Un condensatore in un circuito a corrente alternata o continua, spesso chiamato semplicemente condensatore, è costituito da una coppia di piastre ricoperte da uno strato isolante. Se viene fornita corrente a questo dispositivo, riceverà una carica e la manterrà per un po' di tempo. La sua capacità dipende in gran parte dallo spazio tra le piastre.

Il condensatore può essere realizzato in diversi modi, ma l'essenza dell'opera e i suoi elementi principali rimangono comunque invariati. Per comprendere il principio di funzionamento, è necessario considerare il suo modello più semplice.

Il dispositivo più semplice ha due piastre: una è caricata positivamente, l'altra, al contrario, è caricata negativamente. Sebbene queste accuse siano opposte, sono uguali. Si attraggono con una certa forza, che dipende dalla distanza. Più le piastre sono vicine tra loro, maggiore è la forza di attrazione tra di loro. Grazie a questa attrazione il dispositivo carico non si scarica.

È sufficiente però interporre un qualsiasi conduttore tra le due piastre e il dispositivo si scaricherà istantaneamente. Tutti gli elettroni della piastra caricata negativamente si trasferiranno immediatamente a quella caricata positivamente, con conseguente equalizzazione della carica. In altre parole, per togliere la carica al condensatore è sufficiente cortocircuitare le sue due armature.

I circuiti elettrici sono di due tipi: permanente O variabili. Tutto dipende da come scorre la corrente elettrica al loro interno. I dispositivi su questi circuiti si comportano diversamente.

Per considerare come si comporterà un condensatore in un circuito CC, è necessario:

1. Prendi un alimentatore CC e determina il valore della tensione. Ad esempio, "12 Volt".
2. Installare una lampadina con lo stesso voltaggio.
3. Installare un condensatore nella rete.

Non ci sarà alcun effetto: la lampadina non si accenderà, ma se togliete il condensatore dal circuito apparirà la luce. Se il dispositivo è collegato a una rete a corrente alternata, semplicemente non si chiuderà e quindi la corrente elettrica non potrà passare qui. Permanente: non in grado di passare attraverso la rete a cui è collegato il condensatore. Tutta colpa delle piastre di questo dispositivo, o meglio, del dielettrico che separa queste piastre.

Puoi assicurarti che non ci sia tensione nella rete a corrente continua in altri modi. Puoi collegare qualsiasi cosa alla rete, l'importante è che nel circuito sia inclusa una fonte di corrente elettrica costante. L'elemento che segnalerà l'assenza di tensione nella rete o, al contrario, la sua presenza, può essere anche un qualsiasi elettrodomestico. È meglio usare una lampadina per questi scopi: si accenderà se c'è corrente elettrica e non si accenderà se non c'è tensione nella rete.

Possiamo concludere che il condensatore non è in grado di condurre corrente continua attraverso se stesso, ma questa conclusione non è corretta. In effetti, la corrente elettrica appare immediatamente dopo aver applicato la tensione, ma scompare immediatamente. In questo caso, avviene in poche frazioni di secondo. La durata esatta dipende dalla capienza del dispositivo, ma di solito non viene presa in considerazione.

Per determinare se scorrerà corrente alternata, il dispositivo deve essere collegato al circuito appropriato. La principale fonte di elettricità in questo caso dovrebbe essere un dispositivo che genera corrente alternata.

La corrente elettrica continua non scorre attraverso il condensatore, ma la corrente alternata, al contrario, sì, e il dispositivo resiste costantemente alla corrente elettrica che lo attraversa. L'entità di questa resistenza è correlata alla frequenza. La dipendenza qui è inversamente proporzionale: minore è la frequenza, maggiore è la resistenza. Se a fonte di corrente alternata collegare il condensatore, quindi il valore di tensione massimo qui dipenderà dall'intensità della corrente.

Un semplice circuito composto da:

• Fonte corrente. Deve essere variabile.
• Consumatore di corrente elettrica. È meglio usare una lampada.

Tuttavia, vale la pena ricordare una cosa: la lampada si accenderà solo se il dispositivo ha una capacità sufficientemente grande. La corrente alternata ha un effetto tale sul condensatore che il dispositivo inizia a caricarsi e scaricarsi. E la corrente che passa attraverso la rete durante la ricarica aumenta la temperatura del filamento della lampada. Di conseguenza, si illumina.

La corrente di ricarica dipende in gran parte dalla capacità del dispositivo collegato alla rete CA. La dipendenza è direttamente proporzionale: maggiore è la capacità, maggiore è il valore che caratterizza l'intensità della corrente di ricarica. Per verificarlo è sufficiente aumentare la capacità. Subito dopo, la lampada inizierà a brillare più intensamente, poiché i suoi filamenti saranno più riscaldati. Come puoi vedere, un condensatore, che funge da uno degli elementi di un circuito a corrente alternata, si comporta diversamente da un resistore costante.

Quando si collega un condensatore CA, iniziano a verificarsi processi più complessi. Uno strumento come un vettore ti aiuterà a capirli meglio. L'idea principale del vettore in questo caso sarà che puoi rappresentare il valore di un segnale che varia nel tempo come il prodotto di un segnale complesso, che è una funzione dell'asse che rappresenta il tempo e un numero complesso, che, a sua volta al contrario, non è legato al tempo.

