AC kondenzátor

Zostavme obvod s kondenzátor, kde alternátor generuje sínusové napätie. Poďme analyzovať postupne, čo sa stane v obvode, keď zatvoríme spínač. Budeme brať do úvahy počiatočný moment, keď sa napätie generátora rovná nule.

Počas prvej štvrtiny periódy sa napätie na svorkách generátora zvýši od nuly a kondenzátor sa začne nabíjať. V obvode sa objaví prúd, avšak v prvom momente nabíjania kondenzátora, napriek tomu, že napätie na jeho doskách sa práve objavilo a je stále veľmi malé, prúd v obvode (nabíjací prúd) bude najväčší . So zvyšujúcim sa nábojom na kondenzátore sa prúd v obvode znižuje a dosiahne nulu v okamihu, keď je kondenzátor úplne nabitý. V tomto prípade sa napätie na doskách kondenzátora, presne podľa napätia generátora, stane v tomto okamihu maximálnym, ale s opačným znamienkom, to znamená, že je nasmerované na napätie generátora.

Ryža. 1. Zmena prúdu a napätia v obvode s kapacitou

Týmto spôsobom sa prúd rúti najväčšou silou do kondenzátora zadarmo, ale okamžite začne klesať, keď sú dosky kondenzátora naplnené nábojmi a klesnú na nulu, čím ho úplne nabijú.

Porovnajme tento jav s tým, čo sa deje s prúdením vody v potrubí spájajúcom dve prepojené nádoby (obr. 2), z ktorých jedna je plná a druhá prázdna. Stačí stlačiť ventil, ktorý blokuje cestu vody, pretože voda sa okamžite vyrúti z ľavej nádoby pod veľkým tlakom cez potrubie do prázdnej pravej nádoby. Vzápätí však začne tlak vody v potrubí vplyvom vyrovnávania hladín v nádobách postupne slabnúť a klesne na nulu. Prúd vody sa zastaví.

Ryža. 2. Zmena tlaku vody v potrubí spájajúcom komunikačné nádoby je podobná zmene prúdu v okruhu počas nabíjania kondenzátora

Podobne prúd najprv prúdi do nenabitého kondenzátora a potom postupne slabne, keď sa nabíja.

Keď začne druhá štvrtina periódy, keď napätie generátora spočiatku začína pomaly a potom čoraz rýchlejšie klesá, nabitý kondenzátor sa vybije do generátora, čo spôsobí vybíjací prúd v obvode. Pri znižovaní napätia generátora sa kondenzátor stále viac vybíja a vybíjací prúd v obvode sa zvyšuje. Smer vybíjacieho prúdu v tejto štvrtine periódy je opačný ako smer nabíjacieho prúdu v prvej štvrtine periódy. V súlade s tým je aktuálna krivka, ktorá prekročila nulovú hodnotu, teraz umiestnená pod časovou osou.

Na konci prvého polcyklu sa napätie generátora, ako aj napätie kondenzátora, rýchlo priblíži k nule a prúd obvodu pomaly dosiahne svoju maximálnu hodnotu. Vzhľadom na to, že hodnota prúdu v obvode je väčšia, čím väčšia je hodnota náboja prenášaného obvodom, bude zrejmé, prečo prúd dosiahne svoje maximum, keď napätie na doskách kondenzátora, a teda aj náboj na kondenzátor, rýchlo klesá.

Začiatkom tretej štvrtiny periódy sa kondenzátor začne znova nabíjať, ale polarita jeho dosiek, ako aj polarita generátora sa mení „a naopak, a prúd, ktorý naďalej tečie rovnakým smer, začne pri nabíjaní kondenzátora klesať koniec tretej štvrtiny obdobia, keď napätie generátora a kondenzátora dosiahne maximum, prúd klesne na nulu.

Počas poslednej štvrtiny obdobia klesá napätie na nulu a prúd po zmene smeru v obvode dosiahne svoju maximálnu hodnotu. Tu končí obdobie, po ktorom začína ďalšie, presne opakujúce predchádzajúce atď.

Pri pôsobení striedavého napätia generátora sa teda kondenzátor počas periódy dvakrát nabije (prvá a tretia štvrtina periódy) a dvakrát sa vybije (druhá a štvrtá štvrtina periódy). Ale keďže sa striedajú jeden po druhom nabíjanie a vybíjanie kondenzátora sprevádzané zakaždým prechodom nabíjacieho a vybíjacieho prúdu obvodom, potom môžeme konštatovať, že striedavý prúd.

Môžete sa o tom presvedčiť v nasledujúcom jednoduchom experimente. Pripojte 4-6 mikrofaradový kondenzátor k sieti cez 25 W žiarovku.Kontrolka sa rozsvieti a nezhasne, kým sa obvod nepreruší. To naznačuje, že cez obvod s kapacitou prešiel striedavý prúd. Samozrejme, neprechádza cez dielektrikum kondenzátora, ale v každom okamihu predstavuje buď nabíjací prúd alebo vybíjací prúd kondenzátora.

Ako vieme, dielektrikum je polarizované pôsobením elektrického poľa, ktoré v ňom vzniká pri nabíjaní kondenzátora, a jeho polarizácia zmizne, keď je kondenzátor vybitý.

V tomto prípade dielektrikum s posuvným prúdom, ktorý v ňom vzniká, slúži pre striedavý prúd ako druh pokračovania obvodu a pre konštantu prerušuje obvod. Posuvný prúd sa však vytvára iba v dielektriku kondenzátora, a preto nedochádza k prenosu nábojov pozdĺž obvodu.

