CONSERVATOIRE NATIONAL DES ARTS ET METIERS

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1 ONSEVAOIE NAIONAL DES AS E MEIES ELEONIQUE ANALOGIQUE PH / ELE 4 / DU GEII ere année Dder LE UYE / Perre POVEN Janer

2 ABLE DES MAIEES APPELS D ELEOINEIQUE...5. Introducton Matéraux en électrcté ourant électrque, hamp électrque et dfférence de potentel Los fondamentales Lo des malles Lo des nœuds Générateurs déaux Générateur de tenson déal Générateur de courant déal... 8 LES DIPOLES PASSIFS ELEMENAIES...9. Introducton aractérstque d un dpole Les dpôles passfs élémentares..... ésstance..... Bobne d nducton..... ondensateur....4 Los générales des dpôles passfs....5 Assocaton de dpôles de même nature....6 égme snusoïdal....7 Dagrammes de Fresnel et los des dpôles en régme snusoïdal Notaton complexe et mpédance complexe... 7 PUISSANE E ENEGIE.... Défntons.... as partculers Energe consommée dans une résstance Energe dans une bobne Energe dans un condensateur Pussance acte, réacte, apparente et complexe dans un dpole quelconque Force électromotrce et force contre électromotrce Générateur et force électromotrce écepteur et force contre électromotrce... 4 MEHODES D ANALYSE DES ESEAUX Introducton Méthode des courants des malles héorème de Mllman héorème de superposton héorème de héenn et de Norton Grandeurs caractérstques d un dpôle héorème de héenn héorème de Norton elaton entre les deux théorèmes héorème de Kennely FAEU DE QUALIE E IUI ESONNAN...4

3 5. Oscllatons lbres dans un crcut L Facteur de qualté d un crcut Défnton Facteur de qualté d un élément réactf réel Généralsaton du facteur de qualté Le crcut résonnant sére LES QUADIPOLES Défntons Descrpton matrcelle du quadrpôle Matrces mpédances Matrces admttances Matrces hybrdes Matrce de transfert ou matrce chaîne Schémas équalents du quadrpôle eprésentaton matrcelle mpédance eprésentaton matrcelle admttance eprésentaton matrcelle hybrde Assocaton de quadrpôles Assocaton sére Assocaton parallèle Assocaton en cascade Grandeurs caractérstques d un quadrpôle Adaptaton d mpédance FILAGE, DIAGAMMES DE BODE Introducton au fltrage Défntons Echelle logarthmque et dagramme de Bode Fonctons de transfert de base Intégrateur Dérateur Intégrateur réel ou fltre passe bas du premer ordre Dérateur réel Fltre passe-haut du premer ordre fltre passe bas du second ordre fltre passe haut du second ordre Fonctons de transfert quelconques L AMPLIFIAEU OPEAIONNEL IDEAL Généraltés Introducton aractérstques de l amplfcateur opératonnel déal aractérstques de l amplfcateur opératonnel réel AOP utlsé aec contre-réacton ou en boucle fermée Montages amplfcateurs Amplfcateur nerseur Amplfcateur non nerseur Sueur de tenson ou adaptateur d mpédance Montages opératonnels Addtonneur nerseur Soustracteur (ou dfférentateur) Addtonneur non nerseur Intégrateur Dérateur Amplfcateur logarthmque Montages conertsseurs onertsseur ourant-enson Impact de la bande passante de l AOP... 95

