E7.APPAREILLAGES ÉLECTRIQUES

-alternateur

Un alternateur (ou génératrice de courant alternatif)  

transforme une énergie mécanique en courant électrique alternatif.

CONSTITUTION d'un ALTERNATEUR

Un système inducteur rotatif (ou rotor, avec des paires de pôles, crée le champ magnétique) et un système induit fixe (avec des enroulements sur armatures), engendre le courant qui est dirigé vers des bornes de sortie (démultipliées selon le nombre de phases distribuées

 

ROTATION de L'ALTERNATEUR

f = np.fa

avec f(Hz)= fréquence du courant produit par l'alternateur

np= nombre de pôles de l'inducteur

fa(Hz)= fréquence de l'alternateur (dite vitesse de synchronisme)

Exemples :

--pour courant de f = 50 Hertz : si np= 1 (paire) la rotation de l'alternateur est

fa= 50 Hz, soit 3000 rotations /mn ou 3000 tours/mn

--pour courant de f = 50 Hertz : si np= 6 (paires) la rotation de l'alternateur est telle que

fa= 50 / 6 = 8,3 Hz, soit 500 rotations /mn ou 500 tours/mn

 

PUISSANCE d'un ALTERNATEUR

La puissance produite par la chute d'eau est :

P = M*.g.Q.lh      où P (exprimé en Watts), M*(kg/s) est le débit-masse, g la pesanteur (9,81 m/s²), Q(m3/s) le débit-volume et lh (m) la hauteur verticale de chute

C'est -aux frottements près- la puissance de l'alternateur (qui est à la réception de cette puissance hydraulique)

On applique souvent la formule pragmatique moyenne (issue de ci-dessus)

P = 8000.Q.lh

Des alternateurs de production peuvent atteindre une puissance de 1,5.109 Watts (par exemple si Q = 320 m3/s pour 600 m  de dénivelé)



-puissance d'un alternateur de groupe électrogène

S'il doit alimenter des utilisateurs à multi-démarrages, représentant à eux tous une puissance nominale de consommation (en triangle) de Pm

la puissance du groupe doit être  Pg= K.(Pm+ Pr)

avec Pr = puissance réactive et K = coefficient qui tient compte des pertes d’accouplement et de l'intensité (plus élevée) aux démarrages...

En pratique Pg(en KVA) # 2Pm (en KW)



-puissance d'un alternateur de véhicule 

P = Pu /r.cosφ.

avec Pu = puissance réclamée par les utilisateurs (surtout des lampes)

r = rendement (en pratique de 0,65 à 0,75)

et cosφ est dit facteur de puissance (= 1 car il n'alimente que des lampes)

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-anode

L'anode est une électrode (élément conducteur d'un appareil), servant de borne limite au transfert de l'électricité

 

ANODE d'un APPAREIL PRODUCTEUR d'ÉLECTRICITÉ

L'anode est une électrode (élément conducteur d'un appareil), servant de borne limite au transfert de l'électricité

L'anode est le pôle moins (-) car les électrons proviennent du circuit filaire externe et arrivent à l'anode, qui les attire

Par exemple, l'anode d'une pile ou d'une batterie d'accus en cours de fourniture du courant (en décharge) est de signe (-)

 

 

ANODE d'un APPAREIL CONSOMMATEUR d'ÉLECTRICITÉ

L'anode est alors le siège d'une réaction chimique d'oxydation, c'est à dire où les atomes (ou ions) vont perdre des électrons.

Donc c'est le contraire de ci-dessus, les électrons quittent l'anode qui est le pôle plus (+)

Par exemple l'anode d'un circuit électrique, d'une résistance, de tubes électroniques, d'un bac à électrolyse, d'une batterie en charge sont des (pôles +)

Mais hors du bac électrolytique (dans la filerie extérieure), c'est le contraire, comme vu au § ci-avant

 

ANODE SACRIFICIELLE

Dans le cas des bateaux, les oxydations favorisées par l'eau de mer, incitent à poser des anodes plus réactives que les autres à la corrosion et

donc elles servent de protections, grâce au sacrifice de leur usure prématurée

 

TUBE (LAMPE) de DÉCHARGE à GAZ

C'est un tube à gaz raréfié (la pression est < 10 Pa) qui émet des rayons anodiques (anions, émis par l'anode qui est en cristal de germanium ou de silicium, type P, c'est à dire qui a des charges + et des trous, donc qui manque d'électrons)

