Kintamosios srovės arba nuolatinės srovės grandinėje esantis kondensatorius, kuris dažnai vadinamas tiesiog kondensatoriumi, susideda iš poros plokščių, padengtų izoliacijos sluoksniu. Jei į šį įrenginį tiekiama srovė, jis bus apmokestintas ir kurį laiką išlaikys jį. Jo talpa labai priklauso nuo tarpo tarp plokščių.

Kondensatorius gali būti pagamintas įvairiais būdais, tačiau darbo esmė ir pagrindiniai jo elementai bet kokiu atveju išlieka nepakitę. Norint suprasti veikimo principą, būtina atsižvelgti į paprasčiausią jo modelį.

Paprasčiausias prietaisas turi dvi plokštes: viena iš jų yra teigiamai įkrauta, kita, priešingai, neigiamai. Nors šie mokesčiai yra priešingi, jie yra vienodi. Jie traukia tam tikra jėga, kuri priklauso nuo atstumo. Kuo plokštės yra arčiau viena kitos, tuo didesnė traukos jėga tarp jų. Dėl šios atrakcijos įkrautas įrenginys neišsikrauna.

Tačiau užtenka tarp dviejų plokščių nutiesti bet kurį laidininką ir prietaisas akimirksniu išsikraus. Visi elektronai iš neigiamai įkrautos plokštės iškart pereis į teigiamai įkrautą, todėl krūvis išsilygins. Kitaip tariant, norint pašalinti įkrovą iš kondensatoriaus, tereikia trumpai sujungti dvi jo plokštes.

Elektros grandinės yra dviejų tipų - nuolatinis arba kintamieji. Viskas priklauso nuo to, kaip juose teka elektros srovė. Šiose grandinėse esantys įrenginiai veikia skirtingai.

Norėdami apsvarstyti, kaip kondensatorius elgsis nuolatinės srovės grandinėje, turite:

1. Paimkite nuolatinės srovės maitinimo šaltinį ir nustatykite įtampos vertę. Pavyzdžiui, „12 voltų“.
2. Įdėkite lemputę, skirtą tai pačiai įtampai.
3. Įdėkite kondensatorių į tinklą.

Poveikio nebus: lemputė neužsidega, bet jei ištrauksite kondensatorių iš grandinės, lemputė pasirodys. Jei įrenginys prijungtas prie kintamosios srovės tinklo, jis tiesiog neužsidarys, todėl čia negalės praeiti jokia elektros srovė. Nuolatinis - negali praeiti per tinklą, kuriame yra prijungtas kondensatorius. Viskas dėl šio įrenginio plokščių, tiksliau, dėl dielektriko, kuris šias plokštes skiria.

Kad nuolatinės srovės tinkle nėra įtampos, galite įsitikinti kitais būdais. Prie tinklo galite prijungti bet ką, svarbiausia, kad grandinėje būtų nuolatinės elektros srovės šaltinis. Elementas, kuris signalizuoja apie įtampos nebuvimą tinkle arba, atvirkščiai, jo buvimą, taip pat gali būti bet koks elektros prietaisas. Geriausia šiems tikslams naudoti lemputę: ji švies, jei bus elektros srovė, o neužsidega, jei tinkle nėra įtampos.

Galime daryti išvadą, kad kondensatorius negali per save leisti nuolatinės srovės, tačiau ši išvada yra neteisinga. Tiesą sakant, elektros srovė atsiranda iškart po įtampos prijungimo, tačiau iškart išnyksta. Šiuo atveju jis praeina vos per kelias sekundės dalis. Tiksli trukmė priklauso nuo įrenginio talpos, tačiau dažniausiai į tai neatsižvelgiama.

Norint nustatyti, ar tekės kintamoji srovė, prietaisas turi būti prijungtas prie atitinkamos grandinės. Pagrindinis elektros energijos šaltinis šiuo atveju turėtų būti įrenginys, generuojantis kintamąją srovę.

Per kondensatorių teka ne tiesioginė elektros srovė, o kintamoji, priešingai, ir prietaisas nuolat priešinasi per jį tekančiajai elektros srovei. Šio pasipriešinimo dydis yra susijęs su dažniu. Priklausomybė čia atvirkščiai proporcinga: kuo mažesnis dažnis, tuo didesnė varža. Jei reikia kintamosios srovės šaltinis prijunkite kondensatorių, tada maksimali įtampos vertė čia priklausys nuo srovės stiprumo.

