Condensateurs AC

Qu'est-ce que le courant alternatif?

Si l'on considère un courant continu, il ne peut pas toujours être parfaitement constant: la tension à la sortie de la source peut dépendre de la charge ou du degré de décharge de la batterie ou de la batterie galvanique. Même avec une tension stabilisée constante, le courant dans le circuit externe dépend de la charge, ce qui confirme la loi d'Ohm. Il s'avère que ce n'est pas non plus un courant tout à fait constant, mais un tel courant ne peut pas non plus être appelé variable, car il ne change pas de direction.

Une variable est généralement appelée tension ou courant, dont la direction et l'amplitude ne changent pas sous l'influence de facteurs externes, tels qu'une charge, mais sont complètement "indépendantes": c'est ainsi que le générateur le produit. De plus, ces changements doivent être périodiques, c'est-à-dire répéter sur une certaine période de temps appelée période.

Si la tension ou le courant change de toute façon, sans se soucier de la fréquence et des autres régularités, un tel signal est appelé bruit. Un exemple classique est la «neige» sur un écran de télévision avec un signal de diffusion faible. Des exemples de certains signaux électriques périodiques sont présentés sur la figure 1.

Pour le courant continu, il n'y a que deux caractéristiques: la polarité et la tension de la source. Dans le cas du courant alternatif, ces deux quantités ne sont clairement pas suffisantes, donc plusieurs autres paramètres apparaissent: amplitude, fréquence, période, phase, valeur instantanée et efficace.

Figure 1Exemples de certains signaux électriques périodiques

Le plus souvent en technologie, il faut en outre faire face aux oscillations sinusoïdales, non seulement en génie électrique. Imaginez une roue de voiture. Lorsque vous conduisez uniformément sur une bonne route lisse, le centre de la roue décrit une ligne droite parallèle à la surface de la route. En même temps, tout point à la périphérie de la roue se déplace le long d'une sinusoïde par rapport à la ligne qui vient d'être mentionnée.

Ce qui précède peut être confirmé par la figure 2, qui montre une méthode graphique pour construire une sinusoïde: celui qui a bien étudié le dessin sait comment effectuer de telles constructions.

Figure 2Méthode graphique à onde sinusoïdale

Du cours de physique de l'école, il est connu qu'une sinusoïde est la plus courante et la plus appropriée pour étudier une courbe périodique. De la même manière, les oscillations sinusoïdales sont obtenues dans alternateursen raison de leur dispositif mécanique.

La figure 3 montre un graphique du courant sinusoïdal.

Figure 3Graphique du courant sinusoïdal

Il est facile de voir que l'amplitude du courant varie avec le temps, donc l'axe des ordonnées est indiqué sur la figure comme i (t), est la fonction du courant en fonction du temps. La période complète du courant est indiquée par une ligne continue et a une période T. Si vous démarrez la considération à partir de l'origine, vous pouvez voir qu'au début le courant augmente, atteint Imax, passe par zéro, diminue à –Imax, puis augmente et atteint zéro. Ensuite, la période suivante commence, comme indiqué par la ligne pointillée.

Sous la forme d'une formule mathématique, le comportement actuel s'écrit: i (t) = Imax * sin (ω * t ± φ).

Ici, i (t) est la valeur instantanée du courant, en fonction du temps, Imax est la valeur d'amplitude (écart maximal par rapport à l'état d'équilibre), ω est la fréquence circulaire (2 * π * f), φ est l'angle de phase.

La fréquence circulaire ω est mesurée en radians par seconde, et l'angle de phase φ en radians ou degrés. Ce dernier n'a de sens que lorsqu'il y a deux courants sinusoïdaux. Par exemple, dans les chaînes avec condensateur le courant est en avance sur la tension de 90 ° ou exactement un quart de la période, comme le montre la figure 4. S'il y a un courant sinusoïdal, vous pouvez le déplacer le long de l'axe des ordonnées comme vous le souhaitez, et rien ne changera de cela.

Figure 4 Dans les circuits à condensateur, le courant est en avance sur la tension d'un quart de période

La signification physique de la fréquence circulaire ω est l'angle dans lequel les radians «traverseront» une sinusoïde en une seconde.

Période - T est le temps pendant lequel l'onde sinusoïdale fera une oscillation complète. Il en va de même pour les vibrations de forme différente, par exemple rectangulaire ou triangulaire. La période est mesurée en secondes ou en unités plus petites: millisecondes, microsecondes ou nanosecondes.

Un autre paramètre de tout signal périodique, y compris une sinusoïde, est la fréquence, combien d'oscillations le signal fera en 1 seconde. L'unité de mesure de fréquence est Hertz (Hz), du nom du scientifique du 19e siècle Heinrich Hertz. Ainsi, la fréquence de 1 Hz n'est rien de plus qu'une oscillation / seconde. Par exemple, la fréquence du réseau d'éclairage est de 50 Hz, c'est-à-dire exactement 50 périodes sinusoïdales passent en une seconde.

