Notion de génie électrique Le circuit électrique

Les grandeurs électriques Tension: Entre deux points A et B d'un circuit (aux bornes de la lampe, du générateur ou de l’interrupteur) on peut définir une différence de potentiel (VA-VB) ou tension électrique (UAB) L'unité de tension électrique est le Volt (en hommage à Alessandro Volta) Le symbole du volt est: V Pour mesurer une tension électrique on utilise un voltmètre branché en dérivation. Courant C‘est la quantité d’électricité circulant dans un circuit (intensité). L’unité du courant électrique est l’ampère (hommage à André-Marie Ampère). Le symbole de l’ampère est: A Pour mesurer un courant électrique on utilise un ampèremètre branché en série. Les tensions et courants peuvent être continus (pile, accumulateur, cellules photovoltaïques) ou périodiques (réseau EDF).

Les grandeurs électriques Résistance Dans le circuit représenté par la lampe (à filament) La résistance caractérise la "force" avec laquelle le conducteur s'oppose au passage du courant. Elle s'exprime en Ohms (symbole : ) En hommage à Georg Simon Ohm. Capacité La capacité représente la quantité de charge électrique stockée. Elle s'exprime en Farad (symbole : F) En hommage à Michael Faraday

Les signaux Un signal est une grandeur mesurable variant dans le temps et permettant de transporter une information. Exemples : Signaux de fumée, signaux lumineux (phare, lampe torche de sécurité-détresse…), signaux sonores.

Les signaux Logiques Un signal est dit logique ou binaire si la grandeur de l’information ne peut prendre que deux valeurs. Exemples : - un contact électrique peut être ouvert ou fermé, - une diode électroluminescente peut être allumée ou éteinte, - un signal électrique peut être présent ou absent

Les signaux Analogiques Un signal est dit analogique si l’information peut prendre une infinité de valeurs dans un intervalle de temps donné. Dans sa forme analogique un signal peut être: · continu, amplitude constante, · variable, l’amplitude varie en fonction du temps. La grandeur analogique est représentative d’un courant ou d’une tension.

Les différents signaux sont principalement issus de capteurs. Les signaux Numériques: On appelle signal numérique, un signal qui se représente au moyen d’un nombre codé, notamment en binaire. Les différents signaux sont principalement issus de capteurs.

Les capteurs Exemples de capteurs: Un capteur: Permet de transformer une grandeur physique (luminosité, température, position, pression, vitesse..) en une grandeur électrique (tension, courant, résistance,….) Le capteur est le composant qui permet d’informer la partie commande d’un état de la partie opérative ou du milieu extérieur. On peut classer les capteurs en deux catégories : Les capteurs à contact qui nécessitent un contact direct avec l'objet à détecter. Les capteurs de proximité (sans contact). Exemples de capteurs:

Les capteurs à contact Capteur de position – Capteur de fin de course Les capteurs de position sont des capteurs de contact (capteur de fin de course). Ils peuvent être équipés d'un galet, d'une tige souple, d'une bille. L'information donnée par ce type de capteur est de type tout ou rien (TOR).

Les capteurs de proximité Capteur ILS ( Interrupteur à Lame Souple ) C‘est un capteur composé d'une lame souple renfermé dans une capsule sensible à la présence d'un champ magnétique mobile « aimant ». Ce capteur permet de détecter des positions (détection de porte fermée dans un système d’alarme, dans un anémomètre).

Les capteurs de température Les sondes ou capteurs de température permettent de transformer l'effet du réchauffement ou du refroidissement en signal électrique. L'invention du thermomètre est attribuée à Galilée, encore que le thermomètre scellé n'ait pas vu le jour avant 1650. Les thermomètres modernes à mercure (1714) et à alcool furent inventés par le physicien allemand Daniel Gabriel Fahrenheit (1686-1736) ; celui-ci proposa la première échelle de température. L'unité SI de température est le Kelvin (K). On peut classer ces capteurs en quatre catégories: Les capteurs de température analogiques: - Les thermistances - Les thermocouples Les capteurs de température numériques

Les capteurs de température Les capteurs de température analogiques. Ils délivrent en sortie une tension proportionnelle à la température mesurée: Le capteur LM35 est calibré en degrés celcius. Avec une résolution de 10 mV/°C et en mesurant la tension de sortie on peut obtenir un thermomètre (0 °C --> 0 mV/50 °C --> 500 mV) Les thermistances: Ce sont des résistances qui varient en fonction de la température: - RCTN: La résistance diminue lorsque la température augmente. - RCTP: La résistance augmente lorsque la température augmente.

