GELE2112 Chapitre 2 : Circuits résistifs simples

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GELE2112 Chapitre 2 :
Circuits résistifs simples
Gabriel Cormier, PhD
Université de Moncton
Hiver 2009
Gabriel Cormier (UdeM)
GELE2112 Chapitre 2
Hiver 2009
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Introduction
Contenu
Ce chapitre présente les techniques de base d’analyse des circuits
électriques.
Définitions : noeud et boucle
Gabriel Cormier (UdeM)
GELE2112 Chapitre 2
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Introduction
Contenu
Ce chapitre présente les techniques de base d’analyse des circuits
électriques.
Définitions : noeud et boucle
Lois de Kirchhoff
Gabriel Cormier (UdeM)
GELE2112 Chapitre 2
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Introduction
Contenu
Ce chapitre présente les techniques de base d’analyse des circuits
électriques.
Définitions : noeud et boucle
Lois de Kirchhoff
Diviseur de tension
Gabriel Cormier (UdeM)
GELE2112 Chapitre 2
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Introduction
Contenu
Ce chapitre présente les techniques de base d’analyse des circuits
électriques.
Définitions : noeud et boucle
Lois de Kirchhoff
Diviseur de tension
Diviseur de courant
Gabriel Cormier (UdeM)
GELE2112 Chapitre 2
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Introduction
Contenu
Ce chapitre présente les techniques de base d’analyse des circuits
électriques.
Définitions : noeud et boucle
Lois de Kirchhoff
Diviseur de tension
Diviseur de courant
Pont de Wheatstone
Gabriel Cormier (UdeM)
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Introduction
Contenu
Ce chapitre présente les techniques de base d’analyse des circuits
électriques.
Définitions : noeud et boucle
Lois de Kirchhoff
Diviseur de tension
Diviseur de courant
Pont de Wheatstone
Transformation ∆ − Y
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Définitions
Définitions
Définitions importantes :
1
Noeud : un point où se joignent 2 éléments ou plus.
2
Boucle : en commençant à un noeud, on trace un chemin fermé à
travers les éléments en passant seulement 1 fois par un noeud,
pour retourner au noeud initial : c’est une boucle.
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Définitions
Noeuds
Exemple : noeuds
Il y a 4 noeuds dans ce circuit.
d
50Ω
15V
10Ω
a
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20Ω
b
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c
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Définitions
Boucles
Exemple : boucles
Il y a 3 boucles :
1
a−b−e−a
2
b−c−d−e−b
3
a−b−c−d−e−a
a
5Ω
e
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c
3Ω
20V
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8Ω
b
10Ω
d
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Définitions
Éléments en série
Éléments en série
Éléments en série
Des éléments sont en série s’ils sont traversés par le même courant.
R1
R2
i
R1
R2
R3
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R2
i
i
a) R1 et R2 en série
R1
b) R1 et R2 ne sont pas en série
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R3
c) R1 et R3 sont en série
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Définitions
Éléments en parallèle
Éléments en parallèle
Éléments en parallèle
Des éléments sont en parallèle si leur deux noeuds sont branchés ensemble. Ils auront la même tension.
R1
R1
R2
a) R1 et R2 en parallèle
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R1
R2
b) R1 et R2 sont en parallèle
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R3
R2
c) R2 et R3 ne sont pas parallèles
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Lois de Kirchhoff
Lois de Kirchhoff
Ce sont les deux lois de base de l’analyse des circuits.
Lois de Kirchhoff
1 Loi de Kirchhoff des courants (LKC) : La somme des courants à
un noeud est 0. Ou, d’une une façon, la somme des courants qui
entrent dans un noeud est égale à la somme des courants qui
sortent du noeud.
2
Loi de Kirchhoff des tensions (LKV) : La somme des tensions dans
une boucle est 0.
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Lois de Kirchhoff
Conventions
Loi de Kirchhoff des courants
Pour bien utiliser la loi de Kirchhoff des courants, il faut appliquer une
convention :
Si un courant qui entre dans un noeud est positif (+), alors un
courant qui sort du noeud est négatif (−).
Si un courant qui entre dans un noeud est négatif (−), alors un
courant qui sort du noeud est positif (+).
On doit utiliser une des deux conventions précédentes, mais il faut être
consistent.
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Lois de Kirchhoff
Conventions
Loi de Kirchhoff des tensions
Pour utiliser la loi de Kirchhoff des tensions correctement, il faut aussi
utiliser une convention :
On applique un signe positif (+) à une hausse de tension, et un −
à une chute de tension.