Si la période actuelle est connue (vous pouvez mesurer avec un oscilloscope), alors la fréquence du signal aidera à trouver la formule: f = 1 / T. De plus, si le temps est exprimé en secondes, le résultat sera en Hertz. A l'inverse, T = 1 / f, fréquence en Hz, le temps est obtenu en secondes. Par exemple, lorsque 50 hertz la période sera de 1/50 = 0,02 seconde, soit 20 millisecondes. En électricité, les fréquences plus élevées sont plus souvent utilisées: KHz - kilohertz, MHz - mégahertz (milliers et millions d'oscillations par seconde), etc.

Tout ce qui est dit pour le courant est également vrai pour la tension alternative: sur la figure 6, il suffit de changer simplement la lettre I en U. La formule ressemblera à ceci: u (t) = Umax * sin (ω * t ± φ).

Ces explications suffisent pour revenir à expérimenter avec des condensateurs et expliquer leur signification physique.

Le condensateur conduit un courant alternatif, comme le montre le schéma de la figure 3 (voir article - Condensateurs pour installations électriques AC) La luminosité de la lampe augmente lorsqu'un condensateur supplémentaire est connecté. Lorsque les condensateurs sont connectés en parallèle, leurs capacités s'additionnent simplement, on peut donc supposer que la capacité Xc dépend de la capacité. De plus, cela dépend aussi de la fréquence du courant, et donc la formule ressemble à ceci: Xc = 1/2 * π * f * C.

Il résulte de la formule que avec l'augmentation de la capacité et de la fréquence de la tension alternative, la réactance Xc diminue. Ces dépendances sont illustrées à la figure 5.

Figure 5. La dépendance de la réactance du condensateur de la capacité

Si nous substituons la fréquence en Hertz dans la formule et la capacité en Farads, alors le résultat sera en Ohms.

Le condenseur chauffera-t-il?

Rappelons maintenant l'expérience avec un condensateur et un compteur électrique, pourquoi ne tourne-t-il pas? Le fait est que le compteur considère l'énergie active lorsque le consommateur est une charge purement active, par exemple des lampes à incandescence, une bouilloire électrique ou une cuisinière électrique. Pour ces consommateurs, la tension et le courant coïncident en phase, ont un signe: si vous multipliez deux nombres négatifs (tension et courant pendant le demi-cycle négatif), le résultat selon les lois des mathématiques est toujours positif. Par conséquent, la capacité de ces consommateurs est toujours positive, c'est-à-dire entre dans la charge et est libéré sous forme de chaleur, comme le montre la figure 6 par la ligne pointillée.

Figure 6

Dans le cas où le condensateur est inclus dans le circuit de courant alternatif, le courant et la tension ne coïncident pas en phase: le courant est 90 оп avant la phase en tension, ce qui conduit à une combinaison lorsque le courant et la tension ont des signes différents.

Figure 7

À ces moments, le pouvoir est négatif. En d'autres termes, lorsque la puissance est positive, le condensateur est chargé et lorsqu'il est négatif, l'énergie stockée est retransférée à la source. Par conséquent, en moyenne, cela se traduit par des zéros et il n'y a tout simplement rien à compter ici.

Le condensateur, à moins bien sûr qu'il soit réparable, ne chauffera même pas du tout. Par conséquent, souvent condensateur appelé résistance libre, ce qui permet son utilisation dans des alimentations basse tension sans transformateur.Bien que de tels blocs ne soient pas recommandés en raison de leur danger, il est parfois nécessaire de le faire.

Avant d'installer dans une telle unité condensateur de trempe, il convient de le vérifier par simple connexion au réseau: si en une demi-heure le condenseur ne s'est pas réchauffé, il peut être intégré en toute sécurité dans le circuit. Sinon, il suffit de le jeter sans regret.

Que montre un voltmètre?

Dans la fabrication et la réparation de divers appareils, bien que pas très souvent, il est nécessaire de mesurer des tensions alternatives et même des courants. Si une sinusoïde se comporte si agitée, puis de haut en bas, que montrera un voltmètre normal?

La valeur moyenne d'un signal périodique, dans ce cas une sinusoïde, est calculée comme la zone délimitée par l'axe des abscisses et l'image graphique du signal divisée par 2 * π radians ou la période de la sinusoïde. Puisque les parties supérieure et inférieure sont absolument identiques, mais ont des signes différents, la valeur moyenne de la sinusoïde est nulle, et il n'est pas nécessaire de la mesurer du tout, et elle est même simplement dénuée de sens.

Par conséquent, l'appareil de mesure nous montre la valeur efficace de la tension ou du courant. La valeur quadratique moyenne est une valeur du courant périodique à laquelle la même quantité de chaleur est libérée sur la même charge que sur le courant continu. En d'autres termes, l'ampoule brille avec la même luminosité.

Ceci est décrit par les formules comme ceci: Icrc = 0,707 * Imax = Imax / √2 pour la tension, la formule est la même, il suffit de changer une lettre Ucrc = 0,707 * Umax = Umax / √2. Ce sont ces valeurs que l'appareil de mesure affiche. Ils peuvent être substitués dans des formules lors du calcul selon la loi d'Ohm ou lors du calcul de la puissance.

Mais ce n'est pas tout ce dont un condensateur dans un réseau AC est capable. Dans le prochain article, nous considérerons l'utilisation de condensateurs dans les circuits pulsés, les filtres passe-haut et passe-bas, dans les générateurs d'onde sinusoïdale et carrée.

Boris Aladyshkin

Suite de l'article: Condensateurs dans les circuits électroniques