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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
Commencez par l’extrémité du réseau la plus éloignée des bornes.
Associez les résistances en série en les additionnant, et les résistances en parallèle avec 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
Redessinez le circuit après chaque étape.
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
Choisissez un nœud de référence (la masse) et nommez les potentiels des autres nœuds.
Écrivez la loi des nœuds de Kirchhoff à chaque nœud inconnu : les courants qui sortent par chaque branche égalent les courants qui entrent.
Exprimez chaque courant de branche sous la forme (Va − Vb)/R.
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
Dessinez un courant dans le sens horaire dans chaque maille (fenêtre) du circuit.
Appliquez la loi des mailles de Kirchhoff à chaque maille : la somme des chutes de tension est nulle.
Dans une résistance commune à deux mailles, le courant est la différence des deux courants de maille.
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
Comptez les sources indépendantes. Vous résoudrez un circuit plus simple par source.
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).
Résolvez le circuit simplifié pour la tension ou le courant cherché, en notant son sens.
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
Retirez la charge et repérez les deux bornes a et b.
Trouvez la tension à vide entre a et b : c’est Vth.
Éteignez toutes les sources indépendantes et trouvez la résistance vue des bornes a–b : c’est Rth.
Rebranchez la charge sur le circuit équivalent : Vth en série avec Rth.
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
Trouvez la valeur initiale juste après la commutation : la tension d’un condensateur et le courant d’une bobine ne peuvent pas varier brusquement.
Trouvez la valeur finale longtemps après la commutation : un condensateur se comporte comme un circuit ouvert, une bobine comme un court-circuit.
Trouvez la constante de temps : τ = RC ou τ = L/R, avec la résistance vue par le condensateur ou la bobine.
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
Convertissez la fréquence : ω = 2πf.
Trouvez chaque réactance : XL = ωL et XC = 1/(ωC).
Additionnez les impédances comme des résistances, avec Z = R + jX.
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
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.
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.
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.
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
Écrivez le polynôme caractéristique en boucle fermée : le dénominateur de 1 + K·G(s) = 0, développé.
Placez les coefficients en alternance dans les deux premières lignes du tableau de Routh et construisez les lignes restantes.
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.
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
Comptez les pôles de la boucle ouverte C(s)·G(s) en s = 0 : c’est la classe du système.
Calculez la constante d’erreur qui correspond à l’entrée : Kp pour un échelon, Kv pour une rampe, Ka pour une parabole.
Appliquez ess = A/(1 + Kp), A/Kv ou A/Ka, ou résolvez pour le gain nécessaire.
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
Trouvez la résistance équivalente Req vue par la source V1.
V1 = 9 VR1 = 12 ΩR2 = 2 ΩR3 = 20 ΩR4 = 2 Ω
Req = Ω
2.Résistances en série et en parallèleDifficile
Trouvez le courant IR1 fourni par la source, qui traverse R1.
Trois branches sont branchées entre le nœud A et la masse, comme représenté. Utilisez la méthode des nœuds pour trouver le courant I2 dans la branche 2, circulant vers le haut jusqu’au nœud A dans le sens de la flèche.
La bobine est parcourue par un courant permanent de 2,5 A. À t = 0, l’interrupteur ferme la boucle à travers R et la source est retirée, donc le courant de la bobine décroît à travers R. Trouvez le courant i à t = 25 ms.
i(0) = 2,5 AR = 10 ΩL = 150 mHt = 25 ms
i = A
12.Transitoires RC et RLDifficile
L’interrupteur aux bornes de R2 est fermé depuis longtemps, donc le courant de la bobine est permanent. À t = 0, l’interrupteur s’ouvre. Trouvez le courant de la bobine i à t = 1 ms.
Vs = 10 VR1 = 47 ΩR2 = 20 ΩL = 100 mHt = 1 ms
i = A
13.Impédance et phaseurs en alternatifMoyen
Un circuit RLC série est alimenté sous 100 V (efficaces), 200 Hz. Trouvez le facteur de puissance cos φ du circuit.
