Corrections des exercices sur les Condensateurs Exercice - 1 – Energie 1 Un condensateur de capacité C, initialement chargé sous une tension V est rapidement connecté à un autre condensateur de capacité C’, initialement déchargé, par l’intermédiaire d’un circuit électrique de résistance R. R C C’ Figure – Décharge d’un condensateur dans un autre La décharge de C et la charge de C’, en série, se fait avec la constante de temps CC' RC eqv R . C C' On demande d’établir le bilan des énergies libres du système, de calculer l’énergie perdue et de comparer cette énergie à celle consommée par effet Joule dans R. 1 L’énergie libre électrostatique initiale du système est Wes1 CV 2 . 2 L’énergie finale, une fois le régime transitoire terminé, s’écrit en fonction de C, C’ et de la tension commune aux bornes des deux condensateurs U est obtenue par. 1 Wes 2 (C C' )U2 2 Afin de connaître cette tension U, on introduit la conservation de la charge électrique lors du transfert d’énergie. En effet, le système est isolé de l’extérieur et la charge électrique, quantité matérielle, n’a pu que se conserver. Initialement, la charge du système est Q ; puis cette charge se répartit en q et q’ telles que : Q CV q q' (C C' )U C U V C C' Wes 2 1 C2 V 2 1 C2 (C C' ) V2 2 2 2 C C' (C C' ) La variation d’énergie stockée dans le système des deux condensateurs est : 1 CC' V2 2 C C' C’est une diminution. L’énergie perdue est cédée au milieu extérieur au système par transfert thermique, dans la résistance R. La puissance de ce transfert est Wes 2 Wes1 Cliquer sur « affichage puis « plein écran » 1 d’autant plus grande que le temps de décharge est petit, donc que la résistance R est plus faible. Pour le vérifier, on calcule l’énergie dissipée par effet Joule. Soit i, le courant instantané dans le circuit. La forme de ce courant est exponentielle. Sa valeur initiale est V , car à cet R instant, le condensateur de capacité C’ est sous tension nulle. La constante de temps est . V t i exp( ) R L’énergie perdue par effet Joule est donnée par 2 W Joule Ri dt R 0 0 V2 R2 exp( 2t / )dt 1 V2 2 R 1 2 CC' V 2 C C' La puissance moyenne lors de la transformation du système, si l’on suppose que le processus est pratiquement terminé au bout de 5, est donnée par : W Joule p moy 1 V2 1 V2 2 R 5 10 R Si l’on fait R voisin de 0, le processus est violent. La puissance thermique transférée conduit à un important échauffement, même si la quantité d’énergie cédée est indépendante de R. L’association de ces deux sources de tension, les condensateurs, n’est pas recommandée. En électronique de puissance, si la résistance R est celle d’un interrupteur passant, donc de faible valeur, ce branchement conduit à la destruction thermique du composant. Il est donc interdit. Exercice 2 – Atténuateur à circuits RC traité par impédance opérationnelle Pour des rappels sur « impédance opérationnelle » Cliquer sur Ressources Soit le problème suivant : On reconnaît un pont diviseur de tension. Sans les ER 2 condensateurs, u .En régime transitoire, les capacités parasites vont R1 R 2 ralentir la réponse par rapport au cas du régime continu. On ajoute pour cela des condensateurs, pour retrouver dans l’idéal la relation précédente. Cliquer sur « affichage puis « plein écran » 2 1 C2p I E E p E (p) R1 U(p) 1 C1 p R2 a) Exprimer la sortie U(p) et la réponse u(t) C1 R 2 R1 1 1 R1C1p R2 E R2 1 C1 C 2 R 2 U E ( R 2R1 R 2 R1 p R 2 R1 R 2 R1 p 1 (C1 C 2 ) p R 2 R1 R 2R1(C 2 C1) u(t ) E R2 C1 R 2 R1 (R 2 R1)t [1 ( 1) exp( )] R 2 R1 C2 C1 R 2 R 2R1(C2 C1) b) Montrer que si R1C1 R2C2 , l’atténuateur est compensé en temps u C1 R 2 R 1 1 0 C 2 C1 R 2 ER 2 compensé et u . R1 R 2 Si ER 2 R1 R 2 soit R1C1 R2C2 , l’atténuateur est parfaitement Cliquer sur « affichage puis « plein écran » 3