AC kondenzator

Sestavimo vezje z kondenzator, kjer alternator ustvarja sinusno napetost. Zaporedoma analizirajmo, kaj se bo zgodilo v vezju, ko zapremo stikalo. Upoštevali bomo začetni trenutek, ko je napetost generatorja enaka nič.

V prvi četrtini obdobja se bo napetost na sponkah generatorja povečala, začenši od ničle, in kondenzator se bo začel polniti. V vezju se bo pojavil tok, vendar bo v prvem trenutku polnjenja kondenzatorja, kljub dejstvu, da se je napetost na njegovih ploščah šele pojavila in je še vedno zelo majhna, tok v vezju (polnilni tok) največji . Ko se naelektrenost kondenzatorja poveča, se tok v tokokrogu zmanjša in doseže nič v trenutku, ko je kondenzator popolnoma napolnjen. V tem primeru napetost na ploščah kondenzatorja, ki strogo sledi napetosti generatorja, postane v tem trenutku največja, vendar z nasprotnim predznakom, to je, da je usmerjena na napetost generatorja.

riž. 1. Sprememba toka in napetosti v vezju s kapacitivnostjo

Na ta način tok z največjo močjo brezplačno steče v kondenzator, vendar se takoj začne zmanjševati, ko se plošče kondenzatorja napolnijo z naboji in padejo na nič, kar ga popolnoma napolni.

Primerjajmo ta pojav s tem, kar se dogaja s tokom vode v cevi, ki povezuje dve povezani posodi (slika 2), od katerih je ena polna in druga prazna. Treba je le pritisniti na ventil, ki blokira pot vode, saj voda takoj steče iz leve posode pod velikim pritiskom skozi cev v prazno desno posodo. Takoj pa bo pritisk vode v cevi zaradi izenačitve nivojev v posodah postopoma začel slabeti in padel na nič. Pretok vode se bo ustavil.

riž. 2. Sprememba tlaka vode v cevi, ki povezuje komunikacijske posode, je podobna spremembi toka v tokokrogu med polnjenjem kondenzatorja

Podobno tok najprej steče v nenapolnjen kondenzator in nato postopoma oslabi, ko se polni.

Ko se začne druga četrtina obdobja, ko se napetost generatorja sprva začne počasi in nato vse hitreje upada, se bo napolnjen kondenzator izpraznil v generator, kar bo povzročilo razelektritveni tok v vezju. Ko napetost generatorja pada, se kondenzator vse bolj prazni in tok praznjenja v tokokrogu narašča. Smer razelektritvenega toka v tej četrtini periode je nasprotna smeri polnilnega toka v prvi četrtini periode. V skladu s tem se trenutna krivulja, ki je prešla vrednost nič, zdaj nahaja pod časovno osjo.

Do konca prvega polcikla se napetost generatorja in napetost kondenzatorja hitro približata ničli in tok tokokroga počasi doseže največjo vrednost. Glede na to, da je vrednost toka v vezju večja, večja je vrednost naboja, ki se prenaša v vezju, bo postalo jasno, zakaj tok doseže svoj maksimum, ko napetost na ploščah kondenzatorja in s tem naboj na kondenzatorja, se hitro zmanjša.

Z začetkom tretje četrtine obdobja se kondenzator znova začne polniti, vendar se polarnost njegovih plošč, pa tudi polarnost generatorja spremeni "in obratno, in tok, ki še naprej teče v istem smeri, začne padati, ko se kondenzator polni.konec tretje četrtine obdobja, ko napetosti generatorja in kondenzatorja dosežejo največjo vrednost, gre tok na nič.

V zadnji četrtini obdobja napetost, ki se zmanjšuje, pade na nič in tok, ki spremeni smer v vezju, doseže največjo vrednost. Tu se obdobje konča, po katerem se začne naslednje, ki natančno ponavlja prejšnje in tako naprej.

Tako se pod delovanjem izmenične napetosti generatorja kondenzator dvakrat napolni v obdobju (prva in tretja četrtina obdobja) in dvakrat izprazni (druga in četrta četrtina obdobja). Ampak saj se menjavajo drug za drugim polnjenja in praznjenja kondenzatorja vsakič spremlja prehod polnilnega in praznilnega toka skozi vezje, potem lahko sklepamo, da izmenični tok.

To lahko preverite z naslednjim preprostim poskusom. Kondenzator 4-6 mikrofarad priključite na električno omrežje preko 25 W žarnice.Lučka se bo prižgala in ne bo ugasnila, dokler se tokokrog ne prekine. To nakazuje, da je skozi vezje s kapacitivnostjo šel izmenični tok. Seveda ne prehaja skozi dielektrik kondenzatorja, ampak v katerem koli trenutku predstavlja bodisi polnilni tok bodisi tok praznjenja kondenzatorja.

Kot vemo, je dielektrik polariziran pod vplivom električnega polja, ki nastane v njem, ko je kondenzator napolnjen, in njegova polarizacija izgine, ko se kondenzator izprazni.