Poiché i vettori sono rappresentati da una certa grandezza e da un certo angolo, possono essere disegnati sotto forma di una freccia che ruota nel piano delle coordinate. La tensione sul dispositivo è leggermente in ritardo rispetto alla corrente ed entrambi i vettori con cui sono designati ruotano in senso antiorario sul piano.

Un condensatore in una rete a corrente alternata può essere periodicamente ricaricato: acquisisce una certa carica o, al contrario, la rilascia. Ciò significa che il conduttore e la fonte di corrente alternata nella rete scambiano costantemente energia elettrica tra loro. Questo tipo di elettricità nell'ingegneria elettrica è chiamata reattiva.

Il condensatore non consente il passaggio di corrente elettrica continua attraverso la rete. In questo caso avrà una resistenza pari all'infinito. La corrente alternata è in grado di passare attraverso questo dispositivo. In questo caso la resistenza ha un valore finito.

Dettagli 16 aprile 2017

Signori, nell'articolo di oggi vorrei considerare una domanda così interessante come Condensatore CA. Questo argomento è molto importante in elettricità, poiché in pratica i condensatori sono onnipresenti nei circuiti con corrente alternata e, a questo proposito, è molto utile avere una chiara comprensione delle leggi con cui cambiano i segnali in questo caso. Considereremo queste leggi oggi e alla fine risolveremo un problema pratico nel determinare la corrente attraverso un condensatore.

Signori, ora il punto più interessante per noi è il modo in cui la tensione sul condensatore e la corrente attraverso il condensatore sono correlate tra loro nel caso in cui il condensatore si trova nel circuito del segnale alternato.

Perché immediatamente variabile? Sì, semplicemente perché il condensatore è nel circuito corrente continua insignificante. La corrente lo attraversa solo nel primo momento mentre il condensatore è scarico. Poi il condensatore si carica e basta, non c'è corrente (sì, sì, sento che la gente ha già cominciato a gridare che teoricamente la carica del condensatore dura per un tempo infinitamente lungo, e può anche avere una resistenza di dispersione, ma per ora lo stiamo trascurando). Condensatore carico per permanente attuale - Com'è? circuito aperto. Quando avremo una possibilità? variabile attuale - qui è tutto molto più interessante. Si scopre che in questo caso la corrente può fluire attraverso il condensatore e il condensatore in questo caso è, per così dire, equivalente resistore con una certa resistenza ben definita (se per ora dimentichi tutti i tipi di sfasamenti, ne parleremo più avanti). Dobbiamo in qualche modo ottenere una relazione tra la corrente e la tensione ai capi del condensatore.

Per ora supponiamo che nel circuito AC sia presente solo un condensatore e basta. Senza altri componenti come resistori o induttori. Lascia che ti ricordi che nel caso in cui abbiamo solo resistori nel circuito, questo problema viene risolto in modo molto semplice: corrente e tensione sono interconnesse tramite la legge di Ohm. Ne abbiamo parlato più di una volta. Lì tutto è molto semplice: dividi la tensione per la resistenza e ottieni la corrente. Ma per quanto riguarda il condensatore? Dopotutto, un condensatore non è un resistore. La fisica dei processi è completamente diversa, quindi non è possibile collegare semplicemente corrente e tensione tra loro in questo modo. Tuttavia questo va fatto, quindi proviamo a ragionare.

Per prima cosa torniamo indietro. Molto indietro. Anche molto lontano. Al mio primissimo articolo su questo sito. I veterani potrebbero ricordare che questo era un articolo sulla forza attuale. Proprio in questo articolo c'era un'espressione interessante che collegava la forza della corrente e la carica che scorreva attraverso la sezione trasversale del conduttore. Questa è l'espressione stessa

Qualcuno potrebbe obiettare che in quell’articolo sulla forza attuale l’ingresso era avvenuto Δq E Δt- alcune quantità molto piccole di carica e il tempo durante il quale questa carica attraversa la sezione trasversale del conduttore. Tuttavia, qui utilizzeremo la notazione via dq E dt- attraverso differenziali. Avremo bisogno di tale rappresentanza in seguito. Se non vai in profondità nelle terre selvagge di Matan, allora essenzialmente dq E dt non c'è alcuna differenza particolare qui da Δq E Δt. Naturalmente, le persone con una profonda conoscenza della matematica superiore possono discutere con questa affermazione, ma in questo momento non voglio concentrarmi su queste cose.

Quindi, abbiamo ricordato l'espressione per la forza attuale. Ricordiamo ora come sono correlate le capacità di un condensatore CON, carica Q, che ha accumulato in se stesso, e la tensione U sul condensatore che si è formato in questo caso. Bene, ricordiamo che se un condensatore ha accumulato una sorta di carica, sulle sue piastre si verificherà inevitabilmente una tensione. Di tutto questo abbiamo già parlato anche prima, in questo articolo. Avremo bisogno di questa formula, che collega semplicemente la carica con la tensione

Esprimiamo la carica del condensatore con questa formula:

E ora c'è una grande tentazione di sostituire questa espressione con la carica del condensatore nella formula precedente per l'intensità della corrente. Dai un'occhiata più da vicino: l'intensità della corrente, la capacità del condensatore e la tensione sul condensatore saranno interconnesse! Facciamo questa sostituzione senza indugio:

