Circuits électriques 2 : régime sinusoïdal : pack de révision

Formulaires, étapes clés de la méthode pour chaque thème et 16 exercices, avec les corrigés complets à la fin.

Nouveaux exercicesRetour au cours

Dans la fenêtre d’impression, choisissez « Enregistrer au format PDF » pour garder une copie sur votre appareil.

1Formules et méthodes

Nombres complexes

Forme rectangulaire
z = a + jb, j² = −1, z̄ = a − jb
Module et argument
|z| = √(a² + b²), tan θ = b/a (check the quadrant)
Forme polaire et exponentielle
z = r∠θ = r(cos θ + j sin θ) = r·ejθ
Division
z₁/z₂ = z₁z̄₂/|z₂|²
Produit et quotient
r₁∠θ₁ · r₂∠θ₂ = r₁r₂∠(θ₁ + θ₂), r₁∠θ₁ / r₂∠θ₂ = (r₁/r₂)∠(θ₁ − θ₂)
De Moivre
(r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ
Racines n-ièmes
zk = R1/n∠((φ + 360°·k)/n), k = 0 … n − 1
Équation du second degré avec p² < 4q
z = −p/2 ± j√(q − p²/4)

Méthode

  1. Décidez quelle forme convient à l’opération : rectangulaire a + jb pour additionner et soustraire, polaire r∠θ pour multiplier, diviser, élever à une puissance et extraire des racines.
  2. Développez avec j² = −1 ; divisez en multipliant le haut et le bas par le conjugué du dénominateur.
  3. Convertissez avec r = √(a² + b²) et θ d’après une esquisse du point (vérifiez le quadrant), et revenez avec a = r cos θ, b = r sin θ.
  4. Pour les puissances, utilisez De Moivre, (r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ ; pour zⁿ = R∠φ, listez les n racines R1/n∠((φ + 360°k)/n).

Impédance et phaseurs en alternatif

Impédances
ZR = R, ZL = jωL, ZC = 1/(jωC)
Pulsation
ω = 2πf
Module et argument
|Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
Loi d’Ohm en phaseurs
V = I·Z

Méthode

  1. Convertissez la fréquence : ω = 2πf.
  2. Trouvez chaque réactance : XL = ωL et XC = 1/(ωC).
  3. Additionnez les impédances comme des résistances, avec Z = R + jX.
  4. Trouvez le module |Z| = √(R² + X²) et l’argument φ = atan(X/R), puis appliquez la loi d’Ohm avec les phaseurs.

Puissance alternative et facteur de puissance

Puissance active
P = V·I·cos φ
Puissance réactive
Q = V·I·sin φ
Puissance apparente
S = V·I = √(P² + Q²)
Facteur de puissance
pf = cos φ = P/S
Condensateur de compensation
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(ωV²)

Résonance LC, facteur de qualité et bande passante

Fréquence propre
ω0 = 1/√(LC), f0 = 1/(2π√(LC))
Énergie
W = ½CV0² = ½Cv² + ½Li²
Courant crête
Imax = V0√(C/L)
Facteur de qualité
Q = 2π·(energy stored)/(energy lost per cycle)
RLC série
Q = (1/R)√(L/C), BW = R/(2πL)
RLC parallèle
Q = R√(C/L), BW = 1/(2πRC)
Bande passante
BW = f2 − f1 = f0/Q, f0 = √(f1f2)
Fréquences à mi-puissance
f1,2 = f0(√(1 + 1/(4Q²)) ∓ 1/(2Q))
Circuit bouchon avec résistance de bobine r
RD = L/(C·r) = Q²·r
Décroissance de l’amplitude
e−Rt/(2L)

Méthode

  1. Trouvez d’abord la fréquence de résonance : ω₀ = 1/√(LC) et f₀ = ω₀/(2π).
  2. Déterminez si le circuit est série ou parallèle : en série Q = (1/R)√(L/C), en parallèle Q = R√(C/L).
  3. Utilisez BW = f₀/Q pour la bande passante, ou les raccourcis R/(2πL) (série) et 1/(2πRC) (parallèle).
  4. Pour les questions d’énergie, utilisez le fait que l’énergie totale ½CV₀² reste constante dans un circuit LC idéal et oscille entre C et L tous les quarts de période.

