Cours de génie électrique

 

1. Courant alternatif VS Courant continu

2. Circuits linéaires en régime constant

2.1. Circuit RC série

2.2. Circuit RL série

2.3. Circuit RLC série

2.3.1. Régime critique

2.3.2. Régime apériodique (hypercritique)

2.3.3. Régime pseudo-périodique (oscillations amorties)

3. Circuits linéaires en régime forcé

3.1. Filtre passe bas passif

3.2. Filtre passe haut passif

3.3. Intégrateur et dérivateur

 

INTRODUCTION

Nous allons voir dans ce chapitre l'étude des circuits, montages, puces, et machines, émetteur/récepteurs que l'ingénieur doit savoir formaliser, analyser, comprendre, fabriquer et simuler à la suite de ses études. Pour cette raison, nous avons choisi sur ce site de nous concentrer sur des cas pratiques en donnant des exemples d'application dans la vie de tous les jours. Ensuite le formalisme mathématique sous forme classique ou complexe sera donné avec éventuellement les pièges et dangers du montage.

Nous traiterons ici dans l'électronique analogique, ensuite de l'électronique de puissance (électrotechnique), de l'électronique numérique ainsi de que la physique des semi-conducteurs pour bien comprendre les fondements de certains éléments.

Le génie électrique est donc une hiérarchie de modèles. C'est la seule façon d'aborder la conception de systèmes complexes. En principe, le fonctionnement de nombreux dispositifs peut certes toujours se ramener à l'application des équations de Maxwell (cf. chapitre d'Electrodynamique), mais cependant humainement impossible de comprendre la conception de certains systèmes en ce cantonnant à un niveau aussi théorique.

Il est alors d'usage dans l'industrie de hiérarchiser l'analyse en 5 niveaux:

N0. Physique du solide: Ce modèle est essentiel pour l'analyse des propriétés électriques et magnétiques de la matière. Il s'appuie sur les lois de la physique quantique et mène essentiellement à la description de bandes d'énergie et au calcul de leur degré d'occupation. Ce modèle explique par exemple les propriétés fondamentales des semi-conducteurs.

N1. Électromagnétisme: Ce modèle est essentiel poru l'analyse des dispositifs travaillant aux hyperfréquences et celle des dispositifs électromagnétiques. Il s'appuie sur les relations de Maxwell et fait appel à la théorie mathématique des équations aux dérivées partielles. Ce modèle ne permet plus d'analyse l'influence d'un atome car les objets étudiés sont à un niveau plus macroscopique, décrits pas leurs dimensions, leur permittivité, leur conductibilité, etc...

N2. Théorie des circuits: Ce modèle est essentiel pour l'analyse des dispositifs électroniques dans le cas très courant où les dimensions du dispositifs sont largement inférieurs à la longueur d'oone du phénomène étudié. Ce modèle s'appuie sur les lemmes de Kirchhoff et la définition d'une demi-douzaine d'éléments discrets, résistance, capacité, inductance, cours, etc... Il n'y a plus de géométrique dans un tel modèle mais seulement une topologie. On peut calculer le courant et la tension, grandeurs scalaires, alors que les champs n'ont plus de sens. Les techniques mathématiques sont celles des équations différentielles ordinaires, transformations de Laplace, calcul complexe et matriciel, etc...

N3. Schémas fonctionnels: A ce niveau, nous ne tenons plus compte de courants ou de tensions, in a fortiori de la géométrique du système. Celui-ci est constitué par la connexion de blocs remplissant des fonctions caractérisées par des relations entre grandeurs de sortie et d'entrée.

N4. Systèmes: A ce niveau, nous schématisons en bloc fonctionnel un ensemble de blocs du niveau 3. Un ordiateur est par exemple une interconnexion de différents systèmes logiques réalisant chacun une fonction particulière.

N5. Logiciel: A partir de ce niveau, l'ingénieur n'ajoute plus de dispositifs supplémentaires, ne les combine plus en des systèmes plus vastes, mail il programme la machine. Les méthodes théoriques se rapprochent alors plus souvent de la linguistique que de la mathématique.

 

 

COURANT ALTERNATIF VS COURANT CONTINU

Le lecteur va remarquer que tout au long de ce chapitre du site, nous allons principalement travailler avec du courant alternatif. Il nous semble important d'expliquer l'origine de cet attrait du monde industriel contemporain pour le courant alternatif avant d'aller plus loin.

Au fait, l'origine de cet attrait est relativement simple:

Quand des centrales électriques virent le jour, surtout dans les régions éloignées des centres urbains il fallut transporter l'énergie électrique produit sur des longues distances. Mais les câbles qui transportent l'électricité ont une certaine résistance et cela posa un problème majeur.

Effectivement, une ville moyenne peut largement avoir besoin d'une puissance d'environ 10 [MW]. Si cette quantité devait être transportée sous une tension modeste d'environ 100 [V], comme  (cf. chapitre d'Électrocinétique), le courant devait être énorme: 100'000 [A] !

Mais l'effet Joule dans le cuivre de 1 [cm] de diamètre a une résistance linéaire de . Avec un courant de 100'000 [A], la perte d'énergie par effet Joule serait d'environ (en négligeant la chute de potentiel):

  (1)

... on voit très vite le problème!

Au prix de, cela représentant un coût (perte) d'environ:

  (2)

humm.....!

Il n'y avait d'autre choix économique que de baisser le courant. En clair, si la tension atteignait  , la même puissance pourrait être transportée efficacement par 100 [A]. Ainsi, en élevant la tension par un facteur 1000, nous pouvons réduire le courant d'un facteur 1000 aussi, et donc la perte Joule par un facteur .

Comme il existait déjà un dispositif simple pour élever et abaisser la tension alternative (les transformateurs) sans aucun dispositif comparable pour la tension continue (du moins à l'époque), la course a été gagnée par les adeptes du courant alternatif.

Il faut rajouter également comme deuxième intérêt que certains composants électriques linéaires (voir plus loin) n'ont pas pas beaucoup d'intérêt en courant continu... nous y reviendrons!

Voyons un montage simple pour générer du courant alternatif monophasé:

  (3)

La tension (respectivement le courant) est déterminée par la loi de Faraday démontrée dans le chapitre d'Electrocinétique:

  (4)

qui donne donc la force électromotrice (ou tension dans le cas d'un générateur sans résistance...) induite.

Nous avons bien évidemment dans la situation ci-dessus si l'aimant est permanent et la longueur de la spire carrée est L :

  (5)

Nous voyons déjà que pour obtenir une certaine force électromotrice il sera préférable de jouer avec la fréquence de rotation plutôt qu'avec la surface ou l'intensité du champ magnétique... ou encore d'augmenter le nombre de spires par un montage permettant d'arriver à la relation suivants:

  (6)

Il convient d'indiquer pour les sceptiques qu'il y a bien conservation de l'énergie dans ce système! Effectivement, l'énergie nécessaire à faire tourner la spire sera celle en partie utilisée par le système (et c'est pourquoi les barrages font tourner des turbines avec de l'eau et les centrales nucléaires avec de la vapeur et les éoliennes avec du vent...).

Evidemment le cas inverse comme un courant alternatif injecté dans la spire la fera tourner dans le champ magnétique. Donc dans une situation nous avons un générateur électrique et dans le cas inverse un moteur électrique.

Il est possible avec un appareillage similaire de produit une tension continue à peu près fiable de la manière suivante appelée "dynamo":

  (7)

Le générateur simple donné en premier avec quelques aimants en fer à cheval produisant le champ magnétique était très utilisé au début de l'ère de la technologie électrique mais à des tensions élevées  (plusieurs [kV]) et des courants internes élevés aussi (plus de 50 [A]). Les balais métalliques et les bagues collectrices produisaient alors des étincelles et s'abîmaient relativement vite. Actuellement, cette machine à armature tournante n'est plus très utilisée.

Pour éviter les difficultés associées aux tensions dépassant environ 600 [V], nous faisons aujourd'hui tourner des électroaimants autour d'une armature immobile. Le courant qui alimente les électroaimants tournants (qui peuvent aussi être des aiments permanents), est relativement faible et il ne pose aucun problème au fonctionnement des bagues et balais. Cette configuration est appelée alors un "alternateur" (l'exemple le plus commun étant la vieille lampe à vélo abusivement appelée dynamo alors que ce n'est pas une!).

Avec des composants linéaires électriques il est aussi possible au besoin de redresser la tension (nous verrons cela beaucoup plus loin). Nous avons alors une dynamo!

 

 

CIRCUITS LINÉAIRES EN RÉGIME CONSTANT

Nous allons voir ici des circuits composés d'éléments simples comme une résistance, une capacité et une impédance. Ces circuits, dont l'équation représentative est une équation différentielle linéaire sont appelés "circuits linéaires". Par ailleurs, ils sont un excellent exemple pour voir la lourdeur des développements en utilisant des représentations mathématiques classiques à l'opposé d'une autre technique beaucoup plus souple et puissante.

