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.

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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 = −1 + j3. Avec w = 0,5∠−90°, cliquez sur le point qui représente z/w.

z = −1 + j3w = 0,5∠−90°
  1. 1A (−6 − j2)
  2. 2B (6 + j2)
  3. 3C (−3 − j)
  4. 4D (−2 + j6)
2.Nombres complexesDifficile
ReIm22−2−244−4−4z₁z₂

L’équation z² + 6z + 25 = 0 a deux racines complexes. Trouvez leur module |z|.

p = 6q = 25
|z| =
3.Impédance et phaseurs en alternatifMoyen
24 V60 HzR = 15 ΩC = 100 µFI

Une résistance et un condensateur sont branchés en parallèle sur une alimentation de 24 V (efficace), 60 Hz. Trouvez le déphasage φ de l’impédance, en degrés (positif quand le courant est en retard sur la tension).

V = 24 V (rms)f = 60 HzR = 15 ΩC = 100 µF
φ = °
4.Impédance et phaseurs en alternatifDifficile
120 V100 HzR = 40 ΩL = 50 mHC = 4,7 µFI

Un circuit RLC série est alimenté sous 120 V (efficaces), 100 Hz. Trouvez le courant efficace I.

V = 120 V (rms)f = 100 HzR = 40 ΩL = 50 mHC = 4,7 µF
I = A
5.Puissance alternative et facteur de puissanceMoyen
230 V15 kW, 0,825 kW, 0,8I = ?

Deux charges sont branchées en parallèle sur une alimentation monophasée de 230 V : une charge de 5 kW avec un facteur de puissance de 0,8 inductif et une charge de 5 kW avec un facteur de puissance de 0,8 inductif. Trouvez le courant total I prélevé sur l’alimentation.

V = 230 VP1 = 5 kW, pf1 = 0,8 inductifP2 = 5 kW, pf2 = 0,8 inductif
I = A
6.Puissance alternative et facteur de puissanceDifficile
P = 5 kWQ1​S1​φ1​QC​

Une charge monophasée absorbe 5 kW avec un facteur de puissance de 0,6 inductif sous 400 V, 60 Hz. Un condensateur branché en parallèle relève le facteur de puissance à 0,95. Trouvez la puissance réactive QC que le condensateur doit fournir.

P = 5 kWpf1 = 0,6pf2 = 0,95V = 400 Vf = 60 Hz
QC = kvar
7.Résonance LC, facteur de qualité et bande passanteMoyen
f|I|0,7071100 kHzf1​ = ?f2​BW

Un circuit RLC série résonne à 100 kHz avec Q = 2. Trouvez exactement la fréquence à mi-puissance inférieure f1, en kHz.

f0 = 100 kHzQ = 2
f1 = kHz
8.Résonance LC, facteur de qualité et bande passanteDifficile
VR = ?470 µHC

Un circuit résonant série utilise une bobine de 470 µH. Quelle résistance série totale R donne une bande passante de 500 Hz ?

L = 470 µHBW = 500 Hz
R = Ω
9.Puissance triphaséeMoyen
ABCVL​ = 690 VIL​ = 40 Acos φ = 0,75inductif

Une charge triphasée équilibrée absorbe un courant de ligne de 40 A sur un réseau de tension composée 690 V. Le facteur de puissance vaut 0,75 (inductif). Trouvez la puissance active totale P absorbée par la charge, en kW.

VL = 690 VIL = 40 Acos φ = 0,75
P = kW
10.Puissance triphaséeDifficile
P = 50 kWφ1​S1​Q2​QC​

Une charge triphasée équilibrée absorbe 50 kW avec un facteur de puissance de 0,72 (inductif) sur un réseau de 415 V (tension composée), 60 Hz. Une batterie de condensateurs triphasée branchée en parallèle avec la charge doit relever le facteur de puissance global à 0,98 (inductif). La puissance active reste la même. Les condensateurs sont couplés en étoile (Y). Trouvez la capacité Cph de chaque condensateur, en µF.

P = 50 kWpf1 = 0,72pf2 = 0,98VL = 415 Vf = 60 Hz
Cph = µF
11.Transitoires RC et RLMoyen
+−Vs​6 Vt = 0R1​ = 4,7 kΩR2​ = 10 kΩC10 µF+−vC​

La source Vₛ charge le condensateur à travers R₁, et R₂ est branchée en parallèle avec C. Le condensateur est déchargé quand l’interrupteur se ferme à t = 0. Trouvez la tension du condensateur vC à t = 80 ms.

