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1Formules et méthodes
Résistances en série et en parallèle
Résistances en série
Req = R1 + R2 + …
Résistances en parallèle
1/Req = 1/R1 + 1/R2 + …
Deux en parallèle
Req = R1R2 / (R1 + R2)
Loi d’Ohm
V = I·R
Puissance
P = V·I = I²R = V²/R
Méthode
Commencez par l’extrémité du réseau la plus éloignée des bornes.
Associez les résistances en série en les additionnant, et les résistances en parallèle avec 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
Redessinez le circuit après chaque étape.
Recommencez jusqu’à ce qu’il ne reste qu’une résistance entre les bornes.
Méthode des nœuds
Loi des nœuds de Kirchhoff
ΣIin = ΣIout
Courant de branche
I = (Va − Vb)/R
Nœud de référence
Vground = 0
Méthode
Choisissez un nœud de référence (la masse) et nommez les potentiels des autres nœuds.
Écrivez la loi des nœuds de Kirchhoff à chaque nœud inconnu : les courants qui sortent par chaque branche égalent les courants qui entrent.
Exprimez chaque courant de branche sous la forme (Va − Vb)/R.
Résolvez le système d’équations, puis trouvez les courants demandés.
Méthode des mailles
Loi des mailles de Kirchhoff
ΣV = 0 sur chaque maille
Résistance commune
courant = I1 − I2
Source de courant dans une maille
impose ce courant de maille
Méthode
Dessinez un courant dans le sens horaire dans chaque maille (fenêtre) du circuit.
Appliquez la loi des mailles de Kirchhoff à chaque maille : la somme des chutes de tension est nulle.
Dans une résistance commune à deux mailles, le courant est la différence des deux courants de maille.
Résolvez les équations ; un résultat négatif signifie que le courant circule dans l’autre sens.
Superposition
Superposition
x = x1 + x2 + … (one source at a time)
Source de tension éteinte
court-circuit (0 V)
Source de courant éteinte
circuit ouvert (0 A)
Diviseur de tension
V2 = V·R2/(R1 + R2)
Diviseur de courant
I1 = I·R2/(R1 + R2)
Méthode
Comptez les sources indépendantes. Vous résoudrez un circuit plus simple par source.
Gardez une source et éteignez les autres : une source de tension devient un court-circuit (un fil), une source de courant devient un circuit ouvert (une coupure).
Résolvez le circuit simplifié pour la tension ou le courant cherché, en notant son sens.
Recommencez pour chaque source, puis additionnez les contributions avec leurs signes.
Thévenin et Norton
Tension de Thévenin
Vth = Vopen circuit
Résistance de Thévenin
Rth : toutes les sources éteintes, vue depuis a–b
Courant de Norton
IN = Vth/Rth
Courant de charge
IL = Vth/(Rth + RL)
Transfert de puissance maximal
RL = Rth, Pmax = Vth²/(4Rth)
Méthode
Retirez la charge et repérez les deux bornes a et b.
Trouvez la tension à vide entre a et b : c’est Vth.
Éteignez toutes les sources indépendantes et trouvez la résistance vue des bornes a–b : c’est Rth.
Rebranchez la charge sur le circuit équivalent : Vth en série avec Rth.
Pour l’équivalent de Norton, convertissez : IN = Vth/Rth, avec RN = Rth en parallèle.
Circuits à ampli op
Amplificateur inverseur
Vout = −(Rf/Rin)·Vin
Amplificateur non inverseur
Vout = (1 + Rf/R1)·Vin
Amplificateur sommateur
Vout = −Rf(V1/R1 + V2/R2)
Ampli op idéal
V+ = V−, Iin = 0
Transitoires RC et RL
Constante de temps
τ = RC | τ = L/R
Réponse
x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ
Condensateur en continu
circuit ouvert ; vC ne peut pas sauter
Bobine en continu
court-circuit ; iL ne peut pas sauter
Régime établi
t ≈ 5τ
Méthode
Trouvez la valeur initiale juste après la commutation : la tension d’un condensateur et le courant d’une bobine ne peuvent pas varier brusquement.
Trouvez la valeur finale longtemps après la commutation : un condensateur se comporte comme un circuit ouvert, une bobine comme un court-circuit.
Trouvez la constante de temps : τ = RC ou τ = L/R, avec la résistance vue par le condensateur ou la bobine.
Utilisez x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ.
2Exercices
1.Résistances en série et en parallèleMoyen
Trouvez le courant IR1 fourni par la source, qui traverse R1.
