Πυκνωτής AC
Ας συναρμολογήσουμε το κύκλωμα με πυκνωτής, όπου ο εναλλάκτης παράγει μια ημιτονοειδή τάση. Ας αναλύσουμε διαδοχικά τι θα συμβεί στο κύκλωμα όταν κλείσουμε τον διακόπτη. Θα εξετάσουμε την αρχική στιγμή που η τάση της γεννήτριας είναι ίση με μηδέν.
Κατά το πρώτο τρίμηνο της περιόδου, η τάση στους ακροδέκτες της γεννήτριας θα αυξηθεί, ξεκινώντας από το μηδέν, και ο πυκνωτής θα αρχίσει να φορτίζει. Ένα ρεύμα θα εμφανιστεί στο κύκλωμα, ωστόσο, την πρώτη στιγμή της φόρτισης του πυκνωτή, παρά το γεγονός ότι η τάση στις πλάκες του μόλις εμφανίστηκε και είναι ακόμα πολύ μικρή, το ρεύμα στο κύκλωμα (ρεύμα φόρτισης) θα είναι το μεγαλύτερο . Καθώς η φόρτιση του πυκνωτή αυξάνεται, το ρεύμα στο κύκλωμα μειώνεται και φτάνει στο μηδέν τη στιγμή που ο πυκνωτής είναι πλήρως φορτισμένος. Σε αυτή την περίπτωση, η τάση στις πλάκες του πυκνωτή, ακολουθώντας αυστηρά την τάση της γεννήτριας, γίνεται αυτή τη στιγμή μέγιστη, αλλά με το αντίθετο πρόσημο, δηλαδή, κατευθύνεται στην τάση της γεννήτριας.
Ρύζι. 1. Αλλαγή ρεύματος και τάσης σε κύκλωμα με χωρητικότητα
Με αυτόν τον τρόπο, το ρεύμα ορμάει με τη μεγαλύτερη δύναμη σε έναν πυκνωτή δωρεάν, αλλά αμέσως αρχίζει να μειώνεται όταν οι πλάκες του πυκνωτή γεμίζουν με φορτία και πέφτουν στο μηδέν, φορτίζοντάς τον πλήρως.
Ας συγκρίνουμε αυτό το φαινόμενο με το τι συμβαίνει στη ροή του νερού σε έναν σωλήνα που συνδέει δύο δοχεία επικοινωνίας (Εικ. 2), εκ των οποίων το ένα είναι γεμάτο και το άλλο άδειο. Αρκεί να πιέσουμε τη βαλβίδα που εμποδίζει τη διαδρομή του νερού, καθώς το νερό τρέχει αμέσως από το αριστερό δοχείο υπό μεγάλη πίεση μέσω του σωλήνα στο άδειο δεξί δοχείο. Αμέσως όμως η πίεση του νερού στον σωλήνα θα αρχίσει σταδιακά να εξασθενεί λόγω της εξίσωσης των επιπέδων στα δοχεία και θα πέσει στο μηδέν. Η ροή του νερού θα σταματήσει.
Ρύζι. 2. Η αλλαγή της πίεσης του νερού στον σωλήνα που συνδέει τα δοχεία επικοινωνίας είναι παρόμοια με τη μεταβολή του ρεύματος στο κύκλωμα κατά τη φόρτιση του πυκνωτή
Ομοίως, το ρεύμα εισέρχεται πρώτα σε έναν αφόρτιστο πυκνωτή και στη συνέχεια σταδιακά εξασθενεί καθώς φορτίζεται.
Καθώς ξεκινά το δεύτερο τέταρτο της περιόδου, όταν η τάση της γεννήτριας ξεκινά αρχικά αργά και στη συνέχεια μειώνεται όλο και πιο γρήγορα, ο φορτισμένος πυκνωτής θα εκφορτιστεί στη γεννήτρια, προκαλώντας ρεύμα εκφόρτισης στο κύκλωμα. Καθώς η τάση της γεννήτριας μειώνεται, ο πυκνωτής αποφορτίζεται όλο και περισσότερο και το ρεύμα εκφόρτισης στο κύκλωμα αυξάνεται. Η κατεύθυνση του ρεύματος εκφόρτισης σε αυτό το τρίμηνο της περιόδου είναι αντίθετη από την κατεύθυνση του ρεύματος φόρτισης στο πρώτο τέταρτο της περιόδου. Αντίστοιχα, η τρέχουσα καμπύλη που έχει περάσει τη μηδενική τιμή βρίσκεται τώρα κάτω από τον άξονα του χρόνου.