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-antenne

Une antenne est un équipement transformant le champ des ondes électromagnétiques de l’espace où elles évoluent, en énergie électrique destinée à un appareil (et ceci soit en réception, soit à l’envers: en émission)

Une antenne est caractérisée par :

 

ZONE d’ACTION(ou diagramme de rayonnement)

C'est l’espace géométrique (angle solide) dans lequel son activité est possible

 

RENDEMENT

C'est le rapport entre la puissance qu’elle émet -en toutes directions- et la puissance totale qui lui est fournie

Il est optimal quand la longueur de l’antenne est multiple de la longueur d’onde

 

GAIN DIRECTIONNEL

C'est γ* le rapport logarithmique entre (l’énergie émise -ou captée- dans sa zone d’efficacité maximale) et (l’énergie émise -ou captée- dans la zone de moyenne efficacité) Il est exprimé en décibels(dB)

 

FRÉQUENCE DE RÉSONANCE

Les fréquences des oscillateurs sont de l’ordre de 3 à 5.103 Hz (en modulation d’amplitude) et vont jusqu’à 1,5.104 Hz (en modulation de fréquence)

 

BANDE PASSANTE

C'est la gamme de fréquence comprise entre le mini et le maxi acceptés par l’antenne

 

IMPÉDANCE (Z)

Elle va de 40 à 600 ohms en pratique

(Ex : 73 Ω pour une antenne dipolaire demi-onde, c’est à dire ayant une longueur égale à une demi longueur d’onde)

 

FORME

Une antenne peut être filaire, parabolique (pour concentrer les ondes en un foyer) etc...

Pour une antenne parabolique, le coefficient parabolique est le rayon de la concavité, dans la partie au sommet de la parabole

 

LONGUEUR EFFECTIVE

l = 2λ.cos θ.(R.γ* / Zv )1/2

avec l(m) = longueur antenne

λ(m) = longueur d’onde

θ (rd) = angle entre le vecteur champ électrique et l’antenne

R (ohms) = résistance de l’antenne

Zv(ohm-stéradian)= impédance du vide (377 Ω-sr)

γ*(dB) = gain directionnel de l’antenne

 

SURFACE EFFECTIVE (ou SECTION EFFICACE)

S = γ*.λ² / Ω

mêmes symboles avec Ω (sr)= angle solide (qui vaut 4∏ sr si le système d'unités possède le stéradian comme unité d'angle)

 

PUISSANCE

P = γ*² E² / 480 ²

avec P(Watt)= puissance maximale (valeurs usuelles 1 à 100 W)

E(champ électrique en V/m) (valeurs usuelles de 5 à 60 V/m, selon fréquence)

γ*(dB) = gain directionnel de l’antenne (valeurs usuelles 1 à 20 dB)

La puissance à une distance (l) est P = E².l² / K.ρ

ρ(Ω-m) est la résistivité et K (nombre) un coefficient de forme

ou encore   Pr = γ*é*r.λ².Pé/ 4∏.lr²

où Pr est la puissance reçue, Pé la puissance émise,γ*é= le gain de l'antenne émettrice,γ*r  le gain de l'antenne réceptrice, λ(m) la longueur d'onde et lr(m) la distance entre antennes

Valeurs pratiques des puissances d'antennes (valeurs maxi, exprimées en Watts) :

Emetteur radio E.M (106) Emetteur T.V. (800.000) Emetteur radio F.M (300.000)

Télévision mobile (10.000) Téléphonie mobile (30 W)  Wi-Fi (1)

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-batterie d'accumulateurs électriques

Un accumulateur électrique est un appareil stockeur d'électricité, mais il a 3 fonctions dans sa vie:

-il stocke de l'énergie sous la forme chimique (molécules actuellement au repos, mais susceptibles d'être dissociées)

-il devient bac à électrolyse et transforme de l'énergie chimique (les molécules de ses électrolyte et électrodes) pour être alors producteur d'électricité

-il est chargeable (et même rechargeable) en redemandant de l'énergie électrique à un fournisseur externe, pour reprendre une énergie chimiquement stockable

 