4 9 SUUES LASSIQUES POU EALISE DES FILES AIFS Introducton ellule de auch ellule de auch pour fltre passe-bas du second ordre Structure de Sallen et Key ou structure à source de tenson commandée Structure de Sallen et Key pour fltre passe-bas du second ordre ransformaton passe-bas -> passe-haut Structure de auch pour fltre passe-haut du second ordre Structure de Sallen et Key pour fltre passe-haut du second ordre... EALISAION DE FILES.... Le gabart.... Dfférents types de fltres.... Etude du fltre passe-bas de Butterworth Introducton Détermnaton de l ordre N du fltre pour qu l satsfasse à un gabart Détermnaton de la foncton de transfert du fltre Détermnaton des pôles du fltre de Butterworth Etude du fltre passe-bas de chebyche Introducton Présentaton du fltre de chebyche alcul du taux d ondulaton dans la bande passante Détermnaton de l ordre N du fltre pour qu l satsfasse à un gabart Détermnaton de la foncton de transfert du fltre... MONAGES AOP EN EGIME NON LINEAIE...4. ontre-réacton poste sur un AOP : fonctonnement en boucle fermée omparateur de tenson smple Montages de base Lmtaton de la tenson de sorte de l AOP omparateur à hystéréss ou rgger de Schmtt Justfcaton d un tel comparateur omparateur à hystéréss ou trgger de Schmtt Varante de trgger Oscllateur à relaxaton ou multbrateur astable Introducton Analyse théorque Varante d'oscllateur à relaxaton: générateur de sgnaux trangulares... 4

5 APPELS D ELEOINEIQUE. Introducton L électrocnétque étude la crculaton des courants électrques dans les crcuts électrques composés d un ensemble d éléments appelés composants comme les générateurs (ples, ), les composants passfs (résstance, bobne d nducton, condensateur) et les composants actfs (transstor, amplfcateur opératonnel, ). es éléments sont relés entre eux par des fls conducteurs.. Matéraux en électrcté Les électrons se déplacent dans les soldes plus ou mons faclement selon le matérau. La charge d un électron est égale à,6. -9 oulomb. On dstngue types de matéraux : Les conducteurs : matéraux dans lesquels un champ très fable sufft à fournr une énerge permettant le déplacement des électrons lbres (porteurs de charges arrachés à chaque atome). On a un à deux électrons lbres en moyenne par atome. La concentraton en électrons dépend du matérau ; par exemple pour le cure, on a 8 électrons par m. Les solants : pas d électron lbre. La qualté de l solant dépend de la pureté du matérau Les sem-conducteurs : la concentraton en électrons dépend du matérau et de la température. Les électrons sont dsposés dans des bandes permses séparées par des bandes dtes nterdtes. Une certane quantté d énerge permet de fare passer des électrons d une bande permse plene (bande de alence) ers la bande de (bande de conducton) générant ans des trous électrquement équalents à des charges postes dans la bande de alence. Les sem-conducteurs sont utlsés dans la plupart des crcuts actfs.. ourant électrque, hamp électrque et dfférence de potentel Au XVIIIe sècle, le phénomène électrque est étudé, expérmenté, ensegné ; l enthousasme les cours et les salons. Mas l faut attendre 799 et l'nenton de la ple par Volta pour pouor dsposer d'une source de courant. L'Italen Alessandro Volta découre en 799 que le contact de deux métaux dfférents produt un courant électrque. Volta " emple " alternatement des dsques de znc, d'argent et de carton mbbé de soluton salée dans laquelle des ons postfs ou négatfs se déplacent. La ple, qu l présente en 8 à Napoléon à l'académe des Scences, oure une nouelle ère car elle permet d'obtenr un courant contnu et donc permanent. Fgure : prototype de la ple de Volta En 89, André-Mare Ampère ntrodut le premer la noton de courant électrque et la dstngue fermement de celle de la tenson électrque. Il donne une forme mathématque à cette nouelle scence ce qu lu permet d'en calculer les effets. Ampère réalse l'expérence suante : une bobne de conducteur est almentée par une ple. Il 5

