ELEXBO Box électronique d'expérimentation Kit AC-DC

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1 1 Le kit AC-DC permet de découvrir les thèmes tels que: - le courant alternatif monophasé et triphasé - le redressement du courant alternatif - le transformateur - l'induction dans la bobine - les caractéristiques d'un moteur à courant continu, de manière simple, autonome et ludique. 6 diodes pour le redressement double alternance triphasé Transformateur avec rapport de spires d'enroulement 1 : 10 Générateur triphasé avec rotor à aimants permanents Redresseur double alternance avec pont de Graetz 1 bobine pour la fonction de bobine

2 Sommaire Le courant alternatif... 3 Théorie du courant alternatif... 7 Le noyau de fer... 9 Redressement du courant alternatif en courant continu Fonctionnement du redressement double alternance triphasé Redresseur pont de Graetz Lissage du courant continu pulsé Courant alternatif triphasé Le couplage en étoile Redressement de courant alternatif triphasé Détection de défauts à l'aide de l'oscilloscope Puissance du couplage triphasé en étoile Le couplage en triangle Puissance du couplage triphasé en triangle Le transformateur Construction du transformateur Diagnostic de défauts de diodes et défauts d'enroulements La bobine Les bases de la bobine Les caractéristiques ohmiques d'une bobine Caractéristiques inductives d'une bobine Temps de charge Analyse technique du processus de la charge d'une bobine L'inductance Self-induction créée lors du déclenchement Calculs concernant la bobine physiquement Le moteur à courant continu Construction et fonctionnement d'un moteur à courant continu Le champ Moteur à courant continu Caractéristiques électriques du moteur à courant continu... 40

3 3 Le courant alternatif Ce cours vous permet de découvrir le thème du courant alternatif/continu dans l'électrotechnique. Dans un circuit avec une batterie et une lampe, le courant électrique circule du plus au moins. Du fait que le courant circule toujours dans le même sens, on appelle ça un courant continu. Regardez notre générateur! Il est composé des éléments suivants: Moteur électrique pour faire tourner le rotor Rotor à 4 aimants permanents Bobine: Fil mince enroulé avec 1500 spires Le générateur est représenté de manière simplifiée par un circuit électrique: Un rotor à 4 aimants permanents La partie rouge représente le pôle positif, la partie verte, le pôle négatif Der rote Punkt zeigt den Nordpol aussen Le moteur électrique sert à faire tourner le rotor à grande vitesse Le symbole pour une bobine

4 4 Branchez maintenant un voltmètre à la bobine droite: (le voltmètre devrait être réglé sur DC et la plus petite plage ou sur automatique) Tournez maintenant le point rouge dans le sens horaire au-delà de la bobine Résultat: Il se crée une tension d'env. 40mV à gauche de l'affichage n'apparaît pas de signe négatif (-) Tournez maintenant le rotor de 90 et bougez à nouveau l'aimant dans le sens horaire. Résultat: Il se crée une tension d'env. 40mV à gauche de l'affichage apparaît un signe négatif (-) Que se passe-t-il? Lorsqu'on effectue un mouvement avec un aimant permanent devant une bobine, des électrons sont déplacés dans le fil de cuivre. En fonction du pôle et de la manière dont la bobine est enroulée, est créée une tension électrique. L'aimant induit une tension dans la bobine Lorsque le pôle nord passe devant la bobine, une tension positive est créée (pas de signe négatif au voltmètre) Lorsque le pôle sud passe, une tension négative est créée. Constatation: Les électrons se déplacent en va-et-vient dans le fil de cuivre et restent au même endroit. La polarité à la bobine change continuellement de + à Il s'agit maintenant de courant alternatif et se nomme en anglais AC (alternated current = courant alternatif)

5 5 Maintenant, il est possible de laisser tourner le rotor à l'aide du moteur électrique. Construisez maintenant ce circuit: Tournez maintenant le potentiomètre afin que le rotor magnétique tourne au régime maximum. Le voltmètre en position DC (Direct Current) indique la valeur 0 volt. Changez maintenant la plage Volt de DC à AC (avec la touche de fonction ou V ) Le voltmètre indique maintenant env. 5 Volt courant alternatif. Branchez maintenant une LED à la bobine: Dès que le rotor magnétique tourne, la LED s'allume: Le générateur produit maintenant un courant alternatif AC et la LED est allumée.