CAPACITÉ de CHARGE Q (ou charge) d’un accumulateur signifie stockage de charges électriques dans la batterie servant à restituerune certaine intensité pendant un temps donné.Elle est exprimée usuellement en Ampère-heure (A-h) unité qui vaut 3,6.103 Coulombs

Les voltages d'un accumulateur sont ceux de la tension usuelle d'un élément (soit # 2 Volts -plus précisément 2,1 Volt si elle est chargée et 1,8 Volt si déchargée)

Comme on désire de plus fortes tensions, on regroupe les accumulateurs en batteries, ce qui permet de produire 6V, 12V et 24 Volts

Pour une batterie au Plomb, la réaction d'électrolyse est

Pb + HSO4>>> PbSO4+ H+ + 2 électrons 

et PbO2+ HSO4+ 3H + les 2 électrons >>> 2H2O + PbSO4

 

CHARGE STOCKÉE par MASSE UNITAIREde support (masse de la batterie)

C'est (t') une capacité massique de charge

 Dimensions M-1.T.I        Unité S.I.+ = C / kg

 

ÉNERGIE MASSIQUE(ou DENSITÉ ENERGETIQUE MASSIQUE) STOCKÉE

Dimensions  L2.T-2             Unité S.I.+ = J / kg  

mais l'unité d'usage est le Wh/kg qui vaut 3,6.103J/kg

Une batterie d’accumulateurs courante stocke de 2 à 4.105 Joules par kilogramme de batterie, soit 60 à 100 Wh/kg, ce qui reste 100 fois moins que celle stockée dans un carburant liquide (dont le pouvoir calorifique est # 10.000 Wh/kg)

Valeurs des énergies massiques retenues par quelques types de batteries (en Wh/kg):

Ni-Fe(30)--Pb(30 à 70)--Ni-Zn(70)--Ni-Cd(80)--Na-S(110)--Li-Air(150)--Li-Fe-PO4(160)--Zn-Ag(200)--Li-Mn(300 et plus)

 

TENUE de CHARGE

Pour les batteries au plomb, on peut prévoir la valeur de la durée de tenue de charge par la loi de Peukert :

t = Q/ iK

où t(s) = durée de tenue de charge

Q(C) = capacité de charge

K (nombre) = coefficient lié à la nature des éléments de construction

(valeur moyenne 1,25)

 

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-batterie de condensateurs

 

Pour augmenter le facteur de puissance (cosφ) d'un circuit en alternatif, il est opportun (économiquement) d'y insérer des condensateurs groupées dans un ensemble dit ''batterie de condensateurs''.

La puissance réactive de la batterie de condensateurs nécessaire est:

Pa= Pd(tgφd- tgφa)

avec Pd(Var)= puissance du circuit au départ (avant adjonction)

Pa(Var)= puissance du circuit (après adjonction)

φa(rad)= angle de perte après adjonction de la batterie

φd(rad)= angle de perte au départ (avant adjonction)

La capacité nécessaire de cette batterie (en triphasé) est

C= Pa/ U².f.(3)1/2

avec C(F)= capacité

Pa(Var)= puissance apparente

U(V)= tension composée (entre phases)

f(Hz)= fréquence

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-bobine

Une bobine est un appareil qu'il vaut mieux nommer Auto-inductance ou self-inductance

On dit aussi bobinage , self et solénoïde

 

CARACTERISTIQUES ESSENTIELLES DES BOBINES

-champ d'induction pour bobine usuelle

(B = 10-2 Tesla)

-FLUX d’induction magnétique    Φ(Wb) dans les spires d’une bobine

Φ = L.i   où le courant est i(A) et L(H) l'inductance de la bobine

-champ tournant (théorème de Ferraris)

si 3 bobines régulièrement reliées et disposées comme rayons d'un cercle sont alimentées par un courant i(A) de fréquence f, elles créent un champ magnétique induit qui est glissant (tournant) au centre de leur conjonction géométrique.