Odpor, ktorý ponúka AC kondenzátor, závisí od hodnoty kapacity kondenzátora a frekvencie prúdu.

Čím väčšia je kapacita kondenzátora, tým väčší je náboj na obvode počas nabíjania a vybíjania kondenzátora a tým väčší je prúd v obvode. Zvýšenie prúdu v obvode naznačuje, že jeho odpor sa znížil.

Preto, keď sa kapacita zvyšuje, odpor obvodu voči striedavému prúdu klesá.

rastie aktuálna frekvencia zvyšuje množstvo náboja prenášaného v obvode, pretože nabíjanie (ako aj vybíjanie) kondenzátora musí prebiehať rýchlejšie ako pri nízkej frekvencii. Súčasne je zvýšenie množstva preneseného náboja za jednotku času ekvivalentné zvýšeniu prúdu v obvode, a teda zníženiu jeho odporu.

Ak nejako postupne znížime frekvenciu striedavého prúdu a znížime prúd na jednosmerný prúd, potom sa odpor kondenzátora zahrnutého v obvode bude postupne zvyšovať a stáva sa nekonečne veľkým (prerušením obvodu), až kým sa neobjaví v obvod s konštantným prúdom.

Preto so zvyšujúcou sa frekvenciou klesá odpor kondenzátora voči striedavému prúdu.

Tak ako sa odpor cievky voči striedavému prúdu nazýva indukčný, odpor kondenzátora sa nazýva kapacitný.

Preto je kapacitný odpor väčší, čím nižšia je kapacita obvodu a frekvencia prúdu, ktorý ho napája.

Kapacitný odpor sa označuje ako Xc a meria sa v ohmoch.

Závislosť kapacitného odporu od frekvencie prúdu a kapacity obvodu je určená vzorcom Xc = 1 /ωC, kde ω je kruhová frekvencia rovnajúca sa súčinu 2πe, C je kapacita obvodu v farads.

Kapacitný odpor, podobne ako indukčný odpor, má reaktívnu povahu, pretože kondenzátor nespotrebováva energiu zdroja prúdu.

vzorec Ohmov zákon pre kapacitný obvod má tvar I = U / Xc, kde I a U - efektívne hodnoty prúdu a napätia; Xc je kapacitný odpor obvodu.

Vlastnosť kondenzátorov poskytovať vysokú odolnosť voči nízkofrekvenčným prúdom a ľahko prechádzať vysokofrekvenčnými prúdmi je široko používaná v obvodoch komunikačných zariadení.

Pomocou kondenzátorov sa napríklad dosiahne oddelenie konštantných prúdov a nízkofrekvenčných prúdov od vysokofrekvenčných prúdov, ktoré sú potrebné pre činnosť obvodov.

Ak je potrebné zablokovať cestu nízkofrekvenčného prúdu vo vysokofrekvenčnej časti obvodu, zapojí sa do série malý kondenzátor. Ponúka veľkú odolnosť voči nízkofrekvenčnému prúdu a zároveň ľahko prechádza vysokofrekvenčným prúdom.

Ak je potrebné zabrániť vysokofrekvenčnému prúdu, napríklad v napájacom obvode rádiovej stanice, potom sa použije kondenzátor s veľkou kapacitou, zapojený paralelne so zdrojom prúdu. V tomto prípade vysokofrekvenčný prúd prechádza cez kondenzátor a obchádza napájací obvod rádiovej stanice.

Aktívny odpor a kondenzátor v obvode striedavého prúdu

V praxi sa často pozorujú prípady, keď sú v sériovom obvode s kapacitou aktívny odpor je zahrnutý. Celkový odpor obvodu je v tomto prípade určený vzorcom

Preto sa celkový odpor obvodu pozostávajúceho z aktívneho a kapacitného odporu striedavého prúdu rovná druhej odmocnine súčtu druhých mocnín aktívneho a kapacitného odporu tohto obvodu.

Ohmov zákon zostáva platný aj pre tento obvod I = U / Z.

Na obr. 3 sú znázornené krivky charakterizujúce fázový vzťah medzi prúdom a napätím v obvode obsahujúcom kapacitný a aktívny odpor.

Ryža. 3. Prúd, napätie a výkon v obvode s kondenzátorom a aktívnym odporom

Ako je zrejmé z obrázku, prúd v tomto prípade zvyšuje napätie nie o štvrtinu periódy, ale o menej, pretože aktívny odpor porušuje čisto kapacitnú (reaktívnu) povahu obvodu, o čom svedčí znížená fáza. posun. Teraz je napätie na svorkách obvodu definované ako súčet dvoch zložiek: reaktívna zložka napätia tiv, prekoná kapacitný odpor obvodu a aktívna zložka napätia, prekoná svoj aktívny odpor.

Čím väčší je aktívny odpor obvodu, tým menší je fázový posun medzi prúdom a napätím.

Krivka zmeny výkonu v obvode (pozri obr. 3) dvakrát za periódu nadobudla záporné znamienko, čo, ako už vieme, je dôsledkom reaktívneho charakteru obvodu. Čím menej reaktívny je obvod, tým menší je fázový posun medzi prúdom a napätím a tým viac energie zdroja prúdu tento obvod spotrebuje.

Prečítajte si tiež: Napäťová rezonancia