Chute de tension: Définition, formule et exemples

Publié le 17 janvier, 2024

Qu’est-ce que la chute de tension?

La chute de tension résulte de charges accumulées à une extrémité d’un conducteur électrique ou d’un appareil en raison de sa résistance. La résistance de l’appareil ralentit les mouvements des charges à travers l’appareil, entraînant un changement de tension entre ses deux points. Par exemple, si un appareil électrique a une tension de 20 volts au point A (là où les charges entrent dans l’appareil), mais a une tension de 16 volts au point B (où les charges sortent de l’appareil), alors la tension chute de 20 volts. à 16 volts. Dans cet exemple, il y a eu une chute de tension de 4 volts.

Pour comprendre ce qu’est la chute de tension, il faut se rappeler que tout conducteur électrique a une résistance. Un élément électrique provoque une différence dans le nombre de charges des deux côtés en résistant au courant électrique, ce qui entraîne une chute de tension. La résistance de l’élément doit être augmentée pour obtenir une chute de tension plus élevée.

Tout circuit électrique comporte des fils électriques. La résistance du fil (R) dépend de sa longueur (L), de sa section transversale (A) et de la constante de résistivité ({eq}\rho {/eq}) du matériau du fil donnée par la formule {eq}R= \rho \frac {L}{A} {/eq}. La résistance du fil est directement proportionnelle à sa longueur, mais inversement proportionnelle à sa section transversale. La section transversale du fil est reliée à son diamètre, appelé calibre du fil. Les fils plus épais (numéros de calibre inférieurs) ont des sections transversales plus grandes, ce qui entraîne une résistance plus faible. Les fils plus fins (numéros de calibre plus élevés) ont des sections transversales plus petites, ce qui conduit à une résistance plus élevée. Le fil très fin de calibre 40 présente une résistance importante par rapport au fil épais de calibre 1 ; par conséquent, la chute de tension aux bornes du fil de calibre 40 est plus importante que celle aux bornes du fil de calibre 1. Un électricien choisirait des calibres de fil plus élevés si le circuit nécessitait des chutes de tension plus élevées.

Chute de tension dans un circuit

Considérons un circuit de chute de tension composé d’une ampoule, d’une résistance et d’une batterie connectées en série. L’alimentation (batterie) fournit un courant électrique qui reste le même en tout point du circuit. Cependant, le courant électrique qui traverse une extrémité (A) de l’ampoule fait face à sa résistance interne avant de sortir par l’autre extrémité (B) de l’ampoule, ce qui crée une modification du nombre de charges entre les deux extrémités (A) et ( B). La chute de tension aux bornes de l’ampoule est la différence du nombre de charges entre ses deux extrémités. Il y a deux chutes de tension dans ce circuit : la première se situe aux bornes de l’ampoule et la seconde est la résistance.

Lorsque les électriciens conçoivent le système de câblage électrique d’une maison ou d’un bâtiment, ils doivent calculer la chute de tension. Les électriciens créent des circuits électriques pour garantir que l’alimentation est prête à n’importe quelle prise et boîtier de commutation dans chaque pièce. Tout appareil connecté dans la maison, tel qu’un réfrigérateur ou une unité CVC, est conçu pour consommer de l’énergie pour fonctionner correctement avec une alimentation en tension relativement constante. En d’autres termes, lorsque le moteur du réfrigérateur démarre, la tension dans le circuit de la maison chute, mais l’alimentation continue compense instantanément.

Imaginez maintenant une panne de courant dans 5 000 maisons équipées de 5 000 unités CVC, 5 000 réfrigérateurs et de nombreux autres appareils et appareils électriques qui démarreront en même temps lorsque le courant reviendra. L’alimentation électrique peut ne pas être en mesure de compenser simultanément la forte demande, ce qui entraînera une chute de tension dans chaque maison.

Lorsqu’un appareil, tel qu’une unité CVC, est conçu pour consommer une certaine quantité d’énergie par heure, il doit recevoir cette énergie de la source d’alimentation ; sinon, il y aura un dysfonctionnement. Lorsque la tension chute trop bas dans un appareil équipé d’un moteur électrique, celui-ci aura du mal à démarrer, ce qui entraînera un circuit brûlé ou frit dans le circuit imprimé de l’appareil.

