ardui1223
Bac STI2D

TP n°10 : Etude des moteurs, relais et transistor

Noms :  
Centre d'intérêt : CI 6 Traitement analogique de l’information
Classe : Sti2d Sin
Id programme : sin31, sin37  
Conditions : Seul , durée 3 heures.
Matériel : - PC
Logiciel : - Proteus
- Arduino software
- Utiliser le navigateur chrome
Documents :

 Cours sur les algorithmes (version odt ou pdf ).

Le TP arduino  et algorithme (version odt ou pdf );

I. Objectifs

L’objectif de ce TP est de découvrir trois nouveaux composants électroniques dans le logiciel de simulation électronique Proteus :
 ✹ le moteur à courant continu;
 ✹ le relais;
 ✹ le transistor.

L’ensemble de ces nouveaux composants, ajouté aux composants déjà connus, vous permettra de simuler ultérieurement le fonctionnement d’un montage électronique complexe.

Après une découverte séparée des trois nouveaux composants vous devrez appliquer vos acquis dans différents problèmes.

Ce TP est structuré en 5 grandes parties :

✹ Listes des composants dans Proteus
✹ Découverte du moteur à courant continu
✹ Découverte du relais
✹ Découverte du transistor
✹ Applications à réaliser en mettant en œuvre les savoir-faire acquis précédemment

II. Liste des 5 nouveaux composants à connaître à l’issue du TP

Vous trouverez dans le tableau suivant les 5 nouveaux composants utilisés dans ce TP. Vous ferez systématiquement référence à ce tableau pour connaître les noms exacts et les catégories des différents composants utilisés dans ce TP et dans les TP futurs. Cette liste de composants complète la liste des composants déjà vus dans les TP précédents et qui ne sont pas rappelés ici. On rappelle que l’utilisation des « Mots clés » accélère la recherche des composants dans la boîte de dialogue « Pick Devices » de Proteus Cochez la case identique sur tous les mots si vous saisissez le nom complet du composant dans « Mots clés ».

Nom réel du composant

Nom exact du composant 
(colonne Device à saisir dans Mots clés) 

Catégorie Bibliothèque
Un moteur à courant continu MOTOR-DC Electromechanical ACTIVE
Un relais 1RT (1 contact) RELAY Switches & Relays ACTIVE
Un relais 2RT (2 contacts)  RELAY2P  Switches & Relays ACTIVE
Un transistor NPN NPN Transistors DEVICE
Un transistor PNP  PNP Transistors DEVICE

 

III. Découverte du moteur à courant continu

3.1. Ouvrez le logiciel de simulation Proteus et agrandissez sa fenêtre à tout l’écran.

Appuyez sur la touche p pour ouvrir la boîte de dialogue Pick Devices, ajoutez les composants ci-dessous dans votre sélecteur et réalisez le Montage 1 dans lequel la pile fournit une tension de 12 V et l’ampèremètre sera réglé sur le meilleur calibre.

Composants à ajouter à votre sélecteur avant de commencer le schéma :

✹ Une pile de 12 V CELL
✹ Un interrupteur SWITCH
✹ Un moteur MOTOR-DC

Réaliser le schéma ci-dessous :


Montage 1

3.2. Un moteur électrique peut tourner dans les deux sens de rotation possible :

✹ Le sens trigonométrique est appelé « sens direct » pour un moteur.
✹ Le sens horaire est appelé « sens inverse » pour un moteur.

Appuyez sur F12 pour lancer la simulation du Montage 1, fermez l’interrupteur puis observez le moteur :

Q1 : Quel est le sens de rotation du moteur dans le Montage 1 (Le sens direct ou Le sens inverse)

Q2 : Quel est l'intensité du courant I traversant le moteur dans le Montage 1 ? ……………………………………

Q3 : Ce courant est de quel ordre?  (microampère, milliampère ou de l’ampère)

Q4 : Quel est la tension aux borne du moteur?

Q5 : Calculer la puissance absorbée Pa par le moteur.

Q6 : En déduire la puissance utile Pu, sachant que le rendement est de 70%.

Q7 : Quel est la vitesse de rotation n du moteur en tr/min?

Q8 : En déduire le couple du moteur.

 

3.3. Modifiez le câblage de votre moteur en inversant sa polarité comme sur le Montage 2 puis lancez la simulation.

Montage 2

Q9 : Quel est le sens de rotation du moteur dans le Montage 2? (Le sens direct ou Le sens inverse)

 

3.4. Conclusion sur le moteur à courant continu 

Compléter les phrases ci-dessous :

Un moteur à courant continu consomme un courant de l’ordre de ........................

