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∠−75° sous forme rectangulaire a + jb et donnez la partie réelle a.

r = 8θ = −75°
a =
2.Nombres complexesDifficile
ReIm11−1−122−2−233−3−3z₀z₁z₂z₃

Les racines de zⁿ = w avec n = 4 et w = 81∠180° sont zk = R1/n∠((φ + 360°·k)/n), k = 0, 1, 2, 3. Trouvez la partie imaginaire de z₂.

w = 81∠180°n = 4k = 2
Im(z₂) =
3.Impédance et phaseurs en alternatifMoyen
10 V200 HzR = 40 ΩL = 250 mHC = 22 µFI

Un circuit RLC série est alimenté sous 10 V (efficaces), 200 Hz. Trouvez le courant efficace I.

V = 10 V (rms)f = 200 HzR = 40 ΩL = 250 mHC = 22 µF
I = A
4.Impédance et phaseurs en alternatifDifficile
12 V100 HzR = 20 ΩL = 100 mHC = 100 µF+−VC​

Un circuit RLC série est alimenté sous 12 V (efficaces), 100 Hz. Trouvez la tension efficace VC aux bornes du condensateur.

V = 12 V (rms)f = 100 HzR = 20 ΩL = 100 mHC = 100 µF
VC = V
5.Puissance alternative et facteur de puissanceMoyen
240 V118 kW, 0,75211 kW, 0,7I = ?

Deux charges sont branchées en parallèle sur une alimentation monophasée de 240 V : une charge de 18 kW avec un facteur de puissance de 0,75 inductif et une charge de 11 kW avec un facteur de puissance de 0,7 capacitif. Trouvez le courant total I prélevé sur l’alimentation.

V = 240 VP1 = 18 kW, pf1 = 0,75 inductifP2 = 11 kW, pf2 = 0,7 capacitif
I = A
6.Puissance alternative et facteur de puissanceDifficile
P1​ = 73 kWQ1​S1​φ

Un transformateur monophasé de 200 kVA alimente une charge de 73 kW avec un facteur de puissance de 0,6 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 = 200 kVAP1 = 73 kWpf1 = 0,6
ΔP = kW
7.Résonance LC, facteur de qualité et bande passanteMoyen
V22 Ω47 µH2,2 nF

Un circuit RLC série a R = 22 Ω, L = 47 µH et C = 2,2 nF. Trouvez sa bande passante BW en kHz.

R = 22 ΩL = 47 µHC = 2,2 nF
BW = kHz
8.Résonance LC, facteur de qualité et bande passanteDifficile
V20 ΩLC = ?

Concevez un filtre RLC série de résistance totale 20 Ω, de fréquence de résonance 200 kHz et de bande passante 10 kHz. Trouvez la capacité C en nF.

R = 20 Ωf0 = 200 kHzBW = 10 kHz
C = nF
9.Puissance triphaséeMoyen
ABCVL​ = 480 VIL​ = ?M55 kW, η = 88%cos φ = 0,8

Un moteur asynchrone triphasé fournit 55 kW de puissance mécanique utile à pleine charge. À cette charge, son rendement est de 88 % et son facteur de puissance vaut 0,8 (inductif). Le réseau a une tension composée de 480 V. Trouvez le courant de ligne IL.

Pout = 55 kWη = 88%cos φ = 0,8VL = 480 V
IL = A
10.Puissance triphaséeDifficile
P = 80 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Une charge triphasée équilibrée absorbe 80 kW avec un facteur de puissance de 0,65 (inductif) sur un réseau de 400 V (tension composée), 50 Hz. Une batterie de condensateurs triphasée branchée en parallèle avec la charge doit relever le facteur de puissance global à 0,9 (inductif). La puissance active reste la même. Trouvez la puissance réactive totale QC que doit fournir la batterie de condensateurs, en kvar.

P = 80 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,9VL = 400 Vf = 50 Hz
QC = kvar
11.Transitoires RC et RLMoyen
+−Vs​24 Vt = 0R1​ = 1 kΩR2​ = 10 kΩC22 µF+−vC​

La source Vₛ charge le condensateur à travers R₁, et R₂ est branchée en parallèle avec C. Le condensateur est déchargé quand l’interrupteur se ferme à t = 0. Trouvez la tension du condensateur vC à t = 10 ms.

