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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 = 8 ΩR2 = 8 ΩR3 = 5 ΩR4 = 4 Ω
Req = Ω
2.Résistances en série et en parallèleDifficile
Trouvez le courant IR1 fourni par la source, qui traverse R1.
Trouvez la valeur de la source de courant Is (sens indiqué) qui annule le courant IR3 dans R3.
V1 = 6 VR1 = 4 ΩR2 = 5 ΩR3 = 2 ΩR4 = 5 Ω
Is = A
8.SuperpositionDifficile
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 = 14,5 mA. Avec V1 doublée et les deux autres inchangées, I = 22,5 mA. Avec le sens de Is inversé et les deux autres inchangées, I = −3,5 mA. Trouvez le courant de charge I quand V2 est éteinte et que V1 et Is ont leur valeur normale.
normale: I = 14,5 mA2·V1: I = 22,5 mA−Is: I = −3,5 mA
I = mA
9.Thévenin et NortonMoyen
Une charge RL = 8 Ω est branchée entre a et b. Remplacez le reste du circuit par son équivalent de Thévenin et trouvez le courant de charge IL.
V1 = 18 VR1 = 5 ΩR2 = 10 ΩR3 = 5 ΩRL = 8 Ω
IL = A
10.Thévenin et NortonDifficile
Une charge RL = 10 Ω est branchée entre a et b. Remplacez le reste du circuit par son équivalent de Thévenin et trouvez le courant de charge IL.
L’ampli op est idéal et alimenté en ±15 V. Trouvez la tension de sortie Vout.
Vin = 1,9 VR1 = 22 kΩRf = 47 kΩ
Vout = 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. L’entrée vaut Vin = −0,85 V. Trouvez la tension de sortie Vout.
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 95 % de sa valeur finale ? Trouvez t.
Vs = 24 VR = 50 ΩL = 220 mH
t = ms
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 = 80 ms.
Vs = 6 VR = 2,2 kΩC = 68 µFvC(0) = 3 Vt = 80 ms
vC = V
3Solutions
1.Résistances en série et en parallèle
Réponse: Req = 12,24 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 = 5 + 4 = 9 Ω
R2 ∥ 9 = 8·9/(8+9) = 4,235 Ω
Req = R1 + 4,235 = 8 + 4,235 = 12,24 Ω
Réponse
Req = 12,24 Ω
2.Résistances en série et en parallèle
Réponse: IR1 = 0,3308 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 = 8 + 6 = 14 Ω
R4 ∥ 14 = 5,833 Ω
R3 + 5,833 = 25,83 Ω
R2 ∥ 25,83 = 7,209 Ω
Req = R1 + 7,209 = 20 + 7,209 = 27,21 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 = 9/27,21 = 0,3308 A
Réponse
IR1 = 0,3308 A
3.Méthode des nœuds
Réponse: IR3 = −1,149 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 = 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/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/2 + (VA − 12)/10 + (VA − VB)/4 = 0
0,85·VA − 0,25·VB = 1,2
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/10 + (VB − VA)/4 = 2
−0,25·VA + 0,35·VB = 2
Résoudre
Δ = (0,85)(0,35) − (−0,25)(−0,25) = 0,235
VA = Δ1/Δ = 0,92/0,235 = 3,915 V
VB = Δ2/Δ = 2/0,235 = 8,511 V
Réponse
IR3 = (VA − VB)/R3 = (3,915 − 8,511)/4 = −1,149 A
4.Méthode des nœuds
Réponse: IR4 = 0,6267 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 = 30 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/10 + (VA − 6)/25 + (VA − VB)/10 = 0
0,24·VA − 0,1·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/30 + (VB − VA)/10 + (VB − 30)/30 = 5
−0,1·VA + 0,1667·VB = 6
Résoudre
Δ = (0,24)(0,1667) − (−0,1)(−0,1) = 0,03
VA = Δ1/Δ = 0,64/0,03 = 21,33 V
VB = Δ2/Δ = 1,464/0,03 = 48,8 V
Réponse
IR4 = (VB − V2)/R4 = (48,8 − 30)/30 = 0,6267 A
5.Méthode des mailles
Réponse: VR2 = −7 V
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
20·I1 + 5(I1 − I2) = 12
25·I1 − 5·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
5·I2 + 5(I2 − I1) = (−15)
−5·I1 + 10·I2 = −15
Résoudre
Δ = (25)(10) − (−5)(−5) = 225
I1 = Δ1/Δ = 45/225 = 0,2 A
I2 = Δ2/Δ = −315/225 = −1,4 A
Réponse
IR2 = I2 = −1,4 A
VR2 = IR2·R2 = −1,4·5 = −7 V
Un courant de maille négatif circule dans le sens antihoraire.
