Telechargé par Kevin Michel B

elecsup

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20 juin 2018
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Première partie
ÉLECTRONIQUE
3
TABLE DES MATIÈRES
I
1
ÉLECTRONIQUE
3
LOIS GÉNÉRALES DANS LE CADRE DE L’A.R.Q.P
1.1 INTRODUCTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2 Courant électrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.1 Définition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.2 Bilan de charges . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.3 Loi des nœuds . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3 Tension électrique, loi des mailles . . . . . . . . . . .
1.4 La puissance électromagnétique reçue par un dipôle
1.5 Caractère générateur et récepteur . . . . . . . . . . .
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2 ÉLÉMENTS DE CIRCUITS LINÉAIRES EN RÉGIME CONTINU OU QUASI-PERMANEN
2.1 Définition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2 Modélisation de dipoles passifs linéaires R, C et L . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2.1 Le conducteur ohmique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2.1.1 Modélisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2.1.2 Association des conducteurs ohmiques . . . . . . . . . . . . . 14
2.2.1.3 Effet JOULE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2.2 Le condensateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2.2.1 Modélisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2.2.2 Association des condensateurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2.2.3 Aspect énergétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.3 La bobine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.3.1 Modélisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.3.2 Aspect énergétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3 Diviseurs de tension et de courant. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3.1 Diviseurs de courant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3.2 Diviseurs de tension . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.4 Modélisations linéaires d’un dipôle actif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.4.1 Générateur de courant (représentation de Norton) . . . . . . . . . . . 19
2.4.2 Générateur de tension (représentation de Thevenin) . . . . . . . . . . 19
2.4.3 Équivalence entre les deux modélisations . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.5 Sources libres. Sources liées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
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TABLE DES MATIÈRES
2.6 Théorème de Millman . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3 Régime transitoire
3.1 Cas du circuit (R-C) : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.1 Charge du condensateur (régime forcé) : . . . . . . . . .
3.1.1.1 L’équation différentielle : . . . . . . . . . . . . .
3.1.1.2 Détermination expérimentale de la constante de
3.1.1.2.1 La pente à l’origine . . . . . . . . . . . .
3.1.1.2.2 la valeur de u(τ) . . . . . . . . . . . . . .
3.1.1.2.3 Temps de montée . . . . . . . . . . . . .
3.1.1.3 Le portrait de phase : . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.1.3.1 Définitions . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.1.3.2 Représentation dans le plan de phase .
3.1.1.4 Aspect énergétique : . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.2 Décharge du condensateur (régime libre) : . . . . . . . .
3.1.2.1 Équation différentielle et solution : . . . . . . .
3.1.2.2 L’équation de la trajectoire de phase : . . . . . .
3.2 Cas du circuit (R-L) : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.1 Régime forcé : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.1.1 L’équation différentielle et solution . . . . . . .
3.2.1.2 Portrait de phase . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.1.3 Aspect énergétique . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.2 Régime libre : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3 Circuit (RLC) série : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.1 Régime libre : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.1.1 Régime apériodique
∆′ > 0 : . . . . . . . . .
3.3.1.2 Régime critique
∆′ = 0 : . . . . . . . . . . .
3.3.1.3 Régime pseudopériodique
∆′ < 0 : . . . . .
3.3.2 Régime forcé : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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4 Régime alternatif sinusoidal
4.1 Amplitude complexe ,Impedance et admittance complexes . . . . . .
4.1.1 Amplitude complexe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.2 Impédance complexe et admittance complexe : . . . . . . . .
4.1.2.1 Définitions : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.2.2 Applications : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.2.2.1 Impédance d’un resistor . . . . . . . . . . . .
4.1.2.2.2 Impedance d’une bobine idéale . . . . . . . .
4.1.2.2.3 Impedance d’un condensateur . . . . . . . .
4.2 Étude du circuit RLC série en régime sinusoidal forcé . . . . . . . .
4.2.1 Régime transitoire et régime permanent . . . . . . . . . . . .
4.2.2 Étude de l’impedance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.3 Résonance en tension aux bornes du condensateur (Charge)
4.2.3.1 Équation différentielle et solution . . . . . . . . . . .
4.2.3.2 Étude de l’amplitude Uc . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.3.3 La bande passante à -3dB pour la charge . . . . . . .
4.2.3.4 Étude du déphasage φ = ϕc − ϕe . . . . . . . . . . . . .
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TABLE DES MATIÈRES
4.2.4 Résonance en intensité . . . . . . . . .
4.2.4.1 Étude de l’amplitude Im . . . .
4.2.4.2 La bande passante à -3dB . . .
4.2.4.3 Étude du déphasage ϕ = ϕi − ϕe
4.3 La puissance : . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.1 Facteur de puissance : . . . . . . . . .
4.3.2 Adaptation d’impedance : . . . . . . . .
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5 Diagrammes de BODE des filtres du premier et second ordre
5.1 Fonction de transfert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.1.1 Définitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.1.2 Exemples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.1.3 Lien entre la fonction de transfert et l’équation différentielle . . . . .
5.1.4 Diagrammes de BODE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2 Filtrage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2.2 Principaux types de filtres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3 Filtres du premier ordre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3.1 Filtre passe-bas du premier ordre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3.1.1 L’étude d’un exemple : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3.1.2 Diagramme de Bode pour le gain : . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3.1.3 Diagramme de Bode pour la phase : . . . . . . . . . . . . . . .
5.3.2 Filtre passe-haut du premier ordre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3.2.1 L’étude d’un exemple : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3.2.2 Diagramme de Bode pour le gain : . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3.2.3 Diagramme de Bode pour la phase : . . . . . . . . . . . . . . .
5.4 Filtres du deuxième ordre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4.1 Filtre passe-bas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4.1.1 L’étude d’un exemple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4.1.2 Diagramme de Bode pour le gain . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4.1.3 Diagramme de Bode pour la phase . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4.2 Filtre passe-haut . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4.2.1 L’étude d’un exemple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4.2.2 Diagramme de Bode pour le gain . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4.2.3 Diagramme de Bode pour la phase . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4.3 Filtre passe-bande . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4.3.1 L’étude d’un exemple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4.3.2 Diagramme de Bode pour le gain . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4.3.3 Diagramme de Bode pour la phase . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4.4 Filtre coupe (ou réjecteur) de bande . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4.4.1 L’étude d’un exemple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4.4.2 Diagramme de Bode pour le gain . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4.4.2.1 Comportement asymptotique . . . . . . . . . . . . .
5.4.4.2.2 Représentation graphique du gain pour quelques
5.4.4.2.3 La bande passante . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4.4.3 Diagramme de Bode pour la phase . . . . . . . . . . . . . . . .
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TABLE DES MATIÈRES
6 Filtrage linéaire des signaux périodiques
6.1 Composition en fréquence d’un signal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.1.1 Représentation temporelle et fréquentielle . . . . . . . . . . . . . . .
6.1.2 Exemples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.1.2.1 Signal sinusoidal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.1.2.2 Signal carré impair . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.1.2.3 Signal carré pair . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.1.2.4 Signal triangulaire pair de pentes symétriques . . . . . . . .
6.1.2.5 Signal dent de scie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.1.2.6 Signal sinusoidal pair redressé monoalternance . . . . . . .
6.1.2.7 Signal sinusoidal pair redressé doublealternance . . . . . .
6.1.2.8 Signal rectangulaire pair de rapport cyclique α quelconque
6.1.3 L’aspect énergétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.2 Traitement d’un signal périodique par un système linéaire . . . . . . . . . .
6.2.1 Rappel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.2.2 Application 1 : CNC 2009 Filière MP . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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CHAPITRE 1
LOIS GÉNÉRALES DANS LE CADRE DE L’A.R.Q.P
LOIS GÉNÉRALES DANS LE CADRE DE L’APPROXIMATION DES RÉGIMES QUASIPERMANENTS
1.1
INTRODUCTION
◮ L’éléctrocinétique :
Il s’agit de l’étude du transport d’information (courant électrique ) dans des réseaux
électriques.
◮ Cadre de l’étude :
L’étude de l’éléctrocinétique se fait dans le cadre de l’Approximation des états (ou régimes) quasi-stationnaires ( quasi-permanent ) noté ARQP ou AEQS (plus de détail voir
MP). en effet :
L’approximation des états quasi-stationnaires consiste à limiter l’étude des réseaux éléctrocinétiques à des dimensions maximales ℓmax et à des durées minimales τmin vérifiant la
condition suivante :
ℓmax
≪ co
τmin
c0 = 2, 99792458 108 ms−1
co étant la célérité de la lumière .
Remarque
Dans ce cadre,on peut négliger tout phénomène de propagation dans le réseau
éléctrocinétique ; en particulier, la modification d’une grandeur électrique en un
point du circuit a pour conséquence des modifications instantanées des grandeurs analogues caractérisant les autres points du réseau.
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1.2. COURANT ÉLECTRIQUE
Exemples
⊲ Pour un circuit de dimension ℓmax = 3 m, on trouve τmin ≫ 10−8 s ; on pourra
donc se placer dans le cadre de l’ARQP pour l’étude d’un signal de fréquence
fmax ≪ 108 Hz = 100 MHz, ce qui correspond à ce qu’on appelle électronique
basse fréquence.
⊲ Par contre, l’électronique de haute fréquence peut imposer la miniaturisation
des circuits, sous peine de sortir du domaine de l’ARQP ; ainsi à la fréquence
de réception des signaux de téléphonie cellulaire ( f = 1800 MHz donc τmin =
5, 6.10−10 s), l’ARQP impose ℓmax ≪ 17 cm, ce qui est nettement plus restrictif.
⊲ Pour le courant industriel, à la fréquence f = 50 Hz, donc avec τmin = 20
ms ; la condition de l’ARQP impose donc ℓmax ≪ 6000 km : cette condition est
aisément remplie pour un réseau domestique ou une installation industrielle. Par
contre, dans un réseau d’alimentation de puissance à l’échelle continentale, il est
indispensable de prendre en compte les effets de propagation.
1.2 Courant électrique
1.2.1
Définition
Définition
Courant électrique
Une charge électrique dq qui traverse une surface S pendant un intervalle de
temps dt crée un courant d’intensité i telle que :
dq
⇐⇒ q =
i=
dt
Z
i dt
Si q(C) et t(s) alors i(A).
Remarque
Le sens du courant est le sens du déplacement des porteurs de charges positifs.
1.2.2
Bilan de charges
On admet que la charge (q) et la masse (m) d’un système isolé sont conservatives.
1.2.3
Loi des nœuds
Définition
Loi des nœud
On appelle nœud un point de jonction entre au moins trois fils de connexion.
La loi des nœuds est une conséquence de la conservation de la charge électrique dans
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1.3. TENSION ÉLECTRIQUE, LOI DES MAILLES
le cadre de l’ARQP. La charge électrique ne peut pas s’accumuler au niveau des nœuds.
X
ie =
X
i s ⇐⇒
N
X
εk i k = 0
k=0
avec ε2 = 1.
C’est la première loi de KIRCHHOFF .
1.3
Tension électrique, loi des mailles
◮ On appelle branche un ensemble de dipôles montés en série entre deux nœuds .
◮ On appelle maille un ensemble de branches formant un contour fermé .
Remarque
Une maille peut être orientée arbitrairement.
◮ On admet que la somme algébrique des tensions (ou différence de potentiel ) dans
une maille est nulle : c’est la deuxième loi de KIRCHHOFF .
N
X
εk u k = 0
k=0
1.4
La puissance électromagnétique reçue par un dipôle
Soit un dipôle D traversé par un courant électrique i(t) , maintenant entre ces bornes
une tension uAB.
i(t)
D
u(t)
La puissance électromagnétique reçue par le dipôle D est donnée par :
P = uAB(t)i(t)
Et par conséquent l’énergie reçue pendant la durée t f − ti vaut :
W=
Z
tf
uAB(t)i(t) dt
ti
Remarque
On adopte la convention thermodynamique :
• L’énergie reçue par un système sera comptée positive.
• L’énergie fournie par un système sera comptée négative.
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1.5. CARACTÈRE GÉNÉRATEUR ET RÉCEPTEUR
1.5 Caractère générateur et récepteur
i(t)
i(t)
D
u(t)
Convention générateur
D
u(t)
Convention récepteur
◮ En convention générateur les flèches représentant la tension et le courant sont
dans le même sens La quantité P = ui représente la puissance électrique cédée par le
dipôle au reste du circuit.
◮ En convention récepteur les flèches représentant la tension et le courant sont en
sens inverses. La quantité P = ui représente la puissance électrique reçue par le dipôle .
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CHAPITRE 2
ÉLÉMENTS DE CIRCUITS LINÉAIRES EN RÉGIME
CONTINU OU QUASI-PERMANENT
2.1
Définition
Soit un dipôle D traversé par un courant i(t) maintient entre ces bornes une tension
u(t)
i(t)
D
u(t)
Le dipôle D est dit linéaire si le courant i(t) et la tension u(t) sont reliés par une équation
linéaire
Exemples :
Le conducteur ohmique , le condensateur , la bobine , le générateur (dans le domaine de
linéarité (voir TD))
2.2
Modélisation de dipoles passifs linéaires R, C et L
2.2.1
Le conducteur ohmique
2.2.1.1
Modélisation
i
Résistor
i(t)
≡
R
u(t)
u
On modélise un resistor par une résistance R tel que :
u = Ri
13
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2.2. MODÉLISATION DE DIPOLES PASSIFS LINÉAIRES R, C ET L
On conclut que le résistor est un dipôle linéaire.
Remarque
1. Pour un fil cylindrique de section S et de longueur ℓ et de résistivité ρ alors :
R=
ℓ
1 ℓ
1
=ρ =
G
S
σS