V1 = 18 VR1 = 20 ΩR2 = 15 ΩR3 = 3 ΩR4 = 20 Ω
IR1 = A
2.Résistances en série et en parallèleDifficile
Trouvez la résistance équivalente Req vue par la source V1.
Trois branches sont branchées entre le nœud A et la masse, comme représenté. Utilisez la méthode des nœuds pour trouver le courant I2 dans la branche 2, circulant vers le haut jusqu’au nœud A dans le sens de la flèche.
V1 = 18 VR1 = 20 ΩV2 = 18 VR2 = 12 ΩR3 = 2 Ω
I2 = A
4.Méthode des nœudsDifficile
Utilisez la méthode des nœuds pour trouver le courant IR1 dans R1 dans le sens de la flèche.
Un circuit résistif linéaire contient trois sources indépendantes : V1, V2 et Is. Le courant I dans une charge est mesuré trois fois. Avec toutes les sources à leur valeur normale, I = −6 mA. Avec V1 doublée et les deux autres inchangées, I = −8,5 mA. Avec le sens de Is inversé et les deux autres inchangées, I = 11 mA. Trouvez le courant de charge I quand V2 est éteinte et que V1 et Is ont leur valeur normale.
normale: I = −6 mA2·V1: I = −8,5 mA−Is: I = 11 mA
I = mA
9.Thévenin et NortonMoyen
Trouvez la résistance de Thévenin Rth vue des bornes a–b.
V1 = 12 VR1 = 2 ΩR2 = 4 ΩR3 = 20 Ω
Rth = Ω
10.Thévenin et NortonDifficile
Trouvez le courant de Norton IN : le courant qui circule de a vers b si les bornes sont court-circuitées.
V1 = 9 VIs = 5 AR1 = 4 ΩR2 = 25 ΩR3 = 20 Ω
IN = A
11.Circuits à ampli opMoyen
L’ampli op est idéal et alimenté en ±15 V ; sa sortie sature à ±14 V. L’amplificateur non inverseur est attaqué par un signal sinusoïdal. Trouvez la plus grande amplitude d’entrée Vin,max (valeur de crête) pour laquelle la sortie n’est pas écrêtée.
R1 = 2 kΩRf = 100 kΩVsat = ±14 V
Vin,max = V
12.Circuits à ampli opDifficile
Deux étages à ampli op idéal sont montés en cascade : un amplificateur inverseur (R1, Rf1) suivi d’un amplificateur non inverseur (R2 vers la masse, Rf2 dans la contre-réaction). Les deux sont alimentés en ±15 V. Trouvez le gain en tension global Av = Vout/Vin.
R1 = 4,7 kΩRf1 = 22 kΩR2 = 100 kΩRf2 = 4,7 kΩ
Av =
13.Transitoires RC et RLMoyen
La bobine n’est parcourue par aucun courant avant la fermeture de l’interrupteur à t = 0. Combien de temps après la fermeture de l’interrupteur le courant atteint-il 80 % de sa valeur finale ? Trouvez t.
Vs = 15 VR = 20 ΩL = 150 mH
t = ms
14.Transitoires RC et RLDifficile
Un temporisateur commence à t = 0 à charger un condensateur déchargé à travers une résistance à partir d’une alimentation de 15 V. Il doit se déclencher quand la tension du condensateur atteint 13,5 V, exactement 20 ms après le départ. Avec R = 1 kΩ, trouvez la capacité C nécessaire.
Vs = 15 VVth = 13,5 VT = 20 msR = 1 kΩ
C = µF
3Solutions
1.Résistances en série et en parallèle
Réponse: IR1 = 0,619 A
Résistances en série et en parallèle : en série, le même courant traverse chaque résistance et R = R₁ + R₂ + …. En parallèle, chaque résistance a la même tension et 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Un réseau en échelle se réduit paire par paire jusqu’à une seule résistance équivalente.
Regrouper les résistances depuis l’extrémité
Commencez par l’extrémité la plus éloignée de la source et remontez vers elle. Des résistances parcourues par le même courant sont en série ; des résistances entre les deux mêmes nœuds sont en parallèle.
R3 + R4 = 3 + 20 = 23 Ω
R2 ∥ 23 = 15·23/(15+23) = 9,079 Ω
Req = R1 + 9,079 = 20 + 9,079 = 29,08 Ω
Courant fourni par la source
La source ne voit que Req, donc la loi d’Ohm donne le courant qu’elle fournit. Ce courant traverse R₁.