CIRCUIT RC SÉRIE

Tout circuit possédant un condensateur possède également une résistance, ne serait-ce que celle des fils de connexion. De tels circuits RC série sont très courants et parfois d'une grande importance (stimulateur cardiaque par exemple). Effectivement, quand nous fermons un circuit qui ne contient que des résistances (circuit purement résistif), le courant monte à sa valeur nominale dans un temps extrêmement bref, de sorte que nous pouvons considérer que le courant et la tension sont constants avec une excelle approximation. Ainsi, la régime permanent s'établit après un régime transitoire très bref. Au contraire, dans un circuit RC série, tension et courant prennent un certain temps pour atteindre leurs valeurs nominales. Cette dépendance en fonction du temps a de multiples applications et permet de produire toute une gamme de signaux modulables dans le temps en fonction des besoins.

  (8)

Nous supposons qu'initialement le condensateur est chargé et qu'il ne circule aucun courant (interrupteur ouvert):

 et   (9)

Quand nous fermons l'interrupteur les électrons partent du condensateur C. Nous avons alors aux bornes de la résistance:

  (10)

aux bornes du condensateur:

  (11)

L'équation du circuit est alors:

  (12)

Soit:

  (13)

Equation différentielle triviale dont la solution est avec les conditions initiales:

  (14)

Soit:

  (15)

Le courant a alors la forme suivant:

  (16)

Il s'agit donc d'un système où le courant décroît exponentiellement et ce d'autant plus vite que le facteur RC appelé "constante de temps" est petit. Nous voyons ce genre de système lorsque la lumière à l'intérieur d'une voiture s'éteint document après fermeture des portes.

Lorsque l'on met ce régime sous une tension permanente , nous avons alors une équation de la forme:

  (17)

Une solution particulière évidente est alors:

  (18)

Nous avons alors la solution générale:

  (19)

soit pour le courant:

  (20)

Et pour la tension aux bornes du condensateur:

  (21)

ce qui représente donc la tension aux bornes du condensateur lors de la charge.

Ainsi, en posant   nous avons respectivement à la fermeture et ouverture du circuit:

  (22)

Etudions maintenant l'aspect énergétique qui est important en ingénierie puisque la consommation ou perte de puissance (rendement) est un facteur de vente important dans certaines applications!

Pour cela reprenons la relation:

  (23)

et multiplions par i:

  (24)

Ce que nous écrivons:

  (25)

Puisque:

  (26)

où nous voyons donc que dès que le régime transitoire de charge ou décharge est terminé, la tension aux bornes du condensateur étant nulle alors le courant est nul.

Nous avons alors:

  (27)

où le premier terme est la puissance fournie par le générateur au circuit, le second est le terme d'effet Joule et  le troisième est la puissance stockée dans le condensateur:

L'énergie fournie par le générateur se retrouve stockée dans le condensateur et dissipée par la résistance par effet Joule.

Ce qui est le plus important c'est de faire un bilan sur toute la durée de charge du condensateur pour signaler la puissance dissipée dans les caractéristique de vente (cela passe mieux que de mettre des équations...). Pour cela il suffit d'intégrer la relation précédente de 0 à l'infini pour obtenir l'énergie dissipée.

Le premier terme à gauche de l'égalité donne:

  (28)

Le second terme s'intègre en utilisant i(t):

  (29)

Le troisième terme s'intègre immédiatement puisque nous avons déjà la primitive:

  (30)

Nous obtenons finalement:

  (31)

Ainsi, pour des durées grandes, la moitié de l'énergie fournie par le générateur est dissipée par effet Joule et l'autre stockée dans le condensateur.

CIRCUIT RL SÉRIE

Considérons le circuit suivant:

  (32)

Quand nous fermons l'interrupteur nous avons alors aux bornes de la résistance:

  (33)

et aux bornes de l'inductance:

  (34)

et  aux bornes du générateur de tension continue.

L'équation du circuit est alors:

  (35)

Soit:

  (36)

En inversant:

  (37)

Faisons un changement de variable:

  (38)

Alors:

  (39)

Il vient alors après intégration:

  (40)

Multiplions les deux membres par -R, puis prenons l'exponentielle des deux membres:

  (41)

et:

  (42)

Alors:

  (43)

où nous avons la constante de temps définie par:

  (44)

Ainsi, à la fermeture de l'interrupteur, la courant croît de manière exponentielle avec une asymptote à la valeur . Donc contrairement à au circuit RC, le courant tend vers une valeur fixe non nulle lorsque t tend vers l'infini!!!

Nous avons donc:

  (45)

Etudions maintenant l'aspect énergétique qui est important en ingénierie puisque la consommation ou perte de puissance (rendement) est un facteur de vente important dans certaines applications! Comme pour le circuit RC, nous allons directement faire un bilan sur toute la durée du régime transitoire pour signaler la puissance dissipée dans les caractéristiques de vente (cela passe mieux que de mettre des équations...)

  (46)

Multiplions les termes de l'équation différentielle par i(t):

  (47)

Ce que nous écrivons:

  (48)

Pour calculer l'énergie dissipée, nous procédons de la même manière que pour le circuit RC série. Nous avons après intégration:

  (49)

soit:

  (50)

Contrairement au cas du circuit RC, nous ne pouvons intégrer ci-dessus avec les bornes données à cause du "1-" qui est devant l'exponentielle car celui-ci fait tendre la puissance consommée vers l'infini ce qui est logique, contrairement au circuit RC qui finit lui par se bloquer une fois la capacité chargée (le courant i tendant vers zéro très vite).

Donc soit, nous intégrons seulement jusqu'à un t temps limite suffisamment grand par rapport aux valeurs des éléments passifs (deux ou trois ), soit nous nous intéressons à titre purement indicatif à la valeur instantanée de la puissance. Nous avons alors:

  (51)

Et donc à la fin du régime transitoire quand :

  (52)

donc en régime stable la résistance est le seul élément dissipatif d'énergie dans le circuit et il suffit de multiplier alors la puissance dissipée par l'intervalle de temps désirée pour avoir une estimation de l'énergie dissipée.

CIRCUIT RLC SÉRIE

Un fil électrique (une antenne par exemple) n'est pas un conducteur parfait. En réalité il peut être assimilé à une résistance, une capacité et une inductance interne en série. Si prenons le cas par exemple des générateurs, souvent on ne considère que la résistance interne comme non négligeable et celle-ci fait bien évidemment diminuer la tension nominale du générateur d'un facteur en première approximation proportionnel au courant qui le traverse.

Pour étudier le comportement d'un tel élément souvent appelé "circuit RLC" nous le représentons d'abord sous la forme suivante:

  (53)

Nous supposons qu'initialement le condensateur est chargé et qu'il ne circule aucun courant (interrupteur ouvert):

 et   (54)

Quand nous fermons l'interrupteur les électrons partent du condensateur C. Nous avons alors aux bornes de la résistance:

  (55)

aux bornes du condensateur:

  (56)

aux bornes de la bobine:

  (57)

La somme des différences de potentiel du circuit est égale à la différence de potentiel initiale d'où:

  (58)

ou autrement écrit:

  (59)

Il s'agit d'une équation différentielle linéaire du second ordre. Pour la résoudre il faut chercher les racines de l'équation caractéristique associée (cf. chapitre de Calcul Différentiel et Intégral):

  (60)

Celle-ci a pour discriminant:

  (61)

La valeur de la résistance pour laquelle ce discriminant est nul est appelée "résistance critique":

  (62)

Nous pouvons ceci dit écrire le discriminant sous la forme suivante:

  (63)

Les solutions de l'équation différentielle sont différentes selon le nombre et le type des racines de l'équation caractéristique.

RÉGIME CRITIQUE

Il s'agit du cas où . L'équation caractéristique admet alors une racine double réelle puisque:

  (64)

Nous avons alors:

  (65)

avec:

  (66)

L'équation différentielle admet alors une solution du type suivant lorsque le discriminant est nul (cf. chapitre de Calcul Différentiel et Intégral):

  (67)

en omettant le retard.

Ce qui donne pour l'intensité:

  (68)

Les constantes sont définies par les conditions initiales:

  (69)

Nous obtenons donc pour la solution globale:

  (70)

Les figures suivantes illustrent l'allure de l'évolution temporelle de la charge du condensateur et de l'intensité au travers de l'inductance. L'intensité est maximale pour  :

  (71)

 

RÉGIME APÉRIODIQUE (OU HYPERCRITIQUE)

Il s'agit du cas où . L'équation caractéristique admet alors deux racines réelles distinctes:

  (72)

Soit:

  (73)

Les deux racines sont de même signe car en utilisant les relations de Viète (cf. chapitre de Calcul Algébrique) nous avons:

  (74)

Les deux racines sont donc obligatoirement négatives. Nous notons leurs valeurs absolues:

Ces deux racines sont donc négatives. Nous notons leurs valeurs absolues :

  (75)

qui vérifie donc:

  (76)

Nous avons vu dans le chapitre de Calcul Différentiel Et Intégral qu'à ce moment la solution (sans déphasage) est de la forme:

  (77)

Ce qui donne pour l'intensité:

  (78)

Les constantes A et B sont définies par les conditions initiales:

  (79)

Ce qui nous donne:

  (80)

Soit sous forme conventionnelle:

  (81)

Soit en reportant dans les expressions de la charge et de l'intensité:

  (82)

Les figures suivantes illustrent l'évolution temporelle de ces fonctions (se rappeler que les racines sont négatives!).