V = 100 V (rms)f = 200 HzR = 40 ΩL = 200 mHC = 2,2 µF
cos φ =
14.Impédance et phaseurs en alternatifDifficile
Un circuit RLC série est alimenté sous 10 V (efficaces), 100 Hz. Trouvez le courant efficace I.
V = 10 V (rms)f = 100 HzR = 40 ΩL = 150 mHC = 10 µF
I = A
15.Puissance alternative et facteur de puissanceMoyen
Un moteur monophasé absorbe 16 kW avec un facteur de puissance de 0,9 inductif sous 400 V. Trouvez le courant de ligne I.
P = 16 kWpf = 0,9V = 400 V
I = A
16.Puissance alternative et facteur de puissanceDifficile
Une charge monophasée absorbe 15 kW avec un facteur de puissance de 0,7 inductif sous 230 V, 60 Hz. Un condensateur branché en parallèle relève le facteur de puissance à 0,95. Trouvez la puissance réactive QC que le condensateur doit fournir.
P = 15 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,95V = 230 Vf = 60 Hz
QC = kvar
17.Puissance triphaséeMoyen
Une charge triphasée équilibrée absorbe un courant de ligne de 75 A sur un réseau de tension composée 480 V. Le facteur de puissance vaut 0,75 (inductif). Trouvez la puissance active totale P absorbée par la charge, en kW.
VL = 480 VIL = 75 Acos φ = 0,75
P = kW
18.Puissance triphaséeDifficile
Une charge triphasée équilibrée absorbe 200 kW avec un facteur de puissance de 0,7 (inductif) sur un réseau de 690 V (tension composée), 50 Hz. Une batterie de condensateurs triphasée branchée en parallèle avec la charge doit relever le facteur de puissance global à 0,92 (inductif). La puissance active reste la même. Trouvez la puissance réactive totale QC que doit fournir la batterie de condensateurs, en kvar.
P = 200 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,92VL = 690 Vf = 50 Hz
QC = kvar
19.TransformateursMoyen
Un transformateur parfait de rapport N₁:N₂ = 2:1 a son enroulement primaire sous 480 V. Une résistance de 30 Ω est branchée aux bornes de l’enroulement secondaire. Trouvez le courant primaire I1.
N1:N2 = 2:1V1 = 480 VRL = 30 Ω
I1 = A
20.TransformateursDifficile
Un transformateur monophasé de 250 kVA a des pertes fer de 750 W et des pertes cuivre de 2250 W à charge nominale. À quelle charge Sη,max, en kVA, son rendement est-il maximal ?
S = 250 kVAPcore = 750 WPcu,fl = 2250 W
Sη,max = kVA
21.Circuits à ampli opMoyen
L’ampli op est idéal et alimenté en ±15 V ; sa sortie sature à ±14 V. L’amplificateur inverseur est attaqué par un signal sinusoïdal. Trouvez la plus grande amplitude d’entrée Vin,max (valeur de crête) pour laquelle la sortie n’est pas écrêtée.
R1 = 10 kΩRf = 47 kΩVsat = ±14 V
Vin,max = V
22.Circuits à ampli opDifficile
L’amplificateur sommateur utilise un ampli op idéal alimenté en ±15 V. Trouvez la tension de sortie Vout.
4 LED vertes (tension directe 2,2 V chacune) sont branchées en série avec une résistance sur une alimentation de 24 V. Trouvez la résistance R qui fixe le courant à 25 mA.
Vs = 24 VVF = 2,2 Vn = 4I = 25 mA
R = Ω
24.Diodes et transistorsDifficile
Un transistor NPN de β = 50 commande une résistance de charge de 220 Ω branchée entre VCC = 5 V et son collecteur. L’émetteur est à la masse. La base est attaquée par une sortie logique de 5 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 4 fois supérieur au minimum nécessaire à la saturation. Trouvez RB en kΩ.