Puissance triphasée

Couplage en étoile (Y)
VL = √3·Vph, IL = Iph
Couplage en triangle (Δ)
VL = Vph, IL = √3·Iph
Puissance active totale
P = √3·VL·IL·cos φ = 3·Iph²·R
Puissances apparente et réactive
S = √3·VL·IL, Q = P·tan φ
Condensateurs de compensation
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(3ωV²)
Tension aux bornes de chaque condensateur
Δ : VL Y : VL/√3
Puissance absorbée par le moteur
Pin = Pout/η

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

  1. Trouvez la valeur initiale juste après la commutation : la tension d’un condensateur et le courant d’une bobine ne peuvent pas varier brusquement.
  2. Trouvez la valeur finale longtemps après la commutation : un condensateur se comporte comme un circuit ouvert, une bobine comme un court-circuit.
  3. Trouvez la constante de temps : τ = RC ou τ = L/R, avec la résistance vue par le condensateur ou la bobine.
  4. Utilisez x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ.

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

  1. Retirez la charge et repérez les deux bornes a et b.
  2. Trouvez la tension à vide entre a et b : c’est Vth.
  3. Éteignez toutes les sources indépendantes et trouvez la résistance vue des bornes a–b : c’est Rth.
  4. Rebranchez la charge sur le circuit équivalent : Vth en série avec Rth.
  5. Pour l’équivalent de Norton, convertissez : IN = Vth/Rth, avec RN = Rth en parallèle.

2Exercices

1.Nombres complexesMoyen
ReIm11−1−122−2−233−3−344−4−455−5−566−6−677−7−788−8−8zABCD

Le plan montre z = 3 + j2. Avec w = 0,5∠90°, cliquez sur le point qui représente z/w.

z = 3 + j2w = 0,5∠90°
  1. 1A (−4 + j6)
  2. 2B (6 + j4)
  3. 3C (2 − j3)
  4. 4D (4 − j6)
2.Nombres complexesDifficile
ReIm11−1−122−2−2z₁z₂

Une racine de z³ + z² − 12z + 40 = 0 est z₁ = 2 + j2. Les coefficients sont réels. Trouvez la racine réelle r.

z₁ = 2 + j2
r =
3.Impédance et phaseurs en alternatifMoyen
50 V200 HzR = 40 ΩL = 50 mHC = 10 µF

Un circuit RLC série est alimenté sous 50 V (efficaces), 200 Hz. Trouvez le déphasage φ de l’impédance, en degrés (positif quand le courant est en retard sur la tension).

V = 50 V (rms)f = 200 HzR = 40 ΩL = 50 mHC = 10 µF
φ = °
4.Impédance et phaseurs en alternatifDifficile
100 V50 HzR1​ = 10 ΩR2​ = 50 ΩC = 22 µFI

Une résistance R1 est branchée en série avec l’association en parallèle de R2 et d’un condensateur C, sur une alimentation de 100 V (efficace), 50 Hz. Trouvez le courant efficace I.

V = 100 V (rms)f = 50 HzR1 = 10 ΩR2 = 50 ΩC = 22 µF
I = A
5.Puissance alternative et facteur de puissanceMoyen
P = 36 kWQSφ

Un moteur monophasé absorbe 36 kW avec un facteur de puissance de 0,9 inductif sous 400 V. Trouvez le courant de ligne I.

