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CPGE TSI – Lycée P.-P. Riquet – St-Orens de Gameville - 1 - Sciences Industriel

CPGE TSI – Lycée P.-P. Riquet – St-Orens de Gameville - 1 - Sciences Industrielles pour l’Ingénieur 1 - GÉNÉRALITÉS 1/ Le circuit électrique ● D’une manière générale, tout circuit électrique peut se représenter sous la forme d’un générateur (ou source) d’énergie alimentant un récepteur, chargé de transformer l’énergie électrique en une autre forme exploitable. Ces deux éléments sont reliés par des conducteurs métalliques. ● Le transfert de charges électriques (électrons) entre ces éléments crée un courant électrique, que l’on oriente en sens contraire du flux d’électrons. ● L’intensité de ce courant, exprimée en Ampères (A), représente la quantité de charges q (en Coulombs) traversant une section donnée du conducteur par unité de temps : dq i = dt ● En régime continu, il est indépendant de t. On le note alors avec une lettre majuscule I. ● Pour établir ce régime dans un circuit, il faut employer des générateurs, qui maintiennent entre leurs bornes A et B une différence de potentiel VA – VB ou tension VAB constante. Elle s’exprime en Volts (V). ● On considère, en général, que la borne B constitue la référence de tension pour l’ensemble du circuit et se trouve au potentiel 0V (on dit aussi à la masse). On la repérera la plupart du temps sur les schémas par le symbole . 2/ Les dipôles électriques ● Un dipôle électrique est une portion de circuit comportant 2 bornes. Leur association constitue les réseaux électriques. Les dipôles générateurs sont dits actifs, ceux qui ne font que consommer de l’énergie sont dits passifs. ● Quelques dipôles essentiels : Résistance Source de tension idéale Source de courant idéale Dipôle passif Caractéristique (loi d’Ohm) : U = R × I ou I = G × U R : résistance en Ohms () G = 1/R : conductance en Siemens (S) Dipôle actif Caractéristique : 0 U = E E0 : force électromotrice (f.e.m) Dipôle actif : Caractéristique : 0 I = I I0 : courant de court-circuit ● Dans la réalité, les sources de tension et de courant ne sont pas idéales et on considère qu’un modèle plus proche de la réalité consiste à associer une résistance en série avec une source de tension idéale, ou une résistance en parallèle avec une source de courant idéale : Centre d’Intérêt 2 : ACQUERIR l'information Compétence : RESOUDRE Outils de l'Ingénierie Electrique : Proposer une méthode de résolution permettant la détermination des courants et des tensions LOIS ET THEOREMES GENERAUX EN REGIME CONTINU TP COURS TD = VAB CPGE TSI – Lycée P.-P. Riquet – St-Orens de Gameville - 2 - Sciences Industrielles pour l’Ingénieur 3/ Conventions et puissance ● On dirige systématiquement les flèches des courants et des tensions dans le même sens pour le générateur (convention générateur), et en sens contraire pour tout récepteur (convention récepteur). ● Il ne faut pas, néanmoins, confondre conventions et modes de fonctionnement. Le tableau ci-contre donne les modes de fonctionnement du dipôle, compte tenu de la convention adoptée et du signe de la puissance P =U×I en Watts (W). Ainsi, on peut dire que : - le dipôle reçoit de la puissance lorsqu’il fonctionne en récepteur ; - il en fournit lorsqu’il fonctionne en générateur. 2 - LOIS D’ASSOCIATIONS DE RÉSISTANCES ● En associant des résistances, on forme un dipôle qui se comporte comme une résistance, dont la valeur est appelée résistance équivalente notée Req. Association en série eq 1 2 n R =R +R +...+R Association en parallèle eq 1 2 n 1 1 1 1 = + + ... + R R R R Source de tension réelle Source de courant réelle Caractéristique : 0 U=E -R×I Caractéristique : 0 1 R I=I - ×U Signe de P Choix de la convention Récepteur Générateur P > 0 Récepteur Générateur P < 0 Générateur Récepteur R1 R2 Rk Rn Req R R x I0 CPGE TSI – Lycée P.