6 6 Du fait que le courant alternatif varie continuellement et périodiquement sa polarité, et ceci très rapidement, le signal peut mieux être représenté à l'aide d'un oscilloscope. Voici le signal représenté par l'oscilloscope: Vers le haut - indique une tension positive (5 volt par carré) Ceci est la ligne de tension zéro Vers le bas - indique une tension négative La ligne horizontale indique le temps. 1 carré indique, selon le réglage sur l'oscilloscope secondes. Indication à l'oscilloscope = 5mS/Div Photo du signal d'oscilloscope:

7 7 Théorie du courant alternatif Plus la vitesse de rotation du rotor magnétique est élevée, plus la tension est élevée et également la vitesse de changement de polarité augmente. Le voltmètre indiquait une tension d'env. 5 Volt à régime maximum. Cependant, lorsque le signal mesuré est analysé, les valeurs suivantes peuvent être mesurées. Verticalement est réglée une plage de tension de 5 Volt par carré. Horizontalement est réglée une plage de temps de 2ms par carré. (0.002 secondes par carré) La valeur de la tension maximale de la ligne zéro à la valeur maximale se nomme Amplitude ( 1.5 Div. x 5 Volt = 7.5 Volt) La valeur de la tension maximale à la tension minimale se nomme tension crête à crête Ucc ( 3 Div. x 5 Volt = 15 Volt) Le temps d'une valeur de tension à la même valeur de tension se nomme Période 5 Div x 2ms = 10ms 1 période dure donc 10ms = 0.01 secondes Ce qui nous permet maintenant de calculer la fréquence: f = 1 = 1 =100 Hz durée de période 0.01 s L'unité de la Fréquence se nomme Hertz abrégé Hz

8 8 Autres valeurs concernant le signal sinusoïdal Valeur crête Alternance positive Alternance négative Lorsqu'on compare maintenant les valeurs du voltmètre de 5 Volt avec les valeurs mesurées de l'oscilloscope (tension maximale 15 Volt), on constate de grandes différences. Image simplifiée de l'oscilloscope U eff = 5V U s est 7.5 Volt Du fait que la tension augmente et s'abaisse à nouveau, le courant alternatif ne fournit pas la puissance d'un courant continu, lequel s'écoule toujours de manière continu dans le même sens. Lorsqu'on compare les puissances de circuits de courant continu et de courant alternatif, on constate qu'à une tension de crête de 7.5 Volt il n'y a effectivement que 5 Volt. Formule: U c = U eff x 2 U c = Tension de crête U eff = Tension efficace 2 = racine carré de 2 (1.4142)

9 9 Le noyau de fer Dans la bobine il y a un noyau de fer inséré. Il peut être retiré de la bobine. Quelle est l'influence du noyau de fer? Construisez ce circuit: Mesurez la tension VAC, au régime maximum, avec le noyau inséré. Résultat: 5.5 V Modifiez maintenant le circuit, afin que vous puissiez mesurer le courant maximum: Mesurez le courant A AC, au régime maximum, avec le noyau inséré. Résultat: 11 ma Retirez maintenant le noyau de fer et mesurez Résultat: 6 ma

10 10 Mesurez maintenant aussi la tension, avec le noyau de fer retiré Résultat: 2.6 V Calcul de puissance avec noyau de fer : P = U x I = 5.5 V x 0.011A = 0.06 W = 60mW Calcul de puissance sans noyau de fer: P = U x I = 2.6 V x 0.006A = W = 15mW Conclusion: Le noyau de fer quadruple la force du champ magnétique et il est donc d'une très grande importance.

11 11 Redressement du courant alternatif en courant continu Du fait que les électrons se déplacent continuellement en va-et-vient, une batterie ne peut pas être chargée ainsi. Un circuit qui ne permet que le mouvement des électrons vers l'avant doit être utilisé. Construisez ce circuit: Tournez le potentiomètre jusqu'à ce que le régime maximum soit atteint. L'oscilloscope indique cette image: La diode ne laisse circuler les électrons que dans le sens de la flèche. On appelle cela: Redressement simple alternance Le rendement est encore mauvais, étant donné que l'alternance négative, c.-à-d. les électrons en mouvement inverse ne sont pas utilisés. La LED a été remplacée par une résistance de 10kOhm afin de réduire la charge. Ce genre de courant se nomme Courant continu pulsé

