Конденсатор в цепи переменного тока
Соберем цепь с конденсатором, в которой генератор переменного тока создает синусоидальное напряжение. Разберем последовательно, что произойдет в цепи, когда мы замкнем ключ. Начальным будем считать тот момент, когда напряжение генератора равно нулю.
В первую четверть периода напряжение на зажимах генератора будет возрастать, начиная от нуля, и конденсатор начнет заряжаться. В цепи появится ток, однако в первый момент заряда конденсатора, несмотря на то, что напряжение на его пластинах только что появилось и еще очень мало, ток в цепи (ток заряда) будет наибольшим. По мере же увеличения заряда конденсатора ток в цепи убывает и доходит до нуля в момент, когда конденсатор полностью зарядится. При этом напряжение на пластинах конденсатора, строго следуя за напряжением генератора, становится к этому моменту максимальным, но обратного знака, т. е. направлено навстречу напряжению генератора.
Рис. 1. Изменение тока и напряжения в цепи с емкостью
Таким образом, ток с наибольшей силой устремляется в свободный от заряда конденсатор, но тут же начинает убывать по мере заполнения зарядами пластин конденсатора и падает до нуля, полностью зарядив его.
Сравним это явление с тем, что происходит с потоком воды в трубе, соединяющей два сообщающихся сосуда (рис. 2),один из которых наполнен, а другой пустой. Стоит только выдвинуть заслонку, преграждающую путь воде, как вода сразу же из левого сосуда под большим напором устремится по трубе в пустой правый сосуд. Однако тотчас же напор воды в трубе начнет постепенно ослабевать, вследствие выравнивания уровней в сосудах, и упадет до нуля. Течение воды прекратится.
Рис. 2. Изменение напора воды в трубе, соединяющей сообщающиеся сосуды, сходно с изменением тока в цепи во время заряда конденсатора
Подобно этому и ток сначала устремляется в незаряженный конденсатор, а затем постепенно ослабевает по мере его заряда.
С началом второй четверти периода, когда напряжение генератора начнет сначала медленно, а затем все быстрее и быстрее убывать, заряженный конденсатор будет разряжаться на генератор, что вызовет в цепи ток разряда. По мере убывания напряжения генератора конденсатор все больше и больше разряжается и ток разряда в цепи возрастает. Направление тока разряда в этой четверти периода противоположно направлению тока заряда в первой четверти периода. Соответственно этому кривая тока, пройдя нулевое значение, располагается уже теперь ниже оси времени.
К концу первого полупериода напряжение на генераторе, а также и на конденсаторе быстро приближается к нулю, а ток в цепи медленно достигает своего максимального значения. Вспомнив, что величина тока в цепи тем больше, чем больше величина переносимого по цепи заряда, станет ясным, почему ток достигает максимума тогда, когда напряжение на пластинах конденсатора, а следовательно, и заряд конденсатора быстро убывают.
С началом третьей четверти периода конденсатор вновь начинает заряжаться, но полярность его пластин, так же как и полярность генератора, изменяется «а обратную, а ток, продолжая течь в том же направлении, начинает по мере заряда конденсатора убывать, В конце третьей четверти периода, когда напряжения на генераторе и конденсаторе достигают своего максимума, ток становится равным нулю.
В последнюю четверть периода напряжение, уменьшаясь, падает до нуля, а ток, изменив свое направление в цепи, достигает максимальной величины. На этом и заканчивается период, за которым начинается следующий, в точности повторяющий предыдущий, и т. д.
Итак, под действием переменного напряжения генератора дважды за период происходят заряд конденсатора (первая и третья четверти периода) и дважды его разряд (вторая и четвертая четверти периода). Но так как чередующиеся один за другим заряды и разряды конденсатора сопровождаются каждый раз прохождением по цепи зарядного и разрядного токов, то мы можем заключить, что по цепи с емкостью проходит переменный ток.
Убедиться в этом можно на следующем простом опыте. Подключите к сети переменного тока через лампочку электрического освещения мощностью 25 Вт конденсатор емкостью 4—6 мкф. Лампочка загорится и не погаснет до тех пор, пока не будет разорвана цепь. Это говорит о том, что по цепи с емкостью проходил переменный ток. Однако проходил он, конечно, не сквозь диэлектрик конденсатора, а в каждый момент времени представлял собой или ток заряда или ток разряда конденсатора.
Диэлектрик же, как нам известно, поляризуется под действием электрического поля, возникающего в нем при заряде конденсатора, и поляризация его исчезает, когда конденсатор разряжается.
При этом диэлектрик с возникающим в нем током смещения служит для переменного тока своего рода продолжением цепи, а для постоянного разрывает цепь. Но ток смещения образуется только в пределах диэлектрика конденсатора, и поэтому сквозного переноса зарядов по цепи не происходит.