La nostra capacità è la quantità costante. È determinato esclusivamente dal condensatore stesso, la sua struttura interna, il tipo dielettrico e tutto il resto. Di tutto questo abbiamo parlato in dettaglio in uno degli articoli precedenti. Pertanto, la capacità CON il condensatore, poiché è una costante, può essere tranquillamente estratto come segno differenziale (queste sono le regole per lavorare con questi stessi differenziali). Ma con tensione U Non puoi farlo! La tensione ai capi del condensatore cambierà nel tempo. Perché sta succedendo? La risposta è elementare: man mano che la corrente scorre attraverso le armature del condensatore, ovviamente, la carica cambierà. E un cambiamento di carica porterà sicuramente a un cambiamento nella tensione ai capi del condensatore. Pertanto, la tensione può essere considerata come una certa funzione del tempo e non può essere rimossa dal differenziale. Quindi, effettuate le trasformazioni sopra specificate, otteniamo la seguente voce:

Signori, mi affretto a congratularmi con voi: abbiamo appena ricevuto un'espressione molto utile che mette in relazione la tensione applicata a un condensatore e la corrente che lo attraversa. Pertanto, se conosciamo la legge della variazione di tensione, possiamo facilmente trovare la legge della variazione di corrente attraverso un condensatore semplicemente trovando la derivata.

Ma che dire del caso opposto? Diciamo che conosciamo la legge della variazione della corrente attraverso un condensatore e vogliamo trovare la legge della variazione della tensione ai suoi capi. I lettori esperti di matematica probabilmente hanno già intuito che per risolvere questo problema è sufficiente integrare semplicemente l'espressione scritta sopra. Cioè, il risultato sarà simile a questo:

In effetti, entrambe queste espressioni parlano della stessa cosa. È solo che il primo viene utilizzato nel caso in cui conosciamo la legge della variazione della tensione attraverso il condensatore e vogliamo trovare la legge della variazione della corrente attraverso di esso, e il secondo quando sappiamo come cambia la corrente attraverso il condensatore e vogliamo trovare la legge della variazione di tensione. Per ricordare meglio tutta questa faccenda, signori, ho preparato per voi un'immagine esplicativa. È mostrato nella Figura 1.

Figura 1 – Immagine esplicativa

Essenzialmente descrive le conclusioni in forma condensata che sarebbe bene ricordare.

Signori, tenete presente che... le espressioni risultanti sono valide per qualsiasi legge di variazione della corrente e della tensione. Non deve esserci un seno, un coseno, un meandro o qualsiasi altra cosa. Se si dispone di una legge di variazione della tensione completamente arbitraria, persino completamente selvaggia, non descritta in nessuna letteratura U(t), fornito al condensatore, tu, differenziandolo, puoi determinare la legge della variazione di corrente attraverso il condensatore. E allo stesso modo, se conosci la legge della variazione di corrente attraverso un condensatore Esso) quindi, dopo aver trovato l'integrale, puoi scoprire come cambierà la tensione.

Quindi, abbiamo scoperto come collegare corrente e tensione tra loro per qualsiasi, anche le opzioni più folli per cambiarle. Ma alcuni casi particolari non sono meno interessanti. Ad esempio, il caso di qualcuno che si è già innamorato di tutti noi sinusoidale attuale Affrontiamolo adesso.

Lasciamo che la tensione capiti su un condensatore di capacità C cambia secondo la legge del seno in questo modo

Abbiamo discusso in dettaglio poco prima quale grandezza fisica si nasconde dietro ogni lettera di questa espressione. Come cambierà la situazione attuale in questo caso? Usando la conoscenza che abbiamo già acquisito, sostituiamo stupidamente questa espressione nella nostra formula generale e troviamo la derivata

Oppure puoi scriverlo così

Signori, voglio ricordarvi che l'unica differenza tra seno e coseno è che uno è sfasato rispetto all'altro di 90 gradi. Bene, o per dirla in linguaggio matematico, allora . Non è chiaro da dove provenga questa espressione? Cercalo su Google formule di riduzione. E' una cosa utile, non farebbe male saperlo. Meglio ancora, se hai familiarità con cerchio trigonometrico, tutto questo può essere visto molto chiaramente su di esso.

Signori, noterò immediatamente un punto. Nei miei articoli non parlerò delle regole per trovare le derivate e ricavare gli integrali. Spero che tu abbia almeno una comprensione generale di questi punti. Tuttavia, anche se non sai come fare, cercherò di presentare il materiale in modo tale che l’essenza delle cose sia chiara anche senza questi calcoli intermedi. Quindi, ora abbiamo una conclusione importante: se la tensione sul condensatore cambia secondo la legge del seno, la corrente che lo attraversa cambierà secondo la legge del coseno. Cioè, la corrente e la tensione sul condensatore sono spostate l'una rispetto all'altra in fase di 90 gradi. Inoltre, possiamo trovare con relativa facilità il valore dell'ampiezza della corrente (questi sono i fattori che compaiono davanti al seno). Ebbene, cioè quel picco, quel massimo che raggiunge la corrente. Come puoi vedere, dipende dalla capacità C condensatore, l'ampiezza della tensione applicata ad esso U me frequenze ω . Cioè, maggiore è la tensione applicata, maggiore è la capacità del condensatore e maggiore è la frequenza della variazione di tensione, maggiore è l'ampiezza della corrente attraverso il condensatore. Costruiamo un grafico che rappresenti in un campo la corrente attraverso il condensatore e la tensione attraverso il condensatore. Senza ancora numeri specifici, mostreremo solo la qualità del personaggio. Questo grafico è presentato nella Figura 2 (l'immagine è cliccabile).

