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​ = 4 Ω+−V1​30 VR2​8 ΩAR4​2 ΩB

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

V1 = 30 VR1 = 6 ΩR2 = 8 ΩR3 = 4 ΩR4 = 2 Ω
IR1 = A
2.Résistances en série et en parallèleDifficile
R1​ = 10 ΩR3​ = 15 ΩR5​ = 15 Ω+−V1​5 VR2​25 ΩIR2​AR4​20 ΩBR6​25 Ω

Trouvez le courant IR2 dans R2.

V1 = 5 VR1 = 10 ΩR2 = 25 ΩR3 = 15 ΩR4 = 20 ΩR5 = 15 ΩR6 = 25 Ω
IR2 = A
3.Méthode des nœudsMoyen
R1​ = 15 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​30 VR2​12 ΩAR4​8 ΩBIs​5 A

Utilisez la méthode des nœuds pour trouver la puissance PIs fournie par la source de courant Is.

V1 = 30 VIs = 5 AR1 = 15 ΩR2 = 12 ΩR3 = 6 ΩR4 = 8 Ω
PIs = W
4.Méthode des nœudsDifficile
R1​ = 3 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 5 Ω+−V1​18 VR3​15 ΩAR5​25 ΩBIs​6 A+−V2​15 V

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

V1 = 18 VIs = 6 AV2 = 15 VR1 = 3 ΩR2 = 6 ΩR3 = 15 ΩR4 = 5 ΩR5 = 25 Ω
VA = V
5.Méthode des maillesMoyen
R1​ = 5 ΩR2​ = 6 Ω+−V1​9 VR3​5 ΩA+−V2​30 VI1​I2​

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

V1 = 9 VV2 = 30 VR1 = 5 ΩR2 = 6 ΩR3 = 5 Ω
I1 = A
6.Méthode des maillesDifficile
R1​ = 30 ΩR2​ = 8 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​36 VR4​30 ΩAR5​2 ΩB+−V2​6 VI1​I2​I3​

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

V1 = 36 VV2 = 6 VR1 = 30 ΩR2 = 8 ΩR3 = 5 ΩR4 = 30 ΩR5 = 2 Ω
I1 = A
7.SuperpositionMoyen
R1​ = 3 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​30 VR2​15 ΩIR2​AR4​2 ΩBIs​2 A

Utilisez le théorème de superposition pour trouver le courant IR2 dans R2 dans le sens de la flèche.

V1 = 30 VIs = 2 AR1 = 3 ΩR2 = 15 ΩR3 = 6 ΩR4 = 2 Ω
IR2 = A
8.SuperpositionDifficile
R1​ = 20 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 10 Ω+−V1​6 VR3​6 ΩIR3​AIs​1,5 AB+−V2​30 V

Utilisez le théorème de superposition pour trouver le courant IR3 dans R3 dans le sens de la flèche.

V1 = 6 VIs = 1,5 AV2 = 30 VR1 = 20 ΩR2 = 6 ΩR3 = 6 ΩR4 = 10 Ω
IR3 = A
9.Thévenin et NortonMoyen
R1​ = 10 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​15 VR2​15 ΩAab

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

V1 = 15 VR1 = 10 ΩR2 = 15 ΩR3 = 10 Ω
Vth = V
10.Thévenin et NortonDifficile
R1​ = 25 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​36 VR2​2 ΩAIs​6 ABRL​30 ΩIL​

Une charge RL = 30 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 = 36 VIs = 6 AR1 = 25 ΩR2 = 2 ΩR3 = 5 ΩRL = 30 Ω
IL = A
11.Transitoires RC et RLMoyen
+−Vs​20 Vt = 0R1​ = 10 kΩR2​ = 1 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 = 30 ms.

Vs = 20 VR1 = 10 kΩR2 = 1 kΩC = 22 µFt = 30 ms
vC = V
12.Transitoires RC et RLDifficile
+−Vs​12 Vs’ouvre à t = 0R1​ = 4,7 kΩR2​ = 4,7 kΩC33 µF+−vC​

L’interrupteur est fermé depuis longtemps, donc le circuit est en régime permanent. À t = 0, l’interrupteur s’ouvre. Trouvez la tension du condensateur vC à t = 80 ms.

Vs = 12 VR1 = 4,7 kΩR2 = 4,7 kΩC = 33 µFt = 80 ms
vC = V
13.Impédance et phaseurs en alternatifMoyen
120 V500 HzR = 50 ΩL = 150 mHC = 4,7 µFI

Un circuit RLC série est alimenté sous 120 V (efficaces), 500 Hz. Trouvez le courant efficace I.

