Entrainement : Régimes de fonctionnements#

Circuits d’ordre 1#

Circuit d’ordre 1

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  1. Calculer i, l’intensité qui circule dans la bobine. On donne \(i(t=0)=0\).

  2. En déduire \(i_1\) et \(u_1\) (tension aux bornes de \(R_1\) et courant circulant dans \(R_1\)).

  3. Tracer i et \(i_1\) en fonction du temps.

Point utile pour cet exercice

Eléments de réponse (sans justification)

\(i(t) = \frac{R_1}{R_1 + R}\eta\left ( 1 - e^{- \frac{(R_1 + R)t}{L}}\right )\)

Deux condensateurs

On considère le circuit électrique de la figure ci-après. A t=0, \(q_1 = Q_1\) et \(q_2 = 0\). Donner l’évolution ultérieure (tensions et intensité) et faire un bilan énergétique.

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Point utile pour cet exercice

Eléments de réponse (sans justification)

\(q_1(t) = Q_1 \frac{C_1}{C_1 + C_2} + Q_1 \frac{C_2}{C_1 + C_2}e^{-\frac{(C_1 + C_2)t}{RC_1 C_2}}\)

L’énergie stockée dans les deux condensateurs a globalement diminuée: elle correspond à l’énergie dissipée dans la résistance.

Circuit soumis à une rampe.

On branche en parallèle une bobine d’inductance \(L=10 \rm{mH}\) (non parcourue par un courant avant t=0), une résistance \(R = 1 \rm{k \Omega}\) et un générateur idéal de courant qui fournit une rampe de courant \(\eta\) de pente \(\lambda\) en partant de 0A et jusqu’à un courant \(I_0 = 1 \rm{A}\) (atteint pour un temps \(t_0\)) puis reste constant.

  1. Établir l’équation d’évolution de \(i(t)\) le courant qui traverse la bobine quand le générateur débite une rampe de courant. Que vaut \(i(0^{+})\)?

  2. Pour \(t < t_0\), chercher une solution particulière sous la forme \(i_O(t) = \alpha t + \beta\). En déduire \(i(t)\) pour \(t < t_0\) de l’équation.

  3. Calculer \(t_0\) en fonction de \(\lambda\) et \(I_0\). Discuter suivant les valeur de \(\lambda\) et \(I_0\) les parts relatives données au régime transitoire et au régime “permanent” — on définira ces deux régimes.

  4. On prend \(\lambda = 1 \rm{A.s^{-1}}\), quelle approximation peut-on faire? Que vaut \(i(t_0)\)? En déduire l’évolution de \(i(t)\) après \(t=t_0\).

  5. Calculer l’énergie délivrée par le générateur pendant les deux périodes \(\left[0;t_0\right]\) et \(\left[t_0;+\infty\right]\). La comparer avec l’énergie délivrée par un générateur délivrant un échelon de courant \(I_0\) branché en parallèle à R et L. Commenter.

Point utile pour cet exercice

Eléments de réponse (sans justification)

Toutes les intensités sont orientées vers le bas.

  1. \(\frac{\rm{d}i}{\rm{dt}}(t) + \frac{R}{L} i(t) = \frac{R}{L}\eta(t)\).

  2. \(i(t) = \lambda (t - \tau) + \lambda \tau e^{-t/tau}\) _(On pose \(i(t) = \alpha t + \beta\) puis on introduit cette forme dans l’équation différentielle ce qui donne \(\alpha t + (\alpha + \beta / \tau) = \lambda t\) soit par identification \(\alpha = \lambda\) et \(beta = -\lambda \tau\)).

  3. On doit comparer \(t_0\) à \(\tau\). si \(t_0 \ll \tau\), l’exponentielle est devient presque négligeable et en \(t=t_0\), il ne reste que le régime forcé \(\lambda (t-\tau)\). Sinon, le régime transitoire représenté par l’exponentielle n’es tpas négligeable. \(\lambda t_0 = I_0\).

  4. On peut considérer l’exponentielle négligeable dans la condition initiale en \(t = t_0\). \(i(t > 0) \approx I_0 - \lambda \tau e^{\frac{t_0 - t}{\tau}}\) car la solution générale de l’équation avec second member est \(I_0 + A e^{-t/\tau}\) et la condition initiale \(i(t_0) \approx \lambda (t - \tau)\) donne le résultat précédent. Note : on pourrait presque considérer que \(i(t=t_0)\approx I_0\) et alors l’intensité reste constante pour \(t>t_0\).

  5. L’énergie trouvée est deux fois moins importante:

\[\begin{align*} E &= \int_{0}^{+\infty}\eta(t) u(t) dt \\ &= \int_{0}^{+\infty} L\eta(t) \frac{\rm{d}i}{\rm{dt}}(t) dt \\ &= \int_{0}^{t_0} L\lambda t (\lambda - \tau \lambda \tau e^{-t/\tau}) dt + \int_{t_0}^{+\infty} LI_0 \frac{\rm{d}i}{\rm{dt}}(t) dt \\ &\approx \frac{1}{2}L I_0 ^2 + LI_0 (i(+\infty) - i(t_0)) \\ &\approx \frac{1}{2}L I_0 ^2\\ \end{align*}\]

L’exponentielle dans la première intégrale donne une valeur négligeable et \(i(+\infty) - i(t_0) \approx 0\).

Circuits d’ordre 2#

Oscillateur faiblement amorti

On considère un circuit RLC série en régime libre. A \(t=0\), l’intensité circulant dans le circuit est \(I_0\) et la tension aux bornes du condensateur et nulle.

On suppose de plus que \(RC \ll \frac{L}{R}\).

  1. Préciser le type de régime pour le système.

  2. Dans l’approximation proposée, simplifier l’expression de la pseudo-pulsation.

  3. Comparer le temps caractéristique du réigme transitoire et la pseudo-période du signal. En déduire l’allure graphique de q(t).

  4. Déterminer l’expression complète de q(t).

Point utile pour cet exercice

Eléménts de réponse (sans justification)

C’est un régime pseudo-périodique et la pseudo-pulsation est à peu près égale à la pulsation propre. Le temps caractéristique \(\frac{2Q}{\omega_0}\) est donc grand devant la pseudo-période (Q grand) donc on observe de nombreuses oscillations et une enveloppe exponentielle qui décroit lentement.

Protection d’un interrupteur

Dans le circuit ci-dessous, l’interrupteur K est fermé et à t=0, on l’ouvre.

  1. Expliciter la tension \(u(t)\) aux bornes de K dans le cas où \(L/R>>RC\).

  2. On donne \(L = 10 \rm{mH}, E = 5 \rm{V}, R = 50 \rm{\Omega}\). Évaluer la valeur maximale de \(u(t)\) en l’absence du condensateur (l’interrupteur a alors une propre capacité de 10pF). On attend de l’initiative dans les calculs.

  3. Justifier l’emploi d’un condensateur. Déterminer la valeur de celui-ci pour limiter la valeur maximale de \(u(t)\) à 500V.

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Point utile pour cet exercice

Eléments de réponse (sans justification)

  • \(u(t) \approx e^{\frac{-\omega_0 t}{2Q}} (- E \cos(\omega_0 t) + QE\sin \omega_0 t) + E\) (à fort facteur de qualité, on doit trouver que la pseudo-pulsation égale la pulsation propre en première approximation).

  • \(u_{\max} \approx QE\) La tension obtenue est très grande: risque d’arc électrique. Le condensateur en parallèle augmente la valeur de C et diminue la surtension.