Figura 2 – Corrente attraverso il condensatore e tensione ai capi del condensatore

Nella Figura 2, il grafico blu è la corrente sinusoidale attraverso il condensatore e il grafico rosso è la tensione sinusoidale attraverso il condensatore. Da questa figura è molto chiaramente visibile che la corrente è in anticipo rispetto alla tensione (i picchi della sinusoide di corrente si trovano A sinistra picchi corrispondenti della sinusoide di tensione, cioè arrivano prima).

Facciamo ora il lavoro al contrario. Fateci conoscere la legge del cambiamento attuale IO(T) attraverso un condensatore con una capacità C. E anche questa legge sia sinusoidale

Determiniamo come cambierà la tensione sul condensatore in questo caso. Usiamo la nostra formula generale con l'integrale:

Per assoluta analogia con i calcoli già scritti, la tensione può essere rappresentata in questo modo

Anche qui abbiamo utilizzato informazioni interessanti dalla trigonometria . E di nuovo formule di riduzione verranno in tuo aiuto se non è chiaro il motivo per cui è successo in questo modo.

Che conclusione possiamo trarre da questi calcoli? E la conclusione è sempre la stessa di quella già fatta: la corrente attraverso il condensatore e la tensione sul condensatore sono sfasate l'una rispetto all'altra di 90 gradi. Inoltre, vengono spostati per un motivo. Attuale avanti voltaggio. Perché è così? Qual è la fisica del processo dietro questo? Scopriamolo.

Immaginiamolo senza addebito Abbiamo collegato il condensatore a una fonte di tensione. Nel primo momento il condensatore non ha alcuna carica: è scarico. E poiché non ci sono cariche, non c'è tensione. Ma c'è una corrente, appare immediatamente quando il condensatore è collegato alla sorgente. Vedete, signori? Non c'è ancora tensione (non ha avuto il tempo di aumentare), ma c'è già corrente. Inoltre, proprio in questo momento della connessione, la corrente nel circuito è massima (un condensatore scarico equivale essenzialmente a un cortocircuito nel circuito). Questo per quanto riguarda il ritardo tra tensione e corrente. Mentre la corrente scorre, la carica inizia ad accumularsi sulle piastre del condensatore, cioè la tensione inizia ad aumentare e la corrente diminuisce gradualmente. E dopo un po ', sulle piastre si accumulerà così tanta carica che la tensione sul condensatore sarà uguale alla tensione della sorgente e la corrente nel circuito si fermerà completamente.

Ora prendiamo questo addebitato Scolleghiamo il condensatore dalla sorgente e lo cortocircuitiamo. Cosa otterremo? Ma praticamente lo stesso. Nel primo momento, la corrente sarà massima e la tensione sul condensatore rimarrà la stessa senza modifiche. Cioè, ancora una volta la corrente è in anticipo e la tensione cambia dopo di essa. Man mano che la corrente scorre, la tensione inizierà a diminuire gradualmente e quando la corrente si fermerà completamente, anch'essa diventerà zero.

Per una migliore comprensione della fisica dei processi in corso, è possibile utilizzare ancora una volta analogia idraulica. Immaginiamo che un condensatore carico sia un serbatoio pieno d'acqua. Questo serbatoio ha un rubinetto sul fondo attraverso il quale è possibile scaricare l'acqua. Apriamo questo rubinetto. Non appena lo apriremo, l'acqua scorrerà immediatamente. E la pressione nel serbatoio diminuirà gradualmente man mano che l'acqua fuoriesce. Cioè, in parole povere, un filo d'acqua da un rubinetto supera la variazione di pressione, proprio come la corrente in un condensatore supera la variazione di tensione ai suoi capi.

Un ragionamento simile può essere fatto per un segnale sinusoidale, quando la corrente e la tensione cambiano secondo la legge sinusoidale, e in effetti per qualsiasi segnale. Il punto, spero, è chiaro.

Prendiamone un po' calcolo pratico corrente alternata attraverso un condensatore e tracciare grafici.

Prendiamo una fonte di tensione sinusoidale, il valore efficace è 220 V e frequenza 50 Hz. Bene, cioè, tutto è esattamente come nelle nostre prese. Un condensatore con una capacità di 1 µF. Ad esempio, un condensatore a film K73-17, progettato per una tensione massima di 400 V (i condensatori per tensioni inferiori non devono mai essere collegati a una rete a 220 V), è disponibile con una capacità di 1 μF. Per darvi un'idea di cosa abbiamo a che fare, nella Figura 3 ho inserito una fotografia di questo animale (grazie a Diamond per la foto)

Figura 3 – Ricerca della corrente attraverso questo condensatore

È necessario determinare quale ampiezza di corrente fluirà attraverso questo condensatore e costruire grafici di corrente e tensione.

