Si vous incluez un condensateur dans un circuit CC (idéal - sans pertes), alors pendant une courte période après la mise sous tension, un courant de charge circulera dans le circuit. Une fois le condensateur chargé à une tension correspondant à la tension source, le courant à court terme dans le circuit s'arrêtera. Ainsi, pour le courant continu, un condensateur représente un circuit ouvert ou une résistance infiniment grande.

Si un condensateur est connecté à un circuit à courant alternatif, il sera chargé alternativement dans un sens puis dans l’autre.

Dans ce cas, un courant alternatif traversera le circuit. Considérons ce phénomène plus en détail.

Au moment de la mise sous tension, la tension aux bornes du condensateur est nulle. Si vous connectez le condensateur à la tension alternative du secteur, alors pendant le premier quart de la période, lorsque la tension du secteur augmente (Figure 1), le condensateur se chargera.

Figure 1. Graphiques et diagramme de phaseur pour un circuit alternatif contenant une capacité

À mesure que les charges s’accumulent sur les plaques du condensateur, la tension du condensateur augmente. Lorsque la tension du réseau atteint son maximum à la fin du premier quart de la période, les charges des condensateurs s'arrêtent et le courant dans le circuit devient nul.

Le courant dans le circuit du condensateur peut être déterminé par la formule :

Où q- la quantité d'électricité circulant dans le circuit.

De l'électrostatique, on sait :

q = C × tu C = C × toi ,

Où C- capacité du condensateur ; toi- tension secteur ; tu C- tension sur les plaques du condensateur.

Finalement, pour le courant nous avons :

D'après la dernière expression, il ressort clairement que lorsque le maximum (position UN, V, d), jeégalement maximale. Quand (dispositions b, g dans la figure 1), alors je est également nul.

Au deuxième trimestre de la période, la tension du réseau diminuera et le condensateur commencera à se décharger. Le courant dans le circuit inverse sa direction. Dans la moitié suivante de la période, la tension du réseau change de direction et le condensateur est rechargé puis déchargé à nouveau. De la figure 1, on peut voir que le courant dans le circuit avec la capacité dans ses changements est en avance de 90° sur la tension sur les plaques du condensateur en phase.

En comparant les diagrammes vectoriels de circuits avec inductance et capacité, nous voyons que l'inductance et la capacité ont l'effet exactement opposé sur la phase du courant.

Puisque nous avons noté ci-dessus que le taux de variation du courant est proportionnel à la fréquence angulaire ω, d'après la formule

on obtient de la même manière que le taux de variation de tension est également proportionnel à la pulsation ω et pour la valeur efficace du courant on a

je= 2 × π × F × C × U .

Désignation , Où xC appelé capacitance, ou capacité réactance. Nous avons donc obtenu la formule de la capacité lors de la mise sous tension d'une capacité dans un circuit à courant alternatif. A partir de là, sur la base de l'expression de la loi d'Ohm, nous pouvons obtenir le courant pour un circuit à courant alternatif contenant une capacité :

Tension sur les plaques de condensateur

UC = Je C × xC .

La partie de la tension du réseau présente sur le condensateur est appelée chute de tension capacitive, ou composante de tension réactive, et est noté UC.

Capacitance xC, identique à la réactance inductive XL, dépend de la fréquence du courant alternatif.

Mais si avec une fréquence croissante, la réactance inductive augmente, alors la réactance capacitive, au contraire, diminuera.

Exemple 1. Déterminez la réactance capacitive d’un condensateur de 5 µF à différentes fréquences de tension secteur. Nous calculerons la capacité à une fréquence de 50 et 40 Hz :

à une fréquence de 50 Hz :

à une fréquence de 400 Hz :

Appliquons la formule de puissance moyenne ou active pour le circuit en question :

P. = U × je×cos φ .

Puisque dans un circuit avec une capacité, le courant est en avance sur la tension de 90°, alors

φ = 90° ; parce que φ = 0 .

Par conséquent, la puissance active est également nulle, c'est-à-dire que dans un circuit tel que dans un circuit à inductance, il n'y a pas de consommation d'énergie.

La figure 2 montre la courbe de puissance instantanée dans un circuit avec une capacité. Il ressort du dessin qu'au cours du premier quart de la période, un circuit avec un condensateur prélève de l'énergie sur le réseau, qui est stockée dans le champ électrique du condensateur.

Figure 2. Courbe de puissance instantanée dans un circuit avec capacité

L'énergie stockée par le condensateur au moment où la tension à ses bornes passe par le maximum peut être déterminée par la formule :

Au cours du quart suivant de la période, le condensateur est déchargé vers le réseau, lui redonnant l'énergie précédemment stockée.

Durant la seconde moitié de la période, le phénomène de fluctuations énergétiques se répète. Ainsi, dans un circuit avec condensateur, seule l'énergie est échangée entre le réseau et le condensateur sans pertes.

