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ELECTROCINETIQUE Régime sinusoïdal

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ELECTROCINETIQUE
Chapitre III: Régime sinusoïdal
1
I. Introduction : les grandeurs périodiques
• 1. Période T
• Un signal périodique est caractérisé par sa période :
U
(V)
1,5 2
4
t
(ms)
2
I. Introduction : les grandeurs périodiques
• 2. Fréquence f
• La fréquence f (en hertz) correspond au nombre de
périodes par unité de temps :
• Exemple:
3
I. Introduction : les grandeurs périodiques
• 3. Pulsation ω
• La pulsation est définie par :
4
I. Introduction : les grandeurs périodiques
• 4. Valeur moyenne
• On note <u> la valeur moyenne dans le temps de la
tension u(t) :
5
I. Introduction : les grandeurs périodiques
• 4. Valeur moyenne
• Exemple:
U
(V)
10
0.75T T
t
6
I. Introduction : les grandeurs périodiques
• 5. Composante continue (DC =) et composante
alternative (AC ~)
• Une grandeur périodique a deux composantes :
• la composante continue (c’est la valeur moyenne ou «
offset »)
• et la composante alternative
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I. Introduction : les grandeurs périodiques
• 5. Composante continue (DC =) et composante
alternative (AC ~)
8
I. Introduction : les grandeurs périodiques
• 5. Composante continue (DC =) et composante
alternative (AC ~)
• Remarques :
• la composante alternative a une valeur moyenne nulle :
<uAC> = 0
• une grandeur périodique alternative n’a pas de composante
continue : <u> = 0
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I. Introduction : les grandeurs périodiques
• 6. Puissance électrique
i(t)
Dipôle
U(t)
• p(t) = u(t)⋅i(t) est la puissance électrique consommée à
l’instant t (ou puissance instantanée).
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I. Introduction : les grandeurs périodiques
• 6. Puissance électrique
• En régime périodique, ce n’est pas p(t) qu’il est
intéressant de connaître mais la puissance moyenne
dans le temps :
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I. Introduction : les grandeurs périodiques
• 6. Puissance électrique
• Attention : en général,
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I. Introduction : les grandeurs périodiques
• 7. Valeur efficace (RMS)
• Par définition, la valeur efficace Ueff de la tension u(t)
est :
13
I. Introduction : les grandeurs périodiques
• 7. Valeur efficace (RMS)
• Exemple
U²
(V)
100
0.75T T
t
14
I. Introduction : les grandeurs périodiques
• 7. Valeur efficace (RMS)
• Remarques :
• La valeur efficace est une grandeur positive.
• Valeur efficace d’un courant électrique :
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I. Introduction : les grandeurs périodiques
• 8. Signification physique de la valeur efficace
• Soit une résistance parcourue par un courant continu :
i
R
U
• La résistance consomme une puissance électrique :
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I. Introduction : les grandeurs périodiques
• 8. Signification physique de la valeur efficace
• Soit la même résistance parcourue par un courant
périodique i(t) de valeur efficace
Ieff
:
R
i(t)
U(t)
• La puissance moyenne consommée est ::
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I. Introduction : les grandeurs périodiques
• 8. Signification physique de la valeur efficace
• Pour avoir les mêmes effets thermiques, il faut que Ieff
soit égal à la valeur du courant en régime continu I
(idem pour les tensions) :
• La notion de valeur efficace est liée à l’énergie
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I. Introduction : les grandeurs périodiques
• 9. Cas particulier des grandeurs sinusoïdales
alternatives
Û désigne la tension
maximale (ou tension
crête) On montre que :
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I. Introduction : les grandeurs périodiques
• 9. Cas particulier des grandeurs sinusoïdales
alternatives
• Exemple : ONE fournit une tension sinusoïdale
alternative de valeur efficace 230 V et de fréquence 50
Hz.
