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
ReIm11−1−122−2−2θz

Écrivez z = 2,5∠35° sous forme rectangulaire a + jb et donnez la partie réelle a.

r = 2,5θ = 35°
a =
2.Nombres complexesDifficile
ReIm11−1−122−2−2z₀z₁z₂

Les racines de zⁿ = w avec n = 3 et w = 8∠60° sont zk = R1/n∠((φ + 360°·k)/n), k = 0, 1, 2. Trouvez l’argument de z₀ en degrés, entre −180° et 180°.

w = 8∠60°n = 3k = 0
θ₀ = °
3.Impédance et phaseurs en alternatifMoyen
12 V200 HzR = 10 ΩL = 100 mHC = 10 µF

Un circuit RLC série est alimenté sous 12 V (efficaces), 200 Hz. Trouvez le déphasage φ de l’impédance, en degrés (positif quand le courant est en retard sur la tension).

V = 12 V (rms)f = 200 HzR = 10 ΩL = 100 mHC = 10 µF
φ = °
4.Impédance et phaseurs en alternatifDifficile
10 V100 HzR = 50 ΩL = 50 mHC = 100 µFI

Un circuit RLC série est alimenté sous 10 V (efficaces), 100 Hz. Trouvez le courant efficace I.

V = 10 V (rms)f = 100 HzR = 50 ΩL = 50 mHC = 100 µF
I = A
5.Puissance alternative et facteur de puissanceMoyen
240 V114 kW, 0,65219 kW, 0,95I

Deux charges sont branchées en parallèle sur une alimentation monophasée de 240 V : une charge de 14 kW avec un facteur de puissance de 0,65 inductif et une charge de 19 kW avec un facteur de puissance de 0,95 inductif. Trouvez le facteur de puissance global cos φ vu par l’alimentation.

V = 240 VP1 = 14 kW, pf1 = 0,65 inductifP2 = 19 kW, pf2 = 0,95 inductif
cos φ =
6.Puissance alternative et facteur de puissanceDifficile
120 V50 HzRs​ = 10 ΩXs​ = j15 ΩZL​ = ?

Une source de 120 V (efficace), 50 Hz a une impédance interne Zs = 10 + j15 Ω. L’impédance de charge ZL peut être choisie librement. Trouvez la puissance active maximale Pmax qui peut être fournie à la charge.

Vs = 120 V (rms)f = 50 HzZs = 10 + j15 Ω
Pmax = W
7.Résonance LC, facteur de qualité et bande passanteMoyen
V2,2 kΩ10 mH10 nF

Un circuit RLC parallèle a R = 2,2 kΩ, L = 10 mH et C = 10 nF. Trouvez son facteur de qualité Q.

R = 2,2 kΩL = 10 mHC = 10 nF
Q =
8.Résonance LC, facteur de qualité et bande passanteDifficile
f|I|0,7071f0​ = ?400 kHz1 MHzBW

Les fréquences à mi-puissance d’une courbe de résonance sont 400 kHz et 1 MHz. Trouvez la fréquence de résonance comme leur moyenne géométrique, puis le facteur de qualité Q.

f1 = 400 kHzf2 = 1 MHz
Q =
9.Puissance triphaséeMoyen
ABCVL​ = 208 VNZ = 8 + j6 Ωpar phase

Une charge équilibrée couplée en étoile (Y), d’impédance 8 + j6 Ω par phase, est branchée sur un réseau triphasé équilibré de tension composée 208 V. Trouvez la puissance active totale P absorbée par la charge, en kW.

VL = 208 VZ = 8 + j6 Ω par phase
P = kW
10.Puissance triphaséeDifficile
P = 250 kWφ1​S1​Q2​QC​

Une charge triphasée équilibrée absorbe 250 kW avec un facteur de puissance de 0,72 (inductif) sur un réseau de 415 V (tension composée), 50 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 triangle (Δ). Trouvez la capacité Cph de chaque condensateur, en µF.

P = 250 kWpf1 = 0,72pf2 = 0,95VL = 415 Vf = 50 Hz
Cph = µF
11.Transitoires RC et RLMoyen
+−Vs​9 Vt = 0R1​ = 1 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 constante de temps τ du circuit après la fermeture de l’interrupteur.

