Analyse d’un Circuit en Série avec Trois Lampes

Analyse d’un Circuit en Série avec Trois Lampes

Analyse d’un Circuit en Série avec Trois Lampes

Comprendre les Circuits en Série

Dans un circuit en série, les composants sont connectés les uns à la suite des autres, de sorte que le courant qui les traverse est le même pour tous. La résistance totale du circuit est la somme des résistances individuelles. La tension de la source se répartit entre les différents composants en proportion de leur résistance (loi d'Ohm). L'analyse des circuits en série est fondamentale pour comprendre comment les tensions et les courants se distribuent et comment la puissance est consommée par chaque élément. Cet exercice se concentre sur un circuit simple avec trois lampes à incandescence (modélisées comme des résistances) connectées en série à une source de tension continue.

Données de l'étude

Trois lampes à incandescence L1, L2 et L3, ayant des caractéristiques nominales différentes, sont connectées en série à une source de tension continue \(V_S\).

Caractéristiques du système :

  • Tension de la source (\(V_S\)) : \(240 \, \text{V}\)
  • Lampe L1 : Puissance nominale \(P_{n1} = 60 \, \text{W}\), Tension nominale \(V_{n1} = 120 \, \text{V}\)
  • Lampe L2 : Puissance nominale \(P_{n2} = 100 \, \text{W}\), Tension nominale \(V_{n2} = 120 \, \text{V}\)
  • Lampe L3 : Puissance nominale \(P_{n3} = 40 \, \text{W}\), Tension nominale \(V_{n3} = 120 \, \text{V}\)

On supposera que la résistance des lampes reste constante et égale à leur résistance calculée en conditions nominales.

Schéma du Circuit en Série avec Trois Lampes
+ - Vs L1 L2 L3 I Circuit Série de Lampes

Trois lampes L1, L2, L3 connectées en série à une source de tension \(V_S\).


Questions à traiter

  1. Calculer la résistance nominale (\(R_1, R_2, R_3\)) de chaque lampe.
  2. Calculer la résistance totale (\(R_{totale}\)) du circuit série.
  3. Calculer le courant total (\(I\)) circulant dans le circuit.
  4. Calculer la tension réelle (\(V_{L1}, V_{L2}, V_{L3}\)) aux bornes de chaque lampe dans ce circuit.
  5. Calculer la puissance réelle (\(P_{eff,1}, P_{eff,2}, P_{eff,3}\)) dissipée par chaque lampe dans ce circuit.
  6. Comparer les puissances réelles dissipées aux puissances nominales. Les lampes brilleront-elles normalement, faiblement ou risquent-elles de griller ? Discuter.

Correction : Analyse d’un Circuit en Série avec Trois Lampes

Question 1 : Résistance nominale de chaque lampe

Principe :

La puissance nominale \(P_n\) d'une lampe est liée à sa tension nominale \(V_n\) et à sa résistance nominale \(R_n\) par la formule \(P_n = V_n^2 / R_n\). On peut donc en déduire \(R_n = V_n^2 / P_n\).

Formule(s) utilisée(s) :
\[R_n = \frac{V_n^2}{P_n}\]
Calculs :

Pour L1 :

\[ \begin{aligned} R_1 &= \frac{(120 \, \text{V})^2}{60 \, \text{W}} \\ &= \frac{14400}{60} \, \Omega \\ &= 240 \, \Omega \end{aligned} \]

Pour L2 :

\[ \begin{aligned} R_2 &= \frac{(120 \, \text{V})^2}{100 \, \text{W}} \\ &= \frac{14400}{100} \, \Omega \\ &= 144 \, \Omega \end{aligned} \]

Pour L3 :

\[ \begin{aligned} R_3 &= \frac{(120 \, \text{V})^2}{40 \, \text{W}} \\ &= \frac{14400}{40} \, \Omega \\ &= 360 \, \Omega \end{aligned} \]
Résultat Question 1 :
  • Résistance de L1 : \(R_1 = 240 \, \Omega\)
  • Résistance de L2 : \(R_2 = 144 \, \Omega\)
  • Résistance de L3 : \(R_3 = 360 \, \Omega\)

Question 2 : Résistance totale (\(R_{totale}\)) du circuit série

Principe :

Dans un circuit en série, la résistance totale est la somme des résistances individuelles.

