Fonction Distribuer

Un distributeur (ou préactionneur) est un composant chargé de distribuer à l’actionneur la puissance disponible.

La fonction DISTRIBUER peut prendre différentes formes :

  • distribution tout ou rien : toute la puissance disponible est mise (ou pas) à disposition de l’actionneur.
    relais, relais statiques, contacteurs, distributeurs pneumatiques…
  • modulation : la puissance est distribuée de manière progressive.
    variateurs de vitesse et démarreurs progressifs d’un moteur, gradateurs permettant de régler l’éclairement d’une lampe, …
  • régulation : la puissance est modulée en fonction d’une consigne.

Pour distribuer l’énergie électrique, il faut :

  • une source d’énergie électrique (secteur EDF, batterie d’accumulateurs, pile …)
  • un actionneur qui reçoit l’énergie électrique pour la convertir en énergie lumineuse, chaleur, énergie mécanique, …
  • un commutateur qui autorise ou non le transfert d’énergie (circulation du courant électrique) du générateur vers le récepteur.

Dans la plupart des systèmes techniques, les contacts qui distribuent l’énergie ne sont pas manœuvrés manuellement mais à partir d’une grandeur électrique (tension ou intensité de courant) utilisée pour transmettre un ordre en provenance de la fonction TRAITER.
Les composants de commutation réalisent donc la liaison entre la chaîne d’information et la chaîne de puissance.

 

Les composants réalisant la fonction DISTRIBUER

Énergie électrique

Les contacteurs électromagnétiques

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Un relais électromagnétique s’apparente à un interrupteur dont les contacts ne sont pas manœuvrés manuellement mais par un électroaimant qui attire une armature mobile lorsque sa bobine est traversée par un courant électrique.

Le relais est donc commandé par un courant électrique. L’énergie électrique nécessaire pour actionner le contact est relativement faible.

Rappel : sur un schéma, un contact est toujours représenté au repos.

On en rencontre sous la dénomination de relais miniatures ou relais reed dans des boitiers très compacts :

 

Les contacteurs industriels sont des relais électromagnétiques spécialisés dans la distribution de l’énergie électrique fournie par le réseau Enedis.
La bobine est généralement alimentée sous une tension continue ou sinusoïdale de 24 V, le contacteur possède un pouvoir de coupure, une tension de coupure et une intensité de courant de coupure très élevés autorisant la distribution de l’énergie électrique dans des actionneurs de forte puissance, les contacts auxiliaires, n’ayant pas un fort pouvoir de coupure, sont utilisés, dans le circuit de commande, comme information d’état du contacteur.

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Les interrupteurs à lame souple (souvent appelé ILS, ou bien reed) sont constitués d’une lame, capable de se déplacer en présence d’un champ magnétique, afin de fermer ou d’ouvrir un circuit.
On le rencontre sous la forme d’une capsule sous atmosphère non oxydante.

Caractéristiques des contacteurs électromagnétiques :

  • la résistance de la bobine de commande,
  • le nombre et la nature des contacts,
  • le pouvoir de coupure, exprimé en Volts.Ampère [VA]. C’est la puissance électrique maximum fournie au récepteur au moment de l’ouverture des contacts,
  • la tension de coupure est la tension maximum aux bornes du contact lorsqu’il est ouvert,
  • l’intensité de courant de coupure est l’intensité de courant maximum dans le circuit à l’ouverture des contacts.

Avantages / Inconvénients :

mise en œuvre simple. inertie due aux pièces mécaniques qui limite la fréquence de commutation,

usure des contacts,

étincelles à l’ouverture du circuit,

faible résistance aux chocs,

encombrement relativement important.

 

Le transistor bipolaire (en commutation)

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Un transistor possède trois bornes : la base B, l’émetteur E et le collecteur C.

Il existe des transistors NPN et PNP représentés par les symboles suivants :

Lorsqu’il fonctionne en commutation, le transistor se comporte, entre son collecteur et son émetteur, comme un contact qui peut être ouvert ou fermé.

  • dans l’état bloqué, la résistance de l’espace Émetteur-Collecteur devient très grande, s’opposant ainsi à la circulation du courant.
  • dans l’état saturé, la résistance de l’espace Émetteur-Collecteur est très faible, le courant électrique peut circuler, la valeur de \(V_{CE}\) est quasiment nulle.

Le transistor fait partie de la famille des commutateurs statiques car il est dépourvu de contacts mécaniques.

Avantages :

grande vitesse de commutation (pas limitée par des pièces mécaniques),
pas d’usure des contacts, donc très grande durée de vie,
pas d’étincelles à l’ouverture du circuit,
meilleure résistance aux chocs que les relais,
encombrement très faible.

Fonctionnement :

Le blocage ou la saturation est commandée par le courant de base \(I_B\) :

  • blocage : \(I_B=0\) bloque le transistor (espace Collecteur-Émetteur conducteur).
    Pour un transistor NPN, \(I_B=0\) si \(V_{BE} < 0,5\;\text{V}\)
    Pour un transistor PNP, \(I_B=0\) si \(V_{BE} >-0,5\;\text{V}\)
  • saturation : la valeur \(I_B\) nécessaire pour saturer le transistor doit satisfaire cette inégalité :

    Il suffit de choisir une valeur \(H_{FE}\) suffisamment grande pour que la valeur de \(I_B\) devienne compatible avec l’intensité du courant, généralement très faibles, fournie par la sortie des composants utilisés pour traiter les informations (circuits logiques, microcontrôleurs …).