Les capteurs de température Les capteurs de température analogiques. Les thermocouples: Les sondes thermocouples permettent des mesures de températures très élevées (jusqu'à 1000°C pour une sonde de type "K", par exemple). Elles sont constituées de deux matériaux qui, lorsqu'ils sont en contacts et portés à une température donnée, délivrent une tension. Cette tension est faible et doit être amplifiée pour être exploitable.

Les capteurs de température Les capteurs de température numériques: Grâce à leur sortie numérique, ces capteurs peuvent être directement connectés sur une entrée d’un système numérique pour la gestion de la température. Ils permettent une lecture directe du signal, sans passer par un convertisseur analogique/numérique et sont calibrés par le constructeur.

Les capteurs solaires On peut distinguer le solaire passif, le solaire photovoltaïque et le solaire thermique : Solaire passif : Consiste à bénéficier de l'apport direct du rayonnement solaire, c'est-à-dire l'énergie solaire passive. Pour qu'un bâtiment bénéficie au mieux des rayons du soleil, on doit tenir compte de l'énergie solaire lors de la conception architecturale (façades doubles, orientation, surfaces vitrées, …). L'isolation thermique joue un rôle important pour optimiser la proportion de l'apport solaire passif dans le chauffage. Dans les bâtiments dont la conception est dite bioclimatique, l'énergie solaire passive permet aussi de chauffer tout ou partie d'un bâtiment pour un coût quasi nul.

Les capteurs solaires Solaire photovoltaïque: L'énergie solaire photovoltaïque désigne l'électricité produite par transformation d'une partie du rayonnement solaire avec une cellule photovoltaïque. Le terme photovoltaïque peut désigner soit le phénomène physique - l'effet photovoltaïque - ou la technologie associée. Plusieurs cellules sont reliées entre elles sur un module solaire photovoltaïque eux mêmes reliés pour former une installation solaire. Chez un particulier ces cellules alimentent réseau EDF

Les capteurs optiques Un capteur photoélectrique est un capteur optique de proximité. Il se compose d'un émetteur de lumière associé à un récepteur. La détection d'un objet se fait par coupure ou variation d'un faisceau lumineux. Système barrage Système reflex

Les capteurs optiques On retrouve ce type de capteur dans la détection de passage ( ouvre portail, comptage de personnes…) Ils fonctionnent selon le principe de l’infra rouge : Le nom signifie « en deçà du rouge » (du latin infra : « plus bas »), l'infrarouge est associé à la chaleur car, à température ambiante ordinaire, les objets émettent spontanément des radiations dans le domaine infrarouge.

Les capteurs optiques Les codeurs rotatifs: Ce type de capteurs permet de délivrer un code (nombre) en fonction de la position mesurée. L’information de vitesse ou de rotation provient d’un système généralement optique comportant une source de lumière, un disque strié et un photo-détecteur. Le codeur optique est un dispositif dont la sortie électrique représente sous forme numérique la position angulaire ou la vitesse de rotation d'un axe. Il existe deux types de codeurs rotatifs : - le codeur absolu, - le codeur incrémental

Les capteurs optiques Le codeur absolu: On utilise ce type d'encodeur pour pouvoir, à tout instant savoir exactement dans quelle position se trouve le support sur lequel est fixé le disque. Chaque position est caractérisée par une valeur particulière du code. Avec 3 pistes (donc 3 capteurs): On obtient 8 positions différentes possibles.  