On applique un signe négatif (−) à une hausse de tension, et un +
à une chute de tension.
Comme la loi de courants, il faut être consistent dans l’application de
cette convention.
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Lois de Kirchhoff
Exemples
Exemple 1
On veut analyser le circuit suivant pour calculer le courant.
d
50Ω
15V
10Ω
a
20Ω
b
c
Pour faire l’analyse, il faut assigner un courant (avec un sens) et des
tensions à chaque élément.
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Lois de Kirchhoff
Exemples
Exemple 1
Le courant i sort de la source.
i
d
+
v3
–
15V
10Ω
a
– v1 +
50Ω
20Ω
b
+ v2 –
c
Autour de la boucle du circuit, on a ajouté des signes + et − pour
chaque élément (sauf la source, parce qu’il est déjà donné). La
direction de ces signes n’est pas importante pour le moment ; ce qui est
important, c’est comment on écrit les signes en applicant la loi de
Kirchhoff.
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Lois de Kirchhoff
Exemples
Exemple 1
On commence l’analyse en applicant la loi de Kirchhoff des tensions.
i
d
+
v3
–
15V
10Ω
a
– v1 +
20Ω
b
+ v2 –
50Ω
On fait le tour de la boucle, en
commençant par n’importe quel élément,
en faisant la somme des tensions. Dans ce
cas-ci, on choisit une convention : si le
courant entre dans le +, on écrit + pour
le signe de la tension.
c
On obtient l’équation suivante, en commençant par le noeud a :
−15 + v3 − v2 + v1 = 0
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(1)
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Lois de Kirchhoff
Exemples
Exemple 1
Cependant, on a trois inconnues dans l’équation précédente.
i
On utilise la loi d’Ohm pour obtenir les
autres équations :
d
+
v3
–
15V
10Ω
a
– v1 +
50Ω
v1 = 10i
v2 = −20i
(2)
20Ω
b
+ v2 –
v3 = 50i
c
Remarquer le signe − pour v2 ; puisque le courant entre dans la borne
négative, il faut utiliser − dans l’équation qui relie la tension au
courant.
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Lois de Kirchhoff
Exemples
Exemple 1
On peut ensuite écrire les équations 2 dans l’équation 1 pour obtenir :
−15 + 50i − (−20i) + 10i = 0
(3)
La seule inconnue est le courant i, qu’on résout pour trouver
i = 0.1875A.
Le signe de i nous indique la direction du courant. Puisqu’on a trouvé
que i est positif, ceci veut dire que le sens choisit du courant est
correct. Si on aurait trouvé un signe négatif, le courant irait dans le
sens contraire.
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Lois de Kirchhoff
Exemples
Exemple 1
Avec le courant calculé, on peut calculer la tension dans chaque
élément.
v1 = (10)(0.1875) = 1.875V
v2 = −(20)(0.1875) = −3.75V
(4)
v3 = (50)(0.1875) = 9.375V
D’après ces calculs, la tension v2 , qui est la tension vbc , est négative.
On pourrait aussi exprimer cette tension par vcb = 3.75V, une tension
positive.
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Lois de Kirchhoff
Exemples
Exemple 1 : bilan de puissance
On prend le courant qui entre dans la borne positive comme une
tension positive (selon la référence choisie dans cet exemple). Les
puissances sont :
pS = −vS i = −(15)(0.1875) = −2.8125 W
p1 = R1 i2 = (10)(0.1875)2 = 0.3516 W
(5)
p2 = R2 i2 = (20)(0.1875)2 = 0.7031 W
p3 = R3 i2 = (50)(0.1875)2 = 1.7578 W
Le seul élément qui fournit de la puissance est la source, ce qui fait du
sens, puisque des résistances ne peuvent pas fournir de puissance.
pT = pS + p1 + p2 + p3 = 0 X
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Lois de Kirchhoff
Exemples
Exemple 2
Pour le circuit suivant,
10Ω
io
120V
50Ω
6A
1
Calculer io ,
2
Vérifier les calculs pour s’assurer que Pf ournie = Pconsommee .
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Lois de Kirchhoff
Exemples
Exemple 2
Étape 1 : Indiquer les noeuds, tensions et courants.
+ vo –
a
10Ω
io
120V
b
i1
+
v1
–
50Ω
+
v2
–
6A
c
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Lois de Kirchhoff
Exemples
Exemple 2
Étape 2 : Appliquer les lois de Kirchhoff.
