Courant Direct ou D.C. comme on l’appelle plus couramment, est une forme de courant ou de tension électrique qui circule dans un circuit électrique dans une seule direction, en faisant un approvisionnement “unidirectionnel”.

En général, les courants et tensions DC sont produits par des alimentations, batteries, dynamos et cellules solaires, pour n’en nommer que quelques-uns. Une tension ou un courant DC a une magnitude (amplitude) fixe et une direction définie qui lui est associée. Par exemple, +12V représente 12 volts dans la direction positive, ou -5V représente 5 volts dans la direction négative.

Nous savons également que les alimentations DC ne changent pas de valeur par rapport au temps, elles sont une valeur constante circulant dans une direction stable et continue. En d’autres termes, le DC maintient la même valeur à tout moment et un approvisionnement DC unidirectionnel ne change jamais ou ne devient négatif à moins que ses connexions soient physiquement inversées. Un exemple d’un simple circuit DC ou courant direct est montré ci-dessous.

Circuit et Forme d’Onde DC

Une fonction alternative ou Forme d’Onde AC, en revanche, est définie comme une fonction qui varie à la fois en magnitude et en direction de manière plus ou moins égale par rapport au temps, ce qui en fait une forme d’onde “bidirectionnelle”. Une fonction AC peut représenter soit une source d’alimentation soit une source de signal, la forme de la forme d’onde AC suivant généralement celle d’un sinus mathématique, définie comme : A(t) = A_max*sin(2πƒt).

Le terme AC, ou pour lui donner sa description complète de Courant Alternatif, fait généralement référence à une forme d’onde variant dans le temps, la plus commune étant appelée Sinusoïde, mieux connue sous le nom de Forme d’Onde Sinusoïdale.

Les formes d’onde sinusoïdales sont généralement appelées par leur description courte comme Ondes Sinusoidales. Les ondes sinusoïdales sont de loin l’un des types de formes d’onde AC les plus importants utilisés en ingénierie électrique.

La forme obtenue en traçant les valeurs d’ordonnée instantanée de soit la tension soit le courant par rapport au temps s’appelle une Forme d’Onde AC. Une forme d’onde AC change constamment de polarité chaque demi-cycle, alternant entre une valeur maximale positive et une valeur maximale négative respectivement par rapport au temps, un exemple courant de cela étant l’alimentation domestique de tension que nous utilisons dans nos maisons.

Cela signifie alors que la Forme d’Onde AC est un “signal dépendant du temps”, le type le plus commun de signal dépendant du temps étant que de la Forme d’Onde Périodique. La forme d’onde périodique ou AC est le produit résultant d’un générateur électrique rotatif.

En général, la forme de toute forme d’onde périodique peut être générée en utilisant une fréquence fondamentale et en la superposant avec des signaux harmoniques de fréquences et amplitudes variées, mais c’est pour un autre tutoriel.

Les tensions et courants alternés ne peuvent pas être stockés dans des batteries ou cellules comme le courant continu (DC), il est beaucoup plus facile et moins cher de générer ces quantités en utilisant des alternateurs ou des générateurs de formes d’onde quand ils sont nécessaires.

Le type et la forme d’une forme d’onde AC dépendent du générateur ou de l’appareil qui les produit, mais toutes les formes d’onde AC consistent en une ligne de tension zéro qui divise la forme d’onde en deux moitiés symétriques. Les principales caractéristiques d’une Forme d’Onde AC sont définies comme suit :

Caractéristiques de la Forme d’Onde AC

• • La Période, (T) est la longueur de temps en secondes que la forme d’onde met à se répéter de son début à sa fin. Cela peut également être appelé le Temps Périodique de la forme d’onde pour les ondes sinusoïdales, ou la Largeur de Pulsation pour les ondes carrées.
• • La Fréquence, (ƒ) est le nombre de fois que la forme d’onde se répète dans une période de temps d’une seconde. La fréquence est le réciproque du temps de période, ( ƒ = 1/T ) avec l’unité de fréquence étant le Hertz, (Hz).
• • L’Amplitude (A) est la magnitude ou l’intensité du signal de la forme d’onde mesurée en volts ou en ampères.

Dans notre tutoriel sur les Formes d’Onde, nous avons examiné différents types de formes d’onde et avons dit que “Les Formes d’Onde sont fondamentalement une représentation visuelle de la variation d’une tension ou d’un courant tracé sur une base de temps”.

En général, pour les formes d’onde AC, cette ligne de base horizontale représente une condition zéro de tension ou de courant. Toute partie d’une forme d’onde de type AC qui se trouve au-dessus de l’axe zéro horizontal représente une tension ou un courant circulant dans une direction.

De même, toute partie de la forme d’onde qui se trouve en dessous de l’axe zéro horizontal représente une tension ou un courant circulant dans la direction opposée à la première. En général, pour les formes d’onde AC sinusoïdales, la forme de la forme d’onde au-dessus de l’axe zéro est la même que celle en dessous. Cependant, pour la plupart des signaux AC non puissants, y compris les formes d’onde audio, cela n’est pas toujours le cas.