6 émet l'hypothèse que, lorsqu'elle est almentée, la bobne est traersée par une grandeur qu'l appelle courant électrque, que cette grandeur possède un sens, qu'l chost arbtrarement du pole de la ple ers le pole - et une ntensté dont l montrera l'expresson mathématque à l'ade d'autres expérences. Fgure : eprésentaton par Ampère de ses courants élémentares. Le débt de charge ou courant électrque est donné par la relaton : dq I I s exprme en ampère. dt Les los du courant électrque ont été étudée par Ampère ( ) au début du 9 ème sècle. Par conenton le sens du courant est le sens contrare du déplacement des électrons. emarque : à l'époque d'ampère, l'électron état nconnu (l sera découert en 897 par J.J. homson), l ne saat pas que le sens de parcours du courant qu'l a chos est nerse à celu de déplacement des électrons qu génèrent ce courant électrque. On gardera néanmons par la sute le sens défn par Ampère. Le sens arbtrare de crculaton du courant électrque a du pole du générateur ers le pole -. Le déplacement d ensemble des électrons n est possble que s ls sont soums à une force électrostatque. ette force est due à l exstence d un champ électrque (F qe) créé par une dfférence entre le nombre d électrons présents sur les bornes et du générateur. Là où l y a plus d électrons, autrement dt le pont où la charge négate est la plus grande, c est la borne -. La dfférence de potentel entre deux ponts A et B d un crcut VAB VA VB peut-être ue comme un moyen smple de quantfer cette dfférence de nombres d électrons, et l ntensté comme une façon commode de quantfer le nombre d électrons se déplaçant dans un conducteur. On a la relaton : V AB V A V B B A Edr Les dfférences de potentel s exprme en olt et le champ électrque E s exprme en olt par mètre..4 Los fondamentales Un réseau ou crcut électrque est un ensemble de conducteurs relant entre eux des éléments appelés composants : résstance, condensateur, bobne de self-nducton, dode, transstor, Dans un réseau électrque, on dstngue : - le nœud : pont de raccordement entre au mons deux conducteurs - la branche : porton du réseau comprs entre deux nœuds - la malle : parte du réseau qu se referme sur elle-même.4. Lo des malles Sot le réseau suant : 6

7 V A -V B V F -V A M A B V A V B V V B -V E V F V E V D F E D noeuds : A-B--D-E-F branches : AB-B-D- DE-BE-EF-FA malles : ABEFA ABDEFA BDEB V E -V F Sot une charge q se déplaçant le long d une malle ; chaque nœud de la malle se troue à un potentel ben défn par rapport à un nœud d orgne ou de référence commune M dont le potentel est appelée masse. q se déplace le long de la malle ABEFA et subt des aratons d énerge potentelle le long du parcours. On a : q( VA VB VB VE VE VF VF VA) q() car la charge q est reenue au pont ntal. B V V D A V On chost un sens arbtrare de parcours sur la malle : par exemple le sens des agulles d une montre. Les dfférences de potentel sont des grandeurs algébrques et ont des orentatons arbtrares. Par conenton, les dfférences de potentel des flèches parcourues dans le même sens que le parcours seront comptées postement. V 6 V 4 V A V B F E On a c : V 5 Défnton : La somme des dfférences de potentel le long d une malle est nulle. ette lo est baptsée lo des malles ou premère lo de Krschhoff. Mathématquement on a :.4. Lo des nœuds Le mouement des charges, créant le courant est soums aux los de la physque : conseraton de l énerge, de la quantté de mouement et de la charge (de la matère). 5 4 N On chost un sens arbtrare pour chaque courant. Par conenton, les courants se drgeant dans le même sens que les flèches seront comptées postement. Sot le nœud N un pont de raccordement de pluseurs conducteurs traersés par des courants. En un nœud, l ne peut y aor accumulaton de charges. On 7 a donc c : 4 5

8 Défnton : La somme des courants entrant est égale à la somme des courants sortant. ette lo est baptsée lo des nœuds ou seconde lo de Krschhoff. Mathématquement on a :.5 Générateurs déaux.5. Générateur de tenson déal Un générateur de tenson déal délre une dfférence de potentel ndépendante du courant qu l délre. On représente ce générateur par les symboles suants : E E ancenne représentaton nouelle représentaton e générateur de tenson n exste pas et en pratque, la dfférence de potentel en sorte d un générateur de tenson décrot en foncton du courant de sorte..5. Générateur de courant déal Un générateur de courant déal délre un courant ndépendamment de la dfférence de potentel entre ses bornes. On représente ce générateur par les symboles suants : I I ancenne représentaton nouelle représentaton 8

