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Cours: Électrotechnique BMT & UFC

Calculer avec des réactances

Examinons maintenant, pour une résistance, une bobine et un condensateur, les tensions obtenues lorsque le courant est un sinus :

Résistance

\[ \begin{gathered} i(t) = 1\,\mathrm{mA} \cdot \sin(\omega t) \\[4pt] \text{Résistance : } R = 10\,\Omega \\[4pt] u_R(t) = R \cdot i(t) = 10\,\Omega \cdot 1\,\mathrm{mA} \cdot \sin(\omega t) = 10\,\mathrm{mV} \cdot \sin(\omega t) \\[4pt] \text{Valeur de crête : } \hat{u}_R = R \cdot \hat{\imath} = 10\,\Omega \cdot 1\,\mathrm{mA} = 10\,\mathrm{mV} \end{gathered} \]

Pour une résistance, la tension est un sinus si le courant est un sinus.

Condensateur

\[ \begin{gathered} \text{Courant : } i(t) = 1\,\mathrm{mA} \cdot \sin(\omega t) \\[4pt] \text{Capacité : } C = 100\,\text{µF} \\[4pt] f = 50\,\mathrm{Hz} \rightarrow \omega = 2\pi f = 314\,\frac{1}{\mathrm{s}} \\[6pt] X_C = \frac{1}{\omega C} = \frac{1}{314\,\frac{1}{\mathrm{s}} \cdot 100\,\text{µF}} = 31{,}83\,\Omega \\[6pt] \text{Valeur de crête : } \hat{u}_C = X_C \cdot \hat{\imath} = 31{,}83\,\Omega \cdot 1\,\mathrm{mA} = 31{,}83\,\mathrm{mV} \end{gathered} \]

Quelle forme aura la tension du condensateur si le courant est un sinus ? Le courant est intégré, et l’intégrale du sinus est « moins cosinus ». On a :

\[ \begin{gathered} u_C(t) \sim \int i(t)\,dt = \int \sin(\omega t)\,dt \sim -\cos(\omega t) \\[6pt] u_C(t) = \color{#c00000}{-}\hat{u}_C \cdot \cos(\omega t) = \color{#c00000}{-}31{,}83\,\mathrm{mV} \cdot \cos(\omega t) \end{gathered} \]

Si le courant du condensateur est un sinus, la tension est un « moins cosinus ».

Bobine

\[ \begin{gathered} \text{Courant : } i(t) = 1\,\mathrm{mA} \cdot \sin(\omega t) \\[4pt] \text{Inductance : } L = 10\,\mathrm{mH} \\[4pt] f = 50\,\mathrm{Hz} \rightarrow \omega = 2\pi f = 314\,\frac{1}{\mathrm{s}} \\[6pt] X_L = \omega L = 314\,\frac{1}{\mathrm{s}} \cdot 10\,\mathrm{mH} = 3{,}14\,\Omega \\[6pt] \text{Valeur de crête : } \hat{u}_L = X_L \cdot \hat{\imath} = 3{,}14\,\Omega \cdot 1\,\mathrm{mA} = 3{,}14\,\mathrm{mV} \end{gathered} \]

Quelle forme aura la tension de la bobine si le courant est un sinus ? Le courant est dérivé, et la dérivée du sinus est le cosinus. On a :

\[ \begin{gathered} u_L(t) \sim \frac{di}{dt} = \frac{d}{dt} \sin(\omega t) \sim \cos(\omega t) \\[6pt] u_L(t) = \hat{u}_L \cdot \cos(\omega t) = 3{,}14\,\mathrm{mV} \cdot \cos(\omega t) \end{gathered} \]

Si le courant de la bobine est un sinus, la tension est un cosinus (positif).

Condensateur et bobine se comportent de la même façon au signe près : ils transforment un courant sinusoïdal en une tension ± cosinus. Une résistance transforme un courant sinusoïdal en une tension sinusoïdale.

Addition et multiplication de résistance et réactance

Pour calculer par exemple la résistance totale d’un montage en série, nous devons additionner des résistances. En parallèle, nous devons additionner et multiplier. Dans les réseaux en courant continu, on a :

Montage en série de R1 et R2
\[ \text{Montage en série : } R_{\mathrm{Ges}} = R_1 + R_2 \]
Montage en parallèle de R3 et R4
\[ \text{Montage en parallèle : } R_{\mathrm{Ges}} = \frac{R_3 \cdot R_4}{R_3 + R_4} \]

Si nous considérons plus généralement des résistances et des réactances, nous devons aussi les additionner et les multiplier. Les règles suivantes s’appliquent :

Il n’y a pas de règle particulière pour la multiplication ; on peut multiplier librement résistances et réactances entre elles.

\[ \begin{gathered} R \cdot X_C \\[4pt] R \cdot X_L \\[4pt] X_L \cdot X_C \end{gathered} \]

Une résistance s’additionne « normalement » à une autre résistance.