avec : G la conductivité (S (siemens)) , ρ la résistivité du conducteur (Ω.m)
et σ la conductivité du conducteur (S .m−1 )
2. ρ représente la résistance d’un d’un fil de section 1 m2 et de longueur 1 m ;
ainsi pour σ.
3. Un conducteur ohmique est dit parfait s’il ne présente pas de propriétés diélectiques (εr = 1) et magnétiques (µr = 1).(Voir cours d’électromagnétismes
des milieux)
2.2.1.2
Association des conducteurs ohmiques
◮ Des résistances sont montées en série s’elles sont traversées par le même courant
et on a :
Re =
i=N
X
Ri
i=1
◮ Des résistances sont montées en parallèle s’elles sont maintenues par la même
tension et on a :
i=N
X 1
1
=
Re
Ri
i=1
Application :
Deux résistances R1 et R2 en parallèle alors :
Re =
2.2.1.3
Produit
R1 R2
=
R1 + R2 S omme
Effet JOULE
Lorsque un courant i traverse une résistance R pendant la durée dt , on a dissipation
de l’énergie
dE J = dW J = uR iR dt =⇒ W J =
Z
tf
uR iR dt
ti
En continue :
W J = RI 2 ∆t =⇒ P
20 juin 2018
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J
= RI 2
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2.2. MODÉLISATION DE DIPOLES PASSIFS LINÉAIRES R, C ET L
2.2.2
Le condensateur
2.2.2.1
Modélisation
Diélectrique
Constitué par deux conducteurs en influence totale ,séparés par un diélectrique (papier ,mica ,plastique,.....) ;on le modélise par une capacité C en parallèle avec une resistance de fuite R f .
A
C
B
A
≡
B
Rf
.
Pour les condensateurs électrochimiques (polarisés) la valeur de C varie de quelques mF
à quelques F la résistance de fuite R f > 1MΩ
Un condensateur est dit idéal si R f → ∞
Convention
+q
A
−q
Convention générateur
récepteur
+q
A
B
i
−q
B
i
u
q
dq
u= ; i=
>0
C
dt
u
dq
q
<0
u= ; i=−
C
dt
Le condensateur se charge
Le condensateur se décharge
Remarque
1. Pour un condensateur plan dont les armatures ont une section S et séparé
S
e
par une distance e on a :C = εo .
2. Si l’espace entre les armatures du condensateur est rempli par un diélectrique de permitivité diélectrique εr alors C = εr Co
2.2.2.2
Association des condensateurs
• Association série :
• Association parallèle :
i=N
X 1
1
=
Ce
Ci
i=1
Ce =
i=N
X
Ci
i=1
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2.2.2.3
2.2. MODÉLISATION DE DIPOLES PASSIFS LINÉAIRES R, C ET L
Aspect énergétique
L’énergie d’un condensateur idéal est :
E pe =
∆E pe
1
∆q2
q2
=⇒ P(t) = lim
=
lim
∆t→0 ∆t
2C
2C ∆t→0 ∆t
Remarque
La tension aux bornes du condensateur ainsi sa charge sont des fonctions continues en fonction du temps.
En effet : on suppose qc est discontinue ;c’est à
dire ∆qc , 0 ∀ ∆t < ε
Si qc est discontinue alors q2c est discontinue ce
qui donne :
P(t) =
1
∆q2
lim
→ ∞
2C ∆t→0 ∆t
q(t)
∆qc
impossible physi-
quement .
Donc La charge (la tension ) du condensateur est continue
to
t
Remarque
La valeur de C ; la tension Umax ainsi la polarité sont données par le constructeur.
2.2.3
La bobine
Une bobine est un fil conducteur enroulé sur un isolant
2.2.3.1
Modélisation
On modélise une bobine par une inductance L en série avec une resistance r.
i
r
L
On convention récepteur on donc :
u=L
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di
+ ri
dt
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2.3. DIVISEURS DE TENSION ET DE COURANT.
Remarque
◮ Pour les bobines sans noyau de fer : L = cte(i),L ne depend pas de i.Par contre
les bobines avec noyau de fer L = L(i)
Mais pour i faible on peut considérer L ≃ cte (un DL à l’ordre 0 au voisinage de i)
1
◮ L’énergie d’une bobine parfaite (r = 0) : E pm = Li2
2
◮ Association des bobines parfaites :
P
1
⋆ Parallèle : = L1i
LeP
⋆ Série : Le = Li
2.2.3.2
Aspect énergétique
• L’intensité du courant qui traverse une bobine est une fonction continue
de temps
2.3
2.3.1
Diviseurs de tension et de courant.
Diviseurs de courant
Soit une association parallèle des résistances Rk :
IN
Ik
I
I
I1
Soit Re la résistance équivalente ;c’est à dire
I le courant principal ; il en résulte que :
Ik =
k=N
P 1
1
=
; on a donc :U = Rk Ik = Re I avec
Re
k=1 Rk
Re
I
Rk
C’est le diviseur de courant
Cas particulier important :N = 2
I1 =
20 juin 2018
R2
I
R1 + R2
et
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I2 =
R1
I
R1 + R2
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2.4. MODÉLISATIONS LINÉAIRES D’UN DIPÔLE ACTIF
Remarque
Si R1 = R2 =⇒ I1 = I2 =
I
: méthode demi-courant utiliser pour déterminer les
2
résistances de faibles valeurs (voir TP)
2.3.2
Diviseurs de tension
Soit une association série de N résistances Rk avec k = 1 → N :
R1
Rk
R2
RN−1
RN
U
Soit Uk la tension aux bornes de la résistance Rk et Re la résistance équivalente c’est à
dire Re =
k=N
P
k=1
Rk .On a : I =
U
Uk
=
; ce qui donne la loi du diviseur de tension :
Rk
Re
Uk =
Rk
Rk
U = k=N U
Re
P
Rk
k=1
Cas particulier important :N = 2
U1 =
R1
U
R1 + R2
et
U2 =
R2
I
R1 + R2
Remarque
Si R1 = R2 =⇒ U1 = U2 =
U
: méthode demi-tension utiliser pour déterminer les
2
résistances de grandes valeurs (voir TP)
2.4 Modélisations linéaires d’un dipôle actif
Soit un circuit électrique linéaire ( constitué des dipoles linéaires) contenant une
source de puissance électrique ; A et B deux points de ce circuit.
I
B
U AB
bc
Circuit
linéaire
bc
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A
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2.4.1
2.4. MODÉLISATIONS LINÉAIRES D’UN DIPÔLE ACTIF
Générateur de courant (représentation de Norton)
Vue entre les points A et B de la branche AB on peut modéliser le reste du circuit par
un générateur de courant réel de courant électromoteur IN et de résistance interne rN (
générateur de courant idéal en parallèle avec une résistance) : C’est la modélisation de
NORTON .
I
A
bc
IN
RN
U AB
B
bc
Dans cette modélisation on a :
I = IN −
2.4.2
U AB
= IN − G N U AB
RN
Générateur de tension (représentation de Thevenin)
Vue entre les points A et B de la branche AB on peut modéliser le reste du circuit
par un générateur de tension réel de force électromotrice Eth et de résistance interne
rth ( générateur de tension idéal en série avec une résistance) : C’est la modélisation de
THEVENIN .
rth
I
bc
A
U AB
E th
bc
B
Dans cette modélisation on a :
U AB = E th − rth I =⇒ I =
2.4.3
E th U AB
−
rth
rth
Équivalence entre les deux modélisations
Puisque dans les deux modèles de THEVENIN et NORTON le courant I et la tension
U AB sont les mêmes quelque soit le circuit linéaire alors on en déduit que :
IN =
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E th
rth
et
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rN = rth
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2.5. SOURCES LIBRES. SOURCES LIÉES
2.5 Sources libres. Sources liées
• Un générateur (de tension ou de courant ) est une source de puissance qui fournit
de l’énergie au circuit extérieur .
• Générateur indépendant : source de puissance électrique indépendante d’autre grandeur électrique du circuit.
• Générateur lié : si une des grandeurs physiques dépend d’une grandeur électrique du
circuit .
Exemple :
Le transistor : c’est un générateur de courant en régime linéaire puisque Ic = βIB (générateur de courant lié).
2.6 Théorème de Millman
Le théorème de MILLMANN n’est rien d’autre que la loi des nœuds exprimé en terme
de potentiel (référence commune est la masse ).
Vb 4
I4
R4
I5
I1
V1
b
b
R1
M
b
R3
V3
I3
I6
R2
I2
b
On a :
V2
I1 + I2 + I3 + I4 − I5 + I6 = 0
V1 − V M
= G1 (V1 − V M )
I1 =
R1
V2 − V M
I2 =
= G2 (V2 − V M )
R2
V3 − V M
= G3 (V3 − V M )
I3 =
R3
V4 − V M
I4 =
= G4 (V4 − V M ) G1 (V1 − V M ) + G2 (V2 − V M ) + G3 (V3 − V M ) + G4 (V4 − V M ) − I5 + I6 = 0
R4
On tire que :
−I5 + I6 + G1 V1 + G2 V2 + G3 V3 + G4 V4
=
VM =
G1 + G2 + G3 + G4
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P
Gi Vi + εIi
P
Gi
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CHAPITRE 3
RÉGIME TRANSITOIRE
Le but est de déterminer la constante de temps τ caractéristique du régime transitoire.
Pout cela excitons un système linéaire par une tension
continue à t = 0 .
(
On appelle échelon de tension e(t) défini par : e(t)
E si t > 0
0 si t < 0
e(t)
E
t
0
3.1
Cas du circuit (R-C) :
Considérons le circuit suivant :
(1)
i(t)
K
R
(2)
C
E
21
u
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3.1.1
3.1. CAS DU CIRCUIT (R-C) :
Charge du condensateur (régime forcé) :
Le condensateur est initialement déchargé :q(0) = 0 =⇒ uc (t = 0) = 0
à t = 0 on bascule K vers (1) : C se charge .
3.1.1.1
L’équation différentielle :
Appliquons la loi des mailles au circuit on obtient :
E − RI −
q
= 0 =⇒
C
dq
q
E
+
=
dt RC R
c’est l’équation différentielle du circuit
La solution de cette équation différentielle s’écrit : q(t) = Ae−t/τ + CE ; avec τ = RC la
constante du temps caractéristique du régime transitoire.
Or par continuité de la charge du condensateur , on a :q(0) = 0 =⇒ A = −CE
t
Donc : q(t) = CE(1 − e− τ )
Lorsque t → ∞, q(t) → CE = Q f
q(t) = CE(1 − e−t/τ ) =⇒ u(t) = E(1 − e−t/τ )
L’expression du courant électrique :
i(t) =
dq
t
= Im e− τ
dt
avec
Im =
E
R
Remarque
On a : i(0− ) = 0
,
i(0+ ) = Im on tire que i(t) est discontinu
Représentation graphique
u(t)
E
Im =
R
E
i(t)
t
3.1.1.2
t
Détermination expérimentale de la constante de temps τ :
3.1.1.2.1
La pente à l’origine
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3.1. CAS DU CIRCUIT (R-C) :
u(t)
E
M
tM
t
On a l’équation de la pente à l’origine (droite)D s’écrit sous la forme y = kt avec
E
du(t) =
dt t=0 τ
k=
L’intersection des deux droites au point M en t M = τ
Propriété
L’intersection de la pente à l’origine avec le régime permanent se fait en
t = τ = RC
3.1.1.2.2
la valeur de u(τ)
u(t)
E
63% E
τ
t
Évaluons u(τ) avec u(t) = E(1 − exp(−t/τ))
1
t = τ =⇒ u(τ) = E(1 − ) = 0, 63 E = 63%E
e
Propriété
On retient que lors de la charge, la valeur 0, 63 E = 63%E correspond à t = τ
20 juin 2018
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3.1. CAS DU CIRCUIT (R-C) :
3.1.1.2.3 Temps de montée :
On définit deux instants t1 et t2 par u(t1 ) = 0, 1E et u(t2 ) = 0, 9E
Et puisque u(t) = E(1 − exp(−t/τ) alors t1 = −τ ln 0, 9 et t2 = −τ ln 0, 1.
u(t)
E
90% E
tm = t2 − t1
10% E
t1
t2
t
On définit le temps de montée tm par
tm = t2 − t1 = τ ln 9 ≃ 2, 2τ
Remarque
L’influence de la constante de temps τ sur la durée de la charge.
Pour cela traçons la charge pour différentes valeurs de τ
u(t)
E
63% E
τ1 < τ2 < τ3
τ1
τ2
τ3
t
Si τ → 0 alors la charge est presque instantanée
Notation
La constante du temps τ = RC augmente avec la résistance du conducteur ohmique ainsi la capacité du condensateur.
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3.1.1.3
3.1. CAS DU CIRCUIT (R-C) :
Le portrait de phase :
3.1.1.3.1
Définitions
:
• C’est la représentation dans le plan (O, f (x),
f (x)
) lorsque t varie.
dt
• On appelle point de phase un point P figuratif dont les coordonnées à un instant donné
d f (t)
).
t sont ( f (t),
dt
• Lorsque t varie , le point P décrit une courbe, cette courbe est appelé trajectoire de
phase.
• On appelle portrait de phase l’ensemble des trajectoires de phase lorsque les conditions initiales varient.
3.1.1.3.2
Représentation dans le plan de phase
:
df
= i(t).
Dans notre cas f (t) = q(t) et
dt
E
On a q(t) = CE(1 − exp(−t/τ) et i(t) = exp(−t/τ) alors :
R
i=
1
E
−
q
R RC
C’est l’équation de la trajectoire de phase :droite de pente −
1
RC
Lorsque E varie alors la trajectoire de phase décrit des droites parallèles.
i(t)
q(t)
3.1.1.4
Aspect énergétique :
On a :
E = Ri +
q
1
=⇒ Eidt = Ri2 dt + qdq
C
C
Eidt = Ri2dt + d(
q2
)
2C
On appelle :
q2
: énergie totale emmagasinée dans le condensateur .
2C
δWg = Eidt : énergie élémentaire fournit par le générateur .
δW J = Ri2 dt : énergie élémentaire dissipée par effet Joule dans le circuit .
Wc =
Z
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t
Eidt =
0
Z
t
2
Ri dt +
0
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Z
q
0
q
dq
C
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3.1. CAS DU CIRCUIT (R-C) :
3.1.2
Décharge du condensateur (régime libre) :
3.1.2.1
Équation différentielle et solution :
Quand le condensateur est chargé (q = CE = Q f ) ,on bascule l’interrupteur vers la
position (2) :donc en prenant l’instant de basculement comme origine des temps ,les
conditions initiales seront :q(0) = CE = Q f ; i(0) = 0
1
1
q = 0 =⇒ dq + q = 0
C
τ
La solution est :q(t) = Ae−t/τ en utilisant les C.I on obtient :
Ri +
q(t) = CEe−t/τ =⇒ u(t) = Ee−t/τ
k
i(t) = −
E −t/τ
e
R
u(t)
E
90% E
tm = t1 − t2
10% E
t1
t2
t
• Lors de la décharge on a :
td = t10% − t90%
• q(τ) = 0, 37CE
• Le régime permanent est q = 0 (q(t) est une fonction décroissante).
3.1.2.2
L’équation de la trajectoire de phase :
D’après ce qui précède on tire que :
i=−
1
q
RC
C’est une droite affine
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3.2. CAS DU CIRCUIT (R-L) :
i(t)
q(t)
Remarque
• Si on remplace le générateur E et l’interrupteur K par un générateur délivrant
un signal rectangulaire (E,0) on obtient le signal suivant :
La suite
voir TP.
3.2
Cas du circuit (R-L) :
3.2.1
Régime forcé :
3.2.1.1
L’équation différentielle et solution
On remplace le condensateur par une bobine idéale dans le circuit précèdent :
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3.2. CAS DU CIRCUIT (R-L) :
(1)
i(t)
K
L
(2)
E
R
L’interrupteur k est en position (1) : E = Ri + L
donc :
di
dt
di R
E
+ i=
dt L
L
c’est l’équation différentielle du circuit
La solution de cette équation différentielle en posant
τ=
L
: constante du temps
R
Et en tenant compte que le courant qui traverse une bobine est continu alors on trouve
que :
i(t) = Im (1 − e−t/τ )
avec
Im =
E
R
i(t)
Im
63% Im
τ
t
La tension aux bornes de la bobine idéale est :
uL (t) = L
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di
= Ee−t/τ
dt
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3.2. CAS DU CIRCUIT (R-L) :
uL (t)
E
37% E
τ
3.2.1.2
t
Portrait de phase
On a : i =
di E
E
(1 − exp(−t/τ)) ainsi
= exp(−t/τ)
R
dt L
di E R
= − i
dt L L
Le portrait des phase est l’ensemble des droites parallèle de pente −
R
1
=−
L
τ
di(t)
dt
i(t)
3.2.1.3
Aspect énergétique
di
1
=⇒ Eidt = Ri2 dt + d( Li2 )
dt
2
• δWg = Eidt : l’énergie élémentaire fournie par le générateur.
• δW J = Ri2 dt : l’énergie élémentaire perdue par effet Joule.
1
• δWm = d( Li2 ) : l’énergie élémentaire emmagasinée par la bobine.
2
E = Ri + L
Le bilan énergétique pour le circuit s’écrit
Wg = W J + Wm
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3.2.2
3.3. CIRCUIT (RLC) SÉRIE :
Régime libre :
L’interrupteur maintenant en position (2) ; l’équation différentielle sera donc :
Ri + L
E
di
= 0 ; les conditions initiales sont i(0) =
dt
R
par changement d’origine des dates ,la solution s’écrit :
i(t) =
E −t/τ
e
R
La tension au bornes de la bobine est :
uL (t) = −E e−t/τ
i(t)
uL (t)
Im
t
t
−E
On vérifie bien que le courant qui traverse la bobine est continu par contre la tension
pas forcément continue.
3.3 Circuit (RLC) série :
Soit le circuit (RLC ) série :
i(t)
L
C
R
3.3.1
Régime libre :
Soit q la charge du condensateur et u la tension entre ces bornes. L’équation différentielle est :
Lq̈ + Rq̇ +
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1
q = 0 =⇒ LC ü + RC u̇ + u = 0
C
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3.3. CIRCUIT (RLC) SÉRIE :
On pose : r
1
: pulsation propre
LC
R ωo
;α cœfficient d’amortissement et Q le facteur de qualité
◮ 2α = =
L
Q
◮ ωo =
La forme canonique de l’équation différentielle sera :
q̈ + 2αq̇ + ω2o q = 0 =⇒ ü + 2αu̇ + ω2o u = 0
L’équation caractéristique est :
r2 + 2αr + ω2o = 0
On pose :
∆′ = α2 − ω2o = (α − ωo )(α + ωo )
3.3.1.1
∆′ > 0 :
Régime apériodique
∆′ > 0 =⇒ α > ωo : Q <
Deux racines réelles distinctes :
r± = −α ±
p
1
2
α2 − ω2o
q(t) = Aer+ t + Ber− t =⇒ q(t) = e−αt [Ae
√
α2 −ω2o t
+ Be−
√
α2 −ω2o t
]
Lorsque t → ∞, e−αt l’emporte ;d’où q → 0 sans osciller :C’est le régime apériodique.
Détermination des constantes
A et B