Le motif de 8 bits 1000 0100 stocke un entier signé en complément à deux. Quelle est sa valeur N en décimal ?
1000 01008 bit
N =
26.Systèmes de numérationDifficile
Un système doit donner à chacun de 3801 éléments son propre code binaire, tous de même longueur. Quel est le plus petit nombre de bits b nécessaire ?
3801
b = bit
27.Logique numérique : portes, tableaux de Karnaugh et basculesMoyen
Utilisez le tableau de Karnaugh pour trouver la forme produit de sommes (POS) minimale de F(A, B, C, D) = Σm(0, 2, 5, 7, 9, 10, 11, 14). Combien de termes somme (facteurs) N a-t-elle ?
F(A, B, C, D) = Σm(0, 2, 5, 7, 9, 10, 11, 14)
N =
28.Logique numérique : portes, tableaux de Karnaugh et basculesDifficile
Une bascule JK déclenchée sur front montant part de Q = 0 et reçoit les entrées représentées sur 7 fronts montants d’horloge. Combien de fois N Q change-t-il d’état ?
Q₀ = 0JK
N =
29.Transformées de LaplaceMoyen
F(s) = (4s + 13)/(s² + 10s + 24). Sa transformée inverse a la forme f(t) = A·e−4t + B·e−6t. Trouvez le coefficient A par décomposition en éléments simples.
F(s) = (4s + 13)/(s² + 10s + 24)
A =
30.Transformées de LaplaceDifficile
Un système est décrit par l’équation différentielle y″ + 2y′ + 2y = 2u, d’entrée u(t) et de sortie y(t). Trouvez sa fonction de transfert G(s) = Y(s)/U(s) (conditions initiales nulles) et calculez la réponse impulsionnelle g(t) à t = 0,6 s. Trouvez g(0,6).
y″ + 2y′ + 2y = 2ut = 0,6 s
g(0.6) =
31.Schémas fonctionnelsMoyen
Le système G(s) = K/((s + 1)(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 + 1)(s + 7))retour unitaire négatif
K =
32.Schémas fonctionnelsDifficile
Le système G(s) = 32/(s(s + 2)) est dans une boucle de rétroaction négative avec un capteur de gain H = 1. Les pôles en boucle fermée sont complexes. Trouvez leur partie imaginaire ωd (la valeur positive), en rad/s.
G(s) = 32/(s(s + 2))H = 1
ωd = rad/s
33.Réponse indicielleMoyen
Un système a pour fonction de transfert G(s) = 45/(s² + 4s + 15) et reçoit un échelon unitaire. Trouvez le temps de réponse à 2 % ts de la réponse indicielle, avec ts ≈ 4/(ζωₙ).
G(s) = 45/(s² + 4s + 15)
ts = s
34.Réponse indicielleDifficile
Un circuit RLC série avec R = 52 Ω, L = 200 mH et C = 47 µF est relié à un échelon de 10 V à t = 0. Le condensateur est déchargé et aucun courant ne circule avant l’échelon. Trouvez la pulsation propre non amortie ωn en rad/s.
R = 52 ΩL = 200 mHC = 47 µFV = 10 V
ωn = rad/s
35.Diagrammes de Bode et margesMoyen
Le filtre passe-haut RC représenté a R = 10 kΩ, C = 100 nF. Un signal d’entrée sinusoïdal de 40 Hz est appliqué. Trouvez le déphasage φ de vout par rapport à vin, en degrés.
R = 10 kΩC = 100 nFf = 40 Hz
φ = °
36.Diagrammes de Bode et margesDifficile
Une boucle à retour unitaire a pour fonction de transfert en boucle ouverte L(s) = 10/(s(s + 1)(s + 7)). Trouvez la marge de gain GM en dB.
L(s) = 10/(s(s + 1)(s + 7))
GM = dB
37.Stabilité : Routh–Hurwitz et lieu des racinesMoyen
La boucle du schéma fonctionne avec K = 8 et L(s) = K/(s(s + 1)(s + 4)). De quel facteur m peut-on augmenter le gain avant que la boucle fermée ne devienne instable ?