La fréquence est alors f /3 et le champ est proportionnel à l'intensité (i)

-moment magnétique de bobine

M= μ.n.S.i

où Mk(Wb-m-sr)= moment magnétique d’une bobine de spires

i(A)= courant circulant dans la bobine

S(m²)= section de bobine

μ(H-sr/m)= perméabilité magnétique ambiante

-potentiel d’excitation magnétique d'une bobine I' = i.n/ [Ω1 + Ω2]

 I'Gb)= potentiel d’excitation magnétique créé en un point O par un circuit magnétique (bobine)

n = nombre de spires de la bobine, parcourue par un courant i(A)

Ω1(sr)= angle solide sous lequel on voit la bobine, depuis O

Ω2(sr)= angle solide dans lequel l’effet magnétique s’exerce autour de O (en général l’espace entier)

-réluctance magnétique spécifique pour noyau d’une bobine

w* = n.i /Φ

avec w*(H-1.sr-1)= réluctance magnétique spécifique d’un noyau d’une bobine de nspires parcourues par un courant i(A)

Φ(Wb)= FLUX d’induction magnétique à travers le noyau

Ω(sr)= angle solide dans lequel s’exerce l’effet magnétique

-énergie d’une bobine

E= (1/2)L.i²

avec Eb(J)= énergie d’une bobine

L(H)= inductance

i(A)= courant

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-boussole

LECTURE des ANGLES

Tous les angles lus sur une boussole doivent être lus dans le sens horaire et mesurés à partir du nord magnétique

On lit sur une boussole l'azimut, c'est à dire l'angle plan entre la direction cherchée et le nord magnétique. Mais le nord géographique et le nord magnétique différent d'un angle (variable selon le lieu) dit «angle de déclinaison»

En France métropolitaine, la déclinaison est égale à # 2°W donc on peut la négliger en première approximation

 

ÉQUATION du MOUVEMENT de l'AIGUILLE d'une BOUSSOLE

I.d²θ / dt² = - a.dθ / dt - Mg.B.sinθ

I(kg/m²)= moment d'inertie

θ(rad)= angle de rotation

t(s)= temps

a(J-s)= coefficient de freinage (action)

Mg(A-m²)= moment magnétique ampèrien

B(T)= champ d'induction magnétique terrestre

 

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-cable électrique

Les câbles électriques ont 3 fonctions essentielles :

1.amener du courant jusqu'au lieu d'utilisation (donc le transport amont)

Ce sont des câbles de grosse section (# 500 mm², soit diamètre de 25 mm) en cuivre ou alliage (d'aluminium et acier)

La grosse section est nécessaire pour éviter des pertes ; on transporte sous fortes tensions, ce qui d'après la loi  P = U.i = r.l.i² / S   montre qu'il faut de grosses sections (S) pour ne pas pénaliser la puissance (P)

Il faut signaler aussi la présence d'un câble de garde, en usage de paratonnerre, qui est tiré à proximité des câbles de distribution

 

2.distribuer le courant sur les lieux d'utilisation (entre le distributeur -compteur d'énergie et l'appareil utilisateur)

On trouve ici >>>

-les câbles conducteurs de phases. Ils sont de gainage coloré (sauf vert) et ont des sections entre (1 et 25 mm²)

Ils véhiculent l'une des phases distribuée dont chacune présente une tension de 227 V par rapport au neutre, ou 380 V entre elles

-le câble dit neutre, de gainage à couleur foncée (bleu, gris, noir, marron selon les Pays) qui sert de base pour repérer un voltage nul (0 Volt).

Il est en général relié à la terre côté production d'électricté (soit en direct, soit à travers une impédance)

-le câble de terre doit avoir une section au moins égale à celle des conducteurs d'alimentation phasée (en pratique, au moins 10 carré).

Il est dit conducteur (P.E) Sa couleur est à base de vert bariolé (en France vert et jaune)

 

3.relier intimement les composants d'un appareil électrique utilisateur (donc souvent internes)

Il s'agit ici de basses ou très basses tensions et ces (petits) câbles servent de liaisons entre les divers composants de tel appareillage

Câble de batteries d'accus >> prévoir section de 25 à 75 mm² selon la longueur (pour un véhicule léger) et 100 mm² (soit 6 mm de diamètre) pour un poids lourd

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-cathode

Une CATHODE

est une électrode (élément conducteur d'un appareil), servant au transfert de l'électricité

-Premier cas : si elle appartient à un appareil producteur d'électricité (comme une pile ou une batterie d'accus en cours de fourniture du courant) >> la cathode est le pôle plus (+)

-Second cas : si elle appartient à un appareil consommateur d'électricité (comme un circuit électrique, une résistance, des tubes électroniques, un bac à électrolyse, une batterie en charge), la cathode est le pôle moins (-)

Elle est alors le siège d'une réaction chimique de réduction, c'est à dire où les atomes (ou ions) vont gagner les électrons, qui entrent (sont fournis) par le courant électrique).