Formule(s) utilisée(s) :
\[R_{totale} = R_1 + R_2 + R_3\]
Calcul :
\[ \begin{aligned} R_{totale} &= 240 \, \Omega + 144 \, \Omega + 360 \, \Omega \\ &= 744 \, \Omega \end{aligned} \]
Résultat Question 2 : La résistance totale du circuit est \(R_{totale} = 744 \, \Omega\).

Quiz Intermédiaire 1 : Dans un circuit série, si une résistance est ajoutée, la résistance totale :

Question 3 : Courant total (\(I\)) circulant dans le circuit

Principe :

Le courant total dans un circuit série est donné par la loi d'Ohm : \(I = V_S / R_{totale}\).

Formule(s) utilisée(s) :
\[I = \frac{V_S}{R_{totale}}\]
Données spécifiques :
  • \(V_S = 240 \, \text{V}\)
  • \(R_{totale} = 744 \, \Omega\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} I &= \frac{240 \, \text{V}}{744 \, \Omega} \\ &\approx 0.32258 \, \text{A} \end{aligned} \]
Résultat Question 3 : Le courant total circulant dans le circuit est \(I \approx 0.323 \, \text{A}\).

Question 4 : Tension réelle aux bornes de chaque lampe

Principe :

La tension aux bornes de chaque lampe (résistance) est donnée par la loi d'Ohm : \(V_L = R_L \cdot I\), où \(I\) est le courant total du circuit série.

Formule(s) utilisée(s) :
\[V_{L1} = R_1 I\] \[V_{L2} = R_2 I\] \[V_{L3} = R_3 I\]
Données spécifiques :
  • \(R_1 = 240 \, \Omega\), \(R_2 = 144 \, \Omega\), \(R_3 = 360 \, \Omega\)
  • \(I \approx 0.32258 \, \text{A}\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} V_{L1} &= 240 \, \Omega \times 0.32258 \, \text{A} \\ &\approx 77.419 \, \text{V} \end{aligned} \] \[ \begin{aligned} V_{L2} &= 144 \, \Omega \times 0.32258 \, \text{A} \\ &\approx 46.452 \, \text{V} \end{aligned} \] \[ \begin{aligned} V_{L3} &= 360 \, \Omega \times 0.32258 \, \text{A} \\ &\approx 116.129 \, \text{V} \end{aligned} \]

Vérification : \(V_{L1} + V_{L2} + V_{L3} \approx 77.419 + 46.452 + 116.129 = 240.000 \, \text{V} = V_S\).

Résultat Question 4 :
  • Tension aux bornes de L1 : \(V_{L1} \approx 77.42 \, \text{V}\)
  • Tension aux bornes de L2 : \(V_{L2} \approx 46.45 \, \text{V}\)
  • Tension aux bornes de L3 : \(V_{L3} \approx 116.13 \, \text{V}\)

Question 5 : Puissance réelle dissipée par chaque lampe

Principe :

La puissance réelle dissipée par chaque lampe est \(P_{eff} = R I^2\) ou \(P_{eff} = V_L I\), où \(V_L\) est la tension réelle aux bornes de la lampe.

Formule(s) utilisée(s) :
\[P_{eff} = R I^2\]
Calcul :
\[ \begin{aligned} P_{eff,1} &= R_1 I^2 \\ &= 240 \, \Omega \times (0.32258 \, \text{A})^2 \\ &\approx 240 \times 0.104057 \\ &\approx 24.97 \, \text{W} \end{aligned} \] \[ \begin{aligned} P_{eff,2} &= R_2 I^2 \\ &= 144 \, \Omega \times (0.32258 \, \text{A})^2 \\ &\approx 144 \times 0.104057 \\ &\approx 14.98 \, \text{W} \end{aligned} \] \[ \begin{aligned} P_{eff,3} &= R_3 I^2 \\ &= 360 \, \Omega \times (0.32258 \, \text{A})^2 \\ &\approx 360 \times 0.104057 \\ &\approx 37.46 \, \text{W} \end{aligned} \]
Résultat Question 5 :
  • Puissance réelle de L1 : \(P_{eff,1} \approx 24.97 \, \text{W}\)
  • Puissance réelle de L2 : \(P_{eff,2} \approx 14.98 \, \text{W}\)
  • Puissance réelle de L3 : \(P_{eff,3} \approx 37.46 \, \text{W}\)

Quiz Intermédiaire 2 : Si trois résistances différentes sont en série, laquelle dissipera le plus de puissance ?

Question 6 : Comparaison des puissances et discussion

Principe :

On compare la puissance réelle dissipée par chaque lampe à sa puissance nominale pour évaluer leur luminosité.