12 Die Diode lässt nur noch die Elektronen in Pfeilrichtung fliessen. Dies nennt man Einweg-Gleichrichtung Der Wirkungsgrad ist noch schlecht, da die negative Halbwelle, also die sich umgekehrt bewegenden Elektronen nicht genutzt werden Die LED wurde durch den 10kOhm-Widerstand ersetzt um die Last zu verringern. Die Diode lässt nur noch die Elektronen in Pfeilrichtung fliessen. Dies nennt man Einweg-Gleichrichtung Der Wirkungsgrad ist noch schlecht, da die negative Halbwelle, also die sich umgekehrt bewegenden Elektronen nicht genutzt werden Die LED wurde durch den 10kOhm-Widerstand ersetzt um die Last zu verringern. ELEXBO 12 Construisez maintenant ce circuit: Tournez le potentiomètre jusqu'à ce que le régime maximum soit atteint. L'oscilloscope indique cette image: Les 4 diodes dirigent maintenant tous les électrons dans la direction positive. Cela se nomme: Redressement triphasé double alternance L'alternance négative est aussi utilisée Ceci représente le type de redressement actuel, lorsqu'il n'y a qu'une seule bobine utilisée. Fonctionnement du redressement double alternance triphasé + - Lorsque les électrons s'écoulent de la bobine, ils parviennent à la résistance de charge à travers la diode et par la diode inférieure droite vers le côté négatif de la bobine

13 Die Diode lässt nur noch die Elektronen in Pfeilrichtung fliessen. Dies nennt man Einweg-Gleichrichtung Der Wirkungsgrad ist noch schlecht, da die negative Halbwelle, also die sich umgekehrt bewegenden Elektronen nicht genutzt werden Die LED wurde durch den 10kOhm-Widerstand ersetzt um die Last zu verringern. Die Diode lässt nur noch die Elektronen in Pfeilrichtung fliessen. Dies nennt man Einweg-Gleichrichtung Der Wirkungsgrad ist noch schlecht, da die negative Halbwelle, also die sich umgekehrt bewegenden Elektronen nicht genutzt werden Die LED wurde durch den 10kOhm-Widerstand ersetzt um die Last zu verringern. ELEXBO Lorsque les électrons s'écoulent de la bobine par le bas ils parviennent à nouveau par le haut à travers la diode vers la résistance de charge et par la diode inférieure gauche vers le côté négatif de la bobine. Le redressement pont de Graetz dirige les deux alternances vers le côté positif. Redresseur pont de Graetz Le redressement triphasé double alternance est simplement présenté différemment, avec le circuit à pont de Graetz. Construisez maintenant ce circuit et observez l'image de l'oscilloscope Lissage du courant continu pulsé

14 14 Complétez le circuit avec un condensateur 47µF et observez l'oscilloscope Le condensateur lisse la tension continue respective afin qu'on obtienne maintenant une tension continue "propre" Fonctionnement du lissage Lorsque la tension augmente, le condensateur se charge et en même temps la valeur crête s'abaisse un peu Lorsque la tension baisse, le condensateur se décharge et empêche ainsi une brève tension nulle Remplacez maintenant le condensateur 47µF par le condensateur 1µF Ondulations résiduelles avec le condensateur 1µF Courant alternatif triphasé Jusqu'à présent, seulement une bobine sur la circonférence du rotor magnétique a été utilisée.

15 So wird die Dreieckschaltung als Schema aufgezeichnet. Die drei Wicklungen arbeiten jeweils 120 versetzt nacheinander. Die Spannungen ueberschneiden sich Das Oszilloskop-Bild sieht so aus: So wird die Dreieckschaltung als Schema aufgezeichnet. Die drei Wicklungen arbeiten jeweils 120 versetzt nacheinander. Die Spannungen ueberschneiden sich Das Oszilloskop-Bild sieht so aus: ELEXBO 15 Ceci se nomme courant alternatif monophasé Afin d'améliorer le générateur, il y a encore deux autres bobines qui se trouvent sur la circonférence. Ces 3 bobines sont disposées de manière décalées de 120. Chaque bobine produit un courant alternatif. Trois bobines disposent maintenant de 6 connexions et afin de simplifier celles-ci, elles on été interconnectées: Le couplage en étoile Construisez ce circuit N C'est ainsi que le couplage en étoile est représenté schématiquement. N Les trois enroulements travaillent successivement décalés chacun de 120. Les tensions se coupent. La connexion centrale se nomme Conducteur neutre L'image de l'oscilloscope se présente ainsi: Ce couplage nous fournit à notre prise électrique à domicile une tension alternative de: 230 Volt de N à U 400 Volt de U à V

