La charge et décharge d'un condensateur est un phénomène électrique dynamique correspondant au transfert d'une charge électrique existant entre les bornes d'un condensateur et le reste du circuit. Ce phénomène est utilisé dans toute l'électronique analogique.
Historiquement développé en premier dans les circuits électriques, l'effet de charge-décharge d'un condensateur a lieu dans les circuits d'alimentation en énergie des moteurs électriques et dans les circuits électriques des moteurs thermiques ayant des bougies d'allumage.
La charge et décharge de condensateur n'est pas utilisée dans l'électronique logique-arithmétique.
Montages électriques
Considérons un condensateur inséré dans un circuit avec un dipôle ohmique, une résistance. Il est préalablement chargé dans un circuit de courant. En courant continu, il se comporte comme un petit accumulateur chargé rapidement. En courant alternatif, on parle alors de réactance capacitive très rapide produisant un déphasage.. La fermeture du circuit de décharge, qui peut être faite par un boîtier logique, permet le passage d’un courant au travers de la résistance, permettant progressivement de mettre quasiment à l'identique les charges respectives des deux bornes du condensateur, sans plus qu'un effet ohmique résiduel.
Équations
Les fonctions qui modélisent l'évolution de la tension aux bornes du condensateur sont obtenues en résolvant des équations différentielles d’ordre 1. Ces équations lient l'intensité du courant à la tension aux bornes du condensateur lors des phases de charge et de décharge.
Soit la capacité du condensateur, la résistance, la tension aux bornes du générateur (non représentée sur le schéma ci-dessus) et la tension aux bornes du condensateur en fonction du temps. Soit où est la constante de temps du circuit. Une modification de agit en proportion sur .
Dans le système international d'unités, est exprimé en farads (), en ohms () et en secondes ().
Cas de la charge
Le condensateur est supposé initialement déchargé, soit . Une source de tension E est ensuite appliquée aux bornes du circuit comportant le condensateur et une résistance .
La tension aux bornes du condensateur à chaque instant est alors donnée par l'expression suivante :
Cas de la décharge
Le condensateur est supposé initialement chargé, autrement dit . On connecte ensuite une résistance sur ses deux bornes, permettant ainsi le passage du courant entre ces dernières et donc un moyen de décharger le condensateur.
La tension aux bornes du condensateur à chaque instant est alors donnée par l'expression suivante :
Courbe de décharge
Comme le montre l'équation caractérisant , la décharge est une exponentielle décroissante.
Représentée sur des axes normalisés, cette courbe possède les caractéristiques suivantes :
la tangente à l'origine de l'exponentielle coupe la valeur limite (ici ) en ;
.
Le régime est généralement considéré comme étant permanent au-delà de .
On peut ainsi considérer deux phases chronologiques de la décharge : régime transitoire : entre et ; régime permanent : au-delà de .
Application anti-remous
Un exemple d'application de la décharge d'un condensateur à travers une résistance est le capteur anti-remous.
Le capteur ouvre ou ferme un contact en la présence d'eau à un certain niveau d'une cuve. Lors de certains remous du fluide stocké, une commutation intempestive de ce capteur peut se produire. Ces changements d'états peuvent poser soucis si la sortie de ce montage est utilisé sur un circuit numérique tel qu'un Automate programmable industriel
La solution consiste à temporiser la sortie du capteur en intercalant un circuit RC entre le contact et la sortie numérique.
Une telle solution peut être présentée comme ceci :
Dès lors que le contact change d'état, le condensateur va démarrer un cycle de charge ou décharge, selon l'état précédent. Si un deuxième changement se produit rapidement, la tension n'aura que peu évoluée aux bornes du condensateur. Cela élimine donc les changements trop rapides d'états.
Pour compléter ce circuit, un amplificateur opérationnel monté en comparateur à hystérésis permet de différencier les niveaux logiques auxquels la sortie passe de l'état actif à inactif. Cela augmente encore le délai, en effet la variation de tension se doit d'être plus importante pour provoquer un changement d'état de la sortie.
Applications de l'effet de charge-décharge
L'effet de charge-décharge sert au filtrage et à la régulation du courant électrique dans les circuits électriques. Les condensateurs réduisent les variations de tension et éliminent des bruits électriques parasites pour fournir un usage sans perturbations des appareils électroniques faisant partie de l'électroménager domestique ou des appareils du secteur professionnel comme celui du domaine médical ou de l'automobile.. Ces appareils sont classés en catégories selon leur récupération pour un recyclage après leur mise hors d'usage, ils sont calibrés en fonction de la charge obtenue selon le potentiel d'usage4.8 kV max. . et la fréquence d'utilisation avec la résistance série équivalente et l'inductance série équivalente selon la température ambiante.
Le principe de l'étincelle dans les circuits électriques des moteurs thermiques essence-gaz ayant des bougies d'allumage : Le condensateur est mis dans le circuit de haute tension excitée par le créneau de courant continu basse tension généré avec les têtes de rupteur(s) rotatifs mécaniques avant 1990..Le condensateur « mange l'étincelle usant les vis platinées » .. Ces condensateurs fabriqués en série ont une capacité de charge les plus importantes de toutes.
La correction du facteur de puissance dans l’industrie : Dans les systèmes électriques industriels, la présence de condensateurs permet de corriger le facteur de puissance. En réduisant les pertes d’énergie, ces condensateurs contribuent à optimiser la consommation électrique et à réduire les coûts énergétiques pour les entreprises industrielles.
Le fonctionnement des moteurs électriques : Les moteurs électriques utilisent souvent des condensateurs pour démarrer et fonctionner correctement. Le condensateur de démarrage aide notamment à fournir le couple initial nécessaire pour lancer le moteur, un élément clé pour des appareils comme les compresseurs de réfrigérateurs, les ventilateurs ou les machines à laver. Un condensateur est utilisé dans le circuit d'alimentation d'énergie du stator des moteurs électriques asynchrones lorsqu'il fonctionne en générateur : cependant cela présente le risque de réjection de courant déphasé sur le réseau tarifé avec application d'un surcoût par le distributeur, et risque d'usure important des composants de la machine....
Le fonctionnement des fours à induction de très forte puissance : Les condensateurs à film diélectrique supportant un film métallique (à refroidissement par air ou ventilés ou bien par eau) sont fabriqués sur mesure pour les fours industriels de « chauffage/fusion à induction », pour soudure d'éléments conducteurs. Ces fours utilisent généralement une « bobine d'induction et des condensateurs résonants montés en parallèle. ».
Notes et références
Voir aussi
Condensateur Résistance (électricité) Source de tension Filtre (électronique) Bascule de Schmitt à signaux carrés pour Amplificateur opérationnel à portes logiques ET OU etc. (qui furent les premiers éléments d'ordinateurs (env. 1940). Alimentation capacitive TSF accord de fréquence par condensateur variable à air avec bobine tambour.
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