Les capteurs optiques Codeur absolu Le codeur absolu: Utilisation pour la position d’une girouette Codeur absolu

Les capteurs optiques Le codeur incrémental: Un codeur incrémental est un "générateur d'impulsions". La fréquence des impulsions dépend de la vitesse de rotation. Le comptage des impulsions permet de connaître la position du disque par rapport à une position de départ. Pour connaître le sens du déplacement (vers la droite ou vers la gauche), on rajoute un deuxième disque décalée de 90°.

Les capteurs optiques Le codeur incrémental: Ce type de codeur se rencontre dans les systèmes nécessitant une régulation de vitesse comme les moteurs, sur des robots dont le déplacement doit être précisément contrôlé :

Les capteurs pyroélectriques Un capteur (ou détecteur) pyroélectrique est doté de deux cellules au moins, qui sont sensibles à la chaleur (rayonnement infrarouge). Le capteur est élaboré de telle sorte qu'il permet la détection de différences de chaleur entre les cellules qu'il comporte. Il est très utilisé dans les systèmes de détection de personne (carillon porte d'entrée, détecteurs IR pour alarmes, allumage automatique de lampes).

Les capteurs de fumée Le détecteur de fumée optique ou Détecteur Avertisseur Autonome de Fumée (DAAF) : Le détecteur de fumée à cellule photoélectrique (ou optique) est le seul type de détecteur autorisé en France (tous les DAAF de la norme NF sont des détecteurs optiques). Système de détection de la fumée par le DAAF : Un faisceau lumineux créé par une LED émettrice éclaire une chambre de détection obscure. Cette chambre contient aussi un récepteur photoélectrique (cellule) qui transforme la lumière en un faible courant électrique. Lorsque les particules de fumée pénètrent à l’intérieur du détecteur de fumée, la lumière est réfléchie sur la surface des particules de fumée et entre en contact avec la cellule, ce qui déclenche aussitôt l’alarme.

Les actionneurs Les actionneurs exécutent les actions (déplacement, émission de chaleur, de lumière, de son etc.) lorsque l’ordre leur en est donné par la partie commande. Moto réducteur Ventilateur Afficheurs à LED et LCD Vérins électriques Buzzers Voyants

Transmission de l’information Les systèmes de transmission numérique véhiculent de l’information entre une source et un destinataire en utilisant un support physique comme le câble, la fibre optique ou sans support à l’aide des ondes radio ou lumineuses. Les signaux transportés peuvent être soit directement d’origine numérique (information issue des capteurs absolus ou incrémentaux par exemple), soit d’origine analogique (parole, image...). La tâche du système de transmission est d’acheminer le signal de la source vers le destinataire avec le plus de fiabilité possible (codage des informations).

Transmission de l’information La transmission des informations par un signal « lumineux »  s’effectue principalement par une diode infrarouge, ou une diode laser. - Une diode infrarouge émet un signal non visible sous forme d’impulsions permettant de transmettre une information. On les trouve le plus souvent dans les télécommandes. - Une diode laser émet de la lumière monochromatique destinée, entre autres, à transporter un signal contenant des informations. Le faisceau généré est très lumineux et très étroit, permettant une utilisation dans les lecteurs de CD et DVD.

Autres principes de transmission Bluetooth est une technologie de réseau personnel sans fil (noté WPAN pour Wireless Personal Area Network), c'est-à-dire une technologie de réseaux sans fils d'une faible portée permettant de relier des appareils entre eux sans liaison filaire. Les appareils Bluetooth ne nécessitent pas d'une ligne de vue directe pour communiquer, ce qui permet une communication d'une pièce à une autre. L'objectif de Bluetooth est de permettre de transmettre des données ou de la voix entre des équipements sur un rayon de l'ordre d'une dizaine de mètres à un peu moins d'une centaine de mètres et avec une faible consommation électrique. Ainsi, la technologie Bluetooth est principalement prévue pour relier entre-eux des périphériques (imprimantes, téléphones portables, appareils domestiques, oreillettes sans fils, souris, clavier, etc.).

