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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 = 30 VR1 = 5 ΩR2 = 12 ΩR3 = 20 ΩR4 = 5 Ω
Req = Ω
2.Résistances en série et en parallèleDifficile
Trouvez la résistance équivalente Req vue par la source V1.
La source de courant est réglée jusqu’à ce que le potentiel du nœud A vaille VA = 8 V. Utilisez la méthode des nœuds pour trouver le courant de la source Is (sens indiqué).
Un circuit résistif linéaire contient une source de tension Vs et une source de courant Is. Le courant I dans une résistance de charge est mesuré deux fois : avec Vs = 2 V et Is = 6 mA, I = 6,1 mA ; avec Vs = 20 V et Is = 3 mA, I = 18,25 mA. Trouvez le courant de charge I quand Vs = 5 V et Is = 8 mA.
2 V, 6 mA → 6,1 mA20 V, 3 mA → 18,25 mAVs = 5 V, Is = 8 mA
I = mA
8.SuperpositionDifficile
Utilisez le théorème de superposition pour trouver le courant IR3 dans R3 dans le sens de la flèche.
La bobine n’est parcourue par aucun courant avant la fermeture de l’interrupteur à t = 0. Trouvez l’énergie W stockée dans la bobine à t = 1 ms, en mJ.
Vs = 6 VR = 15 ΩL = 22 mHt = 1 ms
W = mJ
14.Transitoires RC et RLDifficile
Juste avant la fermeture de l’interrupteur à t = 0, le condensateur est chargé à 3 V avec la polarité indiquée. Trouvez la tension du condensateur vC à t = 25 ms.
Vs = 24 VR = 1 kΩC = 47 µFvC(0) = 3 Vt = 25 ms
vC = V
3Solutions
1.Résistances en série et en parallèle
Réponse: Req = 13,11 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 = 20 + 5 = 25 Ω
R2 ∥ 25 = 12·25/(12+25) = 8,108 Ω
Req = R1 + 8,108 = 5 + 8,108 = 13,11 Ω
Réponse
Req = 13,11 Ω
2.Résistances en série et en parallèle
Réponse: Req = 23,53 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 = 15 + 5 = 20 Ω
R4 ∥ 20 = 3,333 Ω
R3 + 3,333 = 6,333 Ω
R2 ∥ 6,333 = 3,535 Ω
Req = R1 + 3,535 = 20 + 3,535 = 23,53 Ω
Réponse
Req = 23,53 Ω
3.Méthode des nœuds
Réponse: PIs = 7,081 W
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 au nœud A
Les courants qui quittent A par les résistances égalent le courant injecté dans A par les sources.
VA/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/10 + (VA − 30)/8 + (VA − VB)/8 = 0
0,35·VA − 0,125·VB = 3,75
Loi des nœuds au nœud B
Les courants qui quittent B par les résistances égalent le courant injecté dans B par les sources.
VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/4 + (VB − VA)/8 = 1
−0,125·VA + 0,375·VB = 1
Résoudre
Δ = (0,35)(0,375) − (−0,125)(−0,125) = 0,1156
VA = Δ1/Δ = 1,531/0,1156 = 13,24 V
VB = Δ2/Δ = 0,8187/0,1156 = 7,081 V
Puissance fournie par la source de courant
La source injecte Iₛ vers le haut dans le nœud B, de la masse (0 V) à VB. Une source dont le courant sort par sa borne + fournit P = V·I.
PIs = VB·Is = 7,081·1 = 7,081 W
Réponse
PIs = 7,081 W
4.Méthode des nœuds
Réponse: Is = 4,262 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
VA est connu, donc cette équation donne VB.
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
(8 − 15)/20 + 8/2 = (VB − 8)/2
3,65 = (VB − 8)/2 → VB = 15,3 V
Loi des nœuds en B
Les courants sortant de B par les résistances sont égaux au courant injecté dans B par les sources.
Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (15,3 − 8)/2 + 15,3/25 = 4,262 A
Réponse
Is = 4,262 A
5.Méthode des mailles
Réponse: I1 = 1,469 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
4·I1 + 2(I1 − I2) = 12
6·I1 − 2·I2 = 12
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 + 2(I2 − I1) = (−30)
−2·I1 + 17·I2 = −30
Résoudre
Δ = (6)(17) − (−2)(−2) = 98
I1 = Δ1/Δ = 144/98 = 1,469 A
I2 = Δ2/Δ = −156/98 = −1,592 A
Réponse
I1 = 1,469 A
Un courant de maille négatif circule dans le sens antihoraire.
