Brevet FR2817990A1 — publié le 20020614

La présente invention concerne des dispositifs permettant la réalisation de maquettes pédagogiques pour l'enseignement des sciences, en particulier pour l'enseignement de l'électronique de puissance. Les maquettes pédagogiques scientifiques actuellement proposées ont des possibilités limitées ou sont d'un coût prohibitif et difficiles à appréhender par les élèves parce que d'apparence trop complexe. On connaît des dispositifs d'enseignement de l'électronique dans lesquels la face avant est détachable et permet de changer de montage en remplaçant ladite face avant, qui porte des bornes et une partie du montage. Ces dispositifs sont relativement coûteux, et sujets à des défauts de fonctionnement à cause des branchements par connecteurs lors de l'insertion de la face avant dans le boîtier principal. Les dispositifs didactiques proposés ne présentent pas ces inconvénients, car la partie électronique reste solidaire du boîtier. La face avant comporte des figures et des dispositifs simples produisant les commutations nécessaires à l'intérieur du boîtier. On connaît par ailleurs des jouets de type questions-réponses comportant une face avant amovibles, ces faces avant sont changées en fonction du questionnaire. Ces dispositifs n'ont pas encore trouvé d'application dans l'enseignement de l'électronique. Les dispositifs selon l'invention assurent de nouvelles fonctions. Les dispositifs proposés comportant des caches permettent à l'utilisateur de comprendre rapidement les montages d'électronique en occultant les éléments inutiles et en mettant en évidence des sous-montages. Les montages proposés restent ainsi d'apparence simple alors que le nombre d'expérimentations possibles est assez important. Ces caches permettent en outre de commuter des fonctions sur le boîtier et de fournir une aide contextuelle à l'utilisateur. Le principe de fonctionnement du système proposé sera mieux compris à l'aide des figures suivantes : la figure 1 schématise les composants principaux d'un exemple de boîtier selon l'invention ; des exemples de caches adaptés à ce boîtier sont présentés figures 2 et 3, les figures 4a, 4b, 4c illustre une autre application du système. Le cache présenté figure 2 permet l'étude d'un montage redresseur simple à deux diodes ; la figure 3 présente un montage pont mixte à diodes et thyristors. Les figure 4a, 4b, 4c présentent une variante du système adaptée à l'étude des hacheurs. Sur la figure 1, le boîtier rectangulaire (1) comporte des bornes de branchement électrique numérotées de 2 à 20, des diodes numérotées de 21 à 26 et des thyristors numérotés de 27 à 32 ; il comporte également des interrupteurs inverseurs numérotés de 33 à 38, commandés par des boutons à bascule (39) et (40) ; l'élément (41) est un interrupteur à bascule de mise sous tension de l'électronique de mesure et de commande, il est associé à un voyant lumineux (42) ; Les éléments numérotés de 43 à 48 sont des voyants lumineux indiquant la mise en fonctionnement des thyristors, l'angle de retard des thyristors est commandé par le bouton d'un potentiomètre (49), il est lu sur l'afficheur digital (50). Les dispositifs de génération d'impulsions adaptés aux thyristors en montages redresseurs monophasés et triphasés sont bien connus et ne sont pas représentés. Les bornes (17) et (18) sont destinées à être reliées à une charge électrique extérieure. Les bornes telles que (2) et (3) sont à des distances telles qu'elles peuvent être reliées par un cavalier amovible (52), le dispositif comporte six cavaliers, trois seulement (52) à (54) sont représentés. Les bornes (19) et (20) sont reliées au primaire d'une sonde à effet Hall permettant une mesure de courant isolée dans n'importe quel composant du montage en substituant un cavalier par une liaison aux bornes (19) et (20), la mesure se fait sur un appareil connecté à la borne coaxiale (51). Suivant la position des cavaliers on peut réaliser plusieurs montages allant du redresseur simple à deux diodes et transformateur à point milieu (figure 2), jusqu'au pont double triphasé (pont de Graëtz de la figure 3). Les inverseurs (34) à (39) associés aux boutons de commande (40) et (41) permettent de choisir entre montage à diodes et montage à thyristors, on pourra également réaliser des ponts mixtes. Dans une variante chaque inverseur (34) à (39) est associé à une commande individuelle, ce qui permet de réaliser tous les ponts mixtes monophasés. Le dispositif (60) comporte plusieurs émetteurs et récepteurs optiques (ici 3) permettant de lire par émission d'un signal lumineux puis réflexion sur des marques un code. Les boutons de commande des inverseurs à bascule (39), (40) comportent un ensemble mobile composé d'une partie plane parallèle au plan de la face principale de la maquette d'une part, et une partie en saille d'autre part. Ils sont commutés par pression sur la partie mobile du bouton se trouvant en saillie. Ces commutateurs peuvent être commandés manuellement ou indirectement en plaçant sur le coffret représenté par la figure 1 un cache rigide avec des évidements laissant passer la partie en saillie. Un tel cache est présenté figure 2 il correspond à un montage redresseur à deux diodes et transformateur à point milieu. Des ouvertures dans ce cache permettent de rendre visible certaines bornes (4), (5), (6), (7), (16), (17), (18), (19), (20). D'autres ouvertures (59), (62), (64), (55), sont prévues laisser passer respectivement l'interrupteur général d'alimentation, la borne coaxiale, un bouton de réglage, le voyant de mise sous tension. Enfin les ouvertures (65) et (66) laissent passer une partie seulement des boutons commutateurs à bascule (39) et (40), de façon à provoquer une commutation choisie à fin d'assurer la mise en service des thyristors