P = 36 kWpf = 0,9V = 400 V
I = A
6.Puissance alternative et facteur de puissanceDifficile
P1​ = 48 kWQ1​S1​φ

Un transformateur monophasé de 75 kVA alimente une charge de 48 kW avec un facteur de puissance de 0,85 inductif. Quelle puissance active supplémentaire ΔP peut-on ajouter sous forme de charge résistive (facteur de puissance unitaire) avant que le transformateur atteigne sa puissance nominale en kVA ?

Smax = 75 kVAP1 = 48 kWpf1 = 0,85
ΔP = kW
7.Résonance LC, facteur de qualité et bande passanteMoyen
V47 kΩ100 mH2,2 nF

Un circuit RLC parallèle a R = 47 kΩ, L = 100 mH et C = 2,2 nF. Trouvez son facteur de qualité Q.

R = 47 kΩL = 100 mHC = 2,2 nF
Q =
8.Résonance LC, facteur de qualité et bande passanteDifficile
V100 ΩLC = ?

Concevez un filtre RLC série de résistance totale 100 Ω, de fréquence de résonance 50 kHz et de bande passante 1,25 kHz. Trouvez la capacité C en nF.

R = 100 Ωf0 = 50 kHzBW = 1,25 kHz
C = nF
9.Puissance triphaséeMoyen
ABCVL​ = 208 VIL​ = 10 Acos φ = 0,85inductif

Une charge triphasée équilibrée absorbe un courant de ligne de 10 A sur un réseau de tension composée 208 V. Le facteur de puissance vaut 0,85 (inductif). Trouvez la puissance active totale P absorbée par la charge, en kW.

VL = 208 VIL = 10 Acos φ = 0,85
P = kW
10.Puissance triphaséeDifficile
P = 75 kWφ1​S1​Q2​QC​

Une charge triphasée équilibrée absorbe 75 kW avec un facteur de puissance de 0,75 (inductif) sur un réseau de 690 V (tension composée), 60 Hz. Une batterie de condensateurs triphasée branchée en parallèle avec la charge doit relever le facteur de puissance global à 0,95 (inductif). La puissance active reste la même. Les condensateurs sont couplés en étoile (Y). Trouvez la capacité Cph de chaque condensateur, en µF.

P = 75 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,95VL = 690 Vf = 60 Hz
Cph = µF
11.Transitoires RC et RLMoyen
+−Vs​10 Vt = 0R = 10 ΩL100 mHi(t)

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 = 10 VR = 10 ΩL = 100 mH
t = ms
12.Transitoires RC et RLDifficile
+−Vs​20 Vt = 0R = 6,8 kΩC10 µF+−vC​vC​(0) = 3 V

Juste avant la fermeture de l’interrupteur à t = 0, le condensateur est chargé à 3 V avec la polarité indiquée. Combien de temps faut-il à vC pour atteindre 16,6 V ? Trouvez t.

Vs = 20 VR = 6,8 kΩC = 10 µFvC(0) = 3 V
t = ms
13.Thévenin et NortonMoyen
R1​ = 6 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​15 VR2​15 ΩAab

Trouvez la tension de Thévenin Vth vue des bornes a–b.

V1 = 15 VR1 = 6 ΩR2 = 15 ΩR3 = 4 Ω
Vth = V
14.Thévenin et NortonDifficile
R1​ = 8 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​18 VR2​6 ΩAIs​4 ABRL​25 ΩIL​

Une charge RL = 25 Ω est branchée entre a et b. Utilisez un équivalent de Thévenin pour trouver la puissance PL fournie à la charge.

V1 = 18 VIs = 4 AR1 = 8 ΩR2 = 6 ΩR3 = 8 ΩRL = 25 Ω
PL = W
15.Diagrammes de Bode et margesMoyen
vin​R = 4,7 kΩC = 4,7 nFvout​

Le filtre passe-bas RC représenté a R = 4,7 kΩ, C = 4,7 nF. Un signal d’entrée sinusoïdal de 72 kHz est appliqué. Trouvez le gain |H| = |vout/vin| en dB.

