Chapitre 4 : Circuits résonnants Notions de filtrage On a vu que des réseaux comportant bobines et/ou condensateurs ont des impédances qui sont dépendante de la fréquence Z=U/I Donc à U fixé, I = f(w) à I fixé, U = f(w) On s'intéresse à présent à la réponse en fréquence de U ou de I I - Réponse d'un circuit R,L Ur = R U / R + iLw -> Ar = Ur / U (coefficient d'atténuation ou gain aux bornes de la résistance) Ar = R / R + iLw Ar = R / ( R² + L²w² ) arc Ar = 0 - arctan Lw / R arc Ar = déphasage entre Ur et U = - arctan Lw / R Ul = iLw U / R + iLw Al = iLw / R + iLw -> Al = Lw / sqr(R² + L²w²) arg Al = + /2 - arctg Lw / R Pour tout w Ur + Ul = U <=> Ar + Al = 1 II - Réponse en fréquence d'un circuit RLC série à U fixé 1) Comportement de l'impédance (Z) Z = R + iLw -i / cw Z = ( R² + (L w - 1/cw)² ) arg Z = = I>, U> = arctan ( (Lw - 1/cw ) / R) Quand : w -> 0, Z-> et arg Z -> - / 2 w -> , Z -> et arg Z -> + / 2 Z est minimale pour Lw - 1/cw = 0 <=> w = w0 = 1/Lc pulsation propre I=U/Z I = U / Z à U fixé, I passe par un maximum (U/R) pour w=w0 Il y a résonance d'intensité Remarque : à I fixé, U passe par un minimum pour w=w0. C'est l'anti-résonance 2) Réponse aux bornes de R Ur = RU / Z -> Ur = RU / Z = RU / (R² + (Lw-1/cw)²) =RI P = RI² = Ur² / R P est maximale pour w=w0. Alors Pmax = U² / R Inversemment, on a atténuation pour P < Pmax / 2 On définit 10 log P exprimé en décibels (dB). On cherche le domaine de fréquence pour lequel la puissance aux bornes de la résistance supérieur à Pmax / 2 10 log P >= 10 log Pmax - 10 log 2 = 0.3 On cherche donc l'atténuation à - 3 dB 10 log Ur² / R >= 10 log U²/R - 3 <=> 20 log Ur - 10 log R >= 20 log U - 10 log R - 3 <=> 20 log Ur >= 20 log U - 3 P >= Pmax / 2 <=> Ur² / R >= U² / 2R <=> Ur >= U / 2 <=> RU / sqr( R² + (Lw - 1/cw)²) >= U / 2 <=> 1 / sqr( 1 + (Lw / R - 1 / Rcw)² ) >= 1 / 2 <=> 1 + (Lw / R - 1 / Rcw)² <= 2 <=> (Lw / R - 1 / Rcw ) <= 1 w = w2 - w1 = bande passante et w1 et w1 sont les pulsations de coupure à -3 dB On pose x = w / w0 (on cherche donc x1 = w1 / w0 et x2 = w2 / w0 ) On définit Q = Lw0 / R = 1 / RCw0 = facteur de qualité (ou de surtension) On calcule w1 et w2 par les valeurs positives tirées de (Lw / R - 1 / Rcw)² = 1 ( Qx - Q / x)² = 1 <=> (x - 1/x)² = 1/Q² => x - 1/x = ± 1/ Q = / Q (avec x² + x / Q - 1 = 0 = ² / Q² + 4 = 1 / Q² + 4 x1,2 = - / Q ± (/ 2 ) * =+1 * =-1 w x1 = - 1 / 2Q + ( (1 / 4Q²) + 1) = w1 / w0 x2 = 1 / 2Q + ( (1/ 4 Q²) + 1) = w2 / w0 = w1 – w2 = w0 / Q Plus Q est élevé, plus le circuit est sélectif Aux bornes de R on a donc un filtre passe bande 3) Réponse aux bornes de C Uc = ( Zc U )/ Z = U / ( icw [ R + i (Lw - 1/cw) ] ) = U / ( iRcw + 1 - Lcw² ) Uc = U / sqr( (1 - Lcw² )² + R²L²w² ) w->0 w = w0 w -> + Uc ->U Uc -> Q U Uc -> 0 On étudie Uc = f(w) Uc = U / sqr((1- w² / w0²)² + (w² / Q²w0²) ) = ± 1) = U / sqr ( (1 - x²)² + x²/Q² ) Calcul de d Uc / dx = (- U / 2) ( [ 2(1 - x²)(-2x) + 2x / Q² ] / [ (1-x²)² + x² / Q² ]3/2 = - Ux ( 1/Q² - 2 + 2x²) / [......]3/2 D Uc / dx = 0 pour x = 0 pour x² = 1 - (1 / 2Q²) si 1 - (1/ 2Q²) > 0 <=> 1 / 2Q² < 1 <=> Q > 1 / 2 Pour Q >> 1 Ucmax pour w w0 Alors Ucmax = QU | facteur de surtension On retrouverait le même type de phénomène aux bornes de L En particulier, à la résonance (w = w0 et quand Q>>0) Ur = U = Ul + Uc = 0 On aura donc également surtension de QU aux bornes de L (déphasé de par rapport à Uc) III - Conclusion Les composants RLC sont utilisés pour filtrer des fréquences. Il existe des filtres : - Passe bas : aux bornes de R laisse passer les fréquences de 0 à f0 = 2/w0 - Passe haut : aux bornes de R laisse passer les fréquence de f0 = 2/w0 à * Retour sur RL : Ur/U = R / (R² + L²w²) Ul/U = Lw / ( r² + L²w²) Les valeurs max Ur = Ul = U La pulsation de coupure à - 3 dB s'obtient pas Ur = Umax / 2 Pour Ur = U / ( 1 + L²w² / R²) pour 1 + L²w² / R²=2 Pour Ul = U / ( 1 + R² / L²w²) => w² = R² / L² = w0² - Passe bande - Coupe bande (ou réjecteur de fréquence)