EXERCICE I: PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT D'UNE MINUTERIE

Sujet RC type bac PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT D'UNE MINUTERIE (7,5
points) (1h30) L'objet de cet exercice est d'étudier le principe de fonctionnement d'une
minuterie
permettant d'éteindre une lampe automatiquement au bout d'une durée t0
réglable. Le montage du circuit électrique est constitué :
- d'un générateur idéal de tension, de force électromotrice E = 30 V. - d'un interrupteur K. - d'un conducteur ohmique de résistance R. - d'un condensateur de capacité C. - d'un bouton poussoir P qui joue le rôle d'un interrupteur : il est
fermé seulement
quand on appuie dessus. - d'un composant électronique M qui permet l'allumage de la lampe L tant
que la tension aux bornes du condensateur est inférieure à une tension
limite, caractéristique du composant, notée U[pic] (dans tout
l'exercice on fixera U[pic] à une
valeur constante égale à 20 V). Le composant électronique M possède une alimentation électrique propre (non
représentée
sur le schéma) qui lui fournit l'énergie nécessaire à l'allumage de la
lampe.
De ce fait, on admettra que le composant électronique M ne perturbe pas le
fonctionnement
du circuit RC, c'est-à-dire que la tension aux bornes du condensateur est
identique que
M soit présent ou non dans le circuit.
I - Étude du circuit RC
A l'instant initial (t = 0 s), le condensateur est déchargé. On ferme
l'interrupteur K, le bouton poussoir P est relâché (voir schéma ci-dessus). 1. On souhaite visualiser les variations de la tension uC aux bornes du
condensateur en fonction du temps à l'aide d'un oscilloscope à mémoire.
Indiquer les branchements à réaliser (voie 1 et masse) sur le schéma
suivant :
2. Montrer que l'équation différentielle donnant les variations de la
tension uC(t) aux bornes
du condensateur en fonction du temps est de la forme : uc(t) + RC[pic]= E
3. a) En vérifiant que la fonction du temps uc(t) = A (1 - e-t/() est
solution de l'équation différentielle précédente montrer que A = E et
que ( = RC. b) Quelle est la valeur de uC en régime permanent ? c) Quel est le nom donné à la constante ( ?
A l'aide d'une analyse dimensionnelle, donner l'unité de la constante
(. La représentation graphique de la fonction uC(t) est donnée sur la figure
suivante : Faire apparaître sur ce graphe sans aucune justification :
. la tension E,
. la constante (,
. les régimes permanent et transitoire. Calculer la valeur de la constante ( pour R = 100 k( et C = 200 µF.
6. a) Donner l'expression littérale de la date t0 à laquelle la tension aux
bornes du
condensateur atteint la valeur limite U[pic] en fonction de U[pic]
, E et (. (t0 est la durée
d'allumage de la lampe).
b) Calculer la valeur de t0 et vérifier la validité du résultat à l'aide
du graphe uC(t) fourni
ci-dessus.
c) On a fixé U[pic] à 20 V pour obtenir une durée d'allumage t0 voisine
de (. Pour quelle
raison choisir t0 très supérieur à (, n'aurait pas été judicieux
pour un tel montage ? Quel(s) paramètre(s) du montage peut-on modifier sans changer le générateur
afin d'augmenter la durée d'allumage de la lampe ?
En fixant C = 200 µF quelle valeur doit-on donner à la résistance R
pour obtenir une
constante de temps d'une minute ? On appuie sur le bouton poussoir. Que vaut la tension aux bornes du
condensateur ?
La comparer à U[pic] . Que se passe-t-il pour la lampe dans les cas
suivants :
a) la lampe est déjà allumée ?
b) la lampe est éteinte ?
II - Méthode d'Euler
On se propose maintenant de résoudre numériquement l'équation
différentielle établie à la question I-2, R et C conservant les valeurs R =
100 k( et C = 200 µF. A partir de cette équation différentielle, donner la relation entre la
dérivée [pic] et la tension uC(t).
La méthode d'Euler permet de calculer successivement les valeurs de uC(t)
et de [pic] à
un intervalle de temps régulier (t appelé le pas. En prenant un pas suffisamment petit on peut écrire la relation : uC(t + (t) = uC(t) + [pic]. (t Pour cette étude, on prend un pas égal à : (t = 2 s. 2. En utilisant l'expression littérale ci-dessus, compléter dans le tableau
ci-après les colonnes correspondant aux dates t = 2 s et t = 4 s.
t (s) |0 |2 |4 |6 |8 |10 |12 |... |20 | |uC (t) |0 | | |8,14 |10,3 |12,3
|14,1 |... |19,6 | |[pic] |1,50 | | |1,09 |0,99 |0,89 |0,80 |... |0,52 | | 3. Le document suivant représente un agrandissement de la courbe uC(t)
donnée ci-dessus. Tracer sur ce document, la partie du graphe
uC(t) correspondant à ce tableau. Que constatez-vous ? 4. On peut améliorer la précision de la méthode d'Euler en modifiant la
valeur du pas (t. Quelle modification pourrait-on apporter à la valeur
du pas (t ?
Quel serait l'inconvénient de cette modification ?
-----------------------
M L D B A K R E C P + - uC
uc - + P C E R
K A B D L M