Paprasta grandinė, kurią sudaro:

• Dabartinis šaltinis. Ji turi būti kintama.
• Elektros srovės vartotojas. Geriausia naudoti lempą.

Tačiau verta prisiminti vieną dalyką: lemputė užsidegs tik tuo atveju, jei prietaisas bus pakankamai talpus. Kintamoji srovė turi tokį poveikį kondensatoriui, kad prietaisas pradeda krauti ir išsikrauti. O srovė, einanti per tinklą įkrovimo metu, padidina lempos kaitinamojo siūlelio temperatūrą. Dėl to jis šviečia.

Įkrovimo srovė labai priklauso nuo įrenginio, prijungto prie kintamosios srovės tinklo, talpos. Priklausomybė yra tiesiogiai proporcinga: kuo didesnė talpa, tuo didesnė įkrovimo srovės stiprumą apibūdinanti vertė. Norėdami tai patikrinti, tereikia padidinti talpą. Iš karto po to lempa pradės šviesti ryškiau, nes jos siūlai bus labiau įkaista. Kaip matote, kondensatorius, kuris veikia kaip vienas iš kintamosios srovės grandinės elementų, elgiasi kitaip nei pastovus rezistorius.

Kai prijungiamas kintamosios srovės kondensatorius, prasideda sudėtingesni procesai. Toks įrankis kaip vektorius padės geriau juos suprasti. Pagrindinė vektoriaus idėja šiuo atveju bus ta, kad laike kintančio signalo reikšmę galite pavaizduoti kaip kompleksinio signalo sandaugą, kuri yra laiką vaizduojančios ašies ir kompleksinio skaičiaus, kuris priešingai, nesusijęs su laiku.

Kadangi vektoriai vaizduojami tam tikru dydžiu ir tam tikru kampu, juos galima nubrėžti rodyklės, kuri sukasi koordinačių plokštumoje, pavidalu. Įrenginio įtampa šiek tiek atsilieka nuo srovės, o abu vektoriai, kuriais jie pažymėti, plokštumoje sukasi prieš laikrodžio rodyklę.

Kintamosios srovės tinkle esantis kondensatorius gali būti periodiškai įkraunamas: jis arba įgyja tam tikrą įkrovą, arba, priešingai, jį išleidžia. Tai reiškia, kad laidininkas ir kintamosios srovės šaltinis tinkle nuolat keičiasi elektros energija. Ši elektros energijos rūšis elektrotechnikoje vadinama reaktyviąja.

Kondensatorius neleidžia tiesioginei elektros srovei praeiti per tinklą. Šiuo atveju jo pasipriešinimas bus lygus begalybei. Per šį įrenginį gali praeiti kintamoji srovė. Šiuo atveju varža turi baigtinę reikšmę.

Išsami informacija 2017 m. balandžio 16 d

Ponai, šiandieniniame straipsnyje norėčiau apsvarstyti tokį įdomų klausimą kaip AC kondensatorius. Ši tema yra labai svarbi elektros energijai, nes praktiškai kondensatoriai yra visur kintamosios srovės grandinėse, todėl labai naudinga aiškiai suprasti dėsnius, pagal kuriuos šiuo atveju keičiasi signalai. Mes apsvarstysime šiuos dėsnius šiandien, o pabaigoje išspręsime vieną praktinę srovės nustatymo per kondensatorių problemą.

Ponai, dabar mums įdomiausias dalykas yra tai, kaip kondensatoriaus įtampa ir srovė per kondensatorių yra tarpusavyje susijusios tuo atveju, kai kondensatorius yra kintamo signalo grandinėje.

