Quelques montages pour expérimenter dans les classes de lycée…

 

I- Objectifs :

Présenter différents types de générateurs pour expérimenter en classe.

Ces derniers sont disponibles dans certains lycées malgaches visités par les professeurs d’Accesmad et Lapa Siansa.

Les professeurs qui souhaitent s’équiper peuvent contacter les responsables de ces associations.

 

II- Pré requis :

Pour comprendre les montages proposés, il suffit de connaître les lois élémentaires de l’électricité : loi d’additivité des tensions, lois des nœuds, loi d’ohm, lois d’association des résistors. Les montages proposés sont donc compréhensibles par des élèves de première voire de seconde

 

III- Un générateur peu performant : la pile

La qualité évidente d’une pile est son autonomie, mais celle-ci présente aussi bien des inconvénients lors d’une utilisation fréquente dans une classe..

Le courant qu’elle débite résulte d’une réaction chimique spontanée qui n’est pas éternelle. La pile « se décharge » d’autant plus vite que le courant  qu’elle fait circuler  est important. Il faut souvent changer de pile est cela coûte cher !

(Par contre le fonctionnement d’une  batterie est réversible et est donc rechargeable. Son prix d’achat est cependant beaucoup plus élevé.)

 

Une pile est caractérisée par la quantité maximale d’électricité Q =I.Dt qu’elle peut faire circuler dans le circuit extérieur. Si Q=500 coulomb et qu’elle fait circuler un courant de 100mA, elle peut le faire pendant une durée maximale de Dt=Q/I=500/0,1=5000s soit un peu plus d’une heure. Ce qui n’est pas énorme lorsqu’on veut faire manipuler les élèves !

 

L’inscription « 1,5V » indique la tension disponible à ses bornes. En réalité, il s’agit de la tension « à vide » c'est-à-dire celle lorsque la pile n’est pas utilisée !

(La tension à vide est improprement  appelée « force électromotrice » symbolisée par la lettre E alors que la tension disponible aux bornes et U).

 

Si l’on fait débiter cette pile dans un circuit comprenant une petite ampoule par exemple et que l’on mesure la tension U à ses bornes, on constate que celle-ci est plus faible, voire beaucoup plus faible que E si l’intensité du courant dans le circuit  dépasse par exemple quelques 100mA !

On pourra même constater que la pile n’est pas capable d’allumer une ampoule de petite puissance de l’ordre du watt.

Le fonctionnement d’une pile est résumé par sa « caractéristique » U=f(I).

UPN= E - r.I

r est la résistance interne de la pile

 

pile

  En cas de court-circuit la décharge complète de la pile est quasi instantanée. Il est prudent de ne pas dépasser 100mA

 

 IV Le générateur continu « idéal » de tension (ou « source de tension »):

 

géné de tension

 

 

Caractéristique du générateur idéal :

La tension disponible aux bornes est constante et indépendante du circuit de charge tant que l’intensité ne dépasse pas la valeur maximale autorisée par le régulateur.

U=cte

U=f(I)

En cas de court-circuit dans le circuit de sortie par exemple, un limiteur de courant  intégré au régulateur déconnecte sa sortie pour éviter les conséquences d’une surcharge de courant 

 

 

V -Le générateur de courant :

1-Définition :

Ce générateur fait circuler un courant indépendant du circuit de charge.

Si le courant est continu, sa valeur I reste constante quelle que soit la résistance du circuit de charge.

2- Schématisation et caractéristique :

 

génécour

 

3-Montage proposé (voir fig ci-dessous):

Pour fonctionner, le circuit  doit être alimenté par une source de tension externe de 15V. (ici non représentée)

La diode d’entrée (en série avec R4) permet d’éviter les conséquences d’une erreur de polarité lors du branchement à la source de tension. R4 est la résistance de protection de la diode.

 

 

 

géné de courant

De gauche à droite nous trouvons :

La diode zener montée en inverse délivre une tension constante : U1=15V

Le diviseur de tension : constitué des deux résistances R1 et R2 en amont du transistor.

Le courant de sortie i alimente la base du transistor. Sa valeur est donc très faible .Tout se passe comme si la borne B est  non connectée.

On en déduit U2 :  

Le transistor PNP :

Il fonctionne comme un  interrupteur commandé par le courant i.

La loi d’additivité des tensions permet d’écrire :

U3+UEB+U2=U1=10V

La tension U2 est maintenue constante grâce à  la diode zener ,on en déduit U3 elle-même constante.

U3=10-UEB-U2=10-0,7-7,13=2,17V.

Appliquée aux bornes de la résistance R3 ,elle fait circuler un courant d’intensité constante:

Cette intensité est indépendante de la résistance de charge R .

Ce montage constitue bien un générateur de courant.

Remarque : il est possible d’ajuster la valeur de I en disposant une résistance R4 variable.