Dans lequel un alternateur produit une tension sinusoïdale. Regardons ce qui se passe dans le circuit lorsque l'on ferme la clé. Nous considérerons le moment initial où la tension du générateur est nulle.

Au cours du premier quart de la période, la tension aux bornes du générateur augmentera à partir de zéro et le condensateur commencera à se charger. Un courant apparaîtra dans le circuit, mais au premier moment de charge du condensateur, malgré le fait que la tension sur ses plaques vient d'apparaître et est encore très faible, le courant dans le circuit (courant de charge) sera le plus important. À mesure que la charge du condensateur augmente, le courant dans le circuit diminue et atteint zéro au moment où le condensateur est complètement chargé. Dans ce cas, la tension sur les plaques du condensateur, suivant strictement la tension du générateur, devient à ce moment maximale, mais de signe opposé, c'est-à-dire dirigée vers la tension du générateur.

Riz. 1. Changement de courant et de tension dans un circuit avec capacité

Ainsi, le courant se précipite avec la plus grande force dans le condensateur sans charge, mais commence immédiatement à diminuer à mesure que les plaques du condensateur se remplissent de charges et tombe à zéro, le chargeant complètement.

Comparons ce phénomène avec ce qui se passe avec l'écoulement de l'eau dans une canalisation reliant deux vases communicants (Fig. 2), dont l'un est rempli et l'autre vide. Il suffit de retirer la vanne bloquant le passage de l'eau, et l'eau s'écoulera immédiatement du récipient gauche sous haute pression à travers le tuyau vers le récipient droit vide. Cependant, immédiatement, la pression de l'eau dans la conduite commencera à faiblir progressivement, en raison du nivellement des niveaux dans les cuves, et tombera à zéro. Le débit d’eau s’arrêtera.

Riz. 2. Le changement de pression de l'eau dans le tuyau reliant les vases communicants est similaire au changement de courant dans le circuit pendant la charge du condensateur

De même, le courant circule d’abord dans un condensateur non chargé, puis s’affaiblit progressivement à mesure qu’il se charge.

Au début du deuxième quart de la période, lorsque la tension du générateur commence d'abord lentement, puis diminue de plus en plus vite, le condensateur chargé sera déchargé vers le générateur, ce qui provoquera un courant de décharge dans le circuit. À mesure que la tension du générateur diminue, le condensateur se décharge de plus en plus et le courant de décharge dans le circuit augmente. Le sens du courant de décharge au cours de ce quart de la période est opposé au sens du courant de charge au cours du premier quart de la période. En conséquence, la courbe actuelle, ayant dépassé la valeur zéro, se situe désormais en dessous de l'axe du temps.

À la fin du premier demi-cycle, la tension sur le générateur ainsi que sur le condensateur se rapproche rapidement de zéro et le courant dans le circuit atteint lentement sa valeur maximale. En rappelant que l'intensité du courant dans le circuit est d'autant plus grande que la quantité de charge transférée le long du circuit est grande, il deviendra clair pourquoi le courant atteint son maximum lorsque la tension sur les plaques du condensateur, et donc la charge du condensateur, diminue rapidement.

Au début du troisième quart de la période, le condensateur recommence à se charger, mais la polarité de ses plaques, ainsi que la polarité du générateur, changent à l'opposé et le courant continue de circuler dans le même sens. , commence à diminuer à mesure que le condensateur est chargé. À la fin du troisième quart de la période, lorsque les tensions aux bornes du générateur et du condensateur atteignent leur maximum, le courant devient nul.

Dans le dernier quart de la période, la tension, diminuant, tombe à zéro et le courant, changeant de direction dans le circuit, atteint sa valeur maximale. Ceci termine la période, après quoi la suivante commence, répétant exactement la précédente, etc.

Donc, sous l'influence de la tension alternative du générateur, le condensateur est chargé deux fois par période (les premier et troisième quarts de période) et déchargé deux fois (les deuxième et quatrième quarts de période). Mais comme l'alternance l'une après l'autre s'accompagne à chaque fois du passage de courants de charge et de décharge à travers le circuit, on peut conclure que .

Vous pouvez le vérifier à l’aide de l’expérience simple suivante. Connectez un condensateur d'une capacité de 4 à 6 microfarads au réseau AC via une ampoule électrique de 25 W. La lumière s’allumera et ne s’éteindra que lorsque le circuit sera coupé. Cela indique que le courant alternatif a traversé le circuit avec la capacité. Cependant, il ne traversait bien sûr pas le diélectrique du condensateur, mais représentait à chaque instant soit le courant de charge, soit le courant de décharge du condensateur.

Le diélectrique, comme nous le savons, est polarisé sous l'influence du champ électrique qui s'y forme lorsque le condensateur est chargé, et sa polarisation disparaît lorsque le condensateur est déchargé.