Στο τέλος του πρώτου μισού κύκλου, η τάση της γεννήτριας, καθώς και η τάση του πυκνωτή, πλησιάζει γρήγορα το μηδέν και το ρεύμα του κυκλώματος φτάνει αργά τη μέγιστη τιμή του. Δεδομένου ότι η τιμή του ρεύματος στο κύκλωμα είναι μεγαλύτερη, όσο μεγαλύτερη είναι η τιμή του φορτίου που μεταφέρεται στο κύκλωμα, θα καταστεί σαφές γιατί το ρεύμα φτάνει στο μέγιστο όταν η τάση στις πλάκες του πυκνωτή και επομένως η φόρτιση στο πυκνωτής, μειώνεται γρήγορα.
Με την έναρξη του τρίτου τριμήνου της περιόδου, ο πυκνωτής αρχίζει να φορτίζει ξανά, αλλά η πολικότητα των πλακών του, καθώς και η πολικότητα της γεννήτριας, αλλάζει "και αντίστροφα, και το ρεύμα, συνεχίζοντας να ρέει στο ίδιο κατεύθυνση, αρχίζει να μειώνεται καθώς φορτίζεται ο πυκνωτής Στο τέλος του τρίτου τριμήνου της περιόδου, όταν οι τάσεις της γεννήτριας και του πυκνωτή φτάσουν στο μέγιστο, το ρεύμα πηγαίνει στο μηδέν.
Κατά το τελευταίο τρίμηνο της περιόδου, η τάση, μειώνοντας, πέφτει στο μηδέν και το ρεύμα, έχοντας αλλάξει την κατεύθυνση στο κύκλωμα, φτάνει στη μέγιστη τιμή του. Εδώ τελειώνει η περίοδος, μετά την οποία αρχίζει η επόμενη, επαναλαμβάνοντας ακριβώς την προηγούμενη κ.ο.κ.
Έτσι, υπό τη δράση της εναλλασσόμενης τάσης της γεννήτριας, ο πυκνωτής φορτίζεται δύο φορές κατά τη διάρκεια της περιόδου (το πρώτο και τρίτο τέταρτο της περιόδου) και εκφορτίζεται δύο φορές (το δεύτερο και το τέταρτο τέταρτο της περιόδου). Αφού όμως εναλλάσσονται ένα προς ένα φορτίσεις και εκφορτίσεις πυκνωτών συνοδεύεται κάθε φορά από το πέρασμα του ρεύματος φόρτισης και εκφόρτισης μέσα από το κύκλωμα, τότε μπορούμε να συμπεράνουμε ότι εναλλασσόμενο ρεύμα.
Μπορείτε να το ελέγξετε στο παρακάτω απλό πείραμα. Συνδέστε έναν πυκνωτή 4-6 microfarad στο δίκτυο μέσω ενός λαμπτήρα 25 W.Το φως θα ανάψει και δεν θα σβήσει μέχρι να σπάσει το κύκλωμα. Αυτό υποδηλώνει ότι ένα εναλλασσόμενο ρεύμα έχει περάσει από το κύκλωμα με την χωρητικότητα. Φυσικά, δεν διέρχεται από το διηλεκτρικό του πυκνωτή, αλλά ανά πάσα στιγμή αντιπροσωπεύει είτε ένα ρεύμα φόρτισης είτε ένα ρεύμα εκφόρτισης πυκνωτή.
Όπως γνωρίζουμε, το διηλεκτρικό πολώνεται υπό τη δράση ενός ηλεκτρικού πεδίου που προκύπτει σε αυτό όταν φορτίζεται ο πυκνωτής και η πόλωση του εξαφανίζεται όταν ο πυκνωτής εκφορτίζεται.
