Kondenzátor ve střídavém obvodu – Základy elektroniky

Víme, že kondenzátorem neprochází stejnosměrný proud. Proto v elektrickém obvodu, ve kterém je kondenzátor zapojen do série se zdrojem proudu, nemůže protékat stejnosměrný proud.

Chová se úplně jinak AC kondenzátor (Obrázek 1, a).

Obrázek 1. Porovnání kondenzátoru v obvodu střídavého proudu s pružinou, na kterou působí vnější síla.

Během první čtvrtiny období, kdy se střídavé emf zvyšuje, je kondenzátor nabitý, a proto obvodem prochází nabíjecí elektrický proud i, jehož síla bude největší na začátku, kdy kondenzátor není nabitý. Jak se nabíjení blíží ke konci, nabíjecí proud se snižuje. Nabíjení kondenzátoru končí a nabíjecí proud se zastaví v okamžiku, kdy se střídavý EMF přestane zvyšovat po dosažení své hodnoty amplitudy. Tento okamžik odpovídá konci první čtvrtiny období.

Poté se střídavé EMF začne snižovat a současně se začne vybíjet kondenzátor. V důsledku toho bude během druhé čtvrtiny periody obvodem protékat vybíjecí proud. Vzhledem k tomu, že pokles EMF nastává nejprve pomalu a pak rychleji a rychleji, síla vybíjecího proudu, která má malou hodnotu na začátku druhé čtvrtiny období, se bude postupně zvyšovat.

Takže na konci druhé čtvrtiny období bude kondenzátor vybitý, EMF se bude rovnat nule a proud v obvodu dosáhne své maximální hodnoty amplitudy.

Na začátku třetí čtvrtiny období se EMF po změně směru začne znovu zvyšovat a kondenzátor se začne znovu nabíjet. Kondenzátor se nyní bude nabíjet v opačném směru, což odpovídá změněnému směru EMF. Proto se směr nabíjecího proudu během třetí čtvrtiny období bude shodovat se směrem vybíjecího proudu ve druhé čtvrtině, tj. při přechodu z druhé čtvrtiny období do třetího bude proud v obvodu nemění svůj směr.

Nejprve, když kondenzátor není nabitý, nabíjecí proud je největší. S rostoucím nábojem na kondenzátoru se nabíjecí proud snižuje. Nabíjení kondenzátoru se ukončí a nabíjecí proud se zastaví na konci třetí čtvrtiny období, kdy EMF dosáhne své hodnoty amplitudy a jeho nárůst se zastaví.

Takže do konce třetí čtvrtiny období se kondenzátor znovu nabije, ale v opačném směru, tedy na desce, kde bylo dříve plus, bude mínus a kde bylo mínus, bude plus. V tomto případě EMF dosáhne hodnoty amplitudy (v opačném směru) a proud v obvodu bude nulový.

Během poslední čtvrtiny období začne EMF opět klesat a kondenzátor se vybije; současně se v obvodu objevuje postupně se zvyšující vybíjecí proud. Směr tohoto proudu se shoduje se směrem proudu v první čtvrtině období a je opačný než směr proudu ve druhé a třetí čtvrtině.

Ze všeho uvedeného vyplývá, že obvodem s kondenzátorem prochází střídavý proud a že síla tohoto proudu závisí na hodnotě kapacity kondenzátoru a na frekvenci proudu. Navíc z Obr. 1a, který jsme zkonstruovali na základě naší úvahy, je zřejmé, že v čistě kapacitním obvodu předbíhá fáze AC před fází napětí o 90°.

Všimněte si, že v obvodu s indukčností proud zaostává za napětím a v obvodu s kapacitou proud vede k napětí. V obou případech dochází k posunu mezi fázemi proudu a napětí, ale znaky těchto posunů jsou opačné

Kapacita kondenzátoru

Již jsme si všimli, že proud v obvodu s kondenzátorem může téct pouze tehdy, když se změní napětí na něj aplikované, a síla proudu procházejícího obvodem při nabíjení a vybíjení kondenzátoru bude tím větší, čím větší bude kapacita kondenzátoru. a tím rychleji dochází ke změnám EMF

Kondenzátor zapojený do obvodu střídavého proudu ovlivňuje sílu proudu procházejícího obvodem, chová se tedy jako odpor. Čím větší je kapacita a čím vyšší je frekvence střídavého proudu, tím menší je hodnota kapacity. Naopak odpor kondenzátoru vůči střídavému proudu se zvyšuje, když se jeho kapacita snižuje a frekvence klesá.

Obrázek 2. Závislost kapacity kondenzátoru na frekvenci.

Pro stejnosměrný proud, tedy když je jeho frekvence nulová, je odpor kapacity nekonečně velký; stejnosměrný proud proto nemůže procházet obvodem s kapacitou.

Hodnota kapacity je určena následujícím vzorcem:

kde Xc je kapacita kondenzátoru v ohmech;

f – frekvence střídavého proudu v Hz;

ω — úhlová frekvence střídavého proudu;

C je kapacita kondenzátoru v f.