• Pour un courant sinusoïdal alternatif :
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I. Introduction : les grandeurs périodiques
• 9. Cas particulier des grandeurs sinusoïdales
alternatives
• Exemple : A.N. Calculer la valeur efficace de la
tension suivante :
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II. Représentation des grandeurs sinusoïdales
• 1. Fonction mathématique
• Avec:
• avec :
• Ieff : valeur efficace (A)
• ω : pulsation (rad/s)
• t : temps (s)
• (ωt +ϕi ) : phase (rad)
• ϕi : phase à l’origine (rad)
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II. Représentation des grandeurs sinusoïdales
• 2. Représentation de Fresnel
• C’est une représentation vectorielle des grandeurs
sinusoïdales. Le vecteur de Fresnel associé au courant
i(t) est défini de la façon suivante :
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II. Représentation des grandeurs sinusoïdales
• 2. Représentation de Fresnel
• Exemple:
24
II. Représentation des grandeurs sinusoïdales
• 3. Nombre complexe associé
• Le nombre complexe I associé au courant i(t) est défini
de la façon suivante :
• Le module correspond à la valeur efficace et
l’argument à la phase à l’origine.
25
II. Représentation des grandeurs sinusoïdales
• 3. Nombre complexe associé
• A.N. Déterminer le nombre complexe associé à la
tension :
• Le module correspond à la valeur efficace et
l’argument à la phase à l’origine.
26
II. Représentation des grandeurs sinusoïdales
• 4. Déphasage (ou différence de phase) entre deux
grandeurs Sinusoïdales
• Soit deux grandeurs sinusoïdales (de même fréquence)
:
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II. Représentation des grandeurs sinusoïdales
• 4. Déphasage (ou différence de phase) entre deux
grandeurs Sinusoïdales: Le déphasage de u par rapport
à i est par convention :
• τ : décalage (en s) entre les deux signaux.
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II. Représentation des grandeurs sinusoïdales
• 4. Déphasage (ou différence de phase) entre deux
grandeurs Sinusoïdales: déphasage particulier
• déphasage nul (τ = 0) : les grandeurs sont en phase
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II. Représentation des grandeurs sinusoïdales
• 4. Déphasage (ou différence de phase) entre deux
grandeurs Sinusoïdales: déphasage particulier
• déphasage de 180° (τ = T/2) : grandeurs en opposition
de phase
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II. Représentation des grandeurs sinusoïdales
• 4. Déphasage (ou différence de phase) entre deux
grandeurs Sinusoïdales: déphasage particulier
• déphasage de 90° (τ = T/4) : grandeurs en quadrature
de phase
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II. Représentation des grandeurs sinusoïdales
• 4. Déphasage (ou différence de phase) entre deux
grandeurs Sinusoïdales: déphasage particulier
• exemple: A.N. Calculer le déphasage ϕu1/u2
32
II. Représentation des grandeurs sinusoïdales
• 4. Déphasage (ou différence de phase) entre deux
grandeurs Sinusoïdales: déphasage particulier
• Déphasage et vecteurs de Fresnel
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II. Représentation des grandeurs sinusoïdales
• 4. Déphasage (ou différence de phase) entre deux
grandeurs Sinusoïdales: déphasage particulier
• Déphasage et nombres complexes
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II. Représentation des grandeurs sinusoïdales
• 4. Déphasage (ou différence de phase) entre deux
grandeurs Sinusoïdales: déphasage particulier
• A.N. Calculer le déphasage ϕu / i
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III. Les dipôles passifs linéaires en régime
sinusoïdal
• 1. Impédance complexe
• En régime continu, un dipôle passif linéaire est
caractérisé par sa résistance : R = U/I (loi d’Ohm)
• En régime sinusoïdal, un dipôle passif linéaire est
caractérisé par son impédance complexe Z :
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III. Les dipôles passifs linéaires en régime
sinusoïdal
• 1. Impédance complexe
• L’impédance Z (en Ω) est le module de Z :
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III. Les dipôles passifs linéaires en régime
sinusoïdal
• 1. Impédance complexe
• Le déphasage de u par rapport à i correspond à
l’argument de Z :
• En définitive : Z = (Z, ϕu/i) = (Ueff/Ieff , ϕu/i)
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III. Les dipôles passifs linéaires en régime
sinusoïdal
• 1. Impédance complexe
• Admittance complexe
• L’admittance complexe est l’inverse de l’impédance complexe :
• Y est l’admittance (en siemens S) :
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III. Les dipôles passifs linéaires en régime
sinusoïdal
• 1. Impédance complexe
• Resistance parfaite
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III. Les dipôles passifs linéaires en régime
sinusoïdal
• 1. Impédance complexe
• Resistance parfaite
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III. Les dipôles passifs linéaires en régime
sinusoïdal
• 1. Impédance complexe
• bobine parfaite
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III. Les dipôles passifs linéaires en régime
sinusoïdal
• 1. Impédance complexe
• bobine parfaite
43
III. Les dipôles passifs linéaires en régime
sinusoïdal
• 1. Impédance complexe
• bobine parfaite
• L : inductance d’une bobine (en henry H)
• L’impédance d’une bobine augmente avec la
fréquence.
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III. Les dipôles passifs linéaires en régime
sinusoïdal
• 1. Impédance complexe
• condensateur parfait
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III. Les dipôles passifs linéaires en régime
sinusoïdal
• 1. Impédance complexe
• condensateur parfait
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III. Les dipôles passifs linéaires en régime
sinusoïdal
• 1. Impédance complexe
• condensateur parfait
• C : capacité en farad F (corps humain
• ≈ 200 pF)
• L’impédance d’un condensateur diminue avec la
fréquence.
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IV. Etude des circuits linéaires en régime
sinusoïdal
• Un circuit électrique linéaire est composé uniquement de
dipôles linéaires :
• passifs : R, L, C
• actifs : source de courant ou de tension sinusoïdal (de
fréquence f)
• Dans un tel circuit, tensions et courants sont sinusoïdaux
(de
• fréquence f). On peut donc utiliser :
• la représentation vectorielle
• ou les nombres complexes associés.
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IV. Etude des circuits linéaires en régime
sinusoïdal
• 1. Lois de Kirchhoff
• Loi des nœuds
Pour les vecteurs de Fresnel :
Pour les nombres complexes associés :
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IV. Etude des circuits linéaires en régime
sinusoïdal
• 1. Lois de Kirchhoff
• Loi des nœuds
• Exemple :
• Une mesure au multimètre (en mode AC ~)
donne :
• IR eff = 5,00 mA
• IL eff = 3,98 mA
• Calculer la valeur efficace du courant i(t)
• et le déphasage par rapport à la tension u(t) :
ϕu/i
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IV. Etude des circuits linéaires en régime
sinusoïdal
• 1. Lois de Kirchhoff
• Loi des nœuds
En raison des déphasages, la loi des nœuds ne
s’applique pas aux valeurs efficaces.
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IV. Etude des circuits linéaires en régime
sinusoïdal
• 1. Lois de Kirchhoff
• Loi des branches / Loi des mailles
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IV. Etude des circuits linéaires en régime
sinusoïdal
• 1. Lois de Kirchhoff
• Loi des branches / Loi des mailles
La loi des branches ne s’applique pas aux
valeurs efficaces.
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IV. Etude des circuits linéaires en régime
sinusoïdal
• 2. Association de dipôles passifs linéaires
• Une association de dipôles passifs linéaires se comporte
comme un
• dipôle passif linéaire.
• On note Zeq l’impédance complexe équivalente de ce dipôle.
• En série, les impédances complexes s’additionnent :
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IV. Etude des circuits linéaires en régime
sinusoïdal
• 2. Association de dipôles passifs linéaires
• En parallèle, les admittances complexes s’additionnent :
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IV. Etude des circuits linéaires en régime
sinusoïdal
• 3. Théorèmes généraux
• Les formules et théorèmes vus en régime continu (diviseur de
tension, Thévenin – Norton, superposition …) se généralisent
au régime sinusoïdal.
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IV. Etude des circuits linéaires en régime
sinusoïdal
• 3. Théorèmes généraux
• Analogies :
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IV. Etude des circuits linéaires en régime
sinusoïdal
• 4. Puissance en régime sinusoïdal
• On montre que la puissance moyenne consommée (ou
puissance active) est :
• Le terme cos ϕ est appelé facteur de puissance.
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