Vs = 24 VR1 = 1 kΩR2 = 10 kΩC = 22 µFt = 10 ms
vC = V
12.Transitoires RC et RLDifficile
+−Vs​10 Vs’ouvre à t = 0R1​ = 6,8 kΩR2​ = 6,8 kΩi2​C47 µF+−vC​

L’interrupteur est fermé depuis longtemps, donc le circuit est en régime permanent. À t = 0, l’interrupteur s’ouvre. Trouvez le courant i2 dans R2 à t = 400 ms.

Vs = 10 VR1 = 6,8 kΩR2 = 6,8 kΩC = 47 µFt = 400 ms
i2 = mA
13.Thévenin et NortonMoyen
R1​ = 4 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​30 VR2​12 ΩARL​20 ΩIL​B

Une charge RL = 20 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 = 30 VR1 = 4 ΩR2 = 12 ΩR3 = 3 ΩRL = 20 Ω
IL = A
14.Thévenin et NortonDifficile
R1​ = 25 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​36 VR2​20 ΩAIs​1 ABab

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

V1 = 36 VIs = 1 AR1 = 25 ΩR2 = 20 ΩR3 = 3 Ω
IN = A
15.Diagrammes de Bode et margesMoyen
|H| (dB)0,10,111101010010010001000−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−135−90−450ω = 2

Trouvez la phase ∠G(jω) de G(s) = 38(s + 12)/(s(s + 5)) à ω = 2 rad/s, en degrés.

G(s) = 38(s + 12)/(s(s + 5))ω = 2 rad/s
∠G(jω) = °
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) = 42/(s(s + 4)(s + 6)). Trouvez la marge de gain GM en dB.

L(s) = 42/(s(s + 4)(s + 6))
GM = dB

3Solutions

1.Nombres complexes

Réponse: a = 2,071

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 = 8·cos(−75°) = 2,071
b = 8·sin(−75°) = −7,727

Forme rectangulaire

z = 2,071 − j7,727
a = 2,071

Réponse

a = 2,071
2.Nombres complexes

Réponse: Im(z₂) = −2,121

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

811/4 = 3

Argument de la racine

θ₂ = (180° + 360°·2)/4 = 225° → −135°

Forme rectangulaire

z₂ = 3·(cos −135° + j sin −135°) = −2,121 − j2,121
Im(z₂) = −2,121

Réponse

Im(z₂) = −2,121

Les 4 racines sont sur le cercle de rayon 3, espacées de 90°.

3.Impédance et phaseurs en alternatif

Réponse: I = 0,03561 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·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) = √(40² + (278)²) = 280,9 Ω

Courant

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

I = V/|Z| = 10/280,9 = 0,03561 A

Réponse

I = 0,03561 A
4.Impédance et phaseurs en alternatif

Réponse: VC = 3,745 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·100 = 628,3 rad/s
XL = ωL = 628,3·0,1 = 62,83 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(628,3·100·10⁻⁶) = 15,92 Ω

Impédance

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(20² + (46,92)²) = 51 Ω

Courant

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

I = V/|Z| = 12/51 = 0,2353 A

Tension aux bornes du condensateur

VC = I·XC = 0,2353·15,92 = 3,745 V

Réponse

VC = 3,745 V
5.Puissance alternative et facteur de puissance

Réponse: I = 122,4 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 = 18·tan(arccos 0,75) = 15,87 kvar
Q2 = −11·tan(arccos 0,7) = −11,22 kvar

Totaux

P = 18 + 11 = 29 kW
Q = 15,87 + (−11,22) = 4,652 kvar
S = √(29² + 4,652²) = 29,37 kVA

Courant total

I = S/V = 29371/240 = 122,4 A

Réponse

I = 122,4 A
6.Puissance alternative et facteur de puissance

Réponse: ΔP = 101,7 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 = 73·tan(arccos 0,6) = 97,33 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) = √(200² − 97,33²) = 174,7 kW

Puissance active supplémentaire

ΔP = 174,7 − 73 = 101,7 kW

Réponse

ΔP = 101,7 kW
7.Résonance LC, facteur de qualité et bande passante

Réponse: BW = 74,5 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).

