Puissance
L'énergie est la capacité de faire quelque chose. En physique, la loi de conservation de l'énergie stipule que l'énergie ne peut être ni créée ni détruite (par des moyens naturels). Cependant, l'énergie peut être convertie d'une forme à une autre. Le taux auquel l'énergie est convertie s'appelle la puissance, mesurée en Joules par seconde, ce que nous appelons également Watts (W).
La puissance est calculée en multipliant le courant (coulombs par seconde) par la tension (joules par coulomb) :
Les circuits électroniques ont besoin d'une source d'énergie. Nous regroupons ces sources d'énergie en deux groupes principaux en fonction de leur fonctionnement.
Source de tension
Les sources de tension maintiennent une différence de potentiel (tension) constante entre leurs deux bornes (points de connexion). Le symbole d'une source de tension est :
Les sources de tension fournissent suffisamment de courant au circuit pour que la tension puisse être maintenue. Idéalement, les sources de tension maintiendraient cette tension quoi qu'il arrive, mais en pratique ce n'est pas possible. En réalité, les sources de tension sont fabriquées à partir de circuits électroniques plus complexes (LDO, convertisseurs à découpage) ou sont simplement des batteries. Dans tous les cas, le circuit présentera un effet où la tension diminue à mesure que plus de courant est tiré de la source. Mathématiquement, cela peut être exprimé comme la tension idéale (ordonnée à l'origine) et une ligne avec une pente décroissante :
Cela peut être représenté dans le circuit comme une source de tension et une résistance :
L'effet de la diminution de la tension V à mesure que plus de courant est tiré est appelé la résistance de sortie (plus d'informations à ce sujet dans un futur blog). Idéalement, cette résistance serait nulle.
Source de courant
De même, les sources de courant maintiennent un courant constant à travers elles-mêmes. Le symbole d'une source de courant est :
Elle maintient un courant constant en ajustant la tension à ses bornes. N'oubliez pas que c'est toujours la tension qui provoque le flux de charge. Une source de courant contrôle simplement la tension afin de maintenir le courant désiré. En pratique, il existe des effets semi-conducteurs qui feront que le courant dépendra légèrement de la tension du circuit auquel il est connecté. Is représente le courant idéal et Ip représente les effets non idéaux du semi-conducteur dont il est fait :
Cela peut être représenté par une source de courant qui fournit le courant idéal, et une résistance (qui dépend de la tension à ses bornes) :
Sources dépendantes
Les sources peuvent être fixes ou dépendre d'une autre valeur dans le circuit. Il existe 4 types de sources contrôlées :
- Source de tension commandée en tension (VCVS)
- Source de tension commandée en courant (CCVS)
- Source de courant commandée en tension (VCCS)
- Source de courant commandée en courant (CCCS)
La source commandée la plus courante est la source de courant commandée en tension, car elle est à la base du fonctionnement des transistors. Dans le circuit ci-dessous, nous avons un circuit avec une source de tension à valeur fixe et une source de courant dépendante de la tension. Trouvez V3. Toutes les résistances sont de 100 Ω.
Ceci est accompli en résolvant pour V2 en trouvant d'abord le courant total dans la boucle en utilisant la loi d'Ohm. Aucun courant ne circulera dans le fil entre les deux boucles ; tout le courant à travers la source 10V passe par R1 et R2 et revient à la source 10V. En utilisant la loi d'Ohm, cela donne :
Ensuite, nous utilisons à nouveau la loi d'Ohm pour trouver V2 :
Maintenant, nous savons que le courant dans la source de courant dépendante est :
Enfin, en utilisant la loi d'Ohm, nous pouvons trouver la tension V3 :
À l'avenir, nous verrons que c'est le principe de base du fonctionnement des amplificateurs à transistors.
Dissipation de puissance
Les résistances sont des composants qui absorbent de l'énergie. Lorsque cette énergie est absorbée, elle est convertie en chaleur.