V = 120 V (rms)f = 500 HzR = 50 ΩL = 150 mHC = 4,7 µF
I = A
14.Impédance et phaseurs en alternatifDifficile
12 V1000 HzR = 30 ΩL = 20 mHC = 22 µF

Un circuit RLC série est alimenté sous 12 V (efficaces), 1000 Hz. Trouvez la fréquence de résonance f0 du circuit.

V = 12 V (rms)f = 1000 HzR = 30 ΩL = 20 mHC = 22 µF
f0 = Hz
15.Puissance alternative et facteur de puissanceMoyen
400 V115 kW, 0,7218 kW, 0,7I

Deux charges sont branchées en parallèle sur une alimentation monophasée de 400 V : une charge de 15 kW avec un facteur de puissance de 0,7 inductif et une charge de 18 kW avec un facteur de puissance de 0,7 inductif. Trouvez le facteur de puissance global cos φ vu par l’alimentation.

V = 400 VP1 = 15 kW, pf1 = 0,7 inductifP2 = 18 kW, pf2 = 0,7 inductif
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 0,75 inductif sous 400 V, 50 Hz. Un condensateur branché en parallèle relève le facteur de puissance à 0,95. Trouvez la capacité C nécessaire.

P = 50 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,95V = 400 Vf = 50 Hz
C = µF
17.Puissance triphaséeMoyen
ABCVL​ = 415 VIL​ = ?M18,5 kW, η = 88%cos φ = 0,8

Un moteur asynchrone triphasé fournit 18,5 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 415 V. Trouvez le courant de ligne IL.

Pout = 18,5 kWη = 88%cos φ = 0,8VL = 415 V
IL = A
18.Puissance triphaséeDifficile
P = 120 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Une charge triphasée équilibrée absorbe 120 kW avec un facteur de puissance de 0,65 (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 = 120 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,9VL = 480 Vf = 60 Hz
QC = kvar
19.TransformateursMoyen
RL​ = 30 Ω2012400 VV2​I1​ = ?I2​

Un transformateur parfait de rapport N₁:N₂ = 20:1 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 = 20:1V1 = 2400 VRL = 30 Ω
I1 = A
20.TransformateursDifficile
pf 0,95200 kVA, 50% charge

Un transformateur monophasé de 200 kVA a des pertes fer de 1600 W et des pertes cuivre de 2400 W à charge nominale. Il fournit 50 % de sa puissance apparente nominale avec un facteur de puissance de 0,95 (inductif). Trouvez les pertes totales Ploss en watts à cette charge.

S = 200 kVAPcore = 1600 WPcu,fl = 2400 Wx = 0,5pf = 0,95
Ploss = W
21.Circuits à ampli opMoyen
−+Vout​Rf​ = ?R1​ = 100 kΩVin​

Choisissez la résistance de contre-réaction Rf qui donne à cet amplificateur non inverseur un gain en tension de 3.

R1 = 100 kΩAv = 3
Rf = kΩ
22.Circuits à ampli opDifficile
−+Vout​R2​ = 4,7 kΩV1​ = −0,9 VR1​ = 2 kΩV2​ = 0,2 VR3​ = 4,7 kΩR4​ = 22 kΩ

L’ampli op est idéal et alimenté en ±15 V. Les rapports de résistances ne sont pas appariés. Trouvez la tension de sortie Vout.

V1 = −0,9 VV2 = 0,2 VR1 = 2 kΩR2 = 4,7 kΩR3 = 4,7 kΩR4 = 22 kΩ
Vout = V
23.Diodes et transistorsMoyen
RC​ = 1,2 kΩβ = 80VCC​ = 12 VRB​ = 150 kΩ

Un transistor NPN de β = 80 est polarisé par une résistance de base RB = 150 kΩ reliée à l’alimentation VCC = 12 V. La résistance de collecteur vaut RC = 1,2 kΩ et l’émetteur est à la masse. Prenez VBE = 0,7 V et supposez que le transistor est en régime actif. Trouvez la tension collecteur–émetteur VCE.

VCC = 12 VRB = 150 kΩRC = 1,2 kΩβ = 80VBE = 0,7 V
VCE = V
24.Diodes et transistorsDifficile
RC​ = 1 kΩβ = 200VCC​ = 24 V3,3 VRB​ = ?

Un transistor NPN de β = 200 commande une résistance de charge de 1 kΩ 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 10 fois supérieur au minimum nécessaire à la saturation. Trouvez RB en kΩ.

VCC = 24 VRC = 1 kΩβ = 200Vin = 3,3 VVBE = 0,7 VVCE(sat) = 0,2 Vfacteur de sursaturation = 10
RB = kΩ
25.Systèmes de numérationMoyen
complément à deux sur 8 bits0−12806403201608040201

Positionnez les bits pour qu’ils représentent −36 en complément à deux sur 8 bits. Lu comme un nombre non signé, quelle est la valeur U du motif ?

