CHARGE ET DECHARGE DU CONDENSATEUR, DIPÔLE RC

Document source : http://perso.orange.fr/physique.chimie/


1- RELATIONS FONDAMENTALES POUR UN CONDENSATEUR

condensateur

L’application de la tension U génère un champ électrostatique de valeur E dans l’espace entre les armatures .Le vecteur E est normal aux armatures et orienté dans le sens des potentiels décroissants.

Unités :U(V), d(m), E(V.m-1)


La capacité C du condensateur s’exprime en Farad (F). Elle est définie par la relation

qA = C uAB.    {unités SI : q©, C(F), u(V)}

 

A tout instant, les charges des 2 armatures sont opposées : qA=-qB

 

Compte tenu de la relation précédente, l’intensité instantanée du courant dans les

branches d’alimentation du condensateur est:

 


Cette relation  relie l'intensité du courant a la tension. Elle montre que l’intensité est à chaque instant proportionnelle au coefficient directeur de la tangente à u(t).Ainsi l’allure de i(t) peut être déduite facilement de celle de u(t).

L'énergie potentielle électrostatique stockée par un condensateur chargé est donnée par la relation :

 

Remarque :

· Des électrons arrivent sur une armature pendant que d'autres quittent l'autre armature. Ces électrons ne traversent pas le diélectrique qui est isolant.

· D'après la relation précédente, si la tension uAB est constante alors l'intensité du courant iAB = C duAB / dt est nulle.


2- DIPÔLE RC – ETUDE EXPERIMENTALE – CONSTANTE DE TEMPS t = RC

 
2.1- Etude expérimentale de la charge sous tension constante d’un condensateur à travers une résistance R

circuit charge

Le générateur délivre une tension constante égale à E .

Lorsqu’on relie l’interrupteur K à P le condensateur se charge en fonction du temps. Pendant le régime transitoire, la tension uAB croît selon une fonction exponentielle

. Quand le régime permanent est atteint, la tension uAB est constante et égale à E et l’intensité du courant est nulle

 

 

 

 condensateur_courbe_charge

 

La constante de temps t d’un dipôle RC est le temps pour lequel la tangente à l’origine coupe l’asymptote horizontale. Elle caractérise la rapidité de la charge. On montreque

t = RC  {t(s), R (W) , C(F) }

Cette expression de t est bien homogène a une durée, en effet, d’après les relations précédentes l’unité de C est A.s.V-1, celle de R est V.A-1 (d’après la loi d’ohm) et donc l’unité du produit RC après simplification  est bien s (seconde).

L’application de l’expression  uAB(t) permet d’écrire :

- Si to = 0 s alors uAB = E ( 1 - exp - 0 ) = E ( 1 - 1 ) = 0 V

- Si t1 = t alors uAB = E ( 1 - exp - 1 ) = 0,63 E = 63 V

- Si t2 = 5 t alors uAB = E ( 1 - exp - 5 ) = 0,993 E = 99,3 V

- Si t tend vers l'infini alors uAB tend vers E = 100 V

Retenons qu’au bout d’un temps égal à la constante t = RC la charge a atteint 63 % de sa valeur limite et qu'au bout d'un temps de 5 t, la charge a dépassé 99 pour cent de sa valeur limite.


2.2- Etude expérimentale de la décharge d’un condensateur à travers une résistance R.

Condensateur_montage_decharge

Lorsqu’on relie l’interrupteur K à D le condensateur, initialement chargé, se décharge à travers la résistance en fonction du temps.

 Pendant le régime transitoire, la tension uAB décroît.

Quand le régime permanent est atteint, la tension uAB devient constante (nulle) et l’intensité du courant est nulle.

Condensateur_courbe_decharge

La constante de temps t d’un dipôle RC est le temps pour lequel la tangente à la date t = 0 coupe l’asymptote UAB = 0. Elle caractérise la rapidité de la décharge. On montre que t = RC .a la même expression que pour la charge.

Pour étudier l’influence de R et C sur la charge et la décharge, cliquer sur le lien :            

Simulation de la charge et de la décharge


3-ENERGIE EMMAGASINEE DANS UN CONDENSATEUR :

A la date t, la charge de l’armature du condensateur est q, la tension u=q/C et l’intensité du courant de charge i.

Entre t et t+dt, le condensateur  emmagasine l’énergie élémentaire :

dE=u.i.dt=u.(dq/dt).dt=u.dq

représentée par l’aire de la surface hachurée. (voir figure ci-dessous).

 

énergie condensateur

En fin de charge, la tension est U et la charge de l’armature Q. L’énergie emmagasinée est égale à la somme des aires des surfaces élémentaires  hachurées, c'est-à-dire à l’aire du triangle AOB, soit :                              

Avec E(J) ; C(F) ; U(V) ; Q©

4- QUELQUES APPLICATIONS DES CONDENSATEURS :

Elles sont très nombreuses, voici quelques exemples…..

1-condensateur de lissage (ou de filtrage) :

Nous trouvons ce type de montage dans toutes les alimentations stabilisées de nos appareils électroniques !

exo_condo_courbes.gif (5675 octets)Le pont de diodes D1, D2, D3, D4 permet de « redresser » le courant alternatif  par un courant positif mais non constant. Le condensateur de grande capacité  limite les variations de la tension (lissage) et donc du courant à la sortie. Il faut ajouter à ce montage encore un composant stabilisateur non représenté pour que la tension reste constante lorsque l’alimentation débite son courant. 

exo_pont_de_diode1.gif (5431 octets)

m

exo_condo_allumage_progressif.gif (4354 octets)2-Circuit de temporisation ou « minuterie »:

 

En position « ON » le condensateur se charge à travers la résistance R1, la tension Vc augmente jusqu’à un seuil qui déclenche le fonctionnement du transistor T .La lampe s’allume alors au bout d’un temps qui dépend de  la constante de temps R1.C  .En position « OFF » le condensateur se décharge, la lampe reste allumée tant que Vc  est supérieure au seuil. La aussi, la durée de temporisation dépend de la constante de temps.

 

3-Flash électronique :

La tension délivrée par les piles (typiquement 6 V) est convertie en tension alternative V1 par un hacheur, cette tension est élevée dans un rapport de 1 :50 par le transformateur Tr1, puis redressée (V2) pour charger le condensateur C1.

Cette tension se retrouve aux bornes du tube à éclat Te. Pendant que C1 se charge à quelques 300V, le condensateur C2, de plus faible capacité se charge à une fraction de cette tension  grâce au pont diviseur de R1 et R2.

 

flash

Quand on ferme momentanément K, C2 se décharge brutalement dans l’enroulement primaire du transformateur du transfo d’impulsion Tr2.Ce dernier possédant un rapport de transformation de 1 :36, une très haute tension(10.000V) est engendrée dans l’enroulement secondaire reliée à l’électrode extérieure du tube Te.

La très haute tension provoque l’ionisation des molécules de xénon et par conséquent une baisse de la résistance entre les électrodes A et K.

Le condensateur C1 se décharge alors brusquement dans le tube provoquant l’émission d’un éclair lumineux très intense.

Quand C1 s’est déchargé, le tube revient à une résistance interne très élevée autorisant la recharge de C1 et C2 (le contact K étant ouvert à nouveau). On est alors prêt pour un nouveau cycle.

 

 

    FFFL

    FFF

 

 

 

 

3333333-n


 

 

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