+ vo –
a
10Ω
io
120V
b
i1
+
v1
–
50Ω
+
v2
–
6A
c
LKC au noeud b (convention qu’un courant qui entre dans un noeud
est positif) :
io − i1 + 6 = 0
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Lois de Kirchhoff
Exemples
Exemple 2
Étape 2 : Appliquer les lois de Kirchhoff.
+ vo –
a
10Ω
io
120V
b
i1
+
v1
–
50Ω
+
v2
–
6A
c
LKV, boucle c − a − b − c, (convention qu’un courant qui entre dans le
+ est positif) :
−120 + vo + v1 = 0
À l’aide de la loi d’Ohm, on peut simplifier :
−120 + 10io + 50i1 = 0
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Lois de Kirchhoff
Exemples
Exemple 2
Étape 3 : Solutionner.
On a 2 équations et 2 inconnues :
+ vo –
a
10Ω
io
120V
i1 = io + 6
b
i1
+
v1
–
50Ω
+
v2
–
et donc,
6A
−120 + 10io + 50(io + 6) = 0
60io = −180
c
io = −3 A
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Lois de Kirchhoff
Exemples
Exemple 2
Le courant io = −3A. De plus, le courant i1 = 3A. On peut aussi
résoudre ce système d’équation simples avec Mathcad :
Given
io − i1 + 6 = 0
−120 + 10⋅ io + 50⋅ i1 = 0
(
)
Find io , i1 →
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 −3 
 
3 
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Lois de Kirchhoff
Exemples
Exemple 2 : Bilan de puissance
Avec ces calculs, on peut maintenant faire le bilan de puissance.
p10Ω = Ri2 = (10)(−3)2 = 90W
2
2
p50Ω = Ri = (50)(3) = 450W
consomme
consomme
p120V = −vi = −(120)(−3) = 360W
consomme
p6A = −vi = −(50)(3)(6) = −900W
fournit
Note : v6A = v50Ω = (50)(3) = 150V (en parallèle)
Bilan :
pT = 90 + 450 + 360 − 900 = 0 X
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Lois de Kirchhoff
Exemples
Exemple 3
On va faire un exemple d’un circuit ayant une source dépendante. Soit
le circuit de la figure suivante. Calculer la tension vo .
5Ω
i∆
500V
Gabriel Cormier (UdeM)
+
vo
–
20Ω
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5i∆
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Lois de Kirchhoff
Exemples
Exemple 3
On procède de la même façon que d’habitude : on identifie les noeuds,
puis on assigne les tensions et courants aux éléments. Une façon de
faire est montrée à la figure suivante.
+ v1 –
a
5Ω
i∆
500V
b
io
+
vo
–
20Ω
+
v2
–
5i∆
c
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Lois de Kirchhoff
Exemples
Exemple 3
Il y a 3 noeuds. On applique la loi de Kirchhoff des courants au noeud
b, puisque c’est là où se rencontrent les 3 courants. On obtient
l’équation suivante (convention qu’un courant qui entre dans le noeud
est positif) :
i∆ − io + 5i∆ = 0
On peut résoudre pour obtenir
io = 6i∆
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Lois de Kirchhoff
Exemples
Exemple 3
LKV à la maille a − b − c − a (convention qu’un courant qui entre dans
le + est positif) :
−500 + 5i∆ + 20io = 0
On a deux équations, et deux inconnues, qu’on résout pour obtenir :
i∆ = 4 A
io = 24 A
et la tension de sortie vo est :
vo = 20io = 480 V
Un bilan de puissance permet de vérifier que les calculs sont corrects.
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Lois de Kirchhoff
Exemples
Exemple 4
Soit le circuit de la figure suivante. Calculer les courants is , i1 et i2 .
a
4Ω
3Ω
b
d
is
120V
i1
18Ω
i2
6Ω
c
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Lois de Kirchhoff
Exemples
Exemple 4
Approche : De façon générale, pour solutionner ce genre de problème,
on procède par étapes.
On va simplifier le circuit le plus possible en se rapprochant de la
source. Par après, on refait les étapes à l’inverse pour tout calculer.
