Réalisé par TAKUPO CHENDJOU, BASTIEN et DEMAREST
11271 07103 07104 - 3BE 2011-2011

Les vidéosmodèles en Électronique Générale

Introduction

Les informations contenues sur cette page ont pour objectif de montrer à quel point l'intégration des vidéosmodèles facilite l'apprentissage de l'électronique aux étudiants ou amateurs débutants. En particulier, ce projet s’accentue sur la présentation des vidéosmodèles et des bases fondamentales des circuits électriques, à savoir les notions de source de tension/courant, les signaux et les résistances.

N'ayant pas de circuits complexes à réaliser et expliquer nous nous sommes basés sur des exemples fonctionnels pour structurer la présentation de notre projet.

Rappels théoriques

En partant de la page existante et interactive disponible sur le site de l'ECAM (Eole 3BE), dont une capture d’écran (modifiée) figure ci-dessous, nous avons réfléchis aux moyens qui pouvaient améliorer et surtout compléter cette page. En effet, celle-ci forme une très bonne base pour rendre les vidéosmodèles plus attractifs et éducatifs. Elle a donc été choisie comme inspiration pour le layout et le type de page, vu qu'elle est proche de ce que nous souhaitions réaliser. Ne sachant pas encore à ce moment-là qu'un template général fourni par un autre groupe d'étudiants allait devoir être utilisé comme base de présentation (finalement cette idée à été abandonnée dans le cadre de l'ensemble des projets).

La première observation fut que les boutons avec les images des composants, qui permettent de rediriger l’utilisateur vers les pages concernées, n’étaient pas encore implémentés. Ainsi, notre premier objectif fut de fournir du contenu explicatif pour ces pages manquantes. Notre page, inspirée de la première, aurait donc eu uniquement les boutons mis en évidence sur l'image ci-dessous pour la section "Qu'est-ce ?".

Fig 1.0 : Image basée sur l’exemple de page html disponible sur Eole.

Voici le contenu explicatif des boutons "Qu'est-ce ?":

Bouton 1 :

Les signaux :

Dans les vidéos modèles, les signaux électriques sont représentés sous forme graphique. Ces graphiques contiennent différentes informations comme on peut le voir à la figure 1.1. En plus du nom du signal (permettant de savoir à quel point de mesure il correspond), on peut savoir à quel point de la courbe est associé l’état dans lequel se trouve le circuit, grâce à un petit cercle évoluant au cours du temps.



Fig 1.1 : Représentation d’un signal dans les vidéos modèles.

Comme on peut le voir sur l'image si dessus, le signal est différent suivant la zone de couleur dans laquelle on se trouve. En fait, les zones de couleurs représentent une fréquence donnée comme indiqué à la figure 1.1. La fréquence indiquée correspond à la fréquence du signal d'alimentation. Une tension, notée Vg, dans le cas de la figure 1.0. Dans le cas d'une fréquence d'1MHz, on peut remarquer que le trait symbolisant le signal est plus épais. Cela signifie que ce dernier est nul.

Mais qu’est-ce qu’un signal électrique ?

Un signal électrique, est une onde représentant l’évolution du courant ou de la tension au cours du temps. Chaque signal est donc defini par un equation permettant de le représenter graphiquement.

De la forme V(t)= Vpp * sin(wt+k) + Vdc où :
V(t) représente la tension au point de mesure au cours du temps. [V]
t correspond au temps, à l'instant de l'évolution du signal où on se trouve. [s]
Vpp module de la différence de potentiel alternative appelée aussi tension ‹‹peak to peak››. [V]
w la fréquence du signal. [Hz]
k le déphasage [rad]
Vdc représente la composante continue (translation du signal suivant l'axe des volts). [V]

Graphiquement ce signal se représente de la manière suivante :


Fig 1.2 : Tension sinusoidale déphasée (bleue foncé) & non déphasée sans composante continue(bleue clair).

Comment savoir à quel instant t on se trouve et à quelle fréquence ?

Si on regarde bien, en bas du circuit, juste à droite des signaux, on a l'information. Elle est présentée de cette façon :

Bouton 2 :

La différence de potentiel (V) :

La différence de potentiel dans les vidéosmodèles est symbolisée par la 3ème dimension. Comme on peut le voir à la figure 1.0, par endroit, la schématique du circuit aparait du fait que le circuit 3D est soit plus haut soit plus bas. Plus la représentation 3D du circuit parait éloignée de sa représentation schématique et plus la différence de potentielle est importante en valeur absolue. Pour connaitre le signe, il faut s'intéresser à la position. Si un conducteur est en dessous de la schématique alors, celui-ci est à un potentiel négatif et sinon positif.

Bouton 3 :

Le courant dans le circuit (I) :

Dans les vidéosmodèles, le courant est symbolisé par un cône doré.