Pour inverser le sens de rotation du moteur, il suffit de ....................................  

 

IV. Découverte du relais

4.1. Supprimez le montage actuel de votre feuille de travail (pour cela cliquez droit sur votre feuille de travail + Sélectionner tous les objet + touche Suppr du clavier), ajoutez les composants ci-dessous dans votre sélecteur (en plus des composants déjà présents) puis réalisez le Montage 3 utilisant un relais RELAY et dans lequel la pile fournit une tension de 12 V. Vous veillerez à régler l’ampèremètre sur le meilleur calibre.

Composants à ajouter à votre sélecteur avant de commencer le schéma :

 Un bouton poussoir BUTTON
 Un relais RELAY
 Un relais RELAY2P
 Une ampoule LAMP 

Réaliser le schéma ci-dessous :


                                  Montage 3

Attention : Régler la batterie et le relais sur 5v: clique droit Edit properties

4.2. Les deux bornes notées A et B sur le Montage 3 sont les bornes de la bobine du relais. La bobine du relais se comporte comme un électro-aimant capable d’aimanter le contact mobile du relais :

 Si la bobine est alimentée par un courant, alors elle attire vers elle le contact du relais : on dit alors que le relais est dans la position TRAVAIL

 Si la bobine n’est pas alimentée (courant nul), alors elle n’attire pas le contact du relais : on dit alors que le relais est dans la position REPOS (sur le schéma ci-dessus le relais est dessiné dans sa position REPOS)

Appuyez sur F12 pour lancer la simulation du Montage 3, actionnez le bouton poussoir tout en observant le relais :

Q10 : Lorsque le bouton poussoir est fermé, quelle est la position du relais ? (Travail ou Repos)

Q11 : Lorsque le bouton poussoir est ouvert, quelle est la position du relais ? (Travail ou Repos)

Q12 : Quel est l'intensité du courant circulant dans la bobine du relais lorsqu’il est au travail ?

Q13 : Ce courant est de l’ordre?

 

4.3. On va maintenant utiliser le contact du relais pour alimenter 2 ampoules L1 et L2.

Complétez votre schéma pour réalisez le Montage 4 utilisant 1 pile de 5V et 1 pile de 12V puis lancez la simulation :


                               Montage 4

Q14 : Quel lampe est allumée lorsque le relais est en position repos?

Q15 : Quel lampe est allumée lorsque le relais est en position travail?

Q16 : Quel est l'intensité du courant circulant dans une ampoule lorsqu’elle est allumée ? ……………………

On appelle IB le courant circulant dans la bobine du relais et IL le courant circulant dans une ampoule.

Q17 : Quel est l'ordre de grandeur de IL par rapport à IB? (IL est 10 fois plus grand que IB par exemple)

Le relais utilisé dans les montages 3 et 4 possède 1 seul contact. Ce contact possède à la fois une borne de repos (noté R sur le Montage 4) et une borne de travail (notée T sur le Montage 4). Ce relais est appelé un relais 1RT.

4.4. On va maintenant utiliser le relais RELAY2P qui possède 2 contacts. Chaque contact possède à la fois une borne de repos (noté R sur le Montage 5) et une borne de travail (notée T sur le Montage 5). Ce relais est appelé un relais 2RT. Lorsqu’un relais 2RT passe au TRAVAIL, tous ses contacts sont attirés vers la bobine.

Réalisez le Montage 5 (page 4) utilisant 3 piles différentes, une ampoule, un moteur et un relais 2RT RELAY2P.


                          Montage 5

Grâce à ses 2 contacts indépendants, le relais 2RT permet d’alimenter deux récepteurs utilisant chacun son alimentation. Par exemple sur le Montage 5, l’ampoule est alimentée avec une pile de 12 V alors que le moteur est alimenté avec une autre pile de 6 V. L’ampoule et le moteur (les 2 « récepteurs ») utilisent chacun leur propre circuit électrique et n’ont aucun point commun.