Vs = 9 VR1 = 1 kΩR2 = 10 kΩC = 10 µF
τ = ms
12.Transitoires RC et RLDifficile
+−Vs​5 Vt = 0R = ?C10 µF+−vC​

Un temporisateur commence à t = 0 à charger un condensateur déchargé à travers une résistance à partir d’une alimentation de 5 V. Il doit se déclencher quand la tension du condensateur atteint 4,5 V, exactement 1000 ms après le départ. Avec C = 10 µF, trouvez la résistance R nécessaire.

Vs = 5 VVth = 4,5 VT = 1000 msC = 10 µF
R = kΩ
13.Thévenin et NortonMoyen
R1​ = 6 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​6 VR2​3 ΩAab

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

V1 = 6 VR1 = 6 ΩR2 = 3 ΩR3 = 4 Ω
IN = A
14.Thévenin et NortonDifficile
R1​ = 30 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​12 VR2​12 ΩAIs​1 ABab

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

V1 = 12 VIs = 1 AR1 = 30 ΩR2 = 12 ΩR3 = 30 Ω
Vth = V
15.Diagrammes de Bode et margesMoyen
|H| (dB)0,11101001000−80−60−40−20020ω (rad/s)ω = 20

Trouvez le module exact |G(jω)| de G(s) = 168/((s + 2)(s + 14)) à ω = 20 rad/s, en dB.

G(s) = 168/((s + 2)(s + 14))ω = 20 rad/s
|G(jω)| = dB
16.Diagrammes de Bode et margesDifficile
|H| (dB)11101010010010001000−60−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​

Une boucle à retour unitaire a pour fonction de transfert en boucle ouverte L(s) = 2900/(s(s + 20)). Trouvez la marge de phase PM en degrés.

L(s) = 2900/(s(s + 20))
PM = °

3Solutions

1.Nombres complexes

Réponse: a = 2,048

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.

Composantes

a = 2,5·cos(35°) = 2,048
b = 2,5·sin(35°) = 1,434

Forme rectangulaire

z = 2,048 + j1,434
a = 2,048

Réponse

a = 2,048
2.Nombres complexes

Réponse: θ₀ = 20 °

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.

Module des racines

81/3 = 2

Argument de la racine

θ₀ = (60° + 360°·0)/3 = 20°

Argument

θ₀ = 20°

Réponse

θ₀ = 20°

Les 3 racines sont sur le cercle de rayon 2, espacées de 120°.

3.Impédance et phaseurs en alternatif

Réponse: φ = 77,76 °

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 = 1257·0,1 = 125,7 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) = √(10² + (46,09)²) = 47,16 Ω

Déphasage

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(46,09/10) = 77,76°

Réponse

φ = 77,76°
4.Impédance et phaseurs en alternatif

Réponse: I = 0,191 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/(628,3·100·10⁻⁶) = 15,92 Ω

Impédance

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(50² + (15,5)²) = 52,35 Ω

Courant

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

I = V/|Z| = 10/52,35 = 0,191 A

Réponse

I = 0,191 A
5.Puissance alternative et facteur de puissance

Réponse: cos φ = 0,8249

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 = 14·tan(arccos 0,65) = 16,37 kvar
Q2 = 19·tan(arccos 0,95) = 6,245 kvar

Totaux

P = 14 + 19 = 33 kW
Q = 16,37 + 6,245 = 22,61 kvar
S = √(33² + 22,61²) = 40 kVA

Facteur de puissance global

cos φ = P/S = 33/40 = 0,8249 inductif

Réponse

cos φ = 0,8249
6.Puissance alternative et facteur de puissance

Réponse: Pmax = 360 W

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.

Adaptation conjuguée

La réactance de la charge compense celle de la source, et la résistance de la charge est égale à celle de la source.

ZL = Zs* = 10 − j15 Ω

Puissance maximale

I = Vs/(2Rs) = 120/20 = 6 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 120²/(4·10) = 360 W

Réponse

Pmax = 360 W
7.Résonance LC, facteur de qualité et bande passante

Réponse: Q = 2,2

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) = 100000 rad/s

Facteur de qualité

Q = R/(ω₀L) = 2200/(100000·0,01) = 2,2

Réponse

Q = 2,2

La bande passante vaut 1/(2πRC) = 7,234 kHz.