Per prima cosa dobbiamo scrivere la legge della variazione di tensione in una presa. Se ti ricordi, ampiezza il valore della tensione in questo caso è di circa 311 V. Perché è così, da dove viene e come annotare la legge delle variazioni di tensione in una presa può essere letto in questo articolo. Presenteremo immediatamente il risultato. Pertanto, la tensione nella presa cambierà secondo la legge

Ora possiamo usare la formula ottenuta in precedenza, che metterà in relazione la tensione nella presa con la corrente attraverso il condensatore. Il risultato sarà simile a questo

Abbiamo semplicemente sostituito nella formula generale la capacità del condensatore specificato nella condizione, il valore dell'ampiezza della tensione e la frequenza circolare della tensione di rete. Di conseguenza, dopo aver moltiplicato tutti i fattori abbiamo la seguente legge del cambiamento attuale:

Questo è tutto, signori. Risulta che il valore dell'ampiezza della corrente attraverso il condensatore è leggermente inferiore a 100 mA. È molto o poco? La domanda non può essere definita corretta. Per gli standard delle apparecchiature industriali, dove compaiono centinaia di ampere di corrente, questo è molto poco. E anche per gli elettrodomestici, dove decine di ampere non sono rari. Tuttavia, anche una corrente del genere rappresenta un grande pericolo per l'uomo! Da ciò ne consegue che non dovresti afferrare un condensatore di questo tipo collegato a una rete a 220 V. Tuttavia, secondo questo principio è possibile realizzare i cosiddetti alimentatori con condensatore di spegnimento. Bene, questo è un argomento per un articolo separato e non lo toccheremo qui.

Tutto questo va bene, ma ci siamo quasi dimenticati dei grafici che dobbiamo costruire. Dobbiamo sistemarlo urgentemente! Quindi, sono presentati nella Figura 4 e nella Figura 5. Nella Figura 4 è possibile osservare un grafico della tensione nella presa e nella Figura 5 - la legge della variazione di corrente attraverso un condensatore collegato a tale presa.

Figura 4 – Grafico della tensione in uscita

Figura 5 - Grafico della corrente attraverso un condensatore

Come possiamo vedere da queste immagini, la corrente e la tensione sono spostate di 90 gradi, come dovrebbero essere. E forse il lettore ha un'idea: se la corrente scorre attraverso un condensatore e una certa tensione cade ai suoi capi, probabilmente dovrebbe essere rilasciata anche una certa potenza ai suoi capi. Tuttavia, mi affretto ad avvertirti: la situazione è assolutamente perfetta per il condensatore non in questo modo. Se consideriamo un condensatore ideale, su di esso non verrà rilasciata alcuna potenza, anche quando la corrente scorre e la tensione diminuisce ai suoi capi. Perché? Come mai? A proposito - nei prossimi articoli. È tutto per oggi. Grazie per aver letto, buona fortuna e alla prossima!

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Un tipico condensatore con la designazione circuitale "C" appartiene alla categoria dei componenti radio più comuni che funzionano sia nei circuiti CA che in quelli CC. Nel primo caso, viene utilizzato come elemento di blocco e carico capacitivo e nel secondo come collegamento filtro nei circuiti raddrizzatori con corrente pulsante. Un condensatore in un circuito CA è simile a quello mostrato nella figura seguente.

A differenza di un altro componente radio comune chiamato resistore, un condensatore in un circuito CA introduce al suo interno un componente reattivo, che porta alla formazione di uno sfasamento tra la fem applicata e la corrente da essa causata. Conosciamo più in dettaglio cosa sono il componente reattivo e la reattanza capacitiva.

Inclusione di EMF sinusoidale nel circuito

Tipi di inclusioni

Come è noto, un condensatore in un circuito a corrente continua (senza componente alternata) non può funzionare.

Nota! Questa affermazione non si applica ai filtri di livellamento in cui scorre corrente pulsante, nonché ai circuiti di blocco speciali.

Si osserva un quadro completamente diverso se consideriamo l'inclusione di questo elemento in un circuito di corrente alternata, in cui inizia a comportarsi più attivamente e può svolgere più funzioni contemporaneamente. In questo caso, il condensatore può essere utilizzato per i seguenti scopi:

• Per bloccare la componente continua, sempre presente in qualsiasi circuito elettronico;
• Al fine di creare resistenza nel percorso di propagazione dei componenti ad alta frequenza (HF) del segnale elaborato;
• Come elemento di carico capacitivo che imposta le caratteristiche di frequenza del circuito;
• Come elemento di circuiti oscillatori e filtri speciali (LF e HF).

Da tutto quanto sopra, è immediatamente chiaro che nella stragrande maggioranza dei casi, un condensatore in un circuito a corrente alternata viene utilizzato come elemento dipendente dalla frequenza che può avere un certo effetto sui segnali che lo attraversano.

Il tipo più semplice di inclusione

I processi che si verificano durante questa accensione sono mostrati nella figura seguente.

Possono essere descritti introducendo il concetto di fem armonica (sinusoidale), espresso comeU = Uo cos ω Te assomiglia a questo:

• All'aumentare della variabile EMF, il condensatore viene caricato dalla corrente elettrica I che lo attraversa, che è massima nel momento iniziale. Man mano che la capacità viene caricata, il valore della corrente di carica diminuisce gradualmente e si azzera completamente nel momento in cui la FEM raggiunge il suo massimo;

Importante! Un tale cambiamento multidirezionale di corrente e tensione porta alla formazione tra loro di uno sfasamento di 90 gradi caratteristico di questo elemento.

