AC kondenzátor

Szereljük össze az áramkört azzal kondenzátor, ahol a generátor szinuszos feszültséget állít elő. Sorban elemezzük, mi fog történni az áramkörben, ha lezárjuk a kapcsolót. Azt a kezdeti pillanatot vesszük figyelembe, amikor a generátor feszültsége egyenlő nullával.

Az időszak első negyedében a generátor kivezetésein a feszültség nulláról kezdődően növekszik, és a kondenzátor töltődni kezd. Áram jelenik meg az áramkörben, azonban a kondenzátor töltésének első pillanatában, annak ellenére, hogy a feszültség a lemezeken csak most jelent meg, és még mindig nagyon kicsi, az áramkörben lévő áram (töltőáram) lesz a legnagyobb . Ahogy a kondenzátor töltése növekszik, az áramkörben lévő áram csökken, és eléri a nullát abban a pillanatban, amikor a kondenzátor teljesen fel van töltve. Ebben az esetben a kondenzátor lapjain lévő feszültség, szigorúan követve a generátor feszültségét, ebben a pillanatban maximális lesz, de ellenkező előjellel, vagyis a generátor feszültségére irányul.

Rizs. 1. Áram és feszültség változása kapacitású áramkörben

Ily módon az áram a legnagyobb erővel rohan be egy kondenzátorba ingyen, de azonnal csökkenni kezd, amikor a kondenzátor lemezei megtelnek töltésekkel és nullára esnek, teljesen feltöltve azt.

Hasonlítsuk össze ezt a jelenséget azzal, hogy mi történik a víz áramlásával egy csőben, amely összeköti a két egymással érintkező edényt (2. ábra), amelyek közül az egyik tele, a másik üres. Csak meg kell nyomni a víz útját elzáró szelepet, mivel a bal oldali edényből a víz azonnal nagy nyomás alatt a csövön keresztül az üres jobb edénybe áramlik. Azonnal azonban a csőben lévő víznyomás fokozatosan gyengülni kezd az edények szintjének kiegyenlítődése miatt, és nullára csökken. A víz áramlása leáll.

Rizs. 2. A kommunikációs edényeket összekötő csőben a víznyomás változása hasonló az áramkörben a kondenzátor töltése során bekövetkező áramváltozáshoz.

Hasonlóképpen, az áram először egy töltetlen kondenzátorba rohan, majd töltés közben fokozatosan gyengül.

A periódus második negyedének kezdetén, amikor a generátor feszültsége kezdetben lassan indul, majd egyre gyorsabban csökken, a feltöltött kondenzátor kisül a generátorba, kisülési áramot okozva az áramkörben. A generátor feszültségének csökkenésével a kondenzátor egyre jobban kisül, és nő a kisülési áram az áramkörben. A kisülési áram iránya ebben a negyedévben ellentétes a periódus első negyedévének töltőáramának irányával. Ennek megfelelően az aktuális görbe, amely áthaladt a nulla értéken, most az időtengely alatt helyezkedik el.

Az első félciklus végére a generátor feszültsége, valamint a kondenzátor feszültsége gyorsan megközelíti a nullát, és az áramköri áram lassan eléri a maximális értékét. Tekintettel arra, hogy az áramkörben az áram értéke nagyobb, minél nagyobb az áramkörben hordozott töltés értéke, világossá válik, hogy az áram miért éri el a maximumot, amikor a feszültség a kondenzátor lemezein, és ezért a töltés kondenzátor, gyorsan csökken.

A periódus harmadik negyedének kezdetével a kondenzátor újra töltődni kezd, de a lemezeinek polaritása, valamint a generátor polaritása megváltozik "és fordítva, és az áram továbbra is ugyanabban a szakaszban folyik. irányba, a kondenzátor feltöltődésével csökkenni kezd.. a periódus harmadik negyedének vége, amikor a generátor és a kondenzátor feszültségei elérik a maximumukat, az áram nullára megy.

Az időszak utolsó negyedében a feszültség csökkenve nullára esik, és az áramerősség az áramkörben irányt változtatva eléri maximális értékét. Itt ér véget a periódus, utána kezdődik a következő, pontosan megismételve az előzőt, és így tovább.

Így a generátor váltakozó feszültségének hatására a kondenzátor az időszak során kétszer töltődik (az időszak első és harmadik negyede), és kétszer kisül (a periódus második és negyedik negyede). De mivel egyenként váltják egymást a kondenzátor feltöltése és kisülése minden alkalommal a töltő- és kisütési áram áramkörön való áthaladása kíséretében, akkor arra következtethetünk váltakozó áram.

Ezt a következő egyszerű kísérlettel ellenőrizheti. Csatlakoztasson egy 4-6 mikrofarados kondenzátort a hálózathoz egy 25 W-os izzón keresztül.A lámpa kigyullad, és addig nem alszik ki, amíg az áramkör meg nem szakad. Ez arra utal, hogy váltakozó áram haladt át az áramkörön a kapacitással. Természetesen nem megy át a kondenzátor dielektrikumán, hanem bármely pillanatban töltőáramot vagy kondenzátor kisülési áramot jelent.

Mint tudjuk, a dielektrikum a kondenzátor feltöltésekor fellépő elektromos tér hatására polarizálódik, a kondenzátor kisütésekor a polarizációja eltűnik.

Ebben az esetben a dielektrikum a benne fellépő eltolási árammal a váltakozó áram számára az áramkör egyfajta folytatásaként szolgál, az állandónak pedig megszakítja az áramkört. De az elmozdulási áram csak a kondenzátor dielektrikumán belül jön létre, ezért a töltések átvitele az áramkör mentén nem történik meg.

