Filtre inconnu

(d'après CCINP)

\(D_1\) et \(D_2\) sont deux dipôles constitués au total d’une résistance R, d’une bobine d’inductance L et d’un condensateur de capacité C.
Ces derniers peuvent être placés en série ou en parallèle. On chercher à déterminer chacun des deux dipôles, la sortie étant ouverte dans tout l’exercice. On impose en entrée une tension continue de 12 V.
Un ampéremètre placé dans la boucle indique \(i = 12 \si{mA}\).

Filtre
  1. En déduire les configurations possibles.

  2. Pour chacune des configurations possibles, donner le comportement en basse fréquence et en haute fréquence et identifier le type de filtre.

  3. Expérimentalement, le type de filtre est un passe-bande de fréquence centrale \(f_0 = 1 \si{kHz}\) et de largeur de bande passante \(\Delta f = 100 \si{Hz}\).
    Identifier complètement le montage et déterminer les valeurs de R, L et C.

Prérequis :

  • Comportement d'un condensateur vis à vis d'un courant continu.
  • Relation bande passante / facteur de qualité pour un filtre passe-bande d'ordre 2.
  • Pulsation propre d'un circuit LC.

Savoir-faire :

  • Etude asymptotique (i.e. en basse fréquence et en haute fréquence) d'un circuit, à l'aide de deux schémas.
  1. Associations possibles
  2. Bien décoder l'énoncé : les dipôles sont constitués au plus de 2 dipôles (en série ou en parallèle) et il n'y a, en tout, qu'une seule résistance, un seul condensateur et une seule bobine (circuit composé de 3 dipôles).

    Lorsque le générateur continu est branché, un courant circule. Ceci implique que le condensateur est nécessairement associé à un autre dipôle en parallèle car un condensateur bloque le courant continu en régime permanent.
    Il reste donc 4 possibilités :
    - \(D_1\) = R et \(D_2\) = L//C (filtre n°1)
    - \(D_1\) = L//C et \(D_2\) = R (filtre n°2)
    - \(D_1\) = L et \(D_2\) = R//C (filtre n°3)
    - \(D_1\) = R//C et \(D_2\) = L (filtre n°4)



  3. Etude asymptotique
  4. Il est indispensable de faire 8 schémas équivalents (2 par circuit : en basse puis en haute fréquence) en indiquant sur le schéma la tension d'entrée et la valeur de la tension de sortie (soit \(0\) soit \(e(t)\) dans ces cas simples).
    La conclusion sur la nature du filtre est déduite des deux valeurs de la tension de sortie en BF et en HF.
    Les phrases "ça passe" ou "ça ne passe pas" prêtent à confusion : seul un courant "passe" (circule) or on raisonne sur une tension !
    Filtre n°1 : passe bande
    Filtre n°2 : coupe bande (réjecteur)
    Filtre n°3 : passe bas
    Filtre n°4 : passe haut



  5. Le test avec le générateur continu permet de trouver R : R = 1 kΩ.
    Savoir

    • Relation bande passante / facteur de qualité : \(Q=\displaystyle\frac{f_0}{\Delta f}\)
      Plus le circuit oscille naturellement (Q "grand"), plus la résonance est aigüe (pic étroit).
    • Pulsation propre d'un circuit (R)LC (série ou dérivation) : \(\omega_0=\displaystyle\frac{1}{\sqrt{LC}}\).
    On déduit Q des données : Q = 10.
    On a donc deux équations (via Q et \(f_0\)) et deux inconnues (L et C).
    On trouve L = 16 mH et C = 1,6 µF.