⚙ Spécialité Sciences de l’ingénieur Première Générale · Chapitre 5

Circuits électriques et capteurs

Lois des nœuds et des mailles, loi d'Ohm, associations de résistances, pont diviseur de tension, capteurs résistifs (CTN, photorésistance), conditionnement du signal et conversion analogique-numérique (résolution, quantum).

1. Lois de l'électricité

Propriété · Lois fondamentales

Loi des nœuds : la somme des intensités qui arrivent à un nœud égale la somme de celles qui en partent. Loi des mailles : la somme algébrique des tensions le long d'une maille est nulle. Loi d'Ohm : $U = R \times I$. Résistances en série : $R = R_1 + R_2$ ; en parallèle : $\dfrac{1}{R} = \dfrac{1}{R_1} + \dfrac{1}{R_2}$.

2. Le pont diviseur de tension

E = 5 VR? (fixe)R? (CTN)U? ? entrée A0U? = E × R? / (R? + R?)
Pont diviseur de tension : il transforme la variation de résistance d'un capteur en variation de tension mesurable.

Exemple · Capteur de température

Avec $E = 5$ V, $R_1 = 10$ k? et une CTN de $10$ k? à $25\,{}^\circ\text{C}$ : $U_2 = 2{,}5$ V. Si la température monte, la résistance de la CTN diminue (par exemple $5$ k?) : $U_2 = 5 \times \dfrac{5}{15} \approx 1{,}67$ V.

3. Capteurs

Définition

Un capteur convertit une grandeur physique (température, lumière, distance, force) en signal électrique. On distingue les capteurs analogiques (signal continu, par exemple une tension proportionnelle) et logiques (tout ou rien : interrupteur de fin de course, détecteur de présence). Une CTN voit sa résistance diminuer quand la température augmente ; une photorésistance (LDR) quand l'éclairement augmente.

4. Conversion analogique-numérique

Propriété · Résolution

Un convertisseur (CAN) de $n$ bits sur une plage $[0\,;\,V_\text{ref}]$ fournit un entier de $0$ à $2^n - 1$. Le quantum (plus petite variation détectable) vaut $q = \dfrac{V_\text{ref}}{2^n}$. Arduino Uno : $10$ bits, $5$ V : $q \approx 4{,}9$ mV ; valeur lue $N \approx \dfrac{U}{q}$.

Activité · Mesurer une température avec une carte

Matérielcarte Arduino, CTN $10$ k?, résistance $10$ k?, câbles.
ConsigneRéaliser le pont diviseur, lire analogRead(A0), convertir en tension puis en résistance de la CTN.
RésultatValeur lue $512$ : $U_2 \approx 2{,}5$ V, $R_\text{CTN} \approx 10$ k?, soit environ $25\,{}^\circ\text{C}$ d'après la table du constructeur.
BilanToute mesure numérique passe par une chaîne : capteur ? conditionnement ? conversion ? traitement.

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Exercices corrigés

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1

Loi d'Ohm

★☆☆

Tension aux bornes d'une résistance de $220$ ? traversée par $20$ mA ?

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2

Résistances en série

★☆☆

Résistance équivalente à $1$ k? et $2{,}2$ k? en série ?

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3

Résistances en parallèle

★★☆

Résistance équivalente à deux résistances de $10$ k? en parallèle ?

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4

Loi des nœuds

★☆☆

À un nœud arrivent $0{,}5$ A et $0{,}2$ A ; une branche en emporte $0{,}4$ A. Intensité dans l'autre branche sortante ?

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5

Loi des mailles

★☆☆

Un générateur de $9$ V alimente une LED ($2$ V) en série avec une résistance. Tension aux bornes de la résistance ?

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6

Résistance de protection

★★☆

Suite : la LED doit être traversée par $20$ mA. Valeur de la résistance ?

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7

Diviseur de tension

★☆☆

$E = 12$ V, $R_1 = 3$ k?, $R_2 = 1$ k?. Tension $U_2$ ?

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8

CTN chaude

★★☆

Avec le montage du cours, la CTN vaut $2$ k?. Tension $U_2$ ?

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9

Sens de variation

★★☆

Quand la température baisse, $U_2$ augmente-t-elle ou diminue-t-elle ?

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10

Photorésistance

★★☆

On remplace la CTN par une LDR. Comment évolue $U_2$ quand la lumière augmente ?

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11

Analogique ou logique

★☆☆

Classer : bouton-poussoir, CTN, capteur de fin de course, potentiomètre.

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13

Valeur lue

★★☆

Arduino ($10$ bits, $5$ V) lit une tension de $1{,}5$ V. Valeur numérique ?

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14

Valeur vers tension

★☆☆

Arduino lit $N = 820$. Tension correspondante ?

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15

Retrouver la résistance

★★★

Dans le montage du cours, $U_2 = 3$ V. Calculer la résistance de la CTN.

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16

Résolution suffisante

★★★

Un capteur donne $10$ mV/°C. Avec Arduino ($q \approx 4{,}9$ mV), quelle est la précision de mesure ?

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17

Puissance dissipée

★★☆

Puissance dissipée par une résistance de $100$ ? traversée par $0{,}1$ A ?

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18

Conditionnement

★★☆

Pourquoi faut-il souvent « conditionner » le signal d'un capteur ?

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19

Capteur de distance

★☆☆

Sur quel principe fonctionne un capteur de distance à ultrasons ?

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20

Vrai ou faux

★★☆

a) La résistance d'une CTN augmente avec la température. b) En parallèle, la résistance équivalente diminue. c) Un CAN de $8$ bits donne $256$ valeurs.

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