AC kondenzátor

Sestavíme obvod s kondenzátor, kde alternátor generuje sinusové napětí. Pojďme analyzovat postupně, co se stane v obvodu, když sepneme spínač. Budeme uvažovat počáteční okamžik, kdy je napětí generátoru rovno nule.

Během první čtvrtiny období se napětí na svorkách generátoru zvýší, počínaje nulou, a kondenzátor se začne nabíjet. V obvodu se objeví proud, ale v prvním okamžiku nabíjení kondenzátoru, přestože se napětí na jeho deskách právě objevilo a je stále velmi malé, proud v obvodu (nabíjecí proud) bude největší . S rostoucím nábojem na kondenzátoru proud v obvodu klesá a dosáhne nuly v okamžiku, kdy je kondenzátor plně nabitý. V tomto případě se napětí na deskách kondenzátoru, přesně podle napětí generátoru, stane v tomto okamžiku maximálním, ale s opačným znaménkem, to znamená, že je nasměrováno na napětí generátoru.

Rýže. 1. Změna proudu a napětí v obvodu s kapacitou

Tímto způsobem proud spěchá největší silou do kondenzátoru zdarma, ale okamžitě se začne snižovat, když jsou desky kondenzátoru naplněny náboji a klesnou na nulu, čímž jej plně nabijí.

Srovnejme tento jev s tím, co se děje s prouděním vody v potrubí spojujícím dvě propojené nádoby (obr. 2), z nichž jedna je plná a druhá prázdná. Stačí stisknout ventil blokující cestu vody, protože voda okamžitě vytéká z levé nádoby pod velkým tlakem potrubím do prázdné pravé nádoby. Okamžitě však začne tlak vody v potrubí vlivem vyrovnávání hladin v nádobách postupně slábnout a klesne na nulu. Proud vody se zastaví.

Rýže. 2. Změna tlaku vody v potrubí spojujícím komunikační nádoby je podobná změně proudu v okruhu během nabíjení kondenzátoru

Podobně proud nejprve spěchá do nenabitého kondenzátoru a poté postupně slábne při nabíjení.

Jak začíná druhá čtvrtina periody, kdy napětí generátoru zpočátku začíná pomalu a pak klesá stále rychleji, nabitý kondenzátor se vybije do generátoru, což způsobí vybíjecí proud v obvodu. S klesajícím napětím generátoru se kondenzátor stále více vybíjí a zvyšuje se vybíjecí proud v obvodu. Směr vybíjecího proudu v této čtvrtině období je opačný než směr nabíjecího proudu v první čtvrtině období. V souladu s tím je aktuální křivka, která prošla nulovou hodnotou, nyní umístěna pod časovou osou.

Na konci prvního půlcyklu se napětí generátoru, stejně jako napětí kondenzátoru, rychle blíží nule a proud obvodu pomalu dosahuje své maximální hodnoty. Vzhledem k tomu, že hodnota proudu v obvodu je větší, čím větší je hodnota náboje neseného v obvodu, bude zřejmé, proč proud dosáhne svého maxima, když napětí na deskách kondenzátoru, a tedy i náboj na kondenzátor, rychle klesá.

Na začátku třetí čtvrtiny periody se kondenzátor začne znovu nabíjet, ale polarita jeho desek, stejně jako polarita generátoru, se mění „a naopak a proud, který nadále protéká stejným směru, začne s nabíjením kondenzátoru klesat.Konec třetí čtvrtiny období, kdy napětí generátoru a kondenzátoru dosáhnou maxima, proud klesne na nulu.

Během poslední čtvrtiny periody klesající napětí klesne na nulu a proud po změně směru v obvodu dosáhne své maximální hodnoty. Zde končí období, po kterém začíná další, přesně opakující předchozí a tak dále.

Působením střídavého napětí generátoru se tedy kondenzátor během periody dvakrát nabije (první a třetí čtvrtina periody) a dvakrát vybije (druhá a čtvrtá čtvrtina periody). Ale protože se střídají jeden po druhém nabíjení a vybíjení kondenzátoru doprovázeno pokaždé průchodem nabíjecího a vybíjecího proudu obvodem, pak můžeme usoudit, že střídavý proud.

To si můžete ověřit v následujícím jednoduchém experimentu. Připojte 4-6 mikrofaradový kondenzátor k síti přes 25W žárovku.Kontrolka se rozsvítí a nezhasne, dokud není obvod přerušen. To naznačuje, že obvodem s kapacitou prošel střídavý proud. Samozřejmě neprochází dielektrikem kondenzátoru, ale v každém okamžiku představuje buď nabíjecí proud nebo vybíjecí proud kondenzátoru.

Jak víme, dielektrikum se působením elektrického pole vznikajícího v něm při nabíjení kondenzátoru polarizuje a při vybíjení kondenzátoru jeho polarizace mizí.