9 LES DIPOLES PASSIFS ELEMENAIES. Introducton Les composants utlsés en électronque présentent des bornes électrques ou pôles permettant leur connexon dans un réseau. On dstngue : - les dpôles ( pôles) comme les résstances, les condensateurs, les bobnes, les ples, les dodes, - les quadrpôles (4 pôles) comme par exemple les transformateurs, les fltres.. aractérstque d un dpole Sot un dpole traersé par un courant électrque I et dont la dfférence de potentel entre ses bornes est U. La caractérstque de ce dpole est la courbe If(U). Suant l allure de cette courbe, on peut dstnguer dfférentes famlles de dpole. Dpole lnéare : la caractérstque If(U) est une drote d équaton IaUb. Par exemple, les résstances et les générateurs de tenson et de courant déaux sont des dpoles lnéares. S la caractérstque If(U) n est pas une drote le dpole est non lnéare Dpole passf : un dpôle est passf s son ntensté de court-crcut est nulle et s la dfférence de potentel à ses bornes est nulle en crcut ouert. Dt autrement, pour un dpole passf, on a I s U.Les tros crcuts passfs prncpaux sont la résstance, la bobne d nducton et la capacté. Dans les autres cas, on dt que le dpole est actf. Exemple : I () Le dpole est lnéare et passf (l s agt d une résstance) Le dpole est non lnéare et passf (dode) Le dpole est lnéare et actf (générateur de tenson non parfat) Le dpole 4 est lnéare et actf (générateur de tenson parfat) () () U 9

10 . Les dpôles passfs élémentares.. ésstance Une résstance est un dpôle consttué par un matérau conducteur et caractérsé par sa résstance exprmée en ohm ( Ω ) La résstance s obtent comme sut : l ρ s Où ρ est la résstté en Ω m, l est la longueur et s est la secton du conducteur. 8 Pratquement ρ are entre et 6 8 Ωm ( cure,5. Ω m ) Il exste également des résstances dont la résstance are en foncton d un paramètre comme la température (thermstance)... Bobne d nducton La bobne d nducton est un dpôle consttué d un conducteur métallque enroulé autour d un support cylndrque. Lorsqu un courant traerse celle-c, elle produt un champ magnétque dans l espace enronnant Le coeffcent d nducton ou nductance qu s exprme en henry (H) est le suant : s L μn l N est le nombre de spres. s est la secton du conducteur métallque en m et l est la longueur du support cylndrque. μ en H/m est la perméablté : μ μμ 7 μ 4π est la perméablté dans le de et μ est la perméablté relate mleu/de. Une bobne pure n exste pas. En pratque, elle est toujours en sére aec une pette résstance... ondensateur Un condensateur est formé de deux conducteurs dont l un entoure complètement l autre (condensateur cylndrque) ou de deux conducteurs plans séparées par un solant (condensateur plan). On démontre qu l exste un coeffcent postf ne dépendant que de la géométre du condensateur tel que la charge électrque totale Q d un condensateur sot donnée par : Q V en oulomb où V est la dfférence de potentel entre les armatures du condensateur. La capacté s exprme en farad (F). Pour un condensateur plan, on a : ertans auteurs utlsent la termnologe résstor pour ben dstnguer le nom du dpôle. Dans ce document, nous utlserons le mot résstance pour désgner le dpôle et sa aleur. On rappelle que la charge élémentare d un électron est égale à,6. 9 oulomb

11 S ε e S est la surface de l armature du condensateur et e est la dstance entre les deux armatures. ε est la permttté en F/m : ε ε ε ε 8,84. est la permttté du de et ε est la permttté relate mleu/de. omme farad représente une très grande capacté, on utlse généralement les sous-multples comme le mcrofarad ( μf 6 F), le nanofarad ( nf 9 F) et le pcofarad( pf F)..4 Los générales des dpôles passfs Il exste deux chox pour l orentaton du courant et de la dfférence de potentel DIPOLE onenton récepteur DIPOLE onenton générateur Nous allons mantenant rappeler les los générales des types de dpôles passfs élémentares : résstance, bobne et condensateur : L d L dt dt d G dt L dt en ohms (Ω) L en henry en farad remarques :

12 Dans une bobne, le courant ne peut pas subr une araton brutale : mplquerat une dfférence de potentel. De la même façon, la dfférence de potentel aux bornes d un condensateur ne peut pas arer brutalement d dt nstantanément : mplquerat un courant. En contnu, la bobne est un court-crcut et le condensateur est un crcut ouert. d dt.5 Assocaton de dpôles de même nature en sére : L L L d d L L L dt dt L L L d dt dt dt dt Généralsaton : Généralsaton : Généralsaton : L L en parallèle : L L L