-P. Riquet – St-Orens de Gameville - 3 - Sciences Industrielles pour l’Ingénieur 3 – LES LOIS FONDAMENTALES : LOIS DE KIRCHHOFF 1/ Définitions topologiques Branche Ensemble de dipôles connectés en série ou en parallèle et limités par 2 points entre lesquels aucune dérivation de courant ne se produit. Nœud Point où arrivent plusieurs branches (extrémités de branches) Maille Ensemble de branches formant un circuit fermé, chacun des nœuds n’appartenant qu’à 2 branches de ce circuit fermé. ● Exemple : 2/ Loi des nœuds La somme algébrique des courants qui arrivent à un nœud (ou qui en partent) est nulle. ● Exemple : Nœud et son orientation La loi des nœuds traduit la conservation de l’électricité : il ne peut y avoir accumulation de charges électriques en un point du circuit. Ainsi, en comptant positivement les courants dirigés vers le nœud et négativement ceux qui en sortent, on obtient : 3/ Loi des mailles La somme algébrique des tensions le long d’une maille fermée est nulle. ● Exemple : Ainsi, le long de la maille ABCDA, après avoir choisi un sens de parcours, on obtient la relation : C'est-à-dire : Rq : k k R ×I est précédée du signe + si le sens du courant dans la branche est opposé au sens du parcours de la maille. k E est précédé du signe + si son sens est identique à celui de la maille. ● Les lois de KIRCHHOFF ont l’avantage d’être universelles et de permettre la résolution de toutes les configurations de réseaux électriques. Il suffit d’écrire autant de lois des nœuds et de lois des mailles qu’il y a de variables électriques présentes dans le réseau étudié et de résoudre ensuite le système linéaire ainsi formé. ● Mais dans certains cas, plusieurs théorèmes complémentaires, corollaires de ces lois, permettent d’aboutir plus rapidement au résultat. C’est l’objet de la partie suivante : mettre en place des outils pratiques et rapides de résolution des circuits. CPGE TSI – Lycée P.-P. Riquet – St-Orens de Gameville - 4 - Sciences Industrielles pour l’Ingénieur 4 – UN PUISSANT OUTIL POUR LA DETERMINATION D'UNE TENSION : LE THÉORÈME DE MILLMAN 1/ Théorème relatif aux générateurs de tension (peu utilisé) ● On considère n générateurs de tension en parallèle, de résistance interne k R et de f.e.m k E . Cet ensemble peut être remplacé par un générateur de tension unique : sa résistance interne est donnée par : n k=1 k 1 R = 1 R  ; sa f.e.m est donnée par :  n k k=1 k E E = R× R . ● Rq : Une branche constituée d’une source de tension en série avec une résistance peut résulter de la transformation préalable d’une source de courant en parallèle avec cette même résistance (cf. théorèmes de THEVENIN et de NORTON). 2/ Théorème relatif au potentiel d’un point (très utilisé) ● On considère un nœud de courant de potentiel V dans un réseau (le potentiel d’un point de circuit est la tension entre ce point et la masse). Ce nœud est le point de jonction de n résistances k R , soumises aux potentiels k V de l’autre côté du nœud. ● Le potentiel V du nœud a pour expression :   n k k=1 k n k=1 k V R V = 1 R On a : 5 - THÉORÈMES DE THEVENIN ET DE NORTON, DE SUPERPOSITION ET DE KENNELY Ces théorèmes ne sont pas au programme mais peuvent être découverts sur Internet pour les plus curieux d'entre vous. 6 – APPLICATIONS A MAITRISER : DIVISEUR DE TENSION (ET DE COURANT) Diviseur de tension Diviseur de courant Le même courant I traverse R1 et R2. 2 2 1 2 ×U R U = R +R La même tension U est appliquée aux bornes de R1 et R2. 2 1 2 2 1 R ×I 1 1 R R I = + Ces résultats se généralisent à n branches (n > 2) : k k 1 2 n × +... + R U = U R +R R k 1 2 n k 1 R × 1 1 1 +... + R R R I = I + R1 R2 Exemple : Source : "Génie Electrique", Christophe François, Eds. Ellipses R1 R2 Rk Rn uploads/Industriel/ 004927175.pdf