Types de circuits de courant alternatifs, applications, exemples

Les Circuits de courant alternatif soit Circuits CA Ils se composent de combinaisons d'éléments résistifs, inductifs et capacitifs, combinés à une autre source de tension, qui est généralement sinusoïdale.

Lors de l'application de la tension, un courant variable est établi pendant une courte période, appelé courant transitoire, qui cède la place au courant stationnaire sinusoïdal.

Un circuit de courant alternatif

Le courant sinusoïdal a des valeurs qui alternent entre positives et négatives, passant à des intervalles réguliers déterminés par une fréquence précédemment établie. La forme du courant est exprimée comme suit:

I (t) = i_m Sen (ωt --φ)

Où je_m C'est le courant ou l'amplitude maximale du courant, ω est la fréquence, t C'est le temps et φ la différence de phase. Les unités couramment utilisées pour le courant sont les amplis (a) et ses sous-mameriques, comme le Milliamperium et le microamperium.

Pour sa part, le temps est mesuré en quelques secondes, car la fréquence est le Hertzios ou Hertz, abrégé Hz, tandis que la différence de phase est un angle qui est généralement mesuré en radians, bien qu'il se produit parfois en degrés. Ni ceux ni les radians ne sont considérés comme des unités.

Symbole utilisé pour une autre source de tension

Souvent, la tension alternative est symbolisée par l'onde à l'intérieur du cercle, pour la différencier de la tension directe, symbolisée par les deux lignes inégales et parallèles.

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Types de circuits de courant alternatifs

Il existe de nombreux types de circuits de courant alternatifs, à commencer par les circuits les plus simples illustrés dans la figure suivante. De gauche à droite, ils ont:

-Respect avec résistance r

-Circuit avec bobine l

-Circuit avec condensateur c.

De gauche à droite: circuit de capacité résistif, inductif et final. Source: F. Zapata.

Circuit avec élément résistif

Dans le circuit avec une résistance R connectée à une autre source de tension, la tension de résistance est V_R = V_m Sen ωt. Par la loi ohm, qui est également valable pour les circuits purement résistifs du courant alternatif:

V_R = I_R∙ R

Par conséquent, le courant maximum i_m = V_m / R.

Le courant et la tension sont en phase, ce qui signifie qu'ils atteignent leurs valeurs maximales, ainsi que 0, en même temps.

Dans un circuit de courant alternatif purement résistif, le courant et la résistance sont en phase. Source: F. Zapata.

Circuit d'élément inductif

Dans la bobine l, la tension est V_L = V_m Sen ωt et est lié au courant dans l'inductance par l'équation:

En intégrant:

Pour les propriétés des raisons trigonométriques, je_L Il est écrit en termes de péché ωt comme:

Toi_L = I_m péché (ωt - ½ π)

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Ensuite, la tension et le courant sont obsolètes, ce dernier a retardé ½ π = 90º par rapport à la tension (le courant commence avant, étant t = 0 s le point de départ). Ceci est vu dans la figure suivante par rapport à la sinusoïde de i_L Et celui de V_L:

Tension alternative et courant dans un circuit de courant alternatif purement inductif. Source: F. Zapata.

Réactance inductive

La réactance inductive est définie comme x_L = Ωl, augmente fréquemment et a des dimensions de résistance, par conséquent, par analogie avec la loi d'Ohm:

V_L = I_L ∙ x_L

Circuit avec élément capacitif

Pour un Casser C connecté à une source de courant alternative, il est accompli que:

Q = C ∙ V_C = C ∙ V_m Sen ωt

Le courant dans le condenseur tire la charge par rapport au temps:

Toi_C= ωc ∙ v_m cos ωt

Mais cos ωt = sin (ωt + ½ π), alors:

Toi_C = Ωcv_m péché (ωt + ½ π)

Dans ce cas, le courant avance à la tension en ½ π, comme on peut le voir à partir du graphique.

Tension et courant dans le circuit alternatif avec un élément purement capacitif. Source: F. Zapata.

Réactance capacitive

La réactance capacitive peut être écrite x_C = 1 / ΩC, diminue avec la fréquence et a également des unités de résistance, c'est-à-dire des ohms. De cette façon, la loi d'Ohm est comme ceci:

V_C = X_C.Toi_C

Applications

Michael Faraday (1791-1867) a été le premier à obtenir un courant qui a périodiquement changé sa signification, à travers ses expériences d'induction, bien qu'au début, seul le courant direct ait été utilisé.

À la fin du XIXe siècle, la guerre des courants bien connue s'est produite, entre Thomas. Edison, défenseur de l'utilisation du courant direct et George Westinghouse, partisan du courant alternatif. Enfin, c'était celui qui a gagné par l'économie, l'efficacité et la facilité de transmission avec des pertes mineures.

Pour cette raison à ce jour, le courant qui vient à la maison et aux industries est en alternance, bien que l'utilisation du courant direct n'a jamais disparu complètement.

Le courant alternatif est utilisé pour presque tout, et dans de nombreuses applications, le changement constant de direction du courant alternatif n'est pas pertinent, tel que les ampoules, le fer ou la corne de cuisson, car le chauffage de l'élément résistif ne dépend pas du direction du mouvement des charges.

