Activités d'Investigation Contextualisées
Résoudre des problèmes concrets issus des métiers de l'électrotechnique, du secteur automobile et de l'industrie grâce à l'analyse d'oscillogrammes.
Diagnostic de Secours sur Onduleur de Serveur Informatique
Situation Professionnelle
Lors d'une coupure du réseau électrique secteur dans un centre de données (Data Center), un onduleur de secours prend immédiatement le relais pour alimenter les serveurs. Le technicien réseau constate que certains blocs d'alimentation chauffent anormalement. Il branche un oscilloscope numérique sur la sortie de l'onduleur pour vérifier la qualité de la tension alternative délivrée aux équipements sensibles.
Écran de l'Oscilloscope
- Sensibilité verticale ($S_v$) : $100\text{ V/div}$
- Base de temps / Vitesse ($S_h$) : $5\text{ ms/div}$
- Origine $0\text{ V}$ : Ligne centrale horizontale
Un carreau de la grille (div) mesure $1\text{ cm} \times 1\text{ cm}$.
Travail à réaliser
1. Forme du signal (Compétence S'approprier) : Justifier pourquoi cette tension est qualifiée de "tension alternative sinusoïdale".
2. Tension maximale $U_{max}$ (Compétence Réaliser) :
a) Compter le nombre de divisions verticales $Y_{max}$ atteintes par la crête positive.
b) Calculer la valeur maximale $U_{max}$ en utilisant la formule $U_{max} = Y_{max} \times S_v$.
3. Tension efficace $U_{eff}$ (Compétence Analyser) :
Déterminer la valeur efficace $U_{eff}$ avec la formule $U_{eff} = \frac{U_{max}}{\sqrt{2}}$. Vérifier si elle est conforme au secteur français ($230\text{ V} \pm 10\%$).
4. Période $T$ et Fréquence $f$ (Compétence Valider) :
a) Mesurer le nombre de carreaux horizontaux $X$ pour un motif complet (une période).
b) Calculer la période $T$ en millisecondes, puis la convertir en secondes.
c) Calculer la fréquence $f = \frac{1}{T}$ en Hertz (Hz).
Envie d'un indice pour la démarche ?
• La crête culmine à 3,25 div environ au-dessus du centre. $3{,}25 \times 100\text{ V/div} = 325\text{ V}$.
• Un motif complet (une alternance positive + une alternance négative) occupe 4 div horizontales.
• $T = 4\text{ div} \times 5\text{ ms/div} = 20\text{ ms} = 0{,}02\text{ s}$.
Voir le corrigé rédigé complet
1. Le signal varie symétriquement de part et d'autre de zéro selon une courbe sinusoïdale régulière (alternance positive puis négative). C'est une tension alternative sinusoïdale.
2. $Y_{max} = 3{,}25\text{ div}$. Donc $U_{max} = 3{,}25 \times 100\text{ V/div} = 325\text{ V}$.
3. $U_{eff} = \frac{325}{1{,}414} \approx 230\text{ V}$. La tension efficace produite par l'onduleur est parfaitement conforme au secteur 230 V.
4. $X = 4\text{ div}$. $T = 4 \times 5\text{ ms/div} = 20\text{ ms} = 0{,}02\text{ s}$.
Fréquence : $f = \frac{1}{0{,}02} = 50\text{ Hz}$. La fréquence du secteur est respectée.
Diagnostic d'Ondulation sur Alternateur Automobile
Situation Professionnelle
Un client amène sa voiture au garage car le voyant batterie clignote et le système multimédia s'éteint par moments. Le mécanicien suspecte un défaut dans le pont de diodes du redresseur de l'alternateur. Il relie les touches d'un oscilloscope de diagnostic auto sur les bornes de la batterie (moteur au ralenti).
Ondulogramme de Charge (Mode AC)
- Couplage : AC (filtre le +14V continu)
- Sensibilité verticale ($S_v$) : $0{,}5\text{ V/div}$
- Base de temps ($S_h$) : $1\text{ ms/div}$
Une ondulation AC résiduelle supérieure à $0{,}5\text{ V}$ signale une diode grillée sur le pont redresseur.
Questions d'Investigation
1. Amplitude de l'ondulation : Calculer la tension maximale de l'ondulation $U_{max}$ sachant que la crête s'élève à 1,5 carreau ($Y_{max} = 1{,}5\text{ div}$).
2. Fréquence d'ondulation :
a) Relever la période $T$ sachant qu'un motif complet occupe $X = 1\text{ div}$ ($S_h = 1\text{ ms/div}$).
b) En déduire la fréquence $f$ en Hz de l'ondulation.
3. Diagnostic technique (Compétence Valider) : Conclure sur l'état de l'alternateur. Faut-il remplacer le pont de diodes ?
Voir le corrigé de l'Activité 2
1. $U_{max} = Y_{max} \times S_v = 1{,}5\text{ div} \times 0{,}5\text{ V/div} = 0{,}75\text{ V}$.
2. $T = 1\text{ div} \times 1\text{ ms/div} = 1\text{ ms} = 0{,}001\text{ s}$.
Fréquence : $f = \frac{1}{0{,}001} = 1000\text{ Hz}$.
3. L'amplitude de l'ondulation ($0{,}75\text{ V}$) dépasse le seuil toléré de $0{,}5\text{ V}$. Une des diodes du pont triphasé est détruite (court-circuit ou coupure). L'alternateur doit être réparé ou remplacé.
Poste à Souder TIG & Sécurité des Personnes
Situation Professionnelle
Un chaudronnier utilise un poste à souder monophasé relié au secteur de l'atelier ($230\text{ V} / 50\text{ Hz}$). Pour éviter les risques d'électrocution en milieu humide (atelier métallique), l'installation est protégée par un disjoncteur différentiel $30\text{ mA}$ et une prise de terre.
Questions & Calculs Théoriques
1. Période du secteur : Calculer la période $T$ en secondes puis en millisecondes du courant alternatif secteur $f = 50\text{ Hz}$.
2. Choix du calibre oscilloscope : Si l'on souhaite afficher 2 périodes complètes ($2 \times T = 40\text{ ms}$) sur un écran qui comporte 10 carreaux horizontaux, quelle base de temps $S_h$ (ms/div) faut-il sélectionner ?
3. Sécurité (Compétence Communiquer) : Expliquer pourquoi une tension efficace $U_{eff} = 230\text{ V}$ présente un danger mortel pour l'opérateur et quel est le rôle du disjoncteur différentiel $30\text{ mA}$.
Voir le corrigé de l'Activité 3
1. $T = \frac{1}{f} = \frac{1}{50} = 0{,}02\text{ s} = 20\text{ ms}$.
2. La durée totale à afficher est $40\text{ ms}$ sur 10 divisions. Donc $S_h = \frac{40\text{ ms}}{10\text{ div}} = 4\text{ ms/div}$ (ou sélectionner $5\text{ ms/div}$ sur l'appareil pour avoir $50\text{ ms}$ d'affichage).
3. La tension limite de sécurité en milieu sec est de $50\text{ V}$ (et $25\text{ V}$ en milieu humide). Une tension de $230\text{ V}$ provoque la tétanisation musculaire et l'arrêt cardiaque (électrocution). Le disjoncteur différentiel $30\text{ mA}$ détecte immédiatement une fuite de courant vers la terre et coupe le circuit en moins de $30\text{ ms}$.