Az AC kondenzátor által kínált ellenállás a kondenzátor kapacitásának értékétől és az áram frekvenciájától függ.

Minél nagyobb a kondenzátor kapacitása, annál nagyobb az áramkör töltése a kondenzátor töltése és kisütése során, és ennek megfelelően annál nagyobb az áramkörben lévő áram. Az áramerősség növekedése az áramkörben azt jelzi, hogy az ellenállása csökkent.

Ezért a kapacitás növekedésével az áramkör váltóárammal szembeni ellenállása csökken.

Növekszik jelenlegi frekvencia növeli az áramkörben szállított töltés mennyiségét, mivel a kondenzátor feltöltésének (valamint kisülésének) gyorsabban kell bekövetkeznie, mint alacsony frekvencián. Ugyanakkor az egységnyi idő alatt átvitt töltés mennyiségének növekedése megegyezik az áramkörben lévő áram növekedésével, és ennek következtében az ellenállás csökkenésével.

Ha valahogy fokozatosan csökkentjük a váltóáram frekvenciáját, és az áramot egyenáramra csökkentjük, akkor az áramkörben lévő kondenzátor ellenállása fokozatosan megnő és végtelenül nagy lesz (megszakítja az áramkört), amíg meg nem jelenik állandó áramkör.

Ezért a frekvencia növekedésével a kondenzátor váltakozó árammal szembeni ellenállása csökken.

Ahogy a tekercs váltóárammal szembeni ellenállását induktívnak, a kondenzátor ellenállását kapacitívnak nevezzük.

Ezért annál nagyobb a kapacitív ellenállás, minél kisebb az áramkör kapacitása és az azt tápláló áram frekvenciája.

A kapacitív ellenállást Xc-vel jelöljük, és ohmban mérjük.

A kapacitív ellenállás függését az áram frekvenciától és az áramkör kapacitásától az Xc = 1 /ωC képlet határozza meg, ahol ω egy körfrekvencia, amely egyenlő 2πe szorzatával, C az áramkör kapacitása faradok.

A kapacitív ellenállás, mint az induktív ellenállás, reaktív természetű, mivel a kondenzátor nem fogyasztja az áramforrás energiáját.

képlet Ohm törvénye kapacitív áramkör esetén I = U / Xc, ahol I és U - az áram és a feszültség effektív értékei; Xc az áramkör kapacitív ellenállása.

A kondenzátorok azon tulajdonságát, hogy nagy ellenállást biztosítanak az alacsony frekvenciájú áramokkal szemben, és könnyen átengedik a nagyfrekvenciás áramokat, széles körben használják a kommunikációs berendezések áramköreiben.

Kondenzátorok segítségével például az állandó áramok és az alacsony frekvenciájú áramok elválasztása a nagyfrekvenciás áramoktól, ami az áramkörök működéséhez szükséges.

Ha le kell zárni az alacsony frekvenciájú áram útját az áramkör nagyfrekvenciás részében, egy kis kondenzátort sorba kell kötni. Nagy ellenállást biztosít az alacsony frekvenciájú árammal szemben, ugyanakkor könnyen átengedi a nagyfrekvenciás áramot.

Ha meg kell akadályozni a nagyfrekvenciás áramot, például a rádióállomás áramkörében, akkor nagy kapacitású kondenzátort használnak, amely párhuzamosan van csatlakoztatva az áramforrással. Ebben az esetben a nagyfrekvenciás áram áthalad a kondenzátoron, megkerülve a rádióállomás tápegységét.

Aktív ellenállás és kondenzátor az AC áramkörben

A gyakorlatban gyakran megfigyelhetők olyan esetek, amikor kapacitással rendelkező soros áramkört használnak aktív ellenállást tartalmaz. Az áramkör teljes ellenállását ebben az esetben a képlet határozza meg

Ezért az aktív és kapacitív váltakozó áramú ellenállásból álló áramkör teljes ellenállása megegyezik az áramkör aktív és kapacitív ellenállása négyzetösszegének négyzetgyökével.

Ohm törvénye érvényes marad erre az I = U / Z áramkörre is.

ábrán. A 3. ábra kapacitív és aktív ellenállást tartalmazó áramkörben az áram és a feszültség közötti fázisviszonyt jellemző görbéket mutatja.

Rizs. 3. Áram, feszültség és teljesítmény kondenzátorral és aktív ellenállással rendelkező áramkörben

Amint az ábrán látható, az áram ebben az esetben nem negyed periódussal, hanem kevesebbel növeli a feszültséget, mivel az aktív ellenállás sérti az áramkör tisztán kapacitív (reaktív) jellegét, amit a csökkent fázis bizonyít. váltás. Most az áramköri kapcsokon lévő feszültséget két komponens összegeként határozzuk meg: a feszültség reaktív komponense legyőzi az áramkör kapacitív ellenállását és a feszültség aktív összetevője, legyőzve annak aktív ellenállását.

Minél nagyobb az áramkör aktív ellenállása, annál kisebb az áram és a feszültség közötti fáziseltolódás.

Az áramkör teljesítményváltozásának görbéje (lásd a 3. ábrát) a periódus során kétszer kapott negatív előjelet, ami, mint már tudjuk, az áramkör reaktív jellegének a következménye. Minél kevésbé reaktív az áramkör, annál kisebb az áram és a feszültség közötti fáziseltolás, és annál több áramforrást fogyaszt az áramkör.

Olvassa el még: Feszültségrezonancia