 
  (83)

RÉGIME PSEUDO-PÉRIODIQUE (OU DES OSCILLATIONS AMORTIES)

Il s'agit du cas où . L'équation caractéristique admet alors deux racines complexes conjuguées:

  (84)

qui sont assimilées à la résistance du circuit. Nous l'appelons "impédance complexe".

Nous allons voir que contrairement à l'intuition de l'époque, les racines complexes ont une signification physique réelle.

Notons pour cela  et  les valeurs absolues des parties réelle et imaginaires de ces racines:

  (85)

avec:

  (86)

et:

  (87)

Nous avons vu dans le chapitre de Calcul Différentiel et Intégral que la solution de l'équation différentielle s'écrit alors:

  (88)

Ce qui nous donne pour l'intensité:

  (89)

Les constantes C' et  sont déterminées par les conditions initiales:

  (90)

Ce qui nous donne:

  et     (91)

Soit:

  et     (92)

Soit en reportant dans les expressions de la charge q et du courant i:

  (93)

et:

  (94)

D'abord nous avons:

  (95)

d'où:

  (96)

Ce qui nous donne:

  (97)

Or, nous avons:

  (98)

et:

  (99)

Nous avons alors:

  (100)

  (101)

où:

  (102)

est le "facteur d'amortissement". Si nous voulons avoir de belles oscillations peu amorties, il y a intérêt à avoir ce terme le plus petit possible donc une valeur de R petite.

Lorsque R est nul nous avons alors:

  (103)

avec donc:

  (104)

Soit une période de:

  (105)

Il faut donc jouer alors avec C ou L pour obtenir la période désirée dans le cas où la résistance est nulle. Signalons également que cette situation particulière est appelée "oscillateur harmonique".

Enfin, de par les résultats obtenus nous avons donc la généralisation des circuits RC, RL ou LC série.

Maintenant, supposons que dans le circuit nous posions une alimentation continue en série dans le circuit. Nous avons alors:

  (106)

L'équation différentielle linéaire à coefficients constants à maintenant un seconde membre (constant dans ce cas). Nous trouvons alors immédiatement une solution particulière qu'il suffit ensuite d'ajouter à toutes les solutions que nous avons obtenues précédemment.

Une solution particulière est donc:

  (107)

Donc:

  (108)

Soit:

  (109)

Cette solution particulière qui est à ajouter aux solutions précédentes, n'a aucune influence sur les équations du courant (sa dérivée étant nulle). Par contre, elle décale sur les graphiques le tracé de q(t) vers le haut. Voilà donc l'effet qu'il y a à rajouter une source de tension constante (comme une simple pile par exemple).

CIRCUITS LINÉAIRES EN RÉGIME FORCÉ

L'objectif sera pour commencer, d'étudier le comportement d'un circuit linéaire RLC série excité par un générateur de tension sinusoïdale puisqu'il est une généralisation des circuits RL ou RC (il suffit d'annuler L ou C respectivement pour tomber sur les solutions d'un circuit RC ou RL).

Nous avons alors:

  (110)

Nous pourrions très bien rajouter un déphasage au terme sinus à droite de l'égalité (arbitraire de phase). Cela ne changerait rien aux développements qui vont suivre et rappelons aussi que le cosinus n'est qu'un sinus avec un déphasage bien précis!

Enfin, le plus important, c'est que si nous trouvons une solution particulière à l'E.D. ci-dessus, alors puisque l'amplitude et la pulsation peuvent prendre n'importe quelle valeur à un déphasage arbitraire près alors nous avons donc une infinité de solutions particulières. Et comme nous avons démontré lors de notre étude des équations différentielles que la somme de solutions particulières est aussi solution alors cela signifie qu'une excitation obtenu avec une série de Fourier aura aussi une solution et en passant à la limite nous avons une transformée de Fourier!

Donc passons à notre étude. Pour cela, dérivons cette relation par rapport à t:

  (111)

Cherchons alors une solution particulière de la forme:

  (112)

Nous remarquons que cette proposition de solution est en tout point identique à la fondamentale d'une série de Fourier dont le terme  est nul (qui est la moyenne du signal ou la composante continue si elle existe)!

Puis injectons ces relations dans:

  (113)

en regroupant les termes trigonométriques de même nature:

  (114)

Ce qui est équivalent à:

  (115)

d'où en identifiant les termes:

  (116)

Nous pouvons factoriser:

  (117)

Et en simplifiant par :

  (118)

et en changeant de signe la deuxième ligne:

  (119)

Il s'agit donc d'un système de deux équations à deux inconnues a, b que nous résolvons en posant:

  (120)

Ce qui nous donne immédiatement:

  (121)

d'où:

  (122)

et donc:

  (123)

Nous posons de plus traditionnellement que:

  (124)

Ce qui donne la solution particulière suivante:

  (125)

à l'arbitraire de phase près.

Il est possible de trouver  tel que:

  (126)

Ou autrement écrit (ainsi on voit mieux qu'on balaie toues les valeurs possibles hors singularités):

  (127)

Nous avons alors en utilisant les relations trigonométriques remarquables (cf. chapitre de Trigonométrie):

  (128)

 est donc la phase du courant, soit l'avance ou le retard du courant sur la tension. Si   alors nous avons:

  (129)

et donc:

  (130)

nous disons alors qu'il y a résonance du circuit avec donc:

  (131)

FILTRE PASSE-BAS PASSIF

Considérons le cas où L est nul. Nous avons alors:

  (132)

Donc:

  (133)

D'où:

  (134)

Soit:

  (135)

Nous avons alors aux bornes du condensateur:

  (136)

Nous voyons donc que la tension aux bornes du condensateur fait office de ce que nous appelons un "filtre passe-bas". C'est-à-dire que l'amplitude de la tension aux bornes du condensateur par rapport à la tension d'excitation du circuit sera amoindrie et ce d'autant plus que la fréquence sera grande.

Ce genre d'outil est très pratique pour par exemple éliminer les harmoniques à haute fréquence d'un signal périodique obtenu par série de Fourier ou pour nettoyer un bruit à haute fréquence. On peut également utiliser des filtres passe-bas en cascade afin de réaliser des analyseurs de spectre.

Voici le tracé du facteur:

  (137)

Nous voyons bien qu'aux basses fréquences (à gauche) l'amplitude est conservée (le filtre passe-bas laisse donc passer les basses fréquences). Au-delà le signal est coupé.

Le rapport:

  (138)

est souvent exprimé en décibels soit par définition en utilisant la mesure:

  (139)

et porte alors le nom de "fonction de transfert" du filtre.

FILTRE PASSE-HAUT PASSIF

Pour ce qui est de la tension aux bornes de la résistance, nous avons:

  (140)

ce qui est traditionnellement remanié sous la forme suivante:

  (141)

Nous voyons donc que la tension aux bornes de la résistance fait office de ce que nous appelons un "filtre passe-haut". C'est-à-dire que l'amplitude de la tension aux bornes de la résistance par rapport à la tension d'excitation du circuit sera amoindrie et ce d'autant plus que la fréquence sera faible.

Voici le tracé du facteur:

  (142)

Nous voyons bien qu'aux basses fréquences (à droite) l'amplitude est conservée (le filtre passe-haut  laisse donc passer les hautes fréquences). Au-delà le signal est coupé.

Le rapport:

  (143)

est souvent exprimé en décibels soit par définition en utilisant la mesure:

  (144)

et porte alors aussi le nom de "fonction de transfert" du filtre.

Avec différents types de filtres assemblés nous pouvons ainsi supprimer (mais jamais complètement) des plages de fréquences. Nous parlons alors de filtre coupe-bandes. C'est la technique utilisé par exemple pour la réception d'une certaine radio ou chaîne de télévision se trouvant dans une plage de fréquence bien précise. Ou encore en musique électronique pour atténuer sons graves ou aigus. Ou encore pour séparer le signal ADSL ou Voix d'une ligne téléphonique.

Un filtre passif se caractérise DONC par l'usage exclusif de composants passifs linéaires (résistances, condensateurs, bobines couplées ou non). Par conséquent, leur gain (rapport de puissance entre la sortie et l'entrée) ne peut excéder l'unité. Ils ne peuvent donc qu'atténuer en partie des signaux, mais pas les amplifier car cela nécessiterait un apport d'énergie (ce qui est le rôle des "filtres actifs").

INTÉGRATEUR ET DÉRIVATEUR

Nous avons donc aux bornes du condensateur:

  (145)

Maintenant, si , nous avons:

  (146)

Si nous faisons en sorte que  nous devons avoir:

  (147)

Soit:

  (148)

Dès lors:

  (149)

Le circuit est alors ce que nous appelons assez logiquement... un "intégrateur".