16 16 Redressement de courant alternatif triphasé Afin de pouvoir produire du courant continu à partir de courant alternatif triphasé, on utilise le Pont redresseur. Construisez ce circuit: C'est ainsi que fonctionne un alternateur dans le véhicule automobile. L'image de l'oscilloscope montre qu'une tension continue élevée d'env. 15 Volt est obtenue. 15 Volt DC avec Harmoniques À l'aide du redressement des trois bobines interconnectées, lesquelles sont en plus décalées dans le temps de 120 elles atteignent leur point de tension maximale, ce qui nous donne cette Image modèle. Détection de défauts à l'aide de l'oscilloscope Lorsqu'une diode ou un enroulement présente une coupure ou un court-circuit, cela se voit à l'oscilloscope. Déposez le câble qui relie la diode gauche ci-dessous et observez l'oscilloscope L'oscilloscope permet de visualiser des défauts. voir diagnostic

17 17 Puissance du couplage triphasé en étoile Du fait que les enroulements sont décalés de 120, ils ne produisent pas la valeur maximale en même temps. On ne peut donc pas additionner simplement la puissance des 3 enroulements. Définition des enroulements et connexions U = Tension de ligne de U à V I = Courant de ligne de U à V U Str = Tension d'un enroulement (phase) I Str = Courant d'un enroulement (phase) P = Puissance totale du couplage Construisez ce circuit et mesurez la tension AC au régime maximum. Résultat: la tension de phase est d'env. 5.7 Volt voltmètre sur AC Mesurez maintenant de U à V: Résultat: la tension de ligne est d'env. 10 Volt voltmètre sur AC

18 18 Le rapport de la tension de ligne et la tension de phase est : 10 Volt = 1.7 = Volt La tension de ligne est 3 (1.7321) fois plus élevée que la tension de phase U = U Str x 3 I = I Str. (le courant de ligne et égal au courant de phase) Modifiez maintenant le circuit de mesure de cette manière: Tournez le potentiomètre au régime maximum et déterminez le courant maximum. Résultat: env. 11mA P Str = U Str x I Str = 5.7 Volt x A = Watt En couplage étoile, le générateur fournit une puissance de: P = 3 x P Str = W x 3 = 0.19 W

19 19 Le couplage en triangle Un autre genre d'interconnexion des trois enroulements se présente comme suit: C'est ainsi que le couplage triangle est représenté schématiquement. Les trois enroulements travaillent successivement décalés chacun de 120. Les tensions se coupent. L'image de l'oscilloscope se présente ainsi: Avec ce couplage il y a toujours deux enroulements couplés en parallèle. Puissance du couplage triphasé en triangle Quel est le comportement de la puissance dans un couplage en triangle? Construisez maintenant ce circuit Résultat: la tension de phase est d'env. 5.7 Volt, voltmètre sur AC

20 20 Mesurez maintenant également le courant: Tournez le potentiomètre au régime maximum et déterminez le courant maximum. Résultat: env. 16mA U = U Str (tension de ligne est égale à la tension de phase) I Str. = _I_ = 10 ma 3 P Str = U Str x I Str = 5.7 Volt x A = Watt En couplage en étoile, le générateur fournit une puissance de: P = 3 x P Str = W x 3 = 0.18 W Constatation: au régime maximum, le couplage en étoile et le couplage en triangle fournissent la même puissance. Le couplage en étoile permet d'atteindre déjà une tension élevée à bas régime. Le couplage en triangle peut fournir un courant élevé à bas régime.