Vs = 6 VR1 = 4,7 kΩR2 = 10 kΩC = 10 µFt = 80 ms
vC = V
12.Transitoires RC et RLDifficile
+−Vs​9 Vt = 0R = 10 kΩC100 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. Trouvez la tension du condensateur vC à t = 400 ms.

Vs = 9 VR = 10 kΩC = 100 µFvC(0) = 3 Vt = 400 ms
vC = V
13.Thévenin et NortonMoyen
R1​ = 5 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​24 VR2​20 ΩAab

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

V1 = 24 VR1 = 5 ΩR2 = 20 ΩR3 = 3 Ω
Vth = V
14.Thévenin et NortonDifficile
R1​ = 10 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​9 VR2​6 ΩAIs​2 ABab

Trouvez le courant de Norton IN : le courant qui circule de a vers b si les bornes sont court-circuitées.

V1 = 9 VIs = 2 AR1 = 10 ΩR2 = 6 ΩR3 = 12 Ω
IN = A
15.Diagrammes de Bode et margesMoyen
vin​L = 10 mHR = 470 Ωvout​

Le filtre passe-bas RL représenté a R = 470 Ω, L = 10 mH. Un signal d’entrée sinusoïdal de 1,9 kHz est appliqué. Trouvez le déphasage φ de vout par rapport à vin, en degrés.

R = 470 ΩL = 10 mHf = 1,9 kHz
φ = °
16.Diagrammes de Bode et margesDifficile
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

Une boucle à retour unitaire a pour fonction de transfert en boucle ouverte L(s) = 40/(s(s + 2)(s + 5)). Trouvez la marge de gain GM en dB.

L(s) = 40/(s(s + 2)(s + 5))
GM = dB

3Solutions

1.Nombres complexes

Réponse: A (−6 − j2)

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 = −6 − j2 → A

Réponse

A (−6 − j2)
2.Nombres complexes

Réponse: |z| = 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.

Discriminant

p² − 4q = 36 − 100 = −64 < 0

Formule du second degré

z = (−6 ± j√64)/2 = −3 + j4, −3 − j4

Réponse

|z| = √((−3)² + 4²) = √25 = 5

Réponse

|z| = 5
3.Impédance et phaseurs en alternatif

Réponse: φ = −29,49 °

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/(ωC) = 1/(2π·60·100·10⁻⁶) = 26,53 Ω

Courants de branche

Les deux branches sont branchées directement sur l’alimentation, donc chacune est soumise à toute la tension V.

IR = V/R = 24/15 = 1,6 A
IX = V/XC = 24/26,53 = 0,9048 A

Courant total

Le courant dans la résistance est en phase avec V et le courant réactif est déphasé de 90°, donc ils se combinent comme les côtés d’un triangle rectangle.

I = √(IR² + IX²) = √(1,6² + 0,9048²) = 1,838 A

Déphasage

Le courant dans le condensateur est en avance sur V, donc le courant total est en avance et l’angle est négatif.

φ = −arctan(IX/IR) = −arctan(0,9048/1,6) = −29,49°

Réponse

φ = −29,49°
4.Impédance et phaseurs en alternatif

Réponse: I = 0,3873 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|.

Réactances

ω = 2πf = 2π·100 = 628,3 rad/s
XL = ωL = 628,3·0,05 = 31,42 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(628,3·4,7·10⁻⁶) = 338,6 Ω

Impédance

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(40² + (−307,2)²) = 309,8 Ω

Courant

Le même courant traverse tous les éléments d’un circuit série.

I = V/|Z| = 120/309,8 = 0,3873 A

Réponse

I = 0,3873 A
5.Puissance alternative et facteur de puissance

Réponse: I = 54,35 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.

Puissance réactive de chaque charge

Une charge inductive absorbe de la puissance réactive (Q > 0) ; une charge capacitive en fournit (Q < 0).

Q1 = 5·tan(arccos 0,8) = 3,75 kvar
Q2 = 5·tan(arccos 0,8) = 3,75 kvar

Totaux

P = 5 + 5 = 10 kW
Q = 3,75 + 3,75 = 7,5 kvar
S = √(10² + 7,5²) = 12,5 kVA

Courant total

I = S/V = 12500/230 = 54,35 A

Réponse

I = 54,35 A
6.Puissance alternative et facteur de puissance

Réponse: QC = 5,023 kvar

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 avant et après

La puissance active P ne change pas ; seule la puissance réactive prélevée sur le réseau change.