Kodėl iš karto kintama? Taip, tiesiog todėl, kad kondensatorius yra grandinėje nuolatinė srovė nepastebimas. Srovė per ją teka tik pirmą akimirką, kol kondensatorius išsikrauna. Tada kondensatorius įkraunamas ir viskas, nėra srovės (taip taip, girdžiu jau pradėjo šaukti, kad kondensatoriaus įkrovimas teoriškai trunka be galo ilgai, o jis gali turėti ir atsparumą nuotėkiui, bet dabar mes to nepaisome). Įkrautas kondensatorius nuolatinis srovė - Kaip tai atvira grandinė. Kada mes turime galimybę kintamasis srovė - čia viskas daug įdomiau. Pasirodo, šiuo atveju srovė gali tekėti per kondensatorių, o kondensatorius šiuo atveju yra tarsi lygiavertis rezistorius su tam tikru tiksliai apibrėžtu pasipriešinimu (jei kol kas pamiršite apie visokius fazių poslinkius, plačiau apie tai žemiau). Turime kažkaip nustatyti ryšį tarp srovės ir įtampos kondensatoriuje.

Kol kas manysime, kad kintamosios srovės grandinėje yra tik kondensatorius ir viskas. Be jokių kitų komponentų, tokių kaip rezistoriai ar induktoriai. Priminsiu, kad tuo atveju, kai grandinėje turime tik rezistorius, tokia problema išspręsta labai paprastai: srovė ir įtampa yra tarpusavyje sujungtos pagal Ohmo dėsnį. Ne kartą apie tai kalbėjome. Ten viskas labai paprasta: padalinkite įtampą iš varžos ir gaukite srovę. Bet kaip su kondensatoriumi? Galų gale, kondensatorius nėra rezistorius. Ten vykstančių procesų fizika visiškai kitokia, todėl tiesiog taip sujungti srovę ir įtampą neįmanoma. Nepaisant to, tai turi būti padaryta, todėl pabandykime pagrįsti.

Pirmiausia grįžkime atgal. Toli atgal. Netgi labai toli. Į patį pirmąjį mano straipsnį šioje svetainėje. Senoliai gali prisiminti, kad tai buvo straipsnis apie dabartinę jėgą. Šiame pačiame straipsnyje buvo viena įdomi išraiška, kuri sujungė srovės stiprumą ir krūvį, tekantį per laidininko skerspjūvį. Tai pati išraiška

Kas nors gali ginčytis, kad tame straipsnyje apie esamą stiprumą įrašas buvo baigtas Δq Ir Δt- kai kurie labai nedideli krūvio kiekiai ir laikas, per kurį šis krūvis praeina per laidininko skerspjūvį. Tačiau čia naudosime žymėjimą via dq Ir dt- per diferencialus. Tokio atstovavimo mums prireiks vėliau. Jei nesigilinsite į matano dykumą, tada iš esmės dq Ir dtčia nėra jokio ypatingo skirtumo Δq Ir Δt. Žinoma, žmonės, išmanantys aukštąją matematiką, gali ginčytis su šiuo teiginiu, bet šiuo metu nenoriu susikoncentruoti ties šiais dalykais.

Taigi, mes prisiminėme srovės stiprumo išraišką. Dabar prisiminkime, kaip kondensatoriaus talpa yra susijusi viena su kita SU, mokestis q, kurią sukaupė savyje, ir įtampa U ant kondensatoriaus, kuris buvo suformuotas šiuo atveju. Na, mes prisimename, kad jei kondensatorius sukaupė tam tikrą įkrovą, jo plokštėse neišvengiamai atsiras įtampa. Apie visa tai taip pat kalbėjome anksčiau, šiame straipsnyje. Mums reikės šios formulės, kuri tik sujungia įkrovą su įtampa

Išreikškime kondensatoriaus įkrovą pagal šią formulę:

Ir dabar yra labai didelė pagunda šią kondensatoriaus įkrovimo išraišką pakeisti ankstesne srovės stiprumo formule. Pažiūrėkite atidžiau - tada srovės stiprumas, kondensatoriaus talpa ir kondensatoriaus įtampa bus tarpusavyje sujungti! Nedelsdami atlikime šį pakeitimą:

