Circuits électriques 2 : régime sinusoïdal : pack de révision

Formulaires, étapes clés de la méthode pour chaque thème et 16 exercices, avec les corrigés complets à la fin.

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1Formules et méthodes

Nombres complexes

Forme rectangulaire
z = a + jb, j² = −1, z̄ = a − jb
Module et argument
|z| = √(a² + b²), tan θ = b/a (check the quadrant)
Forme polaire et exponentielle
z = r∠θ = r(cos θ + j sin θ) = r·ejθ
Division
z₁/z₂ = z₁z̄₂/|z₂|²
Produit et quotient
r₁∠θ₁ · r₂∠θ₂ = r₁r₂∠(θ₁ + θ₂), r₁∠θ₁ / r₂∠θ₂ = (r₁/r₂)∠(θ₁ − θ₂)
De Moivre
(r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ
Racines n-ièmes
zk = R1/n∠((φ + 360°·k)/n), k = 0 … n − 1
Équation du second degré avec p² < 4q
z = −p/2 ± j√(q − p²/4)

Méthode

  1. Décidez quelle forme convient à l’opération : rectangulaire a + jb pour additionner et soustraire, polaire r∠θ pour multiplier, diviser, élever à une puissance et extraire des racines.
  2. Développez avec j² = −1 ; divisez en multipliant le haut et le bas par le conjugué du dénominateur.
  3. Convertissez avec r = √(a² + b²) et θ d’après une esquisse du point (vérifiez le quadrant), et revenez avec a = r cos θ, b = r sin θ.
  4. Pour les puissances, utilisez De Moivre, (r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ ; pour zⁿ = R∠φ, listez les n racines R1/n∠((φ + 360°k)/n).

Impédance et phaseurs en alternatif

Impédances
ZR = R, ZL = jωL, ZC = 1/(jωC)
Pulsation
ω = 2πf
Module et argument
|Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
Loi d’Ohm en phaseurs
V = I·Z

Méthode

  1. Convertissez la fréquence : ω = 2πf.
  2. Trouvez chaque réactance : XL = ωL et XC = 1/(ωC).
  3. Additionnez les impédances comme des résistances, avec Z = R + jX.
  4. Trouvez le module |Z| = √(R² + X²) et l’argument φ = atan(X/R), puis appliquez la loi d’Ohm avec les phaseurs.

Puissance alternative et facteur de puissance

Puissance active
P = V·I·cos φ
Puissance réactive
Q = V·I·sin φ
Puissance apparente
S = V·I = √(P² + Q²)
Facteur de puissance
pf = cos φ = P/S
Condensateur de compensation
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(ωV²)

Résonance LC, facteur de qualité et bande passante

Fréquence propre
ω0 = 1/√(LC), f0 = 1/(2π√(LC))
Énergie
W = ½CV0² = ½Cv² + ½Li²
Courant crête
Imax = V0√(C/L)
Facteur de qualité
Q = 2π·(energy stored)/(energy lost per cycle)
RLC série
Q = (1/R)√(L/C), BW = R/(2πL)
RLC parallèle
Q = R√(C/L), BW = 1/(2πRC)
Bande passante
BW = f2 − f1 = f0/Q, f0 = √(f1f2)
Fréquences à mi-puissance
f1,2 = f0(√(1 + 1/(4Q²)) ∓ 1/(2Q))
Circuit bouchon avec résistance de bobine r
RD = L/(C·r) = Q²·r
Décroissance de l’amplitude
e−Rt/(2L)

Méthode

  1. Trouvez d’abord la fréquence de résonance : ω₀ = 1/√(LC) et f₀ = ω₀/(2π).
  2. Déterminez si le circuit est série ou parallèle : en série Q = (1/R)√(L/C), en parallèle Q = R√(C/L).
  3. Utilisez BW = f₀/Q pour la bande passante, ou les raccourcis R/(2πL) (série) et 1/(2πRC) (parallèle).
  4. Pour les questions d’énergie, utilisez le fait que l’énergie totale ½CV₀² reste constante dans un circuit LC idéal et oscille entre C et L tous les quarts de période.