Par exemple dans un bac à électrolyse, les ions positifs (cations +) se dirigent vers la cathode (pôle -)

Elle est parfois dite ici MOKA (abréviation mnémotechnique = moins cathode)

 

APPAREILS CATHODIQUES

-cathodique signifie relatif à la cathode:

-oscillographe cathodique

Appareil où des électrons émis par une cathode passent entre 2 plaques où existe une tension >> les électrons subissent une déviation de trajectoire dite "déflexion"

la distance de déflexion est  ld(en m) = lp.U.lé / 2U0.le

avec le(m)= distance entre plaques

lp(m)= longueur de chaque plaque

lé(m)= distance entre le point d'entrée du faisceau dans le champ et l'écran où est mesurée la déviation du faisceau

U(V)= tension entre plaques

U0(V)= tension entre point d'émission électronique et point d'entrée dans le champ déflecteur

 

-tube cathodique

tube à gaz raréfié, où la pression est < 10 Pa, qui émet des rayons cathodiques (électrons, partant de la cathode) dont la vitesse est

v = (2e.U/ mé)1/2

e(C) étant la charge élémentaire

U la tension (différence de potentiel en Volts)

m é(kg) la masse de l'électron

Les tubes cathodiques sont des polyodes (di, tri, tétr, pent, etc) c’est à dire ayant toujours une cathode, une anode et diverses grilles intermédiaires

 

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-condensateur

Un condensateur est un appareil électrique constitué de 2 conducteurs (plaques) séparés par un isolant (diélectrique)

CAPACITÉ d'un CONDENSATEUR

Equation aux dimensions structurelles : L-2.M-1.T4.I2     Symbole de désignation : C      

Unité S.I.+ = Farad(F)

Unité d'usage le microfarad μF = 10-6 F

-équation de la capacité

= / U

avec C(F)= capacité d’un condensateur

Q(C)= sa charge

U(V)= tension appliquée

-capacité selon le modèle de condensateur

Condensateur plan >>> = ε.Ω.S / l

avec C(F)= capacité d’un condensateur plan

ε(F/m-sr)= constante diélectrique du diélectrique constitutif

S(m²)= surface des armatures en regard

Ω(sr)= angle solide dans lequel s’exerce l’effet d’influence (en général l’espace entier, soit 4 sr pour un système d’unités qui, comme S.I.+, a comme unité d’angle le stéradian)

l(m)= épaisseur du diélectrique

Condensateur cylindrique >>> = (Ω.ε.l) / 2.log(l1/ l2) mêmes notations, avec en outre :

l = hauteur du cylindre, l1= 1/2 épaisseur de l'armature interne et l2 = épaisseur du diélectrique

Condensateur sphérique >>> C = (Ω.ε.l4.l3) / (l4- l3)

mêmes notations, avec en outre: l3= rayon de l'armature interne et l4 le rayon de l'armature externe

-valeurs pratiques de capacités (exprimées en Farad) :

Condensateur de mica(10-6)--Condensateur de céramique(10-5 à -4)--Condensateur électrochimique(10-3)--Condensateur de double couche(101 à 3)

-capacité linéique d'un condensateur

C'est la notion de capacité, ramenée à l'épaisseur du diélectrique

Equation aux dimensions structurelles : L-3.M-1.T4.I2       Symbole de désignation β

Unité S.I.+ : le F/m

β' = / l

avec β'(F/m)= capacité linéique d'un condensateur

C(F)= capacité du condensateur

l(m)= épaisseur de diélectrique

 

CHARGE d'un CONDENSATEUR

 Equation aux dimensions structurelles : T.I       Symbole grandeur : Q         

Unité S.I.+ = le Coulomb(C )

-charge stricto sensu

C.U

avec Q(C)= charge d'un condensateur de capacité C(F)

U(V)= différence de potentiel entre ses armatures

La décharge du condensateur est l'inverse de la charge (il perd un % de Q)

