Nous avons vu tout au long de ce site web Basic Electronics Tutorials qu’il existe deux types d’éléments dans un circuit électrique ou électronique : les éléments passifs et les éléments actifs. Un élément actif est un élément capable de fournir continuellement de l’énergie à un circuit, comme une batterie, un générateur, un amplificateur opérationnel, etc. Un élément passif en revanche sont des éléments physiques tels que des résistances, des condensateurs, des inductances, etc, qui ne peuvent pas générer de l’énergie électrique par eux-mêmes mais seulement la consommer.
Les types d’éléments actifs de circuit qui sont les plus importants pour nous sont ceux qui fournissent de l’énergie électrique aux circuits ou au réseau qui leur sont connectés. Ils sont appelés » sources électriques « , les deux types de sources électriques étant la source de tension et la source de courant. La source de courant est généralement moins courante dans les circuits que la source de tension, mais les deux sont utilisées et peuvent être considérées comme complémentaires l’une de l’autre.
Une alimentation électrique ou simplement, « une source », est un dispositif qui fournit de l’énergie électrique à un circuit sous la forme d’une source de tension ou d’une source de courant. Les deux types de sources électriques peuvent être classés en source directe (DC) ou alternative (AC) dans laquelle une tension constante est appelée tension DC et une tension qui varie sinusoïdalement avec le temps est appelée tension AC. Ainsi, par exemple, les batteries sont des sources de courant continu et la prise murale ou la prise secteur de 230 V de votre maison est une source de courant alternatif.
Nous avons dit précédemment que les sources électriques fournissent de l’énergie, mais l’une des caractéristiques intéressantes d’une source électrique, c’est qu’elles sont également capables de convertir de l’énergie non électrique en énergie électrique et vice versa. Par exemple, une batterie convertit l’énergie chimique en énergie électrique, tandis qu’une machine électrique telle qu’un générateur de courant continu ou un alternateur de courant alternatif convertit l’énergie mécanique en énergie électrique.
Les technologies renouvelables peuvent convertir l’énergie du soleil, du vent et des vagues en énergie électrique ou thermique. Mais en plus de convertir l’énergie d’une source à une autre, les sources électriques peuvent à la fois délivrer ou absorber de l’énergie, ce qui lui permet de circuler dans les deux sens.
Une autre caractéristique importante d’une source électrique et qui définit son fonctionnement, sont ses caractéristiques I-V. La caractéristique I-V d’une source électrique peut nous donner une très belle description imagée de la source, soit comme une source de tension et une source de courant comme indiqué.
Sources électriques
Les sources électriques, qu’il s’agisse d’une source de tension ou d’une source de courant, peuvent être classées comme étant indépendantes (idéales) ou dépendantes, (contrôlées) c’est-à-dire dont la valeur dépend d’une tension ou d’un courant ailleurs dans le circuit, qui lui-même peut être constant ou varier dans le temps.
Lorsqu’on traite des lois et de l’analyse des circuits, les sources électriques sont souvent considérées comme étant « idéales », c’est-à-dire que la source est idéale car elle pourrait théoriquement délivrer une quantité infinie d’énergie sans perte ayant ainsi des caractéristiques représentées par une ligne droite. Cependant, dans les sources réelles ou pratiques, il y a toujours une résistance soit connectée en parallèle pour une source de courant, soit en série pour une source de tension associée à la source affectant sa sortie.
La source de tension
Une source de tension, comme une batterie ou un générateur, fournit une différence de potentiel (tension) entre deux points dans un circuit électrique permettant au courant de circuler autour d’elle. N’oubliez pas que la tension peut exister sans courant. Une batterie est la source de tension la plus courante pour un circuit, la tension qui apparaît entre les bornes positive et négative de la source étant appelée tension aux bornes.
Source de tension idéale
Une source de tension idéale est définie comme un élément actif à deux bornes qui est capable de fournir et de maintenir la même tension, (v) entre ses bornes, quel que soit le courant, (i) qui le traverse. En d’autres termes, une source de tension idéale fournira une tension constante à tout moment, quelle que soit la valeur du courant fourni produisant une caractéristique I-V représentée par une ligne droite.
Alors, une source de tension idéale est connue comme une source de tension indépendante car sa tension ne dépend ni de la valeur du courant circulant à travers la source ni de sa direction mais est déterminée uniquement par la valeur de la source seule. Ainsi, par exemple, une batterie d’automobile a une tension aux bornes de 12V qui reste constante tant que le courant qui la traverse ne devient pas trop élevé, fournissant de l’énergie à la voiture dans un sens et absorbant de l’énergie dans l’autre sens au fur et à mesure qu’elle se charge.