R = 4,7 kΩC = 4,7 nFf = 72 kHz
|H| = dB
16.Diagrammes de Bode et margesDifficile
|H| (dB)0,10,1111010100100−100−80−60−40−20020ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

Une boucle à retour unitaire a pour fonction de transfert en boucle ouverte L(s) = K/(s(s + 1)(s + 4)). Trouvez le gain K qui donne une marge de gain de 20 dB.

L(s) = K/(s(s + 1)(s + 4))GM = 20 dB
K =

3Solutions

1.Nombres complexes

Réponse: D (4 − j6)

Forme polaire : z = r∠θ = r(cos θ + j sin θ) = r·ejθ, avec r = |z| et θ = arg z. Retour à la forme rectangulaire : a = r cos θ, b = r sin θ. L’argument demande le quadrant : θ = atan(b/a) seulement quand a > 0 ; pour a < 0, ajoutez ou soustrayez 180°. En forme polaire la multiplication est facile : multipliez les modules et additionnez les arguments ; pour une division, divisez les modules et soustrayez les arguments.

Effet de w

|z/w| = |z|/0,5, arg(z/w) = arg z − 90°

Le point

z/w = 4 − j6 → D

Réponse

D (4 − j6)
2.Nombres complexes

Réponse: r = −5

De Moivre et racines : (r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ. L’équation zⁿ = R∠φ a exactement n racines, toutes de module R1/n, aux arguments (φ + 360°·k)/n pour k = 0, 1, …, n − 1 : elles sont régulièrement réparties sur un cercle, espacées de 360°/n. Une équation du second degré z² + pz + q = 0 avec p² < 4q a les racines complexes z = −p/2 ± j√(q − p²/4) ; un polynôme à coefficients réels a toujours ses racines complexes par paires conjuguées a ± jb.

Paire conjuguée

z₂ = 2 − j2
(z − z₁)(z − z₂) = z² − 2·2·z + (2² + 2²) = z² − 4z + 8

Factoriser le trinôme

z³ + z² − 12z + 40 = (z² − 4z + 8)(z + 5)

Racine réelle

r = −5

Réponse

r = −5

Vérifiez avec la somme des racines : z₁ + z₂ + r = 4 + (−5) = −1 = −(1).

3.Impédance et phaseurs en alternatif

Réponse: φ = −22,72 °

Circuits alternatifs et phaseurs : résistances, bobines et condensateurs ont pour impédances R, jωL et 1/(jωC), avec ω = 2πf. En série, les impédances s’additionnent comme des résistances, mais en nombres complexes. Courant et tension efficaces suivent la loi d’Ohm avec |Z|.

Réactances

ω = 2πf = 2π·200 = 1257 rad/s
XL = ωL = 1257·0,05 = 62,83 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·10·10⁻⁶) = 79,58 Ω

Impédance

En série, les impédances s’additionnent comme des nombres complexes : Z = R + j(XL − XC).

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(40² + (−16,75)²) = 43,36 Ω

Déphasage

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(−16,75/40) = −22,72°

Réponse

φ = −22,72°
4.Impédance et phaseurs en alternatif

Réponse: I = 1,76 A

Circuits alternatifs et phaseurs : résistances, bobines et condensateurs ont pour impédances R, jωL et 1/(jωC), avec ω = 2πf. En série, les impédances s’additionnent comme des résistances, mais en nombres complexes. Courant et tension efficaces suivent la loi d’Ohm avec |Z|.

Réactance

XC = 1/(2π·50·22·10⁻⁶) = 144,7 Ω

Association en parallèle

Multipliez le numérateur et le dénominateur par le conjugué pour séparer Zp en parties réelle et imaginaire.

