La capacité dans les circuits AC entraîne un courant dépendant du temps qui est décalé de phase de 90^o par rapport à la tension d’alimentation, produisant un effet connu sous le nom de réactance capacitive.

Lorsque des condensateurs sont connectés à une tension d’alimentation en courant continu (DC), leurs plaques se chargent jusqu’à ce que la valeur de la tension à travers le condensateur soit égale à celle de la tension appliquée extérieurement. Le condensateur conserve cette charge indéfiniment, agissant comme un dispositif de stockage temporaire tant que la tension appliquée est maintenue.

Au cours de ce processus de chargement, un courant électrique ( i ) pénètre dans le condensateur, ce qui fait que ses plaques commencent à accumuler une charge électrostatique. Ce processus de chargement n’est pas instantané ou linéaire, car la force du courant de chargement est à son maximum lorsque les plaques du condensateur ne sont pas chargées, diminuant de manière exponentielle au fil du temps jusqu’à ce que le condensateur soit complètement chargé.

Cela est dû au fait que le champ électrostatique entre les plaques s’oppose à toute variation de la différence de potentiel entre les plaques à un rythme égal au taux de variation de la charge électrique sur les plaques. La propriété d’un condensateur à stocker une charge sur ses plaques est appelée sa capacité (C).

Ainsi, le courant de chargement d’un condensateur peut être défini comme : i = CdV/dt. Une fois que le condensateur est “entièrement chargé”, il bloque le flux de nouveaux électrons sur ses plaques car celles-ci sont saturées. Cependant, si nous appliquons un courant alternatif (AC), le condensateur se chargera et se déchargera alternativement à un rythme déterminé par la fréquence de l’alimentation. Ainsi, la capacité dans les circuits AC varie avec la fréquence, car le condensateur est constamment chargé et déchargé.

Nous savons que le flux d’électrons sur les plaques d’un condensateur est directement proportionnel à la vitesse de variation de la tension à travers ces plaques. Nous pouvons donc constater que pour la capacité dans les circuits AC, ils aiment laisser passer le courant lorsque la tension à travers ses plaques est constamment changée par rapport au temps, comme dans les signaux AC.

Cependant, ils n’aiment pas laisser passer le courant lorsque la tension appliquée est à une valeur constante stable, comme dans les signaux DC. Considérez le circuit ci-dessous.

Circuit Capaciteur AC

Dans le circuit purement capacitif ci-dessus, le condensateur est connecté directement à la tension d’alimentation AC. À mesure que la tension d’alimentation augmente et diminue, le condensateur se charge et se décharge en fonction de ce changement. Nous savons que le courant de chargement est directement proportionnel à la vitesse de changement de la tension à travers les plaques, avec cette vitesse de changement à son maximum lorsque la tension d’alimentation passe de son demi-cycle positif à son demi-cycle négatif ou vice versa, aux points 0^o et 180^o le long de l’onde sinusoïdale.

En conséquence, la vitesse de variation de la tension minimale se produit lorsque l’onde sinusoïdale traversée atteint son pic positif maximum ( +V_MAX ) et son pic négatif minimum, ( -V_MAX ). À ces deux positions dans le cycle, la tension sinusoïdale est constante, donc sa vitesse de changement est nulle, alors dv/dt est nul, ce qui entraîne un changement de courant nul dans le condensateur. Ainsi, lorsque dv/dt = 0, le condensateur agit comme un circuit ouvert, donc i = 0, comme illustré ci-dessous.

Diagramme de Phasor du Condensateur AC

À 0^o, la vitesse de changement de la tension d’alimentation augmente dans une direction positive, résultant en un courant de charge maximum à cet instant. Lorsque la tension appliquée atteint sa valeur de pic maximum à 90^o, pendant un très bref instant, la tension d’alimentation n’augmente ni ne diminue, donc aucun courant ne circule dans le circuit.

À mesure que la tension appliquée commence à diminuer vers zéro à 180^o, la pente de la tension est négative, donc le condensateur se décharge dans la direction négative. Au point de 180^o le long de la ligne, la vitesse de changement de la tension est à nouveau maximale, donc un courant maximal circule à cet instant, et ainsi de suite.

Nous pouvons donc dire que pour les condensateurs dans les circuits AC, le courant instantané est à son minimum ou à zéro chaque fois que la tension appliquée est à son maximum, et, de même, la valeur instantanée du courant est à son maximum ou à son pic lorsque la tension appliquée est à son minimum ou à zéro.