ou des diodes. Sur la figure 1, le commutateur (39) est en position thyristor , en plaçant (figure 2) une ouverture sur sa partie gauche (65) du bouton de commande à bascule, on impose la mise en service des diodes (22) et (23). De même grâce à l'ouverture (66), le commutateur (40) met en service les thyristors. Ainsi lorsque l'on place le cache de la figure 2 sur le boîtier de la figure 1, on assure les commutations des deux inverseurs. Les bornes de la figure 1 qui ne sont pas utilisées sont cachées sur la figure 2, une réalisation pratique comprendrait des renflements épousant la forme des bornes cachées. Sur le cache simplifié représenté figure 2 on a représenté le renflement (63) correspondant à l'emplacement de l'afficheur d'angle de retard qui n'est pas utile pour un montage à diodes. Sur le cache sont également indiqués les emplacements (56), (57), (58) des indicateurs lumineux de fonctionnement des thyristors, les emplacements des cavaliers (53) et (54), ainsi que le titre (67) du montage étudié, et, en pointillés les branchements des organes extérieurs à relier, comme le transformateur (68) et la charge (69). Par ailleurs le cache porte des indications telles que secteur alternatif , point milieu pour faciliter les branchements extérieurs et l'utilisation du système. La figure 3 présente un cache pour l'étude du pont mixte triphasé à thyristors, l'ouverture (70) permet de faire apparaître l'afficheur (50) du boîtier principal, les ouvertures (65) et (66) assurent les commutations des boutons à bascule (39) et (40) de façon à réaliser un pont mixte ; les branchements des cavaliers tels que (52), (53), (54) sont indiqués. Le cache porte les indications du branchement de la charge extérieure aux bornes (17) et (18), et de l'alimentation aux bornes (8), (9), et (10). Au verso le cache porte des marques (71) ou des taches réfléchissantes correspondant à un code binaire permettant au système de lecture du boîtier principal de déterminer le type de commande à appliquer aux thyristors du montage, par l'intermédiaire du système optique de lecture (60). Les trois marques (71) permettent de distinguer sept montages distincts. Ainsi un système générateur d'impulsions à microprocesseur pourra par exemple déterminer s'il doit appliquer des impulsions déphasées de 1800 pour un redresseur monophasé ou de 120 pour un redresseur triphasé. D'autres montages sont possibles avec le même boîtier en changeant simplement le cache supérieur, par exemple en enlevant tous les cavaliers, en commutant les boutons à bascule (39) et (40) en position thyristors , et en reliant deux par deux par des fils extérieurs les bornes (3) et (11), (5) et (12), (7) et (13), on réalise un montage gradateur triphasé ; La charge est branchée aux bornes (11), (12), (13), et l'alimentation aux bornes (8), (9), et (10). Ces indications de câblage seront mentionnées sur un cache spécifique. Les caches peuvent être détachables ou démontables ils ne recouvrent pas nécessairement tout le boîtier. Dans certains cas il peut s'avérer nécessaire de fixer le cache amovible au boîtier par des vis, pour des raisons de sécurité électrique ; on n'a pas représenté sur les figures cette fixation. Naturellement le système de boîtier avec caches s'applique à tout type de montage d'électricité ou d'électronique : on pourra présenter dans le même boîtier plusieurs montages hacheur à transistor par exemple. Sur figure 4a, on a représenté un transistor (1), une diode (2), une résistance shunt pour la mesure du courant (3), une alimentation continue (4), le branchement de la résistance de charge externe (5), ainsi que l'inductance de la charge (6). Les éléments tels que (7) sont des bornes de branchement. Cet ensemble permet de réaliser un hacheur série. Un hacheur parallèle (non représenté) pourrait aussi être réalisé avec le même montage de base. La figure 4b présente avec des éléments semblables un hacheur réversible en courant, et la figure 4c un hacheur quatre quadrants en pont. L'élément (8) est un cavalier de connexion. Ce dernier montage peut également fonctionner en onduleur autonome avec une commande adaptée ; cette adaptation peut être commandée par exemple en basculant mécaniquement des inverseurs par application d'un cache ou par lecture du code optique associé au cache, comme il a été expliqué précédemment. Revendications 1) Maquette pédagogique pour l'enseignement des sciences comprenant un boîtier muni d'un montage électronique et de bornes fixes caractérisé par le fait qu'une partie au moins de sa face principale est détachable, et, par l'utilisation de caches, permet de masquer certaines parties du montage et d'en détailler d'autres, ainsi les montages complexes peuvent être décomposés en sous- ensembles plus faciles à comprendre. 2) Maquette pédagogique suivant la revendication (1), comportant des montages à diodes et à thyristors, caractérisée par le fait qu'on substitue une diode à un thyristor par basculement d'un interrupteur. 3) Maquette pédagogique suivant la revendication (1), caractérisée par le fait que les caches amovibles provoquent le basculement de commutateurs lors de leur mise en place, imposant ainsi certains modes de fonctionnement. 4) Maquette pédagogique suivant la revendication (1), caractérisée par le fait que les caches amovibles comportent des codes (71) lisibles par un dispositif de lecture (60), de sorte que le boîtier puisse se mettre dans certains modes de fonctionnement préétablis 5) Maquette pédagogique suivant la revendication (1), caractérisée par le fait qu'elle comporte une sonde à effet Hall pour la mesure isolée des courants. 6) Maquette pédagogique suivant la revendication précédente, caractérisée par le fait qu'elle comporte des cavaliers permettant des modifications du montage et des mesures de courant.