PPE : Le distributeur de prospectus PERROCHEAU Guillaume VIEIRA Nicolas TESTIER Marc-Antoine
Sommaire Introduction I/ Présentation du système 1) Pourquoi ce système? 2) Bête à corne 3) Diagramme SADT II/ Solutions envisagées 1) L'expression du besoin 2) Les contraintes 3) Les solutions technologiques envisagées 4) L'alimentation 5) Le système de rechargement de la batterie III/ Approche mécanique 1) La structure 2) Le plateau élévateur 3) L'entrainement de la feuille 4) Le présentoir
IV/ Approche électronique 1) Matériel électronique a) Les batteries b) Le régulateur c) Le comparateur d) Le relais e) L'optocoupleur en fourche 2) Le schéma électrique 3) Le schéma électrique au dernier jour
Introduction Les problèmes écologiques font l œuvre de bon nombre d'inquiétudes au sein de notre société. Les dégâts écologiques (disparition d'espèces animales, sécheresse, déforestation) nous forcent à réagir. Pour palier à ces désastres les plus grandes puissances économiques mondiale se tournent aujourd'hui de plus en plus vers les énergies dites propres (solaire, éolien, maritime,...). Chaque citoyen, chaque commune peuvent eux aussi réduire leur impacte sur l'environnement (par exemple en économisant l'eau ou en triant les déchets). Le projet présenté dans ce dossier a pour but de répondre à nos problèmes de surconsommations de papiers. En effet, notre société de consommation implique une utilisation de papier souvent excessive mis au service de la publicité où de petites annonces notamment, à l'aide de nombreux moyens: affiches, magasines, prospectus,... ce qui entraîne la dévastation et parfois la disparition totale des forêts. L'industrie du papier s'attaque aujourd'hui à la plus importante forêt du monde, poumon de la Terre, la forêt amazonienne. Quelle solution mécanique peut-on proposer pour permettre l'économie de papier?
I/ Présentation du système 1) Pourquoi ce système? Ce que nous recherchions avec notre distributeur c'était de permettre aux gens d'accéder à des prospectus de tout genre (annonces, publicité,...) sans gaspillage. Les prospectus contenus dans des bacs subissent en effet les intempéries et s abîment. De plus lorsque les passants veulent en consulter, ils ont parfois tendance à en prendre plusieurs pour eux ou leurs proches et finissent par les jeter. Le but du distributeur est donc de ne mettre à disposition qu'un seul prospectus à la fois tout en le protégeant des intempéries permettant ainsi d'économiser le papier. 2) Bête à cornes A qui rend-il service? Sur quoi agit-il? A l'utilisateur Sur le prospectus Distributeur de prospectus Dans quel but? Économiser le papier
3) Diagramme SADT : II/ Les solutions technologiques 1) L'expression du besoin Le but du distributeur est donc d'économiser le papier. Cependant la fonction première d'un distributeur de prospectus reste de rendre service à l'utilisateur. Il ne faut pas non plus oublier que les prospectus abordent majoritairement des thèmes tels que l'immobilier, les offres d'emplois et autres petites annonces et sont donc en général à la disposition du publique dans un lieu fréquenté et à la vue de tous. Il faut donc qu'il corresponde aux besoins des utilisateurs: avoir un libre et simple accès aux prospectus, tout en restant esthétique et en ayant une importante réserve de prospectus. 2) Les contraintes Ainsi nous arrivons à la définition des contraintes car un tel système doit, pour être utile, être tout aussi pratique que les bacs qui contiennent actuellement les prospectus, tout en ayant pour but d'économiser et de protéger le papier. Nous avons donc défini les contraintes suivantes:
tout d'abord, le système devait être étanche et protéger les prospectus des intempéries. Son alimentation devait être autonome, dans les dimensions moyennes de 35cm par 35cm par 35cm et pouvant contenir au moins 250 prospectus format A4. Le temps d'attente de sortie d'un prospectus devait être de moins de 3 secondes et le système devait coûter moins de 100. FP1: Distribuer prospectus FP2: Protéger les prospectus des intempéries, de la surconsommation... FC1: Alimentation autonome FC2: Système étanche FC3: Peut contenir 250 prospectus format A4 FC4: Dimension 35*35*35 FC5: Temps d'attente <3s FC6: Prix 100
3) Les solutions technologiques envisagées Nous nous sommes interrogés sur la façon dont nous pourrions rendre notre système encore plus autonome voir entièrement indépendant en énergie. Car le problème qui persistait malgré tout restait le rechargement. En effet en ajoutant une seconde batterie nous avons augmenté l'autonomie du distributeur et de ce fait augmenté de manière importante les écarts de temps entre deux rechargements sans pour autant rendre notre système parfaitement autonome : -l'ajout d'un système thermoacoustique Parmi les idées nous ayant traversé l'esprit, une en particulier a retenu notre attention : la thermoacoustique. Il s'agit alors de transformer l'énergie sonore en énergie électrique par le biais de la thermoacoustique. Par ce phénomène, on exploite les écarts de température créés afin de produire de l'énergie électrique. Mais ce système étant trop compliqué et peut rentable pour le moment, il fut vite mis dans la case des solutions technologiques impossibles à réaliser. -l'ajout d'une dynamo Nous avons pensé à l'ajout d'une dynamo afin que si les deux batteries soient vide, une personne pourrait tout de même retirer une feuille soit en rechargeant une batterie à l'aide de la dynamo soit en actionnant directement le moteur à l'aide ce celle-ci. Mais cette solution n'étant pas en adéquation avec le principe de facilité d'accès et de rapidité d'utilisation, cette idée fut abandonée.