Bande passante en rad/s

R/L = 22/4,7 × 10⁻⁵ = 468085 rad/s

Bande passante en Hz

BW = 468085/(2π) = 74498 Hz = 74,5 kHz

Réponse

BW = 74,5 kHz

Avec f₀ = 494,9 kHz, on obtient Q = 6,644.

8.Résonance LC, facteur de qualité et bande passante

Réponse: C = 1,989 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) = 20/(2π·10000) = 0,0003183 H

Capacité à partir de la fréquence de résonance

C = 1/((2π·200000)²·0,0003183) = 1,989 × 10⁻⁹ F = 1,989 nF

Réponse

C = 1,989 nF

Q = f₀/BW = 20.

9.Puissance triphasée

Réponse: IL = 93,97 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 = 55/0,88 = 62,5 kW

Courant de ligne

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 62500/(√3·480·0,8) = 93,97 A

Réponse

IL = 93,97 A
10.Puissance triphasée

Réponse: QC = 54,78 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 = 80·tan(acos 0,65) = 80·1,169 = 93,53 kvar
Q2 = 80·tan(acos 0,9) = 80·0,4843 = 38,75 kvar

Puissance réactive fournie par les condensateurs

QC = Q1 − Q2 = 54,78 kvar

Réponse

QC = 54,78 kvar
11.Transitoires RC et RL

Réponse: vC = 8,585 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.

Équivalent de Thévenin vu par le condensateur

Court-circuitez la source pour trouver Rth ; ouvrez le condensateur pour trouver la tension vers laquelle il tendra.

Rth = R1 ∥ R2 = 1·10/(1 + 10) = 0,9091 kΩ
vC(∞) = 24·10/(1 + 10) = 21,82 V

Constante de temps

τ = Rth·C = 0,9091·22 = 20 ms

Courbe de charge

vC(t) = 21,82·(1 − e−10/20) = 8,585 V

Réponse

vC = 8,585 V
12.Transitoires RC et RL

Réponse: i2 = 0,2103 mA

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) = 10·6,8/(6,8 + 6,8) = 5 V

Constante de temps après l’ouverture de l’interrupteur

τ = R2·C = 6,8·47 = 319,6 ms

Décharge

vC(t) = 5·e−400/319,6 = 1,43 V
i2 = vC/R2 = 1,43/6,8 = 0,2103 mA

Réponse

i2 = 0,2103 mA
13.Thévenin et Norton

Réponse: IL = 0,8654 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​ = 4 ΩR3​ = 3 ΩCOURT-CIRCUITR2​12 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 = 4·12/(4+12) = 3 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3 + 3 = 6 Ω
R1​ = 4 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​30 VR2​12 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) = 30·12/(4+12) = 22,5 V
Rth​ = 6 Ω+−Vth​22,5 VRL​20 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) = 22,5/(6 + 20) = 0,8654 A
14.Thévenin et Norton

Réponse: IN = 2,134 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​ = 25 ΩR3​ = 3 ΩCOURT-CIRCUITR2​20 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 = 25·20/(25+20) = 11,11 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 11,11 + 3 = 14,11 Ω
R1​ = 25 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​36 VR2​20 ΩAIs​1 ABab+−Vth​

Trouver Vth, la tension à vide

Avec a–b ouverts, le seul chemin pour Iₛ passe par R₃ vers le nœud A. Trouvez V_A par superposition de V₁ et Iₛ, puis ajoutez la chute de tension dans R₃.

VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 16 + 1·11,11 = 27,11 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 27,11 + 1·3 = 30,11 V
IN​2,134 ARth​14,11 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 = 30,11/14,11 = 2,134 A
15.Diagrammes de Bode et marges

Réponse: ∠G(jω) = −102,3 °

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.

Additionner les angles

∠G = atan(2/12) − 90° − atan(2/5) = 9,462° − 90° − 21,8°

Résultat

∠G(j2) = −102,3°

Réponse

∠G(jω) = −102,3°
16.Diagrammes de Bode et marges

Réponse: GM = 15,14 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/4)·(ω/6) = 1 → ω180 = √(4·6) = 4,899 rad/s

Module au croisement de phase

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 16)·√(ω² + 36)) = K/(4·6·(4 + 6)) = K/240

Marge de gain

GM = 20·log₁₀(240/42) = 15,14 dB

Réponse

GM = 15,14 dB

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