Comment caractériser et exploiter un signal électrique ?

Codification des installations électriques

Pour codifier une installation électrique, nous utilisons une écriture normalisée qui permet à tous les professionnels d'échanger dans le même langage.

Types de circuits électriques

Si tous les dipôles sont branchés les uns à la suite des autres, le circuit sera donc en série. Un circuit électrique peut comporter des dérivations. Nous distinguerons alors les nœuds et les mailles.

La plaque signalétique des appareils électriques

Chaque appareil électrique possède une plaque signalétique, indiquant ses conditions nominales de fonctionnement.

Exemple d'une cafetière

Informations présentes sur la plaque signalétique

• 220-240 V : c'est la tension nominale de l'appareil, s'exprimant en Volts (V). Le réseau électrique domestique fournit une tension de 230 V en Europe. Il sera donc possible de brancher cette cafetière directement dans une prise.
• « ~ » indique que le courant doit être alternatif. Ce qui est le cas du réseau domestique.
• 50-60 Hz : c'est la fréquence nominale du courant alternatif. En France, la fréquence nominale du réseau électrique domestique est de 50 Hz.
• 500 W : c'est la puissance nominale de l'appareil, soit la puissance électrique qu'il va consommer.

Les circuits électriques et leurs grandeurs caractéristiques

Conditions de fonctionnement d'un circuit

1. Pour fonctionner, un circuit doit être fermé et alimenté (posséder un générateur)
2. Le sens du courant électrique, par convention part de la borne + à la borne – du générateur.
3. Comment mesurer les grandeurs caractéristiques d'un circuit :

Mesure de l'intensité avec l'ampèremètre

L'ampèremètre se branche en série, sa borne A du côté positif et COM du côté négatif. Attention au calibre qui doit être immédiatement supérieur à la valeur de l'intensité du courant. La grandeur donnée est alors l'Intensité :

• Symbole : I
• Unité : Ampère
• Symbole de l'unité : A

Mesure de la tension avec le voltmètre

Le voltmètre se branche en dérivation, sa borne V du côté positif et COM du côté négatif. Attention au calibre qui doit être immédiatement supérieur à la valeur de l'intensité du courant. La grandeur donnée est alors la Tension :

• Symbole : U
• Unité : Volt
• Symbole de l'unité : V

Lois de l'électricité

Voici les lois de l'électricité régissant la tension et l'intensité :

Courbe caractéristique d'un dipôle

Un conducteur ohmique possède une résistance, qui peut être soit mesurée grâce à un ohmmètre, soit déduite grâce à la loi d'Ohm.

Mesure avec l'ohmmètre

Il se branche directement sur le dipôle lorsque le circuit n'est pas alimenté. Il fournit une valeur en Ohm $\rm (\Omega)$.

Loi d'Ohm

Il faut mesurer l'intensité I traversant le dipôle, ainsi que la tension $\rm U$ à ses bornes. La résistance interne $\rm R$ du dipôle est donnée par :

$\rm U = R \times I$ avec U en Volts, I en Ampères et R en Ohm.

La courbe caractéristique du dipôle $\rm U=f(I)$ est alors une droite, et son coefficient directeur est la valeur de la résistance.

Les types de générateurs électriques

Il existe deux types de générateurs électriques qui se distinguent par la nature de la tension qu'ils fournissent.

Générateurs de tension continue

Générateur idéal : La tension fournie sera constante dans le temps et sa courbe $\rm U = f(t)$ sera une droite, de tension constante $\rm E_0$. À noter qu'un générateur de tension continue réel possède une résistance interne qui fera chuter sa tension au cours du temps.

Générateurs de tension alternative

La tension fournie varie dans le temps et la polarité (le sens du courant) s'inverse à intervalles de temps réguliers. Pour caractériser ce type de générateur, nous devons identifier plusieurs paramètres importants.

Paramètres caractéristiques

• La tension maximale $\rm U_{max}$ (en Volts $\rm V$) sur un sommet.
• La période $\rm T$ (en $\rm s$) : le temps nécessaire à un motif pour se reproduire.
• La fréquence $\rm F$ (en Hertz $\rm Hz$) : $\rm F = 1/T$.
• La tension efficace (en Volts $\rm V$), valeur qui serait fournie par un générateur de tension continue idéal équivalent : $\rm U_{eff}=U_{max}/\sqrt{2}$.

Exemple : le réseau électrique domestique

Voici la courbe $\rm U = f(I)$ du réseau électrique domestique. Cette courbe nous permet d'analyser les caractéristiques de la tension domestique.

Calculs pour le réseau domestique

Tension maximale : $\rm U_{max} = 320 V$

Tension efficace : $\rm U_{eff}=325.3/\sqrt{2} = 230~V$

Période : $\rm T = 20~ms = 0.02~s$

Fréquence : $\rm F = 1/0.02 = 50~Hz$

Caractéristiques de la tension domestique

La tension du réseau domestique présente trois caractéristiques principales :

• Périodique : les mêmes valeurs de tension se retrouvent à intervalles de temps réguliers
• Alternative : le signe de la tension s'inverse
• Sinusoïdale : le motif s'apparente à la fonction mathématique sinus