Lancez la simulation puis complétez le tableau suivant récapitulant le fonctionnement du Montage 5 :

Etat du bouton poussoir Position du relais 2RT (repos ou travail) Etat de l’ampoule (allumée ou éteinte) Etat du moteur (marche ou arrêt)
ouvert      
fermé      

    

Conclusion sur les relais :

 Un relais est un interrupteur commandé en courant et actionné par un électro-aimant (la bobine)
 Le courant de commande circulant dans la bobine est de l’ordre de 50 mA
 Les contacts du relais peuvent alimenter un circuit de puissance consommant plusieurs ampères
 Un relais possédant 1 contact avec les bornes Travail et Repos est appelé un relais 1RT
 Un relais possédant 2 contacts ayant chacun les bornes Travail et Repos est appelé un relais 2RT

 

V. Découverte du transistor

5.1. Supprimez le montage actuel de votre feuille de travail sans fermer le projet afin de conserver les composants déjà présents dans votre sélecteur. Pour cela cliquez droit sur votre feuille de travail + Sélectionner tous les objet + touche Suppr du clavier. Ajoutez les composants ci-dessous dans votre sélecteur, en plus des composants déjà présents.

Composants à ajouter à votre sélecteur avant de commencer le schéma :

 Une résistance RES
 Un transistor NPN
 Un transistor PNP

Réalisez le Montage 6 utilisant un transistor NPN, une pile de 5V, une pile de 12V, un interrupteur SWITCH, une résistance RES, une ampoule LAMP et 2 ampèremètres réglés sur le calibre milliampère et branchés exactement comme sur le schéma : le plus de l’ampèremètre vers le plus de la pile.


                                    Montage 5 

Q18. Lancez la simulation, actionnez l’interrupteur, observez l’ampoule et les ampèremètres mesurant les courants iB et iL puis complétez le tableau suivant récapitulant le fonctionnement du Montage 6 :

Etat de l’interrupteur Valeur du courant ib Valeur du courant ic dans la lampe Valeur du courant Ie Etat de l’ampoule L1
ouvert        
 fermé        

Q19 : Quel est la relation entre Ie, Ib et Ic lorsque l'interrupteur est fermé.

Q20 : Quel est l'ordre de grandeur entre Ic et Ib lorsque l'interrupteur est fermé.

 

5.2. Description du fonctionnement du transistor et décodage de son symbole :

Les 3 bornes du transistor s’appelle la Base, l’Emetteur et le Collecteur (notées B, E et C sur le symbole ci-contre). Vous venez de remarquer dans l’expérience précédente que le transistor se comporte comme un interrupteur entre ses bornes C et E :

 soit le transistor laisse passer le courant entre C et E (l’ampoule est allumée) : il est alors équivalent à un interrupteur fermé

 

 soit le transistor interrompt le passage du courant entre C et E (l’ampoule est éteinte) : il est alors équivalent à un interrupteur ouvert

Le transistor est équivalent à un interrupteur commandé en courant

 

Lorsqu’un transistor est équivalent à un interrupteur fermé entre ses bornes C et E, on dit qu’il est saturé.

Lorsqu’un transistor est équivalent à un interrupteur ouvert entre ses bornes C et E, on dit qu’il est bloqué.

Les 2 états d’un transistor sont bloqué et saturé.

Complétez le tableau suivant relatif au fonctionnement du Montage 6

Etat de l’interrupteur Etat du transistor Q1 Etat de l’ampoule L1 ouvert fermé

5.3. Découverte du transistor PNP :

Réalisez le Montage 7 utilisant
un transistor PNP,
une seule pile de 12V,
un interrupteur SWITCH appelé K,
une résistance RES de 1 kilo ohms,
une ampoule LAMP
et 2 ampèremètres réglés sur le calibre milliampère et branchés exactement comme sur le schéma : le moins de l’ampèremètre vers le moins de la pile.


             Montage 7

Lancez la simulation, actionnez l’interrupteur K, observez l’ampoule et les ampèremètres mesurant les courants ib, ic et Ie puis complétez le tableau suivant récapitulant le fonctionnement du Montage 7 : 

Etat de l’interrupteur Valeur du courant ib Valeur du courant ic dans la lampe Valeur du courant Ie Etat de l’ampoule L1
ouvert        
 fermé        

Q21 : Quel est l'ordre de grandeur entre Ic et Ib lorsque l'interrupteur est fermé.