En revanche, une source de tension dépendante ou source de tension contrôlée, fournit une alimentation en tension dont la magnitude dépend soit de la tension aux bornes ou du courant circulant dans un autre élément du circuit. Une source de tension dépendante est indiquée par une forme de losange et sont utilisées comme sources électriques équivalentes pour de nombreux dispositifs électroniques, tels que les transistors et les amplificateurs opérationnels.
Connecter des sources de tension ensemble
Les sources de tension idéales peuvent être connectées ensemble en parallèle ou en série comme pour tout élément de circuit. Les tensions en série s’additionnent alors que les tensions en parallèle ont la même valeur. Notez que les sources de tension idéales inégales ne peuvent pas être connectées directement ensemble en parallèle.
Source de tension en parallèle
Bien que ce ne soit pas la meilleure pratique pour l’analyse des circuits, les sources de tension idéales peuvent être connectées en parallèle à condition qu’elles aient la même valeur de tension. Ici, dans cet exemple, deux sources de tension de 10 volts sont combinées pour produire 10 volts entre les bornes A et B. Idéalement, il n’y aurait qu’une seule source de tension de 10 volts donnée entre les bornes A et B.
Ce qui n’est pas autorisé ou n’est pas la meilleure pratique, c’est de connecter ensemble des sources de tension idéales qui ont des valeurs de tension différentes comme indiqué, ou qui sont court-circuitées par une boucle fermée ou une branche externe.
Sources de tension mal connectées
Cependant, lorsqu’il s’agit d’analyse de circuit, des sources de tension de valeurs différentes peuvent être utilisées à condition qu’il y ait d’autres éléments de circuit entre elles pour respecter la loi de tension de Kirchoff, KVL.
Contrairement aux sources de tension connectées en parallèle, les sources de tension idéales de valeurs différentes peuvent être connectées ensemble en série pour former une seule source de tension dont la sortie sera l’addition ou la soustraction algébrique des tensions utilisées. Leur connexion peut être comme : des tensions d’aide en série ou des tensions d’opposition en série comme illustré.
Source de tension en série
Les sources de tension d’aide en série sont des sources connectées en série avec leurs polarités connectées de sorte que la borne plus de l’une est connectée à la borne négative de la suivante permettant au courant de circuler dans le même sens. Dans l’exemple ci-dessus, les deux tensions de 10V et 5V du premier circuit peuvent être additionnées, pour une VS de 10 + 5 = 15V. Ainsi, la tension aux bornes A et B est de 15 volts.
Les sources de tension opposées en série sont des sources connectées en série dont les polarités sont connectées de sorte que la borne plus ou les bornes négatives sont connectées ensemble, comme indiqué dans le deuxième circuit ci-dessus. Le résultat net est que les tensions sont soustraites les unes des autres. Ensuite, les deux tensions de 10V et 5V du deuxième circuit sont soustraites, la plus petite tension étant soustraite de la plus grande. Ce qui donne un VS de 10 – 5 = 5V.
La polarité aux bornes A et B est déterminée par la plus grande polarité des sources de tension, dans cet exemple la borne A est positive et la borne B est négative ce qui donne +5 volts. Si les tensions série-opposition sont égales, la tension nette aux bornes A et B sera nulle car une tension équilibre l’autre. De même, tout courant (I) sera également nul, car sans aucune source de tension, le courant ne peut pas circuler.
Exemple de source de tension n°1
Deux sources de tension idéales d’aide en série de 6 volts et 9 volts respectivement sont connectées ensemble pour alimenter une résistance de charge de 100 Ohms. Calculez : la tension de la source, VS, le courant de charge à travers la résistance, IR et la puissance totale, P dissipée par la résistance. Dessinez le circuit.
Donc, VS = 15V, IR = 150mA ou 0,15A, et PR = 2,25W.
Source de tension pratique
Nous avons vu qu’une source de tension idéale peut fournir une alimentation en tension indépendante du courant qui la traverse, c’est-à-dire qu’elle conserve toujours la même valeur de tension. Cette idée peut bien fonctionner pour les techniques d’analyse de circuit, mais dans le monde réel les sources de tension se comportent un peu différemment car pour une source de tension pratique, sa tension terminale va en fait diminuer avec une augmentation du courant de charge.
Comme la tension terminale d’une source de tension idéale ne varie pas avec les augmentations du courant de charge, cela implique qu’une source de tension idéale a une résistance interne nulle, RS = 0. En d’autres termes, c’est une source de tension sans résistance. En réalité, toutes les sources de tension ont une très petite résistance interne qui réduit leur tension aux bornes lorsqu’elles fournissent des courants de charge plus élevés.