IR1 = V1/Req = 18/29,08 = 0,619 A
Réponse
IR1 = 0,619 A
2.Résistances en série et en parallèle
Réponse: Req = 19,45 Ω
Résistances en série et en parallèle : en série, le même courant traverse chaque résistance et R = R₁ + R₂ + …. En parallèle, chaque résistance a la même tension et 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Un réseau en échelle se réduit paire par paire jusqu’à une seule résistance équivalente.
Regrouper les résistances depuis l’extrémité
Commencez par l’extrémité la plus éloignée de la source et remontez vers elle. Des résistances parcourues par le même courant sont en série ; des résistances entre les deux mêmes nœuds sont en parallèle.
R5 + R6 = 4 + 12 = 16 Ω
R4 ∥ 16 = 3,2 Ω
R3 + 3,2 = 15,2 Ω
R2 ∥ 15,2 = 9,453 Ω
Req = R1 + 9,453 = 10 + 9,453 = 19,45 Ω
Réponse
Req = 19,45 Ω
3.Méthode des nœuds
Réponse: I2 = 1,184 A
Méthode des nœuds : choisissez un nœud de référence, nommez les potentiels inconnus, écrivez la loi des nœuds de Kirchhoff à chaque nœud inconnu avec la loi d’Ohm (I = ΔV/R), puis résolvez le système obtenu.
Loi des nœuds en A
Prenez le fil du bas comme masse. Chaque branche emporte depuis A un courant (VA − Vk)/Rk, où Vk est la tension de sa source (zéro pour une simple résistance). La somme des courants sortant de A est nulle.
(VA − 18)/20 + (VA − 18)/12 + VA/2 = 0
Trouver VA
VA = (18/20 + 18/12 + 0/2) / (1/20 + 1/12 + 1/2) = 2,4/0,6333 = 3,789 V
Courant de branche
La flèche est orientée vers le haut dans la branche, vers le nœud A.
I2 = (18 − VA)/R2 = (18 − 3,789)/12 = 1,184 A
Réponse
I2 = 1,184 A
Un résultat négatif signifie que le courant réel circule à l’opposé de la flèche.
4.Méthode des nœuds
Réponse: IR1 = −0,2483 A
Méthode des nœuds : choisissez un nœud de référence, nommez les potentiels inconnus, écrivez la loi des nœuds de Kirchhoff à chaque nœud inconnu avec la loi d’Ohm (I = ΔV/R), puis résolvez le système obtenu.
Poser les nœuds
La masse est le fil du bas. Les potentiels connus viennent directement des sources (V1 = 6 V, V2 = 12 V). Inconnues : VA, VB.
Loi des nœuds au nœud A
Les courants qui quittent A par les résistances égalent le courant injecté dans A par les sources.
VA/R3 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R2 = 0
VA/30 + (VA − 6)/25 + (VA − VB)/8 = 0
0,1983·VA − 0,125·VB = 0,24
Loi des nœuds au nœud B
Les courants qui quittent B par les résistances égalent le courant injecté dans B par les sources.
VB/R5 + (VB − VA)/R2 + (VB − V2)/R4 = Is
VB/15 + (VB − VA)/8 + (VB − 12)/30 = 2
−0,125·VA + 0,225·VB = 2,4
Résoudre
Δ = (0,1983)(0,225) − (−0,125)(−0,125) = 0,029
VA = Δ1/Δ = 0,354/0,029 = 12,21 V
VB = Δ2/Δ = 0,506/0,029 = 17,45 V
Réponse
IR1 = (V1 − VA)/R1 = (6 − 12,21)/25 = −0,2483 A
5.Méthode des mailles
Réponse: IR3 = 2,727 A
Méthode des mailles : donnez à chaque fenêtre d’un circuit plan son propre courant de boucle, écrivez la loi des mailles de Kirchhoff sur chaque boucle (somme des chutes = somme des élévations) et résolvez. Les courants de branche sont le courant de maille, ou la différence de deux courants de maille sur une branche commune.
Définir les courants de maille
Tracez un courant dans le sens horaire dans chaque fenêtre : I1, I2. Une résistance commune à deux mailles est parcourue par la différence de leurs courants.
Loi des mailles dans la maille 1
En tournant dans le sens horaire, les chutes de tension dans les résistances égalent les élévations de tension des sources (de − vers + dans le sens du parcours).
R1·I1 + R3(I1 − I2) = V1
10·I1 + 2(I1 − I2) = 30
12·I1 − 2·I2 = 30
Loi des mailles dans la maille 2
En tournant dans le sens horaire, les chutes de tension dans les résistances égalent les élévations de tension des sources (de − vers + dans le sens du parcours).