Zp = R₂·(−jXC)/(R₂ − jXC) = (R₂·XC² − jR₂²·XC)/(R₂² + XC²)
Zp = 44,67 − j15,44 Ω

Impédance totale

Z = 10 + 44,67 − j15,44 = 54,67 − j15,44 Ω
|Z| = √(54,67² + 15,44²) = 56,8 Ω

Courant

I = V/|Z| = 100/56,8 = 1,76 A

Réponse

I = 1,76 A
5.Puissance alternative et facteur de puissance

Réponse: I = 100 A

Puissance en alternatif : la puissance apparente S = V·I (VA) se partage entre la puissance active P = S·cos φ (W), qui fournit un travail utile, et la puissance réactive Q = S·sin φ (var), qui fait des allers-retours entre source et charge. Le facteur de puissance est cos φ. Un condensateur en parallèle fournit la puissance réactive sur place, donc le courant de ligne baisse pour la même puissance active.

Courant de ligne

Seule la partie active de la puissance fournit un travail, donc divisez par le facteur de puissance.

I = P/(V·cos φ) = 36000/(400·0,9) = 100 A

Réponse

I = 100 A
6.Puissance alternative et facteur de puissance

Réponse: ΔP = 20,85 kW

Puissance en alternatif : la puissance apparente S = V·I (VA) se partage entre la puissance active P = S·cos φ (W), qui fournit un travail utile, et la puissance réactive Q = S·sin φ (var), qui fait des allers-retours entre source et charge. Le facteur de puissance est cos φ. Un condensateur en parallèle fournit la puissance réactive sur place, donc le courant de ligne baisse pour la même puissance active.

Puissance réactive de la charge existante

Q1 = 48·tan(arccos 0,85) = 29,75 kvar

Plus grande puissance active totale

À pleine charge nominale, S = Smax, et Q n’est pas modifiée par la charge résistive.

P = √(Smax² − Q1²) = √(75² − 29,75²) = 68,85 kW

Puissance active supplémentaire

ΔP = 68,85 − 48 = 20,85 kW

Réponse

ΔP = 20,85 kW
7.Résonance LC, facteur de qualité et bande passante

Réponse: Q = 6,971

Facteur de qualité et bande passante : dans un circuit résonant, Q = 2π·(énergie stockée)/(énergie perdue par cycle). Pour un RLC série, Q = ω0L/R = (1/R)√(L/C) ; pour un RLC parallèle, Q = R/(ω0L) = R√(C/L). La bande passante entre les fréquences à mi-puissance f1 et f2 (où la puissance est réduite de moitié et le courant ou la tension vaut 1/√2 de son maximum) est BW = f2 − f1 = f0/Q, soit R/(2πL) en série et 1/(2πRC) en parallèle. La fréquence de résonance est la moyenne géométrique f0 = √(f1f2), et f1,2 = f0(√(1 + 1/(4Q²)) ∓ 1/(2Q)). Les pertes font aussi décroître l’oscillation : en RLC série, l’amplitude diminue comme e−Rt/(2L).

Fréquence de résonance

ω₀ = 1/√(LC) = 67420 rad/s

Facteur de qualité

Q = R/(ω₀L) = 47000/(67420·0,1) = 6,971

Réponse

Q = 6,971

La bande passante vaut 1/(2πRC) = 1,539 kHz.

8.Résonance LC, facteur de qualité et bande passante

Réponse: C = 0,7958 nF

Facteur de qualité et bande passante : dans un circuit résonant, Q = 2π·(énergie stockée)/(énergie perdue par cycle). Pour un RLC série, Q = ω0L/R = (1/R)√(L/C) ; pour un RLC parallèle, Q = R/(ω0L) = R√(C/L). La bande passante entre les fréquences à mi-puissance f1 et f2 (où la puissance est réduite de moitié et le courant ou la tension vaut 1/√2 de son maximum) est BW = f2 − f1 = f0/Q, soit R/(2πL) en série et 1/(2πRC) en parallèle. La fréquence de résonance est la moyenne géométrique f0 = √(f1f2), et f1,2 = f0(√(1 + 1/(4Q²)) ∓ 1/(2Q)). Les pertes font aussi décroître l’oscillation : en RLC série, l’amplitude diminue comme e−Rt/(2L).

Inductance à partir de la bande passante

L = R/(2π·BW) = 100/(2π·1250) = 0,01273 H

Capacité à partir de la fréquence de résonance

C = 1/((2π·50000)²·0,01273) = 7,958 × 10⁻¹⁰ F = 0,7958 nF

Réponse

C = 0,7958 nF

Q = f₀/BW = 40.

9.Puissance triphasée

Réponse: P = 3,062 kW

Systèmes triphasés équilibrés : en couplage étoile (Y), la tension composée vaut √3 fois la tension simple, VL = √3·Vph, et le courant de ligne est égal au courant de phase. En couplage triangle (Δ), la tension composée est égale à la tension de phase et le courant de ligne vaut √3 fois le courant de phase, IL = √3·Iph. La puissance totale vaut trois fois la puissance d’une phase : P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ.

Puissance apparente

S = √3·VL·IL = √3·208·10 = 3,603 kVA

Puissance active

P = S·cos φ = 3,603·0,85 = 3,062 kW

Réponse

P = 3,062 kW
10.Puissance triphasée

Réponse: Cph = 231,2 µF

Systèmes triphasés équilibrés : en couplage étoile (Y), la tension composée vaut √3 fois la tension simple, VL = √3·Vph, et le courant de ligne est égal au courant de phase. En couplage triangle (Δ), la tension composée est égale à la tension de phase et le courant de ligne vaut √3 fois le courant de phase, IL = √3·Iph. La puissance totale vaut trois fois la puissance d’une phase : P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ. Compensation du facteur de puissance : les condensateurs fournissent localement de la puissance réactive, QC = P·(tan φ1 − tan φ2). Chacun des trois condensateurs fournit QC/3 = V²·ω·C, où V est la tension aux bornes de ce condensateur : VL dans une batterie en triangle, VL/√3 dans une batterie en étoile.

Puissance réactive avant et après

La puissance active ne change pas ; chaque facteur de puissance fixe donc la puissance réactive : Q = P·tan φ.

Q1 = 75·tan(acos 0,75) = 75·0,8819 = 66,14 kvar
Q2 = 75·tan(acos 0,95) = 75·0,3287 = 24,65 kvar

Puissance réactive fournie par les condensateurs

QC = Q1 − Q2 = 41,49 kvar

Capacité par phase

Dans une batterie en étoile, chaque condensateur est branché entre une phase et le point neutre.

V = 690/√3 = 398,4 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 13831/(377·398,4²) = 231,2 µF

Réponse

Cph = 231,2 µF
11.Transitoires RC et RL

Réponse: t = 16,09 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 = 100 mH / 10 Ω = 10 ms
i(∞) = Vs/R = 10/10 = 1 A

Isoler le temps

0,8 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,8)
t = −10·ln(0,2) = 16,09 ms

Réponse

t = 16,09 ms
12.Transitoires RC et RL

Réponse: t = 109,4 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.

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.

vC(0) = 3 V, vC(∞) = Vs = 20 V
τ = R·C = 6,8 kΩ · 10 µF = 68 ms
vC(t) = 20 + (3 − 20)·e−t/τ

Isoler le temps

16,6 = 20 + (−17)·e−t/τ → e−t/τ = (16,6 − 20)/(3 − 20) = 0,2
t = τ·ln((3 − 20)/(16,6 − 20)) = 68·ln(5) = 109,4 ms

Réponse

t = 109,4 ms
13.Thévenin et Norton

Réponse: Vth = 10,71 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.

R1​ = 6 ΩR3​ = 4 ΩCOURT-CIRCUITR2​15 ΩAabRth​

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 = 6·15/(6+15) = 4,286 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,286 + 4 = 8,286 Ω
R1​ = 6 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​15 VR2​15 ΩAab+−Vth​

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) = 15·15/(6+15) = 10,71 V
14.Thévenin et Norton

Réponse: PL = 53,78 W

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.