Comparaison :
  • Lampe L1 : \(P_{n1} = 60 \, \text{W}\), \(P_{eff,1} \approx 24.97 \, \text{W}\). \(P_{eff,1} < P_{n1}\).
  • Lampe L2 : \(P_{n2} = 100 \, \text{W}\), \(P_{eff,2} \approx 14.98 \, \text{W}\). \(P_{eff,2} < P_{n2}\).
  • Lampe L3 : \(P_{n3} = 40 \, \text{W}\), \(P_{eff,3} \approx 37.46 \, \text{W}\). \(P_{eff,3} < P_{n3}\).
Discussion :

Toutes les lampes dissipent une puissance bien inférieure à leur puissance nominale. Elles brilleront donc toutes beaucoup plus faiblement que prévu.

La lampe L3 (40W nominal, 360\(\Omega\)) est celle qui a la plus grande résistance. Dans un circuit série, c'est elle qui aura la plus grande chute de tension à ses bornes et dissipera le plus de puissance parmi les trois (\(P = I^2R\), I est commun). Ici, \(P_{eff,3} \approx 37.46 \, \text{W}\) est la plus proche de sa puissance nominale (\(40 \, \text{W}\)), elle sera donc la plus "brillante" des trois, mais toujours bien en dessous de sa luminosité nominale.

La lampe L2 (100W nominal, 144\(\Omega\)) a la plus faible résistance et dissipe le moins de puissance (\(P_{eff,2} \approx 14.98 \, \text{W}\)), elle sera donc la plus faible des trois, et très loin de sa luminosité nominale.

Aucune lampe ne risque de griller car elles sont toutes sous-alimentées en tension et en puissance. Le montage en série de lampes de caractéristiques nominales différentes (surtout si les tensions nominales sont prévues pour un montage en parallèle sur une tension de source différente) conduit généralement à un fonctionnement non optimal et à des luminosités inégales et faibles.

Résultat Question 6 : Toutes les lampes brilleront faiblement. L3 sera la plus lumineuse des trois (mais toujours faible), et L2 la moins lumineuse. Aucune ne risque de griller.

Quiz Rapide : Testez vos connaissances (Récapitulatif)

1. Dans un circuit en série, le courant :

2. La résistance d'une lampe à incandescence est calculée à partir de sa puissance nominale \(P_n\) et de sa tension nominale \(V_n\) par :

3. Si des lampes de tensions nominales identiques mais de puissances nominales différentes sont montées en série sur une source de tension supérieure à leur tension nominale individuelle :


Glossaire

Circuit en Série
Circuit électrique où les composants sont connectés bout à bout, formant un seul chemin pour le courant.
Lampe à Incandescence
Source de lumière qui produit de la lumière en chauffant un filament jusqu'à incandescence. Elle se comporte essentiellement comme une résistance.
Puissance Nominale (\(P_n\))
Puissance pour laquelle un appareil est conçu pour fonctionner dans des conditions normales (généralement à sa tension nominale).
Tension Nominale (\(V_n\))
Tension pour laquelle un appareil est conçu pour fonctionner de manière optimale.
Résistance Électrique (\(R\))
Opposition au passage du courant électrique. Unité SI : Ohm (\(\Omega\)).
Loi d'Ohm
Relation entre la tension (\(V\)), le courant (\(I\)) et la résistance (\(R\)) : \(V = IR\).
Puissance Électrique (\(P\))
Taux de transfert d'énergie électrique. \(P = VI = I^2R = V^2/R\). Unité SI : Watt (W).
Chute de Tension
Différence de potentiel électrique aux bornes d'un composant résistif due au passage du courant.
Analyse d’un Circuit en Série avec Trois Lampes

D’autres exercices de réseaux électriques:

Introduction aux Smart Grids
Introduction aux Smart Grids

Réseaux Électriques : Introduction aux Smart Grids (réseaux intelligents) Introduction aux Smart Grids (réseaux intelligents) Contexte : Le Réseau Électrique entre dans l'Ère Numérique Le réseau électrique traditionnel a été conçu pour un flux d'énergie...

Identifier l’appareillage HTA
Identifier l’appareillage HTA

Réseaux Électriques : Identifier l'appareillage HTA (disjoncteurs, sectionneurs) Identifier l'appareillage HTA (disjoncteurs, sectionneurs) Contexte : La Sécurité Avant Tout en Haute Tension Dans un poste électrique HTA (Haute Tension A), la sécurité des interventions...

