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
ReIm55−5−51010−10−10z₁z₂w

Soit z₁ = 2,5∠55° et z₂ = 4∠−50°, trouvez l’argument θ de w = z₁·z₂ en degrés, entre −180° et 180°.

z₁ = 2,5∠55°z₂ = 4∠−50°
θ = °
2.Nombres complexesDifficile
ReIm11−1−122−2−233−3−3z₀z₁

Les racines de zⁿ = w avec n = 2 et w = 9∠−90° sont zk = R1/n∠((φ + 360°·k)/n), k = 0, 1. Trouvez l’argument de z₁ en degrés, entre −180° et 180°.

w = 9∠−90°n = 2k = 1
θ₁ = °
3.Impédance et phaseurs en alternatifMoyen
24 V200 HzR = 60 ΩL = 150 mHC = 22 µF

Un circuit RLC série est alimenté sous 24 V (efficaces), 200 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 = 200 HzR = 60 ΩL = 150 mHC = 22 µF
φ = °
4.Impédance et phaseurs en alternatifDifficile
10 V60 HzR = 10 ΩL = 150 mHC = 100 µF+−VC​

Un circuit RLC série est alimenté sous 10 V (efficaces), 60 Hz. Trouvez la tension efficace VC aux bornes du condensateur.

V = 10 V (rms)f = 60 HzR = 10 ΩL = 150 mHC = 100 µF
VC = V
5.Puissance alternative et facteur de puissanceMoyen
P = 25 kWQSφ

Un moteur monophasé absorbe 25 kW avec un facteur de puissance de 0,85 inductif sous 230 V. Trouvez le courant de ligne I.

P = 25 kWpf = 0,85V = 230 V
I = A
6.Puissance alternative et facteur de puissanceDifficile
240 V60 Hzcharge25 kW, 0,6C330 µFI

Une charge monophasée absorbe 25 kW avec un facteur de puissance de 0,6 inductif sur une alimentation de 240 V, 60 Hz. Un condensateur de 330 µF est branché en parallèle sur la charge. Trouvez le nouveau facteur de puissance cos φ vu par l’alimentation.

P = 25 kWpf1 = 0,6V = 240 Vf = 60 HzC = 330 µF
cos φ =
7.Résonance LC, facteur de qualité et bande passanteMoyen
V4,7 kΩ220 µH4,7 nF

Un circuit RLC parallèle a R = 4,7 kΩ, L = 220 µH et C = 4,7 nF. Trouvez son facteur de qualité Q.

R = 4,7 kΩL = 220 µHC = 4,7 nF
Q =
8.Résonance LC, facteur de qualité et bande passanteDifficile
C = 1 nFr = 1 ΩL = 1 mH

Un circuit bouchon parallèle est formé d’un condensateur de 1 nF et d’une bobine de 1 mH dont la résistance de bobinage est 1 Ω. À la résonance, il se comporte comme une résistance, sa résistance dynamique RD = L/(C·r). Trouvez RD en kΩ.

L = 1 mHC = 1 nFr = 1 Ω
RD = kΩ
9.Puissance triphaséeMoyen
ABCVL​ = 415 VIL​ = 60 Acos φ = 0,9inductif

Une charge triphasée équilibrée absorbe un courant de ligne de 60 A sur un réseau de tension composée 415 V. Le facteur de puissance vaut 0,9 (inductif). Trouvez la puissance active totale P absorbée par la charge, en kW.

VL = 415 VIL = 60 Acos φ = 0,9
P = kW
10.Puissance triphaséeDifficile
P = 300 kWφ1​S1​Q2​QC​

Une charge triphasée équilibrée absorbe 300 kW avec un facteur de puissance de 0,75 (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 0,98 (inductif). La puissance active reste la même. Les condensateurs sont couplés en triangle (Δ). Trouvez la capacité Cph de chaque condensateur, en µF.