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La formule de chute de tension

La définition de la chute de tension indique qu’il existe une différence de charges entre deux points. Il existe trois formules de chute de tension couramment utilisées pour calculer la chute de tension :

  • {eq}V= \frac {P}{I} {/eq} donne la chute de tension aux bornes d’un composant du circuit où la puissance (P) mesurée en joules « J » et le courant électrique (I) mesuré en ampères « A ».
  • {eq}V=R*I {/eq} (également appelé loi d’Ohm) donne la chute de tension aux bornes d’un élément électrique où la résistance (R) est mesurée en ohm « {eq}\Omega {/eq} » et le courant ( I) est mesuré en ampères « A ». La loi d’Ohm fait également partie des équations constitutives, où elles expriment la physique du composant.
  • {eq}V=V_{A}-V_{B} {/eq} donne la chute de tension lorsque les tensions en deux points A et B sont connues.
Relations P, V et I
Relations V, R et I

Comment déterminer la chute de tension

Il faut savoir comment déterminer la chute de tension sur une prise ou une prise électrique avant de connecter un appareil électrique. Lors de l’installation de prises électriques dans une maison, les électriciens recherchent deux informations : l’ampleur de la chute de tension provoquée par l’appareil et la prise la plus appropriée pour le travail.

Pour répondre au premier souci concernant la chute de tension causée par l’appareil, l’électricien doit consulter le manuel de l’appareil. Le fabricant fournit des informations sur la chute de tension provoquée par un appareil en utilisant la formule V=R*I. Les circuits imprimés de l’appareil ont une résistance interne totale (R) et la chute de tension totale est calculée en multipliant (R) par le courant électrique fourni (I). Connaître la chute de tension provoquée par un appareil une fois connecté à l’alimentation électrique aide à sélectionner la prise appropriée pour l’installation.

Pour choisir la prise appropriée à brancher pour un réfrigérateur, par exemple, une prise électrique spécifique et une configuration de câblage sont généralement placées dans la cuisine pour tester l’alimentation. Les électriciens conçoivent et installent le câblage d’une maison d’habitation conformément aux codes électriques. Cela garantit que chaque prise, comme le réfrigérateur, et chaque interrupteur de la maison peuvent tolérer une certaine chute de tension avant de surchauffer ou de provoquer de graves problèmes, comme un incendie.

Les électriciens utilisent la formule : {eq}R=\rho \frac {L}{A} {/eq} à l’aide du tableau AWG et d’un code de câblage électrique pour décider de la longueur, de l’épaisseur et du matériau du fil à utiliser. alimenter une gamme de chutes de tension possibles. Ils utilisent également les formules : V=R*I et P=V*I pour calculer la chute de tension et la consommation électrique de chaque prise et interrupteur de la maison. La chute de tension totale dans la maison est égale à la consommation d’électricité fournie par la compagnie d’électricité de la région.

Pour calculer la chute de tension, utilisez V=R*I ou P=V*I selon les informations disponibles.

Mesurer la chute de tension avec un voltmètre

Un voltmètre est un appareil utilisé pour mesurer la chute de tension entre deux points d’un circuit fermé. Selon la définition de la chute de tension, le voltmètre doit être connecté, en parallèle, à l’élément électrique pour obtenir la lecture correcte de la chute de tension entre deux points. La forme la plus simple d’un voltmètre est constituée d’un mécanisme de compteur qui utilise des résistances et des bobines connectées à un pointeur qui lit la chute de tension à l’aide d’une échelle. Les voltmètres les plus récents utilisent des analogues numériques pour lire la chute de tension. Tous les voltmètres doivent avoir des résistances élevées pour empêcher le courant électrique de les traverser lorsqu’ils sont connectés en parallèle et seront donc capables de lire la chute de tension.

Voltmètre
Voltmètre connecté en parallèle

Utilisation de l’équation de chute de tension

Kirchhoff a proposé deux lois de circuit pour aider à calculer la chute de tension dans une boucle de circuit et le courant électrique à une jonction de fil dans un circuit fermé si les courants sont inconnus :


  • Loi de tension de Kirchhoff (KVL) : dérivée de la conservation de l’énergie pour une charge se déplaçant en boucle fermée. Il indique que la somme des chutes de tension autour de toute boucle fermée dans un circuit est nulle.
  • Loi du courant de Kirchhoff (KCL): dérivée du principe de conservation de charge appliqué à une jonction. Il indique que la somme des courants qui entrent et sortent de toute jonction de fils est nulle.
Convention de boucle de Kirchhoff