8.Résonance LC, facteur de qualité et bande passante

Réponse: Q = 1,054

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

f0 = √(400000·1 × 10⁶) = 632456 Hz

Bande passante

BW = 1 × 10⁶ − 400000 = 600000 Hz

Facteur de qualité

Q = 632456/600000 = 1,054

Réponse

Q = 1,054
9.Puissance triphasée

Réponse: P = 3,461 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.

Tension simple

Vph = 208/√3 = 120,1 V

Courant de phase

|Z| = √(8² + 6²) = 10 Ω
Iph = 120,1/10 = 12,01 A

Puissance active totale

Seule la partie résistive de chaque impédance absorbe de la puissance active.

P = 3·Iph²·R = 3·12,01²·8 = 3,461 kW

Réponse

P = 3,461 kW

Vérification : cos φ = R/|Z| = 0,8, et √3·VL·IL·cos φ donne la même puissance.

10.Puissance triphasée

Réponse: Cph = 978,3 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 = 250·tan(acos 0,72) = 250·0,9639 = 241 kvar
Q2 = 250·tan(acos 0,95) = 250·0,3287 = 82,17 kvar

Puissance réactive fournie par les condensateurs

QC = Q1 − Q2 = 158,8 kvar

Capacité par phase

Dans une batterie en triangle, chaque condensateur est branché entre deux phases.

V = 415 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 52931/(314,2·415²) = 978,3 µF

Réponse

Cph = 978,3 µF
11.Transitoires RC et RL

Réponse: τ = 9,091 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.

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 = 1·10/(1 + 10) = 0,9091 kΩ
vC(∞) = 9·10/(1 + 10) = 8,182 V

Constante de temps

τ = Rth·C = 0,9091·10 = 9,091 ms

Réponse

τ = 9,091 ms
12.Transitoires RC et RL

Réponse: R = 43,43 kΩ

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 requise

4,5 = 5·(1 − e−1000/τ) → τ = 1000/ln(5/(5 − 4,5))
τ = 1000/2,303 = 434,3 ms

Résistance

Des kΩ multipliés par des µF donnent des millisecondes.

R = τ/C = 434,3/10 = 43,43 kΩ

Réponse

R = 43,43 kΩ
13.Thévenin et Norton

Réponse: IN = 0,3333 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​ = 6 ΩR3​ = 4 ΩCOURT-CIRCUITR2​3 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 = 6·3/(6+3) = 2 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2 + 4 = 6 Ω
R1​ = 6 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​6 VR2​3 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) = 6·3/(6+3) = 2 V
IN​0,3333 ARth​6 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 = 2/6 = 0,3333 A
14.Thévenin et Norton

Réponse: Vth = −35,14 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​ = 30 ΩR3​ = 30 ΩCOURT-CIRCUITR2​12 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 = 30·12/(30+12) = 8,571 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 8,571 + 30 = 38,57 Ω
R1​ = 30 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​12 VR2​12 ΩAIs​1 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) = 3,429 + (−1)·8,571 = −5,143 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −5,143 + (−1)·30 = −35,14 V
15.Diagrammes de Bode et marges

Réponse: |G(jω)| = −9,31 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.

Multiplier les modules

|G(j20)| = 168/(√(20² + 2²)·√(20² + 14²)) = 168/(20,1·24,41) = 0,3424

Résultat

20·log₁₀(0,3424) = −9,31 dB

Réponse

|G(jω)| = −9,31 dB
16.Diagrammes de Bode et marges

Réponse: PM = 21,03 °

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 du gain

ω⁴ + 400ω² − 8,41 × 10⁶ = 0
ω² = (−400 + √(160000 + 4·8,41 × 10⁶))/2 = 2707
ωc = 52,03 rad/s

Marge de phase

∠L(jωc) = −90° − atan(52,03/20) = −159°
PM = 180° + ∠L = 21,03°

Réponse

PM = 21,03°

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