Mūsų talpa yra kiekis pastovus. Tai nulemta tik paties kondensatoriaus, jo vidinė struktūra, dielektrinis tipas ir visa kita. Apie visa tai išsamiai kalbėjome viename iš ankstesnių straipsnių. Todėl talpa SU kondensatorius, nes jis yra pastovus, gali būti saugiai paimtas kaip diferencialo ženklas (tai yra darbo su tais pačiais diferencialais taisyklės). Bet su įtampa U Jūs negalite to padaryti! Kondensatoriaus įtampa laikui bėgant keisis. Kodėl tai vyksta? Atsakymas elementarus: srovei tekant per kondensatoriaus plokštes, akivaizdu, kad įkrova pasikeis. O įkrovos pasikeitimas tikrai pakeis kondensatoriaus įtampą. Todėl įtampa gali būti laikoma tam tikra laiko funkcija ir negali būti pašalinta iš po diferencialo. Taigi, atlikę aukščiau nurodytas transformacijas, gauname tokį įrašą:

Ponai, skubu jus pasveikinti – ką tik gavome labai naudingą posakį, susietą su kondensatoriaus įtampa ir juo tekančia srove. Taigi, jei žinome įtampos kitimo dėsnį, galime nesunkiai rasti srovės pasikeitimo per kondensatorių dėsnį, tiesiog suradę išvestinę.

Bet kaip su priešingu atveju? Tarkime, žinome srovės per kondensatorių kitimo dėsnį ir norime rasti įtampos kitimo dėsnį. Matematiką išmanantys skaitytojai tikriausiai jau atspėjo, kad šiam uždaviniui išspręsti pakanka tiesiog integruoti aukščiau parašytą posakį. Tai yra, rezultatas atrodys maždaug taip:

Tiesą sakant, abi šios išraiškos yra apie tą patį. Tiesiog pirmasis naudojamas tuo atveju, kai žinome kondensatoriaus įtampos kitimo dėsnį ir norime rasti srovės per jį kitimo dėsnį, o antrasis, kai žinome, kaip srovė keičiasi per kondensatorių. ir norime rasti įtampos kitimo dėsnį. Kad geriau prisiminčiau visą šį reikalą, ponai, parengiau jums aiškinamąjį paveikslėlį. Tai parodyta 1 paveiksle.

1 paveikslas – aiškinamasis paveikslas

Iš esmės išvados pateikiamos sutrumpinta forma, kurią būtų gerai prisiminti.

Ponai, atkreipkite dėmesį - gautos išraiškos galioja bet kuriam srovės ir įtampos kitimo dėsniui. Neturi būti sinuso, kosinuso, meandro ar dar ko nors. Jei turite kokį nors visiškai savavališką, net visiškai laukinį, neaprašytą jokioje literatūroje, įtampos kitimo dėsnį U(t), tiekiamas į kondensatorių, jūs, jį diferencijuodami, galite nustatyti srovės per kondensatorių kitimo dėsnį. Ir panašiai, jei žinote srovės pasikeitimo per kondensatorių dėsnį aš(t) tada, radę integralą, galite sužinoti, kaip pasikeis įtampa.

Taigi, mes išsiaiškinome, kaip tarpusavyje sujungti srovę ir įtampą absoliučiai bet kokiam, net ir pačiam beprotiškiausiam jų keitimo variantui. Tačiau kai kurie ypatingi atvejai yra ne mažiau įdomūs. Pavyzdžiui, atvejis su žmogumi, kuris jau mus visus įsimylėjo sinusoidinis srovė Spręskime tai dabar.

Tegul įtampa per talpos kondensatorių C kinta pagal sinuso dėsnį tokiu būdu

Kiek anksčiau išsamiai aptarėme, koks fizinis dydis yra už kiekvienos šios išraiškos raidės. Kaip šiuo atveju pasikeis dabartinė? Pasinaudodami jau įgytomis žiniomis, tiesiog kvailai pakeiskime šią išraišką į bendrą formulę ir suraskime išvestinę

Arba galite parašyti taip

Ponai, noriu jums priminti, kad vienintelis skirtumas tarp sinuso ir kosinuso yra tas, kad vieno fazė kito atžvilgiu pasislenka 90 laipsnių. Na, arba, matematine kalba, tada . Neaišku, iš kur kilo ši išraiška? „Google“ tai redukcijos formules. Tai naudingas dalykas, nepakenktų žinoti. Dar geriau, jei esate susipažinę su trigonometrinis ratas, visa tai jame galima labai aiškiai matyti.

