Le Li-Fi

Merci !

Annales corrigées
Classe(s) : 3e | Thème(s) : L'énergie et ses conversions - Design, innovation et créativité - Les objets techniques, les services et les changements induits dans la société - L’informatique et la programmation
Type : Exercice | Année : 2016 | Académie : Inédit


Sujet inédit

physique-chimie et technologie • 50 points

Le Li-Fi

Le Li-Fi, une invention française, permet de remplacer le Wi-Fi avec une technologie sans danger. Fini les ondes radio, il suffira bientôt d’allumer la lumière pour charger un film ou envoyer un mail. Avec un débit allant jusqu’à 3 gigabit/seconde, soit 150 fois la vitesse actuelle du Wi-Fi, le Li-Fi est l’avenir de l’Internet sans fil.

1. technologie • le fonctionnement du Li-Fi 25 points

Document 1 Comment ça marche ?

Le Li-Fi (Light Fidelity) est une alternative au Wi-Fi utilisant des lampes à diodes électroluminescentes (LED) pour transmettre des informations. Le fonctionnement est assez simple : en s’allumant et en s’éteignant plusieurs millions de fois par seconde des ampoules à LED – les seules à posséder une telle vitesse de commutation avec les lasers – transmettent des informations reçues via le réseau électrique.

L’utilisation du Li-Fi promet une transmission de données sans ondes électromagnétiques. Contrairement à celles-ci, les ondes lumineuses ne traversent pas le corps humain. Ainsi, le Li-Fi est sans crainte là où le Wi-Fi peut être dangereux ou impossible à utiliser, comme dans les avions, les sous-marins ou les hôpitaux.

Il a aussi l’avantage de ne pas pouvoir être piraté, les informations ne pouvant être captées que sur le trajet de l’onde lumineuse.

Le Li-Fi est également disponible en cas de panne de courant, grâce à des lampes fonctionnant sur batterie d’une autonomie de près de 6 heures.

sci3_1600_00_04C_01

Source : www.netemedia.fr

Document 2 Comparaison de différentes technologies d’ampoule

Technologie

Lampe à incandescence

Lampe halogène

Lampe fluorescente

Lampe à LED

Efficacité énergétique (lumen/W)

10-20

15-20

40-70

40-100

Temps d’allumage

lent

lent

très lent

immédiat

Durée de vie maximale en heures

2 000

3 000

15 000

50 000

Source : INSA

Document 3 Comparaison de différentes technologies de communication

Technologie de communication

Wi-Fi 802.11ac

Li-Fi

Infrarouge

Bluetooth 4.1

Fibre optique

VDSL

Débit ascendant maximal théorique (Mbit/s)

866

3 000

4

24

273 000

55

Portée

35 m

10 m

8 m

60 m

165 km

1,5 km

1. D’après le document 1, de quoi auront besoin les équipements informatiques pour pouvoir utiliser le Li-Fi ?

2. D’après le document 1, quels sont les deux principaux avantages du Li-Fi par rapport au Wi-Fi ?

3. Pourquoi les ampoules à incandescence, halogène et fluorescente ne sont pas utilisables avec la technologie Li-Fi ?

4. Quelle technologie d’ampoule a la meilleure efficacité énergétique ?

5. Quelle technologie de communication permet de télécharger des données le plus rapidement ?

6. Expliquer pourquoi le Li-Fi est une technologie intéressante.

2. Physique-Chimie • La lampe à LED 25 points

Le Li-Fi utilise des lampes à LED. Les lampes à LED sont constituées de plusieurs LED par ampoule, parfois plus de 100 !

Document 1 Une lampe à LED

sci3_1600_00_04C_02

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.

sci3_1600_00_04C_03

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

sci3_1600_00_04C_04

Le circuit ci-dessus représente une autre lampe à 10 LED identiques. Chaque LED fonctionne à U= 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

Exercice 1 : technologie

Comprendre les documents

Le document 1 présente les grandes caractéristiques du Li-Fi et fait quelques comparaisons avec le Wi-Fi.

Le document 2 permet de comparer différentes technologies d’éclairage.

Le document 3 compare différents modes de communication.

Répondre aux questions

3. Comment les ampoules du Li-Fi transmettent-elles l’information ? Compare les ampoules avec le document 3.

5. Compare les débits ascendants du document 3.

Exercice 2 : physique-chimie

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

Corrigé

1. technologie

1. Les équipements devront avoir un photodétecteur, un démodulateur et un système de traitement numérique de données.

2. Contrairement au Wi-Fi, le Li-Fi promet une transmission de données sans ondes électromagnétiques. Le Li-Fi est donc utilisable là où le Wi-Fi ne l’est pas. Le Li-Fi est plus sécurisé : les données ne peuvent pas être piratées. Le Li-Fi pourra fonctionner en cas de panne de courant.

3. Les ampoules à incandescence, halogène et fluorescente mettent trop de temps à s’allumer.

4. Les ampoules à LED ont la meilleure efficacité énergétique.

5. La fibre optique offre le meilleur débit pour télécharger des données.

6. Le Li-Fi permet une communication sans fil, contrairement à la fibre optique.

2. physique-chimie

1. Voici le diagramme de la lampe à LED :

sci3_1600_00_04C_05

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 = I1I2 + I3I4.

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 = I= 225538-Eqn1 = 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 × I= 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 = UABUR = 15 – 1 = 14 V.

D’où finalement ULED = 225538-Eqn2 = 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 225538-Eqn3 = 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.