N = −368 bit
U =
26.Systèmes de numérationDifficile
32 bit1 px256 px256 pxM = ? KiB

Une image non compressée fait 256 × 256 pixels avec 32 bits par pixel. Quelle mémoire M occupe-t-elle, en Kio (1 Kio = 1024 octets) ?

256 × 256 px32 bit/px1 KiB = 1024 B
M = KiB
27.Logique numérique : portes, tableaux de Karnaugh et basculesMoyen
ABCD00011110000111101111

Dans ce tableau de Karnaugh, exactement un 1 n’a aucun 1 voisin, donc il reste un groupe d’une seule case (un minterme complet de quatre littéraux) dans la forme SOP minimale. Les voisins de part et d’autre des bords du tableau comptent. Cliquez sur cette case.

F = Σm(0, 1, 9, 14)
  1. 1AB = 00, CD = 00
  2. 2AB = 00, CD = 01
  3. 3AB = 00, CD = 11
  4. 4AB = 00, CD = 10
  5. 5AB = 01, CD = 00
  6. 6AB = 01, CD = 01
  7. 7AB = 01, CD = 11
  8. 8AB = 01, CD = 10
  9. 9AB = 11, CD = 00
  10. 10AB = 11, CD = 01
  11. 11AB = 11, CD = 11
  12. 12AB = 11, CD = 10
  13. 13AB = 10, CD = 00
  14. 14AB = 10, CD = 01
  15. 15AB = 10, CD = 11
  16. 16AB = 10, CD = 10
28.Logique numérique : portes, tableaux de Karnaugh et basculesDifficile
TQ0​Q0​TQ1​Q1​TQ2​Q2​TQ3​Q3​TQ4​Q4​CLK

Un compteur asynchrone de 5 bits est construit avec des bascules ayant chacune un temps de propagation de 8 ns. Toutes les sorties doivent être stabilisées avant le front d’horloge suivant. Trouvez la fréquence d’horloge maximale fmax.

n = 5tpd = 8 ns
fmax = MHz
29.Transformées de LaplaceMoyen
t (s)f(t)t = 0,4f(0,4) = ?

Trouvez f(t) pour F(s) = 10/(s(s + 2)(s + 6)) par décomposition en éléments simples, et calculez f(0,4).

F(s) = 10/(s(s + 2)(s + 6))t = 0,4 s
f(0.4) =
30.Transformées de LaplaceDifficile
t (s)y(t)t = 0,25y(0,25) = ?

Résolvez y″ + 8y′ + 15y = 0 avec y(0) = 1 et y′(0) = 8 à l’aide de la transformée de Laplace, et trouvez y(0,25).

y″ + 8y′ + 15y = 0y(0) = 1y′(0) = 8t = 0,25 s
y(0.25) =
31.Schémas fonctionnelsMoyen
R(s)+4(s + 6)(s + 2)(s + 9)G(s)C(s)−

Une boucle à retour unitaire négatif a G(s) = 4(s + 6)/((s + 2)(s + 9)). Un échelon d’amplitude 1 est appliqué à la consigne. Trouvez l’erreur en régime permanent ess.

G(s) = 4(s + 6)/((s + 2)(s + 9))R = 1
ess =
32.Schémas fonctionnelsDifficile
R(s)+Kcorrecteur+D(s)+8s + 1systèmeC(s)−

Un correcteur proportionnel K commande le système G(s) = 8/(s + 1) dans une boucle à retour unitaire négatif. Un échelon de perturbation d’amplitude 10 entre à l’entrée du système alors que R = 0. Trouvez le plus petit gain K qui maintient la sortie en régime permanent à 8 ou moins.

G(s) = 8/(s + 1)D = 10css ≤ 8
K =
33.Réponse indicielleMoyen
t (s)y(t)3ts​ = ?

Un système a pour fonction de transfert G(s) = 282/(s² + 8s + 94) et reçoit un échelon unitaire. Trouvez le temps de réponse à 2 % ts de la réponse indicielle, avec ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 282/(s² + 8s + 94)
ts = s
34.Réponse indicielleDifficile
t (s)y(t)1tp​ = 0,1 s30 %

La réponse indicielle d’un système du second ordre sans zéros montre 30 % de dépassement, et le premier pic se produit à t = 0,1 s. Trouvez la pulsation propre ωn.

%OS = 30 %tp = 0,1 s
ωn = rad/s
35.Diagrammes de Bode et margesMoyen
vin​L = 10 mHC = 0,47 µFR = 50 Ωvout​

Dans le filtre passe-bande RLC série représenté, la sortie est prise aux bornes de R = 50 Ω, avec L = 10 mH et C = 0,47 µF. Trouvez le facteur de qualité Q.