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Lois de Kirchhoff
Exemples
Exemple 4
Puisque la source est branchée entre les noeuds a et c, on va simplifier
en premier le circuit entre les noeuds b et c. On simplifie en premier la
branche à droite du circuit. Les deux résistances de cette branche sont
en série, ce qui donne :
b
3Ω
d
b
Résistances
en série
9Ω
6Ω
c
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c
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Lois de Kirchhoff
Exemples
Exemple 4
Par après, on peut simplifier le circuit complet entre les noeuds b et c.
b
b
Résistances
en parallèle
18Ω
Req
9Ω
c
c
La résistance équivalente Req est obtenue en appliquant l’équation pour
deux résistances en parallèle :
Req =
Gabriel Cormier (UdeM)
(18)(9)
= 6Ω
18 + 9
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Lois de Kirchhoff
Exemples
Exemple 4
Le circuit simplifié :
+ vx –
a
4Ω
b
is
120V
+
v1
–
6Ω
c
Important : on n’a pas indiqué i1 . Le courant i1 n’apparaı̂t plus parce
qu’on a modifié l’élément entre les noeuds b et c. Cependant, v1 est la
même tension.
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Lois de Kirchhoff
Exemples
Exemple 4
On applique LKV autour de la boucle, et la loi d’Ohm (avec les même
conventions que d’habitude).
−120 + 4is + 6is = 0
On obtient :
is = 12 A
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Lois de Kirchhoff
Exemples
Exemple 4
La tension v1 (qui est la tension vbc ) peut maintenant être calculée :
v1 = Req is = (6)(12) = 72 V
Avec la tension v1 , on peut calculer les courants voulus en faisant les
calculs dans les circuits dans l’ordre inverse des simplifications.
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Lois de Kirchhoff
Exemples
Exemple 4
Puisque la tension v1 est la même que dans le circuit original, le
courant i1 est tout simplement la tension v1 divisée par la résistance
originale entre b et c :
i1 =
Gabriel Cormier (UdeM)
72
v1
=
=4A
18
18
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Lois de Kirchhoff
Exemples
Exemple 4
Pour calculer le courant i2 , on observe que la tension v1 est la tension
aux bornes de la résistance de 9Ω qu’on a calculé à la première étape
de la simplification. Le courant est obtenu en applicant la loi d’Ohm :
i2 =
72
v1
=
=8A
9
9
C’est le courant qui circule dans la résistance de 3Ω et dans celle de 6Ω.
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Lois de Kirchhoff
Exemples
Exemple 4
On peut faire le bilan de puissance pour vérifier les calculs.
p4Ω = Ri2 = (4)(12)2 = 576W
2
2
p18Ω = Ri = (18)(4) = 288W
2
2
consomme
consomme
p3Ω = Ri = (3)(8) = 192W
consomme
p6Ω = Ri2 = (6)(8)2 = 384W
consomme
p120V = −vi = −(120)(12) = −1440W
fournit
Bilan :
pT = 576 + 288 + 192 + 384 − 1440 = 0 X
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Diviseur de tension
Diviseur de tension
Méthode pour accélérer le calcul de tensions dans un circuit.
Il ne doit pas avoir une autre résistance en parallèle avec R1 ou R2 .
Le circuit doit être de la forme donnée.
i
Vs
Gabriel Cormier (UdeM)
+
v1
–
+
v2
–
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R1
R2
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Diviseur de tension
Diviseur de tension
LKV à la boucle :
−vs + R1 i + R2 i = 0
vs = i(R1 + R2 )
et on obtient
i=
Gabriel Cormier (UdeM)
vs
R1 + R2
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Diviseur de tension
Diviseur de tension
i
Vs
Gabriel Cormier (UdeM)
+
v1
–
+
v2
–
On obtient les équations suivantes :
Diviseur de tension
R1
R1
vs
R1 + R2
R2
v2 = R2 i =
vs
R1 + R2
v1 = R1 i =
R2
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(6)
(7)
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Diviseur de courant
Diviseur de courant
Méthode pour accélérer le calcul de courants dans un circuit.
is peut provenir d’une source de courant, ou de n’importe quel
genre de circuit.
Il ne doit pas avoir une autre résistance en parallèle avec R1 ou R2 .
Le circuit doit être de la forme donnée.
is
+
v i1
R1
i2
R2
–
Gabriel Cormier (UdeM)
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Diviseur de courant
Diviseur de courant
On peut combiner les résistances parallèles :
Req =
R1 R2
R1 + R2
La tension aux bornes de la résistance équivalente est :
v = R1 i1 = R2 i2 = Req is =
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R1 R2
is
R1 + R2
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Diviseur de courant
Diviseur de courant
is
On obtient les équations suivantes :
Diviseur de courant
+
v i1
R1
i2
R2
–
Gabriel Cormier (UdeM)
R2
is
R1 + R2
R1
i2 =
is
R1 + R2
i1 =
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(8)
(9)
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Pont de Wheatstone
Pont de Wheatstone
Utilisé pour mesurer des résistances.
