Chaîne de puissance et chaîne d'information : cours de Seconde SI

Prends un portail automatique, une trottinette électrique ou un volet roulant motorisé. Quand tu appuies sur un bouton, quelque chose bouge : un moteur tourne, une porte s'ouvre, une roue avance. Mais le mouvement ne vient pas tout seul. Il faut de l'énergie pour le produire, et il faut aussi de l'intelligence pour décider quand et comment le produire.

En sciences de l'ingénieur, on sépare ces deux rôles. D'un côté, tout ce qui concerne l'énergie : d'où elle vient, comment elle est dosée, transformée et transmise jusqu'à l'endroit où elle est utile. C'est la chaîne de puissance. De l'autre, tout ce qui concerne les données : mesurer, calculer, décider, informer l'utilisateur. C'est la chaîne d'information. En STI2D, les deux chaînes sont d'ailleurs étudiées sous un angle fonctionnel et structurel.¹

Dans ce cours, tu vas apprendre à :

• nommer les grandes fonctions de la chaîne de puissance et reconnaître les composants qui les réalisent ;
• identifier les constituants de la chaîne d'information d'un objet technique ;
• comprendre comment les deux chaînes se parlent ;
• analyser un système réel avec une méthode simple et reproductible.

Tu as déjà vu la démarche d'ingénierie, l'analyse fonctionnelle et le lien entre matériaux et environnement. Ici, tu entres dans le fonctionnement interne d'un produit innovant. Ce travail prépare la suite du chapitre, le prototypage et la simulation : on ne peut pas simuler ou fabriquer un prototype sans savoir quelles fonctions il doit assurer.

La chaîne de puissance regroupe les éléments qui amènent l'énergie jusqu'à l'action finale. Pour la décrire, on la découpe en fonctions. Les ressources pédagogiques de référence l'organisent autour de cinq points : alimenter, moduler, convertir, transmettre et agir.⁴

Ces cinq mots sont des verbes d'action. Pour chacun, tu dois savoir répondre à la question : que fait-on à l'énergie à cette étape ?

Pour fixer les idées, suivons une trottinette électrique du point de vue de l'énergie.

Alimenter

La source d'énergie peut être une prise du secteur, une batterie, une pile, un panneau photovoltaïque ou une réserve de carburant. Le choix dépend de l'usage : un outil de chantier utilisé sans arrêt n'a pas les mêmes besoins qu'une télécommande qui fonctionne quelques secondes par jour.

Moduler

Sans modulation, le moteur recevrait toute l'énergie dès qu'il est branché, ou rien du tout. Moduler, c'est doser. Le composant qui le fait s'appelle un préactionneur : il reçoit un ordre de faible puissance, venant de la chaîne d'information, et commande une énergie de forte puissance. Un relais, un contacteur, un variateur ou un transistor de puissance jouent ce rôle. C'est le point de rencontre des deux chaînes.

Convertir

Un actionneur convertit l'énergie. Le moteur électrique transforme l'électricité en mouvement ; une résistance chauffante la transforme en chaleur ; une lampe en lumière ; un vérin pneumatique convertit l'énergie de l'air comprimé en un mouvement de translation.

Transmettre

Le mouvement produit par l'actionneur n'est presque jamais adapté tel quel. Un moteur tourne vite avec peu d'effort, alors qu'on veut souvent tourner lentement avec beaucoup d'effort. Un réducteur à engrenages, une courroie, une chaîne ou un système vis-écrou adaptent la vitesse, la force ou le type de mouvement (rotation vers translation, par exemple).

Agir

C'est la fonction qui rend la chaîne utile. L'effecteur (la roue, la lame d'une scie, le vantail du portail, la pince d'un robot) agit directement sur ce qu'il faut déplacer, couper, chauffer ou éclairer.

Dans les progressions de technologie, la chaîne d'information est souvent abordée après la chaîne d'énergie.² Elle répond à trois questions : que se passe-t-il autour du système ? Que faut-il faire ? Comment le dire à l'utilisateur ou le recevoir de lui ?

On y retrouve trois familles de constituants que les élèves doivent savoir identifier, avec leurs fonctions : les capteurs, le microcontrôleur et les composants de l'interface homme-machine (IHM).²

Ce que fait chaque constituant

• Acquérir : les capteurs transforment une grandeur physique en signal. Une barrière infrarouge détecte qu'un obstacle gêne la fermeture d'un portail. Un contact de fin de course indique que le vantail est arrivé en butée.
• Traiter : le microcontrôleur compare ces signaux à ce qu'il attend. Il applique des règles du genre : si le portail est fermé et si l'utilisateur appuie sur la télécommande, alors ouvrir.
• Communiquer : l'IHM envoie des consignes (appui sur un bouton) vers le microcontrôleur et renvoie des informations (voyant allumé, message à l'écran) vers l'utilisateur.

Les entrées de l'IHM, comme un bouton, se comportent donc comme des capteurs, tandis que ses sorties, comme un voyant, informent la personne.

Un système automatisé tient en une phrase : l'information commande la puissance, et la puissance agit sur le milieu extérieur. Les mesures faites par les capteurs peuvent revenir vers le microcontrôleur, qui ajuste ses ordres : on parle de régulation lorsque le système corrige son action en fonction du résultat obtenu.

Le schéma complet d'un système se lit ainsi :

1. l'utilisateur ou l'environnement fournit une information (appui, mesure) ;
2. la chaîne d'information la traite et élabore un ordre ;
3. le préactionneur transforme cet ordre en dosage d'énergie ;
4. l'actionneur convertit l'énergie ;
5. la transmission adapte le mouvement ;
6. l'effecteur agit ;
7. des capteurs observent le résultat et renvoient l'information.

À chaque conversion ou transmission, une partie de la puissance se perd, le plus souvent sous forme de chaleur (frottements, effet Joule). La puissance disponible en sortie d'un composant est donc inférieure à celle qu'il reçoit.

On mesure cette qualité par le rendement, noté $\eta$ :

$\eta = \frac{P_{\text{sortie}}}{P_{\text{entrée}}}$

Le rendement est un nombre compris entre $0$ et $1$ (ou entre $0\,\%$ et $100\,\%$). Un moteur de rendement $0{,}8$ transmet $80\,\%$ de la puissance reçue.