCIENCES DE L INGENIEUR

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1 LES SCIENCES DE L INGENIEUR Support : Mécanisme de réservation d emplacement de parking VIGIPARK Thème : Etude de la fonction «Autoriser la charge de la batterie» Première Terminale OBJECTIF DE LA SEANCE : Identifier les structures électroniques et leur intérêt dans la chaîne de traitement de l information. Evaluer la solution constructive retenue par le constructeur pour autoriser la charge de la batterie conformément aux éléments du cahier des charges. Valider par simulation la structure permettant la charge de la batterie. MISE EN SITUATION Pré requis Utilisation du logiciel ORCAD Fonction «Générer un seuil de tension» Analyse fonctionnelle CENTRES D INTÉRÊTS Analyser le besoin Analyser le produit Alimenter Distribuer Durée L énergie Convertir 3 heures Transmettre, Adapter Condition de réalisation Protéger Poste de mesures Poste de simulation Acquérir Poste partie opérative L information Traiter Poste de recherche Communiquer Matériel et/ou documentation(s) spécifique(s) Guide d aide du logiciel ORCAD Annexe 1 : diagrammes FAST des fonctions étudiées Annexe 2 : schéma structurel complet de la fonction «Autoriser la charge de la batterie» Annexe 3 : caractéristique de la thermistance Un produit pluritechnique Représenter Schématiser Projet Pluritechnique Encadré Observer Rechercher Simuler Internet Décrire

2 A. Mise en situation Le système VIGIPARK permet la réservation de place de stationnement à destination des personnes à mobilité réduite. D après les éléments du cahier des charges fonctionnel, il doit «Etre énergétiquement autonome (au moins 12 mois) quelque soit le niveau d ensoleillement». La solution constructive retenue par le constructeur consiste à utiliser une batterie de 12V 9Ah rechargée par un panneau solaire. Une attention particulière est attribuée à la gestion de l énergie emmagasinée par la batterie. Concernant sa charge : La tension générée par le panneau solaire doit être supérieure à la tension de la batterie, La tension de la batterie doit être inférieure à 14,7 V, La tension de la batterie doit être supérieure à 10,3 V (décharge profonde et risque de fonctionnement aléatoire de la batterie), La température de la batterie ne doit pas excéder 52 C. Concernant sa décharge : La tension batterie doit être supérieure à 10,3 V (décharge profonde). Pour répondre à ces exigences, le schéma fonctionnel suivant a été conçu : 52 C T ( C) Comparer la température de la batterie Autoriser la charge de la batterie Tension Batterie Détecter une surcharge de la batterie 14,7 V Prendre une décision Autoriser le transfert P/B Transférer l énergie panneau-batterie Détecter une décharge profonde de la batterie 10,3 V Autoriser le transfert B/D Transférer l énergie batteriedistributeur B. Objectif Evaluer la solution constructive retenue par le constructeur pour autoriser la charge de la batterie conformément aux éléments du cahier des charges.

3 C. Surveillance de la tension de la batterie 1. Détecter une décharge profonde de la batterie. Un signal d alerte permet sur le pupitre de commande d identifier une décharge profonde de la batterie. Localiser cette information et donner sa nature (visuelle, sonore, sensitive). Un dispositif d alimentation externe permet de suppléer à l insuffisance de la charge de la batterie lorsque le système est placé dans un endroit sombre pendant longtemps. Identifier ce dispositif. Décrire le mode opératoire qui permet d obtenir l alimentation du système. Réaliser un cycle de descente et de montée de l arceau pour confirmer la fourniture d une énergie suffisante. Qu est ce qui pourrait contrarier cette fourniture d énergie et la rendre insuffisante? Validation de la fonction «Détecter une décharge profonde de la batterie» Rechercher et proposer une manipulation qui permet en déclenchant le dispositif de surveillance de la décharge profonde d évaluer la limite de tension minimale de la batterie. Mesurer cette tension minimale en utilisant l appareil de mesure adapté. Le cahier des charges concernant la détection de la décharge profonde est-il validé? Cette expérience valide la détection d un niveau de tension de batterie insuffisant. Permet-il d interrompre la charge de la batterie et la fourniture d énergie vers le système? Le développement suivant permet de répondre à cette question. Interruption de la charge de la batterie. Le schéma structurel ci-contre décrit en partie les solutions constructives développées par le constructeur. Identifier les principaux composants et préciser succinctement le rôle qui leur est généralement attribué. Le simulateur ORCAD est l outil qui va permettre la validation de l interruption de la charge de la batterie dans la situation d une décharge profonde.