Son diamètre d’ouverture définit l’intensité du courant qui parcours le conducteur. Quand au sens de parcours, celui-ci est définit par l’orientation base/sommet. Le courant évolue de la base du cône vers le sommet de celui-ci. Si l’enveloppe de cône présente un profil concave alors, ça signifie que l'intensité décroit, inversément s’il est convexe.






Bouton 4 :

Source de tension (V):

Une source de tension est un dipôle permettant d’imposer unedifférence de potentiel (mesurée en Volts) à ses bornes quel que soit le courant qui la traverse. Schématiquement, on la représente comme idéale, c’est-à-dire indépendante de la charge qui lui est appliquée, sans imperfections internes.

Dans les vidéos modèles, une source de tension continue est représentée par deux bornes, une de couleur rouge pour la borne positive et une noire pour la borne négative. Pour les tensions alternatives elle est représentée par un simple disque de couleur rouge.

La différence de potentiel est caractérisée par une différence de hauteur entre les deux bornes de la source, d'où l'intérêt particulier d'utiliser une représentation en 3D. Celle-ci permet ainsi de rapidement apercevoir qu'il y a une tension présente entre les deux bornes, la valeur de la tension est toujours affichée en déca du symbole de la source.


Bouton 5 :

Résistance (R):

Une résistance est un dipôle électrique dont la caractéristique principale est de s’opposer à la circulation du courant. Sa grandeur est mesurée en ohms (Ω) et provoque une chute de potentiel dans le circuit. Schématiquement, une résistance idéale respecte la relation linéaire V=R.I qui correspond à la loi d’Ohm et sa valeur est constante dans le temps.

Dans les vidéos modèles, une résistance est représentée soit par son symbole traditionnel en zigzag, soit par un parallélépipède rectangle pour sa représentation simplifiée. Dans tous les cas, le symbole est de couleur verte.

La différence de potentiel est caractérisée par une différence de hauteur entre les deux bornes de la source, d'où l'intérêt particulier d'utiliser une représentation en 3D. Celle-ci permet ainsi de rapidement apercevoir qu'il y a une tension présente entre les deux bornes, la valeur de la résistance est toujours affichée en déca du symbole de la source.

Bouton 6 :

Source de courant (I) :

Une source de courant est un dipôle permettant d’imposer un courant (mesuré en Ampères) stable à ses bornes pour une plage de tension donnée. Schématiquement, elle possède une résistance interne mise en parallèle de valeur infinie et le courant qu’elle fournit est constant.

Dans les vidéos modèles, une source de courant est représentée par une flèche symbolisant le sens de parcours du courant, entourée soit d’une ou soit de deux ellipses de couleur dorée.





 

La pratique

Pour la pratique, on a immédiatement pensé à un système d'interaction. En effet, pour faciliter l'apprentissage des circuits, il est intéressant d’utiliser des moyens didactiques, comme l'interactivité. L’idée était de soit permettre aux utilisateurs de choisir eux-mêmes des valeurs pour les circuits et de voir ce que cela donne ou soit de leur permettre de sélectionner des valeurs dans une gamme existante. Ce concept avait déjà été introduit pour les 2BA par l’exemple du circuit ci-dessous, repris tel quel car très intéressant mais dont la réalisation est encore au stade de prototype. Pour le réaliser, il faut introduire les équations de circuit avec les différentes valeurs des composants (sous forme de layer) directement dans un fichier tel que le SMa.ini (fichier de configuration qui sert de source et écrase le SMa.SCHDOC utilisé par défault) et le faire traiter par le serveur de vidéosmodèles. Néanmoins, par manque de temps nous n’avons pu réaliser notre propre circuit interactif mais souhaitons partager cette idée avec tous.

Résistance alimentée par source de tension - résistance alimentée par source de courant

Cliquez sur un composant pour modifier sa valeur, source de tension: 0, 1, 2 ou 3V, source de courant: 0, 1, 2 ou 3A, résistances: valeur identique de 0, 1, 2, 3 ou Inf ohms.

Vous pouvez remarquer l'avantage de cette idée dans notre cas puisque par rapport à un vidéomodèle évoluant en fonction du temps, on est plus immergé dans le circuit. Ludique pour des débutants qui souhaitent comprendre des circuits linéaires mais sans intérêt particulier pour des montages plus complexes où la vidéo indispensable se concilierait plus difficilement avec ce concept.


Les circuits

Voici un aperçu des circuits vidéomodèles que nous avons réalisé. Notre domaine d'étude étant limité à des circuits très simples, nous n'avons pas jugés les vidéos comme étant démonstratives. Ainsi, la vidéo ci-dessous ne sert qu'à titre d'exemple car ce sont les fichiers JPG, images statiques des circuits qui sont les plus explicites pour notre approche didactique. La vitesse de lecture n'est pas optimale car nous n'avions pas prévu d'exploiter le fichier vidéo à proprement parlé.