p :Pour cela on suppose que q(t = 0) = q0 et i(t = 0) = i0
(
A + B = q0
Ar1 + Br2 = i0


i0 + (α + α2 + ω2o )qo



B=
p




2 α2 +pω2o
=⇒ 


−i0 + (−α + α2 + ω2o )qo



A
=

p


2 α2 + ω2o
Representation graphique
Avec :ωo = 1, Q = 0, 4; q(0) = 5; i(0) = 0 =⇒ qap = −1, 6667e−2t + 6, 667e−0,5t
q(t)
Variation de la charge dans le circuit RLC en régime apériodique
t
Le courant :i(t) = −1.666666667e−2t + 6.666666667e−0,5t
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3.3. CIRCUIT (RLC) SÉRIE :
i(t)
t
Variation du courant dans le circuit RLC en régime apériodique
La trajectoire de phase est :
i(t)
q(t)
Portrait de phase en régime apériodique
Trajectoire de phase est une courbe ouverte caractéristique d’un système apériodique
3.3.1.2
Régime critique
∆′ = 0 :
∆′ = 0 =⇒ α = ωo : Q =
Deux racines réelles confondues :
1
2
r+ = r− = −α = −ωo
q = (c + dt)e−αt
Quand
t → ∞, q → 0 rapidement sans osciller : C’est le régime critique.
Representation graphique
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3.3. CIRCUIT (RLC) SÉRIE :
Conditions initiales :ωo = 1; Q = 0.5; q(0) = 5; i(0) = 0 =⇒ q(t) = 5 exp(−t) + 5t exp(−t); i(t) =
−5t exp(−t)
q(t)
Variation de la charge dans le circuit RLC en régime critique
t
De même :
i(t)
t
Variation du courant dans le circuit RLC en régime critique
La trajectoire de phase est :
20 juin 2018
Page -33-
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PCSI-LYDEX
3.3. CIRCUIT (RLC) SÉRIE :
i(t)
q(t)
Portrait de phase en régime critique
Remarque
• Le régime critique est le régime le plus rapide qui tend vers le régime permanent (q = 0)
• Si c = 0 alors q(t) = dt e−αt
Représentation temporelle
q(t)
i(t)
t
t
Portrait de phase
i(t)
q(t)
20 juin 2018
Page -34-
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3.3.1.3
3.3. CIRCUIT (RLC) SÉRIE :
Régime pseudopériodique
∆′ < 0 :
∆′ < 0 =⇒ α < ωo : Q >
1
2
∆′ = α2 − ω2o = i2 Ω2 avec :Ω2 = ω2o − α2
Deux racines complexes conjuguées : r1 = −α+iΩ et r2 = −α−iΩ donc la solution s’écrit :
q(t) = e−αt (A cos Ωt + B sin Ωt) = C e−αt cos(Ωt + ϕ)
C’est une fonction pseudopériodique d’amplitude Qm = C e−αt variable en fonction du
temps Qm t → +∞ 0
−−−−−−→
La pseudopériode est :
T=
To
To
2π
= r
= r
Ω
α
1
1 − ( )2
1−
ωo
4Q2
Representation graphique
La fonction q(t) est le produit d’une fonction périodique est une fonction non périodique (amplitude), et puisque
−C e−αt 6 C e−αt cos(Ωt + ϕ) 6 C e−αt
alors on représente les deux enveloppes puis la fonction q(t) (q(t) ne peut pas dépasser
√
l’enveloppe) α = 0.5, ωo = 9, 25, Ω = 3, ϕ = 0, qo = 1 =⇒ q pp = e−0.5t cos 3t
Representation graphique
Conditions initiales :ωo = 8; Q = 10; q(0) = 5; i(0) = 0 =⇒ q(t) = exp(−0.4t)(5 cos(7, 99t) +
0, 25 sin(7, 99t)); i(t) = exp(−0, 4t)[−40 sin(7, 99t) + 10−9 cos(7, 99t)]
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3.3. CIRCUIT (RLC) SÉRIE :
q(t)
Variation de la charge dans le circuit RLC en régime pseudo-périodique
t
De même :
i(t)
Variation du courant dans le circuit RLC en régime pseudo-périodique
t
20 juin 2018
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3.3. CIRCUIT (RLC) SÉRIE :
La trajectoire de phase est :
i(t)
q(t)
Portrait de phase en régime pseudo-périodique
20 juin 2018
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3.3. CIRCUIT (RLC) SÉRIE :
Remarque
◮ On a T =
2π
=⇒ T =
Ω
2π
2α
1
2π
=
Q étant le
et comme T o =
ainsi
r
α 2
ωo
ωo
Q
ωo 1 −
ωo
facteur de qualité ; alors
T= r
To
To
= r
α 2
1
1−
1−
ωo
4Q2
Si α ≪ ωo =⇒ Q ≫ 1 ;en effet R très faible ,alors T ≃ T o oscillations synchrones.
◮ Comme e−αt est un nombre sans dimension alors α à la dimension d’un temps−1
, on pose
α=
1
τ
τ s’appelle le temps de relaxation ou temps d’amortissement.
C
Donc pour t = τ l’amplitude Ce−αt (t = τ) =
e
On conclut donc que :Le temps de relaxation est le temps nécessaire pour
que l’amplitude se divise par e
◮ Pour t = 10τ alors l’amplitude Ce−αt (t = 10τ) =
C
= 0.0000454C → 0
22026.46579
On retient donc que pour t > 10τ le régime transitoire disparaît.
Aspect énergétique :
On a :
Lq̈ + Rq̇ +
1
q = 0 =⇒
C
1
1
( Li2 ) + Ri2 dt + d( q2 ) = 0
2
2C
1 2
q ) :l’énergie électrostatique élémentaire emmagasinée par le conden2C
sateur .
1
• δWm = d( Li2 ) :l’énergie magnétique élémentaire emmagasinée par la bobine .
2
• δWe = Ri2 dt :l’énergie élémentaire dissipée par effet Joule dans la resistance .
• δWe = d(
We + W J + Wm = 0
le bilan énergétique pour le circuit (RLC série) libre
20 juin 2018
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3.3. CIRCUIT (RLC) SÉRIE :
Decrement logarithmique
on définit le décrément logarithmique par
δ = αT
cœfficient sans unité
On a :
⊲ u(t) = Ae−αt cos(Ωt + ϕ)
⊲ u(t + nT ) = Ae−α(t+nT ) cos(Ωt + nΩT + ϕ) = e−αnT u(t)
D’où :
u(t)
u(t)
= eαnT =⇒ αnT = ln
u(t + nT )
u(t + nT )
On en déduit que
δ = αT =
1
u(t)
ln
n u(t + nT )
Si n = 1 alors :
δ = αT = ln
3.3.2
u(t)
u(t + T )
Régime forcé :
On ajoute au circuit précédent un générateur délivrant une une tension continue E .
i(t)
L
C
E
R
L’équation différentielle
1
dq
di
+ (R + r)i + q et comme i =
= q̇ convention récepteur et en posant
dt
C
dt
α
1
2α =
et ω2o =
alors la forme canonique de l’équation différentielle est :
R+r
LC
On a :E = L
q̈ + 2αq̇ + ω2o q =
E
L
Solution de l’équation différentielle
La solution est la somme de deux solutions :
• qt (t) solution de l’équation homogène qui tend vers 0 après quelques périodes :elle
20 juin 2018
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3.3. CIRCUIT (RLC) SÉRIE :
décrit donc un régime transitoire
• q p (t) solution particulière décrit le régime permanent.
On a :
• q p (t) = CE
• L’expression de qt (t) dépend du signe de ∆′ .
Pour la suite on suppose que ∆′ < 0 =⇒ α < ωo : régime pseudo-périodique, donc
qt (t) = Ae−αt cos(Ωt + ϕ)
A l’amplitude ( grandeur positive) et ϕ la phase à l’origine deux constantes déterminés
par les conditions initiales ;on suppose que q(t = 0) = 0 condensateur initialement déchargé et i(t = 0) bobine initialement déchargé.
q(t) = CE + Ae−αt cos(Ωt + ϕ) =⇒ q(t = 0) = 0 = CE + A cos ϕ
(I)
−αt
i(t) = −Ae (α cos(Ωt + ϕ) + Ω sin(Ωt + ϕ))
i(t = 0) = 0 =⇒ α cos ϕ + Ω sin ϕ = 0
(II)
D’après (II) :
tan ϕ = −
α
Ω
√
1
1
CE
et comme 1 + tan2 x =
=⇒
=
±
1 + tan2 x
2x
cos
ϕ
cos
cos
x
r
α2
alors A = ±CE 1 + 2
Ω
Puisque A est une amplitude alors le signe +, donc
D’après (I) :A = −
A = CE
r
1+
α2
Ω2
Cas particulier important α ≪ ωo =⇒ Q ≫ 1
Dans ce cas
α ≪ ωo =⇒ Ω = ωo ; T = T o ; A = CE; ϕ = 0
Donc
q(t) = CE(1 + e−αt cos(ωo t))
Ainsi
i(t) = −CEe−αt (α cos ωo t + ωo sin ωo t)
Puisque les fonctions cos x et sin x sont bornées et α ≪ ωo alors
i(t) = −CEωo e−αt sin ωo t
Representation graphique
Représentation de la charge
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3.3. CIRCUIT (RLC) SÉRIE :
q(t)
CE(1 + exp(−αt)
CE
CE(1 − exp(−αt)
t
Variation de la charge dans le circuit RLC en régime pseudo-périodique forcé
20 juin 2018
Page -41Représentation du courant
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3.3. CIRCUIT (RLC) SÉRIE :
i(t)
Variation du courant dans le circuit RLC en régime pseudo-périodique forcé
t
20 juin 2018
Page -42Représentation du portrait de phase
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3.3. CIRCUIT (RLC) SÉRIE :
i(t)
q(t)
Remarque
Portrait de phase en régime pseudo-périodique
Si on remplace la tension continue E par un générateur de tension carrée on
obtient le schéma suivant :
Representation graphique
Pour toute les détails voir TP régime transitoire
20 juin 2018
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20 juin 2018
3.3. CIRCUIT (RLC) SÉRIE :
Page -44-
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CHAPITRE 4
RÉGIME ALTERNATIF SINUSOIDAL
Un signal alternatif est un signal qui n’admet pas de composante continue (sa valeur
moyenne est nulle :< u(t) >= 0) ,en effet son expression s’écrit sous la forme :
x(t) = Xm cos(ωt + ϕ)
avec :
• Xm : amplitude du signal (valeur positive).
• ωt + ϕ : la phase à l’instant t.
• ϕ : La phase à l’origine, c’est à dire la phase pour t = 0
• ω : la pulsation .
4.1
