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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 la résistance équivalente Req vue par la source V1.
V1 = 15 VR1 = 6 ΩR2 = 20 ΩR3 = 4 ΩR4 = 4 Ω
Req = Ω
2.Résistances en série et en parallèleDifficile
Trouvez le courant IR1 fourni par la source, qui traverse R1.
La source de tension Vₛ entre A et B a sa borne + en B, donc elle impose VB − VA = Vₛ. Utilisez la méthode des nœuds avec un super-nœud pour trouver le potentiel du nœud VB (par rapport à la masse).
Is = 1 AVs = 5 VR1 = 12 ΩR2 = 6 Ω
VB = V
4.Méthode des nœudsDifficile
Utilisez la méthode des nœuds pour trouver le potentiel du nœud VA (par rapport à la masse).
La bobine n’est parcourue par aucun courant avant la fermeture de l’interrupteur à t = 0. Trouvez la tension vL aux bornes de la bobine à t = 5 ms.
Vs = 12 VR = 33 ΩL = 68 mHt = 5 ms
vL = V
14.Transitoires RC et RLDifficile
L’interrupteur aux bornes de R2 est fermé depuis longtemps, donc le courant de la bobine est permanent. À t = 0, l’interrupteur s’ouvre. Trouvez le courant de la bobine i à t = 5 ms.
Vs = 6 VR1 = 20 ΩR2 = 15 ΩL = 150 mHt = 5 ms
i = A
3Solutions
1.Résistances en série et en parallèle
Réponse: Req = 11,71 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.
R3 + R4 = 4 + 4 = 8 Ω
R2 ∥ 8 = 20·8/(20+8) = 5,714 Ω
Req = R1 + 5,714 = 6 + 5,714 = 11,71 Ω
Réponse
Req = 11,71 Ω
2.Résistances en série et en parallèle
Réponse: IR1 = 3,883 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.
R5 + R6 = 4 + 4 = 8 Ω
R4 ∥ 8 = 2,182 Ω
R3 + 2,182 = 4,182 Ω
R2 ∥ 4,182 = 3,27 Ω
Req = R1 + 3,27 = 6 + 3,27 = 9,27 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 = 36/9,27 = 3,883 A
Réponse
IR1 = 3,883 A
3.Méthode des nœuds
Réponse: VB = 5,667 V
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.
Former un super-nœud
La source de tension entre A et B est parcourue par un courant inconnu, donc on ne peut pas écrire la loi des nœuds séparément en A ou en B. Englobez A, B et la source dans un super-nœud : le courant qui y entre est égal au courant qui en sort.
VB = VA + Vs = VA + 5
VA/R1 + VB/R2 = Is
Résoudre
VA/12 + (VA + 5)/6 = 1
VA = (1 − 5/6)/(1/12 + 1/6) = 0,6667 V
VB = 0,6667 + 5 = 5,667 V
Réponse
VB = 5,667 V
4.Méthode des nœuds
Réponse: VA = 3,158 V
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 = 12 V, V2 = −18 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/6 + (VA − 12)/15 + (VA − VB)/15 = 0
0,3·VA − 0,06667·VB = 0,8
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/4 + (VB − VA)/15 + (VB − (−18))/20 = 1,5
−0,06667·VA + 0,3667·VB = 0,6
Résoudre
Δ = (0,3)(0,3667) − (−0,06667)(−0,06667) = 0,1056
VA = Δ1/Δ = 0,3333/0,1056 = 3,158 V
VB = Δ2/Δ = 0,2333/0,1056 = 2,211 V
Réponse
VA = 3,158 V
5.Méthode des mailles
Réponse: I1 = 0,09524 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
8·I1 + 3(I1 − I2) = 6
11·I1 − 3·I2 = 6
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
15·I2 + 3(I2 − I1) = (−30)
−3·I1 + 18·I2 = −30
Résoudre
Δ = (11)(18) − (−3)(−3) = 189
I1 = Δ1/Δ = 18/189 = 0,09524 A
I2 = Δ2/Δ = −312/189 = −1,651 A
Réponse
I1 = 0,09524 A
Un courant de maille négatif circule dans le sens antihoraire.
6.Méthode des mailles
Réponse: I2 = −0,6777 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
20·I1 + 2(I1 − I2) = 9
22·I1 − 2·I2 = 9
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
20·I2 + 2(I2 − I1) + 30(I2 − I3) = 0
−2·I1 + 52·I2 − 30·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
2·I3 + 30(I3 − I2) = (−18)
−30·I2 + 32·I3 = −18
Résoudre
Δ = déterminant de la matrice des coefficients = 16680
I1 = Δ1/Δ = 5796/16680 = 0,3475 A
I2 = Δ2/Δ = −11304/16680 = −0,6777 A
I3 = Δ3/Δ = −19980/16680 = −1,198 A
Réponse
I2 = −0,6777 A
Un courant de maille négatif circule dans le sens antihoraire.