R2·I2 + R3(I2 − I1) = −V2
2·I2 + 2(I2 − I1) = (−6)
−2·I1 + 4·I2 = −6
Résoudre
Δ = (12)(4) − (−2)(−2) = 44
I1 = Δ1/Δ = 108/44 = 2,455 A
I2 = Δ2/Δ = −12/44 = −0,2727 A
Réponse
IR3 = I1 − I2 = 2,727 A
Un courant de maille négatif circule dans le sens antihoraire.
6.Méthode des mailles
Réponse: I3 = −0,1367 A
Méthode des mailles : donnez à chaque fenêtre d’un circuit plan son propre courant de boucle, écrivez la loi des mailles de Kirchhoff sur chaque boucle (somme des chutes = somme des élévations) et résolvez. Les courants de branche sont le courant de maille, ou la différence de deux courants de maille sur une branche commune.
Définir les courants de maille
Tracez un courant dans le sens horaire dans chaque fenêtre : I1, I2, I3. Une résistance commune à deux mailles est parcourue par la différence de leurs courants.
Loi des mailles dans la maille 1
En tournant dans le sens horaire, les chutes de tension dans les résistances égalent les élévations de tension des sources (de − vers + dans le sens du parcours).
R1·I1 + R4(I1 − I2) = V1
8·I1 + 15(I1 − I2) = 15
23·I1 − 15·I2 = 15
Loi des mailles dans la maille 2
En tournant dans le sens horaire, les chutes de tension dans les résistances égalent les élévations de tension des sources (de − vers + dans le sens du parcours).
R2·I2 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
30·I2 + 15(I2 − I1) + 15(I2 − I3) = 0
−15·I1 + 60·I2 − 15·I3 = 0
Loi des mailles dans la maille 3
En tournant dans le sens horaire, les chutes de tension dans les résistances égalent les élévations de tension des sources (de − vers + dans le sens du parcours).
R3·I3 + R5(I3 − I2) = −V2
12·I3 + 15(I3 − I2) = (−6)
−15·I2 + 27·I3 = −6
Résoudre
Δ = déterminant de la matrice des coefficients = 26010
I1 = Δ1/Δ = 19575/26010 = 0,7526 A
I2 = Δ2/Δ = 4005/26010 = 0,154 A
I3 = Δ3/Δ = −3555/26010 = −0,1367 A
Réponse
I3 = −0,1367 A
Un courant de maille négatif circule dans le sens antihoraire.
7.Superposition
Réponse: IR2 = −2,542 A
Superposition : dans un circuit linéaire, toute tension ou tout courant est la somme des réponses à chaque source indépendante agissant seule. Pour éteindre une source, remplacez une source de tension idéale par un court-circuit et une source de courant idéale par un circuit ouvert. Les résistances restent en place.
Cas 1 · V1 seule
Iₛ devient un circuit ouvert, donc R₃ et R₄ forment une branche série de A à la masse, en parallèle avec R₂.
R3+R4 = 6+10 = 16 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 3·16/(3+16) = 2,526 Ω
VA = 18·2,526/(20+2,526) = 2,019 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 2,019·10/16 = 1,262 V
IR2′ = (0 − VA)/R2 = (0 − 2,019)/3 = −0,6729 A
Cas 2 · Is seule
V₁ devient un court-circuit, donc R₁ est en parallèle avec R₂. Iₛ se partage en B entre R₄ et le chemin passant par R₃.
R1 ∥ R2 = 20·3/(20+3) = 2,609 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 10 ∥ 8,609 = 4,626 Ω
VB = Is·Req = 4·4,626 = 18,5 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 18,5·2,609/8,609 = 5,607 V
IR2″ = (0 − VA)/R2 = (0 − 5,607)/3 = −1,869 A
Additionner les contributions
IR2 = IR2′ + IR2″
IR2 = (−0,6729) + (−1,869) = −2,542 A
Un résultat négatif signifie que le courant réel circule dans le sens opposé à la flèche.
8.Superposition
Réponse: I = −11 mA
Superposition : dans un circuit linéaire, toute tension ou tout courant est la somme des réponses à chaque source indépendante agissant seule. Pour éteindre une source, remplacez une source de tension idéale par un court-circuit et une source de courant idéale par un circuit ouvert. Les résistances restent en place.
Écrire les mesures avec les contributions
Chaque contribution est proportionnelle à sa propre source.
