Activités d'Investigation Contextualisées
Câblage d'un coffret d'éclairage, diagnostic automobile des phares et dimensionnement de résistance de voyant DEL.
Câblage d'un Coffret d'Éclairage d'Atelier (Circuit Série)
Situation Professionnelle
Sur un chantier d'équipement électrique d'atelier, un technicien doit installer deux réglettes d'éclairage identiques conçues chacune pour fonctionner sous une tension nominale $U_{reg} = 12\text{ V}$. Le transformateur continu disponible délivre une tension totale $U_{gen} = 24\text{ V}$. L'ampèremètre mesurant le courant débité par le générateur indique $I = 0{,}8\text{ A}$.
Travail à réaliser
1. Choix du Type de Montage (Compétence S'approprier) :
a) Pour fonctionner sous un transformateur $24\text{ V}$ sans être détruites, les deux réglettes $12\text{ V}$ doivent-elles être branchées en série ou en dérivation ? Justifier avec la loi des mailles ($U_{tot} = U_1 + U_2$).
b) Tracer le schéma normalisé du circuit comportant le générateur $24\text{ V}$, les 2 réglettes en série, un interrupteur et l'ampèremètre.
2. Intensité et Résistance Équivalente (Compétence Réaliser) :
a) Quelle est l'intensité $I_2$ qui traverse la seconde réglette ? Justifier avec la règle d'unicité de l'intensité en série.
b) Calculer la résistance totale équivalente $R_{tot}$ de l'ensemble du circuit d'éclairage ($R_{tot} = \frac{U_{gen}}{I}$).
3. Diagnostic de Panne (Compétence Valider) : Si l'une des réglettes venait à griller (circuit ouvert), que se passerait-il pour la seconde réglette ?
Voir le corrigé rédigé complet de l'Activité 1
1. a) Elles doivent être montées en **série**. En série, les tensions s'additionnent : $U_{tot} = U_1 + U_2 = 12 + 12 = 24\text{ V}$.
b) Le schéma comprend la boucle unique fermée traversant le générateur, l'ampèremètre, l'interrupteur et les 2 récepteurs.
2. a) En série, l'intensité est **identique en tout point** du circuit : $I_2 = I_1 = I = 0{,}8\text{ A}$.
b) $R_{tot} = \frac{24}{0{,}8} = 30\,\Omega$.
3. Le circuit étant en série, la rupture du filament d'une réglette **ouvre le circuit** : la seconde réglette s'éteint immédiatement.
Ligne d'Alimentation des Feux de Croisement (Circuit en Dérivation)
Situation Professionnelle
Un mécanicien automobile contrôle le circuit électrique des deux ampoules de feux de croisement (phares) d'un véhicule alimenté par une batterie $U_{batt} = 12\text{ V}$. Les deux ampoules sont montées en dérivation. L'ampoule gauche consomme $I_1 = 4{,}5\text{ A}$ et l'ampoule droite consomme $I_2 = 4{,}5\text{ A}$. Le circuit est protégé par un fusible principal.
Questions d'Investigation
1. Tension et Indépendance (Compétence S'approprier) : Donnez 2 raisons majeures pour lesquelles les éclairages d'un véhicule sont obligatoirement montés en dérivation (parallèle) et non en série.
2. Courant Total et Loi des Nœuds (Compétence Réaliser) : En appliquant la loi des nœuds, calculer l'intensité totale $I_{tot}$ consommée sur la batterie lorsque les deux phares sont allumés.
3. Choix du Fusible de Protection (Compétence Valider) : Dans le tiroir du magasin de pièces, le mécanicien dispose de fusibles de $5\text{ A}$, $10\text{ A}$, $15\text{ A}$ et $20\text{ A}$. Quel calibre de fusible doit-il sélectionner pour protéger la ligne des deux phares sans risquer de fondre prématurément ? Justifier.
Voir le corrigé de l'Activité 2
1. 1) Pour que chaque ampoule reçoive l'intégralité des **12 V de la batterie**. 2) Pour assurer l'**indépendance des feux** : si une ampoule grille, l'autre continue de fonctionner pour la sécurité du conducteur.
2. $I_{tot} = I_1 + I_2 = 4{,}5\text{ A} + 4{,}5\text{ A} = 9{,}0\text{ A}$.
3. Il doit choisir le fusible de **$10\text{ A}$**. Le calibre de $10\text{ A}$ est juste supérieur à $9{,}0\text{ A}$, ce qui protège efficacement le câblage contre les surintensités tout en laissant passer le courant de fonctionnement normal ($5\text{ A}$ fondrait instantanément).
Dimensionnement d'une Résistance de Protection d'un Voyant DEL
Situation Professionnelle
Sur l'armoire de commande d'une presse plieuse hydraulique alimentée sous une tension continue $U_{gen} = 24\text{ V}$, un concepteur souhaite installer une diode électroluminescente (DEL) comme voyant de sous-tension. La DEL fonctionne idéalement sous une tension $U_{DEL} = 2{,}0\text{ V}$ et est traversée par un courant nominal $I = 20\text{ mA}$ ($0{,}020\text{ A}$). Pour ne pas détruire la DEL sous $24\text{ V}$, on monte une résistance de protection $R$ en série avec la DEL.
Calculs de Dimensionnement
1. Tension aux Bornes de la Résistance (Compétence Analyser) : En utilisant la loi des mailles ($U_{gen} = U_R + U_{DEL}$), calculer la tension $U_R$ que doit encaisser la résistance de protection.
2. Calcul par la Loi d'Ohm (Compétence Réaliser) : En appliquant la loi d'Ohm $U_R = R \cdot I$, calculer la valeur théorique de la résistance $R$ en Ohms ($\Omega$) pour $I = 0{,}020\text{ A}$.
3. Choix du Composant Normalisé (Compétence Valider) : Dans le catalogue des composants électroniques d'atelier, les résistances disponibles sont : $1000\,\Omega$, $1100\,\Omega$, $1200\,\Omega$. Quelle valeur normalisée convient parfaitement ?
Voir le corrigé de l'Activité 3
1. $U_R = U_{gen} - U_{DEL} = 24 - 2{,}0 = 22\text{ V}$.
2. $R = \frac{U_R}{I} = \frac{22}{0{,}020} = 1100\,\Omega$ ($1{,}1\text{ k}\Omega$).
3. Il faut sélectionner la résistance normalisée de **$1100\,\Omega$** (ou $1{,}1\text{ k}\Omega$). La DEL fonctionnera parfaitement en toute sécurité.