Différences

Ci-dessous, les différences entre deux révisions de la page.

--- formation:documentation:alimentations [2024/04/23 11:18] – [Les piles] sylvainf
+++ formation:documentation:alimentations [2024/04/23 12:40] (Version actuelle) – [Rappel sur le courant alternatif] sylvainf
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 Par la suite, nous allons faire un petit tout d'horizon, non exhaustif, des différentes alimentations en tension continue et alternative sans entrer trop dans leur fonctionnement précis ce qui serait trop long dans un premier temps.
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 ===== Les alimentations en tension continue =====
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 ==== Les panneaux solaires ====
+Les panneaux solaires sont de plus en plus en vogues avec le problème du dérèglement climatique car cela permet d'avoir de l'électricité sans consommer d'énergies fossiles. Le principe d'un panneau solaire est assez simple, il consiste à convertir l'énergie lumineuse fournir gratuitement et quotidiennement par le soleil en énergie électrique. Un peu plus en détail, la lumière du soleil vient frapper un matériel spécifique (silicium dopé) pour lui arracher des électrons et induire ainsi un courant électrique.
+Bien que cette façon de produire une tension électrique constante soit très intéressante, elle a plusieurs contraintes. Premièrement, plus on veut de puissance plus il faudra avoir une grande surface. L'ensoleillement est capricieux : la nuit il est nul, quand il faut mauvais temps il est plus faible. Bref, l'énergie solaire est non pilotable, on doit se contenter de ce que la nature nous donne à un instant donné. Le rendement des panneaux solaires est de l'ordre de 25-30%. Ainsi si la nature nous donne 1 kW = 1000 W par m2 un jour de beau temps, le panneau solaire n'en convertira qu'un quart 250 W en énergie électrique.
+Il existe au moins deux types d'utilisation des panneaux solaires. Soit ils servent à produire en masse de l'électricité sur les toits d'une maison ou dans un champs, soit ils servent à alimenter de petits appareils électroniques ne demandant que peu de puissances comme des calculatrices de poches, lesquelles existent de moins en moins avec l'arrivé des téléphones portables.
 ==== Les adaptateurs/chargeurs/alimentations ====
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 Enfin la Rolls-Royce des générateurs de tensions continues sont les alimentations de laboratoire. Ces dernières sont dite "de laboratoire" car ce n'est pas le grand public qui les utilisent mais les scientifiques ou ingénieurs ou les bricoleurs avancés. Ces alimentations peuvent fournir une tension à la demande entre 0V et une tension maximale qui peut être 30 V ou 80 V en fonction du prix que vous mettez. De plus, elle peuvent délivré pour n'importe quelle tension une intensité allant jusqu'à 5 ou 10 A, toujours en fonction du prix de vous mettez. Ainsi une alimentation qui au maximum peut vous délivrer 30 V et 5 A coûtera bien moins cher qu'une alimentation pouvant fournir du 80 V à 15 A par exemple. L'intérêt de ces alimentations est de pouvoir alimenté à peu près tout les appareils électrique fonctionnant avec une tension constante. De plus, il est possible de limiter l'intensité. Par exemple, on peut choisir de demander du 10 V avec un courant maximal de 1 A alors que l'alimentation pourrait aller jusqu'à 5 A. Cette propriétés sert à ne pas endommager les circuits. En effet, on le revera plus tard plus en détail mais beaucoup de courant signifie beaucoup de puissance injecté dans l'appareil électronique et cela peut lui être préjuduciable. En résumé, ces alimentations sont des outils de travail pour le bricoleur/réparateur averti.
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 ===== Les alimentations en tension alternative =====
+==== Rappel sur le courant alternatif ====
+Un courant ou une tension est dite alternative si sa valeur se répète dans le temps suivant un motif répétitif. La tension alternative la plus utilisée est la tension sinusoïdale dont la valeur sur un graphe à une forme de vague. La tension part de 0 V puis augmente jusqu'à 325 V (pour une prise de courant) pour descendre à -325 V et enfin remonter à 0 V et reprendre ce cycle.
+Ce cycle a une durée très courte car il ne dure que 20 ms et ainsi il se répète 50 fois par seconde. C'est pourquoi on parle de 50 Hz. Ainsi si on alimente une résistance chauffante de grille-pain avec une telle tension, le courant qui passe dans la résistance va osciller de droite à gauche 50 fois par seconde. Comme I = U/R, l'intensité sera nulle quand la tension sera nulle et elle sera maximale quand la tension sera maximale.
