Sources de tension

Une source de tension est un élément actif qui fournit une tension spécifiée et constante, complètement indépendante des autres éléments du circuit. Cependant, la tension nominale aux bornes des sources de tension réelles ou pratiques diminue à mesure que le courant de charge qu’elles alimentent augmente.

Nous avons vu tout au long de ce site Tutoriels Électroniques de Base qu’il existe deux types d’éléments au sein d’un circuit électrique ou électronique : éléments passifs et éléments actifs. Un élément actif est capable de fournir continuellement de l’énergie à un circuit, comme une batterie, un générateur, un amplificateur opérationnel, etc. Un élément passif, quant à lui, est un élément physique tel que des résistances, des condensateurs ou des inducteurs, qui ne peuvent pas générer d’énergie électrique par eux-mêmes mais seulement la consomment.

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 aux réseaux qui leur sont connectés. Ceux-ci 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.

Une alimentation électrique ou simplement, “une source”, est un dispositif qui fournit de l’énergie électrique à un circuit sous forme de source de tension ou de source de courant. Les deux types de sources électriques peuvent être classés comme source continue (DC) ou source alternative (AC) où une tension constante est appelée tension DC et celle qui varie sinusoïdalement dans le temps est appelée tension AC. Par exemple, les batteries sont des sources DC et la prise murale de 230V dans votre maison est une source AC.

Nous avons dit plus haut que les sources électriques fournissent de l’énergie, mais une des caractéristiques intéressantes d’une source électrique 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 comme un générateur DC ou un alternateur AC 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, permettant ainsi à celle-ci de circuler dans les deux sens.

Une autre caractéristique importante d’une source électrique, qui définit son fonctionnement, est sa caractéristique I-V. La caractéristique I-V d’une source électrique peut nous donner une description très claire de la source, que ce soit une source de tension ou une source de courant.

Sources Électriques

Les sources électriques, qu’elles soient une source de tension ou 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 peut lui-même être constant ou variable dans le temps.

Lorsqu’on traite des lois des circuits et de l’analyse, les sources électriques sont souvent considérées comme “idéales”, c’est-à-dire que la source est idéale car elle pourrait théoriquement fournir une énergie infinie sans perte, ayant ainsi des caractéristiques représentées par une ligne droite. Cependant, dans les sources réelles ou pratiques, il y a toujours une résistance connectée soit en parallèle pour une source de courant, soit en série pour une source de tension, affectant ainsi sa sortie.

La Source de Tension

Une source de tension, telle qu’une batterie ou un générateur, fournit une différence de potentiel (tension) entre deux points au sein d’un circuit électrique, permettant au courant de circuler autour de celui-ci. Rappelez-vous que la tension peut exister sans courant. Une batterie est la source de tension la plus courante pour un circuit, avec la tension apparaissant entre les bornes positive et négative de la source appelée tension aux bornes.

Source de Tension Idéale

Une source de tension idéale est définie comme un élément actif à deux bornes capable de fournir et de maintenir la même tension, (v) à ses bornes, quel que soit le courant, (i) qui la traverse. En d’autres termes, les sources de tension idéales fourniront une tension constante à tout moment, quel que soit la valeur du courant fourni, produisant une caractéristique I-V représentée par une ligne droite.

Puisqu’une source de tension idéale est connue comme une Source de Tension Indépendante, sa tension ne dépend ni de la valeur du courant traversant la source ni de sa direction, mais est déterminée uniquement par la valeur de la source elle-même. Par exemple, une batterie 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 une direction et absorbant de l’énergie dans l’autre direction lorsqu’elle se charge.

D’un autre côté, une Source de Tension Dépendante ou source de tension contrôlée fournit une tension dont l’amplitude dépend soit de la tension aux bornes d’un autre élément de circuit soit du courant qui le traverse. Une source de tension dépendante est indiquée par une forme de losange et est utilisée comme source électrique équivalente pour de nombreux appareils électroniques, tel que les transistors et les amplificateurs opérationnels.