4) L'alimentation Sur secteur Nous avions premièrement pensé à un système directement branché sur secteur offrant ainsi l'avantage d'être constamment alimenté. Mais l'inconvénient était la mobilité quasi nulle alors que l'énergie nécessaire à son fonctionnement restait faible. Sur batterie unique Pour permettre une meilleur mobilité nous avons donc naturellement opté pour l'utilisation d'une batterie 6V. Le système nécessite peut d'énergie et n'en utilise qu'à de très courts instants. La batterie rechargeable reste donc la meilleur alimentation possible. Sur deux batteries Pour augmenter l'autonomie nous avons ensuite décidé d'ajouter une seconde batterie plus puissante. Cette batterie secondaire alimente le système dès que la batterie principale 6V est déchargée ce qui permet de multiplier par trois le temps d'utilisation de notre distributeur.. 5) Le système de rechargement de la batterie Nous avons eu l'idée afin de rendre le système écologique et autonome d'ajouter un panneau solaire au distributeur. Peu encombrant, il fournit du courant même en faible ensoleillement permettant de recharger la batterie.
III) Approche mécanique 1) La structure La structure devait être simple à concevoir et relativement légère pour permettre une mobilité confortable et offrir assez de place pour le système d'entrainement. Elle est composée de profilés en aluminium, à la fois légers et solides et permettant une adaptation des dimensions sans grandes difficultés. 2) Le plateau élévateur Il doit permettre de maintenir à un niveau constant le paquet de feuilles à distribuer pour que le système de distribution soit constamment au contact de la feuille la plus haute, nous avons donc choisit un plateau sur ressort guidés par quatre axes permettant une montée horizontale du plateau au fur et à mesure des distributions des feuilles.
3) L'entrainement de la feuille L'entrainement des feuilles se fait grâce à une roue adhérente entrainer par le moteur, qui vient s'appuyer sur le paquet et pousser la première feuille vers le présentoir.
4) Le présentoir Le présentoir est la partie sur laquelle viennent se positionner les feuilles après avoir été entrainées. Il doit permettre de prendre facilement les feuilles distribuées ainsi qu'une visualisation rapide du contenu du document. C'est sur le présentoir qu'est fixé l'optocoupleur permettant l'arrêt du moteur lorsqu'une feuille est sortie.
