Fusible

Programmes : KS3, GCSE, Sek I, cycle 4

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Objectif

Observer comment un fusible protège un circuit contre les surcharges et les courts-circuits, et pourquoi son calibre est adapté à la charge.

Le montage

Une source de 6 V, un fusible de 0,5 A et un ampèremètre aboutissent à deux bus. Entre les bus se trouvent trois branches : en bas, une ampoule de 6 V / 0,5 W ; au milieu, une charge de 5,1 Ω derrière un interrupteur ouvert ; en haut, un bouton-poussoir — il court-circuite les bus tant qu’on le maintient enfoncé. L’ampoule est allumée et l’ampèremètre indique environ 83 mA.

Protocole

1. Fermez l’interrupteur de la charge. Observez le fusible, l’ampoule et l’ampèremètre.
2. Ouvrez l’interrupteur. Remplacez la cartouche fusible : décochez la case « Fondu » dans le panneau des paramètres du fusible.
3. Réglez le courant nominal sur 2 A et refermez l’interrupteur de la charge. Notez l’indication de l’ampèremètre.
4. Appuyez sur le bouton-poussoir et maintenez-le enfoncé. Observez le fusible et le voyant d’alimentation de la source.
5. Relâchez le bouton-poussoir, ouvrez l’interrupteur de la charge, remettez le courant nominal sur 0,5 A et remettez la source en marche avec sa touche Secteur.
6. Appuyez de nouveau sur le bouton-poussoir. Observez le fusible et le voyant d’alimentation de la source.

Résultat attendu

La charge de 5,1 Ω ajoute environ 1 A à l’intensité du courant dans l’ampoule — un peu plus du double du calibre de 0,5 A de la cartouche. Une vraie cartouche à fusion rapide tiendrait encore plusieurs secondes à une telle intensité : la chaleur s’évacue par les embouts, et plus l’intensité est proche du seuil, plus la cartouche tient longtemps. Ici, elle fond au bout d’une demi-seconde à plusieurs secondes, différemment pour chaque cartouche. Le circuit s’ouvre, l’ampoule s’éteint et l’ampèremètre indique 0. Une cartouche fondue reste ouverte jusqu’à son remplacement. En dessous d’environ 1,9 fois le calibre, la cartouche ne fond pas du tout.

La cartouche de 2 A supporte la même intensité : l’ampèremètre indique environ 1,0 A. Mais en court-circuit l’intensité est d’environ 7 A — seulement 3,4 fois son calibre, et une telle cartouche met un dixième de seconde à fondre. La protection contre les surcharges de la source est plus rapide (20 ms) : le voyant d’alimentation clignote en rouge, la source est coupée et la cartouche reste intacte. Une cartouche de calibre trop élevé ne protège pas le circuit.

Avec la cartouche de 0,5 A, l’intensité de court-circuit, environ 6 A, vaut 12 fois son calibre : la cartouche fond en quelques millisecondes, avant la protection contre les surcharges de la source, et la source reste en marche.

Questions

1. Pourquoi un fusible est-il branché en série avec la charge plutôt qu’en dérivation ?
2. Que se passe-t-il si l’on monte une cartouche d’un calibre bien supérieur à l’intensité du courant dans la charge ?
3. En quoi un fusible est-il préférable à la protection contre les surcharges de la source, qui coupe toute la source ?
4. Pourquoi la cartouche fond-elle en quelques secondes à une intensité double, mais en quelques millisecondes lors d’un court-circuit ?

Réponses

1. En série, tout le courant de la charge traverse le fusible, et quand la cartouche fond, le circuit est coupé. Un fusible en dérivation court-circuiterait la charge par sa faible résistance et fondrait aussitôt, après quoi la charge resterait reliée à la source sans protection.
2. La cartouche laisse passer des intensités trop élevées pour la charge et ses fils, si bien que le circuit reste sans protection. Sur ce montage, la cartouche de 2 A supporte la surcharge de 1 A et résiste au court-circuit de 7 A, seulement 3,4 fois son calibre : c’est la protection contre les surcharges de la source qui coupe la première.
3. Chaque branche peut avoir son propre fusible, d’un calibre adapté à sa charge, si bien qu’un défaut ne déconnecte que cette branche et que le reste du circuit continue de fonctionner. Sur ce montage, la cartouche de 0,5 A fond en quelques millisecondes et la source reste en marche ; la protection de la source ne se déclenche qu’au-delà de 3 A et coupe tout ce qui y est branché.
4. La puissance dégagée sous forme de chaleur dans le fil vaut \(P = I^2 R\). Jusqu’à environ 1,9 fois le calibre, la chaleur s’évacue par les embouts avant que le fil atteigne son point de fusion ; au double du calibre, l’échauffement n’est qu’un peu plus fort, si bien que le fil n’approche de la fusion qu’en plusieurs secondes. En court-circuit, à 12 fois le calibre, l’échauffement est 144 fois celui obtenu au calibre, et le fil fond en quelques millisecondes, avant que la chaleur puisse s’évacuer.