• Ciò pone fine al primo quarto dell'oscillazione periodica;
• Inoltre, l'EMF sinusoidale diminuisce gradualmente, a seguito della quale il condensatore inizia a scaricarsi e in questo momento nel circuito scorre una corrente che aumenta di ampiezza. In questo caso si osserva lo stesso sfasamento osservato nel primo trimestre del periodo;
• Al termine di questa fase, il condensatore è completamente scarico (con FEM pari a zero) e la corrente nel circuito raggiunge il suo massimo;
• All'aumentare della corrente inversa (scarica), la capacità viene ricaricata, a seguito della quale la corrente diminuisce gradualmente fino a zero e l'EMF raggiunge il suo valore di picco (ovvero l'intero processo ritorna al punto di partenza).

Inoltre, tutti i processi descritti vengono ripetuti con una frequenza specificata dalla frequenza dell'EMF esterno. Lo sfasamento tra corrente ed EMF può essere considerato come una sorta di resistenza a una variazione di tensione sul condensatore (il suo ritardo rispetto alle fluttuazioni di corrente).

Capacità

Concetto di capacità

Studiando i processi che si verificano nei circuiti a cui è collegato un condensatore, si è scoperto che i tempi di carica e scarica per diversi campioni di questo elemento differiscono significativamente l'uno dall'altro. Sulla base di questo fatto, è stato introdotto il concetto di capacità, definito come la capacità di un condensatore di accumulare carica sotto l'influenza di una determinata tensione:

Successivamente, la variazione della carica sui piatti nel tempo può essere rappresentata come:

Ma da alloraQ= C.U., quindi attraverso semplici calcoli otteniamo:

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

cioè, la corrente scorre attraverso il condensatore in modo tale che inizi a condurre la tensione di 90 gradi in fase. Lo stesso risultato si ottiene utilizzando altri approcci matematici a questo processo elettrico.

Rappresentazione vettoriale

Per maggiore chiarezza l'ingegneria elettrica utilizza una rappresentazione vettoriale dei processi considerati, e per quantificare il rallentamento della reazione viene introdotto il concetto di capacità (vedi foto sotto).

Il diagramma vettoriale mostra anche che la corrente nel circuito del condensatore è di 90 gradi avanti rispetto alla tensione in fase.

Informazioni aggiuntive. Studiando il "comportamento" di una bobina in un circuito di corrente sinusoidale, si è scoperto che in essa, al contrario, è in fase con la tensione.

In entrambi i casi, esiste una differenza nelle caratteristiche di fase dei processi, che indica la natura reattiva del carico nel circuito EMF alternato.

Tralasciando calcoli differenziali difficilmente descrivibili, per rappresentare la resistenza di un carico capacitivo otteniamo:

Ne consegue che la resistenza creata dal condensatore è inversamente proporzionale alla frequenza del segnale alternato e alla capacità dell'elemento installato nel circuito. Questa dipendenza consente di costruire sulla base di un condensatore circuiti dipendenti dalla frequenza come:

• Catene di integrazione e differenziazione (insieme a un resistore passivo);
• Elementi filtranti LF e HF;
• Circuiti reattivi utilizzati per migliorare le caratteristiche di carico delle apparecchiature di potenza;
• Circuiti risonanti di tipo serie e parallelo.

Nel primo caso, utilizzando una capacità, è possibile modificare arbitrariamente la forma degli impulsi rettangolari, aumentandone la durata (integrazione) o accorciandola (differenziazione).

Catene di filtri e circuiti risonanti sono ampiamente utilizzati nei circuiti lineari di varie classi (amplificatori, convertitori, generatori e dispositivi simili).

Grafico della capacità

È stato dimostrato che la corrente scorre attraverso un condensatore solo sotto l'influenza di una tensione che varia armonicamente. In questo caso, l'intensità della corrente nel circuito è determinata dalla capacità di un dato elemento, quindi maggiore è la capacità del condensatore, maggiore è il suo valore.

Ma possiamo anche tracciare una relazione inversa, secondo la quale la resistenza del condensatore aumenta al diminuire del parametro di frequenza. Ad esempio, consideriamo il grafico mostrato nella figura seguente.

Dalla dipendenza di cui sopra si possono trarre le seguenti importanti conclusioni:

• Per una corrente costante (frequenza = 0) Xc è uguale a infinito, il che significa che non può fluire al suo interno;
• A frequenze molto elevate la resistenza di questo elemento tende a zero;
• A parità di altre condizioni, è determinato dalla capacità del condensatore installato nel circuito.

Di particolare interesse sono i problemi della distribuzione dell'energia elettrica nei circuiti a corrente alternata con un condensatore incluso in essi.

Lavoro (potenza) in un carico capacitivo

Similmente al caso dell'induttanza, studiando il "comportamento" di un condensatore nei circuiti EMF variabili, si è scoperto che non vi è alcun consumo di energia a causa dello sfasamento di U e I. Quest'ultimo è spiegato dal fatto che l'energia elettrica nella fase iniziale del processo (durante la carica) viene immagazzinata tra le armature del condensatore e nella seconda fase viene restituita alla sorgente (vedi figura sotto).