-constante de temps d'un condensateur

C’est le temps mis pour que la tension aux bornes du condensateur varie de # 33%

 Equation aux dimensions structurelles : T       Symbole grandeur : t0        

Unité S.I.+ : la seconde(s)

t= R.C

avec t0(s)= constante de temps

R(ohm)= résistance où se décharge le condensateur

C(F)= sa capacité

-polarisation d’un condensateur

Des charges qui se déplacent dans un isolant forment des dipôles

σ = 2.E / V.E

σ(C/m²)= polarisation électrique dans un condensateur de volume V (m3)

E(J)= énergie développée dans le condensateur sous l’effet du champ d’induction électrique E(V/m)

et aussi : en courant alternatif, la polarisation d’un condensateur est en retard sur le champ.Il y a donc un retard de déphasage φ

E= P / 2f.tgφ

avec  φ(rad)= angle de perte

P(W)= puissance dissipée

f(Hz)= fréquence (f = ω / 2  seulement quand la vitesse angulaire ω est exprimée en radian/s, dans l’équation sinusoïdale du courant)

-potentiel d'excitation d’un condensateur

Equation aux dimensions structurelles : L-1.T.I.A-1       Symbole de désignation : W      

 Unité S.I.+ : C/m-sr

= ε.S.E/ l       ou   = D.l       ou   = U.ε

avec W(C/m-sr)= potentiel d’excitation électrique d’un condensateur (en charge ou décharge)

S(m²)= section transversale du diélectrique d’épaisseur l(m)

ε(F/m-sr)= constante diélectrique du condensateur

E(V/m)= champ d’induction électrique

U(V)= potentiel d'induction

D(C/m²-sr)= champ d’excitation électrique

 

ÉLECTROSTRICTION

Quand un condensateur est plongé dans un volume V(m3) de diélectrique, à pression et température constantes, il y a variation (dite d’électrostriction) du volume V

dpé /d ε= Co.ΔU²/ ΔV       ou aussi   pé = ε.Ω.E²

avec pé(Pa)= pression d’électrostriction

ε(F/m-sr)= constante diélectrique du milieu

εr(nombre)= permittivité relative (par rapport au vide) du diélectrique

E(V/m)= champ d’induction électrique

Ω(sr)= angle solide

Co(F)= capacité du condensateur dans le vide

ΔU(V)= différence de potentiel relative à la variation de volume ΔV(m3) du diélectrique

La striction elle-même (diminution relative de la largeur du matériau) atteint de 10-3 à 10-8 selon la température et la qualité technique du matériau

 

GROUPEMENT de CONDENSATEURS

-condensateurs en parallèle    Cr = C+ C+ C+....

la capacité résultante Cr est la somme des capacités composantes

-condensateurs en série    1 / C= 1 / C+ 1 / C+ 1 / C+....

l’inverse de la capacité résultante est la somme des inverses des capacités composantes

 

ROLE du CONDENSATEUR en CIRCUIT ALTERNATIF

-batterie de condensateurs

Pour augmenter le facteur de puissance (cos φ) d'un circuit en alternatif, il est opportun (économiquement) d'y insérer des condensateurs .

La puissance réactive de la batterie de condensateurs nécessaire est:

P= Pd(tgφ- tgφa)

avec Pd(Var)= puissance du circuit au départ (avant adjonction)

Pa(Var)= puissance du circuit (après adjonction)

φa(rad)= angle de perte après adjonction de la batterie

φd(rad)= angle de perte au départ (avant adjonction)

Sa capacité nécessaire (en triphasé) est

= P/ U².f.(3)1/2

avec C(F)= capacité

Pa(Var)= puissance apparente

U(V)= tension composée (entre phases)

f(Hz)= fréquence

-permittance d’un condensateur

Equation aux dimensions  : L-2.M-1.T4.I2.A-1       Symbole de désignation : b’      

UnitéS.I.+ : le F/sr

b' = F/ U

avec b'(F/sr)= permittance d’un condensateur

F(C/sr)= FLUX d’excitation électrique

U(V)= différence de potentiel entre les plaques du condensateur

 

ENERGIE de CONDENSATEUR

-énergie stricto sensu

 Equation aux dimensions structurelles : L2.M.T-2       Symbole de désignation Ek      

Unité S.I.+ : Joule(J)

E= (1/2).C.ΔU²

avec Ek(J)= énergie (maximale) emmagasinée par un condensateur

C(F)= capacité du condensateur

ΔU(V)= différence de potentiel (ou " tension") auquel sont soumises les armatures du condensateur

