Circuits électriques 2 : régime sinusoïdal : pack de révision

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

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1Formules et méthodes

Nombres complexes

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

Méthode

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

Impédance et phaseurs en alternatif

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

Méthode

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

Puissance alternative et facteur de puissance

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

Résonance LC, facteur de qualité et bande passante

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

Méthode

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

Puissance triphasée

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

Transitoires RC et RL

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

Méthode

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

Thévenin et Norton

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

Méthode

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

2Exercices

1.Nombres complexesMoyen
ReIm22−2−244−4−4θz

Le nombre z = 5·e−j2,5 a son angle en radians. Trouvez sa partie réelle a.

r = 5θ = −2,5 rad
a =
2.Nombres complexesDifficile
ReIm11−1−122−2−2z₁z₂

L’équation z² + 4z + 5 = 0 a deux racines complexes. Trouvez leur module |z|.

p = 4q = 5
|z| =
3.Impédance et phaseurs en alternatifMoyen
120 V200 HzR = 50 ΩL = 250 mHC = 2,2 µFI

Un circuit RLC série est alimenté sous 120 V (efficaces), 200 Hz. Trouvez la puissance active P prélevée sur l’alimentation.

V = 120 V (rms)f = 200 HzR = 50 ΩL = 250 mHC = 2,2 µF
P = W
4.Impédance et phaseurs en alternatifDifficile
10 Vf0​R = 2 ΩL = 5 mHC = 1 µF

Un circuit RLC série est alimenté par une source de 10 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 = 10 V (rms)R = 2 ΩL = 5 mHC = 1 µF
VL = V
5.Puissance alternative et facteur de puissanceMoyen
P = 22 kWQ = ?Sφ

Un moteur monophasé absorbe 22 kW avec un facteur de puissance de 0,65 inductif sous 400 V. Trouvez la puissance réactive Q qu’il absorbe.

P = 22 kWpf = 0,65V = 400 V
Q = kvar
6.Puissance alternative et facteur de puissanceDifficile
230 V60 HzRs​ = 8 ΩXs​ = j15 ΩZL​ = ?

Une source de 230 V (efficace), 60 Hz a une impédance interne Zs = 8 + j15 Ω. L’impédance de charge ZL peut être choisie librement. Trouvez la puissance active maximale Pmax qui peut être fournie à la charge.

Vs = 230 V (rms)f = 60 HzZs = 8 + j15 Ω
Pmax = W
7.Résonance LC, facteur de qualité et bande passanteMoyen
f|I|0,707120 kHzf1​ = ?f2​BW

Un circuit RLC série résonne à 20 kHz avec Q = 1,5. Trouvez exactement la fréquence à mi-puissance inférieure f1, en kHz.

f0 = 20 kHzQ = 1,5
f1 = kHz
8.Résonance LC, facteur de qualité et bande passanteDifficile
V10 Ω2,2 mH1 nF500 mA

Un circuit RLC série (R = 10 Ω, L = 2,2 mH, C = 1 nF) est excité à la résonance avec une amplitude de courant de 500 mA. Trouvez l’énergie Ecycle dissipée dans R pendant un cycle, en µJ.

R = 10 ΩL = 2,2 mHC = 1 nFIm = 500 mA
Ecycle = µJ
9.Puissance triphaséeMoyen
ABCVL​ = 690 VIL​ = ?M75 kW, η = 91%cos φ = 0,84

Un moteur asynchrone triphasé fournit 75 kW de puissance mécanique utile à pleine charge. À cette charge, son rendement est de 91 % et son facteur de puissance vaut 0,84 (inductif). Le réseau a une tension composée de 690 V. Trouvez le courant de ligne IL.

Pout = 75 kWη = 91%cos φ = 0,84VL = 690 V
IL = A
10.Puissance triphaséeDifficile
P = 200 kWφ1​S1​Q2​QC​

Une charge triphasée équilibrée absorbe 200 kW avec un facteur de puissance de 0,7 (inductif) sur un réseau de 480 V (tension composée), 50 Hz. Une batterie de condensateurs triphasée branchée en parallèle avec la charge doit relever le facteur de puissance global à 0,92 (inductif). La puissance active reste la même. Les condensateurs sont couplés en étoile (Y). Trouvez la capacité Cph de chaque condensateur, en µF.

P = 200 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,92VL = 480 Vf = 50 Hz
Cph = µF
11.Transitoires RC et RLMoyen
R = 50 Ωt = 0L47 mHi(t)

La bobine est parcourue par un courant permanent de 2 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. Combien de temps faut-il pour que le courant descende à 0,4 A ? Trouvez t.

i(0) = 2 AR = 50 ΩL = 47 mH
t = ms
12.Transitoires RC et RLDifficile
+−Vs​5 Vt = 0R = 47 kΩC?+−vC​

Un temporisateur commence à t = 0 à charger un condensateur déchargé à travers une résistance à partir d’une alimentation de 5 V. Il doit se déclencher quand la tension du condensateur atteint 3 V, exactement 20 ms après le départ. Avec R = 47 kΩ, trouvez la capacité C nécessaire.

Vs = 5 VVth = 3 VT = 20 msR = 47 kΩ
C = µF
13.Thévenin et NortonMoyen
R1​ = 15 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​12 VR2​12 ΩAab

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

V1 = 12 VR1 = 15 ΩR2 = 12 ΩR3 = 12 Ω
Rth = Ω
14.Thévenin et NortonDifficile
R1​ = 2 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​9 VR2​25 ΩAIs​1,5 ABab

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

V1 = 9 VIs = 1,5 AR1 = 2 ΩR2 = 25 ΩR3 = 20 Ω
IN = A
15.Diagrammes de Bode et margesMoyen
vin​L = 50 mHC = 10 µFR = 10 Ωvout​

Dans le filtre passe-bande RLC série représenté, la sortie est prise aux bornes de R = 10 Ω, avec L = 50 mH et C = 10 µF. Trouvez la fréquence centrale (de résonance) f0 en Hz.

R = 10 ΩL = 50 mHC = 10 µF
f0 = Hz
16.Diagrammes de Bode et margesDifficile
|H| (dB)11101010010010001000−80−60−40−2002040ω (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) = 920/(s(s + 20)). Trouvez la pulsation de croisement du gain ωc, où |L(jω)| = 1.

L(s) = 920/(s(s + 20))
ωc = rad/s

3Solutions

1.Nombres complexes

Réponse: a = −4,006

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 = 5·(cos −2,5 + j sin −2,5)

Composantes (radians)

a = 5·cos −2,5 = −4,006
b = 5·sin −2,5 = −2,992
a = −4,006

Réponse

a = −4,006
2.Nombres complexes

Réponse: |z| = 2,236

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 = 16 − 20 = −4 < 0

Formule du second degré

z = (−4 ± j√4)/2 = −2 + j, −2 − j

Réponse

|z| = √((−2)² + 1²) = √5 = 2,236

Réponse

|z| = 2,236
3.Impédance et phaseurs en alternatif

Réponse: P = 151,2 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 = 361,7 Ω

Impédance

|Z| = √(50² + (−47,56)²) = 69 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 = 120/69 = 1,739 A
P = I²·R = 1,739²·50 = 151,2 W

Réponse

P = 151,2 W
4.Impédance et phaseurs en alternatif

Réponse: VL = 353,6 V

Circuits alternatifs et phaseurs : résistances, bobines et condensateurs ont pour impédances R, jωL et 1/(jωC), avec ω = 2πf. En série, les impédances s’additionnent comme des résistances, mais en nombres complexes. Courant et tension efficaces suivent la loi d’Ohm avec |Z|.

Résonance

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

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,005·1·10⁻⁶) = 14142 rad/s
I = V/R = 10/2 = 5 A

Tension aux bornes de la bobine

XL = ω₀L = 14142·0,005 = 70,71 Ω
VL = I·XL = 5·70,71 = 353,6 V

Réponse

VL = 353,6 V

Cela fait Q = 35,36 fois la tension d’alimentation.

5.Puissance alternative et facteur de puissance

Réponse: Q = 25,72 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 = 22·1,169 = 25,72 kvar

Réponse

Q = 25,72 kvar
6.Puissance alternative et facteur de puissance

Réponse: Pmax = 1653 W

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.

Adaptation conjuguée

La réactance de la charge compense celle de la source, et la résistance de la charge est égale à celle de la source.

ZL = Zs* = 8 − j15 Ω

Puissance maximale

I = Vs/(2Rs) = 230/16 = 14,38 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 230²/(4·8) = 1653 W

Réponse

Pmax = 1653 W
7.Résonance LC, facteur de qualité et bande passante

Réponse: f1 = 14,42 kHz

Facteur de qualité et bande passante : dans un circuit résonant, Q = 2π·(énergie stockée)/(énergie perdue par cycle). Pour un RLC série, Q = ω0L/R = (1/R)√(L/C) ; pour un RLC parallèle, Q = R/(ω0L) = R√(C/L). La bande passante entre les fréquences à mi-puissance f1 et f2 (où la puissance est réduite de moitié et le courant ou la tension vaut 1/√2 de son maximum) est BW = f2 − f1 = f0/Q, soit R/(2πL) en série et 1/(2πRC) en parallèle. La fréquence de résonance est la moyenne géométrique f0 = √(f1f2), et f1,2 = f0(√(1 + 1/(4Q²)) ∓ 1/(2Q)). Les pertes font aussi décroître l’oscillation : en RLC série, l’amplitude diminue comme e−Rt/(2L).

Terme sous la racine carrée

√(1 + 1/(4·1,5²)) = 1,054

Fréquence à mi-puissance inférieure

f1 = 20000·(1,054 − 0,3333) = 14415 Hz = 14,42 kHz

Réponse

f1 = 14,42 kHz

La supérieure vaut f₂ = 27,75 kHz ; vérification : f₂ − f₁ = 13,33 kHz = f₀/Q.

8.Résonance LC, facteur de qualité et bande passante

Réponse: Ecycle = 11,65 µJ

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).

Énergie stockée

W = ½·0,0022·0,5² = 0,000275 J

Facteur de qualité

Q = (1/10)·√(0,0022/1 × 10⁻⁹) = 148,3

Énergie perdue par cycle

Ecycle = 2π·W/Q = 2π·0,000275/148,3 = 1,165 × 10⁻⁵ J = 11,65 µJ
vérification: ½·0,5²·10/107302 = 1,165 × 10⁻⁵ J

Réponse

Ecycle = 11,65 µJ
9.Puissance triphasée

Réponse: IL = 82,1 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 = 75/0,91 = 82,42 kW

Courant de ligne

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 82418/(√3·690·0,84) = 82,1 A

Réponse

IL = 82,1 A
10.Puissance triphasée

Réponse: Cph = 1642 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 = 200·tan(acos 0,7) = 200·1,02 = 204 kvar
Q2 = 200·tan(acos 0,92) = 200·0,426 = 85,2 kvar

Puissance réactive fournie par les condensateurs

QC = Q1 − Q2 = 118,8 kvar

Capacité par phase

Dans une batterie en étoile, chaque condensateur est branché entre une phase et le point neutre.

V = 480/√3 = 277,1 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 39614/(314,2·277,1²) = 1642 µF

Réponse

Cph = 1642 µF
11.Transitoires RC et RL

Réponse: t = 1,513 ms

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 = 47 mH / 50 Ω = 0,94 ms

Isoler le temps

0,4 = 2·e−t/τ → t = τ·ln(2/0,4)
t = 0,94·ln(5) = 1,513 ms

Réponse

t = 1,513 ms
12.Transitoires RC et RL

Réponse: C = 0,4644 µF

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 requise

3 = 5·(1 − e−20/τ) → τ = 20/ln(5/(5 − 3))
τ = 20/0,9163 = 21,83 ms

Capacité

Des kΩ multipliés par des µF donnent des millisecondes.

C = τ/R = 21,83/47 = 0,4644 µF

Réponse

C = 0,4644 µF
13.Thévenin et Norton

Réponse: Rth = 18,67 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​ = 15 ΩR3​ = 12 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 = 15·12/(15+12) = 6,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6,667 + 12 = 18,67 Ω
14.Thévenin et Norton

Réponse: IN = 1,881 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​ = 2 ΩR3​ = 20 ΩCOURT-CIRCUITR2​25 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 = 2·25/(2+25) = 1,852 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,852 + 20 = 21,85 Ω
R1​ = 2 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​9 VR2​25 ΩAIs​1,5 ABab+−Vth​

Trouver Vth, la tension à vide

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

VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 8,333 + 1,5·1,852 = 11,11 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 11,11 + 1,5·20 = 41,11 V
IN​1,881 ARth​21,85 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 = 41,11/21,85 = 1,881 A
15.Diagrammes de Bode et marges

Réponse: f0 = 225,1 Hz

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

Fréquence de résonance

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,05·1 × 10⁻⁵) = 1414 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 225,1 Hz

Réponse

f0 = 225,1 Hz
16.Diagrammes de Bode et marges

Réponse: ωc = 27,23 rad/s

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 + 400ω² − 846400 = 0
ω² = (−400 + √(160000 + 4·846400))/2 = 741,5
ωc = 27,23 rad/s

Réponse

ωc = 27,23 rad/s

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