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
ReIm22−2−244−4−4θz

Écrivez z = 5∠140° sous forme rectangulaire a + jb et donnez la partie réelle a.

r = 5θ = 140°
a =
2.Nombres complexesDifficile
ReIm22−2−244−4−4z₁z₂

Une racine de z³ + 8z² + 37z + 50 = 0 est z₁ = −3 + j4. Les coefficients sont réels. Trouvez la racine réelle r.

z₁ = −3 + j4
r =
3.Impédance et phaseurs en alternatifMoyen
50 V50 HzR = 80 ΩL = 100 mHC = 4,7 µFI

Un circuit RLC série est alimenté sous 50 V (efficaces), 50 Hz. Trouvez le courant efficace I.

V = 50 V (rms)f = 50 HzR = 80 ΩL = 100 mHC = 4,7 µF
I = A
4.Impédance et phaseurs en alternatifDifficile
1 Vf0​R = 10 ΩL = 5 mHC = 10 µF

Un circuit RLC série est alimenté par une source de 1 V (efficace) dont la fréquence est réglée sur la fréquence de résonance du circuit. Trouvez la tension efficace VL aux bornes de la bobine.

V = 1 V (rms)R = 10 ΩL = 5 mHC = 10 µF
VL = V
5.Puissance alternative et facteur de puissanceMoyen
400 V119 kW, 0,65212 kW, 0,8I = ?

Deux charges sont branchées en parallèle sur une alimentation monophasée de 400 V : une charge de 19 kW avec un facteur de puissance de 0,65 inductif et une charge de 12 kW avec un facteur de puissance de 0,8 capacitif. Trouvez le courant total I prélevé sur l’alimentation.

V = 400 VP1 = 19 kW, pf1 = 0,65 inductifP2 = 12 kW, pf2 = 0,8 capacitif
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 240 V, 60 Hz. Un condensateur branché en parallèle relève le facteur de puissance à 0,98. Trouvez le nouveau courant de ligne Inew.

P = 5 kWpf1 = 0,6pf2 = 0,98V = 240 Vf = 60 Hz
Inew = A
7.Résonance LC, facteur de qualité et bande passanteMoyen
f|I|0,707110 kHzf1​ = ?f2​BW

Un circuit RLC série résonne à 10 kHz avec Q = 1,5. Trouvez exactement la fréquence à mi-puissance inférieure f1, en kHz.

f0 = 10 kHzQ = 1,5
f1 = kHz
8.Résonance LC, facteur de qualité et bande passanteDifficile
V50 ΩLC = ?

Concevez un filtre RLC série de résistance totale 50 Ω, de fréquence de résonance 200 kHz et de bande passante 4 kHz. Trouvez la capacité C en nF.

R = 50 Ωf0 = 200 kHzBW = 4 kHz
C = nF
9.Puissance triphaséeMoyen
ABCVL​ = 400 VZ = 9 + j12 Ωpar phase

Une charge équilibrée couplée en triangle (Δ), d’impédance 9 + j12 Ω par phase, est branchée sur un réseau triphasé équilibré de tension composée 400 V. Trouvez la puissance active totale P absorbée par la charge, en kW.

VL = 400 VZ = 9 + j12 Ω par phase
P = kW
10.Puissance triphaséeDifficile
P = 100 kWφ1​S1​Q2​QC​

Une charge triphasée équilibrée absorbe 100 kW avec un facteur de puissance de 0,72 (inductif) sur un réseau de 690 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 = 100 kWpf1 = 0,72pf2 = 0,95VL = 690 Vf = 50 Hz
Cph = µF
11.Transitoires RC et RLMoyen
+−Vs​15 Vt = 0R = 15 ΩL150 mHi(t)

La bobine n’est parcourue par aucun courant avant la fermeture de l’interrupteur à t = 0. Trouvez la tension vL aux bornes de la bobine à t = 10 ms.

Vs = 15 VR = 15 ΩL = 150 mHt = 10 ms
vL = V
12.Transitoires RC et RLDifficile
+−Vs​24 VR1​ = 47 ΩR2​ = 15 Ωse ferme à t = 0L33 mHi(t)

L’interrupteur aux bornes de R2 est ouvert depuis longtemps, donc le courant de la bobine est permanent. À t = 0, l’interrupteur se ferme et court-circuite R2. Trouvez le courant de la bobine i à t = 1 ms.