Les signaux de forme d’onde périodique les plus communs utilisés en ingénierie électrique et électronique sont les Formes d’Onde Sinusoïdales. Cependant, une forme d’onde AC alternée peut ne pas toujours prendre la forme d’une forme lisse centrée autour de la fonction sinus ou cosinus trigonométrique. Les formes d’onde AC peuvent également prendre la forme de Vagues Complexes, Vagues Carrées ou Vagues Triangulaires, comme le montre ce qui suit.

Types de Forme d’Onde Périodique

Le temps pris par une Forme d’Onde AC pour compléter un motif complet de sa moitié positive à sa moitié négative et revenir à sa ligne de base zéro est appelé un Cycle et un cycle complet contient à la fois une demi-cycle positive et une demi-cycle négative. Le temps pris par la forme d’onde pour compléter un cycle complet est appelé le Temps Périodique de la forme d’onde, et est donné le symbole “T”.

Le nombre de cycles complets produits en une seconde (cycles/seconde) est appelé la Fréquence, symbole ƒ de la forme d’onde alternée. La fréquence est mesurée en Hertz, ( Hz ), nommée d’après le physicien allemand Heinrich Hertz.

Nous pouvons alors voir qu’il existe une relation entre les cycles (oscillations), le temps périodique et la fréquence (cycles par seconde). Donc, s’il y a ƒ nombre de cycles en une seconde, chaque cycle individuel doit prendre 1/ƒ secondes pour se compléter.

Relation entre Fréquence et Temps Périodique

Exemple de Forme d’Onde AC No1

1. Quelle est la période, (T) d’une forme d’onde sinusoïdale de 50Hz ? 2. Quelle sera la fréquence oscillante d’une forme d’onde ayant une période de 10mS ?

1. Temps Périodique

2. Fréquence

La fréquence était autrefois exprimée en “cycles par seconde”, abrégé en “cps”, mais aujourd’hui, elle est spécifiée de manière plus courante en unités appelées “Hertz”. Pour une alimentation domestique, la fréquence sera soit de 50Hz soit de 60Hz selon le pays et est fixée par la vitesse de rotation du générateur. Mais un hertz est une unité très petite, donc des préfixes sont utilisés pour indiquer l’ordre de grandeur de la forme d’onde à des fréquences supérieures telles que kHz, MHz et même GHz.

Définition des Préfixes de Fréquence

Amplitude d’une Forme d’Onde AC

En plus de connaître soit le temps périodique soit la fréquence de la quantité alternée, un autre paramètre important de la forme d’onde AC est Amplitude, mieux connue sous le nom de valeur Maximum ou Crête représentée par les termes, Vmax pour la tension ou Imax pour le courant.

La valeur crête est la plus grande valeur soit de tension soit de courant que la forme d’onde atteint durant chaque demi-cycle mesurée depuis la ligne de base zéro. Contrairement à une tension ou un courant DC qui a un état stable et qui peut être mesuré ou calculé en utilisant La loi d’Ohm, une quantité alternée change constamment de valeur au fil du temps.

Pour des formes d’onde sinusoïdales pures, cette valeur crête sera toujours la même pour les deux demi-cycles ( +Vm = -Vm ), mais pour des formes d’onde non sinusoïdales ou complexes, la valeur crête maximale peut être très différente pour chaque demi-cycle.

Parfois, des formes d’onde alternées sont données une valeur pic-à-pic, Vp-p, et cela est simplement la distance ou la somme en tension entre la valeur maximale, +Vmax, et la valeur minimale, -Vmax, pendant un cycle complet.

La Valeur Moyenne d’une Forme d’Onde AC

La valeur moyenne ou la moyenne d’une tension DC continue sera toujours égale à sa valeur maximale, car une tension DC est constante. Cette valeur moyenne ne changera que si le cycle de service de la tension DC change. Dans une onde sinusoïdale pure, si la valeur moyenne est calculée sur le cycle complet, la valeur moyenne serait égale à zéro car les moitiés positive et négative s’annuleront. Ainsi, la valeur moyenne ou moyenne d’une forme d’onde AC est calculée ou mesurée sur uniquement un demi-cycle et cela est montré ci-dessous.

Valeur Moyenne d’une Forme d’Onde Non-Sinusoïdale

Pour trouver la valeur moyenne de la forme d’onde, nous devons calculer l’aire sous la forme d’onde en utilisant la règle du milieu, la règle trapézoïdale ou la règle de Simpson que l’on retrouve couramment en mathématiques. L’aire approximative sous toute forme d’onde irrégulière peut être facilement trouvée en utilisant simplement la règle du milieu.

La ligne de base de l’axe zéro est divisée en un nombre d’égalités quelconques, et dans notre exemple simple ci-dessus, cette valeur était de neuf, ( V₁ à V₉ ). Plus il y a de lignes ordinates dessinées, plus il sera précis le dernier résultat ou la valeur moyenne. La valeur moyenne sera la somme de toutes les valeurs instantanées additionnées puis divisées par le nombre total. Cela est donné comme.