Regardons maintenant du côté de la résistance:

  (150)

Or, nous avons:

  (151)

Donc:

  (152)

Comme:

  (153)

Nous avons alors:

  (154)

Si  alors:

  (155)

Si nous nous arrangeons pour avoir:

  (156)

alors:

  (157)

Le circuit est alors ce que nous appelons assez logiquement.... un "dérivateur".

L'utilité d'un circuit intégrateur est par exemple de transformer un signal périodique en une constante (puisque la moyenne temporelle d'un signal périodique ayant un offset ne sera jamais nulle).

Sécurité électrique

07/05/2012

vincio-formation

Le courant électrique est dangereux à partir de 10 mA. Ceci vient du fait que la fréquence utilisée (50Hz) provoque des excitations musculaires violentes pouvant entraîner la tétanisation.

L'habilitation est la reconnaissance, par son employeur, de la capacité d'une personne à accomplir en sécurité les tâches fixées.
Le titre d'habilitation comporte une codification symbolique formée de lettres et de chiffres.
La première lettre indique le domaine de tension: B (BT et TBT), H (HT).
Le chiffre indique la qualité de la personne : 0 (non électricien), 1 (exécutant électricien), 2 (chargé de travaux électriques).
La deuxième lettre précise la nature des opérations pouvant être réalisées: V (travail au voisinage), N (nettoyage sous tension), T (travail sous tension), C (chargé de consignation), R (chargé d'interventions en BT).

Exemples:
B1V : exécutant électricien avec travail au voisinage en BT
BC : chargé de consignation en BT

Toutes les habilitations doivent être précédées d'une formation aux risques électriques. L'habilitation doit être révisée en cas de changement de fonction, d'entreprise ou de restriction médicale.

 

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 Habilitations du domaine BT 

B0 - B0V (Exécutant non électricien)
Une personne habilitée B0 peut accéder (en étant désignée et non de sa propre initiative), sans surveillance, aux locaux d'accès réservés aux électriciens et effectuer et diriger des travaux d'ordre non électrique. Elle peut effectuer des manoeuvres permises. Elle peut remplacer un fusible, à condition qu'il n'y ait pas de risque de contact direct ou de projections de particules. Une personne habilitée B0V peut effectuer les mêmes tâches au voisinage de pièces nues sous tension.

B1 - B1V (Exécutant électricien)
Une personne habilitée B1 est un exécutant électricien qui agit toujours sur instructions verbales ou écrites et veille à sa propre sécurité. Elle peut effectuer des travaux et des manoeuvres hors voisinage de pièce nues sous tension. Elle peut effectuer des manoeuvres de consignations commandées par un chargé de consignation. Elle peut effectuer, sur instruction, des mesures d'intensité à la pince ampère métrique. Cette habilitation entraîne celle d'indice 0. Une personne habilitée B1V peut effectuer les mêmes tâches au voisinage de pièces nues sous tension.

B2 - B2V (Chargé de travaux)
Une personne habilitée B2 assure la direction effective des travaux et prends les mesures nécessaires pour assurer sa propre sécurité et celle du personnel placé sous ses ordres. Elle doit veiller à l'application de ces mesures. Elle peut recevoir une attestation deconsignation et la signer. Cette habilitation entraîne celles d'indice 0 et d'indice 1. Une personne habilitée B2V peut effectuer les mêmes tâches au voisinage de pièces nues sous tension.

BC (Chargé de consignation)
Une personne habilitée BC effectue ou fait effectuer la consignation électrique et prend les mesures de sécurité correspondante. Elle doit avoir l'accord du chargé d'exploitation ou du chef d'établissement. Elle exécute soit les quatre étapes de la consignation, soit seulement les deux premières. Cette seule habilitation ne permet pas d'exercer les fonctions de surveillant de sécurité électrique.

BR (Chargé d'intervention)
Une personne habilitée BR assure des interventions (dépannage, connexion avec présence de tension, essais et mesurages). Elle peut travailler seule ou avoir des électriciens sous ses ordres. Elle peut consigner une partie d'installation pour son propre compte ou pour un tiers sous ses ordres. Elle peut recevoir une attestation de consignation et la signer. Cette habilitation entraîne celle d'indice 0 et d'indice 1.

Un surveillant de sécurité électrique doit avoir une connaissance approfondie en matière de sécurité électrique. Il possède une habilitation d'indice 0, 1 ou 2 ou une habilitation BR.

La personne habilitée est responsable du port de ses équipements de protection individuelle (EPI).

L'habilitation de type T (travail sous tension) doit être révisée chaque année par l'employeur à l'issue d'une visite médicale.

 

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 Titre d'habilitation 

Un titre d'habilitation doit comporter :

• les renseignements d'identité de l'employeur et sa signature,
• les renseignements d'identité du titulaire et sa signature,
• l'indication de la date de délivrance de l'habilitation,
• la durée de validité de l'habilitation.

 

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 La consignation électrique 

Pour effectuer des travaux ou des interventions hors tension sur un ouvrage en exploitation, il faut procéder à la consignation c'est à dire effectuer les quatre opérations suivantes:

1. séparation de l'ouvrage des sources de tension (ouverture d'un interrupteur, d'un disjoncteur, d'un sectionneur...) . La séparation doit porter sur tous les conducteurs actifs. Attention:  Un sectionneur ne doit jamais être manoeuvré en charge (faible pouvoir de coupure).

2. condamnation des organes de séparation en position d'ouverture (pancarte d'interdiction de manoeuvre, cadenas...)

3. identification de l'ouvrage mis hors tension. Cette opération a pour but d'être certain que la zone de travail est bien située sur l'ouvrage mis hors tension (étude des schémas, des plans...)

 

4. vérification de l'absence de tension puis mise à la terre et en court-circuit

 Les deux premières opérations (séparation, condamnation) sont toujours réalisées par le chargé de consignation BC ou HC. Les deux opérations suivantes (identification, VAT+MALT+CCT) peuvent être réalisées par le chargé de travaux B2 ou H2 : c'est la consignation en deux étapes. Le chargé de travaux doit lire attentivement l'attestation, la dater, la signer, la compléter et en remettre un double au chargé de consignation.

 

Consignation pour travaux		Consignation en deux étapes

La consignation donne lieu à un échange de document du type:

 

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 Condamnation 

La condamnation par immobilisation de l'organe de séparation
est obligatoire en BTB et HT.

Dans les autres cas, la condamnation peut être réalisée par une signalisation (pancarte).

La suppression d'une condamnation est faite par la personne qui a procédé à la condamnation ou par un remplaçant désigné.

 

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 VAT 

Le bon fonctionnement d'un vérificateur d'absence de tension (VAT)
doit être contrôlé avant et après son utilisation.

La vérification d'absence de tension sur tous les conducteurs actifs (neutre compris) est obligatoire avant toute opération sur une installation qui a été mise hors tension. En effet, un disjoncteur (ou un interrupteur) peut avoir été soumis à des arcs électriques importants lors d'ouvertures précédentes: les pôles peuvent rester soudés ou avoir une mauvaise résistance d'isolement à cause de la métallisation des chambres de coupure.

 

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 MALT et CCT 

Cette opération permet de se prémunir contre les risques dus aux tensions induites, aux condensateurs chargés, aux ré alimentations éventuelles.

La mise à la terre (MALT) et en court-circuit (CCT)
est facultative sur les installations en BTA.

Elle est obligatoire sur un long câble BTA en BTB et en HT.

Le raccordement se fait aux points de séparation de l'ouvrage concerné et au plus près de la zone de travail. Le raccordement se fait d'abord sur le circuit de terre, puis sur tous les conducteurs actifs (neutre compris), au plus près de la zone de travail.

 

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 SEUILS DE COURANT DANGEREUX 

Des études menées dans le monde entier sur des animaux et dont les résultats ont été extrapolés à l'homme, ont permis pour des courants alternatifs (15 Hz à100 Hz) de fixer des valeurs d'intensité points de repères ou seuils. Ces résultats d'expérience ont permis à la commission électrotechnique internationale (C.E.I.) d'établir les courbes précisant, en fonction du temps, les zones correspondant aux différents effets physiopathologiques résultant du passage du courant et, en particulier, indiquant les seuils de courant dangereux.

 

INTENSITÉ DU COURANT	EFFETS SUR LE CORPS HUMAIN
1 mA	Perception cutanée
5 mA	Secousse électrique
10 mA	Contracture (incapacité de lâcher prise)
30 mA pendant 3 min	tétanisation des muscles
40 mA pendant 5 s ou 80 mA pendant 1 s	Fibrillation ventriculaire
2000 mA	Inhibition des centres nerveux

Notes:
- la tétanisation est une paralysie des muscles. Le sujet peut succomber par asphyxie du fait du blocage de sa cage thoracique.
- la fibrillation ventriculaire est la contraction anarchique du muscle cardiaque. Elle ne cède jamais spontanément, mais seulement grâce à des contre-chocs électriques appliqués par un défibrillateur. Le risque de fibrillation maximal se situe entre 80 mA et 3 A. Ceci explique qu' une intensité de 300 mA entraîne la mort, alors que la survie est possible pour 10 A !