P = 300 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,98VL = 415 Vf = 50 Hz
Cph = µF
11.Transitoires RC et RLMoyen
+−Vs​20 Vt = 0R = 20 ΩL68 mHi(t)

La bobine n’est parcourue par aucun courant avant la fermeture de l’interrupteur à t = 0. Trouvez l’énergie W(∞) stockée dans la bobine une fois le circuit stabilisé, en mJ.

Vs = 20 VR = 20 ΩL = 68 mH
W(∞) = mJ
12.Transitoires RC et RLDifficile
+−Vs​10 VR1​ = 15 ΩR2​ = 10 Ωs’ouvre à t = 0L150 mHi(t)

L’interrupteur aux bornes de R2 est fermé depuis longtemps, donc le courant de la bobine est permanent. À t = 0, l’interrupteur s’ouvre. Trouvez le courant de la bobine i à t = 10 ms.

Vs = 10 VR1 = 15 ΩR2 = 10 ΩL = 150 mHt = 10 ms
i = A
13.Thévenin et NortonMoyen
R1​ = 2 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​18 VR2​5 ΩAab

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

V1 = 18 VR1 = 2 ΩR2 = 5 ΩR3 = 12 Ω
Vth = V
14.Thévenin et NortonDifficile
R1​ = 15 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​24 VR2​2 ΩAIs​2 ABab

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

V1 = 24 VIs = 2 AR1 = 15 ΩR2 = 2 ΩR3 = 5 Ω
IN = A
15.Diagrammes de Bode et margesMoyen
vin​L = 5 mHC = 0,47 µFR = 2 Ωvout​

Dans le filtre passe-bande RLC série représenté, la sortie est prise aux bornes de R = 2 Ω, avec L = 5 mH et C = 0,47 µF. Trouvez le facteur de qualité Q.

R = 2 ΩL = 5 mHC = 0,47 µF
Q =
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) = 596/(s(s + 7)(s + 10)). Trouvez la marge de gain GM en dB.

L(s) = 596/(s(s + 7)(s + 10))
GM = dB

3Solutions

1.Nombres complexes

Réponse: θ = 5 °

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.

Module et argument de w

|w| = 2,5 · 4 = 10
θ = 55° + (−50)° = 5°

Argument

θ = 5°

Réponse

θ = 5°
2.Nombres complexes

Réponse: θ₁ = 135 °

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

91/2 = 3

Argument de la racine

θ₁ = (−90° + 360°·1)/2 = 135°

Argument

θ₁ = 135°

Réponse

θ₁ = 135°

Les 2 racines sont sur le cercle de rayon 3, espacées de 180°.

3.Impédance et phaseurs en alternatif

Réponse: φ = 68,5 °

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 = 1257·0,15 = 188,5 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·22·10⁻⁶) = 36,17 Ω

Impédance

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(60² + (152,3)²) = 163,7 Ω

Déphasage

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(152,3/60) = 68,5°

Réponse

φ = 68,5°
4.Impédance et phaseurs en alternatif

Réponse: VC = 8,382 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|.

Réactances

ω = 2πf = 2π·60 = 377 rad/s
XL = ωL = 377·0,15 = 56,55 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(377·100·10⁻⁶) = 26,53 Ω

Impédance

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(10² + (30,02)²) = 31,64 Ω

Courant

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

I = V/|Z| = 10/31,64 = 0,316 A

Tension aux bornes du condensateur

VC = I·XC = 0,316·26,53 = 8,382 V

Réponse

VC = 8,382 V
5.Puissance alternative et facteur de puissance

Réponse: I = 127,9 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) = 25000/(230·0,85) = 127,9 A

Réponse

I = 127,9 A
6.Puissance alternative et facteur de puissance

Réponse: cos φ = 0,6908

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 = 25·tan(arccos 0,6) = 33,33 kvar
QC = V²·2πf·C = 240²·2π·60·330·10⁻⁶ = 7166 var = 7,166 kvar
Q2 = 33,33 − 7,166 = 26,17 kvar

Nouvelle puissance apparente

S2 = √(25² + 26,17²) = 36,19 kVA

Nouveau facteur de puissance

cos φ = P/S2 = 25/36,19 = 0,6908

Réponse

cos φ = 0,6908
7.Résonance LC, facteur de qualité et bande passante

Réponse: Q = 21,72

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) = 983422 rad/s

Facteur de qualité

Q = R/(ω₀L) = 4700/(983422·0,00022) = 21,72

Réponse

Q = 21,72

La bande passante vaut 1/(2πRC) = 7,205 kHz.