+Pour une résistance branchée sur le secteur, elle voit une tension changer de 325 V à -325 V donc un courant aller tantôt vers la gauche et tantôt vers la droite. Cependant, pour la résistance que le courant aille d'un côté ou d'un autre, cela ne change pas qu'elle va chauffer. En moyenne, elle chauffera de la même manière que si elle était alimenté en 230 V continu. On dit alors que la tension des prises du secteur est de 230 V **efficace** car elle est équivalente en puissance à une tension de 230 V continu bien qu'elle soit alternative de 325 V à -325 V.
+Pour plus de détail voir : [[formation:documentation:courant-alternatif | courant alternatif]].
+==== Les centrales électriques ====
+=== Principe générale du fonctionnement d'une centrale électrique ===
+Les centrales électriques servent à transformer de l'énergie mécanique, chimique, nucléaire en énergie électrique pour fournir une tension alternative de 50 Hz 230 V limité à une puissance de quelques milliers de Watt dans les maisons individuelles.
+Afin de produire cette électricité, toutes les centrales électriques fonctionnent sur le même principe de l'induction électrique. En effet, lorsque d'un fil métallique (une bobine) tourne dans un champ magnétique, cela crée des forces qui tendent à faire bouger les électrons et donc à créer une tension électrique. Ainsi, les centrales électriques doivent trouver des moyens pour faire tourner des fils dans un champ magnétique : soit avec du vent (éolienne) de l'eau (barrage) ou de la vapeur d'eau sous pression (centrales thermiques, nucléaires)
+=== Propriétés des différentes centrales électriques ===
+Il existe différent type de centrale électrique car il existe différente façon d'actionner la rotation de fils dans un champ magnétique. On va voir ici les quatre grands types de centrales électriques et leurs propriétés.
+  * Centrale nucléaire : elle utilise de l'uranium qu'elle fissionne pour convertir de l'énergie nucléaire en énergie thermique. L'énergie nucléaire est très condensée donc besoin de peu de quantité d'Uranium. Elle produit des déchets nucléaires. Elle est pilotable.
+  * Centrale hydraulique : elle utilise directement l'énergie mécanique de l'eau qui tombe pour faire tourner des fils dans un champs. Elle a besoin de grandes chutes d'eau avec un fort débit. Elle est semi-pilotable. Elle ne produit pas de déchet mais elle bouleverse l’écosystème autour du barrage.
+  * Centrale éolienne : elle utilise l'énergie mécanique du vent. Elle est non pilotable, ne produit pas de déchet mais demande de grandes surfaces
+  * Centrale thermique : elle brûle du pétrole ou du charbon afin de convertir cette énergie thermique en énergie mécanique pour faire tourner de fils dans un champ magnétique. Le résultat est une production de CO2 qui est très néfaste pour le dérèglement climatique. Elle est pilotable et son énergie est assez condensée.
+==== Les transformateurs électriques (parfaits) ====
+=== Problème 1 : Perte d'énergie dans les câbles ===
+Au niveau d'un pays comme la France, votre maison peut être à quelques km de l'endroit où est généré la tension alternative dans une centrale électrique. C'est un peu comme si vous utilisez un appareil électrique avec des piles mais que vos piles étaient à 2 km reliées à votre appareil par des longs fils. Cela ne semble pas pratique pour les piles mais on ne peut pas mettre des centrales nucléaires proche de chaque maison ou appartement. La conséquence est qu'il faut des longs fils pour transporter le courant électrique depuis la centrale électrique aux foyers ou entreprises française. On se dit qu'il suffit juste de mettre des fils et l'affaire est réglée. Cependant dans ces fils, il circule un courant assez élevé car il s'agit du courant partant de la centrale pour aller fournir de l'électricité à des milliers de français. L'intensité dans ce cas requis est certainement de plusieurs milliers d'Ampère. Cependant, nous avons vu qu'un fil réel n'a pas une résistance nulle. Donc le fil va se mettre à chauffer suivant l'effet Joule RI^2. Supposons un fil de cuivre d'un gros diamètre de 10 cm et d'une longueur de 10 km. Sa résistance est alors de 22 mOHM. Pour un millier d'Ampère cela revient à 22*10^-3*1000*1000 = 22 000 Watt. De plus, la tension du fil ne sera pas nulle U = RI = 22*10^-3*1000 = 22 V. Ainsi chez vous au lieu d'avoir du 230 V vous n'auriez que du 230-22 = 208 V. Ainsi vous consommeriez une puissance de 208*1000 = 208 000 W et 22 000 W serait perdue dans les câble électrique donc plus de 10 %. Cela n'est pas envisageable de plus trop de chaleur dissipé risque de faire fondre les câbles.