L(s) = K/(s(s + 1)(s + 4))K = 8
m =
38.Stabilité : Routh–Hurwitz et lieu des racinesDifficile
Le lieu des racines de L(s) = K(s + 10)/(s(s + 3)) quitte l’axe réel entre s = 0 et s = −3, fait une boucle et rejoint l’axe réel à gauche du zéro. Trouvez le point de séparation sb.
L(s) = K(s + 10)/(s(s + 3))
sb =
39.Erreur en régime permanent et commande PIDMoyen
Une boucle à retour unitaire a pour fonction G(s) = K/((s + 1)(s + 4)). Trouvez le gain K qui donne une erreur en régime permanent de 4 % pour une entrée en échelon.
G(s) = K/((s + 1)(s + 4))ess = 4 %
K =
40.Erreur en régime permanent et commande PIDDifficile
Un régulateur proportionnel K = 16 commande le procédé G(s) = 1/(s(s + 4)) dans une boucle à retour unitaire. Trouvez le temps de réponse à 2 % ts de la réponse indicielle, avec ts ≈ 4/(ζωₙ).
G(s) = 1/(s(s + 4))K = 16
ts = s
3Solutions
1.Résistances en série et en parallèle
Réponse: Req = 13,83 Ω
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.
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 = 20 + 2 = 22 Ω
R2 ∥ 22 = 2·22/(2+22) = 1,833 Ω
Req = R1 + 1,833 = 12 + 1,833 = 13,83 Ω
Réponse
Req = 13,83 Ω
2.Résistances en série et en parallèle
Réponse: IR1 = 1,017 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.
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 = 12 + 30 = 42 Ω
R4 ∥ 42 = 9,333 Ω
R3 + 9,333 = 14,33 Ω
R2 ∥ 14,33 = 9,699 Ω
Req = R1 + 9,699 = 8 + 9,699 = 17,7 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 = 18/17,7 = 1,017 A
Réponse
IR1 = 1,017 A
3.Méthode des nœuds
Réponse: I2 = −12,43 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.
Loi des nœuds en A
Prenez le fil du bas comme masse. Chaque branche emporte depuis A un courant (VA − Vk)/Rk, où Vk est la tension de sa source (zéro pour une simple résistance). La somme des courants sortant de A est nulle.
(VA − 30)/2 + (VA − (−30))/3 + (VA − 18)/10 = 0
Trouver VA
VA = (30/2 + (−30)/3 + 18/10) / (1/2 + 1/3 + 1/10) = 6,8/0,9333 = 7,286 V
Courant de branche
La flèche est orientée vers le haut dans la branche, vers le nœud A.
Un résultat négatif signifie que le courant réel circule à l’opposé de la flèche.
4.Méthode des nœuds
Réponse: IR1 = −1,189 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.
Poser les nœuds
La masse est le fil du bas. Les potentiels connus viennent directement des sources (V1 = 6 V, V2 = 30 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/4 + (VA − 6)/5 + (VA − VB)/2 = 0
0,95·VA − 0,5·VB = 1,2
Loi des nœuds au nœud B
Les courants qui quittent B par les résistances égalent le courant injecté dans B par les sources.
VB/R5 + (VB − VA)/R2 + (VB − V2)/R4 = Is
VB/5 + (VB − VA)/2 + (VB − 30)/3 = 5
−0,5·VA + 1,033·VB = 15
Résoudre
Δ = (0,95)(1,033) − (−0,5)(−0,5) = 0,7317
VA = Δ1/Δ = 8,74/0,7317 = 11,95 V
VB = Δ2/Δ = 14,85/0,7317 = 20,3 V
Réponse
IR1 = (V1 − VA)/R1 = (6 − 11,95)/5 = −1,189 A
5.Méthode des mailles
Réponse: IR3 = 2,164 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.