Par exemple, dans un circuit électrique en série fermée qui tourne dans le sens des aiguilles d’une montre, une alimentation (V) et deux résistances (R1) et (R2), l’équation KVL ou chute de tension donne : {eq}V+V_{R_1}+V_{ R_2}=0 {/éq}. Si {eq}V=12 {/eq} v et {eq}V_{R_1}=5 {/eq} v. Alors la chute de tension aux bornes de la résistance (R2) est facilement calculée : {eq}V_{R_2} =12 -5=7 {/eq} v. Cet exemple démontre la conservation d’énergie pour une charge se déplaçant en boucle fermée. La tension totale de 12 volts est distribuée dans le circuit, car la somme totale de toutes les chutes de tension dans la boucle fermée est égale à la tension de l’alimentation ; par conséquent, l’énergie est conservée.

Les deux lois de Kirchhoff et les équations constitutives (telles que la loi d’Ohm) des composants du circuit donnent une solution unique aux chutes de tension et aux flux de courant inconnus dans un circuit électrique.

Résumé de la leçon

Une chute de tension se produit en raison de la résistance interne de chaque appareil électrique. Les équations constitutives, comme la loi d’Ohm, expriment la physique du composant. Pour calculer la chute de tension, utilisez l’une des trois formules :

  • {eq}V= \frac {P}{I} {/eq} La puissance électrique pour un courant donné donne la chute de tension pour un composant.
  • {eq}V=R*I {/eq} Loi d’Ohm.
  • {eq}V=V_{A}-V_{B} {/eq} La chute de tension entre deux points lorsque leurs tensions sont connues.

Il existe deux lois de Kirchhoff : la loi du courant de Kirchhoff (KCL) et la loi de la tension de Kirchhoff (KVL).

La loi du courant de Kirchhoff (KCL) stipule que la somme des courants qui entrent et sortent de toute jonction de fils est nulle.

La loi de tension de Kirchhoff (KVL) stipule que la somme des chutes de tension autour de toute boucle fermée dans un circuit est nulle.

Dans un circuit électrique, les lois de Kirchhoff, ainsi que les équations constitutives, donnent une solution unique aux chutes de tension et aux flux de courant inconnus.


Transcription vidéo

Qu’est-ce que la chute de tension?

La plupart d’entre nous comprennent que l’eau située à haute altitude peut être utilisée pour effectuer des travaux. Par exemple, l’eau au-dessus d’un barrage est à une altitude plus élevée que l’eau en dessous du barrage, et cette eau peut être utilisée pour faire tourner des générateurs électriques à mesure qu’elle descend grâce au changement d’altitude.

L’eau au-dessus du barrage a une énergie potentielle plus grande que l’eau en dessous du barrage, et elle libère cette énergie à d’autres fins en descendant. La quantité d’énergie fournie par chaque morceau d’eau est précisément proportionnelle au changement d’altitude que subit ce morceau d’eau.

La « chute de tension » fait référence à un processus similaire qui se produit dans les circuits électriques. Dans les circuits, l’eau qui coule est remplacée par une charge électrique qui circule, également appelée courant, et le changement d’altitude est remplacé par une chute de tension.

Chaque point d’un circuit peut se voir attribuer une tension proportionnelle à son « élévation électrique », pour ainsi dire. La chute de tension est simplement la différence arithmétique entre une tension supérieure et une tension inférieure. La quantité de puissance (énergie par seconde) délivrée à un composant dans un circuit est égale à la chute de tension aux bornes de ce composant multipliée par le courant traversant le composant :

P = V × je

Ici, V est la chute de tension en volts, I est le flux de courant en ampères et P est la puissance en watts.

Évidemment, si V ou I est nul, aucune puissance ou énergie n’est fournie à ce composant, il ne peut donc remplir aucun objectif utile. Ainsi, la chute de tension (ainsi que le flux de courant) est une caractéristique vitale de tous les circuits électriques et est planifiée et contrôlée très soigneusement par les ingénieurs qui conçoivent ces circuits.

Calcul de la chute de tension

Une façon de déterminer la chute de tension aux bornes d’un composant du circuit consiste à construire le circuit et à mesurer la chute à l’aide d’un outil appelé voltmètre. Les voltmètres sont conçus pour perturber le moins possible le fonctionnement du circuit auquel ils sont connectés. Ils y parviennent en minimisant le courant qui traverse le voltmètre à la valeur la plus petite possible (c’est-à-dire qu’ils tirent le moins d’énergie possible du circuit).