-densité (volumique) d'énergie d'un condensateur

Il s'agit du stockage d'énergie -sous forme électrique- dans un volume de condensateur

Equation aux dimensions structurelles : L-1.M.T-2       Symbole de désignation : pc      

Unité S.I.+ : J/m3

Exemple de densité d'énergie dans un micro-condensateur 10-3 Wh/cm3

(soit # 4.106 J/m3)

-puissance d’un condensateur

Equation aux dimensions structurelles : L2.M.T-3       Symbole de désignation : Pa      

Unité S.I.+ : le Watt et en alternatif le var (qui vaut 1 Watt tgφ)

P= C.U².f.31/2

avec Pa(var)= puissance du condensateur utilisé dans un circuit alternatif triphasé

C(F)= capacité du condensateur

U(V)= différence de potentiel entre ses plaques

f(Hz)= fréquence du courant alternatif (supposé triphasé)

tgφ est la pente (et φ le déphasage)

On utilise aussi la notion de puissance surfacique >>

exemple de puissance surfacique dans un micro-condensateur : 106 W/m²

 

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-cosinus phi

Dans un courant alternatif, l'angle φ est le déphasage (différence angulaire de phase d'onde, entre la tension et le courant).

Le cosinus de cet angle (cosφ) qui est le quotient entre la puissance active et la puissance apparente d'un courant alternatif (voir plus loin) est usuellement nommé facteur de puissance. C'est cependant inexact, on doit le nommer facteur de déplacement >>>

En effet, le vrai facteur de puissance est K.cos φ où K est un facteur de distorsion (du courant) Car cosφ exprime le décalage entre intensité et voltage d'un courant strictement sinusoïdal, mais dans la pratique le courant n'est pas strictement sinusoïdal (il y a déformation, même momentanée- de la sinusoïde) et donc il y a bien nécessité de prévoir un facteur correctif K, dit "de distorsion"

Notons que le sinus de l'angle de déphasage (sinφ) est nommé facteur de réactance et (tgj) est nommée pente

 

CALCUL de cet ANGLE de DÉPHASAGE φ

Si le circuit alternatif comporte des résistances R et des selfs L  >>>

cosφ = R / (R² + L².f²)1/2

avec f(Hz)= fréquence du courant sinusoïdal alternatif

φ(rad)= angle de déphasage

(L.f) en (Ω)= capacitance et R(Ω)= résistance

 

-rappel des noms donnés aux puissances de ce type de courant alternatif:

P effective = U.i  (monophasé) exprimée en Voltampères    qui se découpe en  

P active (ou réelle ou wattée ou effective) = U.i.cosφ exprimée en Watts

 et P réactive (ou de déphasage) = U.i.sinφ  exprimée en vAr

 

 

Remarque: la puissance pour une distribution en triphasé est

P active = 31/2(U.i.cosφ)

où i(A) est l’intensité par fil de chaque phase

U(V) est la différence de potentiel

φ(rad) le déphasage

 

-unités spéciales pour puissances de courant alternatif

Le Volt ampère (VA) (utilisé pour puissance apparente)

vaut 1 Watt /cos φ et 1 VA = 1 Var / sinφ

Le Volt ampère réactif (VAr) (pour puissance réactive)

vaut 1 Watt.tgφ ou 1 Var = 1 VA.sinφ

 

BATTERIE de CONDENSATEURS

Il est opportun (économiquement) d’insérer des condensateurs dans le circuit de courant alternatif pour atténuer l'influene du (cosφ),

La puissance active de la batterie de condensateurs doit être telle que:

Po= P1(1 / cosφ0 - 1 / cosφ1)

avec P0(VA)= puissance du circuit au départ (avant adjonction de condensateur)

P1(W)= puissance du circuit (après adjonction)

φ0(rad)= angle de perte avant adjonction de la batterie de condensateurs

φ1(rad)= angle de perte après adjonction

Un bon cos φ dans un circuit doit être > 0,9

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-diode

Une diode est un composant électronique jouant un rôle d'interrupteur >>

-dans un sens (dit direct), le courant (dit courant passant) passe dans la diode (qui peut présenter une certaine résistance) et va de l'anode jusqu'à la cathode-

Il faudra cependant une tension de l'ordre de 1 Volt, pour que la diode soit fermée

-dans l'autre sens (dit inverse), le courant ne passe plus (diode en interrupteur ouvert) et il y a blocage

La diode joue un rôle dans : redressement de courant alternatif, détection radio, lampes-témoins, courant en fibres optiques, etc....