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
20·I1 + 3(I1 − I2) = 6
23·I1 − 3·I2 = 6
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
8·I2 + 3(I2 − I1) = (−24)
−3·I1 + 11·I2 = −24
Résoudre
Δ = (23)(11) − (−3)(−3) = 244
I1 = Δ1/Δ = −6/244 = −0,02459 A
I2 = Δ2/Δ = −534/244 = −2,189 A
Réponse
IR3 = I1 − I2 = 2,164 A
Un courant de maille négatif circule dans le sens antihoraire.
6.Méthode des mailles
Réponse: VR3 = −27,06 V
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.
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
5·I1 + 8(I1 − I2) = 9
13·I1 − 8·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
15·I2 + 8(I2 − I1) + 10(I2 − I3) = 0
−8·I1 + 33·I2 − 10·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
25·I3 + 10(I3 − I2) = (−36)
−10·I2 + 35·I3 = −36
Résoudre
Δ = déterminant de la matrice des coefficients = 11475
I1 = Δ1/Δ = 6615/11475 = 0,5765 A
I2 = Δ2/Δ = −2160/11475 = −0,1882 A
I3 = Δ3/Δ = −12420/11475 = −1,082 A
Réponse
IR3 = I3 = −1,082 A
VR3 = IR3·R3 = −1,082·25 = −27,06 V
Un courant de maille négatif circule dans le sens antihoraire.
7.Superposition
Réponse: VR2 = 20,8 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.
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 = 4+6 = 10 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 15·10/(15+10) = 6 Ω
VA = 24·6/(3+6) = 16 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 16·6/10 = 9,6 V
VR2′ = VA − 0 = 16 − 0 = 16 V
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) = 6 ∥ 6,5 = 3,12 Ω
VB = Is·Req = 4·3,12 = 12,48 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 12,48·2,5/6,5 = 4,8 V
VR2″ = VA − 0 = 4,8 − 0 = 4,8 V
Additionner les contributions
VR2 = VR2′ + VR2″
VR2 = 16 + 4,8 = 20,8 V
Un résultat négatif signifie que la polarité réelle est l’inverse de celle indiquée.
8.Superposition
Réponse: V2 = 7,8 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.
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) = 30 ∥ 28 = 14,48 Ω
VA = 36·14,48/(15+14,48) = 17,68 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 17,68·25/28 = 15,79 V
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 = 10 Ω, donc le chemin de gauche vaut R2+10 = 13 Ω
Req = R4 ∥ 13 = 8,553 Ω
VB = −Is·Req = −3·8,553 = −25,66 V
VA = VB·10/13 = −19,74 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 = 10 Ω
VA‴ = V2·10/(25 + 3 + 10) = 0,2632·V2
Égaler VA à zéro
Avec VA = 0, il n’y a aucune tension aux bornes de R₃, donc son courant est nul.
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.
Trouver Rth avec toutes les sources éteintes
Remplacez les sources de tension par des courts-circuits et les sources de courant par des circuits ouverts, puis regardez le circuit depuis a–b.
R1 ∥ R2 = 2·2/(2+2) = 1 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1 + 4 = 5 Ω
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) = 10·2/(2+2) = 5 V
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) = 5/(5 + 3) = 0,625 A
10.Thévenin et Norton
Réponse: IL = 1,22 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.
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 = 25·25/(25+25) = 12,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 12,5 + 25 = 37,5 Ω
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) = 18 + 1·12,5 = 30,5 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 30,5 + 1·25 = 55,5 V
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) = 55,5/(37,5 + 8) = 1,22 A
11.Transitoires RC et RL
Réponse: i = 0,4722 A
Régimes transitoires du premier ordre : dans un circuit avec un condensateur ou une bobine, chaque tension et chaque courant passe exponentiellement de sa valeur initiale à sa valeur finale : x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, avec τ = RC ou τ = L/R. Après environ 5τ, le circuit est stabilisé.