Сопротивление, оказываемое конденсатором переменному току, зависит от величины емкости конденсатора и от частоты тока.
Чем больше емкость конденсатора, тем больший заряд переносится по цепи за время заряда и разряда конденсатора, а следовательно, и тем больший будет ток в цепи. Увеличение же тока в цепи свидетельствует о том, что уменьшилось ее сопротивление.
Следовательно, с увеличением емкости уменьшается сопротивление цепи переменному току.
Увеличение частоты тока увеличивает величину переносимого по цепи заряда, так как заряд (а равно и разряд) конденсатора должен произойти быстрее, чем при низкой частоте. В то же время увеличение величины переносимого в единицу времени заряда равносильно увеличению тока в цепи, а следовательно, уменьшению ее сопротивления.
Если же мы каким-либо способом будем постепенно уменьшать частоту переменного тока и сведем ток к постоянному, то сопротивление конденсатора, включенного в цепь, будет постепенно возрастать и станет бесконечно большим (разрыв цепи) к моменту появления в цепи постоянного тока.
Следовательно, с увеличением частоты уменьшается сопротивление конденсатора переменному току.
Подобно тому как сопротивление катушки переменному току называют индуктивным, сопротивление конденсатора принято называть емкостным.
Таким образом, емкостное сопротивление тем больше, чем меньше емкость цепи и частота питающего ее тока.
Емкостное сопротивление обозначается через Хс и измеряется в омах.
Зависимость емкостного сопротивления от частоты тока и емкости цепи определяется формулой Хс = 1/ ωС, где ω — круговая частота, равная произведению 2 π f , С—емкость цепи в фарадах.
Емкостное сопротивление, как и индуктивное, является реактивным по своему характеру, так как конденсатор не потребляет энергии источника тока.
Формула закона Ома для цепи с емкостью имеет вид I = U/Xc , где I и U — действующие значения тока и напряжения; Хс — емкостное сопротивление цепи.
Свойство конденсаторов оказывать большое сопротивление токам низкой частоты и легко пропускать токи высокой частоты широко используется в схемах аппаратуры связи.
С помощью конденсаторов, например, достигается необходимое для работы схем разделение постоянных токов и токов низкой частоты от токов высокой частоты.
Если нужно преградить путь току низкой частоты в высокочастотную часть схемы, последовательно включается конденсатор небольшой емкости. Он оказывает большое сопротивление низкочастотному току и в то же время легко пропускает ток высокой частоты.
Если же надо не допустить ток высокой частоты, например, в цепь питания радиостанции, то используется конденсатор большой емкости, включаемый параллельно источнику тока. Ток высокой частоты в этом случае проходит через конденсатор, минуя цепь питания радиостанции.
Активное сопротивление и конденсатор в цепи переменного тока
На практике часто встречаются случаи, когда в цепи последовательно с емкостью включено активное сопротивление. Общее сопротивление цепи в этом случае определяется по формуле
Следовательно, полное сопротивление цепи, состоящей из активного и емкостного сопротивлений, переменному току равно корню квадратному из суммы квадратов активного и емкостного сопротивлений этой цепи.
Закон Ома остается справедливым и для этой цепи I = U/Z .
На рис. 3 приведены кривые, характеризующие фазовые соотношения между током и напряжением в цепи, содержащей емкостное и активное сопротивления.
Рис. 3. Ток, напряжение и мощность в цепи с конденсатором и активным сопротивлением
Как видно из рисунка, ток в этом случае опережает напряжение уже не на четверть периода, а меньше, так как активное сопротивление нарушило чисто емкостный (реактивный) характер цепи, о чем свидетельствует уменьшенный сдвиг фаз. Теперь уже напряжение на зажимах цепи определится как сумма двух слагающих: реактивной слагающей напряжения u с, идущей на преодоление емкостного сопротивления цепи, и активной слагающей напряжения преодолевающей активное ее сопротивление.
Чем больше будет активное сопротивление цепи, тем меньший сдвиг фаз получится между током и напряжением.
Кривая изменения мощности в цепи (см. рис. 3) дважды за период приобрела отрицательный знак, что является, как нам уже известно, следствием реактивного характера цепи. Чем менее реактивная цепь, тем меньше сдвиг фаз между током и напряжением и тем большую мощность источника тока эта цепь потребляет.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Калькулятор электрического сопротивления ёмкости
При подключении конденсатора в цепь переменного тока возникает совокупность процессов заряда и разряда ёмкости, т.е. накопление и отдача энергии электрическим полем между обкладками. По мере заряда ёмкости, ток через нее уменьшается. Конденсатор будет заряжаться до максимального значения, пока ток не сменит направление на противоположное. В моменты максимального значения напряжения на конденсаторе, ток в нём будет равен нулю. Таким образом, напряжение на конденсаторе и ток всегда будут иметь расхождение во времени в четверть периода. Ток в цепи будет ограничен падением напряжения на конденсаторе, что создаёт реактивное сопротивление переменному току Xc.
