Atunci când o sursă de tensiune este aplicată la un circuit RC, condensatorul C se încarcă prin rezistența R.

Toate circuitele sau sistemele electrice sau electronice suferă de o anumită formă de "întârziere de timp" între intrarea și ieșirea lor, atunci când se aplică în primul rând un semnal sau o tensiune, continuă (DC) sau alternativă (AC).

Această întârziere este cunoscută, în general, ca întârziere de timp sau constanta de timp a circuitului și este răspunsul în timp al circuitului când se aplică o tensiune sau un semnal treaptă. Constanta de timp rezultantă a oricărui circuit sau sistem electronic va depinde în principal de componentele reactive, capacitive sau inductive conectate la acesta și este o măsurare a timpului de răspuns cu unități Tau - τ.

Atunci când se aplică o tensiune DC crescătoare la un condensator descărcat, condensatorul trage un curent de încărcare și se încarcă, iar atunci când tensiunea este redusă, condensatorul se descarcă în direcția opusă. Deoarece condensatoarele sunt capabile să stocheze energia electrică, ele acționează ca baterii mici și pot stoca sau elibera energia după cum este necesar.

Sarcina pe plăcile condensatorului este dată de: Q = CV. Această încărcare (stocare) și descărcare (eliberare) a energiei unui condensator nu este niciodată instantanee, dar durează o anumită perioadă de timp pentru a se produce, timpul necesar ca condensatorul să se încarce sau să se descarce într-un anumit procent din valoarea sa maximă de alimentare se numește constanta sa de timp (τ).

Dacă un rezistor este conectat în serie cu condensatorul formând un circuit RC, condensatorul se va încărca treptat prin rezistor până când tensiunea pe condensator ajunge la cea a tensiunii de alimentare. Timpul numit, de asemenea, răspuns tranzitoriu, necesar pentru încărcarea completă a condensatorului, este echivalent cu aproximativ 5 constante de timp sau 5T.

Acest timp de răspuns T este măsurat în termeni de T = R x C, în secunde, unde R este valoarea rezistorului în ohmi și C este valoarea condensatorului în Farazi. Acest lucru formează baza unui circuit de încărcare RC, unde 5T poate fi gândit ca "5 x RC".

Circuitul de încărcare RC

Figura de mai jos prezintă un condensator (C) în serie cu un rezistor (R) formând un circuit de încărcare RC conectat la o baterie de curent continuu (Vs) prin intermediul unui întrerupător mecanic. Când întrerupătorul este închis, condensatorul se va încărca treptat prin rezistor până când tensiunea pe el ajunge la tensiunea de alimentare a bateriei. Modul în care se încarcă condensatorul este prezentat mai jos.

Să presupunem mai sus că condensatorul C este complet "descărcat" și comutatorul (S) este complet deschis. Acestea sunt condițiile inițiale ale circuitului, deci t = 0, i = 0 și q = 0. Când comutatorul este închis, timpul începe la t = 0 și curentul începe să circule prin condensator prin intermediul rezistorului.

Deoarece tensiunea inițială pe condensator este zero (Vc = 0) condensator apare ca un scurtcircuit la circuitul extern și maximul de curent circulă prin circuit, restricționat doar de rezistorul R. Atunci, folosind Legea de tensiune a lui Kirchhoff (KVL), căderea de tensiune pe circuit este dată de:

Curentul care circulă acum prin circuit se numește curent de încărcare și este găsit folosind legea lui Ohm ca: i = Vs/R .

Curbele circuitului de încărcare RC

Acum, condensatorul începe să se încarce așa cum este arătat, creșterea curbei de încărcare RC fiind mai accentuată la început, deoarece rata de încărcare este cea mai rapidă la început și apoi se micșorează deoarece condensatorul preia sarcina suplimentară la o viteză mai lentă.

Pe măsură ce condensatorul se încarcă, diferența de potențial între plăcile sale crește lent cu timpul efectiv necesar ca încărcarea condensatorului să atingă 63% din tensiunea sa maximă posibilă, în curba noastră 0,63 Vs fiind cunoscută ca o constantă de timp (T).