Dans ce cas, le diélectrique avec le courant de polarisation qui y apparaît sert en quelque sorte de continuation du circuit à courant alternatif et coupe le circuit à courant continu. Mais le courant de déplacement est généré uniquement dans le diélectrique du condensateur et, par conséquent, aucun transfert de charge à travers le circuit ne se produit.

La résistance apportée par un condensateur au courant alternatif dépend de la valeur de la capacité du condensateur et de la fréquence du courant.

Plus la capacité du condensateur est grande, plus la charge transférée à travers le circuit pendant la charge et la décharge du condensateur est importante et, par conséquent, plus le courant dans le circuit est important. Une augmentation du courant dans le circuit indique que sa résistance a diminué.

Ainsi, À mesure que la capacité augmente, la résistance du circuit au courant alternatif diminue.

Une augmentation augmente la quantité de charge transférée à travers le circuit, puisque la charge (ainsi que la décharge) du condensateur doit se produire plus rapidement qu'à basse fréquence. Dans le même temps, une augmentation de la quantité de charge transférée par unité de temps équivaut à une augmentation du courant dans le circuit et, par conséquent, à une diminution de sa résistance.

Si nous réduisons progressivement la fréquence du courant alternatif et réduisons le courant à constant, alors la résistance du condensateur connecté au circuit augmentera progressivement et deviendra infiniment grande (circuit ouvert) au moment où elle apparaît.

Ainsi, À mesure que la fréquence augmente, la résistance du condensateur au courant alternatif diminue.

Tout comme la résistance d’une bobine au courant alternatif est dite inductive, la résistance d’un condensateur est généralement dite capacitive.

Ainsi, La capacité est d'autant plus grande que la capacité du circuit et la fréquence du courant qui l'alimente sont faibles.

La capacité est notée Xc et mesurée en ohms.

La dépendance de la capacité sur la fréquence du courant et la capacité du circuit est déterminée par la formule Xc = 1/ωС, où ω - fréquence circulaire égale au produit de 2π F, C-capacité du circuit en farads.

La réactance capacitive, comme la réactance inductive, est de nature réactive, puisque le condensateur ne consomme pas l'énergie de la source de courant.

La formule pour un circuit avec capacité est I = U/Xc, où I et U sont les valeurs efficaces du courant et de la tension ; Xc est la capacité du circuit.

La propriété des condensateurs de fournir une résistance élevée aux courants basse fréquence et de laisser passer facilement les courants haute fréquence est largement utilisée dans les circuits des équipements de communication.

À l'aide de condensateurs, par exemple, la séparation des courants continus et des courants basse fréquence des courants haute fréquence nécessaires au fonctionnement des circuits est obtenue.

S'il est nécessaire de bloquer le chemin du courant basse fréquence dans la partie haute fréquence du circuit, un petit condensateur est connecté en série. Il offre une grande résistance au courant basse fréquence tout en laissant passer facilement le courant haute fréquence.

S'il est nécessaire d'empêcher le courant haute fréquence, par exemple, d'entrer dans le circuit d'alimentation d'une station de radio, un gros condensateur est utilisé, connecté en parallèle avec la source de courant. Dans ce cas, le courant haute fréquence traverse le condensateur, contournant le circuit d'alimentation de la station radio.

Résistance active et condensateur dans un circuit à courant alternatif

En pratique, il arrive souvent qu'un circuit soit en série avec une capacité. La résistance totale du circuit dans ce cas est déterminée par la formule

Ainsi, la résistance totale d'un circuit constitué de résistances active et capacitive au courant alternatif est égale à la racine carrée de la somme des carrés des résistances active et capacitive de ce circuit.

La loi d'Ohm reste valable pour ce circuit I = U/Z.

En figue. La figure 3 montre des courbes caractérisant les relations de phase entre le courant et la tension dans un circuit contenant une résistance capacitive et active.

Riz. 3. Courant, tension et puissance dans un circuit avec condensateur et résistance active

Comme le montre la figure, le courant dans ce cas est en avance sur la tension non pas d'un quart de période, mais de moins, puisque la résistance active a violé la nature purement capacitive (réactive) du circuit, comme en témoigne la phase réduite changement. Maintenant, la tension aux bornes du circuit sera déterminée comme la somme de deux composantes : la composante réactive de la tension u c, qui va vaincre la capacité du circuit, et la composante active de la tension, qui va vaincre sa résistance active.

Plus la résistance active du circuit est grande, plus le déphasage entre le courant et la tension sera faible.

La courbe de variation de puissance dans le circuit (voir Fig. 3) a acquis deux fois au cours de la période un signe négatif, ce qui est, comme nous le savons déjà, une conséquence de la nature réactive du circuit. Moins le circuit est réactif, plus le déphasage entre le courant et la tension est faible et plus la source de courant consomme d'énergie.