4.1.1
Amplitude complexe ,Impedance et admittance complexes
Amplitude complexe
Soit un signal sinusoidal d’amplitude Xm et de pulsation ω, c’et à dire
x(t) = Xm cos(ωt + ϕ)
A ce signal on peut lui associer :
◮ Un vecteur tournant de norme Xm et d’angle θ = ωt + ϕ : représentation de Fresnel.
◮ Un nombre complexe de module Xm et d’argument ϕ : représentation complexe.
Rappel :
⊲ | Z 1 × Z 2 |=| Z 1 | × | Z 2 |
Z1
|Z |
= 1
⊲
Z2
| Z2 |
⊲ arg(Z 1 Z 2 ) = arg Z 1 + arg Z 2
⊲ arg(a > 0) = 0
⊲ arg(a < 0) = π
⊲ arg( ja)(a < 0) = −
Si Z = a + jb =| Z | e
⊲ arg(Z 1 /Z 2 ) = arg Z 1 − arg Z 2
jθ
π
2
⊲ = z1 + z2 = z1 + z2
alors :
45
π
2
⊲ z1 /z2 = z1 /z2
⊲ arg( ja)(a > 0) =
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4.1. AMPLITUDE COMPLEXE ,IMPEDANCE ET ADMITTANCE COMPLEXES
√
a2 + b2
ℑ(Z)
b
⊲ sin θ = √
=
|Z|
a2 + b2
ℜ(Z)
a
b ℑ(Z)
⊲ cos θ = √
⊲ tan θ = =
=
|Z|
a ℜ(Z)
a2 + b2
⊲ | Z |=
La notation complexe consiste à associe à une fonction sinusoïdale un nombre complexe :
x(t) = Xm cos(ωt + ϕ) → x(t) = Xm cos(ωt + ϕ) + jXm sin(ωt + ϕ)
=⇒ x(t) = Xm e j(ωt+ϕ) = Xm e jϕ e jωt avec : x(t) = ℜ(x(t))
x(t) = Xm e jϕ e jωt
Xm
On rappelle que pour un signal sinusoidal :Xe = √ :
valeur efficace.
2
On pose :
X m = Xm e jϕ =⇒ Xe = Xe e jϕ
On conclut que :
Xe = |Xe| k Xm = |X m | k ϕ = arg X m = arg X e
Intérêt de la notation complexe :
⋆ Linéarité :
Si x1 = X1m cos(ωt + ϕ1 ) et x2 = X2m cos(ωt + ϕ2 ) alors pour :
x = x1 + x2 = Xm cos(ωt + ϕ) =⇒ Xm e jϕ e jωt = X1m e jϕ1 e jωt + X2m e jϕ2 e jωt
X m = X 1m + X 2m
Propriété
Linéarité
L’addition de deux fonctions sinusoïdales de même pulsation ω est équivalent à l’addition des amplitudes complexes en notation complexe.
⋆ Dérivation :
x(t) = Xm cos(ωt + ϕ) =⇒ x = Xm e jϕ e jωt
π
j
dx
π
jϕ jωt 2
=⇒
= −ωXm sin(ωt + ϕ) = ωXm cos(ωt + ϕ + ) → ωXm e e e = jωXm e jϕ e jωt
dt
2
dx
= jωx(t)
dt
Propriété
Dérivation
Dériver par rapport à t en notation réelle revient à multiplier par ( jω) en
notation complexe
⋆ Intégration :
20 juin 2018
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4.1. AMPLITUDE COMPLEXE ,IMPEDANCE ET ADMITTANCE COMPLEXES
1
Xm
π
Xm sin(ωt + ϕ) =
cos(ωt + ϕ − )
ω
ω
2
π
Xm jϕ jωt
Xm jϕ jωt − j
e e e 2 =
e e
→
ω
jω
Z
1
x(t)dt =
x(t)
jω
R
x(t)dt =
Propriété
Intégration
Intégrer par rapport
à t en notation réelle revient à multiplier par (
en notation complexe
4.1.2
Impédance complexe et admittance complexe :
4.1.2.1
Définitions :
Soit un dipole linéaire AB ;
i(t)
D
u(t)
i = Im cos(ωt + ϕi ) → i = I m e jωt avec I m = Im e jϕi
Puisque le dipole est linéaire alors la tension u(t) est sinusoidal de même pulsation ω
u = Um cos(ωt + ϕu ) → u = U m e jωt avec U m = Um e jϕu
On appelle impedance complexe
Z=
Z=
Um Ue
=
Im
Ie
Um j(ϕu −ϕi )
e
= Ze jϕ
Im
Z = |Z| =
Um
Im
k
ϕ = ϕu − ϕi = arg Z
ϕ étant le déphasage entre u(t) et i(t)
On appelle admittance complexe :
Ym =
20 juin 2018
I
1
Im − jϕ
= m =
e
Z m U m Um
Page -47-
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1
)
jω
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4.1.2.2
4.1. AMPLITUDE COMPLEXE ,IMPEDANCE ET ADMITTANCE COMPLEXES
Applications :
4.1.2.2.1
Impédance d’un resistor
:
u = Ri =⇒ U m = RI m
Conclusion:
ZR = R =⇒ ϕR = 0: u(t) et i(t) sont en phase
uR (t)
i(t)
t
4.1.2.2.2
Impedance d’une bobine idéale
:
di
u = L =⇒ U m = jLωIm =⇒
dt
Z L = jLω
Conclusion:
•
•
•
•
ZL = Lω
π
ϕL = +
2
ϕL > 0 =⇒ u(t) est en quadrature avance par rapport
π
ϕL = =⇒ ∆t = T/4
2
à i(t)
uL (t)
i(t)
t
20 juin 2018
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4.1.2.2.3
4.2. ÉTUDE DU CIRCUIT RLC SÉRIE EN RÉGIME SINUSOIDAL FORCÉ
Impedance d’un condensateur
:
1
1R
Im =⇒
u=
i(t)dt =⇒ U m =
C
jCω
1
jωC
ZC =
•
ZC =
1
Cω
uc (t)
i(t)
t
;
ϕC = −π/2
• ϕC < 0 =⇒ u(t) est en quadrature
retard par rapport à i(t)
• |ϕC | = π/2 =⇒ ∆t = T/4
Remarque
Conclusion
Tous les résultats trouvés en courant continu reste valable en régime sinusoidal forcé à condition de travailler avec les grandeurs complexes
Exemple :Voir TD 3 :
4.2
Étude du circuit RLC série en régime sinusoidal
forcé
Soit un circuit RLC série alimenté par un GBF maintenant entre ses bornes une tension
e(t) = E cos(ωt + ϕe ) avec ω = 2π f variable ; f étant la fréquence
i(t)
u(t)
4.2.1
L
R
∼
C
Régime transitoire et régime permanent
L’équation différentielle s’écrit :
d 2 q ωo dq
E
2
+
+
ω
q
=
cos(ωt + ϕe )
o
dt2
Q dt
L
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4.2. ÉTUDE DU CIRCUIT RLC SÉRIE EN RÉGIME SINUSOIDAL FORCÉ
La solution de cette équation différentielle est la somme de deux solutions :
• Une solution de l’équation homogène (sa forme dépend du signe de ∆′ ), cette solution
tend vers 0 lorsque t → ∞(t > 10τ).
• Une solution particulière qui s’écrit sous la forme Q cos(ωt + ϕq ) qui décrit le régime
permanent.
Pour représenter les deux régimes on suppose que ∆′ < 0 , ainsi : q(t) = 1e−0,1t cos(2t) + 1 cos(t)
u(t)
t
Régime transitoire
4.2.2
Régime établi
Étude de l’impedance
RLC en série donc Z = Z R + Z C + Z L alors
Z = (R + r) + j(Lω −
1
)
Cω
On tire que :
Z=
r
(R + r)2 + (Lω −
p
1 2
) = Re 1 + Q2 (x − 1/x)2
Cω
tan ϕ =
1
Cω
R+r
Lω −
Cherchons si Z présente un extremum, pour cela calculons
dZ
:
dω
1
1
(Lω −
)(L +
)
dZ
Cω
Cω2
= r
dω
1 2
(R + r)2 + (Lω −
)
Cω
1
1
dZ
et sa valeur
= 0 =⇒ Lω =
On retient que Z est minimale pour ω = ωo = √
dω
Cω
LC
minimale est
Zmin = R + r
20 juin 2018
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4.2. ÉTUDE DU CIRCUIT RLC SÉRIE EN RÉGIME SINUSOIDAL FORCÉ
Z
R+r
x
xR = 1
4.2.3
Résonance en tension aux bornes du condensateur (Charge)
4.2.3.1
Équation différentielle et solution
On a :e(t) = Re i + L
q
dq
duc
di q
+ et puisque uc = et i =
=C
alors
dt c
C
dt
dt
d 2 uc R duc
1
1
+
+
u
=
e(t)
c
dt2
L dt
LC
LC
En posant ω2o =
R ωo
1
et 2α =
=
la forme canonique
LC
L
Q
d 2 uc ωo duc
+
+ ω2o uc = ω2o E cos(ωt + ϕe )
dt2
Q dt
C’est une équation différentielle en uc du second ordre linéaire avec second membre sinusoidal.
La solution de cette équation différentielle en régime permanent s’écrit uc (t) = Uc cos(ωt+
ϕc ).
Le problème et de déterminer Uc et ϕc .
On utilise la méthode complexe pour déterminer ces deux grandeurs, pour cela on utilise
le diviseur de tension :
Uc =
20 juin 2018
1/ jCω
E =⇒ U c =
Re + jLω + 1/ jCω
Page -51-
1−
1
ω 2
ωo
+
j ω
Q ωo
E
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4.2. ÉTUDE DU CIRCUIT RLC SÉRIE EN RÉGIME SINUSOIDAL FORCÉ
Posons pour la suite x =
ω
: pulsation réduite (sans dimension)
ωo
1
Uc =
1−
x2
j
+ x
Q
E
Donc
Uc = s
E
(1 − x2 )2 +
x2
Q2
ϕc = ϕe − arg(1 − x2 +
4.2.3.2
j
x)
Q
Étude de l’amplitude Uc
Cherchons si Uc présente un extremum ; pour cela calculons
dUc
:
dx
1 x 2(x2 − 1) + 2
dUc
Q
= −E 2
dx
x 3/2
(x2 − 1)2 + 2
Q
On conclut donc que :
• Uc présente en x = 0 =⇒ ω = 0 (Signal continue) un extremum (solution non importante)
1
• Si Q > √ Uc présente un deuxième extremum en
2
xR =
s
1−
1
=⇒ ωR(charge) = ωo
2Q2
s
1−
1
2Q2
Avec
Si Q ≫ 1 alors
2EQ2
Uc(max) = p
4Q2 − 1
Uc(max) = QE
c’est le phénomène de surtension
1
• Si Q 6 √ Uc ne présente pas un deuxième extremum : Uc une fonction décroissante
2
Représentation pour quelques valeurs de Q
20 juin 2018
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4.2. ÉTUDE DU CIRCUIT RLC SÉRIE EN RÉGIME SINUSOIDAL FORCÉ
Uc
QE m
Em
Remarque
Pour Q > 5 =⇒ ωR = 0, 9899ωo ≃ ωo
4.2.3.3
La bande passante à -3dB pour la charge
√
2
On suppose pour la suite que Q >
2
On définit la bande passante à -3dB par l’intervalle des pulsations [ω1 , ω2 ](ou fréquences
[ f1 , f2] ou [x1 , x2 ]) tel que Uc >
20 juin 2018
Uc(max)
√
2
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4.2. ÉTUDE DU CIRCUIT RLC SÉRIE EN RÉGIME SINUSOIDAL FORCÉ
Uc
U
c(max) =QE
U
c(max)
√
2
E
ω
ωo
ωc1
ωc2
Vu la courbe de Uc en fonction de x on cherche les valeurs de x ou on a l’égalité.
Tout calcul (avec maple)fait donne :
xc1 =
ωc1
=
ωo
v
u
t
1−
1
1
−
2
2Q
Q
s
1−
1
4Q2
xc2 =
ωc2
=
ωo
v
u
t
s
1+
1−
1
1
+
2
2Q
Q
s
1−
1
4Q2
Si Q ≫ 1 alors
ωc1 ≃ ωo
s
1
1
) et ωc2 ≃ ωo
1 − ≈ ωo (1 −
Q
2Q
1
1
≈ ωo (1 +
)
Q
2Q
La largeur de la bande passante à -3dB est :
