Конденсатор в цепи переменного тока

Типовой конденсатор со схемным обозначением «С» относится к категории наиболее распространённых радиокомпонентов, работающих в цепях как переменного, так и постоянного тока. В первом случае он используется как элемент блокировки и ёмкостной нагрузки, а во втором – в качестве фильтрующего звена выпрямительных цепочек с пульсирующим током. Конденсатор в цепи переменного тока выглядит так, как это изображено на рисунке ниже.

Способы включения

В отличие от другого распространённого радиокомпонента, называемого резистором, конденсатор в цепи переменного тока вносит в неё реактивную составляющую, что приводит к образованию сдвига фаз между приложенной ЭДС и вызванным ею током. Ознакомимся с тем, что такое реактивная составляющая и ёмкостное сопротивление, более подробно.

Включение в цепи синусоидальной ЭДС

Виды включений

Конденсатор в цепи постоянного тока (без переменной составляющей) работать, как известно, не может.

Совершенно иная картина наблюдается, если рассматривать включение этого элемента в цепи переменного тока, в которой он начинает вести себя более активно и может выполнять сразу несколько функций. В этом случае конденсатор может использоваться в следующих целях:

• Для блокировки постоянной составляющей, всегда присутствующей в любой электронной схеме;
• С целью создания сопротивления на пути распространения высокочастотных (ВЧ) компонентов обрабатываемого сигнала;
• Как ёмкостной нагрузочный элемент, задающий частотные характеристики схемы;
• В качестве элемента колебательных контуров и специальных фильтров (НЧ и ВЧ).

Из всего перечисленного сразу видно, что в подавляющем большинстве случаев конденсатор в цепи переменного тока используется как частотно-зависимый элемент, способный оказывать определённое влияние на протекающие по ней сигналы.

Простейший тип включения

Происходящие при таком включении процессы приведены на размещённом ниже рисунке.

Эпюры переменных процессов

Они могут быть описаны путём введения понятия гармонической (синусоидальной) ЭДС, выражаемой как U = Uo cos ω t, и выглядят следующим образом:

• При нарастании переменной ЭДС конденсатор заряжается протекающим по нему электрическим током I, максимальным в начальный момент времени. По мере заряда ёмкости величина зарядного тока постепенно уменьшается и полностью обнуляется в тот момент, когда ЭДС достигает своего максимума;

• На этом первая четверть периодического колебания заканчивается;
• Далее синусоидальная ЭДС постепенно убывает, вследствие чего конденсатор начинает разряжаться, и в это время в цепи протекает нарастающий по амплитуде ток. При этом наблюдается то же отставание его по фазе, что было в первой четверти периода;
• По завершении этой стадии конденсатор полностью разряжается (при этом ЭДС равна нулю), а ток в цепи достигает максимума;
• По мере нарастания обратного (разрядного) тока ёмкость перезаряжается, вследствие чего ток постепенно снижается до нуля, а ЭДС достигает своего пикового значения (то есть весь процесс возвращается в исходную точку).

Далее все описанные процессы повторяются с периодичностью, задаваемой частотой внешней ЭДС. Сдвиг по фазе между током и ЭДС может рассматриваться как некое сопротивление изменению напряжения на конденсаторе (отставание его от токовых колебаний).

Емкостное сопротивление

Понятие ёмкости

При исследовании процессов, протекающих в цепях с подключённым в них конденсатором, обнаружено, что время заряда и разряда для различных образцов этого элемента существенно отличается одно от другого. На основании данного факта было введено понятие ёмкости, определяемое как способность конденсатора накапливать заряд под воздействием заданного напряжения:

C=Q/U.

После этого изменение заряда на его обкладках со временем можно представить как:

I = dQ/dt.

Но поскольку Q=CU, то путём несложных вычислений получаем:

I = CxdU/dt = ω C Uo cos ω t = Io sin(ω t+90),

то есть ток течёт через конденсатор таким образом, что он начинает опережать по фазе напряжение на 90 градусов. Такой же результат получается при использовании других математических подходов к этому электрическому процессу.

Векторное представление

Для большей наглядности в электротехнике используется векторное представление рассмотренных процессов, а для количественной оценки замедления реакции вводится понятие ёмкостного сопротивления (смотрите фото ниже).