Σε αυτή την περίπτωση, το διηλεκτρικό με το ρεύμα μετατόπισης που προκύπτει σε αυτό χρησιμεύει για το εναλλασσόμενο ρεύμα ως ένα είδος συνέχειας του κυκλώματος και για τη σταθερά διακόπτει το κύκλωμα. Αλλά το ρεύμα μετατόπισης σχηματίζεται μόνο μέσα στο διηλεκτρικό του πυκνωτή και επομένως η μεταφορά φορτίων κατά μήκος του κυκλώματος δεν συμβαίνει.
Η αντίσταση που προσφέρει ένας πυκνωτής AC εξαρτάται από την τιμή της χωρητικότητας του πυκνωτή και τη συχνότητα του ρεύματος.
Όσο μεγαλύτερη είναι η χωρητικότητα του πυκνωτή, τόσο μεγαλύτερη είναι η φόρτιση στο κύκλωμα κατά τη φόρτιση και εκφόρτιση του πυκνωτή και, κατά συνέπεια, τόσο μεγαλύτερο είναι το ρεύμα στο κύκλωμα. Η αύξηση του ρεύματος στο κύκλωμα δείχνει ότι η αντίστασή του έχει μειωθεί.
Επομένως, όσο αυξάνεται η χωρητικότητα, η αντίσταση του κυκλώματος στο εναλλασσόμενο ρεύμα μειώνεται.
Μεγαλώνει τρέχουσα συχνότητα αυξάνει την ποσότητα φορτίου που μεταφέρεται στο κύκλωμα επειδή η φόρτιση (καθώς και η εκφόρτιση) του πυκνωτή πρέπει να συμβαίνει ταχύτερα από ό,τι σε χαμηλή συχνότητα. Ταυτόχρονα, μια αύξηση της ποσότητας του μεταφερόμενου φορτίου ανά μονάδα χρόνου ισοδυναμεί με αύξηση του ρεύματος στο κύκλωμα και, επομένως, με μείωση της αντίστασής του.
Εάν μειώσουμε σταδιακά τη συχνότητα του εναλλασσόμενου ρεύματος και μειώσουμε το ρεύμα σε συνεχές ρεύμα, τότε η αντίσταση του πυκνωτή που περιλαμβάνεται στο κύκλωμα θα αυξηθεί σταδιακά και θα γίνει απείρως μεγάλη (σπάζοντας το κύκλωμα) μέχρι να εμφανιστεί σε κύκλωμα σταθερού ρεύματος.
Επομένως, όσο αυξάνεται η συχνότητα, η αντίσταση του πυκνωτή στο εναλλασσόμενο ρεύμα μειώνεται.
Όπως η αντίσταση ενός πηνίου σε ένα εναλλασσόμενο ρεύμα ονομάζεται επαγωγική, η αντίσταση ενός πυκνωτή ονομάζεται χωρητική.
Επομένως, η χωρητική αντίσταση είναι μεγαλύτερη, τόσο μικρότερη είναι η χωρητικότητα του κυκλώματος και η συχνότητα του ρεύματος που το τροφοδοτεί.
Η χωρητική αντίσταση συμβολίζεται ως Xc και μετράται σε ohms.
Η εξάρτηση της χωρητικής αντίστασης από τη συχνότητα του ρεύματος και τη χωρητικότητα του κυκλώματος προσδιορίζεται από τον τύπο Xc = 1 /ωC, όπου ω είναι μια κυκλική συχνότητα ίση με το γινόμενο του 2πe, C είναι η χωρητικότητα του κυκλώματος σε φαράντ.
Η χωρητική αντίσταση, όπως και η επαγωγική αντίσταση, έχει αντιδραστική φύση, αφού ο πυκνωτής δεν καταναλώνει την ενέργεια της πηγής ρεύματος.
τύπος Νόμος του Ohm για ένα χωρητικό κύκλωμα έχει τη μορφή I = U / Xc, όπου I και U - ενεργές τιμές ρεύματος και τάσης. Xc είναι η χωρητική αντίσταση του κυκλώματος.
Η ιδιότητα των πυκνωτών να παρέχουν υψηλή αντίσταση σε ρεύματα χαμηλής συχνότητας και να περνούν εύκολα ρεύματα υψηλής συχνότητας χρησιμοποιείται ευρέως σε κυκλώματα εξοπλισμού επικοινωνίας.