13 Généralsaton : dt dt L L L L L L dt d d dt dt Généralsaton : d dt Généralsaton : L L.6 égme snusoïdal Après aor rappelé les los générales, nous allons nous ntéresser au régme snusoïdal qu est le régme de fonctonnement le plus souent utlsé en électronque. Sot un courant arant en foncton du temps selon la lo snusoïdale suante : t () I sn( t ϕ) I est l ampltude maxmum du sgnal en ampère. (t) I I snϕ t I t ϕ I Sot Φ () t t ϕ la phase du courant foncton lnéare en foncton du temps en radan. ϕ est la phase à l orgne : ϕ Φ () En dérant Φ par rapport au temps on obtent la pulsaton : dφ en radan/seconde dt La fréquence f est le nombre de pérodes par seconde. f s obtent en dsant la pulsaton par π dφ f en seconde - ou Hertz π dt π

14 On a la relaton suante entre la fréquence f et la pérode : f Pour éter des calculs fastdeux lors de l étude des assocatons de dpoles en sére et en parallèle on utlse deux méthodes pratques: - le dagramme de Fresnel - la notaton complexe.7 Dagrammes de Fresnel et los des dpôles en régme snusoïdal D une manère générale, un dagramme de Fresnel permet de représenter une foncton snusoïdale x ( t) X sn( t ϕ) par un ecteur x OM. M t ϕ orgne des phases Le ecteur x OM tourne autour du pont d orgne à la tesse angulare. Sa longueur est égale à X et l angle entre l axe orgne des phases et x est égal à t ϕ. En pratque, comme tous les ecteurs consdérés tournent autour de aec la même tesse angulare, on smplfe la représentaton en consdérant les ecteurs à l nstant t. On notera le ecteur x [ X ϕ] Les dagrammes de Fresnel permettent de représenter graphquement et par des ecteurs ϕ ] et [ V ϕ ] dans une base orthonormée. I [ t I t eprenons l expresson du courant ( ) sn( θ ). Supposons pour smplfer les notatons que la phase à l orgne θ. On a donc ( t) I sn t Nous allons applquer les los générales aux dpôles résstance, bobne et condensateur. as de la résstance : I sn t V sn t aec V I Les deux ecteurs et sont en phase V I I as de la bobne : 4

15 d L dt d L dt ( I sn t) π LI cos t V sn( t ) aec V LI Pour la bobne, le ecteur est en aance de π sur le ecteur. V LI I L I I (t) (t) t as du condensateur : dt I tdt sn I cos t V sn( t π ) aec V I Pour le condensateur, le ecteur est en retard de π sur le ecteur. I I V I I (t) (t) t 5

16 Pour les untés,, L et sont homogènes à des ohms (Ω). Lorsque, L, la bobne se comporte comme un court-crcut. et, le condensateur se comporte comme un crcut ouert. Lorsque, L, la bobne se comporte comme un crcut ouert et, le condensateur se comporte comme un court crcut. Nous allons mantenant nous nteresser à l assocaton de dpoles de nature dfférentes. as de l assocaton d une résstance et d une capacté en sére : I I sn t sn t I I π dt cos t sn( t ) V sn( t ϕ) ϕ I I I w le ecteur est la somme des ecteurs et ϕ est l angle entre les ecteurs et (c ϕ est négatf) On a : V I I I tanϕ ϕ arctan kπ arctan V sn( t ϕ) I sn tarctan as de l assocaton d une résstance et d une bobne en sére : 6