Acest punct de tensiune de 0,63 Vs este dat abreviat cu 1T, (o constantă de timp).

Condensatorul continuă să se încarce și diferența de tensiune dintre Vs și Vc se reduce, astfel încât curentul circuitului să fie i. Atunci, la starea sa finală, mai mult de cinci constante de timp (5T) atunci când condensatorul este declarat încărcat complet, t = ∞, i = 0, q = Q = CV. Deci, la infinit curentul scade la zero, condensatorul acționează ca o condiție de circuit deschis, prin urmare, căderea de tensiune este în întregime pe condensator.

Matematic, putem spune că timpul necesar unui condensator pentru a se încărca până la o constantă de timp (1T) este dat de:

Tau - Constanta de timp RC

τ = R x C

Această constantă de timp RC specifică numai o rată de încărcare unde R este în Ω și C în Farazi.

Deoarece tensiunea V este legată de încărcarea pe un condensator dată de ecuația Vc = Q/C, tensiunea pe condensator (Vc) la orice moment de timp al perioadei de încărcare este dată de:

unde:
Vc este tensiunea pe condensator
Vs este tensiunea de alimentare
t este timpul scurs de la aplicarea tensiunii de alimentare
RC este constanta de timp a circuitului de încărcare RC

După o perioadă echivalentă cu 4 constante de timp (4T), condensatorul din circuitul de încărcare RC este practic încărcat complet, iar tensiunea pe condensator este acum de aproximativ 98% din valoarea sa maximă, 0,98 Vs. Perioada de timp necesară pentru ca acest condensator să atingă acest punct 4T este cunoscută sub numele de perioada tranzitorie.

După o perioadă de 5T, condensatorul este acum complet încărcat, iar tensiunea pe condensator (Vc) este egală cu tensiunea de alimentare (Vs). Deoarece condensatorul este complet încărcat nu mai curge curent în circuit. Perioada de timp după acest punct 5T este cunoscută ca perioada de stare staționară.

Atunci, putem arăta în tabelul următor valorile procentuale de tensiune și curent pentru condensatorul dintr-un circuit de încărcare RC pentru o anumită constantă de timp.

Tabelul de încărcare RC

Rețineți că, deoarece curba de încărcare pentru un circuit de încărcare RC este exponențială, în realitate condensatorul nu devine niciodată 100% complet încărcat datorită energiei stocate în condensator. Deci, pentru toate scopurile practice, după cinci constante de timp un condensator este considerat încărcat.

Deoarece tensiunea pe condensator Vc variază în timp, și este o valoare diferită la fiecare constantă de timp de până la 5T, putem calcula această valoare a tensiunii condensatorului Vc în orice punct dat, de exemplu.

Circuit de încărcare RC. Exemplul nr. 1

Calculați constanta de timp RC, τ a circuitului următor.

a) Ce valoare va avea tensiunea pe condensator la 0,7 constante de timp?

La 0,7 constante de timp (0,7T) Vc = 0,5Vs. Prin urmare, Vc = 0,5 x 5V = 2,5V

b) Ce valoare va avea tensiunea pe condensator la o constantă de timp?

La 1 constanta de timp (1T) Vc = 0,63Vs. Prin urmare, Vc = 0,63 x 5V = 3,15V

c) Cât timp va dura până la "încărcarea completă" a condensatorului?

Condensatorul va fi complet încărcat la 5 constante de timp.

1 constanta de timp (1T) = 47 secunde (de sus). Prin urmare, 5T = 5 x 47 = 235 sec

d) Tensiunea pe condensator după 100 secunde?

Formula de tensiune este dată de Vc = V (1 - e^-t/RC)

care este egal cu: Vc = 5 (1-e^-100/47), RC = 47 sec. de mai sus. Deci, Vc = 4,4 volți

Am observat că sarcina pe un condensator este dată de expresia: Q = CV și că atunci când o tensiune este aplicată în primul rând plăcilor condensatorului se încarcă la o rată determinată de constanta sa de timp, τ .

În tutorialul următor vom examina relația curent-tensiune a unui condensator de descărcare și vom examina curbele asociate cu aceasta atunci când plăcile condensatoarelor sunt scurtcircuitate împreună.