X C — сопротивление, Ом; f — частота, Гц; C — ёмкость, Ф.
Сопротивление конденсатора переменному току это отношение действующих значений напряжения к току. Оно обратно-пропорциональное скорости изменения тока (частоте) и ёмкости конденсатора. Фазы кривых тока и напряжения на конденсаторе смещены на 90 градусов, при этом ток опережает напряжение.
Расчет электрического сопротивления ёмкости
Для расчета введите значение ёмкости конденсатора и частоту переменного тока
Обнаружили ошибку или неточность в работе калькулятора? Сообщите нам об этом.
Соблюдайте технику безопасности во время работы с электронными компонентами!
-
- Магазины и оптовые отделы
- Видео
- Новости
- Каталог брендов
- Каталоги автозапчастей
- Акции и спецпредложения
- Калькуляторы
- Обратная связь
- История компании
- «ЧИП и ДИП» сегодня
- 28 лет в сфере e-com
- Контактная информация
- Реквизиты АО «ЧИП и ДИП»
- Дистрибьюция
- Планируете стать поставщиком?
- Работа в «ЧИП и ДИП»
- Как сделать заказ
- Способы доставки
- Способы оплаты
- Состояние заказа
- Редактирование заказа
- Возврат и обмен товара
- Для юридических лиц
Конденсатор в цепи переменного тока
Как известно из курса физики 11 класса, конденсатор — это два проводника, находящиеся на близком расстоянии и разделённые диэлектриком. Конденсатор — это важный компонент многих электронных схем, особенно схем, работающих с переменным током. Поговорим кратко о механизме работы конденсатора и о его роли в цепях переменного тока.
Устройство конденсатора
Конденсатор представляет собой две проводящие поверхности, разделённые слоем диэлектрика. Как правило, эти поверхности делаются из тонкой медной или алюминиевой фольги, иногда свёрнутой в рулон. В качестве диэлектрика применяется бумага, керамика, некоторые виды пластмасс. От каждой из проводящих поверхностей (они называются обкладками) выводится электрический контакт — клемма. Вся конструкция помещается в корпус, обеспечивающий механическую прочность.
Действие конденсатора
Казалось бы, с точки зрения электрического тока конденсатор представляет собой разрыв цепи. Однако это не совсем так. Если создать на одной из обкладок конденсатора избыток свободных носителей электрического заряда, то свободные носители такого же знака начнут уходить с другой обкладки, а носители противоположного знака — наоборот, собираться на ней. То есть и на другой обкладке носители придут в движение.
Получается, что конденсатор не является полным разрывом электрической цепи. Если изменения заряда на первой обкладке производить попеременно, то в одну, то в другую сторону (подав на обкладку переменный ток) — то на второй обкладке заряды также будут попеременно двигаться.
Конденсатор способен передавать переменный ток, а также любые изменения тока вообще. Он является разрывом цепи только для постоянного тока.
Ёмкостное сопротивление конденсатора
Основной характеристикой конденсатора является его электроёмкость (приставка «электро-» часто опускается). Чем больше ёмкость конденсатора, тем меньшую работу надо совершить для того, чтобы создать на его обкладках заряды.
Но, создавая на одной из обкладок заряд, мы, как показано выше, создаём движение носителей и на второй обкладке. Получается, что такое движение создать тем легче, чем больше ёмкость конденсатора.
Таким образом, емкость конденсатора в цепи переменного тока играет роль сопротивления. Это сопротивление прямо зависит от величины ёмкости, поэтому для конденсатора его называют «ёмкостным».
На ёмкостном сопротивлении мощность не выделяется. Это происходит потому, что энергия, потраченная на заряд конденсатора, возвращается в цепь при его последующем разряде.
Ещё один важный фактор, влияющий на это сопротивление, — частота переменного тока. Действительно, при большой частоте накопление заряда на обкладках конденсатора продолжается недолго, очень скоро оно сменяется разрядом. Максимальный заряд конденсатора будет невелик, создать его будет несложно. Если частота электрического тока мала, то заряд конденсатора будет продолжаться долго, достигнет больших значений, работы придётся совершить больше. Следовательно, ёмкостное сопротивление на низкой частоте будет больше.
Ёмкостное сопротивление обозначается символом $X_c$, для его определения используется формула:
- $C$ — электроёмкость конденсатора (Ф);
- $\omega$ — круговая частота тока (рад/сек);
- $\nu$ — частота тока (Гц).