Circuit linéaire résistif:


Fig 2.0 : Circuits résistifs simples en représentation vidéomodèle. Avec une source de tension au dessus et de courant en bas.

Sur le circuit du dessus, on peut remarquer que lorsque la résistance varie, la chute de tension à ses bornes reste constante. Pourtant, ne dit-on pas qu'une résistance induit une chute de potentiel ? Dès lors, d'une résistance à l'autre, cette différence de potentiel ne devrait-elle pas différer ?

Non, car dans une maille la somme des différences de potentielle doit être nulle (attention au signe). De plus, la chute de tension aux bornes d'une résistance répond à la loi d'Ohm :

U = R * I

Or, dans ce circuit, on impose la tension par la source. C'est donc le courant (I) qui la traverse qui varie.

Dans l'autre circuit (celui du bas) on peut voir par contre que la tension aux bornes de la résistance varie en fonction de celle-ci. Trivial puisque, d'après la formule puisque la source n'impose plus la tension mais le courant. Et celui-ci ne varie pas dans une même maille.

Montage en Série :

 
Fig 2.1 & 2.2 : Circuits résistifs en série dans une schématique ALtium. À gauche, source de tension, à droite source de courant.

On peut observer quelque soit la source que, lorsque les 2 résistances ont même valeur, alors, leur chute de potentiel est identique.
Si on double la valeur d'une des deux résistances, on observe que la chute de potentiel de cette dernière est 2 fois plus importante que celle de l'autre ce qui vérifie bien et la loi d'Ohm et le principe de la résistance équivalente.

À savoir qu'en série, Réq = ∑Rn
Ou en condensé, la loi du diviseur de tension :
Ua = U * Ra/(∑Rn)

Vous pouvez vous amuser à vérifier par vous même que les constations dans le cas d'un simple circuit (une source + une résistance) sont toujours valables.

Montage en parallèle :

 
Fig 2.3 & 2.4 : Circuits résistifs en parallèle dans une schématique ALtium. Avec une source de tension (à gauche) ou de courant (à droite).

Les circuits semblent peut changer et pourtant le comportement est radicalement différent. En effet, désormais nos circuits comportent 3 mailles ce qui implique des nœuds et donc un courant qui n'est plus égal en tout point du circuit (hormis cas particuliers).
On peut observer que quelque soit la valeur des résistances et le type de source, les chutes de potentiel sont identiques (loi des mailles).
Si les résistances sont identiques, alors, elles sont aussi traversées par le même courant. Par contre si l'une d'elles est 2 fois plus importante que l'autre alors, le courant y sera 2 fois plus faible comme l'indique loi d'Ohm sachant que la chute de potentiel à leurs bornes est identique.
Ces circuits permettent de mettre en évidence le principe de la résistance équivalente dans des circuits parallèles et celui du diviseur de courant.

En parallèle Req = 1/[∑(1/Rn)] et Ia = I * Req (Ra + Req)

Vous pouvez vous amuser à vérifier par vous même que les constations dans le cas d'un simple circuit (une source + une résistance) sont toujours valables.

Conclusion générale

Bien qu'ayant rencontré différentes difficultés au cours de ce projet (principalement d'ordre organisationnel), celui-ci c'est avéré tout de même instructif pour nous. Si au début, il nous semblait des plus simples, on a fini par réaliser qu'expliquer des notions "élémentaires" n'était finalement pas si facile. En effet, les choses simples s'expliquent simplement mais faut-il encore réussir à trouver les bons exemples, les bonnes explications et que celles-ci bien que simples transmettent l'information nécessaire. Aussi, il était très facile d'être insatisfait d'une formulation, de la changer et au final réaliser que c'était la plus adapatée et y revenir. D'un point de vue des moyens qui permettent d'exploiter les vidéosmodèles pour faciliter l'apprentissage, nous avons exploré certaines pistes mais l'aspect le plus important reste la pédagogie.


Références utilisées ou citées :

- Syllabus d'électricité 1BA et d’électronique 2BA ECAM
- http://fr.wikipedia.org/wiki/Source_de_courant
- http://fr.wikipedia.org/wiki/Source_de_tension
- http://fr.wikipedia.org/wiki/R%C3%A9sistance_(%C3%A9lectricit%C3%A9)
- Le circuit interactif provient du cours de 2BA en Electronique sous Eole, réalisé par M. Gueuning, professeur à l'ECAM.
- Les images (source de courant, tension, résistances,...) sont extraitess des vidéomodèles conçus et développées par M. Gueuning.
- Les autres images ont entièrement été rélalisées nous-même sans source extérieure à l'aide de : GiMP, Altium Designer