V tem primeru dielektrik s tokom, ki nastane v njem, služi za izmenični tok kot nekakšno nadaljevanje vezja, za konstanto pa prekine vezje. Toda tok premika se oblikuje samo znotraj dielektrika kondenzatorja, zato se prenos nabojev vzdolž vezja ne zgodi.

Upor, ki ga nudi izmenični kondenzator, je odvisen od vrednosti kapacitivnosti kondenzatorja in frekvence toka.

Večja kot je kapaciteta kondenzatorja, večji je naboj v vezju med polnjenjem in praznjenjem kondenzatorja in s tem večji tok v vezju. Povečanje toka v tokokrogu pomeni, da se je njegov upor zmanjšal.

Zato se s povečanjem kapacitivnosti zmanjša upor vezja na izmenični tok.

Raste trenutna frekvenca poveča količino naboja, ki se prenaša v vezju, ker se mora naboj (kot tudi praznjenje) kondenzatorja zgoditi hitreje kot pri nizki frekvenci. Hkrati je povečanje količine prenesenega naboja na enoto časa enakovredno povečanju toka v tokokrogu in s tem zmanjšanju njegovega upora.

Če nekako postopoma zmanjšamo frekvenco izmeničnega toka in zmanjšamo tok na enosmerni tok, se bo upor kondenzatorja, vključenega v tokokrog, postopoma povečal in postal neskončno velik (prekinitev tokokroga), dokler se ne pojavi v vezje s konstantnim tokom.

Zato se s povečanjem frekvence upornost kondenzatorja na izmenični tok zmanjša.

Tako kot se upor tuljave na izmenični tok imenuje induktiven, se upor kondenzatorja imenuje kapacitiven.

Zato je kapacitivni upor večji, čim manjša je zmogljivost vezja in frekvenca toka, ki ga napaja.

Kapacitivni upor je označen kot Xc in se meri v ohmih.

Odvisnost kapacitivnega upora od frekvence toka in zmogljivosti vezja je določena s formulo Xc = 1 /ωC, kjer je ω krožna frekvenca, enaka produktu 2πe, C je zmogljivost vezja v faradov.

Kapacitivni upor, tako kot induktivni upor, ima reaktivno naravo, saj kondenzator ne porablja energije tokovnega vira.

formula Ohmov zakon za kapacitivno vezje ima obliko I = U / Xc, kjer I in U - efektivne vrednosti toka in napetosti; Xc je kapacitivni upor vezja.

Lastnost kondenzatorjev, da zagotavljajo visoko odpornost na nizkofrekvenčne tokove in zlahka prehajajo visokofrekvenčne tokove, se pogosto uporablja v vezjih komunikacijske opreme.

S pomočjo kondenzatorjev se na primer doseže ločitev konstantnih in nizkofrekvenčnih tokov od visokofrekvenčnih tokov, ki so potrebni za delovanje tokokrogov.

Če je treba blokirati pot nizkofrekvenčnega toka v visokofrekvenčnem delu vezja, je zaporedno povezan majhen kondenzator. Ponuja veliko odpornost na nizkofrekvenčni tok in hkrati zlahka prepušča visokofrekvenčni tok.

Če je treba preprečiti visokofrekvenčni tok, na primer v napajalnem tokokrogu radijske postaje, se uporabi kondenzator velike kapacitete, povezan vzporedno s tokovnim virom. V tem primeru visokofrekvenčni tok prehaja skozi kondenzator, mimo napajalnega kroga radijske postaje.

Aktivni upor in kondenzator v izmeničnem tokokrogu

V praksi pogosto opazimo primere, ko v serijskem vezju s kapacitivnostjo vključen je aktivni upor. Skupni upor vezja je v tem primeru določen s formulo

Zato je skupni upor vezja, ki ga sestavljata aktivni in kapacitivni AC upor, enak kvadratnemu korenu vsote kvadratov aktivnega in kapacitivnega upora tega vezja.

Ohmov zakon ostaja veljaven tudi za to vezje I = U / Z.

Na sl. 3 prikazuje krivulje, ki označujejo fazno razmerje med tokom in napetostjo v vezju, ki vsebuje kapacitivni in aktivni upor.

riž. 3. Tok, napetost in moč v vezju s kondenzatorjem in aktivnim uporom

Kot je razvidno iz slike, tok v tem primeru poveča napetost ne za četrtino obdobja, ampak za manj, saj aktivni upor krši čisto kapacitivno (reaktivno) naravo vezja, kar dokazuje zmanjšana faza premik. Zdaj je napetost na sponkah vezja opredeljena kot vsota dveh komponent: reaktivna komponenta napetosti, ki bo premagala kapacitivni upor vezja, in aktivna komponenta napetosti, ki bo premagala njegov aktivni upor.

Večji kot je aktivni upor vezja, manjši je fazni zamik med tokom in napetostjo.

Krivulja spremembe moči v tokokrogu (glej sliko 3) je v obdobju dvakrat dobila negativni predznak, kar je, kot že vemo, posledica reaktivne narave tokokroga. Manj kot je reaktivno vezje, manjši je fazni zamik med tokom in napetostjo in več energije tokokroga porabi vir toka.

Preberite tudi: Napetostna resonanca