Конденсатор в цепи переменного тока

Этот пассивный элемент применяют для создания различных электротехнических схем, защитных и блокирующих устройств. Конденсатор в цепи переменного тока накапливает и возвращает энергию. С помощью этой публикации можно выяснить назначение и функции популярного радиокомпонента, изучить основные определения и особенности практического применения.

Электрические параметры, формулы для расчета и схема измерений при подключении конденсатора к источнику питания переменного тока

Назначение конденсаторов

Принцип действия всех элементов данной категории определяется способностью накопления электрического заряда двумя проводящими пластинами, которые разделяет слой диэлектрика. Из описания элементарной конструкции понятно, что постоянный ток через конденсатор не проходит. Однако при подключении переменного сигнала энергия возвращается в цепь с периодичностью соответствующей рабочей частоты.

Свойства и выполняемые функции

Отмеченные накопительные способности определяются размерами пластин и расстоянием между ними, диэлектрическими характеристиками промежуточного слоя. Заряд сохраняется после отключения источника питания. Если подсоединить нагрузку, энергия может выполнять необходимые полезные функции.

Узкополосный фильтр

На рисунке показано устройство, которое «вырезает» небольшой участок спектра. Показанная на графике рабочая частота определяется параметрами цепочки, составленной из конденсатора и катушки индуктивности. В данном примере выполняются функции фильтрации входного сигнала.

Понятие полярности для конденсаторов и их выход из строя

Для улучшения рабочих параметров некоторые компоненты этой категории создают с применением промежуточного материала, пропитанного электролитом. Дополнительные слои создают из оксидов металлов и диэлектриков.

Конструкция электролитического конденсатора

Эти изделия подключают с обязательным соблюдением полярности. Специальная маркировка на корпусе предупреждает пользователей о наличии соответствующего ограничения. При ошибке в процессе монтажа конденсатор будут выведен из строя первым подключением. Кипение электролита может провоцировать повышенное напряжение.

Емкостное сопротивление

Если подключить генератор синусоидального сигнала, с помощью осциллографа можно регистрировать увеличение силы тока по мере роста частоты. В ходе эксперимента нужно поддерживать одинаковую амплитуду на входе.

Изменение тока

В следующих разделах публикации рассказано о том, почему происходят отмеченные явления.

Понятие ёмкости

Рассмотренная выше схема стандартной конструкции подразумевает влияние следующих параметров на способность накопления определенного заряда (q):

• площади (S) рабочих пластин или обкладок;
• расстояния (d) между этими функциональными компонентами;
• диэлектрических характеристик слоя (e – проницаемость).

Выяснив значения перечисленных величин, можно рассчитать напряженность:

E = q/(e*S).

Накопительные свойства (емкость) определяет следующая формула:

С= (e * S)/ d = q/U, где U – напряжение.

Для случая с переменным током нужно учесть изменение параметров за определенный интервал времени:

I = Δq/Δt.

С учетом представленных выше зависимостей после простых математических преобразований можно создать алгоритм расчета силы тока, который будет проходить по цепи:

I = (C * ΔU)/Δt = f * C * Uo cos f * t = Io * sin (f * t + 90), где f – частота сигнала.

Векторное представление

Для наглядности процессов основные электрические параметры удобно представлять в векторной форме. Чтобы учесть замедление процессов обмена энергией, устанавливают понятие емкостного сопротивления (Xc).

Пояснение общих зависимостей

График и векторное представление демонстрируют отставание напряжения от тока, который будет течь в цепи на 90° (π/2).

Приведенные особенности подтверждают наличие реактивных компонентов конденсаторов и катушек, соответственно. В упрощенном виде сопротивление Хс выражается обратной зависимостью от частоты и емкости:

Xc = 1/ (f * C).

Представленную формулу можно использовать для расчета фильтров, колебательных контуров и других схем.

График ёмкостного сопротивления

Может ли через конденсатор протекать постоянный ток, отмечено выше. Наличие слоя диэлектрика предотвращает свободное протекание электронов через этот участок. Такой материал только накапливает заряды, но при одинаковых потенциалах эквивалентен разрыву проводника. При работе с переменным сигналом ток смещения в переделах этой зоны выполняет функцию «соединения» цепи.