∆ω = ωc2 − ωc1 =
4.2.3.4
ωo
Q
Étude du déphasage φ = ϕc − ϕe
On a :ϕc = ϕe − arg(1 − x2 +
j
x) donc :
Q
sin φ = − s
x/Q
<0
2
(1 − x2 )2 +
x
Q2
sin φ < 0 =⇒ φ ∈ [−π, 0]
x
j
Q
φ = − arg(1 − x2 + x) =⇒ tan φ = −
Q
1 − x2
20 juin 2018
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4.2. ÉTUDE DU CIRCUIT RLC SÉRIE EN RÉGIME SINUSOIDAL FORCÉ
⊲ x → 0 =⇒ φ → 0
π
⊲ x → 1 =⇒ φ → −
2
⊲ x → +∞ =⇒ φ → −π en effet :
π π
π
φ ∈ [−π, π] =⇒ φ + ∈ [− , ]
2
2 2
1
Q(1 − x2 )
π
Q(1 − x2 )
π
=
=⇒ φ = − + arctan
tan(φ + ) = −
2
tan φ
x
2
x
π π
Pour x → ∞ =⇒ φ → − − = −π
2 2
φ
1
−
x
π
2
−π
4.2.4
Résonance en intensité
En régime permanent le courant à pour expression i(t) = Im cos(ωt + ϕi ) =⇒ i(t) = I m e jωt
avec I m = Im e jϕi
En appliquant la loi d’OHM en notation complexe, on obtient
Im =
E
Re + jLω +
4.2.4.1
1
jCω
=⇒ I m =
E/Re
1
1 + jQ(x − )
x
Étude de l’amplitude Im
On a
Im =
E
= r
|Z|
E/Re
1 2
1 + Q2 x −
x
⊲ x = 0 =⇒ Im = 0
⊲ x → ∞ =⇒ Im → 0
⊲ Im est maximal si Z est minimal c’est à dire pour ω = ωo =
de résonance du courant
⊲ Im (ωo ) =
1
: C’est la pulsation
LC
E
= Imax
Re
Representation graphique de Im en fonction du facteur de qualité Q
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4.2. ÉTUDE DU CIRCUIT RLC SÉRIE EN RÉGIME SINUSOIDAL FORCÉ
i
Q = 2
Q = 4
Q = 6
Q = 8
x
1
4.2.4.2
La bande passante à -3dB
On définit la bande passante à -3dB par l’intervalle des pulsations [ω1 , ω2 ](ou fré-
Imax
quences [ f1 , f2 ]) tel que Im > √
2
c’est à dire 1 + Q2 x −
1 2
1 2
6 2 =⇒ Q2 x −
−1 60
x
x
Im
Imax =
E
Re
Imax
√
2
x
ωc1
x1 =
ωo
ωo
ωc2
x2 =
ωo
D’après le graphe de Im = Im (x) on cherche les x ou l’égalité est satisfaite :
1 2
1
Q2 x −
− 1 = 0 =⇒ Q2 (x − )2 = 1
x
x
1
1
Q2 (x − )2 = 1 =⇒ Q(x − ) = ±1 c’est à dire que
x
x
1
1
+
x2 ± x − 1 = 0 =⇒ x1/2 = ±
Q
2Q
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s
1
+1
2Q2
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4.2. ÉTUDE DU CIRCUIT RLC SÉRIE EN RÉGIME SINUSOIDAL FORCÉ
x1 =
ω1
1
=−
+
ωo
2Q
s
1
+1 ;
2Q2
x2 =
ω2
1
=
+
ωo 2Q
s
1
+1
2Q2
La largeur de la bande passante à -3dB est :
∆ω = ω2 − ω1 =
ωo Re
=
Q
L
La résonance est aiguë si la bande passante est étroite (Re faible)
Remarque
On retrouve la définition du facteur de qualité
1
ωo
=
Q=
∆ω R
4.2.4.3
r
L Lωo
1
=
=
C
R
RCωo
Étude du déphasage ϕ = ϕi − ϕe
On a ϕi = ϕe − arg(1 + jQ(x −
1
) en posantϕ = ϕi − ϕe alors
x
π π
1
1
> 0 =⇒ ϕ ∈ [− , ]
ϕ = − arg(1 + jQ(x − ) =⇒ cos ϕ = r
x
2 2
1
1 + Q2 (x − )2
x
π
2
π
x → ∞ alors ϕ → −
2
x → 1(à la résonance
r en courant) alors ϕ → 0
1
1
π
x → x1 = −
+
+
1
alors
ϕ
→
+
2Q r 2Q2
4
1
1
π
x → x2 =
+
+ 1 alors ϕ → −
2
2Q
2Q
4
⊲ Si x → 0 alors ϕ →
⊲ Si
⊲ Si
⊲ Si
⊲ Si
Representation graphique de ϕ en fonction x
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4.3. LA PUISSANCE :
ϕ
x
4.3 La puissance :
4.3.1
Facteur de puissance :
⋆ La puissance instantanée :
p(t) =
δW
= u(t).i(t)
δt
⋆ La puissance moyenne :
1
Pm =< p(t) >=
T
Z
T
p(t)dt
0
sachant que
• u(t) = Um cos(ωt + ϕu )
• i(t) = Im cos(ωt + ϕi )
1
• cos a cos b = [cos(a + b) + cos(a − b)]
2
Et en posant ϕ = ϕu − ϕi le déphasage de le tension par rapport au courant alors :
Pm = Um Im cos(ωt + ϕu ) cos(ωt + ϕi )
Pm =< p(t) >=
Um Im
cos ϕ = Ue Ie cos ϕ
2
⊲ cos ϕ : facteur de puissance.
Um Im
⊲ Pm =
cos ϕ :puissance active ou puissance utile
2
Um Im
⊲ Q=
sin ϕ :puissance réactive
2
Um Im
:puissance apparente
⊲ S =
2
S 2 = P2m + Q2
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4.3. LA PUISSANCE :
Remarque
ui∗ = UI ∗ = Um Im e j(ϕ+ϕi ) e− jϕi = Um Im cos ϕ + jUm Im sin ϕ
1
1
Pm = ℜ(ui∗ ) = ℜ(U m I ∗m ) = ℜ(U e I ∗e )
2
2
Et puisque U m = ZI m alors
Pm =
I2
ℜ(Z) = Ie2 ℜ(Z)
2
On conclut donc que la puissance moyenne est dissipée dans la partie réelle de l’impédance complexe
Intérêt : Soit un générateur alimentant une utilisation à travers une ligne de transport
(cables) :
Ligne (Z)
i
cos ϕ
Générateur
utilisation
On pose :
Pu = UI cos ϕ : La puissance moyenne utile.
S = UI : La puissance apparente.
P J = RI 2 : La puissance moyenne consommée par la ligne (Z = R + jX )
Pg : la puissance moyenne délivrée par le générateur.
Le bilan énergétique s’écrit :Pg = P J + Pu
◮
◮
◮
◮
Le rendement énergétique de l’ensemble est :
η=
Pu
=
Pg
1
1+
PJ
Pu
η est une fonction décroissante de
P J RI 2
RPu
=
= 2
Pu
Pu
U cos2 ϕ
Pour augmenter η , il faut minimiser
PJ
donc soit :
Pu
⊲ Diminuer R (augmenter la section des cables)
⊲ Augmenter U (haute tension)
⊲ Augmenter cos ϕ (en pratique cos ϕ > 0, 9)
Exemple : Soit un dipôle d’impédance complexe Z = Ze jϕ
Pour augmenter cos ϕ, on peut placer en parallèle sur le dipôle un condensateur
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4.3. LA PUISSANCE :
D
C
L’admittance équivalente est
Y e = jCω +
1
Z
On veut que cos ϕtotal = 1 =⇒ Y e ∈ R c’est à dire
Cω −
4.3.2
1
1
sin ϕ = 0 =⇒ C =
sin ϕ
Z
Zω
Adaptation d’impedance :
Voir Exercice No 1 de la série II électrocinétique
1. Pm =
XE 2
2[(X + XG )2 + (Y + YG )2 ]
2. Pm est maximale si sa dérivée est nulle :
∂Pm
= 0 =⇒ X = XG
∂Y
∂Pm
= 0 =⇒ Y = −YG
•
∂X
Donc Z = Z ∗
•
3. Z est imaginaire pur =⇒ X = 0 d’où la puissance moyenne est nulle
4. la fréquence f = 150 MHz
• Z = R//C avec R = 150 Ω et C = 100 pF
1
1
Z = ZG∗ =⇒ Y = Y G∗ et comme Y = + jCω =⇒ Y G = − jCω
R
R
1
1
1
1
avec Lω =
=⇒ L =
donc Y G = +
R jLω
Cω2
Cω2
1
AN L =
= 11, 26 nH
4π f 2C
On conclut donc que
ZG = R//L
1
1
• Z = R//L =⇒ ZG = R//C tel que C =
= 2 2
2
Lω
4π L f
AN C = 37, 5 pF
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CHAPITRE 5
DIAGRAMMES DE BODE DES FILTRES DU PREMIER ET
SECOND ORDRE
On admet le Théorème de FOURIER : toute fonction périodique peut être décomposable en une série de fonctions sinusoïdales.
C’est pour cela qu’on s’interesse aux signaux sinusoïdaux appliqués aux systèmes linéaires.
5.1
Fonction de transfert
5.1.1
Définitions
Soit D un quadripole constitué par un système linéaire possédant une entrée ve et une
sortie v s :
Ve
D
Vs
Puisque on s’interesse aux signaux sinusoidaux , alors on pose :
⊲ ve (t) = Ve cos(ωt + ϕe ) =⇒ ve (t) = V e e jωt avec V e = Ve e jϕe
⊲ vs (t) = V s cos(ωt + ϕ s ) =⇒ vs (t) = V s e jωt avec V s = Ve e jϕs
On appelle fonction de transfert :
H( jω) =
avec H =
V s V s j(ϕs −ϕe )
= He jϕ
= e
V e Ve
Vs
le module de la fonction de transfert et ϕ = ϕ s −ϕe son argument(le déphasage
Ve
de la sortie par rapport à l’entrée).
5.1.2
Exemples
Déterminer la fonction de transfert pour les circuits suivants :
◮ circuit CR :H =
jRCω
1 + jRCω
61
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◮ circuit RC :H =
5.1. FONCTION DE TRANSFERT
1
1 + jRCω
1
1 − LCω2 + jRCω
−LCω2
◮ circuit RCL :H =
1 − LCω2 + jRCω
jRCω
◮ circuit LCR :H =
1 − LCω2 + jRCω
◮ circuit RLC :H =
5.1.3
Lien entre la fonction de transfert et l’équation différentielle
Rappelons que en notation complexe multiplier par ( jω)n c’est dérivé n fois par rapport au temps et diviser par ( jω)n c’est intégrer n fois par rapport au temps.
Prenons l’exemple du circuit RC :
H( jω) =
Vs
ω
=⇒ V e = V s + j V s en passant à la notation réelle on a
Ve
ωc
ve (t) = vs (t) +
1 dvs (t)
ωc dt
C’est l’équation différentielle du circuit
5.1.4
Diagrammes de BODE
En électronique , on couvre en général une large plage de fréquences (10 → 100 kHz
cadre de l’ARQP) ,la representation linéaire est peu pratique et peu utilisé.
• Diagramme de Bode : c’est une representation en échelle logarithmique en abscisse.
• On définit le gain G en décibels par :
GdB = 20 log H
On rappelle que H est sans dimension.
Le diagramme de Bode est le tracé des deux courbes :
◮ GdB = f (log(ω)) :diagramme de Bode pour H en décibels ;
◮ ϕ = g(log(ω)) :diagramme de Bode pour la phase.
20 juin 2018
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5.2. FILTRAGE
Remarque
1. On trace en général un diagramme de Bode sur un papier «semilogarithmique» (avec une échelle logarithmique )
2. On a lim log ω → −∞ : un diagramme de Bode ne «s’arrête pas » à log ω = 0
ω→0
3. Si H = H 1 × H 2 =⇒
(
GdB = G1dB + G2dB
ϕ = ϕ1 + ϕ2
On peut sommer les diagrammes de Bode


GdB = 0 ⇐⇒ H = 1




GdB < 0 ⇐⇒ H < 1
4. 



 GdB > 0 ⇐⇒ H > 1



H = 10 ⇐⇒ GdB = 20





H = 102 ⇐⇒ GdB = 40




.



 ..
5. 


H = 10−1 ⇐⇒ GdB = −20





H = 10−2 ⇐⇒ GdB = −40






 ...
◮ On appelle le décade l’intervalle des pulsations [ω1 , ω2 ] tel que ω2 = 10ω1
5.2
5.2.1
Filtrage
Introduction
Un filtre est un système linéaire qui transmet (le plus parfaitement possible ) certaines fréquences et atténue (le plus possible ) les autres.
Il est caractérisé par sa bande passante [ωc1 , ωc2 ] ou ∆ω = ωc2 − ωc1 avec ωc1 et ωc2 les
pulsations de coupure.
On définit la bande passante à -3dB par
Hmax
H(ωc ) = √ =⇒ G(ωc ) = Gmax − 3dB
2
20 juin 2018
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5.2.2
5.3. FILTRES DU PREMIER ORDRE
Principaux types de filtres
H
H
Filtre passe-bas
Filtre passe-haut
Ho
Ho
Filtre idéal
Ho
√
2
Ho
√
2
Filtre réel
Filtre idéal
Filtre réel
ω
ω
ωc
H
ωc
H
Filtre passe- bande
Filtre coupe-bande
Ho
Ho
Filtre réel
Ho
√
2
Ho
√
2
Filtre réel
Filtre idéal
ω
Filtre idéal
ωc1
ωc1
ωc2
ωc2
ω
Remarque
On pose
H( jω) =
N(ω)
D(ω)
avec deg N(ω) 6 deg D(ω) (sinon le système est instable)
On dit qu’un filtre est d’ordre n si degD(ω) = n
5.3 Filtres du premier ordre
5.3.1
Filtre passe-bas du premier ordre
La forme canonique du filtre passe-bas d’ordre 1 est :
H( jω) =
20 juin 2018
Ho
Ho
ω = 1 + jx
1+ j
ωc
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5.3.1.1
5.3. FILTRES DU PREMIER ORDRE
L’étude d’un exemple :
R
considérons le circuit (RC) suivant :
Ve
C
Vs
i
1
→ ∞ (le condensateur se comporte comme un interrupjCω
teur ouvert) ,donc le courant est nul et par conséquent v s (t) = ve (t)
1
→ 0 (le condensateur se comporte comme un fil) ,donc
◮ En HF :ω(x) → ∞ =⇒
jCω
la tension entre ses bornes est nulle et par conséquent v s (t) = 0
◮ En BF :ω(x) → 0 =⇒
On conclut que ce filtre laisse passer les tensions sinusoïdales de faibles fréquences et
élimine les tensions de hautes fréquences : C’est un filtre passe-bas
1
1
jCω
=
La fonction de transfert s’écrit :H( jω) =
1
1 + jRCω
R+
jCω
Donc :
ωc =
1
RC
||
Ho = 1
Si ω ≫ ωc (x → ∞) =⇒ H( jω) → 0 (V s → 0)
Si ω ≪ ωc (x → 0) =⇒ H( jω) → Ho
Le circuit est constitué des composants passifs alors le filtre est passif.
Puisque le degré du dénominateur est égal à 1 alors le filtre est passe-bas passif
d’ordre 1.
⋆
⋆
⋆
⋆
5.3.1.2
Diagramme de Bode pour le gain :
On a
|Ho |
|Ho |
H= r
= √
ω
1 + x2
1 + ( )2
ωc
Comportement asymptotique :
ω
|Ho |
] = 20 log |Ho | − 20 log
⊲ limω→∞ G(ω) = limω≫ωc [20 log10 r
ωc
ω
1 + ( )2
ωc
ω
lim G(ω) = Go − 20 log
ω→∞
ωc
⊲ limω→0 G(ω) ≃ 20 log |Ho | = Go
ω
est une droite de pente
ωc
-20dB/décade et qui coupe la droite horizontale G = Go pour ω = ωc
• La courbe représentant le gain GdB en fonction de log
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5.3. FILTRES DU PREMIER ORDRE
G(dB)
Go
Go-3dB
Courbe réelle
Intégrateur
20 dB/décade
décade
log
ω
ωc
Remarque
◮ Pour ω ≪ ωo =⇒ x → 0 on a H = Ho ∈ R =⇒ vs (t) = Ho ve (t) : le circuit réalise
l’opération «multiplication par une constante»
◮ Pour ω ≫ ωc =⇒ H( jω) =
R
Ho ω c
=⇒ vs = Ho ωc ve dt : c’est un intégrateur
jω
Le filtre passe bas d’ordre 1 joue le rôle d’intégrateur en hautes fréquences (pulsations(ω ≫ ωc ))
5.3.1.3
Diagramme de Bode pour la phase :
• H( jω) =
Ho
Ho
ω =⇒ ϕ(ω) = arg(
ω)
1+ j
1+ j
ωc
ωc
ϕ = arg Ho − arg(1 + j
ϕ(ω)
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x
1
> 0 donc
< 0 et cos ϕ = √
1 + x2
1 + x2
Dans notre exemple Ho = 1 =⇒ sin ϕ = − √
h π i
ω
<0
ϕ ∈ − , 0 d’où ϕ(ω) = − arctan
2
ωc
ω
)
ωc
log ωc
log ω
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5.3.2
5.3. FILTRES DU PREMIER ORDRE
Filtre passe-haut du premier ordre
La forme canonique du filtre passe haut d’ordre 1 est :
ω
jx
ωc
H( jω) = Ho
ω = Ho 1 + jx
1+ j
ωc
j
5.3.2.1
L’étude d’un exemple :
considérons le circuit (CR) suivant :
En BF :Zc → +∞ =⇒ v s (t) → 0
En HF :Zc → +0 =⇒ v s (t) → ve (t)
Donc le filtre CR est un filtre passif passe-haut
C
Ve
R
L’expression de la fonction de transfert :
H( jω) =
Donc :Ho = 1 et ωc =
•
•
•
•
jRCω
1 + jRCω
1
RC
L’ordre du filtre est égal à 1.
Si ω ≫ ωc =⇒ H( jω) → Ho
Si ω ≪ ωc =⇒ H( jω) → 0
deg(D( jω)) = 1
On conclut que c’est un filtre passif passe-haut d’ordre 1
5.3.2.2
Diagramme de Bode pour le gain :
GdB (ω) = 20 log10 |H( jω)| = 20 log10
Comportement asymptotique :
⊲ limω→∞ G(ω) ≃ Go ;
⊲ limω→0 G(ω) ≃ 20 log
ω
|Ho |
ωc
r
ω
1 + ( )2
ωc
ω
ωc
Remarque
ω
est une droite de
ωc
pente 20dB/décade et qui coupe la droite horizontale G = Go pour ω = ωc
• La courbe représentant le gain GdB en fonction de log
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5.3. FILTRES DU PREMIER ORDRE
G(dB)
dérivateur
log
ω
ωc
1
G(ωc ) = Go − 20 log √ = Go − 3dB
2
Remarque
Pour ω ≪ ωc =⇒ H( jω) = j
1 ve
ω
=⇒ vs =
: c’est un dérivateur
ωc
ωc dt
Le filtre passe haut d’ordre 1 joue le rôle d’un dérivateur en faibles fréquences f ≪ fc
5.3.2.3
Diagramme de Bode pour la phase :
π
jx
=⇒ ϕ = arg(Ho ) + − arg(1 + jx)
1 + jx
2
π
Dans notre exemple Ho = 1 =⇒ arg(Ho ) = 1 et par conséquent ϕP.haut = + ϕP.bas
2
On a H = Ho
marConclusion :
Le déphasage d’un filtre passe haut du premier ordre se déduit de celui du filtre passe
bas d’ordre 1 par une une translation de
π
2
ϕ(ω)
log
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ω
ωc
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5.4
5.4. FILTRES DU DEUXIÈME ORDRE
Filtres du deuxième ordre
L’ordre du filtre est égal à 2 donc le dénominateur D(ω) = D(x) est polynôme d’ordre
2.
5.4.1
Filtre passe-bas
La fonction de transfert d’un filtre passe bas d’ordre 2 est :
H=
Ho
1 − x2 + j
x
Q
avec ω = xωo
5.4.1.1
L’étude d’un exemple
◮ En HF : x → ∞ =⇒ Z c → 0 donc V s → 0
◮ En BF : x → 0 =⇒ Z c → ∞ donc V s → Ve
Donc : c’est un filtre passif passe bas
i
R
L
C
ve
vs
L’expression de la fonction de transfert s’écrit :
H=
1
1 − LCω2 + jRCω
On tire que :
1
◮ La pulsation propre ωo = √
LC
◮ Ho = 1
r
1 L
◮ Le facteur de qualité Q =
R C
À partir de l’expression de la fonction de transfert on en déduit que :
⊲ En BF x → 0 =⇒ H → Ho c’est à dire que vs (t) = Ho ve (t)
⊲ En HF x → ∞ =⇒ H → 0 c’est à dire que vs (t) → 0
⊲ deg(H ) = 2
On conclut que le filtre est passif, passe-bas d’ordre 2
5.4.1.2
Diagramme de Bode pour le gain
On a :
H=
|Ho |
=⇒ H = |H| = s
x
1 − x2 + j
x2
Q
(1 − x2 )2 + 2
Q
Ho
Le comportement asymptotique
◮ En BF : x → 0 =⇒ GdB = Go = 20 log |Ho |
◮ En HF : x → ∞ =⇒ GdB ≃ 20 log(|Ho |ω2o )−40 log ω :C’est une droite de pente -40dB/décade,
caractéristique du filtre du deuxième ordre.
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5.4. FILTRES DU DEUXIÈME ORDRE
On rappelle que la fonction s
1
1
(1 − x2 )2 +
x2
Q2
présente un maximum si Q > √
2
Donc si :
1
• Q < √ : GdB ne présente pas de maximum (courbe décroissante)
2
r
2Q2
1
1
ainsi
H(x
)
=
|H
|
• Q > √ : GdB présente un maximum en xR = 1 −
p
R
o
2Q2
2
4Q2 − 1
GdB
ωR
20 log |Ho |
20 log |Ho | − 3
1
Q= √
2
log ω
ωo
1
Q> √
2
1
Q< √
2
-40 dB/décade
1
1. En général xR , 1 =⇒ ωR , ωo sauf pour Q = √
2
2. Si Q ≫ 1 alors ωR = ωo ainsi on nomme x1 et x2 > x1 les pôles du dénominateur
Ho
; ainsi le diagramme asymptotique présente
(1 + jx1 )(1 + jx2 )
une asymptote intermédiaire entre x1 et x2 à -20 dB/décade
c’est à dire que H =
En effet si :
◮ ω ≪ ω1 =⇒ H = Ho : multiplication par une constante
R
Ho ω 1
◮ ω1 ≪ ω ≪ ω2 =⇒ H =
c’est à dire que v s (t) = ω1 Ho ve (t) dt :intégrateur
jω
R R
Ho ω o
c’est
à
dire
que
v
(t)
=
( ve (t) dt) dt : double intégrateur
◮ ω2 ≪ ω =⇒ H =
s
( jω)2
5.4.1.3
Diagramme de Bode pour la phase
On a :
Ho
x
=⇒ ϕ = arg Ho − arg(1 − x2 + j )
x
Q
1 − x2 + j
Q
x
x
Pour Ho = 1 alors ϕ = − arg(1 − x2 + j ) =⇒ tan ϕ = −
Q
Q(1 − x2 )
H=
Représentation de la phase pour quelques valeurs de Q
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5.4. FILTRES DU DEUXIÈME ORDRE
ϕ
log x
−π/2
1
Q> √
2
1
Q= √
2 1
Q< √
2
−π
5.4.2
Filtre passe-haut
La fonction de transfert d’un filtre passe haut d’ordre 2 est de la forme
H = −Ho
x2
1 − x2 + j
x
Q
• En BF x → 0 =⇒ H → 0 donc vs (t) → 0
• En HF x → ∞ =⇒ H → Ho donc vs (t) → Ho ve (t)
• deg D=2
on conclut que le filtre est passe-haut d’ordre 2
5.4.2.1
L’étude d’un exemple
i
R
C
Ve
L
Vs
En utilisant le diviseur de tension en notation complexe on obtient :
H=−
1
Avec Ho = 1 , Q =
R
20 juin 2018
r
LCω2
x2
=
−
x
1 − LCω2 + jRCω
1 − x2 + j
Q
L
1
et ωo = √
C
LC
Page -71-
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PCSI-LYDEX
5.4.2.2
5.4. FILTRES DU DEUXIÈME ORDRE
Diagramme de Bode pour le gain
H = |Ho | p
x2
(1 − x2 )2 + x2 /Q2
Comportement asymptotique :
◮ En HF : H = |Ho | =⇒ GdB = Go = 20 log |Ho |
|Ho |
◮ En BF H = 2 =⇒ GdB = Go + 40 log x : c’est une droite de pente +40 dB/décade
x
Cherchons si H ainsi GdB présente un extremum (maximum), pour cela calculons :
xQ(2Q2 − x2 (2Q2 − 1))
dH
= 2
dx
(Q − 2 Q2 x2 + Q2 x4 + x2 )(3/2)




Si Q <


dH

= 0 =⇒ 


dx


 Si Q >
1
√ H ne présente pas de maximum (de même pour GdB )
2
1
√ H présente un maximum (de même pour en GdB) xR tel que
2
ωR
2Q
= p
>1
ω
4 Q2 − 2
2Q2
Si Q ≫ 1 =⇒ xR = 1 donc ωo = ωR et H(xR ) = Q|Ho |
ainsi H(xR ) = p
4Q2 − 1
xR =
Representation graphique du gain pour quelques valeurs de Q
GdB
Q > 1/
√
2
log x
√
2
√
Q = 1/ 2
Q < 1/
+40 dB/décade
5.4.2.3
Diagramme de Bode pour la phase
On a :
ϕ = arg(−Ho x2 ) − arg(1 − x2 + jx/Q) = arg(−Ho ) − arg(1 − x2 + jx/Q)
Pour Ho = 1 alors
ϕ = π − arg(1 − x2 + jx/Q) =⇒ tan(π − ϕ) = − tan ϕ =
20 juin 2018
Page -72-
x
Q(1 − x2 )
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5.4. FILTRES DU DEUXIÈME ORDRE
Donc
tan ϕ =
x
− 1)
Q(x2
Representation graphique de la phase pour quelques valeurs de Q
ϕ
π
√
Q = 0, 2 < 1/ 2
√
Q = 1/ 2
√
Q = 3 > 1/ 2
log x
Remarque
◮ En HF : H = Ho =⇒ vs (t) = Ho ve (t) : multiplication par une constante
Ho d 2 ve (t)
Ho
◮ En BF : H = −Ho x2 = − 2 ( jω)2 =⇒ vs (t) = 2
: la tension de sortie est
ωo
ωo dt2
proportionnelle à la dérivée seconde de la tension d’entrée
5.4.3
Filtre passe-bande
La fonction de transfert d’un filtre passe-bande d’ordre 2 est :
H = Ho
Ho
=
x
1
1 − x2 + j
1
+
jQ
x
−
Q
x
jx/Q
◮ En BF : H → 0 =⇒ vs (t) → 0
◮ En HF : H → 0 =⇒ vs (t) → 0
On montre (après) que H présente un maximum , donc c’est un filtre passe-bande du
second ordre
5.4.3.1
L’étude d’un exemple
◮ En HF : x → ∞ =⇒ Z L → ∞ donc V s → 0
◮ En BF : x → 0 =⇒ Z c → ∞ donc V s → 0
◮ Pour ω = ωo on a V s est maximale
i(t)
Ve
L
C
R
Donc : c’est filtre passif passe bas
20 juin 2018
Page -73-
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Vs
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5.4. FILTRES DU DEUXIÈME ORDRE
L’expression de la fonction de transfert s’écrit :
H=
jRCω
1 − LCω2 + jRCω
On tire que :
1
◮ La pulsation propre ωo = √
LC
◮ Ho = 1
r
1 L
◮ Le facteur de qualité Q =
R C
5.4.3.2
Diagramme de Bode pour le gain
On a
|Ho |
1 2
1 + Q2 x −
x
H= r
Comportement asymptotique :
◮ En BF : H =
+20 dB/décade
◮ En HF : H =
|Ho |
x =⇒ G BF = Go − 20 log(Qωo ) + 20 log ω : C’est une droite de pente
Q
|Ho |
ωo
=⇒ G HF = Go + 20 log
− 20 log ω : C’est une droite de pente -20
Qx
Q
dB/décade
◮ Pour ω = ωo =⇒ H = |Ho | = Hmax donc GdB(ωo ) = 20 log |Ho | = Go
◮ L’intersection des deux pentes : G HF = G BF =⇒ ω = ωo
◮ Pour ω = ωo on a :G HF (ωo ) = G BF (ωo ) = 20 log
Représentation du diagramme asymptotique
|Ho |
Q
GdB
20 log
|Ho |
Q
log x
+20 dB/décade
20 juin 2018
-20 dB/décade
Page -74-
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5.4. FILTRES DU DEUXIÈME ORDRE
Le diagramme de Bode dépend de la valeur du facteur de qualité Q , c’est à dire comparer
|Ho |
et 20 log |Ho | , autrement dit comparer Q et 1.
Q
Premier cas Q < 1 :
|Ho |
> 20 log |Ho | , le diagramme de bode est de la forme :
Dans ce cas 20 log
Q
20 log
GdB
20 log
|Ho |
Q
Go
log x
-3dB
Go
x
- 20 dB/décade
+20 dB/décade
Intégrateur
dérivateur
Ho dve (t)
Ho
( jω) =⇒ vs (t) =
donc dérivateur
Qωo
Qωo dt
Ho 1
Ho ω o R
• En HF : H =
=⇒ vs (t) =
ve (t) dt donc intégrateur
Qωo jω
Q
|Ho |
< 20 log |Ho | , le diagramme de bode est de la
Deuxième cas Q > 1 Dans ce cas 20 log
Q
• En BF : H =
forme :
GdB
Go
Go-3dB
20 log
|Ho |
Q
log x
+ 20 dB/décade
- 20 dB/décade
Integrateur
Dérivateur
20 juin 2018
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5.4.3.3
5.4. FILTRES DU DEUXIÈME ORDRE
Diagramme de Bode pour la phase
1
ϕ = arg Ho − arg[1 + jQ x − ]
x
Pour le filtre passif Ho = 1 donc
tan ϕ = −Q
x2 − 1
x
ϕ
+π/2
log x
1
Q> √
2
1
Q= √
2 1
Q< √
2
−π/2
5.4.4
Filtre coupe (ou réjecteur) de bande
La fonction de transfert d’un filtre coupe (réjecteur de) bande du second ordre est de
la forme
H = Ho
1 − x2
1 − x2 + jx/Q
En effet :
◮ H(x = 1) = 0 =⇒ vs (t) = 0
◮ H(x → 0) = Ho =⇒ vs (t) = Ho ve (t)
◮ H(x → ∞) = Ho =⇒ vs (t) = Ho ve (t)
Ce filtre laisse passer toutes les fréquences sauf aux voisinages de x = 1 c’est à dire aux
voisinage de la pulsation propre
5.4.4.1
L’étude d’un exemple
• En BF :Z c → ∞ =⇒ i = 0 donc vs (t) = ve (t)
• En BF :Z L → ∞ =⇒ i = 0 donc vs (t) = ve (t)
• Pour ωωo =⇒ vs (t) = ve (t)
i
Ve
R
L
C
Vs
C’est
un coupe bande
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5.4. FILTRES DU DEUXIÈME ORDRE
L’expression de la fonction de transfert
1
1 − LCω2
jCω
H=
=⇒ H =
1
1 − LCω2 + jRCω
R + jLω +
jCω
jLω +
1
1
,Q=
Donc : Ho = 1 , ωo = √
R
LC
5.4.4.2
r
L
et x = ω/ωo
C
Diagramme de Bode pour le gain
On a :
H = |Ho |
|1 − x2 |
(1 − x2 )2 + x2 /Q2
5.4.4.2.1 Comportement asymptotique ◮ En BF x → 0 =⇒ H = |Ho | ainsi GdB = Go
◮ En HF x → ∞ =⇒ H = |Ho | ainsi GdB = Go
Le gain présente deux asymptotes horizontales confondues
◮ Pour x = 1 =⇒ ω = ωo on a H = 0+ =⇒ GdB (x = 1) → −∞
GdB présente une asymptote verticale en x = 1 c’est à dire en pulsation propre
5.4.4.2.2
Représentation graphique du gain pour quelques valeurs de Q
G
dB
G
o
1
Q= √
2
1
Q> √
2
1
Q< √
2
5.4.4.2.3
log x
La bande passante
20 juin 2018
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5.4. FILTRES DU DEUXIÈME ORDRE
G
dB
Go
log x1
log x
2
log x
G o -3dB
|1 − x2 |
|Ho |
=⇒ p
H= √
2
(1 − x2 ) + x2 /Q2
=⇒ 2(1 − x2 )2 = (1 − x2 )2 + x2 /Q2
=⇒ (1 − x2 )2 = x2 /Q2
=⇒ 1 − x2 = ±x/Q
La solution de cette équation sont :
x1 =
1
1
ω1
=−
+
ω
2Q 2
s
1
+4<1 ;
Q2
x2 =
ω2
1
1
=+
+
ω
2Q 2
s
1
+4 >1
Q2
La largeur de la bande passante
∆x =
5.4.4.3
ωo
1
=⇒ ∆ω =
Q
Q
Diagramme de Bode pour la phase
On a :
H = Ho
Donc
1 − x2
Ho
=⇒ H =
x
2
1 − x + jx/Q
1+ j
Q(1 − x2 )
ϕ = arg Ho − arg(1 + j
Pour un filtre passif Ho = 1 donc :
avec :
tan ϕ = −
x
)
Q(1 − x2 )
x
Q(1 − x2 )
π π
⊲ cos φ > 0 =⇒ ϕ ∈ [− , ]
2 2
π
⊲ sin ϕ < 0 =⇒ ϕ ∈ [− , 0] pour x < 1
2
π
⊲ sin ϕ > 0 =⇒ ϕ ∈ [0, ] pour x > 1
2
π
• lim ϕ = 0−
• lim ϕ = 0+
• lim− ϕ = −
x→∞
x→0
x→1
2
• lim+ ϕ = +
x→1
π
2
On conclut que la phase d’un filtre coupe bande est présente une discontinuité en x = 1
c’est à dire en ωo .
Représentation graphique de la phase pour quelques valeurs de Q
20 juin 2018
Page -78-
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PCSI-LYDEX
5.4. FILTRES DU DEUXIÈME ORDRE
π
2
ϕ
log x
1
Q< √
12
Q= √
2
1
Q> √
2
-
20 juin 2018
π
2
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PCSI-LYDEX
20 juin 2018
5.4. FILTRES DU DEUXIÈME ORDRE
Page -80-
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CHAPITRE 6
FILTRAGE LINÉAIRE DES SIGNAUX PÉRIODIQUES
6.1
6.1.1
Composition en fréquence d’un signal
Représentation temporelle et fréquentielle
Soit g(t) un signal T −périodique c’est à dire g(t + kT ) = g(t) avec :
1
la fréquence propre du signal.
T
2π
= 2π f la pulsation propre du signal.
• ω=
T
• f =
Exemples
- Signal sinusoidal :
- Signal carrée :
- Signal triangulaire :
81
PCSI-LYDEX
6.1. COMPOSITION EN FRÉQUENCE D’UN SIGNAL
- sinusoidal redressé double-alternance
-Signal dents de scie
On admet le théorème de FOURIER :
∞
X
g(t) = ao +
(an cos(nωt) + bn sin(nωt))
n=1
C’est le développement en série de FOURIER (DSF)
Avec
1
ao =
T
Z
to +T
g(t) dt =< g(t) >= gm
to
C’est la valeur moyenne (dite aussi composante continue ou offset) du signal g(t).
Ainsi
2
an =
T
Z
to +T
to
2
g(t) cos(nωt) dt ; bn =
T
Z
to +T
g(t) sin(nωt) dt
to
On retient que tout signal périodique de fréquence f est la somme des fonctions sinusoïdales de fréquence 0, f, 2 f, 3 f, · · · .
◮ On appelle le fondamental le terme correspond à la fréquence f (=⇒ n = 1) c’est à
dire le terme a1 cos ωt + b1 sin ωt
◮ On appelle les harmoniques d’ordre n les termes correspondent aux fréquences n f
avec n > 1.
◮ On peut écrire g(t) sous la forme
g(t) = ao +
∞
X
An cos(nωt + ϕn )
n=1
avec
An =
20 juin 2018
q
a2n + b2n
;
Page -82-
tan ϕn = −
bn
an
[email protected]
PCSI-LYDEX
6.1. COMPOSITION EN FRÉQUENCE D’UN SIGNAL
En effet :
An cos(nωt + ϕn ) = An cos nωt cos ϕn − An sin nωt sin ϕn =⇒
(
An cos ϕn = an
−An sin ϕn = bn
D’où le résultat
◮ La série de
fourier peut être écrite en utilisant les nombres complexes
g(t) =
+∞
X
cn e
jnωt
1
cn =
T
avec
−∞
Z
to +T
g(t)e− jnωt dt
to
En effet : On rappelle les formules d’EULER :
cos x =
g(t) = ao +
∞
P
n=1
eix + e−ix
2
;
sin x =
an cos nωt + bn sin nωt =⇒ g(t) = ao +
eix − e−ix
2i
∞ a − jb
P
an + jbn − jnωt
n
n jnωt
e
+
e
2
2
n=1
an − jbn
an + jbn
=⇒ c∗n =
2
2
1 R to +T
Par conséquent cn =
g(t)(cos nωt − j sin nωt) dt Donc
T to
On pose cn =
to +T
1
cn =
T
Z
1
=
T
Z
g(t)e− jnωt dt
to
ainsi
c∗n
to +T
g(t)e jnωt dt
to
Remarquons que
c∗n = c−n =⇒ |An | = 2|cn | =
q
a2n + b2n
Il en résulte que
g(t) = ao +
∞
P
n=1
cn e jnωt + c∗n e− jnωt =⇒ g(t) = ao +
=⇒ g(t) = ao +
∞
P
n=1
∞
P
n=1
cn e jnωt +
cn e jnωt +
∞
P
c−n e− jnωt
n=1
n=−1
P
−∞
cn e jnωt
c’est à dire en posant co = ao =< g(t) > alors le résultat.
◮ Si le signal g(t) est impair (symétrique par rapport à centre de symétrie ) alors
an = 0 ∀n ∈ N et par conséquent
g(t)impair =⇒ g(t) =
∞
X
bn sin(nωt) =
n=1
20 juin 2018
Page -83-
∞
X
bn sin(2πn f t)
n=1
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6.1. COMPOSITION EN FRÉQUENCE D’UN SIGNAL
◮ Si le signal g(t) est pair (symétrique par rapport à l’axe oy ) alors bn = 0 ∀n ∈ N∗ et
par conséquent
g(t)pair =⇒ g(t) = ao +
∞
X
an cos(nωt) = ao +
n=1
∞
X
an cos(2πn f t)
n=1
◮ Formule de BESSEL -PARSEVAL :
Soit g(t) une fonction T-périodique, developable en série de FOURIER . on admet que :
1 R to +T 2
fm2 =< f 2 >= f 2 =
f (t) dt =⇒
T to
fm2
2
=< f >=
f2
=
a2o
∞
∞
∞
1X 2 X
1X 2
2
2
(a + bn ) = ao +
A =
+
|cn |2
2 n=1 n
2 n=1 n n=−∞
C’est la formule de BESSEL - PARSEVAL
◮ On rappelle valeur efficace ge f f du signal g(t) la racine carrée de la valeur moyenne
du carrée du signal
ge f f =
s
1
T
Z
to +T
g2 (t) dt
to
Donc pour toute fonction périodique présente deux représentations : temporelle et
spectrale
cn
g(t)
t
f
Représentation temporelle
6.1.2
Exemples
6.1.2.1
Signal sinusoidal
Représentation spectrale
Considérons un signal sinusoidal d’amplitude E de fréquence f et de composante
continue E o ; Donc g(t) = E o + E cos(2π f t)
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6.1. COMPOSITION EN FRÉQUENCE D’UN SIGNAL
cn
g(t)
E
Eo
f
t
Représentation temporelle
6.1.2.2
f
Représentation spectrale
Signal carré impair
Soit e(t) un signal carré impair (−E, E)
E
t
−E
T
• Puisque e(t) impair alors an = 0 ∀n ∈ N
• Calculons les cœfficients bn :
2 RT
2 R T/2
bn =
e(t) sin(nωt) dt =⇒ bn =
e(t) sin(nωt) dt
0
T
T RT/2
4 T/2
=⇒ bn =
E sin(nωt) dt
T 0
4E
[1 − cos(nωT/2)]
=⇒ bn =
nωT
4E
=⇒ bn = 2πn
(1 − cos(nπ))
(
1 Si n pair (n = 2p)
n
Or cos nπ = (−1) =
−1 Si n impair (n = 2p + 1)
bn (carré impair) =
4E
π(2p + 1)
Par conséquent :
e(t) = 4E
∞
X
sin(2p + 1)ωt
p=0
(2p + 1)π
Representation spectrale :
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6.1. COMPOSITION EN FRÉQUENCE D’UN SIGNAL
p
n
An
E
An
0
1
1
3
2
5
3
7
4
9
1,273
0,424
0,255
0,182
0,141
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
f
-1
0
6.1.2.3
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Signal carré pair
Conclusion:
La parité du signal ne modifie pas le spectre de fréquence
6.1.2.4
Signal triangulaire pair de pentes symétriques
3
e(t)
2
E
1
0
t
T
-1
-3
-2
-1
0
1
2
e(t) = E
20 juin 2018
3
1
2
4
−
5
6
7
8
9
10
11
12
+∞
4 X cos[(2p + 1)ωt] π2 p=0
(2p + 1)2
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6.1.2.5
6.1. COMPOSITION EN FRÉQUENCE D’UN SIGNAL
Signal dent de scie
3
e(t)
2
E
1
0
t
T
-1
-1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
+∞
1 X sin(nωt) e(t) = E −
2 π n=1
n
1
6.1.2.6
Signal sinusoidal pair redressé monoalternance
e(t)
E
t
T
+∞
1
2 X (−1)n+1 cos(2nωt) e(t) = E + cos(ωt) +
π 2
π n=1
4n2 − 1
1
20 juin 2018
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6.1.2.7
6.1. COMPOSITION EN FRÉQUENCE D’UN SIGNAL
Signal sinusoidal pair redressé doublealternance
e(t)
E
t
T
+∞
π X (−1)n cos(2nωt) e(t) = E −
π 4 n=1
4n2 − 1
2
6.1.2.8
Signal rectangulaire pair de rapport cyclique α quelconque
+∞
X
sin(nαπ)
cos(nωt)
e(t) = Eα 1 + 2
nαπ
p=0
6.1.3
L’aspect énergétique
En général les grandeurs énergétiques (énergie ou puissance) sont proportionnelle
1
2
1
2
1
2
1
2
au carrée de la grandeur physique g(t) ( kx2 ; mv2 ; cU 2 ; Ri2 ; Li2 · · · )
par conséquent
2
< g >=
a2o
+
∞
X
a2 + b2
n
n=1
n
2
=
+∞
X
−∞
|cn |2
(Parseval)
Donc chaque terme harmonique de rang n (an cos nωt + bn sin nωt) a une puissance |cn |2 =
a2n + b2n
.
2
Il en résulte que la puissance du signal est la somme des puissance de chaque harmonique
20 juin 2018
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6.2
6.2.1
6.2. TRAITEMENT D’UN SIGNAL PÉRIODIQUE PAR UN SYSTÈME LINÉAIRE
Traitement d’un signal périodique par un système
linéaire
Rappel
◮ Un circuit est linéaire si les tensions d’entrée ue (t) et de sortie u s (t) sont reliées par
une équation différentielle linéaire.
Autrement dit si la tension d’entrée ue (t) est sinusoïdale de période T alors la tension de
sortie u s (t) est sinusoïdale de période T .
◮ Si on appelle H la fonction de transfert du circuit alors
U e (t) =
+∞
X
cn e
jnωt
=⇒ U s (t) =
−∞
+∞
X
H( jnω)cn e jnωt
−∞
◮ On rappelle les formes canoniques des fonctions de transferts des filtres usuelles :
• Filtre passe bas du premier ordre
H=
Ho
1 + jx
Intégrateur aux hautes fréquences.
• Filtre passe haut du premier ordre
H = Ho
jx
1 + jx
Dérivateur aux basses fréquences.
• Filtre passe bas du deuxième ordre
H=
Ho
1 − x2 + j
x
Q
• Filtre passe haut du deuxième ordre
H = Ho
−x2
1 − x2 + j
x
Q
• Filtre passe bande
H = Ho
20 juin 2018
Ho
=
x
1 + jQ(x − 1/x)
1 − x2 + j
Q
jx/Q
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6.2.2
6.2. TRAITEMENT D’UN SIGNAL PÉRIODIQUE PAR UN SYSTÈME LINÉAIRE
Application 1 : CNC 2009 Filière MP
On considère le circuit à amplificateur opérationnel de la figure suivante.
C
R3
R1
A
B
C
+
Ve
R2
Vs
L’amplificateur opérationnel est alimenté par une source de tension symétrique (non
représentée) ±Vcc = ±15 V. On suppose que l’amplificateur opérationnel est parfait et
fonctionne en régime linéaire.
On suppose ensuite que le signal ve appliqué à l’entrée du circuit est sinusoidal de pulsation ω.
1D Étudier le comportement asymptotique du montage aux basses fréquences,
puis aux hautes fréquences et déduire la nature du filtre.
2D Appliquer le théorème de Millmann aux nœuds A et B et déduire deux relations
entre v s , vA et ve .
3D Montrer que la fonction de transfert du circuit s’écrit sous la forme
Ho
H=
1 + jQ x −
avec x =
1
x
R1 R2
ω
. Exprimer Ho ,Q et ωo en fonction de R1 , R3 , R′3 =
et C .
ωo
R1 + R2
4D Dans quel domaine de fréquences ce circuit présente-t-il un caractère intégrateur ? dérivateur ? Exprimer v s (t) en fonction de ve (t) dans chacun des deux cas.
5D Définir, puis calculer les pulsations de coupure à −3dB en fonction de ωo et Q.
En déduire la largeur de la bande passante du filtre.
6D Application numérique : on donne Ho = -1, Q = 20 et fo =
ωo
= 3 kHz. Calculer
2π
la largeur de la bande passante en fréquence du filtre.
7D On pose H = H(ω)e jϕ(ω) .
7.1⊲ Déterminer le module H(ω) et l’argument ϕ(ω) de la fonction de transfert
H.
7.2⊲ Montrer que H(ω) passe par un maximum pour une valeur ω′o de ω que l’on
exprimera. Tracer l’allure de H(ω).
On applique à l’entrée du montage de la figure précédente , un signal ve (t) de fréquence f =
1
= 3kHz et d’amplitude E = 5V .
T
8D Le signal appliqué est donné par ve (t) = E sin(2π f t). En tenant compte des
caractéristiques numériques du filtre , donner l’expression du signal v s (t) obtenu en sortie
du circuit.
20 juin 2018
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6.2. TRAITEMENT D’UN SIGNAL PÉRIODIQUE PAR UN SYSTÈME LINÉAIRE
9D Le signal appliqué maintenant est un signal créneau dont on donne le DSF :
∞
E X
2E
ve (t) = +
sin(2π(2p + 1) f t)
2 p=0 (2p + 1)π
9.1⊲
9.2⊲
9.3⊲
pression du
•
•
•
•
Donner la representation temporelle de la tension d’entrée.
Donner l’allure du spectre en fréquence du signal ve (t) ?
En tenant compte des caractéristiques numériques du filtre , donner l’exsignal v s (t) observé en sortie du circuit.
1D Le comportement asymptotique du montage :
Aux basses fréquences :v s (t) = 0 (la maille (V s ; R3 ; ε))
Aux hautes fréquences :v s (t) = 0 (la maille (V s ; A; B; ε))
La nature du filtre :Filtre actif passe-bande.
2D Le théorème de Millmann aux :
Nœud A :
VA =
V e + jCωR1 V s
R1
+ 2 jCωR1
R′3
(a)
• Nœud B :
VB = 0 =
VA Vs
1
=⇒ V A = −
V
+
Z c R3
jCR3 ω s
(b)
3D La fonction de transfert : Dans (a) on remplace V A par son expression dans (2),
on en déduit que :
R3
R3
−
2R1
2R1
H=
=
1
1
CR3 ω
CR3 xωo
+
+
1+ j
1+ j
′
′
2
j2R3Cω
2
j2R3Cxωo
−
On tire donc que :
• Le cœfficient d’amplification statique
Ho = −
• La pulsation propre :
ωo =
20 juin 2018
R3
2R1
1
p
C R3 R′3
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6.2. TRAITEMENT D’UN SIGNAL PÉRIODIQUE PAR UN SYSTÈME LINÉAIRE
• Le facteur de qualité :
1
Q=
2
4D
s
R3
R′3
• En H.F (ω → ∞ ou x → ∞) :
Ho ω o
Ho ω o 1
=⇒ vs (t) ≃
H≃
Q jω
Q
Z
ve (t) dt
Donc intégrateur en H.F.
• En B.F (ω → 0 ou x → 0) :
Ho dve (t)
Ho
jω =⇒ vs (t) ≃
Qωo
ωo Q dt
H≃
Donc dérivateur en B.F.
5D Les pulsations de coupure ω1 et ω2 sont définies par :
H(ω = ω1,2 ) =
|Hmax |
√
2
ou bien
GdB (ω = ω1,2 ) = Gmax − 3dB
Les pulsations de coupure à −3dB en fonction de ωo et Q.
ωmin =
ωo
1
− +
2
Q
s
4+
1 ;
Q2
ωmax =
ωo 1
+
2 Q
s
4+
1 Q2
On conclut que :
ωmax − ωmin = ∆ω =
La largeur de la bande passante du filtre : ∆ω =
6D Application numérique :
∆f =
ωo
Q
ωo
.
Q
fo
=⇒ ∆ f = 150 Hz
Q
7D On pose H = H(ω)e jϕ(ω) .
7.1⊲
• Le module H(ω) :
• L’argument ϕ(ω) :
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|Ho |
H(ω) = p
1 + Q2 (x − 1/x)2
ϕ = π − arg(1 + jQ(x − 1/x))
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6.2. TRAITEMENT D’UN SIGNAL PÉRIODIQUE PAR UN SYSTÈME LINÉAIRE
H(ω) H(ω) dω
H(ω)
=
= 0 =⇒
=0
dω
dx dx
dx
H(ω)
= 0 =⇒ 2Q2 (x − 1/x)(1 + 1/x2 ) = 0 comme x > 0 alors H est maximal pour
•
dx
x = 1 =⇒ ω′o = ωo
ω
.
• L’allure de H(x) avec x =
ωo
7.2⊲ H(ω) passe par un maximum si
H
1
0,707
x1 x2
x
8D Puisque le signal d’entrée est sinusoidal alors le signal de sortie est aussi sinusoidal et par conséquent v s (t) = V s sin(2π f t + ϕ). avec :
• V s = H( f = fo )E =⇒ V s = 5 V
• ϕ( f = fo ) = π − arg(1) = π
vs (t) = 5 sin(6000πt + π) = −5 sin(6000πt)
9D La tension d’entrée est une combinaison linéaire des tensions de fréquences
variables f ∈ {0, fo , 3 fo , 5 fo }.
Puisque le filtre est un filtre passe-bande de fréquence centrale est f = fo = 3 kHz et de
bande passante ∆ f = 150 Hz alors ce filtre ne laisse passer que les tensions sinusoïdales
de fréquence situé dans l’intervalle [ f1 , f2 ] c’est à dire la tension dont la fréquence est fo
d’où avec H( f = fo ) = 1 et ϕ( f = fo ) = π
vs (t) =
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2E
sin(2π f t + π)
π
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