Circuits RC/RL/LC

La résistance « R », l’inductance « L » et le condensateur « C » sont des éléments fondamentaux du circuit, chacun ayant des propriétés différentes qui sont à la base de tous les appareils électriques modernes.

Une résistance est un composant électrique qui dissipe de l’énergie, généralement sous forme de chaleur. En revanche, un condensateur stocke de l’énergie dans un champ électrique et une inductance stocke de l’énergie dans un champ magnétique.

Lorsque les résistances, les condensateurs et les inductances sont connectés ensemble, les circuits affichent des réponses dépendantes du temps et de la fréquence utiles pour le traitement du signal AC, les radios, les filtres électriques et de nombreuses autres applications.

Cette vidéo illustrera les comportements d’un circuit résistance-condensateur et d’un circuit résistance-inductance, et montrera l’oscillation dans un circuit inductance-condensateur avec une faible perte d’énergie résistive.

Apprenons comment le courant et la tension se comportent dans les circuits impliquant des résistances, des inductances et des condensateurs.

Tout d’abord, parlons d’un circuit d’une résistance en série avec un condensateur, appelé circuit RC. Lorsque l’interrupteur est fermé, la sortie de la source de tension est appliquée sur les deux composants et le courant commence à circuler. Comme le condensateur n’est pas chargé initialement, il a une tension nulle à travers ses bornes. Par conséquent, toute la sortie de la source de tension apparaît à travers la résistance et le courant est à sa valeur maximale.

Si nous regardons le graphique de la tension et du courant en fonction du temps, initialement VR est égal à la tension de la source, la tension aux bornes du condensateur 'VC' est nulle et le courant est à son maximum. Au fur et à mesure que le courant charge le condensateur, le « VC » augmente. En réponse, VR diminue et donc le courant diminue également, conformément à la loi d’Ohm. Finalement, la tension de la résistance est nulle et le flux de courant s’arrête.

Une analyse similaire est possible pour un circuit RL constitué d’une résistance en série avec une inductance. À l’instant où l’interrupteur se ferme, le flux soudain de charge crée un champ magnétique dans l’inductance, et sa tension « VL » est égale à la tension de la source. Par conséquent, le VR initial est nul et donc le courant initial est également nul.

Maintenant, pour surveiller les changements, regardons les graphiques de tension et de courant comme précédemment. Au fil du temps, à mesure que la tension de l’inductance diminue, la tension aux bornes de la résistance augmente et donc le courant augmente également. En fin de compte, la tension de l’inductance est nulle, toute la sortie de la source de tension se trouve aux bornes de la résistance et le courant est à sa valeur maximale.

La décroissance des transitoires de courant et de tension dans les circuits RC et RL est causée par la dissipation d’énergie dans la résistance. En revanche, un circuit LC, qui a un condensateur connecté à une inductance, n’a idéalement aucune résistance ou perte d’énergie, et présente un comportement très différent.

Si le condensateur de ce circuit est chargé à la tension V, puis connecté à l’inductance, l’énergie électrique stockée dans le condensateur est transférée à l’inductance et convertie en énergie magnétique. L’inductance transfère ensuite son énergie au condensateur, puis le processus s’inverse avec le courant circulant dans la direction opposée, ce processus se répète indéfiniment et la tension aux bornes de chaque composant oscille de manière sinusoïdale avec le temps.

Un circuit RLC comme celui-ci ajoute une résistance au circuit LC. Les oscillations dans cette configuration s’amortissent car la résistance dissipe de l’énergie à chaque cycle. Finalement, les oscillations s’arrêtent lorsque la tension et le courant tombent à zéro.

Maintenant que nous avons expliqué les bases des circuits RC, RL et LC, jetons un coup d’œil à leurs comportements en laboratoire.

Procurez-vous un oscilloscope, une petite ampoule d’une résistance de quelques ohms, un interrupteur et une alimentation en courant continu ou une pile de 1,5 volts. Assemblez ce circuit et laissez l’interrupteur ouvert.

Sélectionnez l’échelle verticale de l’oscilloscope à 1 volt par division et l’échelle de temps à 1 seconde par division. Par la suite, il peut être nécessaire d’ajuster ces paramètres pour une visualisation optimale des signaux lors des différents essais.

Fermez l’interrupteur pour mettre l’ampoule sous tension.