21 21 Le transformateur Construisez ce circuit Réglez le régime maximum au potentiomètre et mesurez la tension en V (AC). Résultat: env. 42 V AC Avec une tension de batterie 4.5 V nous obtenons une tension presque 10 fois plus élevée. Mesurez maintenant encore une fois la tension au niveau du petit enroulement. Résultat: env. 4.5 V AC Construction du transformateur La petite bobine contient 1000 spires La grande bobine contient spires Windungen Le symbole pour la petite bobine Cette ligne indique le noyau de fer Le symbole pour la grande bobine L'enroulement qui reçoit la tension alternative se nomme enroulement primaire L'enroulement qui délivre une tension alternative se nomme enroulement secondaire

22 22 De 4.5 Volt AC le transformateur a produit env. 42 V AC (env. facteur 10) L'enroulement secondaire dispose de 10 fois plus de spires que l'enroulement primaire (env. facteur 10) Inversez maintenant les connexions comme indiqué dans le schéma: Au régime maximum, nous obtenons une tension de: Résultat: 0.5 V AC La tension de sortie et maintenant 10 fois plus petite que la tension d'entrée. Constatation: À l'aide d'un nombre différents de spires, des tensions plus élevées ou plus basses peuvent être générées. Les tensions dans le transformateur se comportent en fonction du rapport de nombre de spires Form. Transformateur U 1 = N 1 U 2 = N 2 Chargeur 230V à 12V IC 7812 pour une tension continue de 12 V stable Transformateur 4 diodes Condensateur

23 23 Diagnostic de défauts de diodes et défauts d'enroulements Image modèle: Les harmoniques doivent être au maximum 50% plus élevées que la moyenne. Interruption d'une diode: Attention: une diode peut présenter une coupure totale comme ici, ou simplement avoir une mauvaise conduction. Court-circuit d'une diode: Interruption d'un enroulement: Court-circuit d'un enroulement:

24 La bobine 24 Ce cours fournit les connaissances de: construction, fonction et caractéristiques d'une bobine et constitue un complément de la formation du kit AC-DC. Une bobine ou un enroulement est un fil en cuivre enroulé. Il est laqué, afin que les fils individuels ne se touchent pas. Bobine la plus simple Spule Bobine à 1500 spires Symbole d'une bobine ancien et nouveau Noyau en fer Les bases de la bobine Construisez ce circuit: Positionnez la boussole tous près du câble rouge et actionnez le bouton poussoir. Lors de l'actionnement du bouton poussoir un courant circule, l'aguille de la boussole se positionne en direction transversale du câble. (l'effet magnétique est malheureusement faible) Constatation: Dès qu'un courant circule dans un câble, un champ magnétique est créé autour du câble.

25 25 Remplacez maintenant la résistance par une bobine: Positionnez la boussole aussi près que possible de la bobine, de façon à ce que l'aiguille soit positionnée en direction transversale de la bobine. Lors de l'actionnement du bouton poussoir, l'aiguille de la boussole se tourne très rapidement dans le sens longitudinal de la bobine. Explication: Dans la bobine il y a naturellement plusieurs câbles disposés les uns à côte des autres. Ainsi, la force magnétique est massivement amplifiée. Maintenant il se passe quelque chose de surprenant. Les petits aimants des câbles individuels forment un grand champ magnétique commun et ainsi l'aimant obtient davantage de force pour attirer le fer. Selon le sens d'enroulement (horaire ou contrehoraire) il se crée un pôle nord ou un pôle sud à l'extrémité de la bobine. La force magnétique augmente lorsque: - L'INTENSITÉ DU COURANT AUGMENTE - LE NOMBRE DE SPIRES AUGMENTE Plus la section du câble est grande et plus y a de spires, plus la force magnétique est élevée. Dans la bobine se trouve un noyau en fer qui amplifie encore davantage la force magnétique. (voir kit ELEXBO-AC-DC). Bobine dans un relais. Dès qu'un courant circule à travers la bobine, l'armature est attirée.

26 26 Les caractéristiques ohmiques d'une bobine Construisez ce circuit Mesurez la résistance de la bobine: Résultat: env. 310 Ω Donc, un courant de I = U = 4.5 V = A = 14mA devrait circuler R 310 Ω Mesurez maintenant le courant qui circule à travers la bobine Résultat: 14 ma Constatation: Avec la tension continue, la bobine se comporte comme une résistance. La résistance ohmique de la bobine est de 300Ω Puissance absorbée: P = U x I = 4.5 V x A = W = 65 mw Maintenant, la bobine est également fréquemment utilisée pour des fonctions rapides. Là, les caractéristiques de la bobine changent considérablement. Afin de découvrir ces caractéristiques, il faut maintenant construire un Générateur à signaux rectangulaires.

