Courant alternatif / continu — Terminale Bac Pro ICCER
Durée : 10-15 min | Calculatrice autorisée
Barème : 20 points
a) Compléter : quand la diode est passante, le courant circule de ... vers ...
b) Quand la diode est bloquée, le courant est-il nul ou non nul ?
c) À quel composant hydraulique peut-on comparer la diode ?
a) De l'Anode (A) vers la Cathode (K).
b) Le courant est nul.
c) Un clapet anti-retour.
Le réseau français a une tension efficace U = 230 V.
a) Calculer la tension maximale : \(U_{max} = 230 \times \sqrt{2} = 230 \times 1{,}414 = ...\) V
b) Quelle est la fréquence du réseau français ?
a) \(U_{max} = 230 \times 1{,}414 \approx \mathbf{325}\) V
b) La fréquence du réseau français est 50 Hz.
Après un redressement simple alternance, on obtient un signal avec Umax = 325 V.
Calculer la valeur moyenne : \(\overline{U} = \dfrac{325}{\pi} = \dfrac{325}{3{,}14} = ...\) V
\(\overline{U} = \dfrac{325}{3{,}14} \approx \mathbf{103{,}5}\) V
a) Combien de diodes comporte un pont de Graetz ?
b) Quelle est la valeur moyenne d'un signal redressé double alternance ? \(\overline{U} = \dfrac{2 \times U_{max}}{\pi} = \dfrac{2 \times 325}{3{,}14} = ...\) V
a) 4 diodes.
b) \(\overline{U} = \dfrac{2 \times 325}{3{,}14} = \dfrac{650}{3{,}14} \approx \mathbf{207}\) V
Un condensateur C = 2 200 μF est branché avec une charge R = 100 Ω.
a) Calculer τ : \(\tau = 100 \times 2\,200 \times 10^{-6} = ...\) s = ... ms
b) T/2 = 10 ms. Le filtrage est-il bon ? (Comparer τ et T/2.)
a) \(\tau = 100 \times 2{,}2 \times 10^{-3} = \mathbf{0{,}22}\) s = 220 ms
b) 220 ms ≫ 10 ms → le filtrage est très bon.
Barème : 20 points
a) Quand une diode est bloquée, la tension à ses bornes est-elle nulle ou non nulle ?
b) Quand la diode est passante, quelle est la tension à ses bornes (environ) ?
c) À quel composant mécanique peut-on comparer la diode ?
a) La tension est non nulle (la tension du réseau se retrouve aux bornes de la diode bloquée).
b) Environ 0,7 V (tension de seuil d'une diode au silicium).
c) Un clapet anti-retour (ne laisse passer le fluide que dans un sens).
Un transformateur délivre une tension efficace U = 12 V.
a) Calculer la tension maximale : \(U_{max} = 12 \times \sqrt{2} = 12 \times 1{,}414 = ...\) V
b) Quelle est la fréquence du signal si le transformateur est branché sur le réseau français ?
a) \(U_{max} = 12 \times 1{,}414 \approx \mathbf{17{,}0}\) V
b) La fréquence est 50 Hz (identique au réseau).
Après un redressement simple alternance, on obtient un signal avec Umax = 17 V.
Calculer la valeur moyenne : \(\overline{U} = \dfrac{17}{\pi} = \dfrac{17}{3{,}14} = ...\) V
\(\overline{U} = \dfrac{17}{3{,}14} \approx \mathbf{5{,}4}\) V
a) Un pont de Graetz transforme-t-il du courant AC en DC ou du DC en AC ?
b) Quelle est la valeur moyenne d'un signal redressé double alternance ? \(\overline{U} = \dfrac{2 \times U_{max}}{\pi} = \dfrac{2 \times 17}{3{,}14} = ...\) V
a) Il transforme du courant AC en DC (courant alternatif en courant continu pulsé).
b) \(\overline{U} = \dfrac{2 \times 17}{3{,}14} = \dfrac{34}{3{,}14} \approx \mathbf{10{,}8}\) V
Un condensateur C = 4 700 μF est branché avec une charge R = 68 Ω.
a) Calculer τ : \(\tau = 68 \times 4\,700 \times 10^{-6} = ...\) s = ... ms
b) T/2 = 10 ms. Le filtrage est-il bon ? (Comparer τ et T/2.)
a) \(\tau = 68 \times 4{,}7 \times 10^{-3} = \mathbf{0{,}320}\) s = 320 ms
b) 320 ms ≫ 10 ms → le filtrage est très bon.