Connecter les Sources de Tension Ensemble

Les sources de tension idéales peuvent être connectées ensemble en parallèle ou en série de la même manière que pour n’importe quel élément de circuit. Les tensions en série s’additionnent tandis que les tensions en parallèle ont la même valeur. Notez que les sources idéales inégales ne peuvent pas être directement connectées ensemble en parallèle.

Source de Tension en Parallèle

Bien que ce ne soit pas la meilleure pratique pour l’analyse de circuit, les sources de tension idéales peuvent être connectées en parallèle à condition qu’elles aient la même valeur de tension. Dans cet exemple, deux sources de tension de 10 volts sont combinées pour produire 10 volts entre les bornes A et B. Idéalement, il y aurait une seule source de tension de 10 volts entre les bornes A et B.

Ce qui n’est pas permis ou ce qui n’est pas la meilleure pratique, c’est de connecter ensemble des sources de tension idéales ayant des valeurs de tension différentes, comme indiqué, ou d’être court-circuitées par une boucle fermée ou une branche externe.

Mauvaises Connexions de Sources de Tension

Cependant, lorsqu’on traite de l’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 des tensions de Kirchoff, KVL.

Contrairement aux sources connectées en parallèle, des sources de tension idéales de valeurs différentes peuvent être connectées ensemble en série pour former une source de tension unique dont la sortie sera la somme ou la différence algébrique des tensions utilisées. Leur connexion peut être soit : des tensions additionnant en série ou des tensions s’opposant en série comme montré.

Source de Tension en Série

Les sources de tension s’additionnant en série sont des sources de tension connectées en série avec leurs polarités connectées de sorte que la borne positive de l’une est connectée à la borne négative de la suivante permettant au courant de circuler dans la même direction. Dans l’exemple ci-dessus, les deux tensions de 10V et 5V du premier circuit peuvent être additionnées, pour un V_S de 10 + 5 = 15V. Ainsi, la tension entre les bornes A et B est de 15 volts.

Les sources de tension s’opposant en série sont des sources connectées en série qui ont leurs polarités connectées de sorte que les bornes positive ou négative sont reliées comme indiqué dans le second circuit ci-dessus. Le résultat net est que les tensions sont soustraites les unes des autres. Ainsi, les deux tensions de 10V et 5V du second circuit sont soustraites avec la plus petite tension soustraite de la plus grande tension. Ce qui donne un V_S de 10 – 5 = 5V.

La polarité entre les 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, représentant +5 volts. Si les tensions s’opposant en série sont égales, la tension nette aux bornes A et B sera de zéro car une tension compense l’autre. De plus, tous les courants (I) seront également nuls, car sans aucune tension, aucun courant ne peut circuler.

Exemple de Source de Tension n°1

Deux sources de tension idéales 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, V_S, le courant de charge à travers la résistance, I_R et la puissance totale, P dissipée par la résistance. Dessinez le circuit.

Ainsi, V_S = 15V, I_R = 150mA ou 0.15A, et P_R = 2.25W.

Source de Tension Pratique

Nous avons vu que les sources de tension idéales peuvent fournir une alimentation en tension qui est indépendante du courant qui la traverse, c’est-à-dire, elle maintient 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 les sources de tension pratiques, sa tension aux bornes diminuera effectivement avec l’augmentation du courant de charge.

Comme la tension aux bornes d’une source de tension idéale ne varie pas avec l’augmentation du courant de charge, cela implique qu’une source de tension idéale a une résistance interne nulle, R_S = 0. En d’autres termes, c’est une source de tension sans résistance. En réalité, toutes les sources de tension ont une résistance interne très faible qui réduit leur tension aux bornes à mesure qu’elles fournissent des courants de charge plus élevés.

Pour des sources de tension non idéales ou pratiques telles que les batteries, leur résistance interne (R_S) produit le même effet qu’une résistance connectée en série avec une source de tension idéale, car ces deux éléments connectés en série portent le même courant comme montré.