6.Méthode des mailles
Réponse: I2 = 0,1091 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
15·I1 + 5(I1 − I2) = 30
20·I1 − 5·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
30·I2 + 5(I2 − I1) + 10(I2 − I3) = 0
−5·I1 + 45·I2 − 10·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
8·I3 + 10(I3 − I2) = (−6)
−10·I2 + 18·I3 = −6
Résoudre
Δ = déterminant de la matrice des coefficients = 13750
I1 = Δ1/Δ = 21000/13750 = 1,527 A
I2 = Δ2/Δ = 1500/13750 = 0,1091 A
I3 = Δ3/Δ = −3750/13750 = −0,2727 A
Réponse
I2 = 0,1091 A
Un courant de maille négatif circule dans le sens antihoraire.
7.Superposition
Réponse: I = 10 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 la réponse comme une somme de contributions
Chaque contribution est proportionnelle à sa propre source, avec une constante qui ne dépend que des résistances.
I = k₁·Vs + k₂·Is
2·k₁ + 6·k₂ = 6,1
20·k₁ + 3·k₂ = 18,25
Trouver les constantes
Δ = (2)(3) − (6)(20) = −114
k₁ = Δ1/Δ = −91,2/−114 = 0,8
k₂ = Δ2/Δ = −85,5/−114 = 0,75
k₁ = 0,8 mA/V, k₂ = 0,75
Prévoir le nouveau courant
I = 0,8·5 + 0,75·8 = 10 mA
Réponse
I = 10 mA
8.Superposition
Réponse: IR3 = −2,208 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) = 3 ∥ 37 = 2,775 Ω
VA = 15·2,775/(30+2,775) = 1,27 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 1,27·25/37 = 0,8581 V
IR3′ = (VA − 0)/R3 = (1,27 − 0)/3 = 0,4233 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 = 2,727 Ω, donc le chemin de gauche vaut R2+2,727 = 14,73 Ω
Req = R4 ∥ 14,73 = 9,268 Ω
VB = Is·Req = (−4)·9,268 = −37,07 V
VA = VB·2,727/14,73 = −6,865 V
IR3″ = (VA − 0)/R3 = (−6,865 − 0)/3 = −2,288 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 = 30·3/(30+3) = 2,727 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−15)·14,73/39,73 = −5,561 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −5,561·2,727/14,73 = −1,03 V
IR3‴ = (VA − 0)/R3 = (−1,03 − 0)/3 = −0,3432 A
Additionner les contributions
IR3 = IR3′ + IR3″ + IR3‴
IR3 = 0,4233 + (−2,288) + (−0,3432) = −2,208 A
Un résultat négatif signifie que le courant réel circule dans le sens opposé à la flèche.
9.Thévenin et Norton
Réponse: IN = 2,609 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 = 3·10/(3+10) = 2,308 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,308 + 3 = 5,308 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) = 18·10/(3+10) = 13,85 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 = 13,85/5,308 = 2,609 A
10.Thévenin et Norton
Réponse: IN = 5,273 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 = 5·5/(5+5) = 2,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,5 + 3 = 5,5 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) = 18 + 2·2,5 = 23 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 23 + 2·3 = 29 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 = 29/5,5 = 5,273 A
11.Circuits à ampli op
Réponse: Vout = 5,149 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.
Tension aux entrées
R₃ et R₄ sont parcourues par le même courant, donc elles forment un diviseur de tension ; la contre-réaction impose V₋ = 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 = 1,7/100 = 0,017 mA
I2 = V2/R2 = 1,7/47 = 0,03617 mA
If = I1 + I2 = 0,05317 mA
Tension de sortie
Vout = −Rf·If = −4,7·0,05317 = −0,2499 V
Réponse
Vout = −0,2499 V
13.Transitoires RC et RL
Réponse: W = 0,43 mJ
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 = 22 mH / 15 Ω = 1,467 ms
i(∞) = Vs/R = 6/15 = 0,4 A
Courant à l’instant donné
i(t) = 0,4·(1 − e−1/1,467) = 0,1977 A
Énergie stockée
W = ½·L·i² = ½·22·0,1977² = 0,43 mJ
Réponse
W = 0,43 mJ
14.Transitoires RC et RL
Réponse: vC = 11,66 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.
Valeur initiale, valeur finale, constante de temps
La tension d’un condensateur ne peut pas sauter : elle part de sa valeur stockée et tend vers la tension de la source.