8.Résonance LC, facteur de qualité et bande passante

Réponse: RD = 1000 kΩ

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).

Résistance dynamique

RD = 0,001/(1 × 10⁻⁹·1) = 1 × 10⁶ Ω = 1000 kΩ

Vérification avec Q

Q = (1/r)·√(L/C) = 1000, Q²·r = 1 × 10⁶ Ω

Réponse

RD = 1000 kΩ
9.Puissance triphasée

Réponse: P = 38,82 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 = √3·415·60 = 43,13 kVA

Puissance active

P = S·cos φ = 43,13·0,9 = 38,82 kW

Réponse

P = 38,82 kW
10.Puissance triphasée

Réponse: Cph = 1255 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 = 300·tan(acos 0,75) = 300·0,8819 = 264,6 kvar
Q2 = 300·tan(acos 0,98) = 300·0,2031 = 60,92 kvar

Puissance réactive fournie par les condensateurs

QC = Q1 − Q2 = 203,7 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) = 67886/(314,2·415²) = 1255 µF

Réponse

Cph = 1255 µF
11.Transitoires RC et RL

Réponse: W(∞) = 34 mJ

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 = 68 mH / 20 Ω = 3,4 ms
i(∞) = Vs/R = 20/20 = 1 A

Énergie stockée

W(∞) = ½·L·i(∞)² = ½·68·1² = 34 mJ

Réponse

W(∞) = 34 mJ
12.Transitoires RC et RL

Réponse: i = 0,4504 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, l’interrupteur fermé court-circuite R₂ ; ensuite, R₁ et R₂ sont toutes deux dans la boucle.

i(0) = 10/15 = 0,6667 A
i(∞) = 10/(15 + 10) = 0,4 A
τ = L/R = 150/25 = 6 ms
i(t) = 0,4 + (0,6667 − 0,4)·e−t/τ

Courant à l’instant donné

i(10) = 0,4 + (0,2667)·e−10/6 = 0,4504 A

Réponse

i = 0,4504 A
13.Thévenin et Norton

Réponse: Vth = 12,86 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​ = 2 ΩR3​ = 12 ΩCOURT-CIRCUITR2​5 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 = 2·5/(2+5) = 1,429 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,429 + 12 = 13,43 Ω
R1​ = 2 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​18 VR2​5 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) = 18·5/(2+5) = 12,86 V
14.Thévenin et Norton

Réponse: IN = −1,583 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​ = 15 ΩR3​ = 5 ΩCOURT-CIRCUITR2​2 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 = 15·2/(15+2) = 1,765 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,765 + 5 = 6,765 Ω
R1​ = 15 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​24 VR2​2 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) = 2,824 + (−2)·1,765 = −0,7059 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −0,7059 + (−2)·5 = −10,71 V
IN​1,583 ARth​6,765 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 = −10,71/6,765 = −1,583 A
15.Diagrammes de Bode et marges

Réponse: Q = 51,57

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.

Fréquence de résonance

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,005·4,7 × 10⁻⁷) = 20628 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 3283 Hz

Facteur de qualité

BW = R/L = 2/0,005 = 400 rad/s = 63,66 Hz
Q = ω₀/BW = 20628/400 = 51,57

Réponse

Q = 51,57
16.Diagrammes de Bode et marges

Réponse: GM = 6,006 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/7)·(ω/10) = 1 → ω180 = √(7·10) = 8,367 rad/s

Module au croisement de phase

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 49)·√(ω² + 100)) = K/(7·10·(7 + 10)) = K/1190

Marge de gain

GM = 20·log₁₀(1190/596) = 6,006 dB

Réponse

GM = 6,006 dB

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