Když je kondenzátor připojen k obvodu střídavého proudu, tento, stejně jako indukčnost, nespotřebovává energii, protože fáze proudu a napětí jsou vůči sobě posunuty o 90°. Energie během jedné čtvrtiny periody – když je kondenzátor nabitý – je uložena v elektrickém poli kondenzátoru a během druhé čtvrtiny periody – když je kondenzátor vybitý – je vrácena zpět do obvodu. Proto je kapacitní reaktance, stejně jako indukční, reaktivní nebo bezvodá.

Je však třeba poznamenat, že téměř u každého kondenzátoru se při průchodu střídavého proudu vynakládá větší či menší činný výkon v důsledku změn, ke kterým dochází ve stavu dielektrika kondenzátoru. Navíc mezi deskami kondenzátoru není nikdy absolutně dokonalá izolace; Netěsnost izolace mezi deskami vede k tomu, že se zdá, že nějaký činný odpor je připojen paralelně ke kondenzátoru, kterým protéká proud a ve kterém je tedy spotřebován určitý výkon. Jak v prvním, tak v druhém případě je výkon zcela zbytečně vynaložen na ohřev dielektrika, proto se tomu říká výkonové ztráty.

Ztráty způsobené změnami stavu dielektrika se nazývají dielektrikum a ztráty způsobené nedokonalou izolací mezi deskami se nazývají ztráty svodem.

Dříve jsme porovnávali elektrickou kapacitu s kapacitou hermeticky (těsně) uzavřené nádoby nebo s plochou dna otevřené nádoby se svislými stěnami.

Je vhodné porovnat kondenzátor v obvodu střídavého proudu s pružností pružiny. Zároveň, abychom předešli případným nedorozuměním, shodněme se, že pružností nemáme na mysli pružnost („tvrdost“) pružiny, ale její převrácenou hodnotu, tedy „měkkost“ či „poddajnost“ pružiny. .

Představme si, že periodicky stlačujeme a natahujeme spirálovou pružinu, pevně připevněnou na jednom konci ke stěně. Doba, po kterou provedeme celý cyklus stlačení a vytažení pružiny, bude odpovídat periodě střídavého proudu.

Během prvního čtvrtletí období tedy pružinu stlačíme, během druhé čtvrtiny období ji uvolníme, během třetí čtvrtiny období ji natáhneme a během čtvrtého čtvrtletí ji opět uvolníme.

Shodněme se navíc na tom, že naše úsilí během období bude nerovnoměrné, a to: během prvního a třetího čtvrtletí období vzroste z nuly na maximum a během druhého a čtvrtého čtvrtletí klesne z maxima na nulu.

Stlačováním a natahováním pružiny tímto způsobem si všimneme, že na začátku první čtvrtiny období se uvolněný konec pružiny bude pohybovat poměrně rychle s relativně malým úsilím z naší strany.

Na konci první čtvrtiny období (kdy je pružina stlačena) se naopak přes zvýšené úsilí bude uvolněný konec pružiny pohybovat velmi pomalu.

Během druhé čtvrtiny období, kdy postupně uvolňujeme tlak na pružinu, se její volný konec bude vzdalovat od stěny směrem k nám, ačkoli naše zdržovací úsilí směřuje ke stěně. V tomto případě bude naše úsilí na začátku druhé čtvrtiny období největší a rychlost pohybu volného konce jara nejmenší. Na konci druhé čtvrtiny období, kdy je naše úsilí nejmenší, bude rychlost jara největší atd.

Pokračujeme-li v podobném uvažování pro druhou polovinu období (pro třetí a čtvrté čtvrtletí) a sestavujeme grafy (obr. 1,b) změn našeho úsilí a rychlosti pohybu volného konce pružiny, ujistíme se, že že tyto grafy přesně odpovídají grafům emf a proudu v kapacitním obvodu (obrázek 1,a) a graf síly bude odpovídat grafu EMF a graf rychlosti bude odpovídat aktuálnímu grafu.

Obrázek 3. a) Procesy v obvodu střídavého proudu s kondenzátorem a b) porovnání kondenzátoru s pružinou.

Není těžké si všimnout, že pružina, podobně jako kondenzátor, během jedné čtvrtiny periody akumuluje energii a ve druhé čtvrtině periody ji uvolňuje zpět.

Je také zcela zřejmé, že čím je pružina méně pružná, tedy čím je pružnější, tím větší odpor bude klást našemu úsilí. Totéž platí v elektrickém obvodu: čím menší je kapacita, tím větší je odpor obvodu při dané frekvenci.

A konečně, čím pomaleji pružinu stlačujeme a natahujeme, tím nižší bude rychlost jejího volného konce. Podobně, čím nižší je frekvence, tím nižší je síla proudu pro dané emf.

Při konstantním tlaku se pružina pouze stlačí a zastaví svůj pohyb, stejně jako při konstantním EMF se kondenzátor pouze nabije a tím se zastaví další pohyb elektronů v obvodu.

A nyní můžete vidět, jak se chová kondenzátor v obvodu střídavého proudu v následujícím videu:

LÍBÍ SE ČLÁNEK? SDÍLEJTE SE SVÝMI PŘÁTELI NA SOCIÁLNÍCH SÍTÍCH!