 

Une diode est un semi-conducteur constitué de 2 plaquettes (1 de type N et 1 de type P) reliées entre elles et reliées en outre à une cathode (côté N) et à une anode (côté P).

 

LES QUALITÉS d'une DIODE

Elles sont données par sa courbe CARACTERISTIQUE (donnant l’intensité i en fonction de la tension U) -on y distingue:

1)).la tension de seuil (tension du seuil de conduction, à partir de laquelle la diode devient conductrice -ce seuil est de l'ordre de 0,6 Volt)

2)).la tension de claquage (tension contraire provoquant forte élévation de courant, à tendance destructrice)

3)).la tension de crête (correspondant au sommet de la sinusoïde du courant alternatif) :

Uc= (2)1/2.Uefficace

avec Uc sortie = Uc entrée - 0,7 volt pour du silicium

(et - 0,3 volt pour du germanium)

4)).le courant de saturation qui est l’intensité plafonnant à une certaine valeur, même en augmentant la tension (la valeur de ce courant varie en fonction de la température de cathode)

5)).la déplétion , zone (à la jonction P-N) où il n’y a ni électron, ni trou—c’est une zone isolante--

6)).la charge d'espace est la zone atteinte quand la tension U bloque à une valeur limite > 0

 

LES PRINCIPAUX TYPES de DIODES :

1)).diodes à jonction (la jonction est la liaison N-P), avec les variantes:

Diac, Schottky, PIN, SRD, tunnel, Zener...

2)).diodes LED où le courant direct provoque émission de rayonnement soit visible, soit infrarouge, soit même thermique (selon les matériaux dopants inclus)

On la nomme (DEL en français, LED en anglais)

C'est une diode à rayonnement monochromatique et la lumière est créée par l'électroluminescence du semi-conducteur. Fonctionnement en courant continu (d'où présence nécessaire d'un convertisseur)

Puissance (1 à 20 W) Cette puissance est environ 12 à 15 % de celle des lampes à incandescence produisant un même éclairement

Rendement commercial des LED (20 à 100 lm/W)

Cosinus phi >>> allant de 0,30 à 0,60

Indice de rendu de couleurs (80 à 85)

Les couleurs sont un mélange de bleu, émis par le semi-conducteur à longueur d'onde λ # de 450 nm et de jaune, émis par le phosphore épandu sur la surface, sous une longueur d'onde λ # de 600 nm-- Longévité (20.000 à 70.000 heures)

Usages (pour les petites puissances) destinés aux voyants, appareils de poche et lampes à manivelle

Usage (pour puissances plus importantes), en éclairage d'habitats

Une L.E.D peut avoir une fonction "flash" (c'est à dire une grosse puissance en 1 instant très court  de quelques microsecondes)

On lui affecte une caractéristique d'énergie (par ex. de 10 à 20.000 Joules) et sa puissance est usuellement dans une gamme de 50 à 1000 Watts

3)).diode OLED ou à électroluminescente organique

constituée de matériaux organiques en couches minces (200 μm.) plaqués entre 2 électrodes

Rendement commercial 10 à 30 lm/W

Exitance 1000 nits

Usage en éclairage design et intégration dans documents papier

Durée 2000 h.

4)).diodes à vide

-si la tension est très < 1 : pas de courant-

-si la tension est un peu < 1 : courant faible, à croissance exponentielle

-quand la tension > 1 : courant proportionnel en loi de Child-Langmuir

(i = K.U3/2)   jusqu’à une valeur limite (c’est la zone dite de charge d’espace)-

-quand la tension atteint cette valeur limite, dite de saturation, le courant plafonne à une valeur constante (le courant de saturation)

La résistance interne de la diode est Ri = tension d’anode / courant anodique.

5)).diodes à gaz: (H, gaz rares, vapeur de Hg): CARACTERISTIQUES identiques à la diode à vide, sauf que si la tension atteint la valeur de l'ionisation du gaz, l'intensité augmente spontanément à sa valeur de saturation

Pour les diodes usuelles, elle vaut # 15 volts et l'intensité de saturation # 20 mA

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