17 L L I I sn t sn t d π L L L I cos t L I sn( t ) dt V sn( t ) L I L ϕ L I ϕ le ecteur est la somme des ecteurs L I et ϕ est l angle entre les ecteurs et (c ϕ est postf) On a : V I L I I L tan ϕ L L ϕ arctan V sn( t ϕ) L I L sn t arctan.8 Notaton complexe et mpédance complexe Dans le cas du régme snusoïdal, on utlse les nombres complexes pour smplfer les calculs des dpôles de nature dfférente. Une grandeur snusoïdale (courant ou dfférence de potentel) est caractérsé par deux nombres : l ampltude et la phase nstantanée Φ( t) t θ. Il est donc naturel de représenter une grandeur snusodale par un nombre complexe lorsque le crcut est lnéare et que les opératons à effectuer sont auss lnéares. Défnton : un crcut est lnéare s : soums à un courant ( t) I cos t, la dfférence de potentel est ( t) V cos( t ϕ) soums à un courant ( t) I sn t, la dfférence de potentel est ( t) V sn( t ϕ) alors soums à la combnason lnéare λ t) μ ( ), la dfférence de potentel est de la forme λ ( t) μ ( t) ( t 7

18 λ μ λ μ Posons λ et μ j. La dfférence de potentel assocée à la combnason lnéare t) ( t) j ( t) I (cos t j sn t) I exp( j ) est la suante : ( t ( ) t () () t j() t V cos( t ϕ) jsn( t ϕ) Vexp( j t jϕ) Dans le reste de ce document, on se lmtera à l étude des crcuts lnéares aec des opérateurs lnéares (addton, multplcaton par constante, dératon, ntégraton). S le courant est de la forme ( t) I cos t ( ( t)) parte réelle de (t), la dfférence de potentel ( t) V (cos t ϕ) ( ( t)) parte réelle de (t). De même la dfférence de potentel ( t ) assocé au courant ( ) sn ( ( t I t I t)) est t) V (sn t ϕ) I( ( )) ( t On défnt l mpédance complexe d un dpôle comme sut : aec I exp( j ) et V exp( j t j ) t exp( jarg( )) V exp( jt jϕ ) I exp( jt) V exp( jϕ ) I Le module de l mpédance complexe est égal à : V I et l argument de l mpédance complexe est égal à : On a donc : V exp( jϕ) I as de la résstance : Nous aons u que On a : arg( ) ϕ ϕ 8

19 I exp( j ) t L mpédance complexe de la résstance est donc : On retroue les résultats obtenus en utlsant le dagramme de Fresnel. as de la bobne : d L dt d calculons : dt d dt d d I cos( t) j sn( t) dt dt I [ sn( t) j cos( )] t I j cos( t) sn( t) j ji cos( t) j sn( t) [ ] j dérer reent donc à multpler par j On a : d L dt jl jl I exp( j ) t L mpédance complexe de la bobne est donc : jl ette expresson peut auss s écrre π π π π L exp j comme exp j cos j sn j as du condensateur : dt calculons dt : dt I t) dt cos( j I sn( t) dt I I sn( t) j cos( t) I j cos( t) sn( t) j I cos( t) j sn( t) j j [ ] ntégrer reent donc à dser par j 9

20 On a : dt I j j exp( j ) t L mpédance complexe du condensateur est donc : j π ette expresson peut auss s écrre exp j comme π π π exp j cos j sn j j omme dans le paragraphe précédent sur le dagramme de Fresnel, nous allons mantenant étuder l assocaton de dpoles de nature dfférentes en utlsant les mpédances complexes. as de l assocaton d une résstance et d une capacté en sére : snusodal > I exp( j ) > t > j. j On retroue le module et l argument de exp( jϕ) : ϕ arctan et tanϕ A partr de ce calcul l est possble d exprmer u (t) Par exemple, s t) I sn t ( u ( t) I sn( t ϕ) alors nous aurons : as de l assocaton d une résstance et d une bobne en sére : L L

21 snusodal > I exp( j ) > > L L jl t [ jl ] L. On retroue le module et l argument de exp( jϕ) : ϕ L et arctan L L tan ϕ S ( t) I cos( t), on a la relaton ( t) ( ) [ jl] I exp( j ) t exp( jϕ) I exp( jt) I exp( jt jϕ) ( t) ( ) I cos( t ϕ) En résumé : S ( t) I cos( t) () S ( t) I sn( t) I() et ( t) ( ) et ( t) I( ) On retroue aec les mpédances complexes les même los que celles étables pour l assocaton de résstances de même nature : On a ans u que l utlsaton de l mpédance complexe permet de remplacer les équatons dfférentelles par des équatons algébrques ce qu smplfe grandement l étude de l assocaton de crcuts de nature dfférente en régme snusodal. On retroue aec les admttances complexes les même los que celles étables pour l assocaton de condensateurs de même nature :