Με τη βοήθεια πυκνωτών, για παράδειγμα, επιτυγχάνεται διαχωρισμός σταθερών ρευμάτων και ρευμάτων χαμηλής συχνότητας από ρεύματα υψηλής συχνότητας, απαραίτητα για τη λειτουργία των κυκλωμάτων.
Εάν είναι απαραίτητο να αποκλειστεί η διαδρομή ρεύματος χαμηλής συχνότητας στο τμήμα υψηλής συχνότητας του κυκλώματος, ένας μικρός πυκνωτής συνδέεται σε σειρά. Προσφέρει μεγάλη αντοχή σε ρεύμα χαμηλής συχνότητας και ταυτόχρονα περνάει εύκολα ρεύμα υψηλής συχνότητας.
Εάν είναι απαραίτητο να αποτραπεί το ρεύμα υψηλής συχνότητας, για παράδειγμα, στο κύκλωμα ισχύος του ραδιοφωνικού σταθμού, τότε χρησιμοποιείται ένας πυκνωτής μεγάλης χωρητικότητας, συνδεδεμένος παράλληλα με την πηγή ρεύματος. Σε αυτή την περίπτωση, το ρεύμα υψηλής συχνότητας διέρχεται από τον πυκνωτή, παρακάμπτοντας το κύκλωμα τροφοδοσίας του ραδιοφωνικού σταθμού.
Ενεργή αντίσταση και πυκνωτής στο κύκλωμα AC
Στην πράξη, συχνά παρατηρούνται περιπτώσεις όταν βρίσκεται σε κύκλωμα σειράς με χωρητικότητα περιλαμβάνεται ενεργή αντίσταση. Η συνολική αντίσταση του κυκλώματος σε αυτή την περίπτωση καθορίζεται από τον τύπο
Επομένως, η συνολική αντίσταση ενός κυκλώματος που αποτελείται από ενεργή και χωρητική αντίσταση AC είναι ίση με την τετραγωνική ρίζα του αθροίσματος των τετραγώνων της ενεργού και χωρητικής αντίστασης αυτού του κυκλώματος.
Ο νόμος του Ohm παραμένει έγκυρος και για αυτό το κύκλωμα I = U / Z.
Στο σχ. Το σχήμα 3 δείχνει τις καμπύλες που χαρακτηρίζουν τη σχέση φάσης μεταξύ ρεύματος και τάσης σε ένα κύκλωμα που περιέχει χωρητική και ενεργή αντίσταση.
Ρύζι. 3. Ρεύμα, τάση και ισχύς σε κύκλωμα με πυκνωτή και ενεργή αντίσταση
Όπως φαίνεται από το σχήμα, το ρεύμα σε αυτή την περίπτωση αυξάνει την τάση όχι κατά ένα τέταρτο της περιόδου, αλλά κατά λιγότερο, καθώς η ενεργή αντίσταση παραβιάζει την καθαρά χωρητική (αντιδραστική) φύση του κυκλώματος, όπως αποδεικνύεται από τη μειωμένη φάση βάρδια. Τώρα η τάση στους ακροδέκτες του κυκλώματος ορίζεται ως το άθροισμα δύο συνιστωσών: η άεργη συνιστώσα της τάσης tive, θα ξεπεράσει τη χωρητική αντίσταση του κυκλώματος και η ενεργή συνιστώσα της τάσης, ξεπερνώντας την ενεργή αντίστασή της.
Όσο μεγαλύτερη είναι η ενεργή αντίσταση του κυκλώματος, τόσο μικρότερη είναι η μετατόπιση φάσης μεταξύ ρεύματος και τάσης.
Η καμπύλη της μεταβολής ισχύος στο κύκλωμα (βλ. Εικ. 3) δύο φορές κατά τη διάρκεια της περιόδου απέκτησε αρνητικό πρόσημο, το οποίο, όπως ήδη γνωρίζουμε, είναι συνέπεια της αντιδραστικής φύσης του κυκλώματος. Όσο λιγότερο αντιδραστικό είναι το κύκλωμα, τόσο μικρότερη είναι η μετατόπιση φάσης μεταξύ ρεύματος και τάσης και τόσο περισσότερη ισχύς πηγής ρεύματος καταναλώνει αυτό το κύκλωμα.
Διαβάστε επίσης: Συντονισμός τάσης