Parce que l’ampoule agit comme une résistance, le courant qui la traverse est proportionnel à la tension. Comme le montrent les traces de l’oscilloscope, l’ampoule s’allume instantanément lorsque l’interrupteur se ferme et s’assombrit instantanément lorsque l’interrupteur s’ouvre.

Assemblez le circuit comme indiqué avec un condensateur de 1 Farad en série avec l’ampoule. Notez que l’oscilloscope mesure la tension aux bornes de la résistance. Laissez l’interrupteur ouvert jusqu’au début du test.

Fermez l’interrupteur et observez le tracé de l’ampoule et de l’oscilloscope. L’ampoule s’allume brièvement avant de s’assombrir car le condensateur fait passer le courant lorsque la tension change soudainement, lorsque l’interrupteur se ferme. Au fil du temps, le courant traversant le circuit diminue en raison de la résistance de l’ampoule et de la capacité.

Ouvrez l’interrupteur et modifiez le circuit en connectant une deuxième ampoule en parallèle avec la première.

Fermez à nouveau l’interrupteur. Surveillez les ampoules et la trace de l’oscilloscope. Les deux ampoules parallèles s’allument et s’éteignent plus rapidement que l’ampoule unique. En effet, la résistance parallèle de deux ampoules est plus petite que la résistance d’une seule ampoule. Le circuit résultant a une chute de courant plus courte et une réponse plus rapide.

Assemblez ce circuit avec une inductance Henry de 1 milli en série avec l’ampoule. Laissez l’interrupteur ouvert jusqu’au début du test.

Fermez l’interrupteur et observez le tracé de l’ampoule et de l’oscilloscope. L’ampoule met un peu de temps à s’allumer car l’inductance conduit peu de courant lorsque la tension change soudainement, comme lorsque l’interrupteur se ferme.

Au fur et à mesure que le temps passe, le courant de l’inductance - et celui à travers l’ampoule - approche d’un niveau d’état stable. Ouvrez l’interrupteur et connectez une deuxième ampoule en parallèle avec la première.

Fermez à nouveau l’interrupteur. Surveillez les ampoules et la trace de l’oscilloscope. Les deux ampoules parallèles s’allument et s’éteignent plus lentement que l’ampoule unique. En effet, la résistance parallèle de deux ampoules est plus petite que la résistance d’une seule ampoule.

Assemblez ce circuit avec un condensateur de 10 micro Farad et une inductance Henry de 8 milli, ainsi que l’oscilloscope connecté à travers le condensateur. Fermez l’interrupteur 1 pour charger le condensateur et laissez l’interrupteur 2 ouvert jusqu’au début du test.

Ouvrez l’interrupteur 1 pour déconnecter la source de tension du circuit. Fermez l’interrupteur 2 et observez l’oscilloscope. La tension de l’inductance oscille et peut présenter un certain amortissement causé par la faible résistance des fils dans le circuit. La période d’oscillation est de l’ordre de la milliseconde, ce qui est cohérent avec le temps attendu basé sur les valeurs de capacité et de résistance.

Les résistances, les condensateurs et les inductances sont des composants simples, mais les circuits RC, RL et LC qui les utilisent ont des comportements complexes, qui permettent de nombreuses applications dans le traitement électronique du signal, les circuits de synchronisation et les filtres.

Dans cet exemple, les chercheurs ont implanté des émetteurs radio sous-cutanés chez des souris pour étudier la pression artérielle lorsqu’elles se déplaçaient librement. Les récepteurs radio utilisent généralement des circuits inductance-condensateur pour sélectionner une fréquence spécifique dans la large bande d’énergie radiofréquence interceptée, ou RF. La fréquence correcte transporte les informations souhaitées pour l’amplification et le traitement ultérieur par des composants électroniques supplémentaires dans le récepteur.

Les électroencéphalographes mesurent l’activité électrique dans le cerveau. Les électrodes placées sur le cuir chevelu captent des signaux de niveau millivolt sur une large gamme de fréquences. Les circuits RC, RL et LC font partie des filtres qui réduisent les interférences électriques et les artefacts, aidant ainsi à l’acquisition de données significatives.

Vous venez de regarder l’introduction de JoVE au comportement dépendant du temps des circuits utilisant des résistances, des condensateurs et des inductances. Vous devriez maintenant comprendre les bases des circuits RC, RL et LC, et en quoi ces circuits diffèrent les uns des autres. Merci d’avoir regardé !