Di conseguenza, la capacità rientra nella categoria dei carichi reattivi o senza watt. Tuttavia, tale conclusione può essere considerata puramente teorica, poiché nei circuiti reali sono sempre presenti elementi passivi ordinari che non hanno resistenza reattiva, ma attiva o watt. Questi includono:

• Resistenza del cavo;
• Conduttività delle zone dielettriche in un condensatore;
• diffusione dei contatti;
• Resistenza attiva delle spire della bobina e simili.

A questo proposito, in qualsiasi circuito elettrico reale ci sono sempre perdite di potenza attiva (la sua dissipazione), determinate caso per caso individualmente.

Particolare attenzione dovrebbe essere prestata alle perdite interne associate a perdite attraverso il dielettrico e scarso isolamento tra le piastre (piastre). Passiamo alle seguenti definizioni, tenendo conto della situazione reale. Pertanto, le perdite associate alle caratteristiche qualitative di un dielettrico sono chiamate dielettrico. I costi energetici attribuiti all'imperfezione dell'isolamento tra le piastre sono solitamente classificati come perdite dovute a perdite nell'elemento condensatore.

Alla fine di questa recensione, è interessante seguire un'analogia che rappresenta i processi che avvengono in un circuito di condensatori con una molla meccanica elastica. E, infatti, una molla, come questo elemento, accumula in sé energia potenziale durante una parte dell'oscillazione periodica, e nella seconda fase la rilascia nuovamente in forma cinetica. Sulla base di questa analogia, è possibile presentare l'intero quadro del comportamento di un condensatore in circuiti con EMF variabile.

video

Un condensatore (cappuccio) è una piccola "batteria" che si carica rapidamente quando c'è tensione intorno ad esso e si scarica rapidamente quando non c'è abbastanza tensione per mantenere la carica.

La caratteristica principale di un condensatore è la sua capacità. È indicato dal simbolo C, la sua unità di misura è Farad. Maggiore è la capacità, maggiore è la carica che il condensatore può mantenere a una determinata tensione. Anche di Di più capacità, il meno velocità di carica e scarica.

Valori tipici utilizzati in microelettronica: da decine di picofarad (pF, pF = 0,000000000001 F) a decine di microfarad (μF, μF = 0,000001). I tipi più comuni di condensatori sono ceramici ed elettrolitici. Quelli ceramici sono di dimensioni più piccole e solitamente hanno una capacità fino a 1 µF; a loro non importa quale dei contatti sarà collegato al più e quale al meno. I condensatori elettrolitici hanno capacità da 100 pF e sono polari: un apposito contatto deve essere collegato al positivo. La gamba corrispondente al plus viene allungata.

Un condensatore è costituito da due piastre separate da uno strato dielettrico. Le piastre accumulano carica: una è positiva, l'altra è negativa; creando così dentro voltaggio. Il dielettrico isolante impedisce che la tensione interna diventi interna attuale, che equilibrerebbe le piastre.

Carica e scarica

Considera questo diagramma:

Mentre l'interruttore è in posizione 1, viene creata tensione sul condensatore: si carica. Carica Q sul piatto in un determinato momento si calcola con la formula:

C- capacità, e- esponente (costante ≈ 2,71828), T- tempo dall'inizio della ricarica. La carica sulla seconda piastra è sempre esattamente dello stesso valore, ma con segno opposto. Se il resistore R rimuovere, rimarrà solo una piccola resistenza dei fili (questo diventerà il valore R) e la ricarica avverrà molto rapidamente.

Tracciando la funzione su un grafico, otteniamo la seguente immagine:

Come puoi vedere, la carica non cresce in modo uniforme, ma inversamente esponenziale. Ciò è dovuto al fatto che man mano che la carica si accumula, crea sempre più tensione inversa V c, che “resiste” V dentro.

Tutto finisce con questo V c diventa uguale in valore V dentro e la corrente smette del tutto di scorrere. A questo punto si dice che il condensatore ha raggiunto il suo punto di saturazione (equilibrio). La carica raggiunge il massimo.

Ricordando Legge di Ohm, possiamo rappresentare la dipendenza della corrente nel nostro circuito durante la carica del condensatore.

Ora che il sistema è in equilibrio, metti l’interruttore in posizione 2.

Le piastre del condensatore hanno cariche di segno opposto, creano tensione: attraverso il carico appare una corrente (Carico). La corrente fluirà in direzione opposta rispetto alla direzione della fonte di alimentazione. La scarica avverrà anche in modo opposto: dapprima la carica si perderà rapidamente, poi, con la caduta della tensione da essa creata, sempre più lentamente. Se per Q0 designare la carica inizialmente presente sul condensatore, quindi:

Questi valori sul grafico appaiono così:

Ancora una volta, dopo un po' di tempo il sistema entrerà in uno stato di riposo: tutta la carica andrà persa, la tensione scomparirà e il flusso di corrente si fermerà.

Se usi di nuovo l'interruttore, tutto inizierà in cerchio. Quindi il condensatore non fa altro che interrompere il circuito quando la tensione è costante; e "funziona" quando la tensione cambia improvvisamente. Questa proprietà determina quando e come viene utilizzata nella pratica.