IV) Approche électronique 1) Matériel électronique A présent il nous faut choisir le matériel électronique qui va nous permettre [...] a) Les batteries Pour alimenter notre système nous avons choisi deux batteries: une batterie de 6V et une autre de 12V. Batterie principale 6V Batterie secondaire 12V La batterie principale est celle qui alimente le système en priorité. La batterie secondaire ne prend le relais qu'une fois que le moteur atteint une vitesse de rotation trop faible, c'est à dire lorsque la batterie principale atteint un taux de décharge trop important. b) Le régulateur Le choix de deux batteries de tensions différentes pose problème au niveau du moteur. En effet la vitesse de rotation du moteur est fonction de la tension qui lui est délivrée. Sachant que la batterie principale est relayée par la batterie secondaire après avoir atteint une tension inférieure à 3V, le risque est
de passer à une vitesse de rotation quatre fois plus importante avec la tension délivré par la batterie 12V. De plus, les composants électroniques choisis pour être alimentés sous 6V risquent de cette façon de subir d'importants dégâts. La solution consiste donc à transformer cette tension de 12V en une tension de 6V. Nous avons donc choisi d'incorporer un régulateur 6V à notre circuit. Régulateur 6V Symbole : IN OUT c) Le comparateur Le comparateur est un mode de fonctionnement particulier de l'amplificateur Linéaire Intergré (ALI). Ce dernier peut aussi être utilisé en amplificateur de tension. ALI Symbole: + _ C'est en utilisant ce composant comme comparateur couplé à un relais dans notre circuit que l'on va pouvoir basculer de la batterie 6V à la batterie 12V et inversement en fonction de la charge de la batterie 6V. Il existe plusieurs
types de comparateur dont les fonctions diffèrent les unes des autres. Nous en avons isolées deux qui répondent à nos besoins, étudié les avantages et les inconvénients de l'utilisation de chacun pour finalement en choisir un. Première piste: le comparateur non inverseur à un seuil Le comparateur non inverseur à un seuil permet de comparer une tension d'entrée Ve à une unique tension de référence Vref. Dans notre cas la tension Ve à comparer est celle délivrée par la batterie principale 6V. Le but est d'obtenir en sortie du comparateur soit une tension Vs égale à celle de la batterie 6V si celle-ci est supérieure à 3V soit une tension Vs nulle si la batterie atteint une tension inférieure à 3V. On doit donc comparer Ve à une tension Vref égale à 3V. Ainsi, on branche la batterie à l'entrée + de l'ali et la tension de référence à l'entrée que l'on obtient à l'aide d'un pont diviseur de tension. +V R2 Vd Ve R1 0V ++ Vs Vref 0V 0V Donc: Si Ve >Vref alors Vd > 0 et Vs = Vbat Si Ve < Vref alors Vd < 0 et Vs = 0V On désire donc une tension de référence égale à 3V. On alimente le pont diviseur de tension sous une tension +V de 6V. Or: Vref = (+V).R2/(R1+R2) => Vref/(+V) = R2/(R1+R2) On peut ainsi en déduire les résistances à utiliser pont le pont diviseur de tension:
=> R2/(R1+R2) = 3/6 => R2/(R1+R2) = 1/2 Donc R1=R2. Ce système à l'avantage d'être simple et nous permet de n'utiliser la batterie principale que lorsque celle-ci dépasse les 3V. L'inconvénient est que la tension de la batterie reste bloquée aux environs de 3V et n'est ainsi utilisée que pour des durées très courtes. En effet la batterie passe en charge lorsque la tension à ses bornes est tout juste inférieure à 3V et est utilisée lorsqu'elle est tout juste supérieure à 3V (elle se décharge). Finalement sa tension risque de rester comprise entre 2,9 et 3,1V tandis que Vs passe d'un état haut à un état bas et d'un état bas à un état haut en quelque seconde. Or comme nous le verrons dans la suite, c'est Vs qui commande la commutation entre les deux batteries. Avec un simple comparateur non inverseur à un seuil la commutation se fait donc de manière répétitive en à peine quelques secondes. Seconde piste: le comparateur à hystérésis (ou Trigger) Le comparateur à hystérésis est obtenus à partir d'un montage particulier entre un ALI et quatre résistances. Ce montage (voir schéma ci-dessous) permet de fixer non pas une mais deux tensions de références. +V R2 R3 R1 Vd Ve Vs R4 0V Vref 0V 0V