À partir de l’onde ci-dessus, nous pouvons voir que le courant devance la tension d’un quart de cycle ou de 90^o, comme le montre le diagramme vectoriel. Nous pouvons alors dire que dans un circuit purement capacitif, la tension alternative retarde le courant de 90^o.

Nous savons que le courant circulant à travers la capacité dans les circuits AC s’oppose à la vitesse de changement de la tension appliquée. Mais tout comme les résistances, les condensateurs offrent également une certaine forme de résistance au flux de courant. Pour les condensateurs dans les circuits AC, l’opposition est connue sous le nom de Réactance, et comme nous traitons des circuits de condensateurs, elle est donc connue sous le nom de Réactance Capacitive. Ainsi, la capacité dans les circuits AC souffre de Réactance Capacitive.

Capacité dans les Circuits AC – Réactance

Réactance Capacitive dans un circuit purement capacitif est l’opposition au flux de courant dans les circuits AC seulement. Comme la résistance, la réactance est également mesurée en Ohms, mais elle est symbolisée par X pour la distinguer d’une valeur purement résistive. Comme la réactance est une quantité qui peut également être appliquée aux inducteurs ainsi qu’aux condensateurs, lorsqu’elle est utilisée avec des condensateurs, elle est plus communément connue sous le nom de Réactance Capacitive.

Pour les condensateurs dans les circuits AC, la réactance capacitive est symbolisée par Xc. Nous pouvons alors réellement dire que Réactance Capacitive est une valeur résistive du condensateur qui varie avec la fréquence. De plus, la réactance capacitive dépend de la capacité du condensateur en Farads ainsi que de la fréquence de l’onde AC, et la formule utilisée pour définir la réactance capacitive est donnée comme suit :

Réactance Capacitive

Où : F est en Hertz et C est en Farads. 2πƒ peut également être exprimé collectivement par la lettre grecque Oméga, ω pour désigner une fréquence angulaire.

À partir de la formule de réactance capacitive ci-dessus, on peut voir que si l’une des Fréquences ou de la Capacité devait être augmentée, la réactance capacitive globale diminuerait. À mesure que la fréquence tend vers l’infini, la réactance des condensateurs diminuerait à zéro, agissant comme un conducteur parfait.

Cependant, à mesure que la fréquence tend vers zéro ou DC, la réactance des condensateurs augmenterait jusqu’à l’infini, agissant comme une très grande résistance. Cela signifie alors que la réactance capacitive est « Inversément proportionnelle » à la fréquence pour toute valeur donnée de Capacitance, comme montré ci-dessous :

Réactance Capacitive par rapport à la Fréquence

La réactance capacitive du condensateur diminue à mesure que la fréquence augmente, donc la réactance capacitive est inversément proportionnelle à la fréquence.

L’opposition au flux de courant, la charge électrostatique sur les plaques (sa valeur de capacité AC) reste constante car il devient plus facile pour le condensateur d’absorber complètement le changement de charge sur ses plaques durant chaque demi-cycle.

De plus, à mesure que la fréquence augmente, le courant circulant à travers le condensateur augmente en valeur car la vitesse de changement de la tension à travers ses plaques augmente.

Nous pouvons donc voir qu’avec le DC un condensateur a une réactance infinie (circuit ouvert), à des fréquences très élevées, un condensateur a une réactance nulle (court-circuit).

Capacité dans les Circuits AC Exemple No1

Trouver le courant efficace circulant dans un circuit capacitif AC lorsqu’un condensateur de 4μF est connecté à une alimentation de 880V, 60Hz.

Dans les circuits AC, le courant sinusoïdal à travers un condensateur, qui devance la tension de 90^o, varie avec la fréquence car le condensateur est constamment chargé et déchargé par la tension appliquée. L’impédance AC d’un condensateur est connue sous le nom de Réactance et, comme nous travaillons avec des circuits de condensateurs, elle est plus communément appelée Réactance Capacitive, X_C

Capacité dans les Circuits AC Exemple No2

Lorsqu’un condensateur à plaques parallèles a été connecté à une alimentation AC de 60Hz, on a constaté qu’il avait une réactance de 390 ohms. Calculez la valeur du condensateur en microfarads.

Cette réactance capacitive est inversément proportionnelle à la fréquence et produit l’opposition au flux de courant autour d’un circuit capacitif AC, comme nous l’avons vu dans le tutoriel sur la capacité AC dans la section Théorie AC.