Barème : 20 points
Un technicien chauffagiste ouvre le coffret d'un variateur de vitesse et identifie : un pont de diodes, un gros condensateur, puis un onduleur.
a) Quel est le rôle du pont de diodes ?
b) Quel est le rôle du condensateur ?
c) Quel est le rôle de l'onduleur ?
a) Le pont de diodes redresse le courant alternatif en courant continu pulsé (AC → DC).
b) Le condensateur filtre (lisse) la tension pulsée pour obtenir une tension continue stable.
c) L'onduleur convertit le courant continu en courant alternatif à fréquence réglable (DC → AC).
Calculer la valeur moyenne d'un signal redressé simple alternance et double alternance pour U = 230 V (réseau).
a) Calculer Umax.
b) Calculer la valeur moyenne en simple alternance.
c) Calculer la valeur moyenne en double alternance.
a) \(U_{max} = 230 \times \sqrt{2} \approx \mathbf{325}\) V
b) SA : \(\overline{U} = \dfrac{325}{\pi} \approx \mathbf{103}\) V
c) DA : \(\overline{U} = \dfrac{2 \times 325}{\pi} \approx \mathbf{207}\) V
Un installateur thermique utilise un pont de Graetz suivi d'un condensateur C = 4 700 μF pour alimenter un circuit de commande. La résistance de charge est R = 47 Ω.
a) Calculer la constante de temps τ.
b) Le réseau est à 50 Hz. Calculer T/2.
c) La condition τ ≫ T/2 est-elle vérifiée ? Le filtrage est-il efficace ?
a) \(\tau = 47 \times 4\,700 \times 10^{-6} = \mathbf{0{,}221}\) s = 221 ms
b) T = 1/50 = 20 ms → T/2 = 10 ms
c) 221 ms ≫ 10 ms → oui, le filtrage est très efficace.
Un variateur de fréquence alimente un moteur de ventilateur CTA. Le moteur doit tourner à 60 % de sa vitesse nominale (50 Hz).
a) Quelle fréquence l'onduleur doit-il générer ?
b) La puissance absorbée par un ventilateur varie avec le cube de la vitesse. Calculer le pourcentage de puissance à 60 % de la vitesse.
a) \(f = 0{,}60 \times 50 = \mathbf{30}\) Hz
b) \(P_{60\%} = 0{,}60^3 = 0{,}216\) soit 21,6 % de la puissance nominale → économie de ~78 %.
Lors d'un redressement double alternance, la fréquence de la tension de sortie est 100 Hz alors que le réseau est à 50 Hz.
a) Expliquer pourquoi la fréquence de sortie est doublée.
b) Citer un avantage du pont de Graetz par rapport au redressement simple alternance.
a) Le pont redresse les deux alternances (positive et négative). La tension de sortie monte et descend deux fois par période du signal d'entrée → 2 × 50 = 100 Hz.
b) La valeur moyenne est deux fois plus élevée (207 V au lieu de 103 V), et le signal est plus facile à filtrer car les oscillations sont deux fois plus rapides.
Barème : 20 points
Un installateur thermique ouvre le coffret d'une alimentation stabilisée et identifie : un transformateur, un pont de diodes, puis un condensateur.
a) Quel est le rôle du transformateur ?
b) Quel est le rôle du pont de diodes ?
c) Quel est le rôle du condensateur ?
a) Le transformateur abaisse (ou élève) la tension alternative du réseau à la valeur souhaitée.
b) Le pont de diodes redresse le courant alternatif en courant continu pulsé (AC → DC).
c) Le condensateur filtre (lisse) la tension pulsée pour obtenir une tension continue stable.
Un transformateur abaisse le réseau 230 V à U = 24 V efficace.
a) Calculer Umax.
b) Calculer la valeur moyenne en simple alternance.
c) Calculer la valeur moyenne en double alternance.
a) \(U_{max} = 24 \times \sqrt{2} \approx \mathbf{33{,}9}\) V
b) SA : \(\overline{U} = \dfrac{33{,}9}{\pi} \approx \mathbf{10{,}8}\) V
c) DA : \(\overline{U} = \dfrac{2 \times 33{,}9}{\pi} \approx \mathbf{21{,}6}\) V
Un technicien chauffagiste utilise un pont de Graetz suivi d'un condensateur C = 2 200 μF pour alimenter un circuit de commande. La résistance de charge est R = 68 Ω.
a) Calculer la constante de temps τ.
b) Le réseau est à 50 Hz. Calculer T/2.
c) La condition τ ≫ T/2 est-elle vérifiée ? Le filtrage est-il efficace ?
a) \(\tau = 68 \times 2\,200 \times 10^{-6} = \mathbf{0{,}150}\) s = 150 ms
b) T = 1/50 = 20 ms → T/2 = 10 ms
c) 150 ms ≫ 10 ms → oui, le filtrage est très efficace.