22 Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Dseur de tenson Dseur de courant

23 PUISSANE E ENEGIE. Défntons S on applque une dfférence de potentel A B entre deux ponts A et B d un dpole, les charges se déplaçant de B ers A subssent une araton d énerge potentelle Pour une charge élémentare dq se déplaçant de B ers A, le traal ou l énerge potentelle dw s exprme comme sut : dw dq pendant le temps dt Le déplacement de la charge élémentare dq sous l effet du champ électrque ndut par la dfférence de potentel dq entre les ponts A et B en un temps dt ndut un courant. dt D ou l énerge potentelle : dw dt Le traal fourn (cas d un générateur) ou reçu (cas d un récepteur) par l élément du crcut entre A et B entre les nstants t et t est : W Défnton : la pussance nstantanée (t) rapport au temps. p t t dw p dt dt W en Joules fourne ou reçue par le dpole entre A et B est la dérée de W par p peut donc auss être défne comme sut : p La pussance nstantanée p est le produt de la dfférence de potentel (t) par le courant (t) S > p, le dpôle est récepteur ; s < p le dpôle est générateur. Défnton : la aleur moyenne d une foncton quelconque (t) t xmoy x( t) dt t t t S x(t) est pérodque de pérode, alors on a : xmoy x( t) dt S x(t) est snusodale, alors x MOY. x sur l nteralle de temps t t est Par conenton, on utlsera des lettres mnuscules pour les arables et des lettres majuscules pour les constantes

24 La pussance moyenne P est calculée sur un nteralle de temps ; ] P t t t dw t t t pdt t t t t t t dt [ t t comme sut : S et sont snusodaux de pérode, le calcul de la pussance moyenne P se fat sur l nteralle de temps P dt P en watts Défnton : la aleur effcace d une foncton pérodque x (t) centrée (de aleur moyenne nulle) de pérode est : xeff x ( t) dt S la foncton (t) x est snusodale, on a : x t) X sn t ( ( cos t) X xeff X sn tdt X dt D où x EFF X. as partculers.. Energe consommée dans une résstance as V et I contnus : V I La pussance moyenne est égale à la pussance nstantanée P : t V P VIdt VI I t t t L énerge dsspée thermquement sur l nteralle de temps t t est : t V W VIdt VI( t t) ( t t) P( t t) t as et snusodaux : I sn t et V sn t I sn t p I sn t I cos t L énerge dsspée W pendant une pérode est : 4

25 W W cos t pdt I dt I I V V I et P En régme snusoïdal, pusque I V I EFF et V EFF, on a la relaton entre P, V EFF, I EFF P V I EFF EFF.. Energe dans une bobne as et snusodaux : d π I sn( t) et L L I cos( t) L I sn t dt L I sn( t)cos( ) p t L I sn( t) car sn α snα cosα W W t t L I L I pdt sn( tdt ) t t t LI [ cos( t) ] ( cos( ) cos( )) t t t 4 alculons l énerge stockée pus resttuée par la bobne pendant une pérode Entre et, l are soutendue par p (t) est poste ; la bobne stocke de l énerge. Elle se comporte en 4 récepteur. alculons l énerge stockée pendant cette phase. On a : LI π LI W stockéee cos() cos

26 Entre et, l are soutendue par p (t) est négate ; la bobne resttue de l énerge. Elle se comporte en 4 générateur. alculons l énerge resttuée pendant cette phase. On a : W resttuée LI π π LI cos.. cos Pendant la durée, l énerge dépensée par la bobne est nulle. On dt que le dpôle est purement réactf. L énerge stockée (sous forme magnétque) pendant 4 est resttuée ntégralement pendant le quart de pérode suant. I stockée resttuée (t) p (t) I u(t) /4 / t.. Energe dans un condensateur as et snusodaux : I sn( t) et I I π dt cos( t) sn t w w I p sn( t)cos( t) I sn t car sn α snα cosα W W t t I pdt sn( tdt ) I 4 t t t I I [ cos( t) ] ( cos( ) cos( )) ( cos( ) cos( )) t t t t t 4 4 alculons l énerge resttuée pus stockée par le condensateur pendant une pérode 6