Pour les sources de tension non idéales ou pratiques telles que les batteries, leur résistance interne (RS) produit le même effet qu’une résistance connectée en série avec une source de tension idéale, car ces deux éléments connectés en série transportent le même courant, comme indiqué.
Source de tension idéale et pratique
Vous avez peut-être remarqué qu’une source de tension pratique ressemble beaucoup à celle d’un circuit équivalent de Thévenin car le théorème de Thévenin stipule que » tout réseau linéaire contenant des résistances et des sources de force électromotrice et de courant peut être remplacé par une seule source de tension, VS en série avec une seule résistance, RS ». Notez que si la résistance de la source en série est faible, la source de tension est idéale. Lorsque la résistance de la source est infinie, la source de tension est en circuit ouvert.
Dans le cas de toutes les sources de tension réelles ou pratiques, cette résistance interne, RS aussi petite soit-elle a un effet sur la caractéristique I-V de la source car la tension aux bornes chute avec une augmentation du courant de charge. Ceci est dû au fait que le même courant de charge traverse RS.
La loi d’Ohms nous dit que lorsqu’un courant, (i) traverse une résistance, une chute de tension est produite aux bornes de cette même résistance. La valeur de cette chute de tension est donnée par i*RS. VOUT sera donc égal à la source de tension idéale, VS moins la chute de tension i*RS aux bornes de la résistance. Rappelez-vous que dans le cas d’une tension de source idéale, RS est égale à zéro car il n’y a pas de résistance interne, donc la tension aux bornes est la même que VS.
Alors la somme des tensions autour de la boucle donnée par la loi de tension de Kirchoff, KVL est : VOUT = VS – i*RS. Cette équation peut être tracée pour donner les caractéristiques I-V de la tension de sortie réelle. Elle donnera une ligne droite avec une pente -RS qui coupe l’axe vertical de la tension au même point que VS lorsque le courant i = 0 comme indiqué.
Caractéristiques pratiques des sources de tension
Par conséquent, toutes les sources de tension idéales auront une caractéristique I-V en ligne droite, mais les sources de tension non idéales ou pratiques réelles ne le feront pas, mais auront au contraire une caractéristique I-V légèrement inclinée vers le bas d’une quantité égale à i*RS où RS est la résistance (ou impédance) interne de la source. Les caractéristiques I-V d’une batterie réelle fournissent une approximation très proche d’une source de tension idéale puisque la résistance de source RS est généralement assez petite.
La diminution de l’angle de la pente des caractéristiques I-V à mesure que le courant augmente est connue sous le nom de régulation. La régulation de la tension est une mesure importante de la qualité d’une source de tension pratique car elle mesure la variation de la tension aux bornes entre l’absence de charge, c’est-à-dire lorsque IL = 0, (un circuit ouvert) et la pleine charge, c’est-à-dire lorsque IL est au maximum, (un court-circuit).
Exemple de source de tension n°2
Une alimentation par batterie est constituée d’une source de tension idéale en série avec une résistance interne. On constate que la tension et le courant mesurés aux bornes de la batterie sont VOUT1 = 130V à 10A, et VOUT2 = 100V à 25A. Calculez la tension nominale de la source de tension idéale et la valeur de sa résistance interne. Dessinez les caractéristiques I-V.
Définissons tout d’abord sous une simple « forme d’équation simultanée », les deux sorties de tension et de courant de l’alimentation par batterie données comme : VOUT1 et VOUT2.
Comme nous avons les tensions et les courants sous forme d’équation simultanée, pour trouver VS nous allons d’abord multiplier VOUT1 par cinq, (5) et VOUT2 par deux, (2) comme indiqué pour que la valeur des deux courants, (i) soit la même pour les deux équations.
Ayant rendu les coefficients pour RS identiques en les multipliant par les constantes précédentes, nous multiplions maintenant la deuxième équation VOUT2 par moins un, (-1) pour permettre la soustraction des deux équations afin de pouvoir résoudre VS comme indiqué.
Sachant que la source de tension idéale, VS est égale à 150 volts, nous pouvons utiliser cette valeur pour l’équation VOUT1 (ou VOUT2 si on le souhaite) et résoudre pour trouver la résistance série, RS.
Alors, pour notre exemple simple, la source de tension interne des batteries est calculée comme suit : VS = 150 volts, et sa résistance interne comme : RS = 2Ω. Les caractéristiques I-V de la batterie sont données comme :
Caractéristiques I-V de la batterie
Source de tension dépendante
Contrairement à une source de tension idéale qui produit une tension constante à ses bornes indépendamment de ce qui lui est connecté, une source de tension contrôlée ou dépendante change sa tension aux bornes en fonction de la tension aux bornes, ou du courant traversant, un autre élément connecté au circuit, et à ce titre, il est parfois difficile de spécifier la valeur d’une source de tension dépendante, à moins de connaître la valeur réelle de la tension ou du courant dont elle dépend.
