L'énergie et ses conversions
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Physique-Chimie
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Sujet inédit
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La lampe à LED
Les lampes à LED sont constituées de plusieurs LED par ampoule, parfois plus de 100 !
Document 1 Une lampe à LED
ph© Igor Dolgov/Dreamstime.com
Les lampes à diode électroluminescentes produisent de la lumière en transformant l'électricité en lumière en dissipant très peu de chaleur. Les lampes à LED sont utilisées en tant que source de lumière, sachant qu'elles offrent alors une longue liste d'avantages. Ainsi une lampe à LED propose une durée de vie prolongée qui peut aller jusqu'à 100 000 heures. Une LED ne fonctionne qu'en courant continu, toutes ces lampes nécessitent donc l'usage d'un transformateur ou un circuit interne qui diminue la tension et la transforme.
Document 2 Une lampe à 16 LED
Le schéma du circuit suivant montre l'intérieur d'une lampe à 16 LED toutes identiques. Les éléments nommés C1 et D17 servent à transformer la tension du secteur : ainsi il s'établit une tension continue de UAB = 15 V entre les points A et B. L'intensité totale du courant est I = 40 mA.
Les 4 résistances sont identiques et ont pour valeur R1 = R2 = R3 = R4 = 100 Ω. Leur rôle est de protéger les LED.
Document 3 Une lampe à LED de moindre qualité
Le circuit ci-dessus représente une autre lampe à 10 LED identiques. Chaque LED fonctionne à UD = 3,3 V et sa puissance nominale est de P = 66 mW. Cette lampe nécessite une tension continue de U′ = 36 V pour fonctionner.
▶ 1. Dessiner le diagramme d'énergie d'une lampe à LED à l'aide du document 1.
▶ 2. Calculer la valeur des intensités des courants I1, I2, I3 et I4 dans chaque branche du circuit du document 2.
▶ 3. Pour la lampe à LED du document 2 :
a) Quelle est la valeur de la tension aux bornes de chaque branche en dérivation contenant une résistance et quatre LED ?
b) Calculer la valeur de la tension UR aux bornes de chaque résistance.
c) Calculer la valeur de la tension ULED aux bornes de chaque LED.
▶ 4. Dans la lampe à 16 LED, celle appelée D1 grille.
a) Les LED appelées D2, D3 et D4 continuent-elles de fonctionner ? Pourquoi ?
b) Les autres LED fonctionnent-elles toujours ou non ? Pourquoi ?
▶ 5. Pour la lampe à LED du document 3 :
a) Calculer l'intensité du courant I′ dans une LED.
b) Donner l'intensité du courant dans la résistance R′ en justifiant.
▶ 6. Calculer la tension aux bornes de la résistance R′ du circuit du document 3.
▶ 7. a) Si l'une des LED du circuit du document 3 grille, les autres LED continuent-elles de fonctionner ? Pourquoi ?
b) Pourquoi cette lampe est-elle qualifiée de « moindre qualité » par rapport à celle à 16 LED ?
Les clés du sujet
Comprendre les documents
Le document 1 donne un certain nombre des propriétés des LED.
Le document 2 schématise l'intérieur d'une lampe à LED. La façon dont les LED sont disposées ici a été étudiée en classe et porte un nom dont il faut se souvenir.
La particularité du type de circuit du document 3 a été elle aussi étudiée en classe.
Répondre aux questions
▶ 2. et 3. La forme particulière de ce circuit régit la loi des intensités et celle des tensions. Utilise la formule qui lie R, U et I vue en cours.
▶ 4. Cette question porte sur les circuits lorsqu'il y a une panne. Il faut déterminer d'abord si la branche dont il est question est ouverte ou fermée.
▶ 5. Souviens-toi des lois des intensités et des tensions.
▶ 7. b) Quel est le défaut, en cas de panne, des circuits à une boucle ?
Corrigé
▶ 1. Voici le diagramme de la lampe à LED :
Remarque
Ton raisonnement concerne la partie du circuit qui se trouve à droite des points A et B. C'est un circuit en dérivation.
▶ 2. L'intensité I se partage entre les branches dérivées d'après la loi :
I = I1 + I2 + I3 + I4.
D'autre part I1 = I2 = I3 = I4 car les dipôles branchés dans ces branches sont identiques (une résistance R et 4 LED identiques). D'où :
I1 = I2 = I3 = I4 = = 10 mA.
▶ 3. a) La tension est la même aux bornes des branches en dérivation ; elle est égale à UAB = 15 V.
b) On applique la loi d'Ohm aux bornes de chaque résistance :
UR = R × I1 = 100 × 0,010 = 1 V.
Remarque
Les LED sont identiques, la tension est la même aux bornes de chaque LED.
c) Dans chaque branche, la résistance R se trouve en série avec 4 LED identiques. La tension UAB se partage entre ces dipôles en série :
UAB = UR + (4 × ULED)
4 × ULED = UAB – UR = 15 – 1 = 14 V.
D'où finalement ULED = = 3,5 V.
▶ 4. a) Si D1 grille, les dipôles en série dans cette branche, donc R, D2, D3 et D4 s'arrêtent de fonctionner car le courant ne circulera plus dans cette branche désormais ouverte : I1 = 0.
b) Toutes les autres LED continueront de fonctionner car les intensités des courants I2, I3, et I4 ne seront pas nulles.
▶ 5. a) Pour chaque LED du circuit du document 3 :
P = UD × I′.
D'où = 0,020 A.
b) Le circuit du document 3 est un circuit en série. L'intensité du courant est partout la même dans ce circuit. On a donc :
IR′ = I′ = 0,020 A.
Gagne des points
Donne toutes les formules avant de passer aux calculs. De cette façon, si l'un de tes calculs n'est pas juste, on t'attribuera des points pour ton raisonnement.
▶ 6. La tension du générateur se partage entre la résistance R′ et les 10 LED. On a donc :
U′ = UR′ + (10 × UD).
D'où UR′ = U′ – (10 × UD), soit :
UR′ = 36 – (10 × 3,3) = 36 – 33 = 3 V.
▶ 7. a) Si l'une des LED de ce circuit grille, le circuit sera ouvert. Les autres LED ne fonctionneront plus.
b) Dans le cas de dysfonctionnement d'une seule LED, la lampe à LED en série s'arrête de fonctionner tandis que celle du document 2 où les LED sont dans 4 branches en dérivation, continuera de fonctionner partiellement. C'est pourquoi la lampe du document 3 est d'une qualité inférieure à celle du document 2.