6.Méthode des mailles
Réponse: IR4 = 0,7602 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
5·I1 + 25(I1 − I2) = 24
30·I1 − 25·I2 = 24
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
25·I2 + 25(I2 − I1) + 30(I2 − I3) = 0
−25·I1 + 80·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
10·I3 + 30(I3 − I2) = (−15)
−30·I2 + 40·I3 = −15
Résoudre
Δ = déterminant de la matrice des coefficients = 44000
I1 = Δ1/Δ = 43950/44000 = 0,9989 A
I2 = Δ2/Δ = 10500/44000 = 0,2386 A
I3 = Δ3/Δ = −8625/44000 = −0,196 A
Réponse
IR4 = I1 − I2 = 0,7602 A
Un courant de maille négatif circule dans le sens antihoraire.
7.Superposition
Réponse: Is = 0,6667 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 active
Iₛ devient un circuit ouvert, donc R₃ et R₄ forment une branche série de A à la masse, en parallèle avec R₂.
R3+R4 = 2+5 = 7 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 5·7/(5+7) = 2,917 Ω
VA = 6·2,917/(4+2,917) = 2,53 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 2,53·5/7 = 1,807 V
IR3′ = (VA − VB)/R3 = (2,53 − 1,807)/2 = 0,3614 A
Cas 2 · Is seule active
V₁ devient un court-circuit, donc R₁ ∥ R₂ est reliée entre A et la masse. Iₛ se partage en B entre R₄ et le chemin R₃ + R₁∥R₂ ; la part qui traverse R₃ circule de B vers A, à l’opposé de la flèche.
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 = 14,5
2·I₁ + I₂ + I₃ = 22,5
I₁ + I₂ − I₃ = −3,5
Trouver les contributions
I₁ = 22,5 − 14,5 = 8 mA
I₃ = (14,5 − (−3,5))/2 = 9 mA
I₂ = 14,5 − 8 − 9 = −2,5 mA
Éteindre V₂
I = I₁ + I₃ = 8 + 9 = 17 mA
Réponse
I = 17 mA
9.Thévenin et Norton
Réponse: IL = 0,7347 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) = 18·10/(5+10) = 12 V
Brancher la charge sur l’équivalent de Thévenin
La source de Thévenin et R_th en série se comportent exactement comme le circuit d’origine en a–b, donc la charge voit une simple boucle série.
IL = Vth/(Rth + RL) = 12/(8,333 + 8) = 0,7347 A
10.Thévenin et Norton
Réponse: IL = 2,492 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 = 12·5/(12+5) = 3,529 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,529 + 5 = 8,529 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) = 3,529 + 5·3,529 = 21,18 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 21,18 + 5·5 = 46,18 V
Brancher la charge sur l’équivalent de Thévenin
La source de Thévenin et R_th en série se comportent exactement comme le circuit d’origine en a–b, donc la charge voit une simple boucle série.
IL = Vth/(Rth + RL) = 46,18/(8,529 + 10) = 2,492 A
11.Circuits à ampli op
Réponse: Vout = 5,959 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.
L’entrée inverseuse suit l’entrée
V₋ = V₊ = 1,9 V
I = V₋/R1 = 1,9/22 = 0,08636 mA
Tension de sortie
Le courant de R₁ traverse aussi Rf.
Vout = V₋ + I·Rf = 1,9 + 0,08636·47 = 5,959 V
Réponse
Vout = 5,959 V
12.Circuits à ampli op
Réponse: Vout = 10,66 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 de chaque étage
A1 = −Rf1/R1 = −22/10 = −2,2
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 4,7/1 = 5,7
Étage par étage
V1 = −2,2·(−0,85) = 1,87 V
Vout = 5,7·1,87 = 10,66 V
Réponse
Vout = 10,66 V
13.Transitoires RC et RL
Réponse: t = 13,18 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 = 220 mH / 50 Ω = 4,4 ms
i(∞) = Vs/R = 24/50 = 0,48 A
Isoler le temps
0,95 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,95)
t = −4,4·ln(0,05) = 13,18 ms
Réponse
t = 13,18 ms
14.Transitoires RC et RL
Réponse: vC = 4,243 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.