Entraînement à l’examen FE Electrical and Computer : pack de révision

Formulaires, étapes clés de la méthode pour chaque thème et 40 exercices, avec les corrigés complets à la fin.

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1Formules et méthodes

Résistances en série et en parallèle

Résistances en série
Req = R1 + R2 + …
Résistances en parallèle
1/Req = 1/R1 + 1/R2 + …
Deux en parallèle
Req = R1R2 / (R1 + R2)
Loi d’Ohm
V = I·R
Puissance
P = V·I = I²R = V²/R

Méthode

  1. Commencez par l’extrémité du réseau la plus éloignée des bornes.
  2. Associez les résistances en série en les additionnant, et les résistances en parallèle avec 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
  3. Redessinez le circuit après chaque étape.
  4. Recommencez jusqu’à ce qu’il ne reste qu’une résistance entre les bornes.

Méthode des nœuds

Loi des nœuds de Kirchhoff
ΣIin = ΣIout
Courant de branche
I = (Va − Vb)/R
Nœud de référence
Vground = 0

Méthode

  1. Choisissez un nœud de référence (la masse) et nommez les potentiels des autres nœuds.
  2. Écrivez la loi des nœuds de Kirchhoff à chaque nœud inconnu : les courants qui sortent par chaque branche égalent les courants qui entrent.
  3. Exprimez chaque courant de branche sous la forme (Va − Vb)/R.
  4. Résolvez le système d’équations, puis trouvez les courants demandés.

Méthode des mailles

Loi des mailles de Kirchhoff
ΣV = 0 sur chaque maille
Résistance commune
courant = I1 − I2
Source de courant dans une maille
impose ce courant de maille

Méthode

  1. Dessinez un courant dans le sens horaire dans chaque maille (fenêtre) du circuit.
  2. Appliquez la loi des mailles de Kirchhoff à chaque maille : la somme des chutes de tension est nulle.
  3. Dans une résistance commune à deux mailles, le courant est la différence des deux courants de maille.
  4. Résolvez les équations ; un résultat négatif signifie que le courant circule dans l’autre sens.

Superposition

Superposition
x = x1 + x2 + … (one source at a time)
Source de tension éteinte
court-circuit (0 V)
Source de courant éteinte
circuit ouvert (0 A)
Diviseur de tension
V2 = V·R2/(R1 + R2)
Diviseur de courant
I1 = I·R2/(R1 + R2)

Méthode

  1. Comptez les sources indépendantes. Vous résoudrez un circuit plus simple par source.
  2. Gardez une source et éteignez les autres : une source de tension devient un court-circuit (un fil), une source de courant devient un circuit ouvert (une coupure).
  3. Résolvez le circuit simplifié pour la tension ou le courant cherché, en notant son sens.
  4. Recommencez pour chaque source, puis additionnez les contributions avec leurs signes.

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.

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.

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)

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

Transformateurs

Rapport de transformation
a = N1/N2 = V1/V2
Rapport des courants
I1/I2 = N2/N1 = 1/a
Courant nominal
I = S/V
Impédance ramenée
Z1′ = a²·ZL
Pertes cuivre à charge partielle
Pcu = x²·Pcu,fl
Rendement
η = x·S·pf/(x·S·pf + Pcore + x²·Pcu,fl)
Rendement maximal
x = √(Pcore/Pcu,fl)

Circuits à ampli op

Amplificateur inverseur
Vout = −(Rf/Rin)·Vin
Amplificateur non inverseur
Vout = (1 + Rf/R1)·Vin
Amplificateur sommateur
Vout = −Rf(V1/R1 + V2/R2)
Ampli op idéal
V+ = V−, Iin = 0

Diodes et transistors

Diode (chute de tension constante)
VD = 0,7 V when conducting
Régime actif
VBE = 0,7 V, IC = β·IB, IE = (β + 1)·IB
Polarisation fixe
IB = (VCC − 0,7)/RB
Polarisation par pont diviseur
IB = (VTH − 0,7)/(RTH + (β + 1)RE)
Thévenin du pont diviseur
VTH = VCC·R2/(R1 + R2), RTH = R1∥R2
Maille du collecteur
VCE = VCC − ICRC − IERE
Saturation
IC(sat) = (VCC − VCE(sat))/RC, IB ≥ IC(sat)/β

Systèmes de numération

Poids des positions
binaire 2k, octal 8k, hexa 16k
Vers le décimal
Σ dk·bk
Depuis le décimal
diviser par la base, lire les restes de bas en haut
Hexa ↔ binaire
un chiffre hexa = 4 bits
Complément à deux
inverser les bits et ajouter 1

Logique numérique : portes, tableaux de Karnaugh et bascules

Portes de base
A·B, A + B, A′, (A·B)′, (A + B)′, A ⊕ B
Règles booléennes
X + X′ = 1, X·X′ = 0, X + XY = X, XY + XY′ = X
De Morgan
(X·Y)′ = X′ + Y′, (X + Y)′ = X′·Y′
Ordre du tableau de Karnaugh
00, 01, 11, 10 (Gray code)
Groupe de 2ᵏ cases
perd k variables
Multiplexeur 4 vers 1
F = A′B′I0 + A′BI1 + AB′I2 + ABI3
Bascules
D: Q⁺ = D, T: Q⁺ = T ⊕ Q, JK: Q⁺ = JQ′ + K′Q
Compteurs
n bits : 2ⁿ états ; modulo N : plus petit n tel que 2ⁿ ≥ N ; fout = fclk/N
Compteur asynchrone
fmax = 1/(n·tpd)
Compteurs en anneau et Johnson
n et 2n états

Méthode

  1. Pour un circuit, travaillez des entrées vers la sortie, une porte à la fois, et écrivez la valeur sur chaque fil, ou écrivez son expression et remplissez la table de vérité.
  2. Pour la simplification, placez les 1 (et les états indifférents sous forme de X) dans un tableau de Karnaugh dont les lignes et colonnes suivent le code de Gray : 00, 01, 11, 10.
  3. Couvrez les 1 avec le moins possible de groupes de 1, 2, 4, 8 ou 16 cases, aussi grands que possible, en débordant sur les bords ; chaque groupe est un terme produit formé des variables qui restent constantes. Regroupez les 0 pour la forme POS.
  4. Pour les bascules et les compteurs, lisez les entrées à chaque front d’horloge actif, notez l’état après chaque front, et rappelez-vous qu’un compteur de n bits repasse à zéro après 2ⁿ états.

Stabilité : Routh–Hurwitz et lieu des racines

Stabilité
toutes les racines du polynôme caractéristique dans le demi-plan gauche
tableau de Routh, élément s¹ d’un polynôme cubique
b1 = (a2a1 − a3a0)/a2
Racines dans le demi-plan droit
nombre de changements de signe dans la première colonne
Polynôme cubique s³ + a₂s² + a₁s + a₀
stable lorsque tous les a > 0 et a₂·a₁ > a₀
K/(s(s + a)(s + b))
Kmax = ab(a + b), ω = √(ab)
Équation caractéristique
1 + K·G(s) = 0
Asymptotes
σa = (Σp − Σz)/(n − m), θ = (2q + 1)·180°/(n − m)
Points de séparation et de jonction
dK/ds = 0
Condition de module
K = 1/|G(s)|
Angle de départ
θd = 180° − Σ∠(from other poles) + Σ∠(from zeros)

Méthode

  1. Écrivez le polynôme caractéristique en boucle fermée : le dénominateur de 1 + K·G(s) = 0, développé.
  2. Placez les coefficients en alternance dans les deux premières lignes du tableau de Routh et construisez les lignes restantes.
  3. Comptez les changements de signe dans la première colonne : chacun correspond à un pôle dans le demi-plan droit. Avec K dans le tableau, exigez que tous les éléments de la première colonne restent positifs.
  4. Pour un lieu des racines, repérez les pôles et les zéros, les segments de l’axe réel, les asymptotes issues du centre de gravité et les points de séparation où dK/ds = 0. Utilisez K = 1/|G(s)| pour le gain en un point.