R = 50 ΩL = 10 mHC = 0,47 µF
Q =
36.Diagrammes de Bode et margesDifficile
|H| (dB)0,10,1111010100100−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​

Une boucle à retour unitaire a pour fonction de transfert en boucle ouverte L(s) = 19/(s(s + 2)). Trouvez la marge de phase PM en degrés.

L(s) = 19/(s(s + 2))
PM = °
37.Stabilité : Routh–Hurwitz et lieu des racinesMoyen
R(s)+K = 551s(s + 5)(s + 6)C(s)−

La boucle du schéma fonctionne avec K = 55 et L(s) = K/(s(s + 5)(s + 6)). De quel facteur m peut-on augmenter le gain avant que la boucle fermée ne devienne instable ?

L(s) = K/(s(s + 5)(s + 6))K = 55
m =
38.Stabilité : Routh–Hurwitz et lieu des racinesDifficile
ReIm−5j5

Le lieu des racines de L(s) = K/((s + 3)(s + 5)(s + 6)) est esquissé. Trouvez la fréquence ω à laquelle le lieu coupe l’axe imaginaire.

L(s) = K/((s + 3)(s + 5)(s + 6))
ω = rad/s
39.Erreur en régime permanent et commande PIDMoyen
r(t) = 4·t²/2+5(s + 1)s²(s + 1)C(s)−

L’entrée parabolique r(t) = 4·t²/2 est appliquée à une boucle à retour unitaire avec G(s) = 5(s + 1)/(s²(s + 1)). Trouvez l’erreur en régime permanent ess.

G(s) = 5(s + 1)/(s²(s + 1))r(t) = 4·t²/2
ess =
40.Erreur en régime permanent et commande PIDDifficile
r(t) = 5t+5 + 10/s5(s + 2)(s + 5)C(s)−

Un régulateur PI C(s) = 5 + 10/s commande le procédé G(s) = 5/((s + 2)(s + 5)) dans une boucle à retour unitaire. Trouvez l’erreur en régime permanent ess pour l’entrée en rampe r(t) = 5t.

C(s) = 5 + 10/sG(s) = 5/((s + 2)(s + 5))r(t) = 5t
ess =

3Solutions

1.Résistances en série et en parallèle

Réponse: IR1 = 3,182 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​ = 4 Ω+−V1​30 VR2​8 ΩAR4​2 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 = 4 + 2 = 6 Ω
R2 ∥ 6 = 8·6/(8+6) = 3,429 Ω
Req = R1 + 3,429 = 6 + 3,429 = 9,429 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 = 30/9,429 = 3,182 A

Réponse

IR1 = 3,182 A
2.Résistances en série et en parallèle

Réponse: IR2 = 0,1141 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​ = 10 ΩR3​ = 15 ΩR5​ = 15 Ω+−V1​5 VR2​25 ΩAR4​20 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 = 15 + 25 = 40 Ω
R4 ∥ 40 = 13,33 Ω
R3 + 13,33 = 28,33 Ω
R2 ∥ 28,33 = 13,28 Ω
Req = R1 + 13,28 = 10 + 13,28 = 23,28 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 = 5/23,28 = 0,2148 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 = 5 − 0,2148·10 = 2,852 V
IR2 = VA/R2 = 2,852/25 = 0,1141 A

Réponse

IR2 = 0,1141 A
3.Méthode des nœuds

Réponse: PIs = 148,4 W

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.

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/12 + (VA − 30)/15 + (VA − VB)/6 = 0
0,3167·VA − 0,1667·VB = 2

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/8 + (VB − VA)/6 = 5
−0,1667·VA + 0,2917·VB = 5

Résoudre

Δ = (0,3167)(0,2917) − (−0,1667)(−0,1667) = 0,06458
VA = Δ1/Δ = 1,417/0,06458 = 21,94 V
VB = Δ2/Δ = 1,917/0,06458 = 29,68 V

Puissance fournie par la source de courant

La source injecte Iₛ vers le haut dans le nœud B, de la masse (0 V) à VB. Une source dont le courant sort par sa borne + fournit P = V·I.

PIs = VB·Is = 29,68·5 = 148,4 W

Réponse

PIs = 148,4 W
4.Méthode des nœuds

Réponse: VA = 19,44 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 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 5 Ω+−V1​18 VR3​15 ΩAR5​25 ΩBIs​6 A+−V2​15 V

Poser les nœuds

La masse est le fil du bas. Les potentiels connus viennent directement des sources (V1 = 18 V, V2 = 15 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/15 + (VA − 18)/3 + (VA − VB)/6 = 0
0,5667·VA − 0,1667·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/R5 + (VB − VA)/R2 + (VB − V2)/R4 = Is
VB/25 + (VB − VA)/6 + (VB − 15)/5 = 6
−0,1667·VA + 0,4067·VB = 9