27 27 Caractéristiques inductives d'une bobine Construisez ce circuit Symbole de l'oscilloscope Sélectionnez à l'oscilloscope les réglages : 0.5 Volts/DIV et 0.2ms/DIV Voici le signal: La tension est de: 5 carrés à 0.5 V = 2.5 V La fréquence est: 3.2 carrés à 0.2 ms = 0.64ms = s f = 1 / s = 1600 Hz

28 28 Maintenant il est également possible de mesurer le courant, à l'aide d'un shunt (résistance déterminée) avec l'oscilloscope. Modifier le circuit de cette manière: + Plus (+) oscilloscope à gauche Shunt 100 Ω L'oscilloscope est branché en parallèle avec la résistance-shunt de 100 Ω Il indique ainsi la chute de tension à la résistance-shunt de 100 Ω Maintenant le courant peut être calculé et l'évolution du courant peut également être visualisée. Sélectionnez à l'oscilloscope les réglages: 0.5 Volts / DIV et 0.1ms / DIV Voici l'image de l'oscilloscope La chute de tension au shunt est de: 2.4 carrés x 0.5 V = 1.4 V Maintenant est calculé le courant : I = U = 1.4 V = 14 ma R 100 Ω L'évolution du courant indique un rectangle "propre" Ceci représentait l'introduction aux mesures de tension et de courant à l'aide de l'oscilloscope.

29 29 Remplacez maintenant la résistance de 100 Ω (la verticale) par la bobine. Sélectionnez à l'oscilloscope les réglages: 0.2 Volts / DIV et 0.1ms / DIV Et voici maintenant l'image de l'oscilloscope: Accroissement du courant Lorsque le transistor supérieur devient conducteur, une tension est immédiatement appliquée à la bobine. Cependant, ce qui est particulier, c'est l'évolution du courant. Le courant ne circule pas tout de suite, mais il commence d'abord à croitre progressivement. Ligne de zéro Le flux de courant est donc freiné au début et n'augmente que progressivement à la valeur maximale. Une explication pour cela demande une observation détaillée: À cet effet, sont retenues tout d'abord toutes les valeurs essentielles: Mesurez avec l'oscilloscope l'évolution de la tension à la bobine: Valeurs de réglage: Axe Y : 1 Volt / DIV Axe X : 0.1 ms / DIV Résultat: 2.5 carrés à 1 V = 2.5 V Ligne de zéro

30 30 Et maintenant la mesure du courant: 3.4 carrés à 0.2 V = 0.68 V I = U = 0.68 V = 6.8 ma R shunt 100 Ω Valeur du courant maximum théorique, lorsqu'une tension de 2.5 V est appliquée au shunt et à la bobine: R total = R Shunt + R Spule = 100Ω + 300Ω=400 Ω I = U = 2.5 V = 6 ma R 400 Ω Là, le courant atteint sa valeur maximale de 6 ma. Ceci correspond à la valeur ohmique Ici, la bobine est entièrement saturée du point de vue magnétique (intensité du champ magnétique max.) Là, le courant commence à circuler. Explication: Dès qu'une tension électrique est appliquée à la bobine, un champ magnétique est créé autour du fil (voir page 1). Maintenant, le champ magnétique de la bobine se transforme en grand champ magnétique commun et cela freine donc le flux de courant, de sorte qu'il ne commence à circuler que progressivement. Maintenant, combien de temps faudra-t-il jusqu'à ce que la bobine ait atteint son champ magnétique maximum?

31 31 Temps de charge Mesure du temps de charge: 4.2 carrés à 0.1 ms = 0.42 ms Cela dure donc 4.2 ms, jusqu'à ce que le champ magnétique soit entièrement saturé. Fréquence = 0.64 ms = 1600 Hz t t Période Durée d'encl. = 100 % x 0.42 ms = 65% 0.64 ms Analyse technique du processus de la charge d'une bobine Le temps de charge est subdivisé en 5 sections. Secion 1 est un Τ (Tau grècque) 63% Du fait qu'il s'agit d'une courbe logarithmique, le 1 er Tau à une valeur de 63% du courant maximum 1Τ 5 Τ Le 2 ème Tau a de nouveau 63% des 37% restants = 23.3% + 63% = 86.3% Le 3 ème Tau. à 5 T, le temps total de charge est théoriquement atteint. 1 Tau dure donc 4.2 ms : 5 = 0.84 ms À l'aide de cette courbe de charge, il est désormais possible de calculer une grandeur importante. L'inductance Définition: L'inductance d'une bobine renseigne sur le rapport entre le courant circulant et la force magnétique (flux magnétique)