Что мы узнали?
Конденсатор в цепи переменного тока играет роль сопротивления, которое называется ёмкостным. Мощность на таком сопротивлении не выделяется. Также конденсатор способен передавать любые изменения тока. Для постоянного тока он является разрывом цепи.
Конденсатор в цепях переменного тока
Чтобы понять, как работает конденсатор в цепях переменного тока, вам потребуется хотя бы минимальное представление об этом самом переменном токе. Будем считать, что эти знания у вас есть, поэтому здесь приведём только информацию, касающуюся работы конденсатора.
На рис. 1 приведены графики изменения силы тока и напряжения во времени для ёмкостной нагрузки, то есть для конденсатора.
Рис. 1. Изменения силы тока и напряжения во времени для ёмкостной нагрузки.
Здесь Uc(t) — напряжение на конденсаторе, I(t) — ток в цепи, Ug(t) — напряжение на выходе источника переменного напряжения.
Итак, при подключении конденсатора к источнику переменного напряжения (перед подключением конденсатор разряжен), ток в цепи максимальный (см. рис. 1), а напряжение Uc на конденсаторе равно нулю. Ёмкость конденсатора влияет на ток, но нас пока это не интересует.
В первой четверти периода напряжение источника увеличивается, напряжение на конденсаторе также увеличивается. Конденсатор заряжается, а ток в цепи уменьшается. По прошествии 1/4 периода конденсатор полностью заряжен и ток в цепи равен нулю.
Во второй четверти происходит разряд конденсатора, ток в цепи увеличивается. И так далее.
Таким образом, ток, протекающий через конденсатор, отстаёт от напряжения на его обкладках на одну четверть периода.
Закон Ома для действующих значений имеет вид:
I = CUω = U / Xc
Где С — ёмкость конденсатора, Ф, U — напряжение, В, Хс — ёмкостное сопротивление цепи, Ом, которое равно
Xc = 1 /ωC = 1 / 2πfC
Где f — частота переменного тока, Гц.
Отсюда можно сделать вывод, что ёмкостное сопротивление зависит не только от ёмкости конденсатора, но и от частоты переменного тока. Чем выше частота, тем меньше ёмкостное сопротивление конденсатора, и наоборот.
Исходя из вышесказанного напрашивается первое применение конденсатора в цепях переменного тока — работа в качестве гасящего элемента в делителях напряжения. Конечно, проще и удобнее использовать в качестве такого элемента резистор. Однако, если требуется существенное падение напряжения на гасящем резисторе, то даже небольшие токи потребуют применения резистора большой мощности и, соответственно, габаритов.
Конденсатор в цепях переменного тока не рассеивает энергию, а значит и не нагревается. Почему? Потому что, как мы выяснили, ток и напряжение в конденсаторе смещены относительно друг друга на 90 o . То есть в момент, когда напряжение максимально, ток равен нулю, соответственно, и мощность равна нулю в этот момент (см. рис. 1). Работа не совершается, нагрев не происходит.
Именно поэтому вместо резистора часто применяют конденсаторы. Основной недостаток такого использования конденсатора заключается в том, что при изменении тока в цепи изменяется и напряжение на нагрузке. Второй недостаток (по сравнению с применением трансформаторов) — отсутствие гальванической развязки. По этим и другим причинам применение конденсаторов в качестве гасящих элементов ограничено и используется обычно в тех случаях, когда сопротивление нагрузки относительно стабильно. Например, в цепях питания нагревательных элементов.
Однако частотно-зависимые делители напряжения применяются очень широко. Свойства конденсаторов используются, например, при создании различных фильтров и резонансных схем.
Частотный фильтр — это устройство, которое пропускает сигналы одной частоты и не пропускает другие. Или наоборот — пропускает все частоты кроме одного диапазона. Работа частотных фильтров основана на способности конденсатора изменять ёмкостное сопротивление в зависимости от частоты. Например, нам нужно подавить в усилителе фон переменного тока частотой 50 Гц. В таком случае можно использовать фильтр — схему из конденсаторов и резисторов, которая будет подавлять сигнал с частотой 50 Гц и пропускать все остальные сигналы. Расчёт и конструирование фильтров — занятие непростое и здесь не рассматривается.
Резонансные схемы используют резонанс, который возникает при последовательном или параллельном включении конденсатора и катушки индуктивности. Поскольку сопротивление этих элементов зависит от частоты, то при некоторой частоте общее сопротивление цепи будет максимальным, а при некоторых — минимальным. Эти эффекты и используются в резонансных схемах. Например, резонанс используется в радиоприёмниках при настройке на станцию.