Vs = 24 VR1 = 47 ΩR2 = 15 ΩL = 33 mHt = 1 ms
i = A
13.Thévenin et NortonMoyen
R1​ = 4 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​10 VR2​2 ΩAab

Trouvez la résistance de Thévenin Rth vue des bornes a–b.

V1 = 10 VR1 = 4 ΩR2 = 2 ΩR3 = 2 Ω
Rth = Ω
14.Thévenin et NortonDifficile
R1​ = 6 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​36 VR2​8 ΩAIs​2,5 ABRL​8 ΩIL​

Une charge RL = 8 Ω est branchée entre a et b. Utilisez un équivalent de Thévenin pour trouver la puissance PL fournie à la charge.

V1 = 36 VIs = 2,5 AR1 = 6 ΩR2 = 8 ΩR3 = 5 ΩRL = 8 Ω
PL = W
15.Diagrammes de Bode et margesMoyen
vin​L = 20 mHC = 4,7 µFR = 20 Ωvout​

Dans le filtre passe-bande RLC série représenté, la sortie est prise aux bornes de R = 20 Ω, avec L = 20 mH et C = 4,7 µF. Trouvez la bande passante à −3 dB BW en Hz.

R = 20 ΩL = 20 mHC = 4,7 µF
BW = Hz
16.Diagrammes de Bode et margesDifficile
|H| (dB)0,10,1111010100100−60−40−2002040ω (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) = 47,5/(s(s + 5)). Trouvez la marge de phase PM en degrés.

L(s) = 47,5/(s(s + 5))
PM = °

3Solutions

1.Nombres complexes

Réponse: a = −3,83

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 = 5·cos(140°) = −3,83
b = 5·sin(140°) = 3,214

Forme rectangulaire

z = −3,83 + j3,214
a = −3,83

Réponse

a = −3,83
2.Nombres complexes

Réponse: r = −2

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 = −3 − j4
(z − z₁)(z − z₂) = z² − 2·(−3)·z + ((−3)² + 4²) = z² + 6z + 25

Factoriser le trinôme

z³ + 8z² + 37z + 50 = (z² + 6z + 25)(z + 2)

Racine réelle

r = −2

Réponse

r = −2

Vérifiez avec la somme des racines : z₁ + z₂ + r = −6 + (−2) = −8 = −(8).

3.Impédance et phaseurs en alternatif

Réponse: I = 0,07683 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·50 = 314,2 rad/s
XL = ωL = 314,2·0,1 = 31,42 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(314,2·4,7·10⁻⁶) = 677,3 Ω

Impédance

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(80² + (−645,8)²) = 650,8 Ω

Courant

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

I = V/|Z| = 50/650,8 = 0,07683 A

Réponse

I = 0,07683 A
4.Impédance et phaseurs en alternatif

Réponse: VL = 2,236 V

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|.

Résonance

À la résonance, les réactances s’annulent, donc l’impédance se réduit à R.

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,005·10·10⁻⁶) = 4472 rad/s
I = V/R = 1/10 = 0,1 A

Tension aux bornes de la bobine

XL = ω₀L = 4472·0,005 = 22,36 Ω
VL = I·XL = 0,1·22,36 = 2,236 V

Réponse

VL = 2,236 V

Cela fait Q = 2,236 fois la tension d’alimentation.

5.Puissance alternative et facteur de puissance

Réponse: I = 84,25 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 = 19·tan(arccos 0,65) = 22,21 kvar
Q2 = −12·tan(arccos 0,8) = −9 kvar

Totaux

P = 19 + 12 = 31 kW
Q = 22,21 + (−9) = 13,21 kvar
S = √(31² + 13,21²) = 33,7 kVA

Courant total

I = S/V = 33699/400 = 84,25 A

Réponse

I = 84,25 A
6.Puissance alternative et facteur de puissance

Réponse: Inew = 21,26 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 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(11,48°) = 1,015 kvar
QC = Q1 − Q2 = 5,651 kvar

Nouveau courant de ligne

Inew = P/(V·cos φ2) = 5000/(240·0,98) = 21,26 A

Réponse

Inew = 21,26 A
7.Résonance LC, facteur de qualité et bande passante

Réponse: f1 = 7,208 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/(4·1,5²)) = 1,054

Fréquence à mi-puissance inférieure

f1 = 10000·(1,054 − 0,3333) = 7208 Hz = 7,208 kHz

Réponse

f1 = 7,208 kHz

La supérieure vaut f₂ = 13,87 kHz ; vérification : f₂ − f₁ = 6,667 kHz = f₀/Q.