7.Superposition
Réponse: PR1 = 1,512 W
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 = 12+15 = 27 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 5·27/(5+27) = 4,219 Ω
VA = 10·4,219/(8+4,219) = 3,453 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 3,453·15/27 = 1,918 V
IR1′ = (V1 − VA)/R1 = (10 − 3,453)/8 = 0,8184 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 = 8·5/(8+5) = 3,077 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 15 ∥ 15,08 = 7,519 Ω
VB = Is·Req = 2·7,519 = 15,04 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 15,04·3,077/15,08 = 3,069 V
IR1″ = (V1 − VA)/R1 = (0 − 3,069)/8 = −0,3836 A
Additionner les contributions de courant
IR1 = IR1′ + IR1″ = 0,8184 + (−0,3836) = 0,4348 A
Puissance dans la résistance
La puissance dépend du carré du courant, donc elle n’obéit pas à la superposition : additionnez d’abord les courants, puis élevez au carré.
PR1 = IR1²·R1 = 0,4348²·8 = 1,512 W
Réponse
PR1 = 1,512 W
Additionner les puissances des cas séparés donnerait 6,536 W, ce qui est faux.
8.Superposition
Réponse: IR3 = −0,3896 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
V₂ devient un court-circuit et Iₛ un circuit ouvert. Vu de A, R₃ est en parallèle avec la série R₂+R₄.
R3 ∥ (R2+R4) = 30 ∥ 37 = 16,57 Ω
VA = 5·16,57/(25+16,57) = 1,993 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 1,993·12/37 = 0,6463 V
IR3′ = (0 − VA)/R3 = (0 − 1,993)/30 = −0,06643 A
Cas 2 · Is seule
Les deux sources de tension deviennent des courts-circuits. Iₛ se partage en B entre R₄ (désormais à la masse) et R₂ en série avec R₁ ∥ R₃.
R1 ∥ R3 = 13,64 Ω, donc le chemin de gauche vaut R2+13,64 = 38,64 Ω
Req = R4 ∥ 38,64 = 9,156 Ω
VB = Is·Req = 5·9,156 = 45,78 V
VA = VB·13,64/38,64 = 16,16 V
IR3″ = (0 − VA)/R3 = (0 − 16,16)/30 = −0,5386 A
Cas 3 · V2 seule
V₁ devient un court-circuit et Iₛ un circuit ouvert. R₁ ∥ R₃ part de A, en série avec R₂ jusqu’à B.
R1 ∥ R3 = 25·30/(25+30) = 13,64 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−24)·38,64/50,64 = −18,31 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −18,31·13,64/38,64 = −6,463 V
IR3‴ = (0 − VA)/R3 = (0 − −6,463)/30 = 0,2154 A
Additionner les contributions
IR3 = IR3′ + IR3″ + IR3‴
IR3 = (−0,06643) + (−0,5386) + 0,2154 = −0,3896 A
Un résultat négatif signifie que le courant réel circule dans le sens opposé à la flèche.
9.Thévenin et Norton
Réponse: IN = 0,48 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 = 5·10/(5+10) = 3,333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,333 + 5 = 8,333 Ω
Trouver Vth, la tension à vide
Avec a–b ouverts, aucun courant ne traverse R₃, donc aucune chute de tension et V_b = V_A. R₁ et R₂ forment un pont diviseur.
Vth = V1·R2/(R1+R2) = 6·10/(5+10) = 4 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 = 4/8,333 = 0,48 A
10.Thévenin et Norton
Réponse: Vth = 42,5 V
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 = 6·30/(6+30) = 5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5 + 6 = 11 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) = 15 + 2,5·5 = 27,5 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 27,5 + 2,5·6 = 42,5 V
11.Circuits à ampli op
Réponse: Rf = 1000 kΩ
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 d’un amplificateur non inverseur
V₋ = V₊ = Vin, et le courant de R₁ traverse aussi Rf, donc Vout = Vin·(1 + Rf/R₁).
Av = 1 + Rf/R1
Rf = (11 − 1)·100 = 1000 kΩ
Réponse
Rf = 1000 kΩ
12.Circuits à ampli op
Réponse: Vout = 0,6298 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.
Courants d’entrée
V₋ = 0, donc chaque résistance d’entrée a toute sa tension d’entrée à ses bornes.
I1 = V1/R1 = −1,6/2 = −0,8 mA
I2 = V2/R2 = 0,8/4,7 = 0,1702 mA
If = I1 + I2 = −0,6298 mA
Tension de sortie
Vout = −Rf·If = −1·(−0,6298) = 0,6298 V
Réponse
Vout = 0,6298 V
13.Transitoires RC et RL
Réponse: vL = 1,06 V
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 = 68 mH / 33 Ω = 2,061 ms
i(∞) = Vs/R = 12/33 = 0,3636 A
Tension aux bornes de la bobine
À t = 0, toute la tension d’alimentation apparaît aux bornes de la bobine ; elle décroît ensuite jusqu’à zéro.
vL(t) = Vs·e−t/τ = 12·e−5/2,061 = 1,06 V
Réponse
vL = 1,06 V
14.Transitoires RC et RL
Réponse: i = 0,2115 A
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.
Valeur initiale, valeur finale, constante de temps
Avant t = 0, l’interrupteur fermé court-circuite R₂ ; ensuite, R₁ et R₂ sont toutes deux dans la boucle.