Ponai, iš karto atkreipsiu dėmesį į vieną dalyką. Savo straipsniuose nekalbėsiu apie išvestinių ir integralų paėmimo taisykles. Tikiuosi, kad bent bendrą supratimą apie šiuos dalykus. Tačiau net jei ir nežinote, kaip tai padaryti, pasistengsiu medžiagą pateikti taip, kad dalykų esmė būtų aiški ir be šių tarpinių skaičiavimų. Taigi, dabar gavome svarbią išvadą – jei kondensatoriaus įtampa pasikeis pagal sinuso dėsnį, tai srovė per jį keisis pagal kosinuso dėsnį. Tai reiškia, kad kondensatoriaus srovė ir įtampa fazėje pasislenka 90 laipsnių kampu. Be to, palyginti nesunkiai galime rasti srovės amplitudės reikšmę (tai veiksniai, kurie atsiranda prieš sinusą). Na, tai yra ta viršūnė, tas maksimumas, kurį pasiekia srovė. Kaip matote, tai priklauso nuo pajėgumų C kondensatorius, jam taikomos įtampos amplitudė U m ir dažniai ω . Tai yra, kuo didesnė įtampa, tuo didesnė kondensatoriaus talpa ir kuo didesnis įtampos kitimo dažnis, tuo didesnė srovės amplitudė per kondensatorių. Sukurkime grafiką, kuriame viename lauke pavaizduota srovė per kondensatorių ir įtampa per kondensatorių. Konkrečių skaičių dar nėra, tik rodo kokybę. Šis grafikas pateiktas 2 paveiksle (paveikslėlį galima spustelėti).

2 pav. Srovė per kondensatorių ir įtampa per kondensatorių

2 paveiksle mėlynas grafikas yra sinusinė srovė, einanti per kondensatorių, o raudona diagrama yra sinusinė įtampa per kondensatorių. Iš šio paveikslo labai aiškiai matoma, kad srovė yra prieš įtampą (yra srovės sinusoidės smailės į kairę atitinkamos įtampos sinusoidės smailės, tai yra, jos ateina anksčiau).

Dabar atlikime darbą atvirkščiai. Leiskite mums žinoti dabartinių pokyčių dėsnį aš (t) per kondensatorių su talpa C. Ir tegul šis dėsnis taip pat yra sinusinis

Nustatykime, kaip šiuo atveju pasikeis kondensatoriaus įtampa. Naudokime bendrą formulę su integralu:

Pagal absoliučią analogiją su jau parašytais skaičiavimais, įtampa gali būti pavaizduota tokiu būdu

Čia mes vėl panaudojome įdomią informaciją iš trigonometrijos . Ir vėl redukcijos formules ateis į pagalbą, jei neaišku, kodėl taip atsitiko.

Kokią išvadą galime padaryti iš šių skaičiavimų? Ir išvada vis dar tokia pati, kaip ir jau padaryta: srovė per kondensatorių ir kondensatoriaus įtampa faze pasislenka vienas kito atžvilgiu 90 laipsnių. Be to, jie perkeliami dėl priežasties. Dabartinė priekyjeĮtampa. Kodėl taip yra? Kokia šio proceso fizika? Išsiaiškinkime.

Įsivaizduokime tai neapmokestintas Kondensatorių prijungėme prie įtampos šaltinio. Pirmą akimirką kondensatoriuje iš viso nėra įkrovimų: jis išsikrovęs. O kadangi nėra įkrovimų, tai nėra ir įtampos. Bet yra srovė, ji pasirodo iškart, kai kondensatorius prijungiamas prie šaltinio. Ar pastebite, ponai? Įtampos dar nėra (nespėjo pakelti), bet srovė jau yra. Be to, šiuo prijungimo momentu srovė grandinėje yra maksimali (išsikrovęs kondensatorius iš esmės prilygsta trumpajam jungimui grandinėje). Tiek apie atsilikimą tarp įtampos ir srovės. Srovei tekant, kondensatoriaus plokštelėse pradeda kauptis įkrovimas, tai yra, įtampa pradeda didėti, o srovė palaipsniui mažėja. Ir po kurio laiko ant plokštelių susikaups tiek krūvio, kad kondensatoriaus įtampa bus lygi šaltinio įtampai ir srovė grandinėje visiškai sustos.