La puissance absorbée par une résistance est calculée en utilisant l'équation de la puissance. Nous pouvons substituer la loi d'Ohm sous deux de ses formes (2) et (3) dans l'équation de la puissance (1) et obtenir deux équations utiles pour calculer la puissance.
Dans l'exemple précédent, trouvez la puissance dissipée dans la résistance R3.
Puisque nous connaissons la tension, le courant et la résistance, nous pouvons utiliser n'importe laquelle des trois équations de puissance.
Puissance nominale maximale
Les résistances sont conçues avec des puissances nominales maximales. C'est la quantité maximale de puissance qui peut être absorbée et dissipée sous forme de chaleur par la résistance sans causer de problèmes. Si cette limite est dépassée, la résistance peut brûler, entraînant la formation d'un court-circuit ou d'un circuit ouvert.
Courts-circuits
Un court-circuit est un chemin de résistance nulle (ou très faible) entre un élément qui fournit de l'énergie, comme une source de tension, et la masse, ou entre deux éléments qui fournissent de l'énergie.
Cela entraînera un courant théoriquement infini, ce qui fera brûler le circuit.
Circuits ouverts
Un circuit ouvert est un chemin interrompu ou qui n'existe pas intentionnellement de sorte qu'aucun courant ne puisse circuler. Cela peut être une bonne ou une mauvaise chose selon ce qui est désiré.
Exemple 1
Une batterie de 9V (représentée par une source de tension et une résistance série) a une résistance interne de 2Ω et est connectée directement à une résistance de 10Ω. Quelle quantité de puissance sera dissipée par la batterie seule ?
Nous pouvons trouver le courant en utilisant la loi d'Ohm comme d'habitude (voir l'article précédent) :
Maintenant, nous pouvons utiliser le courant pour trouver la quantité de puissance dissipée par la batterie.
Remarque : Si vous voulez utiliser V²/R pour trouver la puissance ou I*V, n'utilisez pas 9V comme tension, mais calculez la tension aux bornes de la résistance de 2Ω.
Exemple 2
Une source de courant non idéale est connectée au réseau de résistances ci-dessous. Trouvez la puissance dissipée par la résistance R3. Supposons que toutes les résistances sont de 100Ω.
Ce que nous devons faire, c'est trouver le courant traversant R3. Nous pouvons le faire en simplifiant d'abord le circuit. R3 et R5 sont en série, cela simplifie le circuit en :
Maintenant, en combinant la nouvelle résistance équivalente R7 (200Ω) avec R4 :
Enfin, en additionnant R2, R8 (66,66Ω) et R6 :
R9 est calculé à 266,66Ω. Enfin, ceux-ci sont en parallèle. Cela donne une simple résistance de 72,72Ω.
Le courant de la source 0,1A à travers une résistance de 72,7Ω, en utilisant la loi d'Ohm, donne une tension de 7,27V.
Maintenant, nous devons revenir à notre circuit original.
Si nous trouvons le courant à travers R1 par la loi d'Ohm, alors nous pouvons le soustraire de la source 0,1A en utilisant la loi de Kirchhoff des courants (KCL) et trouver le courant à travers R2.
Maintenant, nous pouvons utiliser la loi d'Ohm et la loi de Kirchhoff des tensions (KVL) pour résoudre Vx et Vz. Pour Vx, nous prenons Vw et soustrayons la chute de tension sur R2 :
Ensuite, pour Vz, nous savons que I2 se rejoint et traverse R6 jusqu'à la masse, nous pouvons donc utiliser à nouveau la loi d'Ohm :
Enfin, nous pouvons résoudre pour I3 en utilisant à nouveau la loi d'Ohm. Voici un diagramme simplifié.
Nous prenons simplement la tension sur LES DEUX résistances R3 et R5 divisée par la valeur de résistance de LES DEUX V3 et V5. C'est plus facile que d'utiliser I3=V3/R3 puisque nous ne connaissons pas V3. Par la KVL, nous savons que V3 + V5 est égal à la différence de potentiel sur les deux résistances.
En assemblant cela :
Enfin, la puissance est :