Autres principes de transmission Le Wi-Fi est une technologie qui permet de relier sans fil plusieurs appareils informatiques (ordinateur, routeur, décodeur Internet, etc.) au sein d'un réseau informatique. Grâce au Wi-Fi, il est possible de créer des réseaux locaux sans fil à haut débit. Dans la pratique, le Wi-Fi permet de relier des ordinateurs portables, des machines de bureau, des objets communicants ou même des périphériques à une liaison haut débit sur un rayon de plusieurs dizaines de mètres en intérieur (généralement entre une vingtaine et une cinquantaine de mètres). Dans un environnement ouvert, la portée peut atteindre plusieurs centaines de mètres voire dans des conditions optimales plusieurs dizaines de kilomètres (pour la variante WiMAX ou avec des antennes directionnelles).

Organisation des réseaux

Autres principes de transmission Transmission des informations par voie filaire: Le transfert d'informations numériques peut s’effectuer en passant par les lignes électriques. Dans ce cas on utilise le terme Courants Porteurs en Ligne (CPL). De ce fait, il s'agit d'une alternative aux traditionnels câbles et à la technique Wi-Fi (Wireless Fidelity)

Traitement de l’information Le traitement de l’information est l’ensemble des techniques permettant de créer, d'analyser, de transformer les signaux en vue de leur exploitation.

Systèmes automatisés L'automatique traite de la modélisation, de l'analyse, de la commande et de la régulation des systèmes dynamiques. L'automatique permet l'automatisation de tâches par des machines fonctionnant sans intervention humaine. On parle alors de système asservi ou régulé: Exemple: régulateur de vitesse d'une automobile Il permet de maintenir le véhicule à une vitesse constante, à partir d’une vitesse-consigne prédéterminée par le conducteur, indépendamment de la pente de la route. Les systèmes automatisés ont pour élément central un automate. Un automate est un dispositif se comportant de manière automatique, c'est-à-dire sans intervention d'un humain. Ce comportement peut être figé, le système fera toujours la même chose, ou bien peut s'adapter à son environnement.

Systèmes automatisés · Module logique ZELIO Les automates se caractérisent par leurs entrées (logiques, analogiques ou numériques), leurs sorties (à relais ou à transistor TOR), le mode de programmation (GRAFCET, Algorithme..), le langage utilisé (langage à contact, Langage C..) et leurs alimentations. Le choix d’un automate s’effectue en fonction du besoin et de la technologie souhaitée. Quelques exemples d’automates: · Module logique ZELIO

Systèmes automatisés Brique LEGO PICAXE

Systèmes automatisés On trouve dans tous les automates un composant central : un microcontrôleur Un microcontrôleur se présente sous la forme d’un circuit intégré réunissant tous les éléments d’une structure à base de microprocesseur. On trouve notamment: - Un microprocesseur (C.P.U.), - De la mémoire (RAM et EEPROM), - Des interfaces parallèles pour la connexion - Des interfaces pour la connexion avec d’autres systèmes, par exemple une liaison USB vers un PC, pour le dialogue vers d’autres microcontrôleurs ou pour communiquer avec l’extérieur. - Des timers pour générer ou mesurer des signaux avec une grande précision temporelle.

Systèmes automatisés Les microcontrôleurs se caractérisent par un haut degré d'intégration, une faible consommation électrique, une vitesse de fonctionnement faible et un coût réduit par rapport aux microprocesseurs polyvalents utilisés dans les ordinateurs personnels. Les microcontrôleurs sont utilisés dans les systèmes embarqués, comme les contrôleurs des moteurs automobiles, les systèmes de régulation (température, vitesse, position…), les télécommandes, les appareils de bureau, l'électroménager, les jouets, la téléphonie mobile etc.

Exemples de systèmes Toutes les centrales domotiques sont des systèmes automatiques avec un automate et donc un ou plusieurs microcontrôleurs.

Exemples de systèmes domotiques

Exemples de systèmes domotiques

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