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
ReIm55−5−5θz

Écrivez z = −8 + j5 sous forme exponentielle r·ejθ. Donnez θ en radians, entre −π et π.

z = −8 + j5
θ = rad
2.Nombres complexesDifficile
ReIm11−1−122−2−2ABCD

Exactement un des points A à D est une racine de z³ = 8∠60°. Cliquez dessus.

w = 8∠60°n = 3
  1. 1A (1∠20°)
  2. 2B (2∠80°)
  3. 3C (2∠20°)
  4. 4D (2∠−10°)
3.Impédance et phaseurs en alternatifMoyen
12 V500 HzR = 25 ΩL = 150 mHC = 100 µFI

Un circuit RLC série est alimenté sous 12 V (efficaces), 500 Hz. Trouvez le courant efficace I.

V = 12 V (rms)f = 500 HzR = 25 ΩL = 150 mHC = 100 µF
I = A
4.Impédance et phaseurs en alternatifDifficile
50 V200 HzR = 60 ΩL = 250 mHC = 22 µF+−VC​

Un circuit RLC série est alimenté sous 50 V (efficaces), 200 Hz. Trouvez la tension efficace VC aux bornes du condensateur.

V = 50 V (rms)f = 200 HzR = 60 ΩL = 250 mHC = 22 µF
VC = V
5.Puissance alternative et facteur de puissanceMoyen
230 VZ3 + j4 ΩI

Une charge d’impédance Z = 3 + j4 Ω est branchée sur une alimentation monophasée de 230 V (efficace). Trouvez la puissance apparente S.

V = 230 VZ = 3 + j4 Ω
S = VA
6.Puissance alternative et facteur de puissanceDifficile
P1​ = 46 kWQ1​S1​φ

Un transformateur monophasé de 150 kVA alimente une charge de 46 kW avec un facteur de puissance de 0,75 inductif. Quelle puissance active supplémentaire ΔP peut-on ajouter sous forme de charge résistive (facteur de puissance unitaire) avant que le transformateur atteigne sa puissance nominale en kVA ?

Smax = 150 kVAP1 = 46 kWpf1 = 0,75
ΔP = kW
7.Résonance LC, facteur de qualité et bande passanteMoyen
V47 kΩ22 mH470 pF

Un circuit RLC parallèle a R = 47 kΩ, L = 22 mH et C = 470 pF. Trouvez son facteur de qualité Q.

R = 47 kΩL = 22 mHC = 470 pF
Q =
8.Résonance LC, facteur de qualité et bande passanteDifficile
C = 220 nFR = 2 ΩL = 2,2 mH

Un condensateur chargé de 220 nF se décharge dans une bobine de 2,2 mH de résistance série totale 2 Ω, de sorte que l’oscillation s’éteint lentement. Son amplitude décroît comme e−Rt/(2L). Combien de cycles d’oscillation n s’écoulent avant que l’amplitude soit réduite de moitié ? (Les pertes sont faibles, donc la fréquence est f₀.)

L = 2,2 mHC = 220 nFR = 2 Ω
n =
9.Puissance triphaséeMoyen
ABCVL​ = 400 VIL​ = 12 Acos φ = 0,7inductif

Une charge triphasée équilibrée absorbe un courant de ligne de 12 A sur un réseau de tension composée 400 V. Le facteur de puissance vaut 0,7 (inductif). Trouvez la puissance active totale P absorbée par la charge, en kW.

VL = 400 VIL = 12 Acos φ = 0,7
P = kW
10.Puissance triphaséeDifficile
P = 150 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Une charge triphasée équilibrée absorbe 150 kW avec un facteur de puissance de 0,8 (inductif) sur un réseau de 480 V (tension composée), 60 Hz. Une batterie de condensateurs triphasée branchée en parallèle avec la charge doit relever le facteur de puissance global à 0,95 (inductif). La puissance active reste la même. Trouvez la puissance réactive totale QC que doit fournir la batterie de condensateurs, en kvar.

P = 150 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,95VL = 480 Vf = 60 Hz
QC = kvar
11.Transitoires RC et RLMoyen
+−Vs​12 Vt = 0R = 22 ΩL22 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 à t = 1 ms, en mJ.