D'un autre côté, le fait que le courant change de sens avec une certaine fréquence est le fondement des moteurs électriques et diverses applications plus spécifiques, telles que les suivantes:

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Circuits de pelfming

Les circuits composés d'une autre source connectée à une résistance et à un condensateur en série sont appelés circuits de la série RC et sont utilisés pour éliminer.

Ils servent également de diviseurs de tension et pour régler les stations de radio (voir l'exemple 1 dans la section suivante).

Circuits de type pont

Les circuits de pont nourris avec un courant alternatif peuvent être utilisés pour mesurer la capacité ou l'inductance, de la même manière que le pont de Wheatstone est utilisé, un circuit de courant direct bien connu capable de mesurer la valeur d'une résistance inconnue.

Exemples de circuits de courant alternatifs

Dans les sections précédentes, les circuits de courant alternatif les plus simples ont été décrits, bien que bien sûr, les éléments de base décrits ci-dessus, ainsi que d'autres un peu plus complexes que les diodes, les amplificateurs et les transistors, pour n'en nommer que quelques-uns, peuvent être combinés pour obtenir divers effets.

Exemple 1: circuit RLC

L'un des circuits les plus courants dans CA C'est celui qui comprend une résistance R, une bobine ou un inducteur L et une série de condensateur ou de condenseur C avec une source de courant alternative.

Circuit RLC en série Fed avec une source de courant alternative. Source: F. Zapata.

Les circuits de la série RLC réagissent en particulier à la fréquence de la source alternative avec laquelle ils sont nourris. C'est pourquoi l'une des applications les plus intéressantes est comme les circuits à réglage radio.

Un signal radio génère fréquemment un courant avec la même fréquence dans un circuit spécialement conçu pour servir de récepteur, et l'amplitude de ce courant est maximale si le récepteur est réglé avec cette fréquence, par un effet appelé résonance.

Le circuit de réception sert de tuner car il est conçu de sorte que les signaux des fréquences indésirables génèrent de très petits courants, qui ne sont pas détectés par les haut-parleurs radio et ne sont donc pas audibles. D'un autre côté, à la fréquence de résonance, l'amplitude du courant atteint un maximum, puis le signal est clairement entendu.

La fréquence de résonance se produit lorsque les réactances inductives et capacitives du circuit sont égalisées:

X_L = X_C

1 / ωc = ωl

Ω² = 1 / lc

La station de radio avec le signal de fréquence ω serait "réglé", et les valeurs de L et C sont choisies pour cette certaine fréquence.

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Exemple 2: circuit RLC en parallèle

Les circuits RLC en parallèle ont également certaines réponses en fonction de la fréquence source, qui dépend de la réactance de chacun des éléments, définie comme la raison entre la tension et le courant.

Circuit RLC en parallèle connecté à une source de courant alternative. Source: F. Zapata.

Exercice résolu

Dans le circuit LRC de la série 1 de la section précédente, la résistance vaut 200 ohms, inductance 0.4 h et le condenseur est de 6 μF. Pour sa part, l'alimentation est une tension d'amplitude alternative égale à 30 V, souvent 250 rad / s. On demande de trouver:

a) Les réactances de chaque élément

b) La valeur du module d'impédance de circuit.

c) L'amplitude du courant

Solution à

Les réactances respectives sont calculées avec les formules:

X_C = 1 / ωc = 1 / (250 rad / s x 6 x10^-6 F) = 666,67 ohm

X_L = Ωl = 250 rad / s x 0.4 H = 100 ohm

Et la réactance de résistance équivaut à sa valeur dans les ohms:

X_R = R = 200 ohm

Solution B

L'impédance z est définie comme la raison entre la tension et le courant dans le circuit, soit en série ou en parallèle:

Z = V_m / Yo_m

L'impédance est mesurée dans les ohms, ainsi qu'une résistance ou une réactance, mais se réfère à l'opposition au passage du courant des inductances et des condensateurs, considérant qu'en plus de leurs effets particuliers, tels que le retard ou la progression de la tension, ils sont également avoir une certaine résistance interne.

Il peut être démontré que pour le circuit de la série RLC, le module d'impédance est donné par:

Lors de l'évaluation des valeurs données dans l'instruction, elle est obtenue:

Solution C

De:

Z = V_m / Yo_m

Il faut que;

Toi_m = V_m / Z = 30v / 601 ohms = 0.05 A.

Thèmes d'intérêt

Différences entre le courant alternatif et le courant direct

Les références

1. Alexander, C. 2006. Fondations du circuit électrique. 3e. Édition. Mc Graw Hill.
2. Boylestad, R. 2011. Introduction à l'analyse des circuits.2e. Édition. Pearson.
3. Figueroa, D. (2005). Série: Physique pour la science et l'ingénierie. Volume 6. Électromagnétisme. Édité par Douglas Figueroa (USB).
4. Sears, Zemansky. 2016. Physique universitaire avec physique moderne. 14e. Élégant. Volume 1. Pearson.
5. SERAY, R., Jewett, J. (2008). Physique pour la science et l'ingénierie. Volume 1. 7e. Élégant. Cengage Learning.