32 32 Inductance Symbole L Unité: Henry Unité abrégé: H Une bobine a une inductance de 1 Henry, lorsqu'une variation du flux de courant induit une tension de 1 Volt, dans la bobine. Calcul de l'inductance de la bobine à 1500 spires T = L R => L = Τ x R = s x 100 Ω = H Comparaison de puissance de la bobine avec courant continu et une fréquence de 1600 Hz Puissance avec 2.5 Volt courant continu et 300 Ohm P = U 2 R = V = W = 52mW 300 Ω Puissance avec 2.5 Volt courant continu pulsé (encl.65%) et un courant moyen de 6 ma x 63% P = (U x t) x ( I x 63% ) = ( 2.5 V x 0.65 ) x ( A x 0.63 ) = W = 6mW Constatation: Avec le courant alternatif, la bobine ne fournit plus qu'une puissance réduite.

33 33 Quel est le comportement de la bobine à fréquence plus élevée? Remplacez maintenant le condensateur de 33 nf par le condensateur de 10nF et mesurez: L'image de l'oscilloscope avec 10nF Réglage de l'oscilloscope Valeurs de réglage: Axe Y: 0.1 Volt / DIV Axe X: 0.05 ms / DIV (50 µs) V Fréquence: t = 3.6 carrés à 0.05ms = 0.185ms On voit clairement que la bobine n'est désormais plus chargée. La fréquence est élevée. t f = 1 = 5400 Hz = 5.4 khz s Courant: 3.2 carres à 0.1 V = 0.32 V = 3.2mA De ce fait, le courant et la puissance baissent également (voir régime de ralenti sur moteur à courant continu)

34 34 Self-induction créée lors du déclenchement Construisez ce circuit: Tenez les deux extrémités à votre langue et actionnez brièvement le bouton poussoir (n'ayez pas peur!) Vous sentez nettement un tressaillement, une tension élevée est créée brièvement, lors du déclenchement. Voici l'intérieur d'un relais: Une bobine avec une valeur de résistance de 120Ω Connexions électriques de la bobine L'induit qui relie les contacts électriques Remplacez maintenant les deux câbles par les connexions de l'oscilloscope: Réglage de l'oscilloscope 5 Volt / DIV 50 µ s / DIV et mode mémorisation (Stor) et appuyer la touche ms / s sur s (en mode mémorisation l'oscilloscope "dessine" une ligne lente) Actionnez maintenant le bouton poussoir plusieurs fois et adaptez vos réglages de l'oscilloscope:

35 35 L'image de l'oscilloscope se présente ainsi: Le bouton poussoir est actionné, la tension monte tout de suite à 4,5 V Lorsque le bouton poussoir ouvre le contact, la tension baisse tout de suite à 0 Volt La petite aiguille indique maintenant qu'une tension très élevée est créée. (50 à 200 Volt) Cette tension est inoffensive pour l'être humain, elle peut cependant détruire des composants électroniques Explication: Lorsque la bobine est déclenchée, le champ magnétique s'effondre. Suite à cela, les électrons sont brièvement accélérés, ce que l'on appelle la tension de selfinduction de déclenchement. Flux de courant et tension lors du déclenchement: Des électrons sont "poussés" hors de la bobine par le bas et il se crée une tension élevée. Le flux de courant est identique à celui avec circuit électrique fermé. + Cependant le côté positif de la tension se trouve maintenant en bas. Suppression de la self-induction lors du déclenchement : Complétez le circuit avec une diode dans le sens de blocage: Lors du déclenchement de la bobine, le courant créé par la self-induction circule en circuit fermé à travers la diode et s'annule ainsi (plus que 0.7 V)

36 36 Calculs concernant la bobine physiquement Valeurs physiques: -Diamètre du fil 0.063mm = mm 2 -Diamètre de la bobine rectangulaire = cote angulaire 9 mm -Résistance de la bobine 311 Ohm Combien de spires a cette bobine? D'abord il faut calculer la longueur totale du fil: La formule de base pour le calcul indique, qu'un fil de cuivre d'une longueur de 1m et une surface de section de 1mm 2 a une résistance de Ohm. R = ρ x longueur = longueur = R x A = 300 Ohm x mm 2 = 52.5m A ρ Ωmm 2 /m Une spire a une longueur de 4 x cote angulaire = 4 x 9 mm = 36 mm = 0.036m Nombre de spires = longueur de fil = 52.5 m = 1458 spires = 1500 spires Länge 0.036m