Dabar gaukime šį apmokestintas Atjungiame kondensatorių nuo šaltinio ir trumpai sujungiame. Ką mes gausime? Bet praktiškai tas pats. Pirmą akimirką srovė bus maksimali, o įtampa ant kondensatoriaus išliks tokia pati, kokia buvo be pokyčių. Tai yra, srovė vėl yra priekyje, o įtampa keičiasi po jos. Srovei tekant, įtampa palaipsniui pradės mažėti, o kai srovė visiškai sustos, ji taip pat taps lygi nuliui.

Norėdami geriau suprasti vykstančių procesų fiziką, galite dar kartą naudoti santechnikos analogija. Įsivaizduokime, kad įkrautas kondensatorius – tai bakas, pilnas vandens. Šio bako apačioje yra čiaupas, per kurį galima išleisti vandenį. Atidarykime šį čiaupą. Vos atidarius, tuoj pat tekės vanduo. Ir slėgis bake palaipsniui mažės, kai vanduo ištekės. Tai yra, grubiai tariant, vandens srovelė iš maišytuvo viršija slėgio pokyčius, lygiai taip pat, kaip srovė kondensatoriuje viršija įtampos pokyčius.

Panašūs samprotavimai gali būti atliekami sinusoidiniam signalui, kai srovė ir įtampa kinta pagal sinuso dėsnį, ir iš tikrųjų bet kuriam signalui. Esmė, tikiuosi, aiški.

Turėkime šiek tiek praktinis skaičiavimas kintamoji srovė per kondensatorių ir nubraižyti grafikus.

Turėkime sinusinės įtampos šaltinį, efektyvioji vertė yra 220 V, ir dažnis 50 Hz. Na, tai yra, viskas lygiai taip pat, kaip ir mūsų lizduose. Kondensatorius, kurio talpa 1 µF. Pavyzdžiui, plėvelės kondensatorius K73-17, skirtas maksimaliai 400 V įtampai (o žemesnės įtampos kondensatoriai jokiu būdu neturėtų būti jungiami prie 220 V tinklo), yra 1 μF talpos. Kad suprastumėte, su kuo susiduriame, 3 paveiksle įdėjau šio gyvūno nuotrauką (ačiū Deimantui už nuotrauką)

3 paveikslas – ieškoma srovės per šį kondensatorių

Būtina nustatyti, kokia srovės amplitudė tekės per šį kondensatorių, ir sudaryti srovės bei įtampos grafikus.

Pirmiausia turime užrašyti įtampos kitimo išleidimo angoje dėsnį. Jei prisimeni, amplitudėįtampos vertė šiuo atveju yra apie 311 V. Kodėl taip yra, iš kur ji atsirado ir kaip užrašyti įtampos kitimo lizde dėsnį, galima perskaityti šiame straipsnyje. Iš karto pateiksime rezultatą. Taigi, įtampa lizde keisis pagal įstatymą

Dabar galime naudoti anksčiau gautą formulę, kuri susies įtampą išleidimo angoje su srove per kondensatorių. Rezultatas atrodys taip

Į bendrąją formulę tiesiog pakeitėme sąlygoje nurodytą kondensatoriaus talpą, įtampos amplitudės reikšmę ir tinklo įtampos apskritą dažnį. Dėl to, padauginus visus veiksnius, gauname šį dabartinės kaitos dėsnį

Tai tiek, ponai. Pasirodo, srovės amplitudė per kondensatorių yra šiek tiek mažesnė nei 100 mA. Ar tai daug ar mažai? Klausimas negali būti vadinamas teisingu. Pagal pramoninės įrangos standartus, kur atsiranda šimtai amperų srovės, tai yra labai mažai. Ir buitinei technikai, kur neretas dešimtys amperų – taip pat. Tačiau ir tokia srovė žmogui kelia didelį pavojų! Iš to išplaukia, kad neturėtumėte griebti tokio kondensatoriaus, prijungto prie 220 V tinklo. Tačiau šiuo principu galima gaminti vadinamuosius maitinimo šaltinius su gesinimo kondensatoriumi. Na, tai atskiro straipsnio tema ir čia jos neliesime.