Векторное представление тока

Из векторной диаграммы также видно, что ток в цепи конденсатора опережает по фазе напряжение на 90 градусов.

И в том, и в другом случае наблюдается различие в фазных характеристиках процессов, свидетельствующих о реактивном характере нагрузки в цепи переменной ЭДС.

Упуская из внимания сложные для описания дифференциальные вычисления, для представления сопротивления ёмкостной нагрузки получим:

Xс=1/ ω C.

Из неё следует, что создаваемое конденсатором сопротивление обратно пропорционально частоте переменного сигнала и ёмкости установленного в цепь элемента. Указанная зависимость позволяет строить на основе конденсатора такие частотно-зависимые схемы, как:

• Интегрирующие и дифференцирующие цепочки (совместно с пассивным резистором);
• НЧ и ВЧ фильтрующие элементы;
• Реактивные цепи, используемые для улучшения нагрузочных характеристик силового оборудования;
• Резонансные контуры последовательного и параллельного типа.

В первом случае посредством ёмкости удаётся произвольно изменять форму прямоугольных импульсов, увеличивая их длительность (интегрирование) или сокращая её (дифференцирование).

Фильтрующие цепочки и резонансные контура широко используются в линейных схемах самого различного класса (усилители, преобразователи, генераторы и подобные им устройства).

График ёмкостного сопротивления

Доказано, что ток через конденсатор протекает только под воздействием гармонически изменяющегося напряжения. При этом сила тока в цепочке определяется ёмкостью данного элемента, так что чем больше ёмкость конденсатора, тем он значительнее по величине.

Но можно проследить и обратную зависимость, в соответствие с которой сопротивление конденсатора возрастает с понижением частотного параметра. В качестве примера рассмотрим график, приведённый на рисунке ниже.

График зависимости сопротивления ёмкости от частоты

Из приведённой выше зависимости можно сделать следующие важные выводы:

• Для тока постоянной величины (частота = 0) Хс равно бесконечности, что означает невозможность его протекания в ней;
• При очень высоких частотах сопротивление этого элемента стремится к нулю;
• При прочих равных условиях оно определяется ёмкостью установленного в цепи конденсатора.

Определённый интерес представляют вопросы распределения электрической энергии в цепях переменного тока с включённым в них конденсатором.

Работа (мощность) в ёмкостной нагрузке

Подобно случаю с индуктивностью, при исследовании «поведения» конденсатора в цепях переменной ЭДС обнаружено, что расхода мощности в них из-за сдвига фаз U и I не наблюдается. Последнее объясняется тем, что электрическая энергия на начальном этапе процесса (при заряде) запасается между обкладками конденсатора, а на второй его стадии – отдается назад в источник (смотрите рисунок ниже).

Работа в цепи с ёмкостью

Вследствие этого емкостное сопротивление относится к категории реактивных, или безваттных, нагрузок. Однако такой вывод можно считать чисто теоретическим, поскольку в реальных цепях всегда присутствуют обычные пассивные элементы, обладающие не реактивным, а активным или ваттным сопротивлением. К ним относятся:

• Сопротивления подводящих проводов;
• Проводимости диэлектрических зон в конденсаторе;
• Рассеяние на контактах;
• Активные сопротивления витков катушек и тому подобное.

В связи с этим в любой реальной электрической цепочке всегда имеются потери активной мощности (её рассеяние), определяемые в каждом случае индивидуально.

Особое внимание следует обратить на внутренние потери, связанные с утечками через диэлектрик и плохим состоянием изоляции между пластинами (обкладками). Обратимся к следующим определениям, учитывающим реальное положение дел. Так, потери, связанные с качественными характеристиками диэлектрика, называются диэлектрическими. Энергетические затраты, относимые на несовершенство находящейся между пластинами изоляции, принято классифицировать как потери из-за утечек в конденсаторном элементе.

В завершении этого обзора интересно проследить за одной аналогией, представляющей процессы, происходящие в конденсаторной цепи с упругой механической пружиной. И, действительно, пружина, подобно этому элементу, в течение одной части периодического колебания накапливает в себе потенциальную энергию, а во второй фазе – отдает её обратно в кинетической форме. На основании такой аналогии может быть представлена вся картина поведения конденсатора в цепях с переменной ЭДС.

Видео