Si c’était le seul moyen de déterminer les chutes de tension, la conception des circuits serait un processus d’essais et d’erreurs. Heureusement, les ingénieurs peuvent écrire des équations basées sur les composants qui forment le circuit et la manière dont ils sont connectés.

KVL et KCL

La solution de ces équations permet de connaître toutes les chutes de tension et tous les flux de courant dans le circuit. Les ingénieurs peuvent ensuite ajuster les différentes valeurs des composants pour obtenir un circuit final qui remplit son objectif de manière optimale (bruit le plus faible, vitesse la plus rapide, consommation d’énergie totale la plus faible, etc.)

Les équations exprimant la connectivité d’un circuit sont basées soit sur :

  • La loi de tension de Kirchhoff (KVL), qui stipule que la somme des chutes de tension autour de tout chemin fermé dans un circuit est nulle. Les équations KVL sont des expressions de conservation d’énergie.
  • La loi actuelle de Kirchhoff (KCL), qui stipule que le courant total entrant ou sortant de toute jonction de fils dans le circuit est nul. Les équations KCL sont des expressions de conservation de charge.

Les équations KVL et KCL peuvent être écrites pour un circuit sans tenir compte de la nature des composants réels du circuit: tout ce qui compte est le modèle de leurs interconnexions (également appelé topologie du circuit). Mais KVL et KCL ne suffisent pas à eux seuls et génèrent à eux seuls un système d’équations contenant plus de valeurs inconnues qu’il n’y a d’équations. Un système aussi sous-spécifié n’a pas de solution unique.

Équations constitutives

Pour résoudre ce problème, les ingénieurs incluent également l’équation constitutive de chaque composant du circuit. Les équations constitutives expriment la physique des composants eux-mêmes (sans tenir compte de la manière dont ils sont interconnectés) et varient selon le type de composant.

Par exemple, l’équation constitutive d’une résistance (V = I × R, connue sous le nom de loi d’Ohm) est entièrement différente de celle d’une inductance ou d’un condensateur. L’inclusion des équations KVL et KCL, ainsi que de toutes les équations constitutives, aboutit toujours à un système d’équations ayant une solution unique.

Parfois, lorsque des composants non linéaires tels que des transistors ou des diodes sont inclus dans le circuit, il est nécessaire d’utiliser un ordinateur pour résoudre les équations numériquement, mais cela fait partie intégrante de l’ingénierie électrique moderne. Des logiciels informatiques spécialisés à cet effet sont facilement disponibles, à la fois dans le commerce et auprès de la communauté open source.

Comprenez qu’aucun composant d’un circuit ne « connaît » les autres composants en soi. Le comportement de chaque composant est entièrement défini par la chute de tension à ses bornes et par le courant entrant et sortant de ses bornes. Si la chute de tension ou les flux de courant sont connus (peut-être en fonction du temps), l’autre peut être calculé à l’aide de l’équation constitutive du composant. Le comportement collectif des composants est imposé par les équations KVL et KCL.

Résumé de la leçon

La chute de tension quantifie la quantité d’énergie électrique qu’un composant reçoit lorsque le courant le traverse. L’équation est la suivante : puissance = tension × débit, ou P = V × I. Tous les composants d’un circuit doivent participer aux transferts de puissance afin de contribuer à la fonctionnalité du circuit.

La chute de tension peut être mesurée avec un voltmètre, qui minimise les perturbations dans le fonctionnement du circuit, ou en résolvant une combinaison d’équations KVL et KCL et d’équations constitutives des composants.

  • La loi de tension de Kirchhoff (KVL) est que la somme des chutes de tension autour de tout chemin fermé dans un circuit est nulle.
  • La loi du courant de Kirchhoff (KCL) stipule que le flux de courant total entrant ou sortant de toute jonction de fils dans le circuit est nul.

Les équations constitutives expriment la physique des composants eux-mêmes (sans tenir compte de la façon dont ils sont interconnectés) et varient selon le type de composant. Dans certains cas, un ordinateur doit être utilisé pour obtenir la solution.

En sélectionnant une topologie de circuit appropriée (modèle d’interconnexions du circuit) et des valeurs appropriées pour les différents composants, les ingénieurs peuvent concevoir des circuits qui fonctionnent de manière utile.

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