R3 est une résistance variable.
Rx est la résistance à mesurer.
R1 et R2 sont des résistances connues.
R1
V
i1 i2
a
i3
A
R3
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R2
ig
b
ix
Rx
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Pont de Wheatstone
Pont de Wheatstone
On ajuste R3 jusqu’à ce que l’ampèremètre indique un courant nul
(ig = 0).
Si le courant ig est nul, il faut que :
1
Le courant i1 = i3 , et le courant i2 = ix ,
2
La tension au noeud a est égale à la tension au noeud b (va = vb ,
ou vab = 0).
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Pont de Wheatstone
Pont de Wheatstone
Étant donné ces deux conditions, on a :
R1 i1 = R2 i2
(10)
R3 i3 = Rx ix
(11)
R3 i1 = Rx i2
(12)
Par substitution, on obtient
Si on divise l’équation 10 par l’équation 12, on obtient la relation
suivante :
R2
R2
R1
=
⇒
Rx =
R3
(13)
R3
Rx
R1
Gabriel Cormier (UdeM)
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Transformation ∆−Y
Transformation ∆−Y
Il existe une autre forme de circuit qu’on ne peut pas simplifier selon
les méthodes vues jusqu’à présent :
a
Rc
a
b
b
R1
Rb
R2
Ra
c
R3
c
Gabriel Cormier (UdeM)
GELE2112 Chapitre 2
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48 / 57
Transformation ∆−Y
Transformation ∆−Y
Les résistances ne sont pas en série
Les résistances ne sont pas en parallèle
a
Rc
a
b
b
R1
Rb
R2
Ra
c
R3
c
Gabriel Cormier (UdeM)
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49 / 57
Transformation ∆−Y
Transformation ∆−Y
De ∆ à Y, on utilise les équations suivantes :
Rb Rc
Ra + Rb + Rc
Ra Rc
R2 =
Ra + Rb + Rc
Ra Rb
R3 =
Ra + Rb + Rc
R1 =
Gabriel Cormier (UdeM)
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Transformation ∆−Y
Transformation ∆−Y
De Y à ∆, on utilise les équations suivantes :
R1 R2 + R2 R3 + R1 R3
R1
R1 R2 + R2 R3 + R1 R3
Rb =
R2
R1 R2 + R2 R3 + R1 R3
Rc =
R3
Ra =
Gabriel Cormier (UdeM)
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Transformation ∆−Y
Exemple
Exemple
Pour le circuit suivant, calculer le courant et la puissance de la source.
5Ω
125Ω
100Ω
25Ω
40V
40Ω
Gabriel Cormier (UdeM)
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37.5Ω
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Transformation ∆−Y
Exemple
Exemple
Il y a deux ∆ dans ce circuit. On doit en transformer un des deux en Y
pour trouver la résistance équivalente. On choisit celui du haut.
R1
125Ω
100Ω
25Ω
R2
R3
(100)(125)
= 50Ω
100 + 25 + 125
(100)(25)
R2 =
= 10Ω
100 + 25 + 125
(125)(25)
R3 =
= 12.5Ω
100 + 25 + 125
R1 =
Gabriel Cormier (UdeM)
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Transformation ∆−Y
Exemple
Exemple
Nouveau circuit :
5Ω
50Ω
40V
10Ω
12.5Ω
En série = 50Ω
40Ω
37.5Ω
En série = 50Ω
Gabriel Cormier (UdeM)
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Transformation ∆−Y
Exemple
Exemple
On peut maintenant effectuer la simplification suivante.
5Ω
i
50Ω
40V
50Ω
Gabriel Cormier (UdeM)
50Ω
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En parallèle = 25Ω
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Transformation ∆−Y
Exemple
Exemple
La prochaine étape est de combiner toutes ces résistances.
5Ω
i
50Ω
En série = 80Ω
40V
25Ω
Gabriel Cormier (UdeM)
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Transformation ∆−Y
Exemple
Exemple
Il ne reste qu’un circuit simple : une source de tension de 40V branchée
à une résistance de 80Ω. Le courant fournit par la source est :
i=
v
40
=
= 0.5 A
R
80
et la puissance :
p = −vi = −(40)(0.5) = −20 W
Gabriel Cormier (UdeM)
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