Applicazione nella pratica

Tra i più comuni nella microelettronica ci sono i seguenti modelli:

Condensatore di backup (tappo di bypass): per ridurre le ondulazioni della tensione di alimentazione

Condensatore di filtro: per separare i componenti di tensione costante e variabile, per isolare il segnale

Condensatore di riserva

Molti circuiti sono progettati per fornire energia costante e stabile. Ad esempio, 5 V. L'alimentatore glielo fornisce. Ma i sistemi ideali non esistono e, in caso di un improvviso cambiamento nel consumo di corrente del dispositivo, ad esempio quando un componente è acceso, la fonte di alimentazione non ha il tempo di "reagire" istantaneamente e a breve termine si verifica una caduta di tensione. Inoltre, nei casi in cui il cavo dalla fonte di alimentazione al circuito è sufficientemente lungo, inizia a fungere da antenna e introduce anche rumore indesiderato nel livello di tensione.

Tipicamente lo scostamento dalla tensione ideale non supera il millesimo di volt, e questo fenomeno è assolutamente insignificante quando si tratta di alimentare, ad esempio, dei LED o un motore elettrico. Ma nei circuiti logici, dove la commutazione tra zero logico e uno logico avviene in base a cambiamenti di piccole tensioni, il rumore dell'alimentazione può essere scambiato per un segnale, che porterà a una commutazione errata che, come un effetto domino, metterà il sistema in difficoltà. in uno stato imprevedibile.

Per evitare tali guasti, un condensatore di riserva è posizionato direttamente davanti al circuito

Nei momenti in cui la tensione è piena, il condensatore si carica fino alla saturazione e diventa una carica di riserva. Non appena il livello di tensione sulla linea scende, il condensatore di riserva agisce come una batteria veloce, rilasciando la carica precedentemente accumulata per colmare il vuoto finché la situazione non ritorna alla normalità. Tale assistenza alla fonte di alimentazione principale avviene un numero enorme di volte al secondo.

Se pensiamo da un punto di vista diverso: il condensatore estrae la componente alternata dalla tensione continua e, facendola passare attraverso se stesso, la porta dalla linea elettrica a terra. Questo è il motivo per cui il condensatore di backup è anche chiamato "condensatore di bypass".

Di conseguenza, la tensione livellata si presenta così:

I condensatori tipici utilizzati per questi scopi sono condensatori ceramici con un valore nominale di 10 o 100 nF. Le grandi celle elettrolitiche sono poco adatte a questo ruolo, perché sono più lenti e non saranno in grado di rilasciare rapidamente la carica in queste condizioni, dove il rumore è ad alta frequenza.

In un dispositivo, i condensatori di riserva possono essere presenti in molti punti: davanti a ciascun circuito, che è un'unità indipendente. Ad esempio, Arduino dispone già di condensatori di backup che garantiscono un funzionamento stabile del processore, ma prima di alimentare lo schermo LCD ad esso collegato è necessario installarne uno proprio.

Condensatore di filtro

Un condensatore di filtro viene utilizzato per rimuovere il segnale dal sensore, che lo trasmette sotto forma di tensione variabile. Esempi di tali sensori sono un microfono o un'antenna Wi-Fi attiva.

Diamo un'occhiata allo schema di collegamento di un microfono a elettrete. Il microfono a elettrete è il più comune e onnipresente: è il tipo utilizzato nei telefoni cellulari, negli accessori per computer e nei sistemi di diffusione sonora.

Il microfono richiede alimentazione per funzionare. In stato di silenzio, la sua resistenza è elevata e ammonta a decine di kiloohm. Quando è influenzato dal suono, l'otturatore è incorporato all'interno transistor ad effetto di campo si apre e il microfono perde la resistenza interna. La perdita e il ripristino della resistenza si verificano molte volte al secondo e corrispondono alla fase dell'onda sonora.

In uscita, siamo interessati solo alla tensione nei momenti in cui c'è il suono. Se non ci fosse il condensatore C, l'uscita verrebbe sempre influenzata anche dalla tensione di alimentazione costante. C blocca questa componente costante e lascia passare solo le deviazioni che corrispondono al suono.

Il suono udibile, che ci interessa, è nella gamma delle basse frequenze: 20 Hz - 20 kHz. Al fine di isolare il segnale sonoro dalla tensione e non dal rumore di potenza ad alta frequenza, come C Viene utilizzato un condensatore elettrolitico lento con un valore nominale di 10 µF. Se venisse utilizzato un condensatore veloce, diciamo da 10 nF, i segnali non audio passerebbero all'uscita.

Si noti che il segnale di uscita viene fornito come tensione negativa. Cioè, quando l'uscita è collegata a terra, la corrente fluirà da terra all'uscita. I valori di tensione di picco nel caso di un microfono sono decine di millivolt. Per invertire la tensione e aumentarne il valore, l'output V fuori solitamente collegato ad un amplificatore operazionale.

Collegamento dei condensatori

Rispetto alla connessione resistori, il calcolo della potenza finale del condensatore funziona al contrario.

Quando collegato in parallelo, la capacità totale viene riassunta:

Quando collegati in serie, la capacità finale viene calcolata utilizzando la formula:

Se ci sono solo due condensatori, quindi con una connessione in serie:

Nel caso particolare di due condensatori identici, la capacità totale del collegamento in serie è pari alla metà della capacità di ciascuno.

Caratteristiche limite

La documentazione per ciascun condensatore indica la tensione massima consentita. Superarlo può portare alla rottura del dielettrico e all'esplosione del condensatore. Per i condensatori elettrolitici è necessario rispettare la polarità. Altrimenti l'elettrolito fuoriuscirà oppure si verificherà nuovamente un'esplosione.