En STI2D, tu analyses n'importe quel produit avec trois questions : de quoi est-il fait, comment l'énergie le traverse, qui lui dit quoi faire. Prends un lampadaire solaire : le mât et le boîtier sont la matière ; le panneau, la batterie et la LED font passer l'énergie ; le capteur de lumière et la carte électronique décident quand allumer. Matière, énergie, information : tout le cours de technologie part de ces trois angles.
Matière, énergie, information
Le programme de STI2D fait de ces trois domaines la base de toute la formation technologique. Pour lui, la matière, c'est le matériau mais aussi la structure : la façon dont les pièces sont agencées.
Dans chaque domaine, repère les flux et les stocks. Un flux, c'est ce qui circule, comme le courant dans un câble. Un stock, c'est ce qui s'accumule, comme l'énergie d'une batterie.
Conseil : devant un produit inconnu, suis d'abord l'énergie, de la source jusqu'à l'effet voulu. Cherche ensuite qui donne les ordres. Finis par la matière : pour chaque pièce, demande-toi pourquoi ce matériau plutôt qu'un autre.
La chaîne de puissance
Suivre l'énergie de la source à l'effet voulu, c'est tracer la chaîne de puissance : l'ensemble des fonctions qui s'occupent de l'énergie, sous toutes ses formes. On la dessine en schéma-blocs : une case par fonction, des flèches pour l'énergie qui passe de l'une à l'autre. Le programme range ces fonctions en quatre familles.
| Famille de fonctions | Son rôle | Dans le lampadaire |
|---|---|---|
| Captation | Prendre l'énergie dans l'environnement | Le panneau photovoltaïque capte l'énergie du soleil |
| Stockage, transport, distribution | Garder l'énergie et l'amener où il faut | La batterie la stocke, les câbles la transportent |
| Modulation, adaptation, transmission | Doser l'énergie, l'adapter (alternatif ou continu, tension) ou transmettre un mouvement | La carte de commande dose le courant envoyé à la LED |
| Conversion, transformation | Changer la nature de l'énergie | La LED change l'énergie électrique en lumière |
Ici, les fonctions s'enchaînent dans cet ordre ; dans un autre produit, l'ordre change et certaines manquent. Tu liras aussi « chaîne d'énergie » : le programme emploie les deux noms.
Les conversions à reconnaître : électrique $\leftrightarrow$ mécanique (un moteur), chimique $\leftrightarrow$ électrique (une batterie), électrique $\leftrightarrow$ lumineuse (une LED, un panneau photovoltaïque) et chimique $\rightarrow$ thermique (une chaudière). La double flèche signifie que la conversion existe dans les deux sens.
Rendement et énergie
Aucune case de la chaîne ne rend toute l'énergie qu'elle reçoit. L'énergie se conserve pourtant : ce qui ne sort pas sous la forme voulue part ailleurs, presque toujours en chaleur. Un câble chauffe ainsi par effet Joule, dès qu'un courant le parcourt.
Formule : le rendement $\eta$ (la lettre grecque « êta ») compare la puissance utile, qui sort sous la forme voulue, à la puissance absorbée, qui entre :
$$\eta = \frac{P_\text{utile}}{P_\text{absorbée}}$$
Sans unité, il reste entre 0 et 1 et s'écrit souvent en pourcentage. Les pertes valent $P_\text{absorbée} - P_\text{utile}$.
Dans une chaîne, chaque case ne reçoit que ce que la précédente lui laisse. Si un variateur (la carte qui règle la vitesse d'un moteur) rend 95 % de ce qu'il reçoit, et le moteur 80 % de ce que lui donne le variateur, il reste $0{,}95 \times 0{,}80 = 0{,}76$, soit 76 % au bout. D'où la règle :
$$\eta_\text{global} = \eta_1 \times \eta_2 \times \eta_3 \times \cdots$$
Piège classique : les rendements se multiplient, ils ne s'additionnent pas. Et pour remonter de la puissance utile à la puissance absorbée, on divise par $\eta$, puisque l'absorbée est toujours la plus grande.
Le rendement parle de puissance, en watts (W) : c'est l'énergie transférée chaque seconde. L'énergie, elle, se compte sur une durée : $E = P \times t$. Avec $P$ en watts et $t$ en secondes, $E$ est en joules (J) ; avec $t$ en heures, $E$ est en wattheures (Wh), l'unité des batteries, et $1\ \text{Wh} = 3\,600\ \text{J}$.
La chaîne d'information
La chaîne de puissance fait le travail, mais ne décide rien. Les décisions viennent de la chaîne d'information, découpée en trois fonctions : acquérir, traiter, communiquer.
Exemple : le lampadaire acquiert la luminosité avec son capteur de lumière, et le passage d'un piéton avec son détecteur de présence. Son microcontrôleur, un petit ordinateur tenu sur une seule puce, traite ces mesures : nuit et passant, pleine lumière ; nuit et rue vide, lumière réduite. Il communique enfin cet ordre à la carte de commande de la LED.
C'est là que les deux chaînes se rencontrent : l'ordre arrive sur la fonction qui dose l'énergie. C'est aussi un levier d'efficacité : baisser la lumière dans une rue vide économise de l'énergie sans changer une seule pièce de la chaîne de puissance.
Une information peut être logique (deux valeurs seulement, comme le détecteur : on parle de tout ou rien, TOR) ou analogique, si elle varie en continu comme la tension d'un capteur de lumière. Le microcontrôleur, lui, ne traite que des nombres : du numérique.