Détails 08 mai 2017

Messieurs, l’article d’aujourd’hui peut être considéré en quelque sorte comme une continuation du précédent. Au début, je voulais même mettre tout ce matériel dans un seul article. Mais il s’est avéré que c’était beaucoup, il y avait de nouveaux projets à l’horizon et j’ai fini par le diviser en deux. Donc, aujourd'hui, nous allons en parler. Nous obtiendrons une expression par laquelle nous pourrons calculer la résistance de tout condensateur connecté à un circuit à courant alternatif, et à la fin de l'article nous considérerons plusieurs exemples de tels calculs.

Imaginons que nous ayons un condensateur connecté à un circuit à courant alternatif. Il n'y a plus de composants dans le circuit, juste un condensateur et c'est tout (Figure 1).

Figure 1 - Condensateur dans un circuit alternatif

Une tension alternative est appliquée à ses plaques Utah), et du courant le traverse Il). En connaissant un, vous pouvez facilement en trouver un autre. Pour ce faire, il vous suffit de vous souvenir de l'article précédent sur Condensateur CA, là nous avons parlé de tout cela en détail. Nous supposerons que le courant traversant le condensateur varie selon une loi sinusoïdale comme celle-ci

Dans le dernier article, nous sommes arrivés à la conclusion que si le courant change selon cette loi, alors la tension sur le condensateur devrait changer comme suit

Jusqu'à présent, nous n'avons rien enregistré de nouveau, tout cela est une répétition textuelle des calculs de l'article précédent. Et c'est le moment de les transformer un peu, de leur donner un look légèrement différent. Pour être précis, il faut passer à une représentation complexe des signaux ! Vous souvenez-vous qu'il y avait un sujet séparé à ce sujet ? J'y disais qu'il était nécessaire de comprendre certains points dans d'autres articles. Le moment est justement venu où il est temps de se souvenir de toutes ces astucieuses unités imaginaires. Pour être précis, nous avons maintenant besoin indicatifécrire un nombre complexe. Comme on se souvient de l'article sur les nombres complexes en génie électrique, si nous avons un signal sinusoïdal de la forme

alors il peut être représenté sous forme exponentielle comme ceci

Pourquoi il en est ainsi, d'où cela vient, ce que signifie la lettre ici - tout a déjà été discuté en détail. Pour répéter, vous pouvez suivre le lien et tout relire.

Appliquons maintenant cette représentation complexe à notre formule de tension de condensateur. Nous obtiendrons quelque chose comme ça

Maintenant, messieurs, je voudrais vous parler d'un autre point intéressant, qui aurait probablement dû être décrit dans un article sur les nombres complexes en génie électrique. Cependant, je l'ai oublié à l'époque, alors regardons-le maintenant. Imaginons que t=0. Cela conduira à l'exclusion du temps et de la fréquence des calculs, et nous passons à ce qu'on appelle amplitudes complexes signal. Bien entendu, cela ne signifie pas que le signal passe de variable à constant. Non, il continue de changer dans le sens sinusoïdal avec la même fréquence. Mais il y a des moments où la fréquence n'est pas très importante pour nous, et alors il vaut mieux s'en débarrasser et travailler uniquement avec amplitude signal. C’est maintenant un tel moment. C'est pourquoi nous croyons t=0 et nous obtenons amplitude de tension complexe

Ouvrons les parenthèses dans l'exposant et utilisons les règles pour travailler avec les fonctions exponentielles.

Nous avons donc trois facteurs. Nous traiterons tout dans l'ordre. Combinons les deux premiers et écrivons l'expression suivante

Qu’avons-nous même écrit ? Droite, amplitude de courant complexe grâce à un condensateur. L'expression de l'amplitude de tension complexe prend maintenant la forme

Le résultat que nous recherchons est déjà proche, mais il reste encore un facteur exponentiel peu agréable. Que faire de lui ? Et il s’avère que c’est très simple. Et encore l'article sur nombres complexes en génie électrique Ce n’est pas pour rien que je l’ai écrit. Transformons ce facteur à l'aide de la formule d'Euler :

Oui, tout cet exposant délicat avec des nombres complexes dans l'exposant se transforme en un simple exposant imaginaire, précédé d'un signe moins. Je suis d'accord, ce n'est peut-être pas si facile de s'en rendre compte, mais néanmoins, les mathématiques disent qu'il en est ainsi. Notre formule résultante prend donc la forme

Exprimons le courant à partir de cette formule et amenons l'expression à une forme correspondant à la loi d'Ohm. On a

Comme nous nous en souvenons articles sur la loi d'Ohm, dans notre cas, le courant était égal à la tension divisée par la résistance. Donc ici, c'est presque pareil ! Eh bien, sauf que notre courant et notre tension sont variables et sont représentés par des amplitudes complexes. De plus, n’oubliez pas que le courant traverse le condensateur. Par conséquent, l’expression qui apparaît au dénominateur peut être considérée comme capacitif Résistance CA du condensateur:

Oui, l'expression de la résistance du condensateur ressemble à ceci. Comme vous pouvez le constater, complet. La lettre l'indique j au dénominateur de la fraction. Que signifie cette complexité ? Qu’est-ce que cela influence et que montre-t-il ? Et elle montre, messieurs, en exclusivité déphasage à 90 degrés entre le courant et la tension aux bornes d'un condensateur. À savoir, le courant est en avance de 90 degrés sur la tension. Cette conclusion n’est pas nouvelle pour nous, tout cela a été décrit en détail dans l’article précédent. Pour mieux comprendre cela, il faut maintenant remonter mentalement de la formule résultante jusqu'au moment où nous l'avons j est apparu. En montant, vous verrez que l'unité imaginaire j découle de la formule d'Euler du fait qu'il y avait un composant. Notre formule d'Euler est issue d'une représentation complexe d'une sinusoïde. Et dans la sinusoïde d'origine, il y avait précisément un déphasage de 90 degrés du courant par rapport à la tension. Quelque chose comme ça. Il semble que tout soit logique et que rien d'inutile ne se soit produit.

Or deux questions tout à fait logiques peuvent se poser : comment travailler avec une telle représentation et quels en sont les bénéfices ? Et en général, jusqu'à présent, il n'y a que quelques lettres extrêmement abstraites et on ne sait pas du tout comment prendre et évaluer la résistance d'un condensateur spécifique que nous avons acheté dans un magasin et branché sur le circuit. Voyons cela progressivement.

Comme nous l'avons déjà dit, la lettre j au dénominateur nous renseigne uniquement sur le déphasage du courant et de la tension. Mais cela n’affecte pas les amplitudes de courant et de tension. En conséquence, si nous ne sommes pas intéressés par le déphasage, alors nous pouvons exclure cette lettre de la considération et obtenir une expression plus simple absolument sans aucune complexité :

Que pouvons-nous dire d’autre en regardant cette formule ? Par exemple quoi Plus la fréquence du signal est élevée, plus la résistance du condensateur est faible. Et plus la capacité du condensateur est grande, plus sa résistance au courant alternatif est faible.

Par analogie avec les résistances, la résistance des condensateurs se mesure toujours en Ohms. Cependant, vous devez toujours vous rappeler qu'il s'agit d'une résistance légèrement différente, elle s'appelle réactif. Et c'est différent principalement à cause de ce très célèbre j au dénominateur, c'est-à-dire en raison d'un déphasage. Les « ordinaires » (appelés actif) Ohms, il n'y a pas un tel décalage ; là la tension est clairement en phase avec le courant. Traçons un graphique de la résistance du condensateur en fonction de la fréquence. Pour être plus précis, prenons la capacité du condensateur comme fixe, disons 1 µF. Le graphique est présenté à la figure 2.

Figure 2 (cliquable) - Dépendance de la résistance du condensateur à la fréquence

Sur la figure 2, nous voyons que la résistance du condensateur au courant alternatif diminue selon la loi de l'hyperbole.

À la fréquence tend vers zéro(c'est-à-dire en fait que le courant alternatif tend à se diriger), la résistance du condensateur tend vers l'infini. C’est logique : on se souvient tous que pour le courant continu, un condensateur est en réalité un circuit ouvert. En pratique, elle n'est bien entendu pas infinie, mais limitée par la résistance de fuite du condensateur. Cependant, il reste très grand et est souvent considéré comme infiniment grand.

Il y a une autre question dont j'aimerais discuter avant de commencer à examiner les exemples. Pourquoi écrire une lettre ? j au dénominateur de la résistance ? Ne suffit-il pas de toujours se souvenir du déphasage et d'utiliser des nombres sans cette unité imaginaire dans l'enregistrement ? Il s'avère que non. Imaginons un circuit dans lequel une résistance et un condensateur sont présents en même temps. Disons qu'ils sont connectés en série. Et c'est là que l'unité imaginaire à côté de la capacité ne vous permettra pas d'additionner simplement l'actif et la réactance en un seul nombre réel. La résistance totale d’une telle chaîne sera complexe, constituée à la fois d’une partie réelle et d’une partie imaginaire. La partie réelle sera due à la résistance (résistance active), et la partie imaginaire sera due à la capacité (réactance). Cependant, tout cela fait l’objet d’un autre article ; nous n’y reviendrons pas maintenant. Passons aux exemples.

Prenons un condensateur d'une capacité de, disons, C=1µF. Il est nécessaire de déterminer sa résistance en fréquence f 1 =50 Hz et à fréquence f 2 =1 kHz. De plus, l'amplitude du courant doit être déterminée en tenant compte du fait que l'amplitude de la tension appliquée au condensateur est égale à U m = 50 V. Eh bien, construisez des graphiques de tension et de courant.