La résistance du corps humain varie en fonction de l'état de la peau (sèche, humide, mouillée) et de la tension de contact. la résistance du milieu interne est relativement fixe (autour de 700 ohms).

Contact direct (contact avec un conducteur actif)

Contact indirect (contact avec une masse à un potentiel)

En cas d'accident d'origine électrique, il faut commencer par couper le courant, puis secourir la victime et alerter les secours (SAMU n°15, POMPIERS n°18).

En cas de court-circuit, il y a risque de brûlures, de projections de particules, d'inhalation de gaz nocifs.

 

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 Domaines de tension 

Domaines de tension		Valeur de la tension Un en volts
		en courant alternatif	en courant continu
Très basse tension TBT		Un <= 50v	Un <= 120v
Basse tension	BTA	50v < Un <= 500v	120v < Un <= 750v
	BTB	500v < Un <= 1 000v	750v < Un <= 1 500v
Haute tension	HTA	1 000v < Un <= 50 000v	1 500v < Un <= 75 000v
	HTB	Un > 50 000v	Un > 75 000v

 

Le courant électrique alternatif est dangereux à partir d'une tension de:
- 50 V en milieu sec,
- 25 V sur un chantier extérieur ou dans une enceinte conductrice exiguë,
- 12 V en milieu immergé.

Sur un chantier, les outils électriques alimentés en 230 V doivent être branchés en aval d'un dispositif différentiel de sensibilité 30 mA.

En cas d'orage, il faut arrêter les travaux sur un ouvrage alimenté par un réseau aérien ou raccordé à celui-ci.

 

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 TBT 

La Très Basse Tension se divise en 3 catégories:

- la TBTS (très basse tension de sécurité)
qui correspond à une isolation double avec parties actives isolées de la terre.
Les circuits TBTS doivent emprunter des canalisations distinctes.
L'emploi de la TBTS est obligatoire dans une enceinte conductrice exiguë.

- la TBTP (très basse tension de protection)
qui correspond à une isolation renforcée avec des parties actives reliées à la terre.
L'isolation renforcée est une isolation unique assurant une protection contre les chocs électriques
équivalente à celle procurée par une double isolation. 

- la TBTF ( très basse tension fonctionnelle)
qui ne correspond à aucun des cas précédents.

 

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 Classes d'isolation électrique 

 

Classes	Caractéristiques	Symboles
0	Isolation fonctionnelle sans mise à la terre
I	Isolation fonctionnelle avec mise à la terre
II	Double isolation
III	TBT

 

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 Zones d'environnement 

 

Dans un local d'accès réservé aux électriciens, on distingue 4 zones:

• zone 1: c'est la zone qui s'étend au delà de la limite de voisinage
• zone 2: c'est la zone de voisinage du domaine HT
• zone 3: c'est la zone comprise entre les pièces nues sous tension et la distance minimale d'approche (DMA) du domaine HT. La DMA est la distance à partir de laquelle il y a risque d'amorçage.
• zone 4: c'est la zone de voisinage ou de travail sous tension du domaine BT (distance inférieure à 30 cm à partir de pièces nues sous tension). Tout matériel correspondant au degré de protection IP2X ne doit pas être considéré comme pièce nue sous tension.

Un matériel classé IP 2X est protégé contre l'introduction d'objets d'un diamètre supérieur à 12,5mm.

La DMA (distance minimale d'approche) peut être déterminée en HTB par la relation suivante:
DMA(m) = 0,005 U(kV) + 0,5
par exemple, pour 150 kV, on obtient 0,005 x 150 = 0,75 m, ce qui donne, arrondi au dm le plus proche 0,8 m, auquel on rajoute 0,5 m, d'où DMA = 1,3 m.

La réglementation n'exige pas la fermeture à clef des locaux BT.

Pour des lignes aériennes en conducteurs nus, les distances de voisinage sont de 3 m en dessous de 50 kV et 5 m au dessus de 50 kV.

Pour les lignes aériennes isolées, la distance de voisinage est de 30 cm si les travaux sont exécutés avec moyens mécaniques.

Pour les canalisations enterrées, la distance de voisinage est de 1,5 m. Une canalisation électrique souterraine se reconnaît par le grillage rouge placé au dessus d'elle (au minimum à 10 cm) et aux indications données par l'exploitant.

Couleurs des grillages de signalisation et des conduits de protection:

Électricité	ROUGE
Eau	BLEU
Télécommunications	VERT
Gaz	JAUNE

 

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 Les équipements de protection individuelle (EPI) 

Ils sont obligatoires pour les travaux au voisinage et les travaux sous tension.  

Utiliserdes gants isolantset un casque isolant

 

Les lunettes anti - UV sont interdites

Pour la protection de l'oeil,utiliser des écrans faciauxanti - UV

 

Porter des vêtements de protection, des chaussures isolantes et ne pas porter d'objets personnels métalliques (bracelet, chaîne...).

Signaler un mauvais état éventuel des EPI au Chargé de Travaux.

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 Les équipements individuels de sécurité (EIS) 

 

Utiliserun tapis isolant etdes outils isolants

 

Utilisercadenasetétiquettes de consignation

 

UtiliserVATet dispositifs deMALT et CCT

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 Les équipements collectifs de sécurité (ECS) 

Utiliser les écrans de protection(nappe isolante, tôle épaisse mise à la terre...)

 

Délimiter l'emplacement de travail par un balisage et une pancarte d'avertissement de travaux (responsabilité du BR ou du B2).Ce balisage est obligatoire dans le cas où l'intervenant ne sert pas lui-même d'écran de protection.

 

Utiliser des baladeuses conformes à la réglementation

 

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 Travaux et interventions 

Travaux	Interventions
Les travaux ont pour but: de réaliser, de modifier, d'entretenir, de réparer un ouvrage électrique. Ils font l'objet d'une étude préalable générale, ou au coup par coup, définissant la succession des opérations et les consignes de sécurité. Pour participer à un travail, il faut être habilité et désigné.	Les interventions sont des opérations de courte durée et n'intéressant qu'une faible étendue d'un ouvrage. Elles font l'objet d'une analyse sur place. Elles sont limitées aux domaines TBT et BT. Une intervention de dépannage a pour but de remédier rapidement à un défaut susceptible de nuire à la sécurité des personnes, à la conservation des biens, au bon fonctionnement d'un équipement.

Une intervention de dépannage (BR) comprend 3 étapes:

ÉTAPE 1: recherche et localisation des défauts, habituellement en présence de tension.

ÉTAPE 2 : élimination du défaut, suivant les modalités des travaux hors tension.

ÉTAPE 3 : réglage et vérification du fonctionnement habituellement en présence de tension. 

Le BR remet l'équipement à la disposition de l'exploitant et l'avise du dépannage définitif ou provisoire, avec ou sans limitation d'emploi.

 

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 UTE C 18 510 

Le document qui contient les instructions relatives à la sécurité est le recueil des prescriptions UTE C 18 510.

 

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 Règles d'intervention 

Rappel: les interventions sont limitées aux domaines TBT et BT et sont faites par une personne habilitée BR. 

Il est interdit d'isoler la masse d'un oscilloscope de classe 1 de la terre générale, en déconnectant sa prise de terre, ou en utilisant un transformateur de séparation.

 

Utiliserdessondes isoléesde courantou de tension

Avant d'ouvrir le secondaire d'un transformateur de courant en service, il faut soit consigner le circuit sur lequel il est monté, soit mettre en court-circuit son secondaire.

Avant d'ouvrir un circuit principal de mise à la terre des masses, il faut le shunter provisoirement et soigneusement pendant toute la durée des opérations.

La mise en place ou le retrait de pont électrique entre deux bornes de même polarité ne peut se faire que pour des courants présumés inférieurs à 50 A. Cette opération (autorisée en TBT et BTA uniquement) s'effectue à l'aide d'un cordon avec fusible intégré, de pouvoir de coupure minimal 50 kA.

 

Avant d'intervenir sur un circuit (connexions et déconnexions en TBT et BTA ), en présence de tension, il faut s'assurer de la présence d'une protection contre les surintensités en amont et vérifier la section des conducteurs (maximum de 6mm² pour les circuits de puissance, 10mm² pour les circuits de contrôle et de mesurage), afin de limiter les conséquences d'un court-circuit.

De nombreux variateurs de vitesse électroniques possèdent une tension résiduelle, même lorsqu'ils sont hors tension (condensateurs chargés). Il faut attendre quelques minutes après coupure du courant pour pouvoir intervenir en sécurité (consulter la notice technique de l'appareil). Les onduleurs autonomes des équipements informatiques présentent des risques du même type, du fait de la présence d'une batterie d'accumulateurs interne.