Notre but est donc d'utiliser la batterie 6V jusqu'à ce qu'elle atteigne la tension minimum acceptable de 3V. Mais pour éviter le problème obtenu précédemment, il nous faut fixer une seconde tension de référence plus élevée permettant à la batterie de se charger suffisamment longtemps pour alimenter de nouveau le système. Le comparateur à hystérésis nous permet de fixer deux tensions de références. Nous avons donc choisi cette seconde tension de référence égale à 6V. Ainsi, lorsque la batterie principale se décharge jusqu'à 3V le système commute sur la seconde batterie, et lorsque la batterie principale est de nouveau entièrement chargée elle alimente à nouveau le système. On appelle Vb la tension de référence basse 3V et Vh la tension de référence haute 6V. Voici un schéma récapitulatif de l'évolution de la tension en sortie du comparateur en fonction de la tensions delivrée par la batterie 6V: Vs Vb Vh Ve Vref.(R2+R1)/R2 Vref.(R2+R1)/R2 À présent on détermine par le calcule les résistances et des tensions à appliquer à ce comparateur: On souhaite donc: Vh = 6V ; Vb = 3V ; +Vsat = 6V et Vsat = -6V Or: Vh = Vref.(R2+R1)/R2 + Vsat.R1/R2 Vb = Vref.(R2+R1)/R2 - Vsat.R1/R2 Nous avons ici deux équations à deux inconnues: Vref et le rapport R1/R2 On se propose de déterminer le rapport Vref(R2+R1)/R2 afin de pouvoir ensuite d'isoler le rapport Vsat.R1/R2: Vh + Vb = 2 Vref.(R2+R1)/R2 Vref.(R2+R1)/R2= (Vh + Vb)/2
Vref.(R2+R1)/R2= 9/2 Vref.(R2+R1)/R2= 4,5 Or: Vh = Vref.(R2+R1)/R2 + Vsat.R1/R2 Vsat.R1/R2 =Vh -Vref.(R2+R1)/R2 Vsat.R1/R2 = 6-4,5 Vsat.R1/R2 = 1,5 On en déduit le rapport R1/R2: R1/R2=1,5/Vsat R1/R2=1,5/6 R1/R2=1/4 R2 = 4R1 On doit donc choisir une résistance R2 quatre fois supérieure à R1. On peut à présent en déduire la valeur de la tension de référence Vref. On rappelle que Vref.(R2+R1)/R2= 4,5 Donc: Vref (1 + R1/R2) = 4,5 Vref (1 + 1/4) = 4,5 Vref * 5/4 = 4,5 Vref = 4,5*4/ 5 Vref = 18/5 Vref = 3,6 V La tension Vref ) choisir est donc de 3,6V. On vérifie la cohérence des résultats trouvés précédemment avec la formule donnant Vb: Vb = Vref.(R2+R1)/R2 - Vsat.R1/R2 Vb = 3,6 (5R1/4R1) 6*1/4 Vb = 18/4 6/4 Vb = 12/4 Vb = 3V Les résultats trouvés au cours de notre raisonnement sont donc corrects.
On a donc : Vh = 6V Vb = 3V Vref = 3,6 V Vsat = 6V R2 = 4R1 Ce système à donc l'avantage d'obtenir en sortie du comparateur une tensions Vs égale à celle de la batterie 6V uniquement sur sa phase de décharge (de 6V à 3V) et d'attendre que la batterie soit entièrement rechargée avant d'avoir à nouveau en sortie la tension de délivrée par la batterie. Entre les deux phases décharge/charge on aura en sortie une tension nulle. d) Le relais 6V Le relais 6V est composé d'une bobine et d'un commutateur deux positions. Lorsqu'on applique une tension nulle aux bornes de la bobine, le commutateur est en position 1 dite au repos. Lorsqu'on applique une tensions de 6V aux bornes de la bobine, celle-ci va générer un champs magnétique faisant basculer le commutateur en position 2 dite de travail. C'est ce composants qui va effectuer la commutation entre les deux batteries. Il nous suffit de brancher la bobine à la sortie du comparateur et la commutation va se faire en fonction de la tension Vs en sortie du comparateur. Si Vs est à l'état haut alors l'interrupteur passe en position 2, la batterie 6V est connectée au circuit. Si Vs est à l'état bas, l'interrupteur passe en position repos, il y a commutation de la batterie principale à la batterie secondaire.
e) L'optocoupleur en fourche A présent que nous avons tout nos composants électroniques nous permettant de faire fonctionner notre système sur deux batteries il ne nous reste plus qu'à déterminer une solution technique à la fonction contrainte FC1: ne distribuer qu'un prospectus à la fois. Le principe est donc de remonter un prospectus de la pile jusqu'au présentoir puis de stopper le système une fois celui-ci arrivé en fin de course. Il nous faut donc un composant capable d'arrêter le moteur et de le redémarrer en fonction de la présence ou non de prospectus. Nous avons donc opté pour un optocoupleur à fourche. L'optocoupleur à fourche est un capteur/émetteur en forme de fourche composé de deux blocs électriquement indépendants: l'un comporte une DEL qui émet une lumière infrarouge (l'émetteur) et l'autre contient un phototransistor (capteur). Ce photo-transistor est se saturé lorsqu'il capte la lumière émise par la DEL et il est bloqué lorsque la liaison optique est coupée. Dans le cas de notre distributeur c'est le prospectus qui coupe le contact entre l'émetteur et le récepteur. Lorsque le prospectus remonte jusqu'au présentoir il passe au centre de la fourche obstruant ainsi la liaison optique, le contact est rompu: le transistor est bloqué. Lorsqu'un passant prend un
prospectus, la liaison optique est rétablie, le transistor est saturé. En associant le pototransistor à un relais dont l'interrupteur est relié au moteur, on va pouvoir, en fonction de la présence ou non de prospectus, ouvrir ou fermer l'interrupteur et alimenter ou non le moteur. 2) Schéma électrique
3) Schéma électrique au dernier jour Le comparateur à été retiré car nous avons remarqué que le relais commutait en position travail lorsque la batterie 6V était pleine et en position repos lorsque la batterie 6V atteignait environ 3,5V. Il y avait donc commutation sur la seconde batterie avant que l'on obtienne en sortie du comparateur une tension de 3V. L'intensité en sortie du photo-transistor était trop faible pour la commutation du relais. On l'a donc remplacé par un transistor NPN commandé par courant
Fiches personnelles Vieira Nicolas J'ai beaucoup aimé faire ce PPE, même si au final tout ne s'est pas déroulé comme nous le souhaitions. Ce qui m'a vraiment plus c'est la mise en pratique des connaissances acquises lors des cours théoriques. Je me suis rendu compte des lacunes, parfois importantes, dont je faisais preuve notamment en électronique (alors que c'était la partie dont je m'occupais). Pour citer un exemple simple, lorsque nous avions décidé d'ajouter un comparateur à notre circuit, j'ai passé plusieurs dizaines d'heures entre la compréhension du rôle de ce composant, le calcul des résistances et les branchements. Mais le temps passé à travailler sur chacun des composants m'a permis de prendre du recul quant à ce que nous apprenions en cours. Certains chapitres que nous avions vu au cours des deux dernières années et dont je ne voyais pas la finalité, ont été réutilisés. À la fin de l'élaboration de notre PPE, nous avons été confrontés à d'importants dysfonctionnement mais à chaque problème je pouvais imaginer plusieurs solutions technologiques et la manière de les agencer. Je peut aujourd'hui me rendre compte des progrès que j'ai pu faire. Je pensais que l'électronique était une discipline à laquelle je ne pourrait jamais m'intéresser, elle est aujourd'hui devenu l'une de mes matières préférées. En ce qui concerne le travail en groupe mon bilan est mitigé. Nous avons été individuels pendant un long moment. Chacun des membres du groupe faisait sa part de travail chez lui mais à un rythme différent des autres ce qui nous à tous bloqués à un moment ou à un autre. J'ai malgré tout apprécié le réel travail fourni par chacun. La dernière semaine nous étions tous sous pression car certains composants ne fonctionnaient pas, la partie mécanique n'était pas terminée et le dossier était loin d'être complet. Mais c'est à ce moment là que nous avons fourni un réel travaille de groupe. Nous avons travaillé tous les soirs et avions chaque jours franchi une étape ( cinq nouvelles pages dans le dossier, le bloc moteur monté sur le distributeur, un nouveau composant qui fonctionne,etc..). Ce fut au final une belle expérience tant sur le plan culturel qu'humain. C'était un travail fait dans la bonne humeur que je recommencerais avec plaisir.
Testier Marc-Antoine Sur le distributeur, je me suis tout d'abord attelé à la partie mécanique et à la construction de la première version de la structure. J'ai pu me rendre compte de toutes les difficultés de conception. Je me suis ensuite attelé au diaporama et à une partie du dossier. Ce PPE a été très enrichissant grâce à la plus grande liberté qu'il nous a été accordé comparé à l'année dernière. Perrocheau Guillaume Je me suis occupé de la partie conception de la structure avec Marc-Antoine, puis suite à des problèmes de découpe j'ai tout repris chez moi. J'ai conçus le plateau élévateur avec l'aide de Nicolas et je l'ai aidé pour le circuit électronique.