Source de Tension Idéale et Pratique

Vous avez peut-être remarqué que les sources de tension pratiques ressemblent de près à un circuit équivalent de Thévenin, car le théorème de Thévenin affirme que “tout réseau linéaire contenant des résistances et des sources d’efm et de courant peut être remplacé par une seule source de tension, V_S en série avec une seule résistance, R_S“. Notez que si la résistance de source en série est faible, la source de tension est idéale. Lorsque la résistance de 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, R_S, quelle que soit sa petitesse, a un effet sur la caractéristique I-V de la source, car la tension aux bornes diminue avec l’augmentation du courant de charge. Cela est dû au fait que le même courant de charge traverse R_S.

La loi d’Ohm nous dit que lorsqu’un courant, (i) circule à travers une résistance, une chute de tension est produite à travers cette même résistance. La valeur de cette chute de tension est donnée par i*R_S. Ainsi V_OUT sera égal à la source de tension idéale, V_S moins la chute de tension i*R_S à travers la résistance. Rappelez-vous que dans le cas d’une source de tension idéale, R_S est égal à zéro car il n’y a pas de résistance interne, donc la tension aux bornes est la même que V_S.

Ensuite, la somme des tensions dans la boucle, donnée par la loi des tensions de Kirchoff, KVL est : V_OUT = V_S – i*R_S. Cette équation peut être tracée pour fournir les caractéristiques I-V de la tension de sortie réelle. Elle donnera une ligne droite avec une pente –R_S qui croise l’axe vertical des tensions au même point que V_S lorsque le courant i = 0 comme montré.

Caractéristiques de la Source de Tension Pratique

Par conséquent, toutes les sources de tension idéales auront une caractéristique I-V en ligne droite, mais les sources de tension non idéales ou réelles n’en auront pas mais auront plutôt une caractéristique I-V légèrement inclinée vers le bas d’une valeur égale à i*R_S où R_S est la résistance interne de la source (ou impédance). Les caractéristiques I-V d’une vraie batterie fournissent une très bonne approximation d’une source de tension idéale puisque la résistance de source R_S est généralement très faible.

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 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 aucune charge, c’est-à-dire lorsque I_L = 0, (un circuit ouvert) et pleine charge, c’est-à-dire lorsque I_L est à son maximum, (un court-circuit).

Exemple de Source de Tension n°2

Une alimentation par batterie consiste en une source de tension idéale en série avec une résistance interne. La tension et le courant mesurés aux bornes de la batterie ont été trouvés à être V_OUT1 = 130V à 10A, et V_OUT2 = 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.

Tout d’abord, définissons sous une simple forme “équations simultanées“, les deux tensions et courants de sortie de l’alimentation de batterie donnés comme : V_OUT1 et V_OUT2.

Comme nous avons les tensions et courants sous forme d’équations simultanées, pour trouver V_S, nous allons d’abord multiplier V_OUT1 par cinq (5) et V_OUT2 par deux (2) comme montré, pour rendre la valeur des deux courants (i) identiques pour les deux équations.

Avoir fait les coefficients pour R_S identiques en multipliant également par les constantes précédentes, nous multiplions maintenant la seconde équation V_OUT2 par moins un, (-1) pour permettre la soustraction des deux équations afin que nous puissions résoudre pour V_S comme montré.

Sachant que la source de tension idéale, V_S, est égale à 150 volts, nous pouvons utiliser cette valeur pour l’équation V_OUT1 (ou V_OUT2 si désiré) et résoudre pour trouver la résistance en série, R_S.

Alors, pour notre exemple simple, la source de tension interne des batteries est calculée comme suit : V_S = 150 volts, et sa résistance interne comme suit : R_S = 2Ω. Les caractéristiques I-V de la batterie sont données comme suit :

Caractéristiques I-V de la Batterie

Source de Tension Dépendante

Contrairement aux sources de tension idéales qui produisent une tension constante à travers leurs bornes peu importe ce qui leur est connecté, une source de tension contrôlée ou dépendante modifie sa tension aux bornes en fonction de la tension aux bornes d’un autre élément connecté au circuit, et en tant que tel, il est parfois difficile de spécifier la valeur d’une source de tension dépendante, à moins que vous ne connaissiez la valeur réelle de la tension ou du courant sur lequel elle dépend.