Q1 = P·tan φ1 = 5·tan(53,13°) = 6,667 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 5·tan(18,19°) = 1,643 kvar
QC = Q1 − Q2 = 5,023 kvar

Réponse

QC = 5,023 kvar
7.Résonance LC, facteur de qualité et bande passante

Réponse: f1 = 78,08 kHz

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).

Terme sous la racine carrée

√(1 + 1/(4·2²)) = 1,031

Fréquence à mi-puissance inférieure

f1 = 100000·(1,031 − 0,25) = 78078 Hz = 78,08 kHz

Réponse

f1 = 78,08 kHz

La supérieure vaut f₂ = 128,1 kHz ; vérification : f₂ − f₁ = 50 kHz = f₀/Q.

8.Résonance LC, facteur de qualité et bande passante

Réponse: R = 1,477 Ω

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).

Bande passante en série

BW = R/(2πL)

Résistance

R = 2π·0,00047·500 = 1,477 Ω

Réponse

R = 1,477 Ω
9.Puissance triphasée

Réponse: P = 35,85 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 = √3·690·40 = 47,8 kVA

Puissance active

P = S·cos φ = 47,8·0,75 = 35,85 kW

Réponse

P = 35,85 kW
10.Puissance triphasée

Réponse: Cph = 585,9 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 = 50·tan(acos 0,72) = 50·0,9639 = 48,19 kvar
Q2 = 50·tan(acos 0,98) = 50·0,2031 = 10,15 kvar

Puissance réactive fournie par les condensateurs

QC = Q1 − Q2 = 38,04 kvar

Capacité par phase

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

V = 415/√3 = 239,6 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 12680/(377·239,6²) = 585,9 µF

Réponse

Cph = 585,9 µF
11.Transitoires RC et RL

Réponse: vC = 3,747 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.

Équivalent de Thévenin vu par le condensateur

Court-circuitez la source pour trouver Rth ; ouvrez le condensateur pour trouver la tension vers laquelle il tendra.

Rth = R1 ∥ R2 = 4,7·10/(4,7 + 10) = 3,197 kΩ
vC(∞) = 6·10/(4,7 + 10) = 4,082 V

Constante de temps

τ = Rth·C = 3,197·10 = 31,97 ms

Courbe de charge

vC(t) = 4,082·(1 − e−80/31,97) = 3,747 V

Réponse

vC = 3,747 V
12.Transitoires RC et RL

Réponse: vC = 4,978 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.

vC(0) = 3 V, vC(∞) = Vs = 9 V
τ = R·C = 10 kΩ · 100 µF = 1000 ms
vC(t) = 9 + (3 − 9)·e−t/τ

Tension à l’instant donné

vC(400) = 9 + (−6)·e−400/1000 = 4,978 V

Réponse

vC = 4,978 V
13.Thévenin et Norton

Réponse: Vth = 19,2 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​ = 5 ΩR3​ = 3 ΩCOURT-CIRCUITR2​20 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 = 5·20/(5+20) = 4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4 + 3 = 7 Ω
R1​ = 5 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​24 VR2​20 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) = 24·20/(5+20) = 19,2 V
14.Thévenin et Norton

Réponse: IN = −1,786 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.

R1​ = 10 ΩR3​ = 12 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 = 10·6/(10+6) = 3,75 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,75 + 12 = 15,75 Ω
R1​ = 10 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​9 VR2​6 ΩAIs​2 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) = 3,375 + (−2)·3,75 = −4,125 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −4,125 + (−2)·12 = −28,13 V
IN​1,786 ARth​15,75 Ωab

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 = −28,13/15,75 = −1,786 A
15.Diagrammes de Bode et marges

Réponse: φ = −14,25 °

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 = R/L = 470/0,01 = 47000 rad/s
fc = 7480 Hz → f/fc = 1900/7480 = 0,254

Phase

φ = − atan(0,254) = −14,25°

Réponse

φ = −14,25°
16.Diagrammes de Bode et marges

Réponse: GM = 4,861 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.

Croisement de phase

(ω/2)·(ω/5) = 1 → ω180 = √(2·5) = 3,162 rad/s

Module au croisement de phase

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 4)·√(ω² + 25)) = K/(2·5·(2 + 5)) = K/70

Marge de gain

GM = 20·log₁₀(70/40) = 4,861 dB

Réponse

GM = 4,861 dB

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