Puissance triphasée

Couplage en étoile (Y)
VL = √3·Vph, IL = Iph
Couplage en triangle (Δ)
VL = Vph, IL = √3·Iph
Puissance active totale
P = √3·VL·IL·cos φ = 3·Iph²·R
Puissances apparente et réactive
S = √3·VL·IL, Q = P·tan φ
Condensateurs de compensation
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(3ωV²)
Tension aux bornes de chaque condensateur
Δ : VL Y : VL/√3
Puissance absorbée par le moteur
Pin = Pout/η

Transitoires RC et RL

Constante de temps
τ = RC | τ = L/R
Réponse
x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ
Condensateur en continu
circuit ouvert ; vC ne peut pas sauter
Bobine en continu
court-circuit ; iL ne peut pas sauter
Régime établi
t ≈ 5τ

Méthode

  1. Trouvez la valeur initiale juste après la commutation : la tension d’un condensateur et le courant d’une bobine ne peuvent pas varier brusquement.
  2. Trouvez la valeur finale longtemps après la commutation : un condensateur se comporte comme un circuit ouvert, une bobine comme un court-circuit.
  3. Trouvez la constante de temps : τ = RC ou τ = L/R, avec la résistance vue par le condensateur ou la bobine.
  4. Utilisez x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ.

Thévenin et Norton

Tension de Thévenin
Vth = Vopen circuit
Résistance de Thévenin
Rth : toutes les sources éteintes, vue depuis a–b
Courant de Norton
IN = Vth/Rth
Courant de charge
IL = Vth/(Rth + RL)
Transfert de puissance maximal
RL = Rth, Pmax = Vth²/(4Rth)

Méthode

  1. Retirez la charge et repérez les deux bornes a et b.
  2. Trouvez la tension à vide entre a et b : c’est Vth.
  3. Éteignez toutes les sources indépendantes et trouvez la résistance vue des bornes a–b : c’est Rth.
  4. Rebranchez la charge sur le circuit équivalent : Vth en série avec Rth.
  5. Pour l’équivalent de Norton, convertissez : IN = Vth/Rth, avec RN = Rth en parallèle.

2Exercices

1.Nombres complexesMoyen
ReIm11−1−122−2−2θz

Le nombre z = 2,5·ej0,6 a son angle en radians. Trouvez sa partie imaginaire b.

r = 2,5θ = 0,6 rad
b =
2.Nombres complexesDifficile
ReIm0,50,5−0,5−0,511−1−1z₁z₂

Résolvez z² + 2z + 2 = 0. Les racines sont a ± jb ; trouvez b > 0.

p = 2q = 2
b =
3.Impédance et phaseurs en alternatifMoyen
230 V500 HzR = 60 ΩL = 100 mHC = 47 µFI

Un circuit RLC série est alimenté sous 230 V (efficaces), 500 Hz. Trouvez la puissance active P prélevée sur l’alimentation.

V = 230 V (rms)f = 500 HzR = 60 ΩL = 100 mHC = 47 µF
P = W
4.Impédance et phaseurs en alternatifDifficile
5 Vf0​R = 50 ΩL = 200 mHC = 1 µF

Un circuit RLC série est alimenté par une source de 5 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 = 5 V (rms)R = 50 ΩL = 200 mHC = 1 µF
VL = V
5.Puissance alternative et facteur de puissanceMoyen
P = 12 kWQ = ?Sφ

Un moteur monophasé absorbe 12 kW avec un facteur de puissance de 0,65 inductif sous 240 V. Trouvez la puissance réactive Q qu’il absorbe.

P = 12 kWpf = 0,65V = 240 V
Q = kvar
6.Puissance alternative et facteur de puissanceDifficile
230 V50 Hzcharge21 kW, 0,8C100 µFI

Une charge monophasée absorbe 21 kW avec un facteur de puissance de 0,8 inductif sur une alimentation de 230 V, 50 Hz. Un condensateur de 100 µF est branché en parallèle sur la charge. Trouvez le nouveau facteur de puissance cos φ vu par l’alimentation.

P = 21 kWpf1 = 0,8V = 230 Vf = 50 HzC = 100 µF
cos φ =
7.Résonance LC, facteur de qualité et bande passanteMoyen
V5 Ω22 µH100 nF

Un circuit RLC série a R = 5 Ω, L = 22 µH et C = 100 nF. Trouvez son facteur de qualité Q.

R = 5 ΩL = 22 µHC = 100 nF
Q =
8.Résonance LC, facteur de qualité et bande passanteDifficile
V100 ΩLC = ?

Concevez un filtre RLC série de résistance totale 100 Ω, de fréquence de résonance 100 kHz et de bande passante 2,5 kHz. Trouvez la capacité C en nF.

R = 100 Ωf0 = 100 kHzBW = 2,5 kHz
C = nF
9.Puissance triphaséeMoyen
ABCVL​ = 480 VIL​ = ?M90 kW, η = 88%cos φ = 0,86

Un moteur asynchrone triphasé fournit 90 kW de puissance mécanique utile à pleine charge. À cette charge, son rendement est de 88 % et son facteur de puissance vaut 0,86 (inductif). Le réseau a une tension composée de 480 V. Trouvez le courant de ligne IL.