En fait, cette tâche est élémentaire. Nous substituons les nombres dans la formule de résistance et obtenons la fréquence f 1 =50 Hz résistance égale à

Et pour la fréquence f 2 =1 kHz il y aura de la résistance

En utilisant la loi d'Ohm, nous trouvons l'amplitude actuelle pour la fréquence f 1 =50 Hz

De même pour la deuxième fréquence f 2 =1 kHz

Nous pouvons désormais facilement écrire les lois de changement du courant et de la tension, ainsi que dessiner des graphiques pour ces deux cas. Nous pensons que notre tension change selon la loi sinusoïdale pour la première fréquence f 1 =50 Hz de la manière suivante

Et pour la deuxième fréquence f 2 =1 kHz comme ça

et pour la fréquence f 2 =1 kHz

f 1 =50 Hz sont présentés dans la figure 3

Figure 3 (cliquable) - Tension sur le condensateur et courant traversant le condensateur, f 1 =50 Hz

Graphiques de courant et de tension pour la fréquence f 2 =1 kg les ts sont présentés dans la figure 4

Figure 4 (cliquable) - Tension sur le condensateur et courant traversant le condensateur, f 2 =1 kHz

Ainsi, messieurs, nous avons aujourd'hui découvert un concept tel que la résistance d'un condensateur au courant alternatif, appris à le calculer et renforcé les connaissances acquises avec quelques exemples. C'est tout pour aujourd'hui. Merci d'avoir lu, bonne chance à tous et au revoir !

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L'un des principaux appareils en électronique et en électrotechnique est un condensateur. Après avoir fermé le circuit électrique, la charge commence, après quoi elle devient immédiatement une source de courant et de tension, et une force électromotrice y apparaît - EMF. L'une des principales propriétés d'un condensateur est reflétée très précisément par la formule de capacité. Ce phénomène se produit à la suite d'une contre-EMF dirigée contre la source de courant utilisée pour la charge. La source de courant ne peut vaincre la capacité qu'en dépensant une quantité importante de sa propre énergie, qui devient l'énergie du champ électrique du condensateur.

Lorsque l’appareil se décharge, toute cette énergie est renvoyée dans le circuit et se transforme en énergie électrique. Par conséquent, la capacité peut être classée comme réactive, ce qui n’entraîne pas de pertes d’énergie irréversibles. Le condensateur est chargé au niveau de tension fourni par la source d'alimentation.

Capacité d'un condensateur

Les condensateurs font partie des éléments les plus couramment utilisés dans divers circuits électroniques. Ils sont divisés en types présentant des caractéristiques, des paramètres et des propriétés individuelles. Le condensateur le plus simple est constitué de deux plaques métalliques - des électrodes séparées par une couche diélectrique. Chacun d'eux possède sa propre borne par laquelle s'effectue la connexion au circuit électrique.

Il existe des qualités propres aux condensateurs. Par exemple, ils ne laissent pas du tout passer le courant continu, bien qu'ils soient chargés par celui-ci. Une fois le conteneur complètement chargé, le flux de courant s'arrête complètement et la résistance interne de l'appareil prend une valeur infiniment élevée.

Le condensateur est affecté d'une manière complètement différente en circulant assez librement à travers la capacité. Cette condition s'explique par les processus constants de charge et de décharge de l'élément. Dans ce cas, non seulement la résistance active des conducteurs agit, mais également la réactance capacitive du condensateur lui-même, qui résulte précisément de sa charge et de sa décharge constantes.

Les paramètres électriques et les propriétés des condensateurs peuvent varier en fonction de divers facteurs. Tout d’abord, ils dépendent de la taille et de la forme du produit, ainsi que du type de diélectrique. Différents types d'appareils peuvent être du papier, de l'air, du plastique, du verre, du mica, de la céramique et d'autres matériaux. Les condensateurs électrolytiques utilisent un électrolyte d'aluminium et un électrolyte de tantale, ce qui leur confère une capacité accrue.

Les noms des autres éléments sont déterminés par les matériaux des diélectriques conventionnels. Ils entrent donc dans la catégorie du papier, de la céramique, du verre, etc. Chacun d'eux, selon ses caractéristiques et caractéristiques, est utilisé dans des circuits électroniques spécifiques, avec des paramètres de courant électrique différents.

À cet égard, l'utilisation de condensateurs céramiques est nécessaire dans les circuits où un filtrage du bruit haute fréquence est requis. Les appareils électrolytiques, quant à eux, filtrent les interférences à basse fréquence. Si vous connectez les deux types de condensateurs en parallèle, vous obtenez un filtre universel largement utilisé dans tous les circuits. Malgré le fait que leur capacité soit une valeur fixe, il existe des dispositifs à capacité variable, obtenus par ajustements en modifiant le chevauchement mutuel des plaques. Un exemple typique est le réglage des condensateurs utilisés dans le réglage des équipements électroniques.