R1​ = 8 ΩR3​ = 8 ΩCOURT-CIRCUITR2​6 ΩAOUVERTBabRth​

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 = 8·6/(8+6) = 3,429 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,429 + 8 = 11,43 Ω
R1​ = 8 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​18 VR2​6 ΩAIs​4 ABab+−Vth​

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) = 7,714 + 4·3,429 = 21,43 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 21,43 + 4·8 = 53,43 V
Rth​ = 11,43 Ω+−Vth​53,43 VRL​25 ΩIL​

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) = 53,43/(11,43 + 25) = 1,467 A
PL = IL²·RL = 1,467²·25 = 53,78 W
15.Diagrammes de Bode et marges

Réponse: |H| = −20,04 dB

Réponse en fréquence : substituez s = jω dans la fonction de transfert. Le module en décibels est 20·log₁₀|H(jω)| et la phase est la somme des angles des facteurs du numérateur moins ceux des facteurs du dénominateur. Un filtre RC ou RL du premier ordre a sa fréquence de coupure (−3 dB) à ωc = 1/(RC) ou R/L, et fc = ωc/(2π) ; un filtre passe-bas donne |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) et φ = −atan(ω/ωc). Dans le diagramme de Bode asymptotique (en lignes droites), chaque pôle infléchit le module vers le bas de 20 dB/décade à sa fréquence de coupure, chaque zéro l’infléchit vers le haut de 20 dB/décade, et un intégrateur 1/s donne −20 dB/décade à toutes les fréquences. Pulsation de croisement du gain ωc : |L(jω)| = 1 (0 dB) ; marge de phase PM = 180° + ∠L(jωc). Pulsation de croisement de phase ω180 : ∠L(jω) = −180° ; marge de gain GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. La boucle fermée est stable quand les deux marges sont positives.

Fréquence de coupure

ωc = 1/(RC) = 1/(4700·4,7 × 10⁻⁹) = 45269 rad/s
fc = 7205 Hz → f/fc = 72000/7205 = 9,993

Gain

|H| = 1/√(1 + 9,993²) = 0,09957
20·log₁₀(0,09957) = −20,04 dB

Réponse

|H| = −20,04 dB
16.Diagrammes de Bode et marges

Réponse: K = 2

Réponse en fréquence : substituez s = jω dans la fonction de transfert. Le module en décibels est 20·log₁₀|H(jω)| et la phase est la somme des angles des facteurs du numérateur moins ceux des facteurs du dénominateur. Un filtre RC ou RL du premier ordre a sa fréquence de coupure (−3 dB) à ωc = 1/(RC) ou R/L, et fc = ωc/(2π) ; un filtre passe-bas donne |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) et φ = −atan(ω/ωc). Dans le diagramme de Bode asymptotique (en lignes droites), chaque pôle infléchit le module vers le bas de 20 dB/décade à sa fréquence de coupure, chaque zéro l’infléchit vers le haut de 20 dB/décade, et un intégrateur 1/s donne −20 dB/décade à toutes les fréquences. Pulsation de croisement du gain ωc : |L(jω)| = 1 (0 dB) ; marge de phase PM = 180° + ∠L(jωc). Pulsation de croisement de phase ω180 : ∠L(jω) = −180° ; marge de gain GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. La boucle fermée est stable quand les deux marges sont positives.

Croisement de phase

(ω/1)·(ω/4) = 1 → ω180 = √(1·4) = 2 rad/s

Module au croisement de phase

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 1)·√(ω² + 16)) = K/(1·4·(1 + 4)) = K/20

Gain requis

20/K = 1020/20 = 10
K = 20/10 = 2

Réponse

K = 2

ExamProblems · examproblems.com/courses/circuit-analysis-2