Résoudre

Δ = (0,5667)(0,4067) − (−0,1667)(−0,1667) = 0,2027
VA = Δ1/Δ = 3,94/0,2027 = 19,44 V
VB = Δ2/Δ = 6,1/0,2027 = 30,1 V

Réponse

VA = 19,44 V
5.Méthode des mailles

Réponse: I1 = −0,6 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​ = 5 ΩR2​ = 6 Ω+−V1​9 VR3​5 ΩA+−V2​30 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
5·I1 + 5(I1 − I2) = 9
10·I1 − 5·I2 = 9

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
6·I2 + 5(I2 − I1) = (−30)
−5·I1 + 11·I2 = −30

Résoudre

Δ = (10)(11) − (−5)(−5) = 85
I1 = Δ1/Δ = −51/85 = −0,6 A
I2 = Δ2/Δ = −255/85 = −3 A

Réponse

I1 = −0,6 A

Un courant de maille négatif circule dans le sens antihoraire.

6.Méthode des mailles

Réponse: I1 = 0,9333 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​ = 30 ΩR2​ = 8 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​36 VR4​30 ΩAR5​2 ΩB+−V2​6 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
30·I1 + 30(I1 − I2) = 36
60·I1 − 30·I2 = 36

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
8·I2 + 30(I2 − I1) + 2(I2 − I3) = 0
−30·I1 + 40·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
5·I3 + 2(I3 − I2) = (−6)
−2·I2 + 7·I3 = −6

Résoudre

Δ = déterminant de la matrice des coefficients = 10260
I1 = Δ1/Δ = 9576/10260 = 0,9333 A
I2 = Δ2/Δ = 6840/10260 = 0,6667 A
I3 = Δ3/Δ = −6840/10260 = −0,6667 A

Réponse

I1 = 0,9333 A

Un courant de maille négatif circule dans le sens antihoraire.

7.Superposition

Réponse: IR2 = −1,333 A

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 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​30 VR2​15 ΩAR4​2 ΩBOUVERT

Cas 1 · V1 seule

Iₛ devient un circuit ouvert, donc R₃ et R₄ forment une branche série de A à la masse, en parallèle avec R₂.

R3+R4 = 6+2 = 8 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 15·8/(15+8) = 5,217 Ω
VA = 30·5,217/(3+5,217) = 19,05 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 19,05·2/8 = 4,762 V
IR2′ = (0 − VA)/R2 = (0 − 19,05)/15 = −1,27 A
R1​ = 3 ΩR3​ = 6 ΩCOURT-CIRCUITR2​15 ΩAR4​2 ΩBIs​2 A

Cas 2 · Is seule

V₁ devient un court-circuit, donc R₁ est en parallèle avec R₂. Iₛ se partage en B entre R₄ et le chemin passant par R₃.

R1 ∥ R2 = 3·15/(3+15) = 2,5 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 2 ∥ 8,5 = 1,619 Ω
VB = Is·Req = 2·1,619 = 3,238 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 3,238·2,5/8,5 = 0,9524 V
IR2″ = (0 − VA)/R2 = (0 − 0,9524)/15 = −0,06349 A

Additionner les contributions

IR2 = IR2′ + IR2″
IR2 = (−1,27) + (−0,06349) = −1,333 A

Un résultat négatif signifie que le courant réel circule dans le sens opposé à la flèche.

8.Superposition

Réponse: IR3 = 1,858 A

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​ = 20 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 10 Ω+−V1​6 VR3​6 ΩAOUVERTBCOURT-CIRCUIT

Cas 1 · V1 seule

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) = 6 ∥ 16 = 4,364 Ω
VA = 6·4,364/(20+4,364) = 1,075 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 1,075·10/16 = 0,6716 V
IR3′ = (VA − 0)/R3 = (1,075 − 0)/6 = 0,1791 A
R1​ = 20 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 10 ΩCOURT-CIRCUITR3​6 ΩAIs​1,5 ABCOURT-CIRCUIT

Cas 2 · Is seule

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.

R1 ∥ R3 = 4,615 Ω, donc le chemin de gauche vaut R2+4,615 = 10,62 Ω
Req = R4 ∥ 10,62 = 5,149 Ω
VB = Is·Req = 1,5·5,149 = 7,724 V
VA = VB·4,615/10,62 = 3,358 V
IR3″ = (VA − 0)/R3 = (3,358 − 0)/6 = 0,5597 A
R1​ = 20 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 10 ΩCOURT-CIRCUITR3​6 ΩAOUVERTB+−V2​30 V

Cas 3 · V2 seule

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

R1 ∥ R3 = 20·6/(20+6) = 4,615 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 30·10,62/20,62 = 15,45 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 15,45·4,615/10,62 = 6,716 V
IR3‴ = (VA − 0)/R3 = (6,716 − 0)/6 = 1,119 A

Additionner les contributions

IR3 = IR3′ + IR3″ + IR3‴
IR3 = 0,1791 + 0,5597 + 1,119 = 1,858 A

Un résultat négatif signifie que le courant réel circule dans le sens opposé à la flèche.