Capacité dans un circuit alternatif

Lorsqu'un condensateur est connecté à un circuit CC, un courant de charge circule dans le circuit pendant une courte période. À la fin de la charge, lorsque la tension du condensateur correspond à la tension de la source de courant, le flux de courant à court terme dans le circuit s'arrêtera. Ainsi, complètement à courant constant, il y aura une sorte de circuit ouvert ou de résistance d'une valeur infiniment grande. Avec le courant alternatif, le condensateur se comportera complètement différemment. Sa charge dans un tel circuit s'effectuera alternativement dans des directions différentes. La circulation du courant alternatif dans le circuit n’est pas interrompue à ce moment-là.

Un examen plus détaillé de ce processus indique une valeur de tension nulle dans le condensateur au moment de sa mise sous tension. Une fois la tension alternative fournie, la charge commencera. A ce moment, la tension secteur augmentera au cours du premier trimestre de la période. À mesure que les charges s'accumulent sur les plaques, la tension du condensateur lui-même augmente. Une fois que la tension secteur atteint son maximum à la fin du premier trimestre de la période, la charge s'arrête et le courant dans le circuit devient nul.

Il existe une formule pour déterminer le courant dans un circuit de condensateur : I = ∆q/∆t, où q est la quantité d'électricité circulant dans le circuit pendant une période de temps t. Conformément aux lois de l'électrostatique, la quantité d'électricité dans l'appareil sera : q = C x Uc = C x U. Dans cette formule, C sera la capacité du condensateur, U - la tension du réseau, Uc - la tension sur les plaques de l'élément. Dans sa forme finale, la formule du courant dans le circuit ressemblera à ceci : i = C x (∆Uc/∆t) = C x (∆U/∆t).

Au début du deuxième quart de la période, la tension du secteur diminuera et le condensateur commencera à se décharger. Le courant dans le circuit changera de direction et circulera dans la direction opposée. Dans la moitié suivante de la période, la direction de la tension secteur changera, l'élément se rechargera, puis il recommencera à se décharger. Le courant présent dans un circuit avec un condensateur sera en avance de 90 degrés sur la tension de phase sur les plaques.

Il a été établi que les modifications du courant du condensateur se produisent à une vitesse proportionnelle à la fréquence angulaire ω. Par conséquent, conformément à la formule déjà connue pour le courant dans le circuit i = C x (∆U/∆t), il s'avère de la même manière que la valeur efficace du courant sera également une proportion entre le taux de variation de tension et la fréquence angulaire ω : I = 2π x f x C x U .

Ensuite, il est assez simple d'établir la valeur de la capacité ou réactance du condensateur : xc = 1/2π x f x C = 1/ ω x C. Ce paramètre est calculé lorsque le condensateur est connecté au circuit à courant alternatif. Par conséquent, conformément à la loi d’Ohm, dans un circuit à courant alternatif avec un condensateur activé, la valeur du courant sera la suivante : I = U/xc, et la tension sur les plaques sera : Uc = Ic x xc.

La partie de la tension secteur qui tombe sur le condensateur est appelée chute de tension capacitive. Elle est également connue sous le nom de composante de tension réactive, désignée par le symbole Uc. La valeur de la réactance capacitive xc, ainsi que la valeur de la réactance inductive xi, est directement liée à la fréquence du courant alternatif.

La capacité fait référence à la nature particulière de la résistance au courant alternatif observée dans les circuits dotés d'une capacité électrique. Dans ce cas, la capacité du condensateur dépend non seulement des éléments inclus dans le circuit, mais également des paramètres du courant qui y circule (voir la figure ci-dessous).

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Dépendance de la capacité sur la fréquence

On note également que le condensateur appartient à la catégorie des éléments réactifs, dont la perte d'énergie ne se produit pas dans le circuit à courant alternatif.

Formule de capacité

Afin de déterminer la capacité dans un circuit particulier, vous devrez identifier les paramètres suivants :

• Fréquence du courant alternatif circulant dans le circuit ;
• Valeur nominale de la capacité du condensateur ;
• La présence d'autres éléments radio dans le circuit.

Une fois tous les facteurs ci-dessus pris en compte, il sera possible de déterminer la capacité du condensateur à l'aide de la formule suivante :

Cette formule indique la dépendance inversement proportionnelle de la résistance sur la valeur de la capacité et de la fréquence de la tension d'alimentation.

En raison de cette nature de changement, les condensateurs peuvent fonctionner dans les circuits dépendants de la fréquence suivants :

• Dispositifs intégraux et différentiels ;
• Circuits résonants de différentes classes ;
• Éléments filtrants spéciaux.

Ajoutons à cela la possibilité d'utiliser des condensateurs comme éléments amortisseurs dans un circuit à courant alternatif chargé sur des unités (de puissance) puissantes.