V tomto případě dielektrikum, ve kterém vzniká posuvný proud, slouží pro střídavý proud jako jakési pokračování obvodu a pro konstantu obvod přeruší. Posuvný proud se ale tvoří pouze uvnitř dielektrika kondenzátoru, a proto nedochází k přenosu nábojů po obvodu.

Odpor nabízený střídavým kondenzátorem závisí na hodnotě kapacity kondenzátoru a frekvenci proudu.

Čím větší je kapacita kondenzátoru, tím větší je náboj na obvodu během nabíjení a vybíjení kondenzátoru a tím větší je proud v obvodu. Zvýšení proudu v obvodu naznačuje, že se jeho odpor snížil.

Proto se zvyšující se kapacitou klesá odpor obvodu vůči střídavému proudu.

roste to aktuální frekvence zvyšuje množství náboje neseného v obvodu, protože nabíjení (stejně jako vybíjení) kondenzátoru musí probíhat rychleji než při nízké frekvenci. Současně se zvýšení množství přeneseného náboje za jednotku času rovná zvýšení proudu v obvodu, a tedy snížení jeho odporu.

Pokud nějak postupně snížíme frekvenci střídavého proudu a snížíme proud na stejnosměrný proud, pak se odpor kondenzátoru zařazeného do obvodu postupně zvětší a stane se nekonečně velkým (přeruší obvod), až se objeví v obvod konstantního proudu.

Proto s rostoucí frekvencí klesá odpor kondenzátoru vůči střídavému proudu.

Stejně jako se odpor cívky proti střídavému proudu nazývá indukční, odpor kondenzátoru se nazývá kapacitní.

Proto je kapacitní odpor větší, čím nižší je kapacita obvodu a frekvence proudu, který jej napájí.

Kapacitní odpor se označuje jako Xc a měří se v ohmech.

Závislost kapacitního odporu na frekvenci proudu a kapacitě obvodu je určena vzorcem Xc = 1 /ωC, kde ω je kruhová frekvence rovna součinu 2πe, C je kapacita obvodu v farads.

Kapacitní odpor, stejně jako indukční odpor, má reaktivní povahu, protože kondenzátor nespotřebovává energii zdroje proudu.

vzorec Ohmův zákon pro kapacitní obvod má tvar I = U / Xc, kde I a U - efektivní hodnoty proudu a napětí; Xc je kapacitní odpor obvodu.

Vlastnost kondenzátorů poskytovat vysokou odolnost vůči nízkofrekvenčním proudům a snadno propouštět vysokofrekvenční proudy je široce používána v obvodech komunikačních zařízení.

Pomocí kondenzátorů je například dosaženo oddělení konstantních proudů a nízkofrekvenčních proudů od vysokofrekvenčních proudů, nutné pro činnost obvodů.

Pokud je potřeba blokovat cestu nízkofrekvenčního proudu ve vysokofrekvenční části obvodu, zapojí se do série malý kondenzátor. Nabízí velkou odolnost vůči nízkofrekvenčnímu proudu a zároveň snadno prochází vysokofrekvenčním proudem.

Pokud je třeba zabránit vysokofrekvenčnímu proudu např. v silovém obvodu radiostanice, pak se použije kondenzátor o velké kapacitě, zapojený paralelně se zdrojem proudu. V tomto případě vysokofrekvenční proud prochází kondenzátorem a obchází napájecí obvod rádiové stanice.

Aktivní odpor a kondenzátor ve střídavém obvodu

V praxi jsou často pozorovány případy, kdy jsou v sériovém obvodu s kapacitou aktivní odpor je zahrnut. Celkový odpor obvodu je v tomto případě určen vzorcem

Proto je celkový odpor obvodu sestávajícího z aktivního a kapacitního střídavého odporu roven druhé odmocnině součtu druhých mocnin aktivního a kapacitního odporu tohoto obvodu.

Ohmův zákon zůstává platný i pro tento obvod I = U / Z.

Na Obr. 3 ukazuje křivky charakterizující fázový vztah mezi proudem a napětím v obvodu obsahujícím kapacitní a aktivní odpor.

Rýže. 3. Proud, napětí a výkon v obvodu s kondenzátorem a činným odporem

Jak je vidět z obrázku, proud v tomto případě nezvyšuje napětí o čtvrtinu periody, ale o méně, protože aktivní odpor narušuje čistě kapacitní (jalovou) povahu obvodu, což dokazuje snížená fáze posun. Nyní je napětí na svorkách obvodu definováno jako součet dvou složek: jalová složka napětí tivní, překoná kapacitní odpor obvodu a aktivní složka napětí, překonává jeho činný odpor.

Čím větší je aktivní odpor obvodu, tím menší je fázový posun mezi proudem a napětím.

Křivka změny výkonu v obvodu (viz obr. 3) dvakrát za periodu získala záporné znaménko, což, jak již víme, je důsledkem reaktivního charakteru obvodu. Čím méně reaktivní je obvod, tím menší je fázový posun mezi proudem a napětím a tím více energie zdroje proudu tento obvod spotřebuje.

Přečtěte si také: Napěťová rezonance