Зависимость реактивного сопротивления конденсатора от частоты сигнала

Выводы:

• отсутствие колебательных процессов (f=0) соответствует уменьшению до нуля проводимости, что аналогично разрыву цепи;
• при увеличении емкости сопротивление конденсатора уменьшается;
• чем выше частота, тем лучше проводимость.

Работа (мощность) в ёмкостной нагрузке

Выше отмечена цикличность энергетического обмена между источником переменного сигнала и подключенным конденсатором.

Мощность

Диаграммы демонстрируют процессы в конденсаторе на примере сжимания/ растяжения пружины внешней силой. В идеальных условиях энергетические потери отсутствуют. Однако в реальной ситуации нужно учесть потребление мощности активным сопротивлением соединительных проводов, иных компонентов схемы. Уменьшение КПД объясняется ухудшением функционального состояния диэлектрика.

Прочие параметры

Для уточненных расчетов применяют эквивалентную схему изделия со следующими компонентами:

• емкость;
• электрические сопротивления изоляционного слоя, контактных и проводящих элементов конструкции;
• индуктивные реактивные составляющие.

Типы конденсаторов

Кроме изделий с постоянным номиналом, выпускают переменные и подстроечные конденсаторы. Их особенности понятны по специфическим названиям. Также используют распределение на классы по материалу диэлектрика:

• газ (воздух);
• керамика, слюда, стекло;
• бумага;
• оксид металла и пропитка основы электролитом, другие комбинации.

Применение конденсаторов

В следующем перечне приведены типичные примеры использования на практике функциональных свойств конденсатора:

• фильтры, цепи обратной связи, иные схемы с частотно-зависимыми характеристиками;
• импульсные излучатели (лазеры, фотовспышки);
• дежурные элементы автономного электропитания (памяти);
• компенсаторы реактивной мощности при подключении двигателей и других мощных нагрузок.

Конденсатор в цепях электрического тока

Следующие эксперименты можно проводить в домашней лаборатории. Они демонстрируют, как будет работать конденсатор с разными источниками питания.

Цепь постоянного тока

При подключении к аккумулятору накопление энергии происходит. Однако протекание тока в цепи блокирует диэлектрик.

Опыт с лампочкой

Цепь переменного тока

Собрав простую схему, можно увидеть отличия входного и выходного сигнала. По мере увеличения частоты на определенном уровне амплитуды становятся равными, а фазы совпадут.

Изучение параметров синусоидального сигнала

Включение в цепи синусоидальной ЭДС

Конденсаторы в цепи постоянного тока не работают динамично. Поэтому имеет смысл изучать электрические параметры при подключении генератора синусоидального сигнала. В этой ситуации, кроме энергетических процессов, можно проверить частотные зависимости.

Виды включений

Параллельный способ соединения увеличивает емкость:

Собщ = С1 + С2.

Для уменьшения основного функционального параметра используют последовательную схему:

1/Собщ = 1/С1 + 1/С2.

При подключении к источнику переменного тока конденсатор подойдет для решения следующих задач:

• устранение постоянной компоненты сигнала;
• ухудшение проводимости для определенного частотного диапазона;
• настройка частоты колебательного контура и других радиотехнических схем.

При необходимости с помощью конденсатора можно гасить паразитные колебания, убирать импульсные помехи.

Простейший тип включения

Представленные выше формулы по току и напряжению можно изобразить следующим образом:

• I = Im cos (f*t + π/2);
• U = Uo * cosf*t.

Пояснения к описанию циклов

В простой схеме включения следует отметить следующие этапы рабочего процесса:

1. увеличение напряжения с накоплением заряда током максимальной силы;
2. уменьшение i(t) до нуля с одновременным достижением максимума Um;
3. снижение U c одновременным разрядом конденсатора;
4. достижение уровня Im c U =0.

Общий подход к выбору изделий и порядку расчетов корректируют с учетом целевого назначения. Если отсутствуют повышенные требования к точности, можно применить представленные параметры и формулы. Дополнительные данные можно получить из сопроводительной документации, на официальных сайтах производителей радиоэлектронных компонентов.

Видео

Автор:

Гaличeв Илья Виктoрoвич