Circuit d’Éclairage LED avec Interrupteur
Circuit d’Éclairage LED avec Interrupteur

Exercice : Circuit d’Éclairage LED avec Interrupteur Circuit d’Éclairage LED avec Interrupteur Contexte : L'alimentation sécurisée d'une Diode Électroluminescente (LED)Un composant électronique qui émet de la lumière lorsqu'un courant électrique le traverse dans le...

Comportement du Condensateur Sous Tension
Comportement du Condensateur Sous Tension

Comportement du Condensateur Sous Tension Comportement du Condensateur Sous Tension Contexte : Le circuit RCUn circuit électrique composé d'une résistance (R) et d'un condensateur (C). Il est fondamental pour créer des filtres, des oscillateurs ou des circuits de...

Analyse d’un circuit d’alimentation électrique
Analyse d’un circuit d’alimentation électrique

Analyse d’un Circuit d’Alimentation Électrique Analyse d’un Circuit d’Alimentation Électrique Triphasé Contexte : L'alimentation d'un petit atelier. Un atelier est alimenté par un réseau triphaséSystème de trois courants alternatifs de même fréquence et de même...

Puissance dans un Système Générateur-Charge
Puissance dans un Système Générateur-Charge

Exercice : Puissance dans un Système Générateur-Charge Calcul de Puissance dans un Système Générateur-Charge Contexte : L'optimisation du transfert de puissance électriqueLa quantité d'énergie électrique transférée par unité de temps. Son unité est le Watt (W).. En...

Système Triphasé à Charges Équilibrées
Système Triphasé à Charges Équilibrées

Exercice : Système Triphasé Équilibré Système Triphasé à Charges Équilibrées Contexte : Le système triphasé équilibréUn système de trois tensions alternatives de même fréquence et de même amplitude, mais déphasées de 120° les unes par rapport aux autres. C'est le mode...

Analyse du Gain en Tension d’un Amplificateur
Analyse du Gain en Tension d’un Amplificateur

Analyse du Gain en Tension d’un Amplificateur Analyse du Gain en Tension d’un Amplificateur à Émetteur Commun Contexte : L'amplificateur à émetteur communUn des trois montages de base pour un transistor bipolaire, très utilisé pour son gain élevé en tension et en...

Analyse d’un Circuit avec Diode Parfaite
Analyse d’un Circuit avec Diode Parfaite

Analyse d’un Circuit avec Diode Parfaite Analyse d’un Circuit avec Diode Parfaite Contexte : Le redressementProcessus de conversion d'une tension alternative (AC) en une tension continue (DC). est une fonction fondamentale en électronique de puissance. Cet exercice se...

Calcul du Générateur de Thévenin
Calcul du Générateur de Thévenin

Exercice : Calcul du Générateur de Thévenin Calcul du Générateur de Thévenin Contexte : Le théorème de ThéveninUn principe fondamental en analyse de circuits électriques qui permet de simplifier un circuit complexe en un générateur de tension idéal en série avec une...

Calcul du Coefficient de Régulation dans un Circuit
Calcul du Coefficient de Régulation dans un Circuit

Exercice : Calcul du Coefficient de Régulation dans un Circuit Calcul du Coefficient de Régulation dans un Circuit Contexte : Le coefficient de régulationLe coefficient de régulation est un indicateur clé qui mesure la capacité d'une alimentation à maintenir une...

Calcul de la valeur efficace de la tension
Calcul de la valeur efficace de la tension

Exercice : Calcul de la Tension Efficace Calcul de la Valeur Efficace d'une Tension Contexte : L'importance de la valeur efficaceLa valeur efficace (ou RMS) d'un courant ou d'une tension variable correspond à la valeur d'un courant ou d'une tension continue qui...

Analyse du Multivibrateur Astable
Analyse du Multivibrateur Astable

Exercice : Analyse du Multivibrateur Astable Analyse du Multivibrateur Astable Contexte : Le Multivibrateur AstableUn circuit électronique qui génère un signal de sortie oscillant (typiquement carré) sans avoir besoin d'un signal d'entrée pour le déclencher. Il n'a...

Calcul du Facteur de Qualité Q d’un Circuit
Calcul du Facteur de Qualité Q d’un Circuit

Exercice : Calcul du Facteur de Qualité (Q) Calcul du Facteur de Qualité (Q) d'un Circuit RLC Série Contexte : Le Facteur de Qualité (Q)Le facteur de qualité est une grandeur sans dimension qui décrit la sélectivité ou la 'pureté' d'un circuit résonant. Un Q élevé...