 5.4. Comparaison des transistors NPN et PNP et conclusion à retenir :
 Les 3 bornes d’un transistor s’appellent la base, l’émetteur et le collecteur (annotées B, E et C)
 Un transistor se comporte comme un interrupteur commandé en courant
 Les deux états d’un transistor sont saturé et bloqué
 Lorsqu’un transistor est saturé il se comporte comme un interrupteur fermé entre ses bornes C et E
 Lorsqu’un transistor est bloqué il se comporte comme un interrupteur ouvert entre ses bornes C et E
 Le courant de puissance distribué par le collecteur du transistor peut être 100 fois plus grand que le courant de commande circulant dans la base du transistor
 Il existe 2 types de transistor : le transistor NPN et le transistor PNP
 Pour saturer un transistor NPN il faut relier sa base à la borne plus de l’alimentation avec une résistance
 Pour saturer un transistor PNP il faut relier sa base à la borne moins de l’alimentation avec une résistance
 Sur le symbole d’un transistor la flèche est toujours sur l’émetteur (pour le NPN comme pour le PNP)
 Le sens de la flèche sur le symbole d’un transistor permet de distinguer le transistor NPN du transistor PNP
 La flèche sur le symbole indique aussi le sens du courant dans l’émetteur, dans le collecteur et dans la base

VI. Applications à réaliser en mettant en œuvre les savoir-faire acquis précédemment

Créez un nouveau projet dans Proteus (menu Fichier + Nouveau projet) puis réalisez chacune des 5 applications ci-dessous après avoir intégré la remarque suivante :

Remarque à surligner en fluo, à retenir et à appliquer pour toutes vos futures utilisations de Proteus :

Pour agrandir la feuille de travail afin de saisir un montage complexe cliquez sur « Définir taille des feuilles » dans le menu « Système » de Proteus (puis sur F8)

6.1. Application 1

Réalisez le Montage 8 dans lequel l’interrupteur K
commande le transistor Q1,
le transistor Q1
commande le relais RL1,
et le relais RL1 alimente le moteur M.


                                        Montage 8

 Q22. Relevez chacun des trois courants avec une précision maximale (3 chiffres significatifs) puis complétez le tableau cidessous. Lorsque K est fermé.

 

Etat de K Valeur de iB Valeur de iR Valeur de iL Etat de Q1 Position de RL1 Etat de M (marche/arrêt)
ouvert            
fermé            

 Q23.  Calculez les 3 rapports suivants :

iR / iB = ……………………

iL / iR = ……………………

iL / iB = ……………………

Lorsque l’interrupteur K est fermé :

Q24. iL est combien de fois plus grand que iR ? 
Q25. iR est combien de fois plus grand que iB ? 
Q26. iB est combien de fois plus petit que iL ?

Cette application vous a montré comment commander un moteur (qui a besoin d’un courant de l’ordre de l’ampère) à partir d’un courant de commande de l’ordre du micro-ampère : il faut utiliser un transistor et un relais.

6.2. Application 2

Réalisez le Montage 9 (en respectant toutes les valeurs) dans lequel les deux niveaux en sortie du comparateur de tension sont 12V et 0V, et la résistance totale du potentiomètre est de 10 kilo ohms.



                                                             Montage 9

On appelle :
 VA le potentiel au point A
 VB le potentiel au point B
 VS le potentiel au point S

Ajoutez 3 voltmètres à votre montage afin de mesurer les potentiels VA, VB et VS.

 

     

Q27. Lancez la simulation, modifiez la position du curseur du potentiomètre, observez la valeur des tensions VA, VB et VS ainsi que la position du relais puis complétez le tableau ci-contre.

Condition Valeur de VS Etat de Q1 Position de RL1
VA > VB      
VB > VA      

Cette application vous a montré comment commander un relais à partir d’un comparateur de tension : entre le comparateur de tension et le relais il faut utiliser un transistor.

 

6.3. Application 3

Réalisez le Montage 10 utilisant un relais 2RT, une pile de 12V, une pile de 8V, un moteur et un interrupteur K.

Dans ce schéma électronique :

 les deux bornes du moteur sont appelée A et B
 les bornes de la pile de 8V sont appelées + et –

Q29. Lancez la simulation, observez la position du relais et le fonctionnement du moteur pour chaque état de l’interrupteur K puis complétez le tableau ci-dessous :

Etat de K Position du relais RL1 (travail ou repos) La borne A du moteur est reliée à quelle borne de la pile de 8 V ? (+ ou –) La borne B du moteur est reliée à quelle borne de la pile de 8 V ? (+ ou –) Sens de rotation du moteur (direct ou inverse)
ouvert        
fermé        

Cette application vous a montré comment inverser le sens de rotation d’un moteur à courant continu sans modifier le câblage : il faut utiliser pour cela un relais 2RT câblé au moteur comme sur le Montage 10.

