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									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 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
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
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




Voyants                   Buzzers                 Vérins électriques
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
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
Exemples de systèmes domotiques

								
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