Représentation vectorielle de la capacité

Pour avoir une idée plus claire de ce qu'est la capacité, vous pouvez utiliser la représentation vectorielle des processus se produisant dans le condensateur.

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Représentation vectorielle

Après avoir étudié le schéma, vous remarquerez que le courant dans le circuit du condensateur change de phase avant la tension de 90 degrés. De la nature de l’interaction des grandeurs électriques de base, on conclut que le condensateur résiste aux changements de tension à ses bornes.

Plus la capacité est grande, plus elle se recharge lentement à pleine tension (et plus la capacité d'un élément donné est faible). Cette conclusion coïncide complètement avec la formule donnée précédemment.

Informations Complémentaires. Lors de l'examen des inductances connectées aux circuits à courant alternatif, le schéma inverse est découvert lorsque le courant, au contraire, est en retard en phase avec les changements de tension.

A noter que dans les deux cas les différences observées dans les paramètres de phase indiquent le caractère réactif de la résistance de ces éléments.

Capacitance

Unités

Un condensateur, en tant que propriétaire d'une capacité électrique, ressemble à une batterie de voiture dans ses performances. Mais contrairement à une batterie, la charge capacitive de celle-ci ne dure pas longtemps, ce qui s'explique par la présence de fuites dans le diélectrique et de décharges partielles dans l'environnement.

Dans ce cas, la capacité (comme celle d’une batterie) détermine les propriétés de stockage du condensateur ou sa capacité à retenir l’énergie entre les plaques.

Note! Dans le système SI, cet indicateur est mesuré en Farads, qui sont une très grande unité de mesure.

En pratique, des unités de mesure de capacité plus petites sont le plus souvent utilisées, à savoir:

• Picofarads, correspondant à 10-12 Farads (F) ;
• Nanofarads égaux à 10-9F ;
• Microfarads (µF), qui correspondent à 10-6 Farad.

Toutes ces unités de multiplicité sont respectivement notées « pF », « nF » et « mF ».

Exemple de calcul de capacité

Parfois, des condensateurs sont installés dans les circuits de suppression de tension afin d'obtenir des valeurs de tension inférieures (au lieu de transformateurs abaisseurs).

Mais si vous manipulez un tel convertisseur avec précaution, il sera tout à fait possible de l'assembler vous-même. Lors du calcul de la capacité requise, il est généralement basé sur les considérations suivantes :

• Un condensateur connecté en série avec une charge est caractérisé par une impédance, un analogue de la résistance pour une capacité ;
• Cet indicateur correspond à un bras distinct dans le diviseur de tension dont le deuxième élément est la résistance de charge ;
• Le rapport des résistances des deux bras est choisi de manière à ce que la tension requise reste sur la charge (12 Volts, par exemple) et que tout le reste de 220 Volts soit dissipé sur le condensateur lui-même.

Informations Complémentaires. Pour améliorer les caractéristiques transitoires de la chaîne de division, une autre résistance, appelée résistance de décharge, est parfois connectée en parallèle avec le condensateur.

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Circuit de calcul de capacité

Dans notre cas, les données suivantes sont sélectionnées :

• Uin=220 Volts ;
• Uout=12 Volts ;
• Iload = 0,1 Ampère (le courant dans la charge est sélectionné en fonction de son passeport).

Sur cette base, vous pouvez déterminer la valeur de la résistance de charge :

Rн=220/0,1=2200 Ohm ou 2,2 Kom.

Pour calculer la valeur de la capacité à laquelle les 208 Volts restants devraient « tomber », les indicateurs suivants sont utilisés :

• Uс=208 Volts ;
• Iс=0,1Amp ;
• Fréseau=50 Hz.

Après cela, vous pouvez calculer la résistance ohmique du condensateur, suffisante pour qu'il ait 208 Volts :

Xc=Uс/Iс=208/0,1=2080.

La capacité du condensateur est obtenue à partir de la relation discutée précédemment :

Sur cette base, nous obtenons :

C = 1/Xc2 π Fréseau = 1/2080x6, 28x50 = 0,0000015311 Farads ou 1,5 µF.

La résistance Rtime est sélectionnée pour être d'environ 10 Kom ou plus.

Propriétés des conteneurs

Lorsque plusieurs condensateurs sont connectés en parallèle, leurs capacités s’additionnent. Dans ce cas, la capacité totale (selon les formules évoquées ci-dessus) diminue. Si tous les éléments du condensateur sont connectés dans une chaîne en série, leur capacité totale est calculée comme les valeurs inverses de chaque composant.

Dans ce cas, la capacité des éléments connectés en série augmente au contraire. En conclusion, notons que cette nature du changement de capacité et d'impédance s'explique par les propriétés du condensateur, qui est capable d'accumuler des charges sur ses plaques.

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