Constante de temps
τ = L/R = 150 mH / 10 Ω = 15 ms
Décroissance du courant
i(t) = 2,5·e−25/15 = 0,4722 A
Réponse
i = 0,4722 A
12.Transitoires RC et RL
Réponse: i = 0,1818 A
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
Avant t = 0, l’interrupteur fermé court-circuite R₂ ; ensuite, R₁ et R₂ sont toutes deux dans la boucle.
i(0) = 10/47 = 0,2128 A
i(∞) = 10/(47 + 20) = 0,1493 A
τ = L/R = 100/67 = 1,493 ms
i(t) = 0,1493 + (0,2128 − 0,1493)·e−t/τ
Courant à l’instant donné
i(1) = 0,1493 + (0,06351)·e−1/1,493 = 0,1818 A
Réponse
i = 0,1818 A
13.Impédance et phaseurs en alternatif
Réponse: cos φ = 0,3407
Circuits alternatifs et phaseurs : résistances, bobines et condensateurs ont pour impédances R, jωL et 1/(jωC), avec ω = 2πf. En série, les impédances s’additionnent comme des résistances, mais en nombres complexes. Courant et tension efficaces suivent la loi d’Ohm avec |Z|.
Réactances
XL = 251,3 Ω, XC = 361,7 Ω
Impédance
|Z| = √(40² + (−110,4)²) = 117,4 Ω
Facteur de puissance
cos φ = R/|Z| = 40/117,4 = 0,3407
Le circuit est capacitif, donc le facteur de puissance est capacitif (courant en avance).
Réponse
cos φ = 0,3407
14.Impédance et phaseurs en alternatif
Réponse: I = 0,1312 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·100 = 628,3 rad/s
XL = ωL = 628,3·0,15 = 94,25 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(628,3·10·10⁻⁶) = 159,2 Ω
Impédance
En série, les impédances s’additionnent comme des nombres complexes : Z = R + j(XL − XC).
Le même courant traverse tous les éléments d’un circuit série.
I = V/|Z| = 10/76,24 = 0,1312 A
Réponse
I = 0,1312 A
15.Puissance alternative et facteur de puissance
Réponse: I = 44,44 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.
Courant de ligne
Seule la partie active de la puissance fournit un travail, donc divisez par le facteur de puissance.
I = P/(V·cos φ) = 16000/(400·0,9) = 44,44 A
Réponse
I = 44,44 A
16.Puissance alternative et facteur de puissance
Réponse: QC = 10,37 kvar
Puissance en alternatif : la puissance apparente S = V·I (VA) se partage entre la puissance active P = S·cos φ (W), qui fournit un travail utile, et la puissance réactive Q = S·sin φ (var), qui fait des allers-retours entre source et charge. Le facteur de puissance est cos φ. Un condensateur en parallèle fournit la puissance réactive sur place, donc le courant de ligne baisse pour la même puissance active.
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 = 15·tan(45,57°) = 15,3 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 15·tan(18,19°) = 4,93 kvar
QC = Q1 − Q2 = 10,37 kvar
Réponse
QC = 10,37 kvar
17.Puissance triphasée
Réponse: P = 46,77 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.
Puissance apparente
S = √3·VL·IL = √3·480·75 = 62,35 kVA
Puissance active
P = S·cos φ = 62,35·0,75 = 46,77 kW
Réponse
P = 46,77 kW
18.Puissance triphasée
Réponse: QC = 118,8 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 0,92) = 200·0,426 = 85,2 kvar
Puissance réactive fournie par les condensateurs
QC = Q1 − Q2 = 118,8 kvar
Réponse
QC = 118,8 kvar
19.Transformateurs
Réponse: I1 = 4 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 = 480/2 = 240 V
I2 = 240/30 = 8 A
Courant primaire
Un transformateur parfait n’a pas de pertes : V₁·I₁ = V₂·I₂.
I1 = I2/2 = 4 A
Réponse
I1 = 4 A
Vérification : la charge vue du primaire vaut a²·RL = 120 Ω, et 480/120 donne le même courant.