Dans les deux dernières applications vous devez maintenant proposer un montage électronique répondant au fonctionnement demandé en utilisant les différents composants que vous connaissez désormais.

5.4. Application 4

Dans cette application vous disposez de deux interrupteurs K1 et K2, d’un relais 1RT RL1, d’un relais 2RT RL2, d’un moteur à courant continu M, d’une batterie de 12 V et d’une batterie de 8 V.

Comme le montre le schéma du Montage 11, la batterie de 12 V sert à alimenter les bobines des relais par l’intermédiaire des interrupteurs K1 et K2. La batterie de 8 V servira à alimenter le moteur à courant continu M par l’intermédiaire des relais : 


                          Montage 11

 Q30. Câblez le circuit de puissance du Montage 11 sans rajouter de composant supplémentaire afin qu’il réponde au fonctionnement décrit dans le tableau ci-dessous.

Etat de K1 Etat de K2 Etat de M
fermé fermé Arrêté
fermé ouvert Arrêté
ouvert fermé  Marche en sens direct
ouvert ouvert  Marche en sens inverse

Testez et validez votre proposition dans le logiciel Proteus (utilisez tel quel le circuit de commande du Montage 11). ouvert ouvert Marche en sens inverse En cas de dysfonctionnement modifiez votre montage jusqu’à obtenir expérimentalement une solution fonctionnelle.

 

6.5. Application 5

Dans cette dernière application on désire motoriser un panneau solaire afin qu’il suive automatiquement le soleil tout au long de la journée. On dispose pour cela de deux capteurs de lumière placés sur le panneau solaire et détectant la quantité de lumière : un capteur placé sur la gauche du panneau solaire (LDR1) et l’autre placé sur la droite du panneau solaire (LDR2) :
 si la lumière reçu par le capteur gauche est supérieure à la lumière reçu par le capteur droit, cela signifie que le soleil est à gauche du panneau solaire
 si la lumière reçu par le capteur droit est supérieure à la lumière reçu par le capteur gauche, cela signifie que le soleil est à droite du panneau solaire

Le moteur à courant continu M permet de mettre en mouvement la rotation du panneau solaire :

 si le moteur M tourne en sens direct le panneau tourne vers la droite
 si le moteur M tourne en sens inverse le panneau tourne vers la gauche


                                                        Montage 12

 Si le soleil est à gauche du panneau, alors le panneau doit tourner vers la gauche pour se placer face au soleil.
 Si le soleil est à droite du panneau, alors le panneau doit tourner vers la droite pour se placer face au soleil.

Q31. Proposez dans Proteus une solution pour motoriser le panneau solaire afin qu’il suive le soleil.

Vous utiliserez pour cela 2 capteurs de lumière TORCH_LDR, un moteur à courant continu MOTOR, ainsi que tous les composants qui vous paraîtront utiles afin que votre montage réponde au cahier des charges suivant :

Condition sur la position relative du soleil par rapport au panneau solaire Sens de rotation du moteur M Déplacement du panneau
lumière sur capteur gauche > lumière sur capteur droit sens inverse vers la gauche
lumière sur capteur droit > lumière sur capteur gauche sens direct vers la droite

Tester votre montage dans Proteus en évaluant son bon fonctionnement.

En cas de dysfonctionnement modifiez votre montage et poursuivez votre recherche jusqu’à obtenir expérimentalement une solution fonctionnelle répondant au cahier des charges.

Une fois parfaitement fonctionnelle, appelez le professeur pour faire valider votre solution, puis recopiez votre schéma en complétant ci-dessus le Montage 12.

Problème du Montage 12 et amélioration à apporter : le problème du montage 12 est que le moteur est en permanence en fonctionnement. Or dans la pratique il faudrait que le panneau s’immobilise lorsqu’il est en face du soleil.

Comment faire pour que le moteur s’arrête de tourner lorsque la lumière est sensiblement la même sur les 2 capteurs, c’est-à-dire lorsque le panneau est en face du soleil ? Expérimentez vos propositions dans Proteus.

VII. Conclusion

Ce TP vous a montré comment utiliser un moteur, un relais et un transistor dans le logiciel Proteus

Source : http://fractale.gecif.net/si/logiciels/proteus/moteur_relais_et_transistor.pdf 

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Richard GAUTHIER
Professeur de Physique Appliquée
Certification ISN
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