Erreur en régime permanent et commande PID

Classe du système
nombre de pôles de G(s) en s = 0
Constantes d’erreur
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
Échelon A
ess = A/(1 + Kp)
Rampe A·t
ess = A/Kv
Parabole A·t²/2
ess = A/Ka
Régulateur PID
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
Cible du second ordre
s² + 2ζωns + ωn²
Dépassement et temps de réponse
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)

Méthode

  1. Comptez les pôles de la boucle ouverte C(s)·G(s) en s = 0 : c’est la classe du système.
  2. Calculez la constante d’erreur qui correspond à l’entrée : Kp pour un échelon, Kv pour une rampe, Ka pour une parabole.
  3. Appliquez ess = A/(1 + Kp), A/Kv ou A/Ka, ou résolvez pour le gain nécessaire.
  4. Pour une spécification d’amortissement ou de vitesse, écrivez le polynôme caractéristique en boucle fermée et identifiez-le à s² + 2ζω_n·s + ω_n².

2Exercices

1.Résistances en série et en parallèleMoyen
R1​ = 6 ΩIR1​R3​ = 5 Ω+−V1​15 VR2​3 ΩAR4​5 ΩB

Trouvez le courant IR1 fourni par la source, qui traverse R1.

V1 = 15 VR1 = 6 ΩR2 = 3 ΩR3 = 5 ΩR4 = 5 Ω
IR1 = A
2.Résistances en série et en parallèleDifficile
R1​ = 30 ΩR3​ = 15 ΩR5​ = 3 Ω+−V1​30 VR2​15 ΩIR2​AR4​30 ΩBR6​25 Ω

Trouvez le courant IR2 dans R2.

V1 = 30 VR1 = 30 ΩR2 = 15 ΩR3 = 15 ΩR4 = 30 ΩR5 = 3 ΩR6 = 25 Ω
IR2 = A
3.Méthode des nœudsMoyen
R1​ = 3 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​18 VR2​2 ΩAR4​12 ΩBIs​5 A

Utilisez la méthode des nœuds pour trouver le potentiel du nœud VA (par rapport à la masse).

V1 = 18 VIs = 5 AR1 = 3 ΩR2 = 2 ΩR3 = 15 ΩR4 = 12 Ω
VA = V
4.Méthode des nœudsDifficile
R1​ = 25 ΩIR1​R2​ = 3 ΩR4​ = 25 Ω+−V1​6 VR3​10 ΩAR5​12 ΩBIs​3 A−+V2​9 V

Utilisez la méthode des nœuds pour trouver le courant IR1 dans R1 dans le sens de la flèche.

V1 = 6 VIs = 3 AV2 = 9 VR1 = 25 ΩR2 = 3 ΩR3 = 10 ΩR4 = 25 ΩR5 = 12 Ω
IR1 = A
5.Méthode des maillesMoyen
R1​ = 12 ΩR2​ = 4 Ω+−V1​10 VR3​5 ΩA+−V2​12 VI1​I2​

Utilisez la méthode des mailles pour trouver le courant de maille I1 (sens horaire).

V1 = 10 VV2 = 12 VR1 = 12 ΩR2 = 4 ΩR3 = 5 Ω
I1 = A
6.Méthode des maillesDifficile
R1​ = 10 ΩR2​ = 20 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​24 VR4​3 ΩIR4​AR5​2 ΩB+−V2​5 VI1​I2​I3​

Utilisez la méthode des mailles pour trouver le courant IR4 dans R4 dans le sens de la flèche.

V1 = 24 VV2 = 5 VR1 = 10 ΩR2 = 20 ΩR3 = 12 ΩR4 = 3 ΩR5 = 2 Ω
IR4 = A
7.SuperpositionMoyen
circuit linéaireVs​Is​IRL​

Un circuit résistif linéaire contient une source de tension Vs et une source de courant Is. Le courant I dans une résistance de charge est mesuré deux fois : avec Vs = 4 V et Is = 10 mA, I = 5 mA ; avec Vs = 2 V et Is = 8 mA, I = 2,2 mA. Trouvez le courant de charge I quand Vs = 10 V et Is = 5 mA.

4 V, 10 mA → 5 mA2 V, 8 mA → 2,2 mAVs = 10 V, Is = 5 mA
I = mA
8.SuperpositionDifficile
R1​ = 3 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 25 Ω+−V1​15 VR3​15 ΩIR3​AIs​6 AB+−V2​?

Trouvez la valeur de la source de tension V2 (polarité indiquée) qui annule le courant IR3 dans R3.

V1 = 15 VIs = 6 AR1 = 3 ΩR2 = 3 ΩR3 = 15 ΩR4 = 25 Ω
V2 = V
9.Thévenin et NortonMoyen
R1​ = 4 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​10 VR2​10 ΩAab

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

V1 = 10 VR1 = 4 ΩR2 = 10 ΩR3 = 15 Ω
Vth = V
10.Thévenin et NortonDifficile
R1​ = 3 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​5 VR2​10 ΩAIs​3 ABRL​5 ΩIL​

Une charge RL = 5 Ω est branchée entre a et b. Utilisez un équivalent de Thévenin pour trouver la puissance PL fournie à la charge.

V1 = 5 VIs = 3 AR1 = 3 ΩR2 = 10 ΩR3 = 25 ΩRL = 5 Ω
PL = W
11.Transitoires RC et RLMoyen
+−Vs​24 Vt = 0R = 47 ΩL33 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 = 24 VR = 47 ΩL = 33 mHt = 1 ms
W = mJ
12.Transitoires RC et RLDifficile
+−Vs​6 Vt = 0R = 1 kΩC100 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 = 100 ms.

Vs = 6 VR = 1 kΩC = 100 µFvC(0) = 8 Vt = 100 ms
vC = V
13.Impédance et phaseurs en alternatifMoyen
Vf0​ = 100 HzRL = 100 mHC = ?

Un circuit RLC série avec L = 100 mH doit résonner à 100 Hz. Trouvez la capacité C nécessaire.

f0 = 100 HzL = 100 mH
C = µF
14.Impédance et phaseurs en alternatifDifficile
24 V100 HzR = 60 ΩL = 150 mHC = 10 µF

Un circuit RLC série est alimenté sous 24 V (efficaces), 100 Hz. Trouvez la fréquence de résonance f0 du circuit.

V = 24 V (rms)f = 100 HzR = 60 ΩL = 150 mHC = 10 µF
f0 = Hz
15.Puissance alternative et facteur de puissanceMoyen
400 V125 kW, 0,8218 kW, 0,85I

Deux charges sont branchées en parallèle sur une alimentation monophasée de 400 V : une charge de 25 kW avec un facteur de puissance de 0,8 inductif et une charge de 18 kW avec un facteur de puissance de 0,85 capacitif. Trouvez le facteur de puissance global cos φ vu par l’alimentation.

V = 400 VP1 = 25 kW, pf1 = 0,8 inductifP2 = 18 kW, pf2 = 0,85 capacitif
cos φ =
16.Puissance alternative et facteur de puissanceDifficile
P = 50 kWQ1​S1​φ1​QC​

Une charge monophasée absorbe 50 kW avec un facteur de puissance de 0,65 inductif sous 230 V, 50 Hz. Un condensateur branché en parallèle relève le facteur de puissance à 0,98. Trouvez le nouveau courant de ligne Inew.

P = 50 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,98V = 230 Vf = 50 Hz
Inew = A
17.Puissance triphaséeMoyen
ABCVL​ = 400 VZ = 8 + j6 Ωpar phase

Une charge équilibrée couplée en triangle (Δ), d’impédance 8 + j6 Ω par phase, est branchée sur un réseau triphasé équilibré de tension composée 400 V. Trouvez la puissance active totale P absorbée par la charge, en kW.

VL = 400 VZ = 8 + j6 Ω par phase
P = kW
18.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), 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. Trouvez la puissance réactive totale QC que doit fournir la batterie de condensateurs, en kvar.