Valeur Moyenne d’une Forme d’Onde AC

Où : n égal au nombre actuel d’ordonnées utilisées.

Pour une forme d’onde sinusoïdale pure, cette valeur moyenne ou moyenne sera toujours égale à 0.637*V_max, et cette relation est également valide pour les valeurs moyennes du courant.

La Valeur RMS d’une Forme d’Onde AC

La valeur moyenne d’une forme d’onde AC que nous avons calculée ci-dessus comme étant 0,637*V_max n’est PAS la même valeur que nous utiliserions pour une alimentation DC. Cela est dû au fait qu’à la différence d’une alimentation DC qui est constante et d’une valeur fixe, une forme d’onde AC change constamment au fil du temps et n’a pas de valeur fixe. Ainsi, la valeur équivalente pour un système de courant alternatif qui fournit la même quantité de puissance électrique à une charge qu’un circuit équivalent en DC est appelée la “valeur effective”.

La valeur effective d’une onde sinusoidale produit le même effet thermique de I²*R dans une charge que nous nous attendrions à voir si la même charge était alimentée par une alimentation DC constante. La valeur effective d’une onde sinusoidale est plus couramment connue sous le nom de Racine Moyenne Élevée ou simplement RMS, car elle est calculée comme la racine carrée de la moyenne (moyenne) du carré de la tension ou du courant.

C’est-à-dire que V_rms ou I_rms est donné comme la racine carrée de la moyenne de la somme de toutes les valeurs d’ordonnées carrées de l’onde sinusoïdale. La valeur RMS pour toute forme d’onde AC peut être trouvée à partir de la formule de valeur moyenne modifiée suivante comme montré.

Valeur RMS d’une Forme d’Onde AC

Où : n égal au nombre d’ordonnées.

Pour une forme d’onde sinusoïdale pure, cette valeur effective ou RMS sera toujours égale à : 1/√2*V_max, ce qui est égal à 0.707*V_max, et cette relation est vraie pour les valeurs RMS de courant. La valeur RMS pour une forme d’onde sinusoïdale est toujours supérieure à la valeur moyenne sauf pour une forme d’onde rectangulaire. Dans ce cas, l’effet thermique reste constant donc les valeurs moyenne et RMS seront les mêmes.

Un dernier commentaire à propos des valeurs RMS. La plupart des multimètres, numériques ou analogiques, sauf indication contraire, mesurent uniquement les valeurs RMS de tension et de courant et non la moyenne. Par conséquent, lors de l’utilisation d’un multimètre sur un système de courant continu, la lecture sera égale à I = V/R, et pour un système de courant alternatif, la lecture sera égale à Irms = Vrms/R.

De plus, sauf pour les calculs de puissance moyenne, lors du calcul des valeurs RMS ou crête, n’utilisez que V_RMS pour trouver les valeurs I_RMS, ou la tension crête, Vp pour trouver les valeurs de courant crête, Ip. Ne les mélangez pas car les valeurs moyenne, RMS ou Crête d’une onde sinusoïdale sont complètement différentes et vos résultats seront définitivement incorrects.

Facteur de Forme et Facteur de Crête

Bien que peu utilisé de nos jours, les deux Facteur de Forme et Facteur de Crête peuvent être utilisés pour donner des informations sur la forme réelle de la forme d’onde AC. Le Facteur de Forme est le rapport entre la valeur moyenne et la valeur RMS et est donné comme suit.

Pour une forme d’onde sinusoïdale pure, le Facteur de Forme sera toujours égal à 1.11. Le Facteur de Crête est le rapport entre la valeur RMS et la valeur Crête de la forme d’onde et est donné comme.

Pour une forme d’onde sinusoïdale pure, le Facteur de Crête sera toujours égal à 1.414.

Exemple de Forme d’Onde AC No2

Un courant alternatif sinusoïdal de 6 ampères traverse une résistance de 40Ω. Calculez la tension moyenne et la tension crête de l’alimentation.

La valeur de la tension RMS est calculée comme suit :

La valeur de la tension moyenne est calculée comme suit :

La valeur de la tension Crête est calculée comme suit :

L’utilisation et le calcul des valeurs Moyenne, RMS, Facteur de Forme et Facteur de Crête peuvent également être appliqués à tout type de forme d’onde périodique, y compris Triangulaire, Carrée, en Dent de Scie ou toute autre forme de tension/courant irrégulière ou complexe. La conversion entre les différentes valeurs sinusoïdales peut parfois être déroutante, donc le tableau suivant fournit un moyen pratique de convertir une valeur de onde sinusoïdale à une autre.

Tableau de Conversion de Forme d’Onde Sinusoïdale

Dans le prochain tutoriel sur les Formes d’Onde Sinusoïdales, nous examinerons le principe de génération d’une forme d’onde AC sinusoïdale (une sinusoïde) ainsi que sa représentation à vitesse angulaire.