Pout = 90 kWη = 88%cos φ = 0,86VL = 480 V
IL = A
10.Puissance triphaséeDifficile
P = 250 kWφ1​S1​Q2​QC​

Une charge triphasée équilibrée absorbe 250 kW avec un facteur de puissance de 0,8 (inductif) sur un réseau de 400 V (tension composée), 60 Hz. Une batterie de condensateurs triphasée branchée en parallèle avec la charge doit relever le facteur de puissance global à 0,9 (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 = 0,8pf2 = 0,9VL = 400 Vf = 60 Hz
Cph = µF
11.Transitoires RC et RLMoyen
R = 33 Ωt = 0L150 mHi(t)

La bobine est parcourue par un courant permanent de 0,5 A. À t = 0, l’interrupteur ferme la boucle à travers R et la source est retirée, donc le courant de la bobine décroît à travers R. Trouvez la tension vR aux bornes de R à t = 5 ms.

i(0) = 0,5 AR = 33 ΩL = 150 mHt = 5 ms
vR = V
12.Transitoires RC et RLDifficile
+−Vs​10 Vs’ouvre à t = 0R1​ = 6,8 kΩR2​ = 1 kΩC220 µF+−vC​

L’interrupteur est fermé depuis longtemps, donc le circuit est en régime permanent. À t = 0, l’interrupteur s’ouvre. Trouvez la tension du condensateur vC à t = 120 ms.

Vs = 10 VR1 = 6,8 kΩR2 = 1 kΩC = 220 µFt = 120 ms
vC = V
13.Thévenin et NortonMoyen
R1​ = 6 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​12 VR2​3 ΩAab

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

V1 = 12 VR1 = 6 ΩR2 = 3 ΩR3 = 4 Ω
Rth = Ω
14.Thévenin et NortonDifficile
R1​ = 2 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​24 VR2​2 ΩAIs​6 ABRL​10 ΩIL​

Une charge RL = 10 Ω est branchée entre a et b. Utilisez un équivalent de Thévenin pour trouver la puissance PL fournie à la charge.

V1 = 24 VIs = 6 AR1 = 2 ΩR2 = 2 ΩR3 = 20 ΩRL = 10 Ω
PL = W
15.Diagrammes de Bode et margesMoyen
vin​R = 2,2 kΩC = 22 nFvout​

Le filtre passe-bas RC représenté a R = 2,2 kΩ, C = 22 nF. Un signal d’entrée sinusoïdal de 6,6 kHz est appliqué. Trouvez le gain |H| = |vout/vin| en dB.

R = 2,2 kΩC = 22 nFf = 6,6 kHz
|H| = dB
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) = 188/(s(s + 5)(s + 10)). Trouvez la marge de gain GM en dB.

L(s) = 188/(s(s + 5)(s + 10))
GM = dB

3Solutions

1.Nombres complexes

Réponse: b = 1,412

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.

Formule d’Euler

z = 2,5·(cos 0,6 + j sin 0,6)

Composantes (radians)

a = 2,5·cos 0,6 = 2,063
b = 2,5·sin 0,6 = 1,412
b = 1,412

Réponse

b = 1,412
2.Nombres complexes

Réponse: b = 1

De Moivre et racines : (r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ. L’équation zⁿ = R∠φ a exactement n racines, toutes de module R1/n, aux arguments (φ + 360°·k)/n pour k = 0, 1, …, n − 1 : elles sont régulièrement réparties sur un cercle, espacées de 360°/n. Une équation du second degré z² + pz + q = 0 avec p² < 4q a les racines complexes z = −p/2 ± j√(q − p²/4) ; un polynôme à coefficients réels a toujours ses racines complexes par paires conjuguées a ± jb.

Discriminant

p² − 4q = 4 − 8 = −4 < 0

Formule du second degré

z = (−2 ± j√4)/2 = −1 + j, −1 − j

Réponse

b = 1

Réponse

b = 1
3.Impédance et phaseurs en alternatif

Réponse: P = 32,36 W

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

XL = 314,2 Ω, XC = 6,773 Ω

Impédance

|Z| = √(60² + (307,4)²) = 313,2 Ω

Puissance active

Les bobines et les condensateurs ne font que stocker et restituer de l’énergie ; la résistance absorbe toute la puissance active.

I = 230/313,2 = 0,7344 A
P = I²·R = 0,7344²·60 = 32,36 W

Réponse

P = 32,36 W
4.Impédance et phaseurs en alternatif

Réponse: VL = 44,72 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/√(0,2·1·10⁻⁶) = 2236 rad/s
I = V/R = 5/50 = 0,1 A

Tension aux bornes de la bobine

XL = ω₀L = 2236·0,2 = 447,2 Ω
VL = I·XL = 0,1·447,2 = 44,72 V

Réponse

VL = 44,72 V

Cela fait Q = 8,944 fois la tension d’alimentation.