I₁ + I₂ + I₃ = −6
2·I₁ + I₂ + I₃ = −8,5
I₁ + I₂ − I₃ = 11
Trouver les contributions
I₁ = −8,5 − (−6) = −2,5 mA
I₃ = (−6 − 11)/2 = −8,5 mA
I₂ = −6 − (−2,5) − (−8,5) = 5 mA
Éteindre V₂
I = I₁ + I₃ = (−2,5) + (−8,5) = −11 mA
Réponse
I = −11 mA
9.Thévenin et Norton
Réponse: Rth = 21,33 Ω
Théorème de Thévenin : tout réseau linéaire à deux bornes se comporte comme une seule source de tension Vth en série avec une résistance Rth. Le théorème de Norton donne le même réseau sous forme d’une source de courant IN = Vth/Rth en parallèle avec Rth.
Trouver Rth avec toutes les sources éteintes
Remplacez les sources de tension par des courts-circuits et les sources de courant par des circuits ouverts, puis regardez le circuit depuis a–b.
R1 ∥ R2 = 2·4/(2+4) = 1,333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,333 + 20 = 21,33 Ω
10.Thévenin et Norton
Réponse: IN = 5,331 A
Théorème de Thévenin : tout réseau linéaire à deux bornes se comporte comme une seule source de tension Vth en série avec une résistance Rth. Le théorème de Norton donne le même réseau sous forme d’une source de courant IN = Vth/Rth en parallèle avec Rth.
Trouver Rth avec toutes les sources éteintes
Remplacez les sources de tension par des courts-circuits et les sources de courant par des circuits ouverts, puis regardez le circuit depuis a–b.
R1 ∥ R2 = 4·25/(4+25) = 3,448 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,448 + 20 = 23,45 Ω
Trouver Vth, la tension à vide
Avec a–b ouverts, le seul chemin pour Iₛ passe par R₃ vers le nœud A. Trouvez V_A par superposition de V₁ et Iₛ, puis ajoutez la chute de tension dans R₃.
VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 7,759 + 5·3,448 = 25 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 25 + 5·20 = 125 V
Équivalent de Norton
Une source de Norton est le même circuit vu comme une source de courant en parallèle avec R_th. Son courant est le courant de court-circuit en a–b.
IN = Vth/Rth = 125/23,45 = 5,331 A
11.Circuits à ampli op
Réponse: Vin,max = 0,2745 V
Règles de l’ampli op idéal : avec une contre-réaction, l’ampli op règle sa sortie pour que ses deux entrées soient au même potentiel (V₋ = V₊), et aucun courant n’entre dans les entrées. La loi des nœuds à l’entrée inverseuse avec ces deux faits donne la sortie.
Gain
Av = 1 + Rf/R1 = 1 + 100/2 = 51
Plus grande entrée avant écrêtage
Vin,max = Vsat/|Av| = 14/51 = 0,2745 V
Réponse
Vin,max = 0,2745 V
12.Circuits à ampli op
Réponse: Av = −4,901
Règles de l’ampli op idéal : avec une contre-réaction, l’ampli op règle sa sortie pour que ses deux entrées soient au même potentiel (V₋ = V₊), et aucun courant n’entre dans les entrées. La loi des nœuds à l’entrée inverseuse avec ces deux faits donne la sortie.
Gain de chaque étage
A1 = −Rf1/R1 = −22/4,7 = −4,681
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 4,7/100 = 1,047
Gain global
Av = A1·A2 = −4,681·1,047 = −4,901
Réponse
Av = −4,901
13.Transitoires RC et RL
Réponse: t = 12,07 ms
Régimes transitoires du premier ordre : dans un circuit avec un condensateur ou une bobine, chaque tension et chaque courant passe exponentiellement de sa valeur initiale à sa valeur finale : x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, avec τ = RC ou τ = L/R. Après environ 5τ, le circuit est stabilisé.
Constante de temps et courant final
Longtemps après la fermeture, la bobine se comporte comme un court-circuit, donc le courant final est fixé par R seule.
τ = L/R = 150 mH / 20 Ω = 7,5 ms
i(∞) = Vs/R = 15/20 = 0,75 A
Isoler le temps
0,8 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,8)
t = −7,5·ln(0,2) = 12,07 ms
Réponse
t = 12,07 ms
14.Transitoires RC et RL
Réponse: C = 8,686 µF
Régimes transitoires du premier ordre : dans un circuit avec un condensateur ou une bobine, chaque tension et chaque courant passe exponentiellement de sa valeur initiale à sa valeur finale : x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, avec τ = RC ou τ = L/R. Après environ 5τ, le circuit est stabilisé.