Конденсатор в цепи переменного тока
Содержание
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](http://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/04/1-sposoby-vkljuchenija-600x450.jpg?x44801)
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](http://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/04/2-epjury-peremennyh-processov-600x337.jpg?x44801)
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](http://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/04/3-vektornoe-predstavlenie-toka-600x450.jpg?x44801)
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](http://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/04/4-grafik-zavisimosti-soprotivlenija-yomkosti-ot-chastoty-600x592.png?x44801)
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](http://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/04/5-rabota-v-cepi-s-yomkostju-600x450.jpg?x44801)
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.