20.Transformateurs
Réponse: Sη,max = 144,3 kVA
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 égales aux pertes fer
x²·2250 = 750 → x = √(750/2250) = 0,5774
Charge au rendement maximal
Sη,max = x·S = 0,5774·250 = 144,3 kVA
Réponse
Sη,max = 144,3 kVA
21.Circuits à ampli op
Réponse: Vin,max = 2,979 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.
Gain
|Av| = Rf/R1 = 47/10 = 4,7
Plus grande entrée avant écrêtage
Vin,max = Vsat/|Av| = 14/4,7 = 2,979 V
Réponse
Vin,max = 2,979 V
22.Circuits à ampli op
Réponse: Vout = 4,727 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 = −0,9/4,7 = −0,1915 mA
I2 = V2/R2 = 2/22 = 0,09091 mA
If = I1 + I2 = −0,1006 mA
Tension de sortie
Vout = −Rf·If = −47·(−0,1006) = 4,727 V
Réponse
Vout = 4,727 V
23.Diodes et transistors
Réponse: R = 608 Ω
Circuits à LED et à diode : une LED polarisée en direct présente à ses bornes à peu près sa tension directe VF (environ 2 V pour le rouge, 3 V pour le bleu ou le blanc), quel que soit le courant. Une résistance série fixe le courant : R = (Vs − n·VF)/I pour n LED en série. Avec un modèle de diode plus précis V = V₀ + I·rd, le point de fonctionnement est l’intersection de la caractéristique de la diode et de la droite de charge I = (Vs − V)/R, donc I = (Vs − V₀)/(R + rd).
Tension aux bornes de la résistance
VR = 24 − 4·2,2 = 15,2 V
Résistance
R = 15,2/0,025 = 608 Ω
Réponse
R = 608 Ω
La résistance dissipe 380 mW.
24.Diodes et transistors
Réponse: RB = 2,464 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) = (5 − 0,2)/220 = 21,82 mA
Courant de base minimal
IB(min) = IC(sat)/β = 21,82/50 = 436,4 µA
Courant de base de dimensionnement
IB = 4·436,4 µA = 1745 µA
Résistance de base
RB = (5 − 0,7)/IB = 4,3 V/1,745 mA = 2,464 kΩ
Réponse
RB = 2,464 kΩ
25.Systèmes de numération
Réponse: N = −124
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.
−128 + 4 = −124
Réponse
N = −124
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 < 3801
212 = 4096 ≥ 3801
Réponse
b = 12
27.Logique numérique : portes, tableaux de Karnaugh et bascules
Réponse: N = 4
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.
Regrouper les 0
Chaque groupe est un rectangle de 2ᵏ cases ; les cases de bord sont voisines des cases du bord opposé.
(A′ + C + D)
(A + B + D′)
(A + B′ + D)
(A′ + B′ + D′)
Forme POS minimale
F = (A′ + C + D)(A + B + D′)(A + B′ + D)(A′ + B′ + D′)
N = 4
Réponse
N = 4
28.Logique numérique : portes, tableaux de Karnaugh et bascules
Réponse: N = 2
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.
Q après chaque front
Une bascule JK : 00 conserve, 01 remet à 0 (Q = 0), 10 met à 1 (Q = 1), 11 change d’état.
1: J = 0, K = 0 → Q = 0
2: J = 1, K = 1 → Q = 1
3: J = 0, K = 1 → Q = 0
4: J = 0, K = 1 → Q = 0
5: J = 0, K = 1 → Q = 0
6: J = 0, K = 1 → Q = 0
7: J = 0, K = 1 → Q = 0
Compter les changements
0 → 0 → 1 → 0 → 0 → 0 → 0 → 0
N = 2
Réponse
N = 2
29.Transformées de Laplace
Réponse: A = −1,5
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).
Factoriser le dénominateur
s² + 10s + 24 = (s + 4)(s + 6)
F(s) = A/(s + 4) + B/(s + 6)
Méthode des résidus
Multipliez par (s + 4) et posez s = −4 : le terme en B disparaît.