SECURITÉ ÉLECTRIQUE

Nous abordons là, un chapitre qu'il est important de connaître : la sécurité électrique. Car l'électricité n'est pas à manipuler n'importe comment. Nous verrons donc les dangers de l'électricité, les protections existantes, et les normes à respecter...
D'abord, entendons-nous bien sur ces termes :
Etre électrisé, c'est lorsque l'on a pris "un coup de jus", "une châtaigne". C'est lorsque du courant nous a traversés, mais sans danger. Au pire, ça pique, et l'on est en état de choc.
Etre électrocuté, c'est également lorsque du courant nous a traversés, mais là, c'est plus grave : brûlures, voire arrêt cardiaque :
- Les dangers de l'électricité
- Phase, Neutre et Terre
- Comment se protéger
- A retenir
- A voir

Les dangers de l'électricité

Entendons-nous bien sur le fait que dans l'électronique, il y a peu de risque au niveau du montage lui-même: les tensions misent en jeu étant faibles (quelques volts), et le courant (quelques mA, voire centaines de mA) étant également faible, le seul vrai risque est de griller des composants (en cas de courts-circuits par exemple).
Le danger provient de l'étage d'alimentation, si le montage est alimenté par le secteur (110V ou 230V) ou même par une batterie d'assez haute tension (12V ou 24V). Eventuellement, il peu y avoir un danger en sortie du montage, si l'on à affaire un système de puissance (pouvant débiter quelques ampères).
D'abord, il faut savoir que nos muscles (coeur y compris) se mettent ou non en fonctionnement en fonction d'un message nerveux envoyé par le cerveau. Ce message nerveux n'est ni plus ni moins qu'un signal électrique, dont l'intensité est très faible. (c'est ce courant électrique que l'on capte par des électrodes, pour vérifier l'activité cardiaque ou cérébrale).
Donc, si l'on soumet le corps humain à une tension électrique, il est parcouru par un courant (sous certaines conditions -généralement réalisées-). Ce courant va donc agir sur les muscles, exactement comme le fait le message nerveux.
Résultat: les muscles vitaux (coeur, muscles respiratoires) vont se contracter, et se bloquer (on parle de tétanisation) Si cette contraction est trop forte et trop longue, le muscle ne retrouvera pas seul sa mobilité: on parle de fibrillation.
Evidement, vous allez me dire qu'il suffit de se retirer du danger, mais ce n'est pas si évident : Imaginons que quelqu'un pose la main sur un fil électrique (non protégé, bien sûr, et dans lequel circule un courant assez important). Les muscles de la main aussi vont se contracter, refermant la main sur le fil électrique... Et la personne est alors bloquée sur le fil...
Même sans risque vital, l'électricité présente d'autre danger, tel que des brûlures. En effet, rappelez-vous que de l'électricité traversant un conducteur (un corps humain étant un conducteur) provoque de la chaleur. C'est l'effet thermique de l'électricité. Cet effet thermique peut provoquer des brûlures, qui peuvent entraîner des lésions plus ou moins graves.

Pourquoi les oiseaux, sur les fils électriques, ne sont-il pas électrocutés ?
Réponscce: parce qu'ils sont isolés du sol !
En effet, regardez les oiseaux sur les câbles électriques haute tension : la patte de gauche est sur le câble, et est donc à la tension électrique de ce câble (400000V en France). La patte droite est sur ce même fil électrique, et est donc à la même tension (400000V). Différence de tension entre les deux pattes: 400000 - 400000 = 0 V ! Donc, le p'tit oiseaux n'est pas électrocuté. Par contre, s'il venait à touche le pylône de son aile, alors là, il aurait mal: le pylône, étant relié à la terre, est à 0V. Donc, 400000V dans les pattes et 0V sur l'aile, ça fait 400000V de différence ! Aïe !
Et comment les électriciens font-ils pour se protéger lorsqu'ils travaillent sur des lignes à haute tension ?
1. Ils sont isolés du sol : soit parce qu'ils sont dans des nacelles, accrochés au câble électrique (on se trouve alors dans le cas du p'tit oiseaux), soit parce qu'ils sont dans la nacelle d'un camion, et que ce camion est isolé du sol par... ses pneus !
2. Ils portent une combinaison, non pas isolante, mais au contraire très conductrice ! Ainsi, si du courant doit passer, il passera par la combinaison, bien moins résistante que le corps humain.
Comment estimer le danger du courant ?
Plus l'intensité qui traverse le corps humain est importante, plus le temps, d'exposition doit être court. En traçant des courbes, on obtient ceci (issu de la CEI -Commission Electrotechnique Internationale-) :

 

On a alors 5 zones de risques:
Zone 1 : Pas de danger, on ne sent même pas le courant nous traverser
Zone 2 : Zone de contraction musculaire (tétanisation). Bien que cela semble sans risque, cela peut provoquer une chute de la personne, avec toutes les conséquences...
Zone 3 : Paralysie respiratoire. Sans secours rapide (respiration artificielle), l'accidenté risque la mort par asphyxie [Formez-vous aux premiers secours: suivez la formation AFPS, vous pourrez peut-être sauver un proche un jour...]
Zone 4 : Zone de fibrillation cardiaque. Irréversible et entraîne la mort dans 50% des cas !
Zone 5 : Arrêt cardiaque. Nécessite un massage cardiaque et l'intervention de secouristes professionnels dotés d'un défibrillateur
En fonction de quel paramètre varie le courant traversant le corps humain ?
Beaucoup ! Car si la formule I = U / R s'applique ici aussi (avec R la résistance du corps humain), R varie en fonction de beaucoup de paramètres tels que le type de peau (sèche, humide etc.), l'humidité ambiante, ou même la tension à laquelle est soumis le corps humain ! Si, si, la résistance du corps humain varie aussi en fonction de la tension ! Il a même été établi la courbe suivante:

 

Il a finalement été établi 3 tensions de sécurités :
12V (environnement immergé tels que piscine, salles de bains...)
25V (environnements humides tels l'extérieur, les chantiers etc.)
50V (environnements secs, tels que des bureaux).
Si vous ne parvenez pas à retenir ces tensions, retenez au moins la valeur de 12V pour des environnements immergés. Vous n'aurez plus qu'à multiplier ensuite par deux (vous obtenez 24V, soit proche de 25V) pour des environnements humides, et encore par deux (soit 48V, proche des 50V) pour des environnements secs.
Une batterie de voiture, de tension 12V, ne présente donc pas trop de danger. Au pire, vous vous prendrez une châtaigne, avec des picotements désagréables, sans plus.
En revanche, une batterie de camion (24V), présente plus de risques...
Exemple de calculs :
Une personne touche un fil du réseau électrique de sa maison (en France: 230V)
La courbe donne une résistance de 1k (on admet qu'il s'agit d'une peau mouillée)
On a alors : I = U / R = 230 / 1000 = 0,23 A, soit 230mA.
La courbe nous donne alors une exposition maximale de moins de 50ms. (soit 0,05 secondes).
Au-delà, on rentre en zone 3, puis 4 et enfin 5... donc, danger.

 

Phase, Neutre et Terre

On aurait tendance à dire que le fil de phase est le fil par lequel arrive le courant... Mais comme il s'agit de courant alternatif, alors, celui-ci arrive un coup par la phase, un coup par le neutre, et ce périodiquement (50 fois par seconde en France). En fait, pour être plus exact, on pourrait dire que le fil de phase amène, non pas le courant, mais la tension. Ensuite, selon la valeur de la tension, le courant va dans un sens ou dans l'autre (il est "poussé" ou "aspiré"...). On pourrait comparer le fil de phase à u tuyau relié à un piston qui pousse (en "soufflant" -ce serait l'équivalent d'une tension supérieur à 0V) ou qui tire (en "aspirant" ce serait l'équivalent d'une tension inférieure à 0V) Le fil de phase doit avoir une gaine qui n'est ni bleue, ni jaune rayé de vert. On utilise généralement du rouge, de l'orange ou du marron.
Le fil de neutre, c'est le contraire du fil de phase. Lui est "passif". Il ne sert en fait qu'à à fermer le circuit pour permettre au courant de circuler. Et, normalement, on ne risque rien en le touchant... Le fil de neutre doit avoir une gaine bleue.
Le fil de terre est, comme son nom l'indique, relié directement à la terre, sans passer ni par le compteur, ni par le disjoncteur. Il est également relié à la "carcasse" (l'enveloppe métallique extérieure) des appareils électriques. Il s'agit d'une sécurité. (nous en parlerons plus bas) Le fil de terre doit avoir une gaine jaune rayé de vert.

 

Comment se protéger ?

D'abord, par la prévention. Il est important d'avoir une installation électrique bien isolée, et aux normes (neutre sur le fil avec la gaine bleue, terre sur le fil avec la gaine jaune et verte, phase sur un fil avec une gaine d'une autre couleur et si possible, rouge, orange ou marron).
Il faut également apposer des avertissements: normalement, les appareils connectés au secteur doivent porter une mention d'avertissement. ("ne pas ouvrir sous tension, danger", ou autre...)
Dans la maison, l'installation doit comporter :
Des fusibles (16A pour les prises de courant, et de 10A pour l'éclairage)
Un disjoncteur de surcharge
Un disjoncteur différentiel 30mA
Il faut mettre un fusible par ligne (par fil), car c'est le fil que le fusible protège. Comme on a généralement une même ligne pour alimenter une même pièce, on se retrouve avec des tableaux électriques avec, par exemple, le fusible "prises cuisine", le fusible "prises chambre 1", le fusible "prise chambre 2", le fusible "éclairage premier étage" etc...