Les sources de tension dépendantes se comportent de manière similaire aux sources électriques que nous avons examinées jusqu’à présent, qu’elles soient pratiques ou idéales (indépendantes), la différence cette fois-ci est qu’une source de tension dépendante peut être contrôlée par un courant ou une tension d’entrée. Une source de tension qui dépend d’une tension d’entrée est généralement appelée source de tension contrôlée par la tension ou VCVS. Une source de tension qui dépend d’une entrée de courant est appelée source de tension commandée en courant ou CCVS.
Les sources dépendantes idéales sont couramment utilisées dans l’analyse des caractéristiques d’entrée/sortie ou du gain d’éléments de circuit tels que les amplificateurs opérationnels, les transistors et les circuits intégrés. Généralement, une source dépendante idéale, commandée en tension ou en courant, est désignée par un symbole en forme de losange, comme illustré.
Symboles de sources de tension dépendantes
Une source de tension dépendante idéale commandée en tension, VCVS, maintient une tension de sortie égale à une certaine constante de multiplication (essentiellement un facteur d’amplification) multipliée par la tension de commande présente ailleurs dans le circuit. Comme la constante de multiplication est, eh bien, une constante, la tension de commande, VIN, déterminera l’amplitude de la tension de sortie, VOUT. En d’autres termes, la tension de sortie « dépend » de la valeur de la tension d’entrée, ce qui en fait une source de tension dépendante et, à bien des égards, un transformateur idéal peut être considéré comme un dispositif VCVS, le facteur d’amplification étant son rapport de transformation.
Alors, la tension de sortie VCVS est déterminée par l’équation suivante : VOUT = μVIN. Notez que la constante multiplicatrice μ est sans dimension car elle est purement un facteur d’échelle car μ = VOUT/VIN, donc ses unités seront des volts/volts.
Une source de tension dépendante idéale commandée par courant, CCVS, maintient une tension de sortie égale à une certaine constante multiplicatrice (rho) fois une entrée de courant de commande générée ailleurs dans le circuit connecté. Alors la tension de sortie « dépend » de la valeur du courant d’entrée, ce qui en fait à nouveau une source de tension dépendante.
Comme un courant de commande, IIN détermine l’amplitude de la tension de sortie, VOUT fois la constante d’amplification ρ (rho), cela nous permet de modéliser une source de tension commandée par le courant comme un amplificateur à transrésistance car la constante de multiplication, ρ nous donne l’équation suivante : VOUT = ρIIN. Cette constante multiplicatrice ρ (rho) a les unités d’Ohm car ρ = VOUT/IIN, et ses unités seront donc des volts/ampères.
Résumé de la source de tension
Nous avons vu ici qu’une source de tension peut être soit une source de tension indépendante idéale, soit une source de tension dépendante contrôlée. Les sources de tension indépendantes fournissent une tension constante qui ne dépend d’aucune autre quantité dans le circuit. Les sources indépendantes idéales peuvent être des batteries, des générateurs DC ou des alimentations en tension AC variant dans le temps provenant d’alternateurs.
Les sources de tension indépendantes peuvent être modélisées soit comme une source de tension idéale, (RS = 0) où la sortie est constante pour tous les courants de charge, soit comme une source non idéale ou pratique, telle qu’une batterie avec une résistance connectée en série avec le circuit pour représenter la résistance interne de la source. Les sources de tension idéales ne peuvent être connectées ensemble en parallèle que si elles ont la même valeur de tension. Les connexions en série aidant ou s’opposant à la série affecteront la valeur de sortie.
Aussi pour résoudre l’analyse des circuits et les théorèmes complexes, les sources de tension deviennent des sources court-circuitées rendant leur tension égale à zéro pour aider à résoudre le réseau. Notez également que les sources de tension sont capables de délivrer ou d’absorber de l’énergie.
Les sources de tension dépendantes idéales représentées par un symbole en forme de losange, dépendent d’une tension ou d’un courant de commande externe et sont proportionnelles à celle-ci. La constante de multiplication, μ pour un VCVS n’a pas d’unité, tandis que la constante de multiplication ρ pour un CCVS a des unités d’Ohm. Une source de tension dépendante est d’un grand intérêt pour modéliser des dispositifs électroniques ou des dispositifs actifs tels que les amplificateurs opérationnels et les transistors qui ont un gain.
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