A = (4s + 13)/(s + 6) |s = −4 = −3/2 = −1,5
Réponse
A = −1,5
(B = 5,5, donc f(t) = −1,5·e−4t + 5,5·e−6t)
30.Transformées de Laplace
Réponse: g(0.6) = 0,6198
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).
Fonction de transfert
G(s) = Y(s)/U(s) = 2/(s² + 2s + 2)
Décomposition en éléments simples
s² + 2s + 2 = (s + 1)² + 1²
G(s) = (2/1)·1/((s + 1)² + 1²)
Réponse impulsionnelle
g(t) = e−t·(2·sin 1t)
g(0,6) = 0,6198
Réponse
g(0,6) = 0,6198
31.Schémas fonctionnels
Réponse: K = 9
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 + 1)(s + 7)) = 0 → s² + 8s + 7 + K = 0
Racine double
Un trinôme s² + βs + γ a une racine double quand β² = 4γ.
8² = 4(7 + K) → K = 64/4 − 7 = 9
Réponse
K = 9
Les deux pôles en boucle fermée sont alors en s = −4.
32.Schémas fonctionnels
Réponse: ωd = 5,568 rad/s
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
s(s + 2) + 32·1 = 0 → s² + 2s + 32 = 0
Racines
s = −1 ± j·√(32 − 1) = −1 ± j5,568
ωd = 5,568 rad/s
Réponse
ωd = 5,568 rad/s
33.Réponse indicielle
Réponse: ts = 2 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 = 15 → ωₙ = 3,873 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·3,873) = 0,5164
Résultat
ζωₙ = 2 → ts ≈ 4/2 = 2 s
Réponse
ts = 2 s
34.Réponse indicielle
Réponse: ωn = 326,2 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).
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/(10000·1 × 10⁻⁷) = 1000 rad/s
fc = 159,2 Hz → f/fc = 40/159,2 = 0,2513
Phase
φ = 90° − atan(0,2513) = 75,89°
Réponse
φ = 75,89°
36.Diagrammes de Bode et marges
Réponse: GM = 14,96 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.
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 + 5s² + 4s + K = 0
s³: 1, 4
s²: 5, K
s¹: (5·4 − K)/5
s⁰: K
Plus grand gain stable
Kmax = 5·4 = 20
Facteur
m = 20/8 = 2,5
Réponse
m = 2,5
Ce facteur est la marge de gain exprimée en rapport : 7,959 dB.
38.Stabilité : Routh–Hurwitz et lieu des racines
Réponse: sb = −1,633
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 le long de l’axe réel
K(s) = −(s² + 3s)/(s + 10)
Points stationnaires
Dérivez avec la règle du quotient et annulez le numérateur.
(2s + 3)(s + 10) − (s² + 3s) = s² + 20s + 30 = 0
s = −10 ± √70 = −1,633, −18,37
Point de séparation
sb = −1,633
Réponse
sb = −1,633
Entre les deux points de séparation et de jonction, le lieu est un cercle centré sur le zéro, de rayon √70 = 8,367.
39.Erreur en régime permanent et commande PID
Réponse: K = 96
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’erreur requise
1/(1 + Kp) = 0,04 → Kp = 24
Gain
K/4 = 24 → K = 96
Réponse
K = 96
Vérifiez aussi la stabilité en boucle fermée : pour cette boucle du second ordre, tout K > 0 est stable.
40.Erreur en régime permanent et commande PID
Réponse: ts = 2 s
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 + 4) + 16·1 = s² + 4s + 16
ωₙ et ζ
ωₙ = √16 = 4 rad/s
ζ = 4/(2·4) = 0,5
Temps de réponse
ζωₙ = 4/2 = 2
ts ≈ 4/2 = 2 s
Réponse
ts = 2 s
Le temps d’établissement ne dépend pas de K ici : augmenter K ne fait qu’accélérer les oscillations de la réponse.
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