Du capteur au nombre binaire
Pour passer d'une tension analogique à un nombre, il faut un convertisseur analogique-numérique, ou CAN. Il découpe sa plage de tension, la pleine échelle, en $2^n$ marches égales, où $n$ est son nombre de bits, les chiffres 0 ou 1 du nombre qu'il produit. La hauteur d'une marche s'appelle le quantum :
$$q = \frac{\text{pleine échelle}}{2^n}$$
Un CAN de 10 bits sur 0 à 5 V découpe 5 V en $2^{10} = 1\,024$ marches : $q = \dfrac{5}{1\,024} \approx 0{,}004\,9$ V, environ 4,9 mV. S'il compte $N$ marches, la tension vaut $U = N \times q$.
Ce nombre $N$ s'écrit en base 2 : selon sa place, en partant de la droite, chaque bit compte pour 1, 2, 4, 8, 16, et ainsi de suite. Par exemple, $1101_2 = 8 + 4 + 0 + 1 = 13$ (l'indice 2 rappelle la base).
Exercices corrigés
Cherche sur ta feuille avant d'ouvrir chaque correction.
Exercice 1 : Une perceuse-visseuse sans fil contient une batterie, une gâchette, une carte électronique qui règle le courant du moteur, un moteur électrique et un réducteur à engrenages. Pour chaque élément, donne sa chaîne (puissance ou information) et sa fonction.
Correction :
La batterie stocke l'énergie sous forme chimique : chaîne de puissance. La gâchette acquiert la vitesse que tu demandes, selon jusqu'où tu l'enfonces : chaîne d'information.
La carte électronique reçoit cet ordre et dose le courant envoyé au moteur : c'est la modulation, là où les deux chaînes se rencontrent.
Le moteur et le réducteur sont dans la chaîne de puissance. Le moteur convertit l'énergie électrique en énergie mécanique ; le réducteur transmet le mouvement à l'embout en le ralentissant, ce qui augmente le couple, l'effort de rotation sur la vis.
Exercice 2 : Le tapis d'une caisse de supermarché (données fictives) absorbe 800 W. Sa chaîne de puissance enchaîne un variateur de rendement 0,96, un moteur de rendement 0,85 et un réducteur de rendement 0,75. Calcule le rendement global, la puissance utile et la puissance perdue.
Correction :
Les rendements se multiplient : $\eta = 0{,}96 \times 0{,}85 \times 0{,}75 = 0{,}612$, soit 61,2 %. Contrôle : c'est bien moins que 0,75, le plus petit des trois.
Puissance utile : $P_\text{utile} = 0{,}612 \times 800 = 489{,}6$ W, environ 490 W.
Puissance perdue : $800 - 489{,}6 = 310{,}4$ W, environ 310 W, dissipés surtout en chaleur.
Exercice 3 : Un lampadaire solaire (données fictives) a une LED qui absorbe 20 W, allumée 10 heures par nuit. Entre la batterie et la LED, la carte de commande a un rendement de 0,90. La batterie pleine contient 400 Wh. Combien de nuits complètes le lampadaire peut-il éclairer sans soleil ?
Correction :
La LED doit recevoir 20 W. La carte en perd une partie en chaleur, donc la batterie doit fournir plus : $P = \dfrac{20}{0{,}90} \approx 22{,}2$ W.
Sur une nuit : $E = 22{,}2 \times 10 = 222$ Wh. Et $\dfrac{400}{222} \approx 1{,}8$ : une nuit complète, pas deux.
Le piège : multiplier, $20 \times 0{,}90 = 18$ W, ce qui donne 180 Wh par nuit et deux nuits. Ce calcul fait fournir à la batterie moins que ce que reçoit la LED, ce qui est impossible.
Exercice 4 : Un capteur de température (données fictives) fournit 10 mV par degré Celsius, et 0 V à 0 °C. Un CAN de 10 bits, de pleine échelle 0 à 5 V, numérise sa tension.
a) Calcule le quantum. b) Le microcontrôleur lit $N = 0000101001_2$ : convertis ce nombre en décimal. c) Quelle température mesure le capteur ? d) Ce montage peut-il donner la température d'une salle au dixième de degré près ?
Correction :
a) $q = \dfrac{5}{2^{10}} = \dfrac{5}{1\,024} \approx 0{,}004\,88$ V, soit 4,88 mV.
b) En partant de la droite, les bits à 1 comptent pour 1, 8 et 32 : $N = 1 + 8 + 32 = 41$.
c) $U = 41 \times \dfrac{5}{1\,024} \approx 0{,}200$ V, soit 200 mV. À 10 mV par degré : $T \approx \dfrac{200}{10} = 20$ °C.
d) Non. Une marche de 4,88 mV correspond à $\dfrac{4{,}88}{10} \approx 0{,}49$ °C : ce montage ne lit la température qu'au demi-degré près environ.
À retenir
À retenir :
- Trois questions pour tout produit : de quoi il est fait, comment l'énergie le traverse, qui décide.
- Chaîne de puissance : captation, stockage et transport, modulation ou transmission, conversion ; l'ordre dépend du produit.
- $\eta = \dfrac{P_\text{utile}}{P_\text{absorbée}}$, entre 0 et 1, et les rendements d'une chaîne se multiplient.
- $E = P \times t$ : des watts pour la puissance, des joules ou des wattheures pour l'énergie.
- Chaîne d'information : acquérir, traiter, communiquer ; ses ordres arrivent sur la fonction qui dose l'énergie.
- CAN de $n$ bits : $q = \dfrac{\text{pleine échelle}}{2^n}$ et $U = N \times q$.
Sources
- Programme d'innovation technologique et d'ingénierie et développement durable de première et d'ingénierie, innovation et développement durable de terminale STI2D, annexe 1 du Bulletin officiel : texte sur eduscol.