Un variateur de fréquence commande un moteur de pompe hydraulique. Le moteur doit tourner à 75 % de sa vitesse nominale (50 Hz).
a) Quelle fréquence l'onduleur doit-il générer ?
b) La puissance absorbée par une pompe centrifuge varie avec le cube de la vitesse. Calculer le pourcentage de puissance à 75 % de la vitesse.
a) \(f = 0{,}75 \times 50 = \mathbf{37{,}5}\) Hz
b) \(P_{75\%} = 0{,}75^3 = 0{,}422\) soit 42,2 % de la puissance nominale → économie de ~58 %.
Lors d'un redressement simple alternance, une seule diode est utilisée.
a) Expliquer pourquoi la tension de sortie est nulle pendant une demi-période.
b) Citer un inconvénient du redressement simple alternance par rapport au pont de Graetz.
a) Pendant l'alternance négative, la diode est bloquée (polarisée en inverse) → aucun courant ne passe → la tension de sortie est nulle.
b) La valeur moyenne est deux fois plus faible (103 V au lieu de 207 V pour le réseau), et le signal est plus difficile à filtrer car les intervalles entre les impulsions sont plus longs.
Barème : 20 points
Un panneau solaire photovoltaïque produit une tension continue de 48 V. Un onduleur convertit cette tension en 230 V / 50 Hz pour alimenter le réseau domestique.
a) Quel type de conversion réalise l'onduleur ? (DC → AC ou AC → DC ?)
b) Calculer Umax de la tension de sortie de l'onduleur.
c) Citer deux autres applications de l'onduleur en installation thermique.
a) L'onduleur réalise une conversion DC → AC.
b) \(U_{max} = 230 \times \sqrt{2} \approx \mathbf{325}\) V
c) Variateur de vitesse pour moteur de CTA ; climatisation Inverter (variation de la fréquence du compresseur).
On dispose de deux condensateurs : C₁ = 1 000 μF et C₂ = 10 000 μF. La résistance de charge est R = 47 Ω.
a) Calculer τ₁ et τ₂.
b) Comparer τ₁ et τ₂ à T/2 = 10 ms. Lequel donne le meilleur filtrage ?
c) Pourquoi ne pas mettre un condensateur encore plus gros dans un variateur de vitesse ?
a) \(\tau_1 = 47 \times 10^{-3} = \mathbf{47}\) ms ; \(\tau_2 = 47 \times 10^{-2} = \mathbf{470}\) ms
b) τ₁ = 47 ms > 10 ms → filtrage acceptable. τ₂ = 470 ms ≫ 10 ms → meilleur filtrage.
c) Un condensateur très gros est encombrant, lourd et coûteux. De plus, au démarrage, il se charge brutalement et provoque un fort appel de courant (courant d'inrush).
Un technicien mesure les tensions suivantes aux bornes d'un composant inconnu :
a) De quel composant s'agit-il ?
b) Calculer la valeur moyenne théorique de la tension de sortie.
c) Le technicien mesure ensuite 295 V DC après un condensateur. Comparer à la valeur théorique et conclure sur l'efficacité du filtrage.
a) Il s'agit d'un pont de Graetz (pont de diodes, 4 diodes).
b) \(\overline{U} = \dfrac{2 \times 325}{\pi} \approx \mathbf{207}\) V
c) 295 V est beaucoup plus proche de Umax (325 V) que de la moyenne théorique (207 V). Le condensateur maintient la tension proche du pic → le filtrage est efficace.