9.Thévenin et Norton

Réponse: Vth = 9 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​ = 10 ΩR3​ = 10 ΩCOURT-CIRCUITR2​15 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 = 10·15/(10+15) = 6 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6 + 10 = 16 Ω
R1​ = 10 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​15 VR2​15 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) = 15·15/(10+15) = 9 V
10.Thévenin et Norton

Réponse: IL = 1,188 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​ = 5 ΩCOURT-CIRCUITR2​2 ΩAOUVERTBabRth​

Trouver Rth avec toutes les sources éteintes

Remplacez les sources de tension par des courts-circuits et les sources de courant par des circuits ouverts, puis regardez le circuit depuis a–b.

R1 ∥ R2 = 25·2/(25+2) = 1,852 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,852 + 5 = 6,852 Ω
R1​ = 25 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​36 VR2​2 ΩAIs​6 ABab+−Vth​

Trouver Vth, la tension à vide

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

VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 2,667 + 6·1,852 = 13,78 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 13,78 + 6·5 = 43,78 V
Rth​ = 6,852 Ω+−Vth​43,78 VRL​30 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) = 43,78/(6,852 + 30) = 1,188 A
11.Transitoires RC et RL

Réponse: vC = 1,412 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 = 10·1/(10 + 1) = 0,9091 kΩ
vC(∞) = 20·1/(10 + 1) = 1,818 V

Constante de temps

τ = Rth·C = 0,9091·22 = 20 ms

Courbe de charge

vC(t) = 1,818·(1 − e−30/20) = 1,412 V

Réponse

vC = 1,412 V
12.Transitoires RC et RL

Réponse: vC = 3,582 V

Régimes transitoires du premier ordre : dans un circuit avec un condensateur ou une bobine, chaque tension et chaque courant passe exponentiellement de sa valeur initiale à sa valeur finale : x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, avec τ = RC ou τ = L/R. Après environ 5τ, le circuit est stabilisé.

Tension initiale du condensateur

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

vC(0) = 12·4,7/(4,7 + 4,7) = 6 V

Constante de temps après l’ouverture de l’interrupteur

τ = R2·C = 4,7·33 = 155,1 ms

Décharge

vC(t) = 6·e−80/155,1 = 3,582 V

Réponse

vC = 3,582 V
13.Impédance et phaseurs en alternatif

Réponse: I = 0,2951 A

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

Réactances

ω = 2πf = 2π·500 = 3142 rad/s
XL = ωL = 3142·0,15 = 471,2 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(3142·4,7·10⁻⁶) = 67,73 Ω

Impédance

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(50² + (403,5)²) = 406,6 Ω

Courant

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

I = V/|Z| = 120/406,6 = 0,2951 A

Réponse

I = 0,2951 A
14.Impédance et phaseurs en alternatif

Réponse: f0 = 239,9 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·√(0,02·22·10⁻⁶)) = 239,9 Hz

Réponse

f0 = 239,9 Hz
15.Puissance alternative et facteur de puissance

Réponse: cos φ = 0,7

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 = 15·tan(arccos 0,7) = 15,3 kvar
Q2 = 18·tan(arccos 0,7) = 18,36 kvar

Totaux

P = 15 + 18 = 33 kW
Q = 15,3 + 18,36 = 33,67 kvar
S = √(33² + 33,67²) = 47,14 kVA

Facteur de puissance global

cos φ = P/S = 33/47,14 = 0,7 inductif

Réponse

cos φ = 0,7
16.Puissance alternative et facteur de puissance

Réponse: C = 550,3 µF

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(41,41°) = 44,1 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 50·tan(18,19°) = 16,43 kvar
QC = Q1 − Q2 = 27,66 kvar

Capacité

Un condensateur sur le réseau fournit Q = V²·ωC.

C = QC/(2πf·V²) = 27662/(2π·50·400²) = 550,3 µF

Réponse

C = 550,3 µF
17.Puissance triphasée

Réponse: IL = 36,56 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 = 18,5/0,88 = 21,02 kW

Courant de ligne

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 21023/(√3·415·0,8) = 36,56 A

Réponse

IL = 36,56 A
18.Puissance triphasée

Réponse: QC = 82,18 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 = 120·tan(acos 0,65) = 120·1,169 = 140,3 kvar
Q2 = 120·tan(acos 0,9) = 120·0,4843 = 58,12 kvar

Puissance réactive fournie par les condensateurs

QC = Q1 − Q2 = 82,18 kvar

Réponse

QC = 82,18 kvar
19.Transformateurs

Réponse: I1 = 0,2 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 = 2400/20 = 120 V
I2 = 120/30 = 4 A

Courant primaire

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

I1 = I2/20 = 0,2 A

Réponse

I1 = 0,2 A

Vérification : la charge vue du primaire vaut a²·RL = 12000 Ω, et 2400/12000 donne le même courant.