27 Entre et, l are soutendue par p (t) est négate ; le condensateur resttue de l énerge. Il se comporte en 4 générateur. alculons l énerge resttuée pendant cette phase. On a : W resttuée I π I cos.. cos() 4 4 Entre et, l are soutendue par p (t) est poste ; le condensateur stocke de l énerge. Il se comporte en 4 récepteur. alculons l énerge stockée pendant cette phase. On a : W stockée I π π I cos.. cos Pendant la durée, l énerge dépensée par le condensateur est nulle. omme la bobne, le condensateur est un dpôle purement réactf. L énerge resttuée pendant 4 est stockée (sous forme électrque) ntégralement pendant le quart de pérode suant. resttuée stockée I (t) p (t) u(t) /4 / t En résumé pour un sgnal (t) snusodal : phase Bobne L condensateur à 4 à 4 La bobne stocke LI La bobne resttue (magnétque) LI Le condensateur resttue Le condensateur stocke I I (électrque) 7

28 Pusque I On a auss l énerge stockée par le condensateur est égale à V O V as de l assocaton d une bobne et d un condensateur : L assocaton d une bobne et d un condensateur parfat est telle que pendant chaque phase, l énerge stockée dans la bobne est égale à l énerge resttuée par le condensateur et ce ersa. et échange mplque la relaton : LI I sot L pulsaton de résonance L échange d énerge se fat donc au rythme de la pulsaton de résonance. Nous reendrons sur les crcuts résonnants dans un prochan chaptre.. Pussance acte, réacte, apparente et complexe dans un dpole quelconque I cos t et V cos( t ) ϕ La pussance acte est la pussance moyenne. On a : P dt V I t t dt cos( )cos( ϕ) VI (cos( t) cos( )) dt ϕ ϕ omme cos( ϕt) dt et cos( ϕ ) dt cosϕdt cosϕ On obtent : V I P cosϕ en Watt (W) cos ϕ est le facteur de pussance du dpole. emarque : on obtent les mêmes résultats en posant On défnt également la pussance réacteq : I sn t V I Q snϕ en VoltAmpère réactf (VA) Il est à noter que la pussance réacte Q est nulle pour une résstance car on a ϕ 8

29 Fnalement, on défnt également la pussance apparente S: S VI eff P Q V I eff en VoltAmpère(VA) VI Q snϕ VI S ϕ VI P cosϕ ableau récaptulatf pour les dpoles élémentares : P eff ésstance Bobne L ondensateur I Q L I eff S I eff L I eff Ieff - V Ieff Veff eff Exprmons la pussance acte P et la pussance réacteq en foncton du courant et de la dfférence de potentel u. Sot I cos t et V cos( t ) ϕ I exp( j ) I exp( j t) t * V exp( j t) exp( j ) V exp( j t)exp( jϕ) ϕ * VI exp( j t)exp( j t)exp( jϕ) VI exp( jϕ) * V I * exp( j t)exp( j t)exp( jϕ) VI exp( jϕ) * * VI j j VI (exp( ϕ) exp( ϕ)) cosϕ Ans, on a donc les relatons suantes : 9

30 P 4 * * ( ) * * VI (exp( jϕ) exp( jϕ)) V I j snϕ En utlsant le même rasonnement, on obtent Q 4 j * * ( ) La pussance réacte proent des éléments réactfs du crcut. Fnalement nous pouons défnr la pussance complexe d un crcut par : V I V I ϕ * ( cosϕ j snϕ) exp( j ) P P jq On peut érfer que le module de P est égal à la pussance apparente S.4 Force électromotrce et force contre électromotrce.4. Générateur et force électromotrce Un générateur conertt une énerge (mécanque, chmque,lumneuse, ) en une énerge électrque. Sot dw p dt dt l énerge fourne par le générateur au crcut dw l énerge dsspée par effet Joule dans le générateur dw dt dw l énerge reçue de l extéreur par le générateur. En applquant la lo de conseraton de l énerge, on a la relaton suante : dw dw dw dw dw dw <> dt dw dt dw dw dt dt dw dw udt Dsons l expresson par dt :