Décrire la chaîne de conversion complète dans un variateur de vitesse pour compresseur de PAC :
Réseau 230 V / 50 Hz → ? → ? → ? → Moteur triphasé
a) Nommer chaque étage de conversion.
b) Indiquer la nature du signal (AC ou DC) entre chaque étage.
a) Réseau AC → Pont de diodes (redresseur) → Condensateur (filtrage) → Onduleur → Moteur
b) AC → DC pulsé → DC lissé → AC (fréquence variable)
Un onduleur de secours (UPS) alimente un automate de régulation de chauffage lors d'une coupure de courant. Sa batterie 24 V DC a une capacité de 100 Ah. L'automate consomme 2 A.
a) Quelle est l'autonomie de la batterie en heures ?
b) L'onduleur convertit le 24 V DC en 230 V AC. Quel type de conversion réalise-t-il ?
c) Pourquoi est-il important que cet automate soit protégé par un UPS ?
a) Autonomie = \(\dfrac{100}{2} = \mathbf{50}\) heures
b) Conversion DC → AC.
c) L'automate contrôle la régulation du chauffage. Sans lui, la chaudière s'arrêterait, risquant le gel des canalisations en hiver ou une surchauffe de l'installation.
Barème : 20 points
Une éolienne domestique produit une tension alternative de fréquence variable. Un redresseur et un onduleur convertissent cette tension en 230 V / 50 Hz pour alimenter le réseau domestique.
a) Quel est le rôle du redresseur dans cette chaîne ? (AC → DC ou DC → AC ?)
b) Calculer Umax de la tension de sortie de l'onduleur.
c) Citer deux autres applications du redressement en installation thermique.
a) Le redresseur réalise une conversion AC → DC.
b) \(U_{max} = 230 \times \sqrt{2} \approx \mathbf{325}\) V
c) Alimentation des circuits de commande de chaudière ; chargeur de batterie pour outil portatif de chantier.
On dispose de deux condensateurs : C₁ = 2 200 μF et C₂ = 4 700 μF. La résistance de charge est R = 33 Ω.
a) Calculer τ₁ et τ₂.
b) Comparer τ₁ et τ₂ à T/2 = 10 ms. Lequel donne le meilleur filtrage ?
c) Pourquoi ne pas mettre un condensateur encore plus gros dans une alimentation stabilisée ?
a) \(\tau_1 = 33 \times 2{,}2 \times 10^{-3} = \mathbf{72{,}6}\) ms ; \(\tau_2 = 33 \times 4{,}7 \times 10^{-3} = \mathbf{155}\) ms
b) τ₁ = 72,6 ms ≫ 10 ms → bon filtrage. τ₂ = 155 ms ≫ 10 ms → meilleur filtrage.
c) Un condensateur très gros est encombrant, lourd et coûteux. De plus, au démarrage, il se charge brutalement et provoque un fort appel de courant (courant d'inrush).
Un technicien chauffagiste mesure les tensions suivantes aux bornes d'un composant inconnu :
a) De quel composant s'agit-il ?
b) Calculer la valeur moyenne théorique de la tension de sortie.
c) Le technicien mesure ensuite 30 V DC après un condensateur. Comparer à la valeur théorique et conclure sur l'efficacité du filtrage.
a) Il s'agit d'un pont de Graetz (pont de diodes, 4 diodes).
b) \(\overline{U} = \dfrac{2 \times 34}{\pi} \approx \mathbf{21{,}6}\) V
c) 30 V est beaucoup plus proche de Umax (34 V) que de la moyenne théorique (21,6 V). Le condensateur maintient la tension proche du pic → le filtrage est efficace.
Décrire la chaîne de conversion complète dans un variateur de vitesse pour ventilateur de CTA :
Réseau 230 V / 50 Hz → ? → ? → ? → Moteur triphasé
a) Nommer chaque étage de conversion.
b) Indiquer la nature du signal (AC ou DC) entre chaque étage.
a) Réseau AC → Pont de diodes (redresseur) → Condensateur (filtrage) → Onduleur → Moteur
b) AC → DC pulsé → DC lissé → AC (fréquence variable)
Un onduleur de secours (UPS) alimente un système de gestion technique du bâtiment (GTB) lors d'une coupure de courant. Sa batterie 12 V DC a une capacité de 80 Ah. Le système consomme 4 A.
a) Quelle est l'autonomie de la batterie en heures ?
b) L'onduleur convertit le 12 V DC en 230 V AC. Quel type de conversion réalise-t-il ?
c) Pourquoi est-il important que le système GTB soit protégé par un UPS ?
a) Autonomie = \(\dfrac{80}{4} = \mathbf{20}\) heures
b) Conversion DC → AC.
c) Le système GTB supervise l'ensemble des équipements du bâtiment (chauffage, ventilation, éclairage). Sans lui, les installations ne seraient plus régulées, entraînant des risques de surchauffe, de gel ou de gaspillage énergétique.