Les sources de tension dépendantes se comportent de manière similaire aux sources électriques que nous avons examinées jusqu’à présent, tant pratiques qu’idéales (indépendantes), la différence cette fois étant que les sources de tension dépendantes peuvent être contrôlées par un courant ou une tension d’entrée. Une source de tension qui dépend d’une entrée de tension est généralement désignée sous le nom de Source de Tension Contrôlée par Tension ou VCVS. Une source de tension qui dépend d’une entrée de courant est également appelée Source de Tension Contrôlée par Courant ou CCVS.

Des sources dépendantes idéales sont couramment utilisées pour analyser les caractéristiques d’entrée/sortie ou le gain d’éléments de circuit tels que les amplificateurs opérationnels, les transistors et les circuits intégrés. En général, une source de tension dépendante idéale, contrôlée par tension ou courant, est désignée par un symbole en forme de losange comme montré.

Symboles des Sources de Tension Dépendantes

Les sources de tension contrôlées par tension idéales (VCVS) maintiennent une tension de sortie égale à un certain constant multiplicatif (en gros un facteur d’amplification) multiplié par la tension de contrôle présente ailleurs dans le circuit. Comme le constant multiplicatif est, eh bien, un constant, la tension de contrôle, V_IN déterminera l’amplitude de la tension de sortie, V_OUT. 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, de plusieurs manières, un transformateur idéal peut être considéré comme un dispositif VCVS avec le facteur d’amplification étant son rapport de transformateur.

La tension de sortie V_OUT est déterminée par l’équation suivante : V_OUT = μV_IN. Notez que le constant multiplicatif μ est sans dimension car il s’agit purement d’un facteur d’échelle parce que μ = V_OUT/V_IN, donc ses unités seront volts/volts.

Une source de tension dépendante contrôlée par courant idéale (CCVS) maintient une tension de sortie égale à un certain constant multiplicatif (rho) multiplié par un courant d’entrée de contrôle généré ailleurs dans le circuit connecté. Alors, la tension de sortie “dépend” de la valeur du courant d’entrée, rendant encore une fois cela une source de tension dépendante.

Comme un courant de contrôle, I_IN détermine l’amplitude de la tension de sortie, V_OUT multipliée par le constant d’amplification ρ (rho), cela nous permet de modéliser les sources de tension contrôlées par courant comme un amplificateur de transimpédance, car le constant multiplicatif, ρ nous donne l’équation suivante : V_OUT = ρI_IN. Ce constant multiplicatif ρ (rho) a les unités de Ohm car ρ = V_OUT/I_IN, et ses unités seront donc volts/amperes.

Résumé de la Source de Tension

Nous avons vu ici que les Sources de Tension peuvent être soit des sources de tension idéales indépendantes, soit des sources de tension dépendantes contrôlées. Les sources de tension indépendantes fournissent une tension constante qui ne dépend d’aucune autre quantité dans le circuit. Les sources idéales indépendantes peuvent être des batteries, des générateurs DC ou des alimentations en tension AC variables dans le temps provenant d’alternateurs.

Les sources de tension indépendantes peuvent être modélisées soit comme une source idéale (R_S = 0), où la sortie est constante pour tous les courants de charge. Ou 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 peuvent être connectées ensemble en parallèle uniquement si elles ont la même valeur de tension. Les connexions additionnant ou s’opposant en série affecteront la valeur de sortie.

Aussi, pour résoudre l’analyse de circuit et des 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 à la fois de délivrer ou d’absorber de l’énergie.

Les sources de tension dépendantes idéales, représentées par un symbole en forme de losange, dépendent de et proportionnelles à une tension ou un courant de contrôle externe. Le constant multiplicatif, μ pour un VCVS n’a pas d’unités, tandis que le constant multiplicatif ρ pour un CCVS a les unités des Ohms. Une source de tension dépendante est d’un grand intérêt pour modéliser des appareils électroniques ou des dispositifs actifs tels que des amplificateurs opérationnels et des transistors ayant un gain.

Dans le prochain tutoriel sur les sources électriques, nous examinerons le complément de la source de tension, c’est-à-dire la source de courant et verrons que les sources de courant peuvent également être classées comme dépendantes ou indépendantes.