20.Transformateurs

Réponse: Ploss = 2200 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 = 0,25·2400 = 600 W

Pertes totales

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

Ploss = 1600 + 600 = 2200 W

Réponse

Ploss = 2200 W

Le rendement à cette charge vaut η = 97,74%.

21.Circuits à ampli op

Réponse: Rf = 200 kΩ

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.

Gain d’un amplificateur non inverseur

V₋ = V₊ = Vin, et le courant de R₁ traverse aussi Rf, donc Vout = Vin·(1 + Rf/R₁).

Av = 1 + Rf/R1
Rf = (3 − 1)·100 = 200 kΩ

Réponse

Rf = 200 kΩ
22.Circuits à ampli op

Réponse: Vout = 2,667 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₊ = V2·R4/(R3 + R4) = 0,2·22/(4,7 + 22) = 0,1648 V

Superposer les deux entrées

Avec V₂ = 0, V₁ voit un amplificateur inverseur. Avec V₁ = 0, V₊ est amplifiée par le gain non inverseur 1 + R₂/R₁.

Vout = −(4,7/2)·(−0,9) + (1 + 4,7/2)·0,1648 = 2,115 + 0,5521 = 2,667 V

Réponse

Vout = 2,667 V
23.Diodes et transistors

Réponse: VCE = 4,768 V

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.

Courant de base

IB = (VCC − VBE)/RB = (12 − 0,7)/150 kΩ = 75,33 µA

Courant de collecteur

IC = β·IB = 80·75,33 µA = 6,027 mA

Tension collecteur–émetteur

VCE = 12 − 6,027 mA·1,2 kΩ = 4,768 V

Réponse

VCE = 4,768 V
24.Diodes et transistors

Réponse: RB = 2,185 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)/1000 = 23,8 mA

Courant de base minimal

IB(min) = IC(sat)/β = 23,8/200 = 119 µA

Courant de base de dimensionnement

IB = 10·119 µA = 1190 µA

Résistance de base

RB = (3,3 − 0,7)/IB = 2,6 V/1,19 mA = 2,185 kΩ

Réponse

RB = 2,185 kΩ
25.Systèmes de numération

Réponse: U = 220

Positionner les bits : chaque bit vaut une puissance de deux (128, 64, …, 1). Un chiffre hexadécimal correspond exactement à quatre bits, et en complément à deux sur 8 bits, le bit le plus à gauche vaut −128. Les opérations bit à bit s’appliquent séparément à chaque position de bit.

Inverser et ajouter un

36 = 0010 0100
inversé: 1101 1011
+1 → 1101 1100

Le lire en non signé

1101 1100₂ = 256 − 36 = 220

Réponse

U = 220
26.Systèmes de numération

Réponse: M = 256 KiB

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.

Bits et octets

256·256·32 = 2097152 bit = 262144 B

Convertir en Kio

262144/1024 = 256 KiB

Réponse

M = 256 KiB
27.Logique numérique : portes, tableaux de Karnaugh et bascules

Réponse: AB = 11, CD = 10

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.

Voisins de chaque 1

Un 1 ayant un 1 voisin peut rejoindre un groupe de deux ou plus.

m14: m15, m12, m10, m6 → 0
ABCD00011110000111101111

Le 1 isolé

m14 = ABCD′ → AB = 11, CD = 10

Réponse

AB = 11, CD = 10
28.Logique numérique : portes, tableaux de Karnaugh et bascules

Réponse: fmax = 25 MHz

Bascules et compteurs : une bascule ne change qu’au front actif de l’horloge. D copie son entrée (Q⁺ = D) ; T change d’état quand T = 1 ; JK conserve pour 00, remet à 0 pour 01, met à 1 pour 10 et change d’état pour 11. Un compteur binaire de n bits a 2ⁿ états et compte modulo 2ⁿ ; un compteur modulo N va de 0, 1, …, N − 1 puis revient à 0, et exige le plus petit n tel que 2ⁿ ≥ N bascules. Chaque étage d’un compteur asynchrone divise la fréquence par deux, donc la dernière sortie d’un compteur modulo N tourne à fclk/N. Un compteur Johnson de n bascules a 2n états, un compteur en anneau n.

Temps de stabilisation dans le pire cas

T = 5·8 ns = 40 ns

Fréquence maximale

fmax = 1/40 ns = 25 MHz

Réponse

fmax = 25 MHz
29.Transformées de Laplace

Réponse: f(0.4) = 0,3095

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 + 2) + C/(s + 6)
A = 10/(2·6) = 0,8333
B = 10/((−2)·4) = −1,25
C = 10/((−6)·(−4)) = 0,4167

Transformée inverse

f(t) = 0,8333 − 1,25·e−2t + 0,4167·e−6t

Évaluer

f(0,4) = 0,8333 − 1,25·e−2·0,4 + 0,4167·e−6·0,4 = 0,3095

Réponse

f(0,4) = 0,3095
30.Transformées de Laplace

Réponse: y(0.25) = 1,495

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

s²Y − 1s − 8 + 8(sY − 1) + 15Y = 0
Y(s) = (s + 16)/((s + 3)(s + 5))

Décomposition en éléments simples

A = 13/2 = 6,5
B = 11/(−2) = −5,5

Résultat

y(t) = 6,5·e−3t − 5,5·e−5t
y(0,25) = 1,495

Réponse

y(0,25) = 1,495

Vérification : y(0) = A + B = 1.

31.Schémas fonctionnels

Réponse: ess = 0,4286

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).

Constante d’erreur de position

Kₚ = G(0) = 4·6/(2·9) = 1,333

Erreur en régime permanent

ess = A/(1 + Kₚ) = 1/(1 + 1,333) = 0,4286

Réponse

ess = 0,4286
32.Schémas fonctionnels

Réponse: K = 1,125

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).

Réponse à la perturbation

css = D·G(0)/(1 + K·G(0)) = 10·8/(1 + 8K)

Résoudre pour K

1 + 8K = 10·8/8 = 10
K = (10 − 1)/8 = 1,125

Réponse

K = 1,125
33.Réponse indicielle

Réponse: ts = 1 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 = 94 → ωₙ = 9,695 rad/s
2ζωₙ = 8 → ζ = 8/(2·9,695) = 0,4126

Résultat

ζωₙ = 4 → ts ≈ 4/4 = 1 s

Réponse

ts = 1 s
34.Réponse indicielle

Réponse: ωn = 33,64 rad/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).

Taux d’amortissement

ζ = −ln(0,3)/√(π² + ln²(0,3)) = 1,204/√(9,87 + 1,45) = 0,3579

Fréquence propre

ωd = π/tp = π/0,1 = 31,42 rad/s
ωₙ = ωd/√(1 − ζ²) = 31,42/0,9338 = 33,64 rad/s

Réponse

ωn = 33,64 rad/s
35.Diagrammes de Bode et marges

Réponse: Q = 2,917

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/√(0,01·4,7 × 10⁻⁷) = 14586 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 2322 Hz

Facteur de qualité

BW = R/L = 50/0,01 = 5000 rad/s = 795,8 Hz
Q = ω₀/BW = 14586/5000 = 2,917

Réponse

Q = 2,917
36.Diagrammes de Bode et marges

Réponse: PM = 25,81 °

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 + 4ω² − 361 = 0
ω² = (−4 + √(16 + 4·361))/2 = 17,1
ωc = 4,136 rad/s

Marge de phase

∠L(jωc) = −90° − atan(4,136/2) = −154,2°
PM = 180° + ∠L = 25,81°

Réponse

PM = 25,81°
37.Stabilité : Routh–Hurwitz et lieu des racines

Réponse: m = 6

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.

Tableau de Routh

s³ + 11s² + 30s + K = 0
s³: 1, 30
s²: 11, K
s¹: (11·30 − K)/11
s⁰: K

Plus grand gain stable

Kmax = 11·30 = 330

Facteur

m = 330/55 = 6

Réponse

m = 6

Ce facteur est la marge de gain exprimée en rapport : 15,56 dB.

38.Stabilité : Routh–Hurwitz et lieu des racines

Réponse: ω = 7,937 rad/s

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.

Gain critique

s³ + 14s² + 63s + 90 + K = 0
s¹: (14·63 − 90 − K)/14 = 0 → K = 792

Fréquence de croisement

14s² + 90 + 792 = 14s² + 882 = 0 → s² = −63
ω = √63 = 7,937 rad/s

Réponse

ω = 7,937 rad/s
39.Erreur en régime permanent et commande PID

Réponse: ess = 0,8

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 d’accélération

Ka = 5·1/1 = 5

Erreur sur la parabole

ess = 4/5 = 0,8

Réponse

ess = 0,8
40.Erreur en régime permanent et commande PID

Réponse: ess = 1

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).

Constante de vitesse

s·C(s) = 5s + 10 → 10 lorsque s → 0.

Kv = 10·5/10 = 5

Erreur sur la rampe

ess = 5/5 = 1

Réponse

ess = 1

Le régulateur PI supprime complètement l’erreur sur un échelon ; une rampe est suivie avec un retard constant.

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