5.Puissance alternative et facteur de puissance

Réponse: Q = 14,03 kvar

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

Angle

φ = arccos(0,65) = 49,46°, tan φ = 1,169

Puissance réactive

Q = P·tan φ = 12·1,169 = 14,03 kvar

Réponse

Q = 14,03 kvar
6.Puissance alternative et facteur de puissance

Réponse: cos φ = 0,8304

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 = 21·tan(arccos 0,8) = 15,75 kvar
QC = V²·2πf·C = 230²·2π·50·100·10⁻⁶ = 1662 var = 1,662 kvar
Q2 = 15,75 − 1,662 = 14,09 kvar

Nouvelle puissance apparente

S2 = √(21² + 14,09²) = 25,29 kVA

Nouveau facteur de puissance

cos φ = P/S2 = 21/25,29 = 0,8304

Réponse

cos φ = 0,8304
7.Résonance LC, facteur de qualité et bande passante

Réponse: Q = 2,966

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).

Impédance caractéristique

√(L/C) = √(2,2 × 10⁻⁵/1 × 10⁻⁷) = 14,83 Ω

Facteur de qualité

Q = 14,83/5 = 2,966

Réponse

Q = 2,966

La fréquence de résonance est 107,3 kHz, donc BW = f₀/Q = 36,17 kHz.

8.Résonance LC, facteur de qualité et bande passante

Réponse: C = 0,3979 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) = 100/(2π·2500) = 0,006366 H

Capacité à partir de la fréquence de résonance

C = 1/((2π·100000)²·0,006366) = 3,979 × 10⁻¹⁰ F = 0,3979 nF

Réponse

C = 0,3979 nF

Q = f₀/BW = 40.

9.Puissance triphasée

Réponse: IL = 143 A

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 électrique absorbée

Pin = Pout/η = 90/0,88 = 102,3 kW

Courant de ligne

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 102273/(√3·480·0,86) = 143 A

Réponse

IL = 143 A
10.Puissance triphasée

Réponse: Cph = 367 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 0,8) = 250·0,75 = 187,5 kvar
Q2 = 250·tan(acos 0,9) = 250·0,4843 = 121,1 kvar

Puissance réactive fournie par les condensateurs

QC = Q1 − Q2 = 66,42 kvar

Capacité par phase

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

V = 400 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 22140/(377·400²) = 367 µF

Réponse

Cph = 367 µF
11.Transitoires RC et RL

Réponse: vR = 5,492 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

τ = L/R = 150 mH / 33 Ω = 4,545 ms

Décroissance du courant

i(t) = 0,5·e−5/4,545 = 0,1664 A
vR = R·i = 33·0,1664 = 5,492 V

Réponse

vR = 5,492 V
12.Transitoires RC et RL

Réponse: vC = 0,743 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.

Tension initiale du condensateur

En régime permanent, le condensateur est un circuit ouvert, donc R₁ et R₂ forment un diviseur de tension. La tension du condensateur ne peut pas varier brusquement à l’ouverture de l’interrupteur.

vC(0) = 10·1/(6,8 + 1) = 1,282 V

Constante de temps après l’ouverture de l’interrupteur

τ = R2·C = 1·220 = 220 ms

Décharge

vC(t) = 1,282·e−120/220 = 0,743 V

Réponse

vC = 0,743 V
13.Thévenin et Norton

Réponse: Rth = 6 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​ = 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
14.Thévenin et Norton

Réponse: PL = 135,2 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​ = 2 ΩR3​ = 20 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 = 2·2/(2+2) = 1 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1 + 20 = 21 Ω
R1​ = 2 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​24 VR2​2 ΩAIs​6 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) = 12 + (−6)·1 = 6 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 6 + (−6)·20 = −114 V
Rth​ = 21 Ω−+Vth​114 VRL​10 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) = −114/(21 + 10) = −3,677 A
PL = IL²·RL = −3,677²·10 = 135,2 W
15.Diagrammes de Bode et marges

Réponse: |H| = −7,014 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/(2200·2,2 × 10⁻⁸) = 20661 rad/s
fc = 3288 Hz → f/fc = 6600/3288 = 2,007

Gain

|H| = 1/√(1 + 2,007²) = 0,4459
20·log₁₀(0,4459) = −7,014 dB

Réponse

|H| = −7,014 dB
16.Diagrammes de Bode et marges

Réponse: GM = 12,02 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/5)·(ω/10) = 1 → ω180 = √(5·10) = 7,071 rad/s

Module au croisement de phase

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 25)·√(ω² + 100)) = K/(5·10·(5 + 10)) = K/750

Marge de gain

GM = 20·log₁₀(750/188) = 12,02 dB

Réponse

GM = 12,02 dB

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