Calcul des Résistances d’Entrée en Électronique
Calcul des Résistances d’Entrée en Électronique

Exercice : Calcul des Résistances d’Entrée en Électronique Calcul des Résistances d’Entrée en Électronique Contexte : L'amplificateur à transistor bipolaireComposant à 3 bornes (Base, Collecteur, Émetteur) qui amplifie le courant. en émetteur communMontage...

Calcul de la Fréquence Propre d’un Circuit RLC
Calcul de la Fréquence Propre d’un Circuit RLC

Exercice : Calcul de la Fréquence Propre d’un Circuit RLC Calcul de la Fréquence Propre d’un Circuit RLC Contexte : Le Circuit RLC SérieUn circuit électrique composé d'une résistance (R), d'une bobine (Inductance L) et d'un condensateur (Capacité C) connectés en...

Dépannage dans un Système d’Éclairage LED
Dépannage dans un Système d’Éclairage LED

Exercice : Dépannage d'un Système d'Éclairage LED Dépannage dans un Système d’Éclairage LED Contexte : Les systèmes d'éclairage à LEDDispositifs d'éclairage utilisant des diodes électroluminescentes (LED) comme source de lumière, réputés pour leur faible consommation...

Analyse d’un Filtre Passe-Bas RL
Analyse d’un Filtre Passe-Bas RL

Exercice : Analyse d'un Filtre Passe-Bas RL Analyse d’un Filtre Passe-Bas RL Contexte : Le filtrage électroniqueProcédé qui consiste à supprimer ou atténuer certaines fréquences d'un signal électrique tout en laissant passer les autres.. Les filtres sont des...

Analyse d’un Circuit RL avec Solénoïde
Analyse d’un Circuit RL avec Solénoïde

Analyse d’un Circuit RL avec Solénoïde Analyse d’un Circuit RL avec Solénoïde Contexte : Le Circuit RL SérieUn circuit électrique comprenant une résistance (R) et une inductance (L) connectées en série, généralement à une source de tension.. Contrairement aux circuits...

Calcul du Rapport des Amplitudes Complexes
Calcul du Rapport des Amplitudes Complexes

Calcul du Rapport des Amplitudes Complexes Calcul du Rapport des Amplitudes Complexes Contexte : Le Filtre RC Passe-BasUn circuit électronique qui laisse passer les signaux de basse fréquence et atténue les signaux de haute fréquence.. En régime sinusoïdal forcé,...

Calcul de la concentration d’électrons libres
Calcul de la concentration d’électrons libres

Calcul de la concentration d’électrons libres Calcul de la concentration d’électrons libres Contexte : La conductivité électriqueCapacité d'un matériau à laisser passer le courant électrique. Elle dépend fortement de la quantité de porteurs de charge (comme les...

Calcul de la Fréquence Angulaire de Coupure
Calcul de la Fréquence Angulaire de Coupure

Calcul de la Fréquence Angulaire de Coupure Calcul de la Fréquence Angulaire de Coupure Contexte : Les filtres électroniquesCircuits qui modifient l'amplitude ou la phase d'un signal en fonction de sa fréquence. Ils sont essentiels en traitement du signal, audio, et...

Lois de l’Ohm et Kirchhoff
Lois de l’Ohm et Kirchhoff

Lois de l’Ohm et Kirchhoff Lois de l’Ohm et Kirchhoff Contexte : Le diviseur de tensionUn circuit simple qui transforme une tension élevée en une tension plus basse en utilisant une paire de résistances en série.. En tant qu'ingénieur électronicien, vous devez...

Introduction aux Smart Grids
Introduction aux Smart Grids

Réseaux Électriques : Introduction aux Smart Grids (réseaux intelligents) Introduction aux Smart Grids (réseaux intelligents) Contexte : Le Réseau Électrique entre dans l'Ère Numérique Le réseau électrique traditionnel a été conçu pour un flux d'énergie...

Identifier l’appareillage HTA
Identifier l’appareillage HTA

Réseaux Électriques : Identifier l'appareillage HTA (disjoncteurs, sectionneurs) Identifier l'appareillage HTA (disjoncteurs, sectionneurs) Contexte : La Sécurité Avant Tout en Haute Tension Dans un poste électrique HTA (Haute Tension A), la sécurité des interventions...

0 commentaires
Soumettre un commentaire

Votre adresse e-mail ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *