I. Présentation du Système

I. Présentation du Système 1. Fonctionnement Cette Lampe Rechargeable est un système compact permettant d obtenir une source lumineuse à partir d une batterie. Sa particularité est que cette batterie peut être rechargée grâce à une manivelle. Elle est donc Totalement Autonome. Son bouton unique permet 4 modes de fonctionnement : Mode Lumineux Faible (demi puissance) Mode Lumineux Fort (pleine puissance) Mode intermittent Mode Eteint. Puissance de la Lampe (LED) : 0,5 W Portée Lumineuse : 30 m Autonomie : 10 mn de Lumière pour 1 mn de recharge 2. Structure Voici le Schéma de Base pour allumer une Lampe : Une batterie fournie l énergie L interrupteur permet d allumer ou Éteindre la Diode. Voici le Schéma avec un Circuit de Gestion d Allumage : L interrupteur est commandé par un circuit Spécial : Intermittent lent (clignotement) Intermittent rapide (Tellement rapide que l œil ne voit qu une luminosité moyenne) Totalement allumé Ou éteint. Ce circuit est lui-même alimenté par la batterie. Activité Lampe Rechargeable.doc Page 1 / 8

Voici le Schéma avec un Circuit de Gestion d Allumage ET Système de Rechargement : C est le Schéma Complet de notre Lampe Rechargeable. On Tourne la Manivelle. Un Train d Engrenages augmente la vitesse. L Alternateur produit de l Énergie Electrique à partir de l Énergie Mécanique Fournie. L Alternateur crée une tension alternative qu il faut transformer en tension continue : C est le rôle du Redresseur. II. Objectifs de l Activité Cette Lampe est un très bon exemple de Gestion d énergie : L énergie entre sous forme Mécanique, se transforme en Électricité puis enfin en Lumière. Tous les éléments seront très détaillés en 1 ère et en terminale. Nous n allons pas étudier le Circuit de Gestion de l Allumage de la lampe car il est inaccessible. Ce n est pas Grave. Si vous avez fait l activité «Commande Moteur CC», vous devinez que ce circuit commande la lampe en faisant varier la fréquence et le rapport cyclique d un signal carré. Nous allons donc étudier : L intérêt de multiplier la vitesse (Engrenages) pour que l Alternateur fonctionne. La forme de la tension électrique créée par l Alternateur. L intérêt du Redresseur (pont de diodes) pour charger la Batterie. Activité Lampe Rechargeable.doc Page 2 / 8

III. Modifications du Système Afin de vous aider à effectuer des mesures électriques, Vous disposez d une lampe ouverte sur laquelle sont soudés quelques fils. Attention : Les soudures sont fragiles. Manipulez la lampe avec précaution. Voici un schéma indiquant la position des fils : Les 3 Fils BLANCS ne DOIVENT PAS se toucher. C est par ces 3 Fils que l Énergie Électrique sort de l Alternateur. Les 2 Fils ROUGES peuvent être reliés. Cela connectera le + de la Batterie au circuit. Les 2 Fils BLEUS peuvent être reliés. Cela connectera le + de la Diode au circuit. Les 2 Fils MARRONS peuvent être reliés. Cela connectera le - de la Diode au circuit. Remarquez que l UN des Fils MARRONS est relié au de la Batterie (celui qui ne va pas vers la diode). Activité Lampe Rechargeable.doc Page 3 / 8

IV. Etude du Train d Engrenage 1. Comportement de l Alternateur Mesurer à l oscilloscope la tension entre 2 fils blancs (sortie alternateur). Tourner la manivelle tranquillement et augmenter progressivement votre vitesse. Vous remarquez peut-être que la tension a une limite maximale : Il y a un composant caché qui bloque la tension à 10 volts. Ne tournez donc pas trop vite. Quelle est la forme de cette Tension fournie par l Alternateur (avant d atteindre 10 volts)? LA TENSION : Constante Type Carré Type Triangle Type Sinusoïdal Monte Diminue Reste constante LA FRÉQUENCE : Monte Diminue Reste constante Cette Forme de Tension est typique pour un Alternateur. On voit donc que la tension est Proportionnelle à la Vitesse. Donc : On voit aussi que la Fréquence est Proportionnelle à la Vitesse. Donc : NK T.U NK F.F On a U en Volt, N en tour/min et F en Hz. Quelle est l unité de K T?... Quelle est l unité de K F?... Ces 2 coefficients K T et K F sont différents. Ils n ont même pas la même unité. A l aide d un tachymètre et d un voltmètre, j ai pu mesurer la tension U à une vitesse N donnée. J ai donc trouvé le Coefficient K T 290 tr/min/v Pour charger la batterie de 3,6 Volts, l alternateur doit au moins fournir 3,6 volts. Quelle doit être la vitesse minimale N N de l alternateur pour développer ces 3,6 volts? mini Activité Lampe Rechargeable.doc Page 4 / 8

Seriez-vous capable avec vos petites mains de faire tourner un objet à cette vitesse? OUI NON Voilà pourquoi on place un Train d Engrenage AVANT l Alternateur. 2. Train d engrenage On appelle train d engrenage, une cascade de roues dentées qui ont pour objectif de modifier la vitesse de rotation. Faites tourner la manivelle lentement. Par rapport à la Manivelle, la Cloche tourne : Aussi Vite Plus Vite Moins Vite Donc Le train d engrenage : Augmente la Vitesse Diminue la Vitesse C est pourquoi on l appelle Multiplicateur. On les rencontre quasiment toujours avant un alternateur. Par exemple sur cette éolienne la boite de vitesse est un multiplicateur car les pales ne tournent pas très vite par rapport au besoin de l alternateur. A l inverse, après un moteur électrique qui tourne vite (généralement 1500, 3000 tr/min ou plus), on place un Réducteur à engrenage. Voici représenté notre train d engrenage : Ce Train se compose de 3 Engrenages. Un Engrenage est un ensemble de 2 cylindres dentés qui s entraînent grâce aux dents en contact. Pour un engrenage, j appellerai «Un Pignon» le petit cylindre et «Une Roue» le grand. Activité Lampe Rechargeable.doc Page 5 / 8

Je note Z le nombre de dents. L indice r pour les Roues et p pour les Pignons. Nombre de dents de la roue Z r Nombre de dents du pignon Z Engrenage 1 Z r1 29 Z p1 8 r 1 Engrenage 2 Z r 2 26 Z p2 8 r 2 Engrenage 3 Z r3 Z p3 12 r 3 p Rapport de multiplication de vitesse r Z Z r p Comptez le nombre de dents sur la Roue du 3 ème engrenage (répondre dans le tableau). Conseil, repérez une dent avec un feutre, poser une pointe sur la dent et faites tourner lentement la Cloche de l Alternateur (pas la manivelle). Calculer les rapports de multiplication (r 1, r 2 et r 3 ) de chaque engrenage (répondre dans le tableau) En multipliant ces 3 rapports, vous obtenez le rapport total de l ensemble du train : r Total Vous avez déjà calculé la vitesse minimale N mini de l alternateur pour charger la batterie. Cela correspond à Ns minimum. En déduire la vitesse minimale Ne de la manivelle : N emini Cette Vitesse vous paraît-elle adaptée pour vos petites mains? OUI NON V. Etude du Redresseur 1. Pourquoi un Redresseur? Une batterie se charge grâce à des phénomènes Chimiques comme l oxydoréduction par exemple. Quelque soit le type de la batterie, la réaction chimique lors de la charge nécessite une Tension Continue. Pourquoi utilisons-nous un Alternateur qui fournit une Tension Alternative? Si vous avez fait l activité «Commande Moteur CC», vous savez qu il peut fonctionner à l envers et fournir une tension Continue. Mais l Alternateur a beaucoup d avantages : Il est moins Cher, sans entretien, et surtout il a un meilleur rendement. C est pourquoi on le préfère, MAIS il FAUT REDRESSER. Activité Lampe Rechargeable.doc Page 6 / 8

2. Fonctionnement du Redresseur Le Redresseur est composé de 6 Diodes. On peut les voir sur le système, ce sont des petits cylindres Noirs et Gris. Ce type de Diode n est pas lumineux. Mesure de la Tension sur les 3 Fils BLANCS : Voici les 3 Tensions U 1, U 2 et U 3 sortant de l Alternateur. Nous ne pouvons pas toutes les mesurer à l oscilloscope car les 3 pieds de flèches (prises noires sur l oscilloscope) sont sur des fils différents. Or dans l oscilloscope les prises noires sont reliées, on aurait donc des courts-circuits. En plaçant le Fil BLANC du milieu aux entrées noires de l oscilloscope, on peut mesurer U 1 et -U 2 en placant les 2 autres Fils BLANCS sur 2 entrées rouges de l oscilloscope. MAIS on NE peut PAS mesurer U 3. Faites cette mesure en faisant tourner la manivelle. Figez la mesure grâce au bouton "Run/Stop" de l oscilloscope. Dessinez les 2 courbes U 1 et -U 2 de votre écran (en bleu et vert) : Mesure de la Tension de Sortie U S du Redresseur : Mesurez la Tension entre le Fil ROUGE et le Fil MARRON indiqués sur le schéma en haut de cette page. Tournez la manivelle et figer l écran. Dessinez la courbe de U S (en rouge). Qu a fait le Redresseur pour obtenir ce résultat? Nous allons le voir maintenant Activité Lampe Rechargeable.doc Page 7 / 8

Voici les 3 Tensions U 1, U 2 et U 3 : Les 3 Diodes supérieures font que le Fil ROUGE a une Tension égale au Maximum des 3 courbes. Repassez en trait fort la tension obtenue sur ce Fil ROUGE. Les 3 Diodes inférieures font que le Fil MARRON a une Tension égale au Minimum des 3 courbes. Repassez en trait fort la tension obtenue sur ce Fil MARRON. La Tension que vous avez mesurée à la Sortie du Redresseur correspond à l écart entre ces 2 courbes. C est une tension QUASI constante. 3. Utilisons un Multimètre : Pour mesurer une Tension avec un Multimètre, il faut le régler sur ou. est prévu pour une tension Continue (DC), c est à dire Constante. Il indique la moyenne de la Tension, ce qui élimine donc les petites Variations. est prévu pour une tension Alternative (AC), c'est-àdire une tension qui change de signe et dont la moyenne est nulle. Il indique la valeur efficace Seulement de la Partie Variable ATTENTION : une Erreur de Sélection du Multimètre peut provoquer un Court-Circuit! DECONNECTEZ le Multimètre AVANT de toucher son bouton Avec le multimètre, vous allez mesurer U 1 entre 2 Fils BLANCS puis U S entre les Fils ROUGES et MARRONS (les mêmes que précédemment). Pour chaque Tension, faites la mesure avec les 2 options. TENSION U 1 TENSION U S Multimètre en Multimètre en U 1DC U 1EFF U SDC U SEFF Quelle valeur m indique que U 1 étant alternatif sa valeur moyenne est nulle? Quelle valeur m indique que U S n est pas parfaitement Continue? Activité Lampe Rechargeable.doc Page 8 / 8