P = 200 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,9VL = 480 Vf = 60 Hz
QC = kvar
19.TransformateursMoyen
RL​ = 30 Ω1012400 VV2​I1​ = ?I2​

Un transformateur parfait de rapport N₁:N₂ = 10:1 a son enroulement primaire sous 2400 V. Une résistance de 30 Ω est branchée aux bornes de l’enroulement secondaire. Trouvez le courant primaire I1.

N1:N2 = 10:1V1 = 2400 VRL = 30 Ω
I1 = A
20.TransformateursDifficile
pf 0,85100 kVA, 25% charge

Un transformateur monophasé de 100 kVA a des pertes fer de 800 W et des pertes cuivre de 1200 W à charge nominale. Il fournit 25 % de sa puissance apparente nominale avec un facteur de puissance de 0,85 (inductif). Trouvez les pertes totales Ploss en watts à cette charge.

S = 100 kVAPcore = 800 WPcu,fl = 1200 Wx = 0,25pf = 0,85
Ploss = W
21.Circuits à ampli opMoyen
−+Vout​Rf​ = 10 kΩR1​ = 1 kΩVin​ = 4,5 VRa​ = 47 kΩRb​ = 4,7 kΩ

L’ampli op est idéal et alimenté en ±15 V. Trouvez la tension de sortie Vout.

Vin = 4,5 VRa = 47 kΩRb = 4,7 kΩR1 = 1 kΩRf = 10 kΩ
Vout = V
22.Circuits à ampli opDifficile
−+Vout​Rf​ = 100 kΩV1​ = −0,4 VR1​ = 2 kΩV2​ = 1,8 VR2​ = 10 kΩ

L’amplificateur sommateur utilise un ampli op idéal alimenté en ±15 V. Trouvez la tension de sortie Vout.

V1 = −0,4 VV2 = 1,8 VR1 = 2 kΩR2 = 10 kΩRf = 100 kΩ
Vout = V
23.Diodes et transistorsMoyen
RC​ = 2,7 kΩβ = 150IC​ = ?RE​ = 1,2 kΩVCC​ = 15 VR1​ = 39 kΩR2​ = 10 kΩ

Un transistor NPN de β = 150 est polarisé par un pont diviseur à partir de VCC = 15 V : R₁ = 39 kΩ entre VCC et la base, et R₂ = 10 kΩ entre la base et la masse. La résistance de collecteur vaut RC = 2,7 kΩ et la résistance d’émetteur RE = 1,2 kΩ. Prenez VBE = 0,7 V et utilisez l’équivalent de Thévenin du pont diviseur (sans négliger le courant de base). Trouvez le courant de collecteur IC en mA.

VCC = 15 VR1 = 39 kΩR2 = 10 kΩRC = 2,7 kΩRE = 1,2 kΩβ = 150
IC = mA
24.Diodes et transistorsDifficile
RC​ = 100 Ωβ = 200VCC​ = 24 V3,3 VRB​ = ?

Un transistor NPN de β = 200 commande une résistance de charge de 100 Ω branchée entre VCC = 24 V et son collecteur. L’émetteur est à la masse. La base est attaquée par une sortie logique de 3,3 V à travers une résistance de base RB. Prenez VBE = 0,7 V et VCE(sat) = 0,2 V. Pour une commutation fiable, dimensionnez le circuit pour un courant de base 5 fois supérieur au minimum nécessaire à la saturation. Trouvez RB en kΩ.

VCC = 24 VRC = 100 Ωβ = 200Vin = 3,3 VVBE = 0,7 VVCE(sat) = 0,2 Vfacteur de sursaturation = 5
RB = kΩ
25.Systèmes de numérationMoyen
poids en complément à deux0−12806403201618040201

Le motif de 8 bits 0000 1000 stocke un entier signé en complément à deux. Quelle est sa valeur N en décimal ?

0000 10008 bit
N =
26.Systèmes de numérationDifficile
3866 codes, b = ? bits?2ᵇ⁻¹…?4?2?1

Un système doit donner à chacun de 3866 éléments son propre code binaire, tous de même longueur. Quel est le plus petit nombre de bits b nécessaire ?

3866
b = bit
27.Logique numérique : portes, tableaux de Karnaugh et basculesMoyen
MUXCI0​1I1​C′I2​1I3​ABS1​S0​F

Un multiplexeur 4 vers 1 a ses entrées de sélection S₁ = A et S₀ = B, et ses entrées de données reliées à I₀ = C, I₁ = 1, I₂ = C′, I₃ = 1. Pour combien des 8 combinaisons de A, B et C la sortie vaut-elle F = 1 ? Trouvez N.

I₀ = CI₁ = 1I₂ = C′I₃ = 1
N =
28.Logique numérique : portes, tableaux de Karnaugh et basculesDifficile
ABCD00011110000111101001X30204150706012113X15X140819011110

Trouvez la forme SOP minimale de F(A, B, C, D) = Σm(0, 5, 9, 10, 13) + d(3, 14, 15), où d marque les états indifférents. Combien de littéraux L contient-elle ?

F(A, B, C, D) = Σm(0, 5, 9, 10, 13) + d(3, 14, 15)
L =
29.Transformées de LaplaceMoyen
t (s)f(t)t = 0,1f(0,1) = ?

Trouvez f(t) pour F(s) = 50/(s(s + 4)(s + 5)) par décomposition en éléments simples, et calculez f(0,1).

F(s) = 50/(s(s + 4)(s + 5))t = 0,1 s
f(0.1) =
30.Transformées de LaplaceDifficile
t (s)y(t)t = 0,2y(0,2) = ?

Un système obéit à y″ + 3y′ + 2y = 2·u(t), avec y(0) = 1 et y′(0) = 0. À t = 0, on applique un échelon d’entrée u(t) = 4. Utilisez la transformée de Laplace pour trouver y(0,2).

y″ + 3y′ + 2y = 2·u(t)y(0) = 1y′(0) = 0u(t) = 4t = 0,2 s
y(0.2) =
31.Schémas fonctionnelsMoyen
R(s)+K(s + 5)(s + 7)G(s)C(s)−

Le système G(s) = K/((s + 5)(s + 7)) est dans une boucle à retour unitaire négatif. Trouvez le gain K pour lequel la boucle fermée est à amortissement critique (deux pôles réels égaux).

G(s) = K/((s + 5)(s + 7))retour unitaire négatif
K =
32.Schémas fonctionnelsDifficile
R(s)+18s + 3G₁+6s + 7G₂C(s)4H₁−0,5H₂−

Réduisez le schéma fonctionnel avec G₁ = 18/(s + 3), G₂ = 6/(s + 7), une rétroaction négative interne H₁ = 4 autour de G₂ et une rétroaction négative externe H₂ = 0,5. Trouvez le gain statique T(0) de C(s)/R(s).

G₁ = 18/(s + 3)G₂ = 6/(s + 7)H₁ = 4H₂ = 0,5
T(0) =
33.Réponse indicielleMoyen
t (s)y(t)3tp​ = ?

Un système a pour fonction de transfert G(s) = 27/(s² + s + 9) et reçoit un échelon unitaire. Trouvez le temps du premier pic tp de la réponse indicielle.

G(s) = 27/(s² + s + 9)
tp = s
34.Réponse indicielleDifficile
R(s)+Ks(s + 5)G(s)C(s)−

Une boucle à retour unitaire négatif a G(s) = K/(s(s + 5)). Trouvez le gain K qui donne une réponse indicielle avec 15 % de dépassement.

G(s) = K/(s(s + 5))%OS = 15 %
K =
35.Diagrammes de Bode et margesMoyen
vin​R = 1 kΩC = 100 nFvout​

Le filtre passe-bas RC représenté a R = 1 kΩ, C = 100 nF. Un signal d’entrée sinusoïdal de 4,8 kHz est appliqué. Trouvez le gain |H| = |vout/vin| en dB.

R = 1 kΩC = 100 nFf = 4,8 kHz
|H| = dB
36.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) = 186/(s(s + 4)(s + 9)). Trouvez la pulsation de croisement de phase ω180, où ∠L(jω) = −180°.

L(s) = 186/(s(s + 4)(s + 9))
ω180 = rad/s
37.Stabilité : Routh–Hurwitz et lieu des racinesMoyen
R(s)+Ks + 8(s − 2)(s + 3)C(s)−

Le procédé G(s) = (s + 8)/((s − 2)(s + 3)) a un pôle instable en s = 2. Un gain proportionnel K ferme une boucle à retour unitaire autour de lui. Trouvez le plus petit gain Kmin qui rend la boucle fermée stable.

G(s) = (s + 8)/((s − 2)(s + 3))
Kmin =
38.Stabilité : Routh–Hurwitz et lieu des racinesDifficile
ReIm−0,5−1−1,5−2−2,5−3−3,5−4−4,5−50,5j0,5j1

Pour L(s) = K/((s + 1)(s² + 8s + 17)), trouvez l’angle de départ θd du lieu des racines depuis le pôle complexe du demi-plan supérieur, mesuré à partir de l’axe réel positif.

L(s) = K/((s + 1)(s² + 8s + 17))
θd = °
39.Erreur en régime permanent et commande PIDMoyen
r(t) = 1t+Ks(s + 10)C(s)−

Une boucle à retour unitaire avec G(s) = K/(s(s + 10)) doit suivre la rampe r(t) = 1t avec une erreur en régime permanent de 0,2. Trouvez le gain K.

G(s) = K/(s(s + 10))r(t) = 1tess = 0,2
K =
40.Erreur en régime permanent et commande PIDDifficile
R(s)+K = 402s(s + 5)C(s)−

Un régulateur proportionnel K = 40 commande le procédé G(s) = 2/(s(s + 5)) dans une boucle à retour unitaire. Trouvez le dépassement %OS en pourcentage de la réponse indicielle.

G(s) = 2/(s(s + 5))K = 40
%OS = %

3Solutions

1.Résistances en série et en parallèle

Réponse: IR1 = 1,806 A

Résistances en série et en parallèle : en série, le même courant traverse chaque résistance et R = R₁ + R₂ + …. En parallèle, chaque résistance a la même tension et 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Un réseau en échelle se réduit paire par paire jusqu’à une seule résistance équivalente.

R1​ = 6 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​15 VR2​3 ΩAR4​5 ΩB

Regrouper les résistances depuis l’extrémité

Commencez par l’extrémité la plus éloignée de la source et remontez vers elle. Des résistances parcourues par le même courant sont en série ; des résistances entre les deux mêmes nœuds sont en parallèle.

R3 + R4 = 5 + 5 = 10 Ω
R2 ∥ 10 = 3·10/(3+10) = 2,308 Ω
Req = R1 + 2,308 = 6 + 2,308 = 8,308 Ω

Courant fourni par la source

La source ne voit que Req, donc la loi d’Ohm donne le courant qu’elle fournit. Ce courant traverse R₁.

IR1 = V1/Req = 15/8,308 = 1,806 A

Réponse

IR1 = 1,806 A
2.Résistances en série et en parallèle

Réponse: IR2 = 0,4978 A

Résistances en série et en parallèle : en série, le même courant traverse chaque résistance et R = R₁ + R₂ + …. En parallèle, chaque résistance a la même tension et 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Un réseau en échelle se réduit paire par paire jusqu’à une seule résistance équivalente.

R1​ = 30 ΩR3​ = 15 ΩR5​ = 3 Ω+−V1​30 VR2​15 ΩAR4​30 ΩBR6​25 Ω

Regrouper les résistances depuis l’extrémité

Commencez par l’extrémité la plus éloignée de la source et remontez vers elle. Des résistances parcourues par le même courant sont en série ; des résistances entre les deux mêmes nœuds sont en parallèle.

R5 + R6 = 3 + 25 = 28 Ω
R4 ∥ 28 = 14,48 Ω
R3 + 14,48 = 29,48 Ω
R2 ∥ 29,48 = 9,942 Ω
Req = R1 + 9,942 = 30 + 9,942 = 39,94 Ω

Courant fourni par la source

La source ne voit que Req, donc la loi d’Ohm donne le courant qu’elle fournit. Ce courant traverse R₁.

IR1 = V1/Req = 30/39,94 = 0,7511 A

Courant dans R₂

Retranchez la chute de tension dans R₁ pour obtenir la tension au nœud A, qui est la tension aux bornes de R₂.

VA = V1 − IR1·R1 = 30 − 0,7511·30 = 7,467 V
IR2 = VA/R2 = 7,467/15 = 0,4978 A

Réponse

IR2 = 0,4978 A
3.Méthode des nœuds

Réponse: VA = 9,447 V

Méthode des nœuds : choisissez un nœud de référence, nommez les potentiels inconnus, écrivez la loi des nœuds de Kirchhoff à chaque nœud inconnu avec la loi d’Ohm (I = ΔV/R), puis résolvez le système obtenu.

R1​ = 3 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​18 VR2​2 ΩAR4​12 ΩBIs​5 A

Poser les nœuds

La masse est le fil du bas. Les potentiels connus viennent directement des sources (V1 = 18 V). Inconnues : VA, VB.

Loi des nœuds au nœud A

Les courants qui quittent A par les résistances égalent le courant injecté dans A par les sources.

VA/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/2 + (VA − 18)/3 + (VA − VB)/15 = 0
0,9·VA − 0,06667·VB = 6

Loi des nœuds au nœud B

Les courants qui quittent B par les résistances égalent le courant injecté dans B par les sources.

VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/12 + (VB − VA)/15 = 5
−0,06667·VA + 0,15·VB = 5

Résoudre

Δ = (0,9)(0,15) − (−0,06667)(−0,06667) = 0,1306
VA = Δ1/Δ = 1,233/0,1306 = 9,447 V
VB = Δ2/Δ = 4,9/0,1306 = 37,53 V

Réponse

VA = 9,447 V
4.Méthode des nœuds

Réponse: IR1 = 0,6248 A

Méthode des nœuds : choisissez un nœud de référence, nommez les potentiels inconnus, écrivez la loi des nœuds de Kirchhoff à chaque nœud inconnu avec la loi d’Ohm (I = ΔV/R), puis résolvez le système obtenu.

R1​ = 25 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 25 Ω+−V1​6 VR3​10 ΩAR5​12 ΩBIs​3 A−+V2​9 V

Poser les nœuds

La masse est le fil du bas. Les potentiels connus viennent directement des sources (V1 = 6 V, V2 = −9 V). Inconnues : VA, VB.

Loi des nœuds au nœud A

Les courants qui quittent A par les résistances égalent le courant injecté dans A par les sources.

VA/R3 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R2 = 0
VA/10 + (VA − 6)/25 + (VA − VB)/3 = 0
0,4733·VA − 0,3333·VB = 0,24

Loi des nœuds au nœud B

Les courants qui quittent B par les résistances égalent le courant injecté dans B par les sources.

VB/R5 + (VB − VA)/R2 + (VB − V2)/R4 = Is
VB/12 + (VB − VA)/3 + (VB − (−9))/25 = (−3)
−0,3333·VA + 0,4567·VB = −3,36

Résoudre

Δ = (0,4733)(0,4567) − (−0,3333)(−0,3333) = 0,105
VA = Δ1/Δ = −1,01/0,105 = −9,619 V
VB = Δ2/Δ = −1,51/0,105 = −14,38 V

Réponse

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (6 − −9,619)/25 = 0,6248 A
5.Méthode des mailles

Réponse: I1 = 0,2344 A

Méthode des mailles : donnez à chaque fenêtre d’un circuit plan son propre courant de boucle, écrivez la loi des mailles de Kirchhoff sur chaque boucle (somme des chutes = somme des élévations) et résolvez. Les courants de branche sont le courant de maille, ou la différence de deux courants de maille sur une branche commune.

R1​ = 12 ΩR2​ = 4 Ω+−V1​10 VR3​5 ΩA+−V2​12 VI1​I2​

Définir les courants de maille

Tracez un courant dans le sens horaire dans chaque fenêtre : I1, I2. Une résistance commune à deux mailles est parcourue par la différence de leurs courants.

Loi des mailles dans la maille 1

En tournant dans le sens horaire, les chutes de tension dans les résistances égalent les élévations de tension des sources (de − vers + dans le sens du parcours).

R1·I1 + R3(I1 − I2) = V1
12·I1 + 5(I1 − I2) = 10
17·I1 − 5·I2 = 10

Loi des mailles dans la maille 2

En tournant dans le sens horaire, les chutes de tension dans les résistances égalent les élévations de tension des sources (de − vers + dans le sens du parcours).

R2·I2 + R3(I2 − I1) = −V2
4·I2 + 5(I2 − I1) = (−12)
−5·I1 + 9·I2 = −12

Résoudre

Δ = (17)(9) − (−5)(−5) = 128
I1 = Δ1/Δ = 30/128 = 0,2344 A
I2 = Δ2/Δ = −154/128 = −1,203 A

Réponse

I1 = 0,2344 A

Un courant de maille négatif circule dans le sens antihoraire.

6.Méthode des mailles

Réponse: IR4 = 1,692 A

Méthode des mailles : donnez à chaque fenêtre d’un circuit plan son propre courant de boucle, écrivez la loi des mailles de Kirchhoff sur chaque boucle (somme des chutes = somme des élévations) et résolvez. Les courants de branche sont le courant de maille, ou la différence de deux courants de maille sur une branche commune.

R1​ = 10 ΩR2​ = 20 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​24 VR4​3 ΩAR5​2 ΩB+−V2​5 VI1​I2​I3​

Définir les courants de maille

Tracez un courant dans le sens horaire dans chaque fenêtre : I1, I2, I3. Une résistance commune à deux mailles est parcourue par la différence de leurs courants.

Loi des mailles dans la maille 1

En tournant dans le sens horaire, les chutes de tension dans les résistances égalent les élévations de tension des sources (de − vers + dans le sens du parcours).

R1·I1 + R4(I1 − I2) = V1
10·I1 + 3(I1 − I2) = 24
13·I1 − 3·I2 = 24

Loi des mailles dans la maille 2

En tournant dans le sens horaire, les chutes de tension dans les résistances égalent les élévations de tension des sources (de − vers + dans le sens du parcours).

R2·I2 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
20·I2 + 3(I2 − I1) + 2(I2 − I3) = 0
−3·I1 + 25·I2 − 2·I3 = 0

Loi des mailles dans la maille 3

En tournant dans le sens horaire, les chutes de tension dans les résistances égalent les élévations de tension des sources (de − vers + dans le sens du parcours).

R3·I3 + R5(I3 − I2) = −V2
12·I3 + 2(I3 − I2) = (−5)
−2·I2 + 14·I3 = −5

Résoudre

Δ = déterminant de la matrice des coefficients = 4372
I1 = Δ1/Δ = 8274/4372 = 1,892 A
I2 = Δ2/Δ = 878/4372 = 0,2008 A
I3 = Δ3/Δ = −1436/4372 = −0,3285 A

Réponse

IR4 = I1 − I2 = 1,692 A

Un courant de maille négatif circule dans le sens antihoraire.

7.Superposition

Réponse: I = 14,5 mA

Superposition : dans un circuit linéaire, toute tension ou tout courant est la somme des réponses à chaque source indépendante agissant seule. Pour éteindre une source, remplacez une source de tension idéale par un court-circuit et une source de courant idéale par un circuit ouvert. Les résistances restent en place.

Écrire la réponse comme une somme de contributions

Chaque contribution est proportionnelle à sa propre source, avec une constante qui ne dépend que des résistances.

I = k₁·Vs + k₂·Is
4·k₁ + 10·k₂ = 5
2·k₁ + 8·k₂ = 2,2

Trouver les constantes

Δ = (4)(8) − (10)(2) = 12
k₁ = Δ1/Δ = 18/12 = 1,5
k₂ = Δ2/Δ = −1,2/12 = −0,1
k₁ = 1,5 mA/V, k₂ = −0,1

Prévoir le nouveau courant

I = 1,5·10 + (−0,1)·5 = 14,5 mA

Réponse

I = 14,5 mA
8.Superposition

Réponse: V2 = 10 V

Superposition : dans un circuit linéaire, toute tension ou tout courant est la somme des réponses à chaque source indépendante agissant seule. Pour éteindre une source, remplacez une source de tension idéale par un court-circuit et une source de courant idéale par un circuit ouvert. Les résistances restent en place.

R1​ = 3 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 25 Ω+−V1​15 VR3​15 ΩAOUVERTBCOURT-CIRCUIT

Cas 1 · V1 seule active

V₂ devient un court-circuit et Iₛ un circuit ouvert. Vu de A, R₃ est en parallèle avec la série R₂+R₄.

R3 ∥ (R2+R4) = 15 ∥ 28 = 9,767 Ω
VA = 15·9,767/(3+9,767) = 11,48 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 11,48·25/28 = 10,25 V
R1​ = 3 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 25 ΩCOURT-CIRCUITR3​15 ΩAIs​6 ABCOURT-CIRCUIT

Cas 2 · Is seule active

Les deux sources de tension deviennent des courts-circuits. Iₛ se partage en B entre R₄ (désormais à la masse) et R₂ en série avec R₁ ∥ R₃. La flèche de Iₛ pointe vers le bas, en s’éloignant de son nœud, donc Iₛ retire du courant de ce nœud : son terme entre avec un signe moins.

R1 ∥ R3 = 2,5 Ω, donc le chemin de gauche vaut R2+2,5 = 5,5 Ω
Req = R4 ∥ 5,5 = 4,508 Ω
VB = −Is·Req = −6·4,508 = −27,05 V
VA = VB·2,5/5,5 = −12,3 V

Cas 3 · V2 seule active, par volt

V₁ devient un court-circuit et Iₛ un circuit ouvert. R₁ ∥ R₃ part de A, en série avec R₂ jusqu’à B.

R1 ∥ R3 = 2,5 Ω
VA‴ = V2·2,5/(25 + 3 + 2,5) = 0,08197·V2

Égaler VA à zéro

Avec VA = 0, il n’y a aucune tension aux bornes de R₃, donc son courant est nul.

VA′ + VA″ + VA‴ = 11,48 + (−12,3) + 0,08197·V2 = 0
V2 = 0,8197/0,08197 = 10 V

Réponse

V2 = 10 V
9.Thévenin et Norton

Réponse: Vth = 7,143 V

Théorème de Thévenin : tout réseau linéaire à deux bornes se comporte comme une seule source de tension Vth en série avec une résistance Rth. Le théorème de Norton donne le même réseau sous forme d’une source de courant IN = Vth/Rth en parallèle avec Rth.

R1​ = 4 ΩR3​ = 15 ΩCOURT-CIRCUITR2​10 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 = 4·10/(4+10) = 2,857 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,857 + 15 = 17,86 Ω
R1​ = 4 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​10 VR2​10 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) = 10·10/(4+10) = 7,143 V
10.Thévenin et Norton

Réponse: PL = 35,24 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​ = 3 ΩR3​ = 25 ΩCOURT-CIRCUITR2​10 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 = 3·10/(3+10) = 2,308 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,308 + 25 = 27,31 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​5 VR2​10 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) = 3,846 + 3·2,308 = 10,77 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 10,77 + 3·25 = 85,77 V
Rth​ = 27,31 Ω+−Vth​85,77 VRL​5 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) = 85,77/(27,31 + 5) = 2,655 A
PL = IL²·RL = 2,655²·5 = 35,24 W
11.Transitoires RC et RL

Réponse: W = 2,481 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 = 33 mH / 47 Ω = 0,7021 ms
i(∞) = Vs/R = 24/47 = 0,5106 A

Courant à l’instant donné

i(t) = 0,5106·(1 − e−1/0,7021) = 0,3877 A

Énergie stockée

W = ½·L·i² = ½·33·0,3877² = 2,481 mJ

Réponse

W = 2,481 mJ
12.Transitoires RC et RL

Réponse: vC = 6,736 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 = 6 V
τ = R·C = 1 kΩ · 100 µF = 100 ms
vC(t) = 6 + (8 − 6)·e−t/τ

Tension à l’instant donné

vC(100) = 6 + (2)·e−100/100 = 6,736 V

Réponse

vC = 6,736 V
13.Impédance et phaseurs en alternatif

Réponse: C = 25,33 µF

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|.

Condition de résonance

À la résonance, les réactances inductive et capacitive s’annulent : ωL = 1/(ωC).

ω₀ = 2π·100 = 628,3 rad/s
C = 1/(ω₀²·L) = 1/(628,3²·0,1) = 25,33 µF

Réponse

C = 25,33 µF
14.Impédance et phaseurs en alternatif

Réponse: f0 = 129,9 Hz

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 inductive et capacitive s’annulent : ωL = 1/(ωC). La fréquence d’alimentation n’intervient pas.

f0 = 1/(2π√(LC)) = 1/(2π·√(0,15·10·10⁻⁶)) = 129,9 Hz

Réponse

f0 = 129,9 Hz
15.Puissance alternative et facteur de puissance

Réponse: cos φ = 0,9848

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 = 25·tan(arccos 0,8) = 18,75 kvar
Q2 = −18·tan(arccos 0,85) = −11,16 kvar

Totaux

P = 25 + 18 = 43 kW
Q = 18,75 + (−11,16) = 7,595 kvar
S = √(43² + 7,595²) = 43,67 kVA

Facteur de puissance global

cos φ = P/S = 43/43,67 = 0,9848 inductif

Réponse

cos φ = 0,9848
16.Puissance alternative et facteur de puissance

Réponse: Inew = 221,8 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 avant et après

La puissance active P ne change pas ; seule la puissance réactive prélevée sur le réseau change.

Q1 = P·tan φ1 = 50·tan(49,46°) = 58,46 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 50·tan(11,48°) = 10,15 kvar
QC = Q1 − Q2 = 48,3 kvar

Nouveau courant de ligne

Inew = P/(V·cos φ2) = 50000/(230·0,98) = 221,8 A

Réponse

Inew = 221,8 A
17.Puissance triphasée

Réponse: P = 38,4 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.

Tension simple

Vph = VL = 400 V

Courant de phase

|Z| = √(8² + 6²) = 10 Ω
Iph = 400/10 = 40 A

Puissance active totale

Seule la partie résistive de chaque impédance absorbe de la puissance active.

P = 3·Iph²·R = 3·40²·8 = 38,4 kW

Réponse

P = 38,4 kW

Vérification : cos φ = R/|Z| = 0,8, et √3·VL·IL·cos φ donne la même puissance.

18.Puissance triphasée

Réponse: QC = 107,2 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 = 200·tan(acos 0,7) = 200·1,02 = 204 kvar
Q2 = 200·tan(acos 0,9) = 200·0,4843 = 96,86 kvar

Puissance réactive fournie par les condensateurs

QC = Q1 − Q2 = 107,2 kvar

Réponse

QC = 107,2 kvar
19.Transformateurs

Réponse: I1 = 0,8 A

Transformateur parfait : les tensions sont dans le rapport des nombres de spires et les courants dans le rapport inverse : V₁/V₂ = N₁/N₂ = a et I₁/I₂ = N₂/N₁ = 1/a ; la puissance absorbée est donc égale à la puissance fournie, V₁·I₁ = V₂·I₂. Une impédance de charge Z au secondaire est vue comme a²·Z depuis le primaire.

Tension et courant secondaires

V2 = 2400/10 = 240 V
I2 = 240/30 = 8 A

Courant primaire

Un transformateur parfait n’a pas de pertes : V₁·I₁ = V₂·I₂.

I1 = I2/10 = 0,8 A

Réponse

I1 = 0,8 A

Vérification : la charge vue du primaire vaut a²·RL = 3000 Ω, et 2400/3000 donne le même courant.

20.Transformateurs

Réponse: Ploss = 875 W

Pertes d’un transformateur : les pertes fer (hystérésis et courants de Foucault) dépendent de la tension et sont les mêmes quelle que soit la charge. Les pertes cuivre dans les enroulements varient comme le carré du courant : à une fraction x de la charge nominale, elles valent x²·Pcu,fl. Rendement η = Pout/(Pout + Pcore + Pcu), avec Pout = x·S·pf. Le rendement est maximal pour la charge à laquelle les pertes cuivre égalent les pertes fer.

Pertes cuivre à cette charge

Pcu = x²·Pcu,fl = 0,0625·1200 = 75 W

Pertes totales

Les pertes fer sont les mêmes quelle que soit la charge.

Ploss = 800 + 75 = 875 W

Réponse

Ploss = 875 W

Le rendement à cette charge vaut η = 96,05%.

21.Circuits à ampli op

Réponse: Vout = 4,5 V

Règles de l’ampli op idéal : avec une contre-réaction, l’ampli op règle sa sortie pour que ses deux entrées soient au même potentiel (V₋ = V₊), et aucun courant n’entre dans les entrées. La loi des nœuds à l’entrée inverseuse avec ces deux faits donne la sortie.

Tension à l’entrée +

V₊ = Vin·Rb/(Ra + Rb) = 4,5·4,7/(47 + 4,7) = 0,4091 V

Gain non inverseur

V₋ = V₊, et le courant qui traverse R₁ traverse aussi Rf.

Vout = V₊·(1 + Rf/R1) = 0,4091·(1 + 10/1) = 4,5 V

Réponse

Vout = 4,5 V
22.Circuits à ampli op

Réponse: Vout = 2 V

Règles de l’ampli op idéal : avec une contre-réaction, l’ampli op règle sa sortie pour que ses deux entrées soient au même potentiel (V₋ = V₊), et aucun courant n’entre dans les entrées. La loi des nœuds à l’entrée inverseuse avec ces deux faits donne la sortie.

Courants d’entrée

V₋ = 0, donc chaque résistance d’entrée a toute sa tension d’entrée à ses bornes.

I1 = V1/R1 = −0,4/2 = −0,2 mA
I2 = V2/R2 = 1,8/10 = 0,18 mA
If = I1 + I2 = −0,02 mA

Tension de sortie

Vout = −Rf·If = −100·(−0,02) = 2 V

Réponse

Vout = 2 V
23.Diodes et transistors

Réponse: IC = 1,872 mA

Point de fonctionnement d’un transistor bipolaire : en régime actif, VBE = 0,7 V, IC = β·IB et IE = (β + 1)·IB. Trouvez IB à partir de la maille de base avec la loi des mailles, puis IC, puis VCE à partir de la maille collecteur–émetteur. Un pont diviseur sur la base est remplacé par son équivalent de Thévenin VTH = VCC·R₂/(R₁ + R₂), RTH = R₁∥R₂ ; une résistance d’émetteur apparaît (β + 1) fois plus grande dans la maille de base.

Équivalent de Thévenin du pont diviseur

VTH = 15·10/(39 + 10) = 3,061 V
RTH = 39·10/(39 + 10) = 7,959 kΩ

Courant de base

Loi des mailles sur la maille de base ; le courant d’émetteur vaut (β + 1)·IB.

IB = (3,061 − 0,7)/(7,959 + 151·1,2) = 12,48 µA

Courant de collecteur

IC = 150·12,48 µA = 1,872 mA
IE = 151·12,48 µA = 1,885 mA

Réponse

IC = 1,872 mA
24.Diodes et transistors

Réponse: RB = 0,437 kΩ

Transistor bipolaire en commutation : pour alimenter complètement une charge, le transistor est amené en saturation, où VCE = VCE(sat) et le courant de collecteur est imposé par la charge : IC(sat) = (VCC − VCE(sat))/RC. La saturation exige au moins IB = IC(sat)/β. Si le courant de base est plus faible, le transistor reste en régime actif et IC = β·IB.

Courant de collecteur en saturation

IC(sat) = (24 − 0,2)/100 = 238 mA

Courant de base minimal

IB(min) = IC(sat)/β = 238/200 = 1190 µA

Courant de base de dimensionnement

IB = 5·1190 µA = 5950 µA

Résistance de base

RB = (3,3 − 0,7)/IB = 2,6 V/5,95 mA = 0,437 kΩ

Réponse

RB = 0,437 kΩ
25.Systèmes de numération

Réponse: N = 8

Systèmes de numération positionnels : chaque chiffre vaut sa valeur multipliée par une puissance de la base. En binaire les positions valent 1, 2, 4, 8, 16, … ; en hexadécimal 1, 16, 256, …, avec A–F pour 10–15. En complément à deux sur 8 bits, le bit de gauche vaut −128 au lieu de +128 : c'est ainsi qu'on stocke les nombres négatifs.

Additionner les poids

Les autres bits gardent leurs valeurs positives habituelles.

8 = 8

Réponse

N = 8
26.Systèmes de numération

Réponse: b = 12 bit

Systèmes de numération positionnels : chaque chiffre vaut sa valeur multipliée par une puissance de la base. En binaire les positions valent 1, 2, 4, 8, 16, … ; en hexadécimal 1, 16, 256, …, avec A–F pour 10–15. En complément à deux sur 8 bits, le bit de gauche vaut −128 au lieu de +128 : c'est ainsi qu'on stocke les nombres négatifs.

Puissances de deux

211 = 2048 < 3866
212 = 4096 ≥ 3866

Réponse

b = 12
27.Logique numérique : portes, tableaux de Karnaugh et bascules

Réponse: N = 6

Multiplexeur : un multiplexeur 2ⁿ vers 1 transmet l’une de ses entrées de données à la sortie ; les lignes de sélection, lues comme un nombre binaire, choisissent laquelle. Pour un MUX 4 vers 1 avec sélections S₁S₀ = AB, F = A′B′·I₀ + A′B·I₁ + AB′·I₂ + AB·I₃. En reliant les entrées de données à 0, 1, C ou C′, le MUX produit n’importe quelle fonction de A, B et C, ce qui est une manière courante de réaliser une logique avec un seul circuit.

Expression de sortie

F = A′B′C + A′B + AB′C′ + AB

Lignes avec F = 1

ABC = 001, 010, 011, 100, 110, 111
N = 6

Réponse

N = 6
28.Logique numérique : portes, tableaux de Karnaugh et bascules

Réponse: L = 13

Tableaux de Karnaugh : les cases sont ordonnées en code de Gray (00, 01, 11, 10), donc les cases voisines, y compris celles de part et d’autre des bords, diffèrent par exactement une variable. Regroupez les 1 en rectangles de 1, 2, 4, 8 ou 16 cases, aussi grands que possible et en aussi petit nombre que possible, jusqu’à ce que chaque 1 soit couvert. Chaque groupe est un terme produit : les variables qui restent constantes à l’intérieur. Un groupe de 2ᵏ cases perd k variables. Les états indifférents (X) peuvent servir à agrandir les groupes mais n’ont jamais besoin d’être couverts. Regrouper les 0 donne la forme POS minimale.

Implicants premiers

Les plus grands groupes pouvant être formés de 1 et de X.

BC′D, AC′D, ACD′, ABD, A′B′C′D′
ABCD00011110000111101001X30204150706012113X15X140819011110

Couverture minimale

F = BC′D + AC′D + ACD′ + A′B′C′D′
L = 13

Réponse

L = 13
29.Transformées de Laplace

Réponse: f(0.1) = 0,1863

Transformée de Laplace : F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt transforme les dérivées en multiplications par s : ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Couples usuels : 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), et un décalage s → s + σ multiplie la fonction du temps par e−σt. Pour inverser une F(s) rationnelle, décomposez-la en éléments simples : le résidu d’un pôle simple p est A = [(s − p)·F(s)] en s = p. Théorème de la valeur finale : f(∞) = lims→0 s·F(s), valable seulement si tous les pôles de s·F(s) sont dans le demi-plan gauche. Théorème de la valeur initiale : f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Décomposition en éléments simples

F(s) = A/s + B/(s + 4) + C/(s + 5)
A = 50/(4·5) = 2,5
B = 50/((−4)·1) = −12,5
C = 50/((−5)·(−1)) = 10

Transformée inverse

f(t) = 2,5 − 12,5·e−4t + 10·e−5t

Évaluer

f(0,1) = 2,5 − 12,5·e−4·0,1 + 10·e−5·0,1 = 0,1863

Réponse

f(0,1) = 0,1863
30.Transformées de Laplace

Réponse: y(0.2) = 1,099

Transformée de Laplace : F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt transforme les dérivées en multiplications par s : ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Couples usuels : 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), et un décalage s → s + σ multiplie la fonction du temps par e−σt. Pour inverser une F(s) rationnelle, décomposez-la en éléments simples : le résidu d’un pôle simple p est A = [(s − p)·F(s)] en s = p. Théorème de la valeur finale : f(∞) = lims→0 s·F(s), valable seulement si tous les pôles de s·F(s) sont dans le demi-plan gauche. Théorème de la valeur initiale : f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Transformer l’équation

(s² + 3s + 2)·Y(s) = 1s + 3 + 8/s
Y(s) = (s² + 3s + 8)/(s(s + 1)(s + 2))

Décomposition en éléments simples

A = 8/(1·2) = 4
B = 6/((−1)·1) = −6
C = 6/((−2)·(−1)) = 3

Résultat

y(t) = 4 − 6·e−t + 3·e−2t
y(0,2) = 1,099

Réponse

y(0,2) = 1,099

Vérification : y(0) = A + B + C = 1.

31.Schémas fonctionnels

Réponse: K = 1

Algèbre des schémas fonctionnels : les blocs en série se multiplient (G₁·G₂), les blocs en parallèle s’additionnent (G₁ + G₂), et une boucle avec chaîne directe G et chaîne de retour H se réduit à T = G/(1 + G·H) pour une rétroaction négative et G/(1 − G·H) pour une rétroaction positive. Réduisez d’abord les boucles intérieures, puis progressez vers l’extérieur. Les pôles en boucle fermée sont les racines de l’équation caractéristique 1 + G(s)H(s) = 0. Pour une boucle stable, une entrée en échelon d’amplitude A donne la sortie en régime permanent A·T(0) ; avec un retour unitaire, l’erreur statique à un échelon est A/(1 + Kp) avec Kp = G(0).

Équation caractéristique

1 + K/((s + 5)(s + 7)) = 0 → s² + 12s + 35 + K = 0

Racine double

Un trinôme s² + βs + γ a une racine double quand β² = 4γ.

12² = 4(35 + K) → K = 144/4 − 35 = 1

Réponse

K = 1
Les deux pôles en boucle fermée sont alors en s = −6.
32.Schémas fonctionnels

Réponse: T(0) = 0,7347

Algèbre des schémas fonctionnels : les blocs en série se multiplient (G₁·G₂), les blocs en parallèle s’additionnent (G₁ + G₂), et une boucle avec chaîne directe G et chaîne de retour H se réduit à T = G/(1 + G·H) pour une rétroaction négative et G/(1 − G·H) pour une rétroaction positive. Réduisez d’abord les boucles intérieures, puis progressez vers l’extérieur. Les pôles en boucle fermée sont les racines de l’équation caractéristique 1 + G(s)H(s) = 0. Pour une boucle stable, une entrée en échelon d’amplitude A donne la sortie en régime permanent A·T(0) ; avec un retour unitaire, l’erreur statique à un échelon est A/(1 + Kp) avec Kp = G(0).

Boucle interne

Gᵢ = G₂/(1 + G₂H₁) = 6/(s + 31)

Boucle externe

T(s) = G₁Gᵢ/(1 + G₁GᵢH₂) = 108/((s + 3)(s + 31) + 54)

Gain statique

T(0) = 108/(3·31 + 54) = 108/147 = 0,7347

Réponse

T(0) = 0,7347
33.Réponse indicielle

Réponse: tp = 1,062 s

Réponse indicielle : un système du premier ordre G(s) = K/(τs + 1) répond à un échelon d’amplitude U par y(t) = K·U·(1 − e−t/τ) : il atteint 63,2 % de la valeur finale K·U après une constante de temps τ et 98 % après 4τ. Un système du second ordre G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) a pour pôles s = −ζωₙ ± jωd avec ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Pour 0 < ζ < 1, la réponse indicielle dépasse sa valeur finale : dépassement en pourcentage %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), temps du premier pic tp = π/ωd, et temps de réponse à 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). Comparez le dénominateur avec s² + 2ζωₙs + ωₙ² pour lire ωₙ et ζ. Pour un système masse–ressort–amortisseur, ωₙ = √(k/m) et ζ = c/(2√(km)) ; pour un circuit RLC série, ωₙ = 1/√(LC) et ζ = (R/2)·√(C/L).

Comparez avec la forme standard

Le dénominateur doit correspondre à s² + 2ζωₙs + ωₙ².

ωₙ² = 9 → ωₙ = 3 rad/s
2ζωₙ = 1 → ζ = 1/(2·3) = 0,1667

Résultat

ωd = 3·√(1 − 0,1667²) = 2,958 rad/s → tp = π/ωd = 1,062 s

Réponse

tp = 1,062 s
34.Réponse indicielle

Réponse: K = 23,39

Réponse indicielle : un système du premier ordre G(s) = K/(τs + 1) répond à un échelon d’amplitude U par y(t) = K·U·(1 − e−t/τ) : il atteint 63,2 % de la valeur finale K·U après une constante de temps τ et 98 % après 4τ. Un système du second ordre G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) a pour pôles s = −ζωₙ ± jωd avec ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Pour 0 < ζ < 1, la réponse indicielle dépasse sa valeur finale : dépassement en pourcentage %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), temps du premier pic tp = π/ωd, et temps de réponse à 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). Comparez le dénominateur avec s² + 2ζωₙs + ωₙ² pour lire ωₙ et ζ. Pour un système masse–ressort–amortisseur, ωₙ = √(k/m) et ζ = c/(2√(km)) ; pour un circuit RLC série, ωₙ = 1/√(LC) et ζ = (R/2)·√(C/L).

Fonction de transfert en boucle fermée

T(s) = K/(s² + 5s + K)

Coefficient d’amortissement à partir du dépassement

ζ = −ln(0,15)/√(π² + ln²(0,15)) = 0,5169

Gain

ωₙ = 5/(2ζ) = 4,836 rad/s
K = ωₙ² = 23,39

Réponse

K = 23,39
35.Diagrammes de Bode et marges

Réponse: |H| = −10,04 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/(1000·1 × 10⁻⁷) = 10000 rad/s
fc = 1592 Hz → f/fc = 4800/1592 = 3,016

Gain

|H| = 1/√(1 + 3,016²) = 0,3147
20·log₁₀(0,3147) = −10,04 dB

Réponse

|H| = −10,04 dB
36.Diagrammes de Bode et marges

Réponse: ω180 = 6 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 de phase

(ω/4)·(ω/9) = 1 → ω180 = √(4·9) = 6 rad/s

Réponse

ω180 = 6 rad/s
37.Stabilité : Routh–Hurwitz et lieu des racines

Réponse: Kmin = 0,75

Critère de Routh–Hurwitz : un système linéaire est stable lorsque toutes les racines de son polynôme caractéristique se trouvent dans le demi-plan gauche du plan s. On écrit les coefficients en alternance dans les deux premières lignes du tableau de Routh. Chaque élément d’une nouvelle ligne se calcule à partir des deux lignes au-dessus ; pour un polynôme cubique a₃s³ + a₂s² + a₁s + a₀, l’élément de la ligne s¹ est b₁ = (a₂·a₁ − a₃·a₀)/a₂. Le nombre de changements de signe dans la première colonne est égal au nombre de racines dans le demi-plan droit. Avec un gain K dans les coefficients, chaque élément de la première colonne doit rester positif : le gain qui annule l’élément de la ligne s¹ est la limite de stabilité, et la ligne s² donne alors la fréquence de l’oscillation entretenue.

Polynôme caractéristique

(s − 2)(s + 3) + K(s + 8) = s² + (1 + K)s + (8K − 6)

Conditions

Pour s² + c₁s + c₀, toutes les racines se trouvent dans le demi-plan gauche exactement lorsque c₁ > 0 et c₀ > 0.

1 + K > 0 → K > −1
8K − 6 > 0 → K > 0,75
Kmin = 0,75

Réponse

Kmin = 0,75
38.Stabilité : Routh–Hurwitz et lieu des racines

Réponse: θd = −71,57 °

Lieu des racines : lorsque le gain K passe de 0 à ∞, les pôles en boucle fermée, c’est-à-dire les racines de 1 + K·G(s) = 0, se déplacent des pôles en boucle ouverte vers les zéros en boucle ouverte ou vers l’infini. Un point de l’axe réel appartient au lieu lorsque le nombre de pôles et de zéros réels situés à sa droite est impair. Les n − m branches qui partent à l’infini suivent des asymptotes d’angles (2q + 1)·180°/(n − m), issues du centre de gravité σₐ = (Σ pôles − Σ zéros)/(n − m). Les branches quittent ou rejoignent l’axe réel là où dK/ds = 0. La condition d’angle ∠G(s) = 180° fixe la forme du lieu, et la condition de module K = 1/|G(s)| donne le gain en tout point du lieu.

Position des pôles

s² + 8s + 17 = 0 → s = −4 ± j1
s = −1

Angles depuis les autres pôles

∠(−4 + j1 + 1) = atan2(1, -3) = 161,6°
∠(−4 + j1 − (−4 − j1)) = ∠(j2) = 90°

Angle de départ

θd = 180° − 161,6° − 90° = −71,57°

Réponse

θd = −71,57°
39.Erreur en régime permanent et commande PID

Réponse: K = 50

Erreur en régime permanent : dans une boucle à retour unitaire de fonction de transfert en boucle ouverte G(s), l’erreur est E(s) = R(s)/(1 + G(s)), et d’après le théorème de la valeur finale ess = lims→0 s·E(s). La classe du système est le nombre de pôles de G(s) en s = 0. Les constantes d’erreur sont Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s) et Ka = lim s²·G(s), toutes pour s → 0. Un échelon d’amplitude A donne ess = A/(1 + Kp), une rampe A·t donne A/Kv et une parabole A·t²/2 donne A/Ka. Une boucle de classe 0 suit un échelon avec une erreur finie ; une boucle de classe 1 le suit exactement et suit une rampe avec une erreur finie.

Constante de vitesse requise

Kv = A/ess = 1/0,2 = 5

Gain

K = 10·Kv = 50

Réponse

K = 50

Un gain élevé rend cette boucle très faiblement amortie : ζ = 0,7071. Ce conflit explique le recours aux correcteurs.

40.Erreur en régime permanent et commande PID

Réponse: %OS = 40,07 %

Commande P, PI et PID : le régulateur C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s agit sur l’erreur. Un gain proportionnel rend la boucle plus rapide et réduit l’erreur d’un procédé de classe 0, mais ne la supprime jamais. Le terme intégral ajoute un pôle en s = 0 : la classe du système augmente d’une unité, et un échelon est suivi sans erreur. Le terme dérivé ajoute de l’amortissement. Pour choisir les gains, écrivez le polynôme caractéristique en boucle fermée et comparez-le à s² + 2ζωns + ωn². On a alors %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd avec ωd = ωn√(1 − ζ²), et ts ≈ 4/(ζωn).

Polynôme caractéristique

s(s + 5) + 40·2 = s² + 5s + 80

ωₙ et ζ

ωₙ = √80 = 8,944 rad/s
ζ = 5/(2·8,944) = 0,2795

Dépassement

%OS = 100·e−0,2795π/√(1 − 0,2795²) = 40,07 %

Réponse

%OS = 40,07 %

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