37 37 Le moteur à courant continu Construction et fonctionnement d'un moteur à courant continu Le rotor magnétique du générateur est entraîné par un moteur à courant continu DC Connexions électriques Moteur à courant continu Symbole électrique Elektro-Symbol Construisez ce circuit et tournez le potentiomètre: Le régime moteur varie de l'arrêt au régime maximum Afin de se familiariser avec la structure et le fonctionnement, le moteur est désassemblé. Il est composé des éléments suivants: Le boîtier avec aimant permanent se nomme Champ ou Stator La partie rotative avec 3 enroulements se nomme Induit ou Rotor Les connexions électriques des enroulements de l'induit se nomment Ballais

38 Le champ 38 Le champ est composé d'un boîtier en tôle et deux aimants permanents. Aimants permanents Pôle nord Représentation schématique Pôle sud L'induit L'induit constitue la partie rotative et génère une force rotative (couple) 3 poutrelles métalliques en T contiennent chacune une bobine Lorsque le courant circule, les 3 enroulements forment des aimants Le courant circule par le collecteur vers les enroulements de l'induit et forme un aimant avec pôle nord et pôle sud

39 39 Moteur à courant continu Fonctionnement schématique Champ / Stator Collecteur / Commutateur Induit / Rotor Fonctionnement: Le courant circule par le balai sur le collecteur, à travers les enroulements qui forment des pôles nord et pôles sud et retourne par le biais de l'autre balai au pôle négatif. Pôle nord et pôle sud se repoussent et il se crée un mouvement rotatif dans le sens horaire N N Pôle nord et pôle sud s'attirent et il se crée un mouvement rotatif dans le sens horaire Maintenant, l'induit tourne env. 60. Par le biais des balais, les enroulements sont alimentés en courant dans le sens inverse et changent ainsi de pôle nord à pôle sud et vice versa. S N N S N Pôle sud et pôle sud se repoussent et il se crée un mouvement rotatif dans le sens horaire Par le changement continuel des polarités, il se crée le mouvement de rotation.

40 40 Photos illustrant le mouvement rotatif Caractéristiques électriques du moteur à courant continu Mesurez maintenant la résistance du moteur comme illustré: Résultat: ca. 22 Ω (la résistance est créée par les 3 enroulements de l'induit) Construisez ce circuit: Mesurez le courant au régime maximum Résultat: env. 50mA = 0.05A Freinez le rotor magnétique jusqu'à l'arrêt, à l'aide de votre doigt, et mesurez maintenant le courant: Résultat: env. 170 ma = 0.17A = 0.2A Calculez maintenant la résistance à partir des valeurs: Bien que le moteur ne contienne que ces 3 enroulements, la résistance se modifie à une valeur quadruplée. Comment cela est-il possible? R = U_ = 4.5V = 90 Ω au régime max. I 0.05A R = U_ = 4.5V = 22 Ω lorsque bloqué I 0.2A

41 41 Explication des caractéristiques Lorsque le moteur est bloqué, du courant circule à travers les enroulements et la résistance calculée ( 21 Ω ) correspond environ à la résistance mesurée ( 22 Ω ) N Le moteur à courant continu a une résistance ohmique de 22 Ω S S Ceci représente le courant de court-circuit N N Lors de la rotation de l'induit, un champ magnétique est très rapidement créé et à nouveau annulé, dans les enroulements. Lorsqu'on enclenche le courant à une bobine, le courant commence à circuler et il se crée un champ magnétique. Lorsqu'un actionne maintenant le bouton poussoir et que l'on mesure le courant à l'aide d'un oscilloscope (chute de tension au niveau de la résistance = courant), on constate que le courant ne circule pas tout de suite, mais qu'il augmente pendant un certain temps. Explication: Dès que le courant est commuté, un champ magnétique est créé autour de chaque fil dans la bobine. Dans une bobine, les fils sont très près les uns des autres et la bobine forme un champ magnétique commun. Ce processus engendre une génération du champ magnétique retardée et ainsi également une augmentation du courant retardée. Au régime maximum, le champ magnétique ne peut plus du tout être créé et de ce fait il ne circule qu'un courant nettement plus faible. La résistance de 90 Ω représente l'addition de la résistance ohmique et la résistance inductive ce qui nous donne le courant à vide.