+La solution est alors de faire des lignes à hautes-tensions, plus de 1000 fois la tension de votre foyer à 230 V. Si vous multipliez par 1000 la tension vous pouvez divisez par 1000 l'intensité pour faire voyager la même puissance. Dans ce cas, il n'y aurait plus que 1 A dans vos lignes électriques et le problème serait résolu. L'idée est la bonne et elle est massivement utilisé pour transporter de l'électricité. Cependant il reste un problème, comment convertir une tension en une autre ?
+=== Problème 2 : Appareils de basse tension branché sur secteur ===
+Dans une maison, le plus simple pour avoir accès à une alimentation est une prise électrique. Elle fournit du 230 V efficace 50 Hz avec une puissance pouvant aller à plusieurs kW. En conséquence, bon nombre d'appareil électrique pour fonctionner se branche sur le secteur. Cependant ces appareils parfois fonctionne non pas en 230 V AC mais en basse tension DC 6/12/24 V assez fréquemment. Il faut trouver une moyen de convertir cette tension alternative de 230 V en plus basse tension et en continu.
+=== Solution : le transformateur ===
+Une solution pour nos deux problèmes est l'utilisation de transformateurs électriques. Ces derniers sont des appareils électriques de bases en électricité. Leur but est de convertir une tension alternative en un autre tension alternative de tension différente. Il est ici seulement question de tension alternative car un transformateur ne peut pas convertir une tension constante en une autre, cela est dû aux lois de la physique qui régissent le fonctionnement de cet appareil. Pour faire simple, un transformateur parfait a quatre pattes ; deux du côté primaire sur lesquelles on met une certaine tension que l'on sait générée et deux du côté secondaire où l'on veut retirer une nouvelle tension. Le rapport entre les tensions peut varier théoriquement comme on veut mais en pratique, il est souvent entre 10 et 1000 dépendant de ce que l'on veut faire.
+Dans le cas idéal d'un transformateur parfait, il n'y a pas de perte énergétique ainsi toute la puissance fournie au primaire et redonnée au secondaire. Si on note U1, I1 et U2, I2 tension et courant au primaire et secondaire alors P = U1*I1 = U2*I2. Ainsi le rapport des intensités nous dit que I2 = I1*U1/U2. Ainsi si vous diminuez par 10 la tension vous augmenterez par 10 l'intensité dans le secondaire et vice-versa. Prenons l'exemple d'un appareil électrique marchant en 12 V en convertissant du 230 V. Le rapport de tension est 230/12 = 20 à peu près. Ainsi si l'appareil consomme 1 A à 12 V donc 12 W, au primaire l'intensité ne sera que de 1/20 = 50 mA. Si l'on pousse ce raisonnement plus loin, on peut imaginer un transformateur convertissant du 230 V en 1 V donc avec un rapport de 230. Ainsi vous pourriez avoir 230 W au secondaire avec 230 A en ne demandant seulement qu'un ampère au primaire. Bien évidemment cela n'est pas si simple car dès que vous demandez de grands courants, vous avez plus de chance d'avoir des pertes énergétiques et donc le modèle simpliste de transformateurs parfaits trouve ses limites. Pour plus de détails voir la formation sur [[formation:documentation:bobines|les bobines]].
+==== Les générateurs de basses fréquences ====
+En électronique, il n'y a pas que des tensions alternatives sinusoïdales. Il est très fréquent d'avoir des tensions alternatives créneaux. Ces dernières sont les plus simples, elle valent seulement deux valeurs Umax et Umin par exemple 10 V et 0 V de manière cyclique. Il est aussi intéressant pour le dépannage d'appareil électrique d'avoir une tension qui croît et décroît de manière linéaire et non sinusoïdale et toujours alternativement.
+De plus, la répétition du motif cyclique n'est pas toujours de 50 fois par seconde. Certain appareil électrique, comme tous ceux qui touchent au son ou au alimentation à découpage, comporte des signaux électriques ayant des fréquences bien plus grandes que 50 Hz.
+Pour toutes ces raisons, il existent des générateurs de basses fréquences qui sont capables de générer des tensions alternatives ayant trois formes possibles : sinusoïdale, créneau, dent de scie (linéaire). Ces générateurs comme leur nom l'indique peuvent générer des signaux à diverses basses fréquences c'est à dire entre 0 et des centaines ou des milliers de kHz, donc des MHz. Les hautes fréquences comprenant les centaines de MHz et les GHz.