8.Résonance LC, facteur de qualité et bande passante

Réponse: C = 0,3183 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) = 50/(2π·4000) = 0,001989 H

Capacité à partir de la fréquence de résonance

C = 1/((2π·200000)²·0,001989) = 3,183 × 10⁻¹⁰ F = 0,3183 nF

Réponse

C = 0,3183 nF

Q = f₀/BW = 50.

9.Puissance triphasée

Réponse: P = 19,2 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 = VL = 400 V

Courant de phase

|Z| = √(9² + 12²) = 15 Ω
Iph = 400/15 = 26,67 A

Puissance active totale

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

P = 3·Iph²·R = 3·26,67²·9 = 19,2 kW

Réponse

P = 19,2 kW

Vérification : cos φ = R/|Z| = 0,6, et √3·VL·IL·cos φ donne la même puissance.

10.Puissance triphasée

Réponse: Cph = 141,6 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 = 100·tan(acos 0,72) = 100·0,9639 = 96,39 kvar
Q2 = 100·tan(acos 0,95) = 100·0,3287 = 32,87 kvar

Puissance réactive fournie par les condensateurs

QC = Q1 − Q2 = 63,52 kvar

Capacité par phase

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

V = 690 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 21172/(314,2·690²) = 141,6 µF

Réponse

Cph = 141,6 µF
11.Transitoires RC et RL

Réponse: vL = 5,518 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.

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 = 150 mH / 15 Ω = 10 ms
i(∞) = Vs/R = 15/15 = 1 A

Tension aux bornes de la bobine

À t = 0, toute la tension d’alimentation apparaît aux bornes de la bobine ; elle décroît ensuite jusqu’à zéro.

vL(t) = Vs·e−t/τ = 15·e−10/10 = 5,518 V

Réponse

vL = 5,518 V
12.Transitoires RC et RL

Réponse: i = 0,4809 A

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

Avant t = 0, les deux résistances sont dans la boucle ; ensuite, l’interrupteur fermé court-circuite R₂.

i(0) = 24/(47 + 15) = 0,3871 A
i(∞) = 24/47 = 0,5106 A
τ = L/R = 33/47 = 0,7021 ms
i(t) = 0,5106 + (0,3871 − 0,5106)·e−t/τ

Courant à l’instant donné

i(1) = 0,5106 + (−0,1235)·e−1/0,7021 = 0,4809 A

Réponse

i = 0,4809 A
13.Thévenin et Norton

Réponse: Rth = 3,333 Ω

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​ = 4 ΩR3​ = 2 ΩCOURT-CIRCUITR2​2 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 = 4·2/(4+2) = 1,333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,333 + 2 = 3,333 Ω
14.Thévenin et Norton

Réponse: PL = 0,00741 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​ = 6 ΩR3​ = 5 ΩCOURT-CIRCUITR2​8 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 = 6·8/(6+8) = 3,429 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,429 + 5 = 8,429 Ω
R1​ = 6 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​36 VR2​8 ΩAIs​2,5 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) = 20,57 + (−2,5)·3,429 = 12 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 12 + (−2,5)·5 = −0,5 V
Rth​ = 8,429 Ω−+Vth​0,5 VRL​8 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) = −0,5/(8,429 + 8) = −0,03043 A
PL = IL²·RL = −0,03043²·8 = 0,00741 W
15.Diagrammes de Bode et marges

Réponse: BW = 159,2 Hz

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 résonance

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,02·4,7 × 10⁻⁶) = 3262 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 519,1 Hz

Bande passante

BW = R/L = 20/0,02 = 1000 rad/s = 159,2 Hz

Réponse

BW = 159,2 Hz
16.Diagrammes de Bode et marges

Réponse: PM = 39,57 °

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 + 25ω² − 2256 = 0
ω² = (−25 + √(625 + 4·2256))/2 = 36,62
ωc = 6,051 rad/s

Marge de phase

∠L(jωc) = −90° − atan(6,051/5) = −140,4°
PM = 180° + ∠L = 39,57°

Réponse

PM = 39,57°

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