Rôle des fusibles :
Si un courant trop important (un courant supérieur à celui que peu supporter le fusible) traverse le fusible, celui-ci fond (car souvenez-vous: un fil qui est traversé par un courant chauffe) et coupe le courant.
Le fusible à un rôle important contre l'incendie: imaginez que, pour une raison ou pour une autre (en général, c'est parce que l'on a branché trop d'appareils sur la même prise: vous savez, avec des prises multiples sur des prises multiples sur des prises multiples...), trop de courant traverse le fil électrique, celui-ci risque de trop chauffer, de brûler la gaine plastique, et finalement, de mettre le feu ! Avec un fusible, c'est différent: le fusible fond, coupe le courant, et empêche le fil de chauffer et de déclencher un incendie. Vous comprendrez alors qu'il est très important de ne pas remplacer les fusibles par un morceau de métal ou un fil de fer "parce que je n'ai plus de fusibles", et qu'il est tout aussi important de ne pas remplacer un fusible 10A par un fusible 16A (l'inverse, en revanche, est possible, mais le fusible risque alors de "sauter" bien souvent...)
Mais le fusible ne fait pas tout : il est également important d'utiliser le bon type de câble électrique, c'est à dire, du câble résistant à l'intensité du courant qui doit passer. Normalement, les câbles que l'on trouve dans les magasins d'électricité conviennent... Normalement...

Rôle du disjoncteur de surcharge :
Il agit comme un "super fusible" et protège ainsi les lignes de distribution. En effet, imaginons plusieurs appareils branchés sur des prises qui sont sur différents fusibles :
- Le premier consomme 12A, donc, le fusible de 16A ne "saute" pas.
- Le deuxième consomme 10A. Ici non plus, le fusible ne "saute" pas.
- Enfin, le troisième consomme 13A. Le fusible, toujours de 16A, ne "saute pas".
Mais si l'on fait le total, le courant consommé dans la maison est 12 + 10 + 13 = 35A ! Or, si la ligne d'alimentation de la maison (la ligne de la compagnie de distribution -EDF en France-) ne supporte que 32A, c'est cette ligne de distribution qui risque de griller !
La sécurité impose donc un disjoncteur, dit "de surcharge", pour protéger cette ligne de distribution...
Si l'action de ce disjoncteur est similaire à l'action d'un fusible (couper le courant lorsque l'intensité devient trop forte), il est, contrairement aux fusibles, réenclenchable. C'est à dire qu'il suffit d'appuyer sur un bouton (après avoir débranché l'un des appareils...) pour remettre le courant.

Rôle du disjoncteur différentiel :
Mais l'association fusible + disjoncteur de surcharge ne suffit pas toujours.
Imaginons un appareil défectueux -possédant une enveloppe métallique (par exemple, les machines à laver)- dans lequel l'un des fils d'alimentation à un défaut d'isolation. La "carcasse" (l'enveloppe extérieure), est donc mis au potentiel de l'alimentation (230V en France)
Si une personne vient à toucher cet appareil (pour retirer son linge...), cette personne se retrouve électrocuté !
Le problème, c'est que le fusible n'agit pas dans ce cas, car l'intensité qui traverse alors le corps humain est bien inférieur aux 16A nécessaires pour faire sauter le fusible (nous avons fait le calcul précédemment : l'intensité est d'environ 230mA...). Le disjoncteur de surcharge est encore plus inutile, puisqu'il lui faut 32A pour se déclencher !
La solution à ce problème : le disjoncteur différentiel. Comment ça marche ?
En temps normal, il y a autant de courant entrant dans la maison que de courant sortant (par exemple, ci-contre à gauche, un exemple avec deux appareils électriques. Le courant i rentrant se "sépare" en i1 et i2, et ces deux courants reconstituent i à la "sortie").
Mais si, comme ci-dessus, il y a une rupture d'isolant, et qu'une personne vient toucher la partie ainsi sous tension, du courant s'écoule à travers cette personne vers la terre. Le courant "entrant" par la phase (Ph) et "sortant" par le neutre (N) est différent. (A gauche : on a toujours i = i1 + i2, mais cette fois, on a en "sortie" (sur le fil de neutre) i^- = i - it, où it est le courant de fuite, qui passe par le corps humain...)
Dans ce cas, le disjoncteur différentiel détecte cette différence entre le courant entrant et le courant sortant et coupe le courant, car si différence il y a, fuite il y a, donc, danger il y a...
Il existe deux types de disjoncteur différentiel: des disjoncteurs 300mA (qui "sautent" lorsque la différence entre le courant entrant et le courant sortant est supérieur à 300mA), et des disjoncteurs 30mA (qui "sautent" lorsque la différence est supérieure à 30mA).
La sécurité impose aujourd'hui un disjoncteur 30mA. (on a montré que le courant qui traverse le corps humain est d'environ 230mA, ce qui est insuffisant pour faire "sauter" un disjoncteur 300mA).

En plus de ces protections, chaque prise de courant, et donc, chaque appareil (surtout ceux possédant une enveloppe métallique) doivent être équipés de prise de terre. Il s'agit d'une troisième fiche, qui est directement reliée à la terre via un câble électrique et un piquet métallique s'enfonçant profondément dans le sol. Le fil de terre est relié à l'enveloppe extérieure de l'appareil et permet d'éviter une électrocution en faisant "sauter" le disjoncteur différentiel dès qu'un défaut d'isolations se présente. (ci-dessous)

 

Configuration d'une prise électrique

Et là, vous allez me dire "Mais comment repérer la phase du neutre ?" Réponse : on ne peut pas... En effet, il n'y a aucune norme obligeant à mettre la phase à droite ou à gauche... (sans compter que la prise peut être dans un autre sens...) En général, cela n'a d'ailleurs aucune conséquence sur le fonctionnement de l'appareil que vous allez brancher, car, d'une part, il s'agit de courant alternatif (donc, de toute façon, le courant va dans un sens, puis dans un autre), et d'autre part, on trouve souvent dans vos appareils électriques (Télévision, magnétoscope, ordinateur...) un étage d'alimentation se chargeant de créer du courant continu ! Alors, phase d'un coté ou phase de l'autre, cela n'au pas d'importance !
Si cependant vous avez besoin de savoir de quel côté (ou sur quel fil) se trouve la phase, il suffit d'utiliser un tournevis d'électricien.
Il s'agit d'un tournevis intégrant une lampe. Si la lampe s'allume, il y a de la tension sur le fil que vous testez, sinon, soit il n'y a pas de tension, soit c'est la lampe de votre tournevis qui en fonctionne plus...
Pour utiliser un tournevis d'électricien, il est nécessaire de toucher avec un doigt la languette (ou le point) métallique qui se trouve sur le manche. Cela permet de relier ce point à la terre (via le corps humain) et de fermer le circuit, ce qui permet à la lampe de s'allumer, pour peu que l'extrémité du tournevis se trouve sur un fil sous tension (par exemple, le fil de phase). Rassurez-vous: vous n'êtes pas électrocuté en utilisant ce genre de tournevis (heureusement) car la lampe possède une très forte résistance, ce qui réduit fortement l'intensité de sorte qu'il n'est pas possible de s'électrocuter, ni de faire "sauter" le disjoncteur différentiel.

Veillez donc à avoir ces quatre protections : Fusibles (contre la surchauffe des fils), Disjoncteur de surcharge (contre la surchauffe des lignes d'alimentation), disjoncteur différentiel (contre les électrocutions) et prises de terre (prévention des électrocutions).
En plus de cela, n'hésitez pas à inclure des fusibles dans vos montages... ça protègera à la fois la prise de courant qui alimente votre circuit, mais aussi les composants de votre montage.
Petite précision : Concernant les fusibles, et notamment les fusibles "sous verre" utilisés en électronique, il existe des fusibles dit "rapides", d'autre "retardés", et des "semi-retardé"... Les fusibles "rapide" coupent le circuit quasi-instantanément. Les fusibles "retardés" (ou "à fusion retardée"), mettrons plus de temps. Pourquoi ? Le mieux bien sur, est d'avoir un fusible rapide, mais dans certains cas, lorsque l'on branche un appareil, il y a un appel de courant plus fort qu'en fonctionnement normal (par ce qu'un condensateur va se charger par exemple). Dans ce cas, il vaut mieux utiliser des fusibles à fusion retardée, pour éviter de griller le fusible à chaque branchement de l'appareil !

A retenir...

