Introduction aux Condensateurs

Les condensateurs stockent de l’énergie sur leurs plaques conductrices sous la forme d’une charge électrique. La quantité de charge (Q) stockée dans un condensateur est proportionnelle à la tension aux bornes des plaques. Ainsi, la capacitance AC est une mesure de la capacité d’un condensateur à stocker une charge électrique lorsqu’il est connecté à une alimentation AC sinusoïdale.

Lorsqu’un condensateur est connecté à une tension d’alimentation CC, il se charge à la valeur de la tension appliquée à un rythme déterminé par sa constante de temps et maintiendra cette charge indéfiniment tant que la tension d’alimentation est présente.

Au cours de ce processus de charge, un courant de charge, i, s’écoule dans le condensateur, opposé par tout changement de la tension à un rythme égal au taux de changement de la charge électrique sur les plaques. Un condensateur a donc une opposition au courant qui s’écoule jusqu’à ses plaques.

La relation entre ce courant de charge et le rythme auquel la tension d’alimentation du condensateur change peut être définie mathématiquement comme : i = C(dv/dt), où C est la valeur de la capacitance du condensateur en farads et dv/dt est le taux de changement de la tension d’alimentation par rapport au temps. Une fois qu’il est « complètement chargé », le condensateur bloque l’écoulement d’électrons supplémentaires vers ses plaques car elles sont devenues saturées, et le condensateur agit désormais comme un dispositif de stockage temporaire.

Comportement des Condensateurs dans les Circuits AC

Un condensateur pur maintiendra cette charge indéfiniment sur ses plaques même si la tension d’alimentation CC est retirée. Cependant, dans un circuit de tension sinusoïdale contenant une « capacitance AC », le condensateur se chargera et se déchargera alternativement à un rythme déterminé par la fréquence de l’alimentation. Les condensateurs dans les circuits AC sont donc constamment en train de se charger et de se décharger respectivement.

Lorsqu’une tension sinusoïdale alternée est appliquée aux plaques d’un condensateur AC, le condensateur est chargé d’abord dans une direction puis dans la direction opposée, changeant de polarité à la même vitesse que la tension d’alimentation AC. Ce changement instantané de la tension à travers le condensateur est opposé par le fait qu’il faut un certain temps pour déposer (ou relâcher) cette charge sur les plaques, donné par V = Q/C. Considérons le circuit ci-dessous.

Capacitance AC avec une Alimentation Sinusoïdale

Lorsque l’interrupteur est fermé dans le circuit ci-dessus, un courant élevé commencera à s’écouler dans le condensateur car il n’y a pas de charge sur les plaques à t = 0. La tension d’alimentation sinusoïdale, V, augmente dans une direction positive à son rythme maximum lorsqu’elle traverse l’axe de référence zéro à un instant donné 0^o. Comme le taux de changement de la différence de potentiel à travers les plaques est maintenant à sa valeur maximale, le flux de courant dans le condensateur sera également à son rythme maximum, car la quantité maximale d’électrons se déplace d’une plaque à l’autre.

À mesure que la tension d’alimentation sinusoïdale atteint son point à 90^o sur l’onde, elle commence à ralentir et pendant un très bref instant, la différence de potentiel à travers les plaques n’augmente ni ne diminue, donc le courant diminue à zéro car il n’y a pas de taux de changement de tension.

À ce point à 90^o, la différence de potentiel à travers le condensateur est à son maximum ( V_max ), aucun courant ne s’écoule dans le condensateur car celui-ci est maintenant complètement chargé et ses plaques saturées d’électrons.

À la fin de cet instant, la tension d’alimentation commence à diminuer dans une direction négative vers la ligne de référence zéro à 180^o. Bien que la tension d’alimentation soit encore positive par nature, le condensateur commence à décharger une partie de ses électrons excédentaires sur ses plaques pour maintenir une tension constante. Cela entraîne un courant du condensateur s’écoulant dans la direction opposée ou négative.

Lorsque la forme d’onde de tension d’alimentation traverse le point de l’axe de référence zéro à l’instant 180^o, le taux de changement ou la pente de la tension d’alimentation sinusoïdale est à son maximum, mais dans une direction négative. Par conséquent, le courant s’écoulant dans le condensateur est également à son rythme maximum à cet instant. De plus, à ce point à 180^o, la différence de potentiel à travers les plaques est nulle car la quantité de charge est également répartie entre les deux plaques.

Ensuite, pendant ce premier demi-cycle de 0^o à 180^o, la tension appliquée atteint sa valeur maximale positive un quart (1/4ƒ) d’un cycle après que le courant atteigne sa valeur maximale positive. En d’autres termes, la tension appliquée à un circuit purement capacitif « RETARDE » le courant d’un quart de cycle ou 90^o comme montré ci-dessous.

Formes d’Onde Sinusoïdales pour la Capacitance AC

Comportement durant le Second Demi-Cycle

Dans le second demi-cycle de 180^o à 360^o, la tension d’alimentation inverse sa direction et se dirige vers sa valeur pic négatif à 270^o. À ce point, la différence de potentiel à travers les plaques n’augmente ni ne diminue et le courant diminue à zéro. La différence de potentiel à travers le condensateur est à sa valeur négative maximale, aucun courant ne s’écoule dans le condensateur et il devient entièrement chargé de la même manière qu’au point à 90^o mais dans la direction opposée.

Lorsque la tension d’alimentation négative commence à augmenter dans une direction positive vers le point 360^o sur la ligne de référence zéro, le condensateur complètement chargé doit maintenant perdre une partie de ses électrons excédentaires pour maintenir une tension constante comme auparavant et commence à se décharger jusqu’à ce que la tension d’alimentation atteigne zéro à 360^o, moment auquel le processus de charge et de décharge recommence.

Réactance Capacitive

Maintenant que nous savons que les condensateurs s’opposent aux changements de tension avec le flux d’électrons sur les plaques du condensateur étant directement proportionnel au taux de changement de tension à travers ses plaques lors de la charge et de la décharge. Contrairement à une résistance où l’opposition à l’écoulement du courant est sa résistance réelle, l’opposition à l’écoulement du courant dans un condensateur est appelée réactance.

Comme la résistance, la réactance se mesure en Ohms mais est représentée par le symbole X pour la distinguer d’une valeur purement résistive R. Étant donné que le composant en question est un condensateur, la réactance d’un condensateur est appelée réactance capacitive ( X_C ), qui est mesurée en Ohms.

Définition de la Réactance Capacitive

Étant donné que les condensateurs se chargent et se déchargent en fonction du taux de changement de tension qui les traverse, plus la tension change rapidement, plus le courant circulera. Inversement, plus la tension change lentement, moins le courant circulera. Cela signifie que la réactance d’un condensateur AC est « inversement proportionnelle » à la fréquence de l’alimentation comme illustré.

Relation entre Réactance Capacitive et Fréquence

La valeur de la réactance capacitive et donc son impédance globale (en Ohms) diminue vers zéro à mesure que la fréquence augmente, agissant comme un court-circuit. Inversement, à mesure que la fréquence tend vers zéro ou CC, la réactance du condensateur augmente à l’infini, agissant comme un circuit ouvert, raison pour laquelle les condensateurs bloquent la CC.

Effet de la Fréquence sur la Réactance Capacitive

Phasor Domain

Dans le domaine phasor, la tension à travers les plaques d’une capacité AC sera :

Conclusion

Dans un circuit de capacitance AC pur, la tension et le courant sont tous deux « hors phase », le courant précédant la tension de 90^o et nous pouvons nous souvenir de cela en utilisant l’expression mnémotechnique “ICE”.