Vs = 12 VR = 22 ΩL = 22 mHt = 1 ms
W = mJ
12.Transitoires RC et RLDifficile
+−Vs​5 Vt = 0R = 10 kΩC33 µF+−vC​vC​(0) = 8 V

Juste avant la fermeture de l’interrupteur à t = 0, le condensateur est chargé à 8 V avec la polarité indiquée. Trouvez la tension du condensateur vC à t = 300 ms.

Vs = 5 VR = 10 kΩC = 33 µFvC(0) = 8 Vt = 300 ms
vC = V
13.Thévenin et NortonMoyen
R1​ = 6 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​9 VR2​6 ΩARL​3 ΩIL​B

Une charge RL = 3 Ω est branchée entre a et b. Remplacez le reste du circuit par son équivalent de Thévenin et trouvez le courant de charge IL.

V1 = 9 VR1 = 6 ΩR2 = 6 ΩR3 = 2 ΩRL = 3 Ω
IL = A
14.Thévenin et NortonDifficile
R1​ = 4 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​6 VR2​3 ΩAIs​3 ABRL​15 ΩIL​

Une charge RL = 15 Ω est branchée entre a et b. Utilisez un équivalent de Thévenin pour trouver la puissance PL fournie à la charge.

V1 = 6 VIs = 3 AR1 = 4 ΩR2 = 3 ΩR3 = 20 ΩRL = 15 Ω
PL = W
15.Diagrammes de Bode et margesMoyen
vin​C = 22 nFR = 1 kΩvout​

Le filtre passe-haut RC représenté a R = 1 kΩ, C = 22 nF. Un signal d’entrée sinusoïdal de 22 kHz est appliqué. Trouvez le gain |H| = |vout/vin| en dB.

R = 1 kΩC = 22 nFf = 22 kHz
|H| = dB
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) = 16/(s(s + 4)). Trouvez la marge de phase PM en degrés.

L(s) = 16/(s(s + 4))
PM = °

3Solutions

1.Nombres complexes

Réponse: θ = 2,583 rad

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

r = √(64 + 25) = 9,434

Argument en radians

θ = 148° = 148·π/180 = 2,583 rad

Forme exponentielle

z = 9,434·ej2,583

Réponse

θ = 2,583 rad
2.Nombres complexes

Réponse: C (2∠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 et arguments des racines

|z| = 2
θ = 20°, 140°, −100°

Le point

C = 2∠20°

Réponse

C (2∠20°)
3.Impédance et phaseurs en alternatif

Réponse: I = 0,0256 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·500 = 3142 rad/s
XL = ωL = 3142·0,15 = 471,2 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(3142·100·10⁻⁶) = 3,183 Ω

Impédance

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(25² + (468,1)²) = 468,7 Ω

Courant

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

I = V/|Z| = 12/468,7 = 0,0256 A

Réponse

I = 0,0256 A
4.Impédance et phaseurs en alternatif

Réponse: VC = 6,36 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·200 = 1257 rad/s
XL = ωL = 1257·0,25 = 314,2 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 + (278)²) = 284,4 Ω

Courant

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

I = V/|Z| = 50/284,4 = 0,1758 A

Tension aux bornes du condensateur

VC = I·XC = 0,1758·36,17 = 6,36 V

Réponse

VC = 6,36 V
5.Puissance alternative et facteur de puissance

Réponse: S = 10580 VA

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

|Z| = √(3² + 4²) = 5 Ω
I = V/|Z| = 230/5 = 46 A

Puissance apparente

S = V·I = 230·46 = 10580 VA

Réponse

S = 10580 VA
6.Puissance alternative et facteur de puissance

Réponse: ΔP = 98,41 kW

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

Puissance réactive de la charge existante

Q1 = 46·tan(arccos 0,75) = 40,57 kvar

Plus grande puissance active totale

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

P = √(Smax² − Q1²) = √(150² − 40,57²) = 144,4 kW

Puissance active supplémentaire

ΔP = 144,4 − 46 = 98,41 kW

Réponse

ΔP = 98,41 kW
7.Résonance LC, facteur de qualité et bande passante

Réponse: Q = 6,87

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) = 310985 rad/s

Facteur de qualité

Q = R/(ω₀L) = 47000/(310985·0,022) = 6,87

Réponse

Q = 6,87

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

8.Résonance LC, facteur de qualité et bande passante

Réponse: n = 11,03

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).