 

Remarque : lorsqu’un transistor fonctionne en régime linéaire (\(I_B<\frac{I_{Csat}}{H_{FE}}\)), la résistance de l’espace Émetteur-Collecteur n’est pas négligeable : le transistor est dit passant.

 

Les dimensions d’un transistor bipolaire sont liées à sa puissance transmissible :

  Faible puissance  Moyenne puissance Forte puissance
Vue en
perspective
Nom du boîtier TO 92 TO 220 TO 3

 

Le transistor à effet de champ (en commutation)

Selon la technologie employée, on le rencontre sous les dénominations FET, MOS ou encore MOSFET. Il comporte trois bornes :

  • la grille G,
  • le drain D,
  • et la source S.

Il existe des transistors NMOS (MOS canal N) et PMOS (MOS canal P) représentés par les symboles suivants :

 

Ce commutateur statique se comporte comme un contact quasi-parfait entre le Drain et la Source :

  • ouvert lorsqu’il est bloqué,
  • fermé lorsqu’il est saturé.

C’est une commande en tension \(V_{GS}\) qui permet le passage d’un état à l’autre, pour un NMOS :

  • si \(V_{GS} >> V_{GSth}\) : l’espace Drain-Source est conducteur,
  • si \(V_{GS} < V_{GSth}\) : l’espace Drain-Source est non conducteur,

\(VGSth\) est une grandeur caractéristique (très petite) du composant fournie par son constructeur.

Le courant de commande étant nul, il est possible de commander un fort courant ID sans énergie de commande.

On utilise souvent des MOS de puissance pour l’alimentation des moteurs à courant continu.

Avantages :

grande vitesse de commutation
pas d’usure des contacts donc très grande durée de vie,
pas d’étincelles à l’ouverture du circuit,
meilleure résistance aux chocs que les relais, encombrement très faible,
comportement proche d’un interrupteur parfait,
résistance RDS connue et très faible.

 

Le relais statique

C’est un composant intégré :
il est qualifié de « statique » car il n’y a pas de contacts mécaniques.
son entrée est directement compatible avec la sortie des circuits logiques, des microcontrôleurs, des automates programmables … chargés de traiter l’information,
sa sortie est un commutateur statique équivalent à un contact ouvert ou fermé.

La sortie du relais statique peut être reliée à une source de courant continu ou à une source de courant alternatif. Cela dépend du modèle choisi.

 

Le hacheur

Le hacheur est un dispositif classé dans la catégorie des convertisseurs statiques continu- continu. Il a pour rôle de transférer l’énergie d’une source continue à une charge prévue pour être alimentée en continu. Il permet de faire varier la puissance transmise à la charge avec un rendement élevé.

Le hacheur est très utilisé en traction électrique à courant continu (chemin de fer, tram, locomotives de mines, voitures électriques). Il est également très employé dans les alimentations à découpage (alimentation d’ordinateur, chargeur de smartphone, …).

Principe du hacheur :

Imaginons que le hacheur soit un simple interrupteur électronique parfait \(H\), et la charge une résistance \(R\) :

  • lorsque \(H\) est fermé, le courant circule de la source vers la charge,
  • lorsque \(H\) est ouvert, la tension aux bornes de la charge disparaît.

 

L’interrupteur s’ouvre et se ferme selon un signal de commande carré \(U_{com}\) de période \(T\) et de rapport cyclique \(alpha\).

La valeur moyenne de la tension de sortie est : \(V_{moy}=\alpha E\)

Un hacheur réalise une modulation de largeur d’impulsion (MLI) ou Pulse-Width Modulation (PWM).

La fréquence doit être élevée par rapport à l’inertie de la charge.

 

Diode de roue libre

La charge est souvent de nature inductive (bobinage des moteurs, électroaimants, …).

Lorsque le courant alimentant la charge est coupé, l’inductance (ou self) de la bobine provoque une surtension très importante :

\(U_L=L_C \frac{\mathrm{d}I}{\mathrm{d}t}\)

Pour éviter l’apparition de cette tension, qui détruirait instantanément les transistors du circuit de distribution, il faut absolument mettre une diode en parallèle sur la charge : lors de l’ouverture de \(H\), la diode va se mettre à conduire et ainsi assurer la continuité du courant.

 

On la qualifie de diode de roue libre.

 

 

Énergies Pneumatique et Hydraulique

Le distributeur

Un distributeur est caractérisé par :

    • un nombre de positions,
    • un nombre d’orifices,
  • les possibilités de circulation du fluide pour chaque position.

 

Pour chacune de ses positions le fluide est autorisé ou non à circuler entre les orifices par des voies de circulations.

Exemples de distributeurs :

 

Commandes

Les distributeurs sont le plus souvent commandés par des signaux électriques, mais on peut rencontrer des commandes hydrauliques ou pneumatiques, des commandes manuelles, …

  • Un distributeur est dit monostable s’il ne possède qu’une seule position stable, à laquelle il retourne dès que le signal de commande est interrompu.
  • Dans le cas contraire, il est qualifié de bistable.

 

Accessoires

Un certain nombre d’accessoires permettent de contrôler la circulation du fluide (débit, sens, …).

Extrémités du circuit :

 

Exemples de dispositifs de commande de vérins :

 

 

Activités

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