Il est donc très important d'avoir une bonne installation électrique avec des fusibles, un disjoncteur de surcharge, un disjoncteur différentiel 30mA, et des prises de terre. Cela peut éviter de nombreux accidents tels que des électrocutions (pouvant entraîner la mort) ou des incendies...
Il est également important d'utiliser des câbles électriques avec des gaines ayant des couleurs aux normes : bleu pour le neutre, jaune et vert pour la terre (autre couleur, de préférence rouge, orange ou marron pour la phase). Cela permet de repérer le fil de neutre (ne présentant pas de danger) et de phase (dangereux) et peut éviter des problèmes si vous bricoler votre installation.
N'oubliez pas non plus de couper le courant (en enlevant le fusible) avant d'installer une prise ou un interrupteur, voire même avant de changer une lampe ! Et n'ouvrez pas d'appareils lorsqu'ils sont connectés au secteur.
Ayez des appareils récents (à mettre dehors : les interrupteurs métalliques et les fers à repasser métalliques...)
Retenez aussi ces quelques règles : ayez des prises de courant avec une protection (pour éviter aux enfants de mettre des doigts dans les prises), et ne laissez pas traîner des appareils électriques non utilisés ou des rallonges électriques...
Enfin, une formation aux premiers secours pourra peut-être un jour sauver la vie d'un de vos proche...

 

 

 

 

 

 

 

Electricité   la protection des appareils électriques
Vincio-formation
		Date de création	mai 2012
OBJECTIF de la séance ou du document	Connaître les dispositifs permettant de protéger un appareil Comprendre le principe de fonctionnement d’un fusible.
Classe concernée	CAP electricité, BEP	Durée d’utilisation	1 heure 30 min
Ordre dans la séquence ou période	Les notions de tension, d’intensité, de résistance et de puissance ont été traitées au préalable.
Type de document	Activité cours	Evaluation	TP
Fiche matériel	-          Vidéo c’est pas sorcier – l’aventure de l’électricité (vidéo librement projetable en cours) -          Un PC relié a un vidéo projecteur. -          1 pile 4,5 V et du tampon Gex métallique. -          1 disjoncteur de démonstration   Pour chaque élève ou groupe de 2 élèves : -          1 multimètre -          1 résistance de valeur quelconque -          2 cordons électriques sécurisés -          2 pinces crocodiles sécurisées. -          1 fusible (privilégier un fusible avec une enveloppe de verre dont le fil de plomb est épais)
Pré requis élève	Les notions de tension, intensité, résistance et puissance doivent être connues.
Commentaires	Le document est fourni aux élèves. Les parties en bleu sont complétées avec les élèves et ne figurent pas sur le document qui leur est remis. Ce cours a été effectué en CAP esthétique et en classe de BEP. Il peut aussi être utilisé en BAC PRO.

 

La protection des appareils électriques :

 

 

 

 

1. 1.     Rappel sur les conducteurs ohmiques :

 

 

A savoir :  

 

La résistance, notée R, s’exprime en

 

Ohm ( W )

 

Elle se mesure à l’aide d’un ohmmètre.

 

 

 

Activité 1 : Mesurer la résistance des composants suivants :

 

Objet	Résistance mesurée
Conducteur ohmique
Cordon électrique
Objet en plastique
Morceau de métal

 

Remarque : Plus la résistance est grande, plus l’objet s’oppose au passage du courant.

Un objet isolant a une résistance quasi  infinie.

 

Un objet métallique qui laisse très très bien passer le courant, a une résistance presque nulle.

 

Activité 2 : Lire le texte (voir page 2)  puis répondre aux questions :

 

1. Qu’appelle t’on l’effet Joule ?

 

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2. Donner  2 exemples d’appareils (tirés du texte) utilisant l’effet joule :

 

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3. Donner un exemple d’appareil ne figurant pas dans le texte, utilisant l’effet Joule :

 

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4. Citer un exemple d’inconvénient de l’effet joule :

 

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Expérience : Toucher avec les 2 bornes de la pile le tampon gex.

(Il faudra certainement vous y prendre à plusieurs reprises). Que constate-t-on ? Expérience effectuée par le professeur

 

 

 

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Une vidéo de cette expérience est disponible à l’adresse Internet suivante :

http://www.ac-strasbourg.fr/sections/enseignements/secondaire/pedagogie/les_disciplines/maths-sciences_en_lp/images_et_videos/videos/electricite/tampon_gex_1/view

 

 

 

 

 

 

A retenir :

 

 

Une conducteur ohmique parcouru par du courant électrique s’échauffe.

 

Ce phénomène s’appelle l’effet JOULE.

 

 

 

1. 2.     Les fusibles :

 

 

 

Activité 3 :    Observer le fusible fourni puis le dessiner en annotant le schéma avec les termes suivants : Enveloppe en verre, fil de plomb, plots en métal.

 

 

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Activité 4 :    A partir de la vidéo, répondre aux questions suivantes :

Projeter le Film : disjoncteur et multiprise (Vidéo c’est pas sorcier – l’aventure de l’électricité – se placer à 18 min 30 secondes jusqu’à la 21min38secondes).

 

1. Que se passe-t-il avec le fil de plomb du fusible lorsque trop de courant passe dans le fusible ?

 

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      2. Dans la vidéo, le calibre d’un fusible est de 30A. Expliquer ce que signifie cette indication.

 

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3. A part le fusible, un deuxième dispositif de protection des personnes est cité dans le film. Lequel ?

 

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A retenir :

 

 

Un fusible a pour rôle de protéger les appareils électriques. Lorsque

 

 l’intensité du courant électrique dans le circuit dépasse le calibre du

 

fusible, le fil de plomb fond par effet joule.

 

 

Exercice 1 : Un dispositif d’épilation laser est muni d’un fusible de calibre 10 A. Le courant qui circule, dans l’appareil, lorsque celui-ci fonctionne normalement est de 9,6 A.

 

1. Puis je remplacer le fusible par un fusible de calibre  8 A ? Justifier.
2. Puis je remplacer le fusible par un fusible de calibre de 10 A ? Justifier.
3. Puis je remplacer le fusible par un fusible de calibre 15 A ? Justifier.

 

Exercice 2 :    Un peu de réflexion :

 

1. Comment peut on distinguer un fusible usagé d’un fusible neuf ?

 

2. Au cours d’une de ses multiples aventures, Mac Superprof doit remplacer le fusible usagé d’un moteur.

Mais comme d’habitude, il n’a pas de fusible neuf à sa disposition. Il décide donc d’enrouler une feuille d’aluminium autour du fusible, avant de le replacer dans le circuit électrique.

Euréka le moteur redémarre !

      

1. Expliquer pourquoi ce bricolage fonctionne.

 

2. Est-ce dangereux ? Justifier.

 

 

2. Les disjoncteurs :

 

 

 

 

A retenir : Un disjoncteur est un appareil qui peut couper automatiquement le circuit en cas de surintensité (s'il y a un défaut). Pour le réenclencher il suffit de remonter un levier.

L'utilisateur peut également couper le disjoncteur manuellement en abaissant un levier.

 

 

 

 

 

 

Construire sa maison soi-même est bien la bonne solution Inutile de préciser (mais on le fera quand même !) les précautions qu’il faut prendre non seulement pendant l’installation mais aussi en prévision de l’utilisation future :mieux vaut prendre trop de précautions. Ne laissez jamais de fils nus, même si le circuit n’est pas branché : il le sera un jour. Mettez des dominos (de petits isolants en plastique dans lesquels les fils viennent s’encastrer et sont maintenus par de petites vis : un seul fil par vis !).Vérifiez toujours que rien n’est sous tension quand vous commencez à travaillez. Ditesvous que si l’on peut parfois un peu bâcler une fin de travail quand on est fatigué en fin de journée, cela n’est pas possible en électricité. Respectez scrupuleusement toutes les règles et consignes du guide de Promotelec qui doit devenir votre bible : "Locaux d’habitation. Installation électrique". Un bon truc :repérez « le » vendeur compétent dans votre magasin de matériaux.Nombre d’entre eux n’ont aucune spécialité,mais certains sont d’anciens artisans.

 

 

 

 

 

 

 Installer le tableau

 

Le coffret du tableau se fixe au mur, à hauteur des yeux. Il peut être en partie encastré et doit être vissé solidement dans des chevilles. Il existe des tableaux de toutes les tailles et offrant un plus ou moins grand nombre d’emplacements ou modules. Pour estimer la taille du tableau dont vous avez besoin, sachez que : • un fusible ou un disjoncteur jusqu’à 38 A prennent chacun la place d’1 module ; • un disjoncteur différentiel 30 mA prend 2 modules ; • un parafoudre utilise 4 modules ; • la minuterie du cumulus + son fusible prennent 4 modules ; • le disjoncteur général (500 mA) prend 4 modules. Choisissez un tableau assez grand pour contenir tous vos cartouches- fusibles ou disjoncteurs, le disjoncteur général, les disjoncteurs différentiels, le parafoudre, la minuterie et le disjoncteur du cumulus, plus la barrette de toutes les terres. Il faut toujours garder environ 20 % de modules vides, à la fois pour disposer d’assez d’aisance pour le montage et pour pouvoir rajouter des éléments en cas d’extension de l’installation. Ne cherchez pas à trop charger votre tableau car il sera beaucoup plus difficile à installer si tout est très serré : lorsque tous les fils d’alimentation et de raccordement aux disjoncteurs différentiels sont réunis au tableau… cela fait du monde !