4 Identifier l entrée correspondant à la tension de la batterie et l information «Autoriser le transfert P/B» : les structures permettant de «Détecter une décharge profonde de la batterie» et de «Prendre une décision» sont placées entre les deux. Le niveau de tension «10,3 V» permet la détection de la décharge profonde de la batterie. Localiser la tension de référence permettant d assurer le bon fonctionnement des structures U5x. Proposer une manipulation permettant de quantifier la tension de référence choisie par le constructeur. Remplacer la tension de la batterie à l origine fixe par une tension variable en fonction du temps (on choisira une tension qui évolue par exemple de +12V à +9V : consultez le modèle proposé en fin de document). Montrer par des essais que vous décrirez qu une interruption de la charge a lieu lorsque la tension de la batterie atteint 10,3V. Le cahier des charges concernant l interruption de la décharge profonde est-il validé? Interruption de la fourniture d énergie par la batterie. 2. Détecter une surcharge de la batterie. Cette partie n est pas étudiée ici. Cette partie n est pas étudiée ici. D. Surveillance de la température de la batterie. Le captage de la température de la batterie est réalisé par une résistance (collée sur la structure de la batterie) dont la valeur varie avec la température : c est une résistance CTN (coefficient de température négatif). Rechercher les principales caractéristiques et le symbole de ce composant. La fonction de transfert sous forme graphique est donnée ci-contre. Elle établit la relation entre la résistance de l élément et la température. Il est en général inutile d utiliser la forme algébrique de cette fonction de transfert (trop complexe), la détermination des points de fonctionnement s effectuera donc graphiquement. La variation par l expérimentation de la température de la batterie est délicate. L étude s effectuera donc exclusivement par simulation.

5 Interruption de la charge de la batterie. Identifier sur le schéma structurel la résistance CTN. Déterminer par simulation plusieurs situations rendant compte de l évolution de la valeur de cette résistance en fonction de la température : les résultats seront consignés dans un tableau où seront associées les valeurs de T ( C), R CTN ( ) et V T (V). Justifier analytiquement ces résultats. Les formules de la fiche «COMPOSANTS GENIE ELECTRIQUE» peuvent être utilisées. Vérifier qu une température supérieure à 52 C permet effectivement d interrompre la charge de la batterie. Décrire votre mode opératoire en précisant les signaux que vous analysez. E. Synthèse. L objectif de cette partie est d analyser d un point de vue fonctionnel puis d un point de vue structurel la fonction «Prendre une décision». 1. Point de vue FONCTIONNEL. On nomme les trois informations d entrée de la fonction «Prendre une décision» : "Température batterie < 52 C" "Pas de décharge profonde" "Pas de surcharge" Etablir sous une forme algorithmique, la relation entre ces trois entrées et la sortie "Autoriser le transfert P/B". Procéder de la même façon avec la sortie "Autoriser le transfert B/D". 2. Point de vue STRUCTUREL. On associe "1" lorsque la proposition est vraie. Ainsi lorsque la batterie n est pas en surcharge, l information "Pas de surcharge" vaut "1". Proposer une table de vérité permettant d établir la relation logique entre les trois entrées de la fonction «Prendre une décision» et la sortie "Autoriser le transfert P/B". Nommer cette fonction logique. Identifier, sur le schéma structurel, la solution constructive retenue par le constructeur pour cette fonction logique (seules deux entrées sont gérées par le système d origine). Proposer une généralisation de cette solution pour N entrées.

6 Document d accompagnement Syntaxe du générateur de tension VPULSE Ou comment créer une tension périodique de forme impulsionnelle. Forme générale : V1 = V2 = TD = TR = TF = PW = PER = V4 Paramétres : V1 : Tension initiale [V], V2 : Tension de l impulsion [V], TD : Retard [s], TR : Temps de montée [s], TF : Temps de descente [s], PW : Largeur de l impulsion [s], PER : Durée de la période [s] Exemples : V1 = 1V V2 = 5V TD = 1s TR = 0.1s TF = 0.4s PW = 0.5s PER = 2s V4 0 V R1 1k TR=0.1s TF=0.4s 6.0V 4.0V Représentation : 2.0V 0V 0s 0.5s 1.0s 1.5s 2.0s 2.5s 3.0s V(V4:+) Time PW=0.5s PER=2s 6.0V V2=5V 4.0V 2.0V V1=1V 0V 0s 1.0s 2.0s 3.0s 4.0s 5.0s 6.0s 7.0s V(V4:+) Time TD=1s