Montage en série de R1 et R2
\[ R_{\mathrm{Ges}} = R_1 + R_2 \]

Une résistance s’additionne quadratiquement à une réactance (bobine ou condensateur).

Montage en série de R et L ainsi que de R et C
\[ \begin{gathered} \text{Condensateur : } X_{\mathrm{Ges}} = \sqrt{R^2 + X_C^2} \\[6pt] \text{Bobine : } X_{\mathrm{Ges}} = \sqrt{R^2 + X_L^2} \end{gathered} \]

Une réactance s’additionne « normalement » à une autre réactance. La réactance d’une bobine compte positivement, celle d’un condensateur négativement.

Montage en série de C et L
\[ X_{\mathrm{Ges}} = X_L - X_C \]

Les réactances décrivent des accumulateurs qui, par intégration ou dérivation, transforment un sinus en cosinus et inversement. Si un courant sinusoïdal traverse deux réactances, la bobine en fait une tension « plus cosinus » et le condensateur une tension « moins cosinus ». C’est pourquoi la réactance de la bobine est comptée positivement et celle du condensateur négativement.

Exemples

Définissons d’abord quelques composants avec lesquels nous calculerons ensuite des exemples.

\[ \begin{gathered} \text{Résistance } R = 1\,\Omega \\[4pt] \text{Bobine : } L = 6{,}36\,\mathrm{mH} \\[4pt] \text{Condensateur : } C = 3{,}18\,\mathrm{mF} \\[4pt] f = 50\,\mathrm{Hz} \rightarrow \omega = 2\pi f = 314\,\frac{1}{\mathrm{s}} \\[6pt] X_L = \omega L = 314\,\frac{1}{\mathrm{s}} \cdot 6{,}36\,\mathrm{mH} = 2\,\Omega \\[6pt] X_C = \frac{1}{\omega C} = \frac{1}{314\,\frac{1}{\mathrm{s}} \cdot 3{,}18\,\mathrm{mF}} = 1\,\Omega \end{gathered} \]

Bobine L et résistance R

\[ \begin{gathered} \text{Montage en série : } X_{\mathrm{Ges}} = \sqrt{R^2 + X_L^2} = \sqrt{(1\,\Omega)^2 + (2\,\Omega)^2} = 2{,}24\,\Omega \\[6pt] \text{Montage en parallèle : } X_{\mathrm{Ges}} = \frac{R \cdot X_L}{\sqrt{R^2 + X_L^2}} = \frac{1\,\Omega \cdot 2\,\Omega}{2{,}24\,\Omega} = 0{,}89\,\Omega \end{gathered} \]

Simulation

Condensateur C et résistance R

\[ \begin{gathered} \text{Montage en série : } X_{\mathrm{Ges}} = \sqrt{R^2 + X_C^2} = \sqrt{(1\,\Omega)^2 + (1\,\Omega)^2} = 1{,}41\,\Omega \\[6pt] \text{Montage en parallèle : } X_{\mathrm{Ges}} = \frac{R \cdot X_C}{\sqrt{R^2 + X_C^2}} = \frac{1\,\Omega \cdot 1\,\Omega}{1{,}41\,\Omega} = 0{,}7\,\Omega \end{gathered} \]

Simulation

Bobine L et condensateur C

\[ \begin{gathered} \text{Montage en série : } X_{\mathrm{Ges}} = X_L - X_C = 2\,\Omega - 1\,\Omega = 1\,\Omega \\[6pt] \text{Montage en parallèle : } X_{\mathrm{Ges}} = \frac{X_L \cdot X_C}{X_L - X_C} = \frac{2\,\Omega \cdot 1\,\Omega}{2\,\Omega - 1\,\Omega} = 2\,\Omega \end{gathered} \]

Simulation

Nous définissons la réactance surtout pour pouvoir calculer en courant alternatif presque aussi simplement qu’en courant continu. C’est une simplification mathématique. Mais elle décrit aussi le comportement des composants en courant alternatif. Une réactance est une résistance en courant alternatif. Elle indique quelle opposition un composant présente au courant alternatif. Plus la réactance est grande, moins le courant est important.

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