Demi-vie de l’amplitude

t = 2·0,0022·ln 2/2 = 0,001525 s

Nombre de cycles

n = t·f0 = 0,001525·7234 = 11,03

Réponse

n = 11,03

Raccourci : n = Q·ln 2/π avec Q = 50.

9.Puissance triphasée

Réponse: P = 5,82 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 = √3·400·12 = 8,314 kVA

Puissance active

P = S·cos φ = 8,314·0,7 = 5,82 kW

Réponse

P = 5,82 kW
10.Puissance triphasée

Réponse: QC = 63,2 kvar

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 = 150·tan(acos 0,8) = 150·0,75 = 112,5 kvar
Q2 = 150·tan(acos 0,95) = 150·0,3287 = 49,3 kvar

Puissance réactive fournie par les condensateurs

QC = Q1 − Q2 = 63,2 kvar

Réponse

QC = 63,2 kvar
11.Transitoires RC et RL

Réponse: W = 1,308 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 = 22 mH / 22 Ω = 1 ms
i(∞) = Vs/R = 12/22 = 0,5455 A

Courant à l’instant donné

i(t) = 0,5455·(1 − e−1/1) = 0,3448 A

Énergie stockée

W = ½·L·i² = ½·22·0,3448² = 1,308 mJ

Réponse

W = 1,308 mJ
12.Transitoires RC et RL

Réponse: vC = 6,209 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) = 8 V, vC(∞) = Vs = 5 V
τ = R·C = 10 kΩ · 33 µF = 330 ms
vC(t) = 5 + (8 − 5)·e−t/τ

Tension à l’instant donné

vC(300) = 5 + (3)·e−300/330 = 6,209 V

Réponse

vC = 6,209 V
13.Thévenin et Norton

Réponse: IL = 0,5625 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​ = 2 ΩCOURT-CIRCUITR2​6 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 = 6·6/(6+6) = 3 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3 + 2 = 5 Ω
R1​ = 6 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​9 VR2​6 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) = 9·6/(6+6) = 4,5 V
Rth​ = 5 Ω+−Vth​4,5 VRL​3 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) = 4,5/(5 + 3) = 0,5625 A
14.Thévenin et Norton

Réponse: PL = 43,57 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​ = 4 ΩR3​ = 20 ΩCOURT-CIRCUITR2​3 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 = 4·3/(4+3) = 1,714 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,714 + 20 = 21,71 Ω
R1​ = 4 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​6 VR2​3 ΩAIs​3 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) = 2,571 + (−3)·1,714 = −2,571 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −2,571 + (−3)·20 = −62,57 V
Rth​ = 21,71 Ω−+Vth​62,57 VRL​15 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) = −62,57/(21,71 + 15) = −1,704 A
PL = IL²·RL = −1,704²·15 = 43,57 W
15.Diagrammes de Bode et marges

Réponse: |H| = −0,4459 dB

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

Fréquence de coupure

ωc = 1/(RC) = 1/(1000·2,2 × 10⁻⁸) = 45455 rad/s
fc = 7234 Hz → f/fc = 22000/7234 = 3,041

Gain

|H| = 3,041/√(1 + 3,041²) = 0,95
20·log₁₀(0,95) = −0,4459 dB

Réponse

|H| = −0,4459 dB
16.Diagrammes de Bode et marges

Réponse: PM = 51,83 °

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 + 16ω² − 256 = 0
ω² = (−16 + √(256 + 4·256))/2 = 9,889
ωc = 3,145 rad/s

Marge de phase

∠L(jωc) = −90° − atan(3,145/4) = −128,2°
PM = 180° + ∠L = 51,83°

Réponse

PM = 51,83°

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