Visa tai gerai, bet mes beveik pamiršome apie grafikus, kuriuos turime sukurti. Turime tai skubiai sutvarkyti! Taigi, jie pateikti 4 paveiksle ir 5 paveiksle. 4 paveiksle matote įtampos grafiką lizde, o 5 paveiksle - srovės kitimo per kondensatorių, prijungtą prie tokio lizdo, dėsnį.

4 pav. Išėjimo įtampos grafikas

5 pav. Srovės per kondensatorių grafikas

Kaip matome iš šių paveikslėlių, srovė ir įtampa pasislenka 90 laipsnių, kaip ir turėtų būti. Ir galbūt skaitytojas turi idėją – jei srovė teka per kondensatorių ir jame nukrenta kažkiek įtampa, greičiausiai per jį taip pat turėtų būti išleista tam tikra galia. Tačiau skubu jus įspėti - dėl kondensatoriaus padėtis yra absoliuti ne šitaip. Jei laikysime idealų kondensatorių, tada jokia galia nebus išleista net tada, kai srovė teka ir įtampa krinta. Kodėl? Kaip tai? Apie tai - būsimuose straipsniuose. Tai viskas siandienai. Ačiū, kad skaitėte, sėkmės ir iki pasimatymo!

Prisijunk prie mūsų

Tipiškas kondensatorius su grandinės žymėjimu "C" priklauso labiausiai paplitusių radijo komponentų, veikiančių tiek kintamosios, tiek nuolatinės srovės grandinėse, kategorijai. Pirmuoju atveju jis naudojamas kaip blokuojantis elementas ir talpinė apkrova, o antruoju - kaip filtro jungtis lygintuvo grandinėse su pulsuojančia srove. Kondensatorius kintamosios srovės grandinėje atrodo taip, kaip parodyta paveikslėlyje žemiau.

Skirtingai nuo kito įprasto radijo komponento, vadinamo rezistoriumi, kintamosios srovės grandinėje esantis kondensatorius įveda į jį reaktyvųjį komponentą, dėl kurio susidaro fazės poslinkis tarp taikomo emf ir jo sukeltos srovės. Išsamiau susipažinkime, kas yra reaktyvusis komponentas ir talpinė reaktyvumas.

Sinusoidinio EML įtraukimas į grandinę

Inkliuzų tipai

Kaip žinoma, nuolatinės srovės grandinėje esantis kondensatorius (be kintamo komponento) negali veikti.

Pastaba!Šis teiginys netaikomas išlyginamiesiems filtrams, kuriuose teka pulsuojanti srovė, taip pat specialioms blokavimo grandinėms.

Visiškai kitoks vaizdas pastebimas, jei atsižvelgsime į šio elemento įtraukimą į kintamosios srovės grandinę, kurioje jis pradeda veikti aktyviau ir vienu metu gali atlikti kelias funkcijas. Šiuo atveju kondensatorius gali būti naudojamas šiems tikslams:

• Norėdami blokuoti nuolatinės srovės komponentą, visada būkite bet kurioje elektroninėje grandinėje;
• Siekiant sukurti atsparumą apdorojamo signalo aukšto dažnio (HF) komponentų sklidimo kelyje;
• Kaip talpinis apkrovos elementas, kuris nustato grandinės dažnines charakteristikas;
• Kaip virpesių grandinių ir specialių filtrų (LF ir HF) elementas.

Iš viso to, kas išdėstyta aukščiau, iš karto aišku, kad daugeliu atvejų kintamosios srovės grandinėje esantis kondensatorius naudojamas kaip nuo dažnio priklausomas elementas, galintis turėti tam tikrą poveikį per jį tekantiems signalams.

Paprasčiausias įtraukimo tipas

Procesai, vykstantys šio įjungimo metu, parodyti paveikslėlyje žemiau.

Juos galima apibūdinti įvedant harmoninio (sinusoidinio) emf sąvoką, išreikštą kaipU = Uo cos ω t, ir atrodo taip:

• Didėjant EMF kintamajam, kondensatorius įkraunamas juo tekančia elektros srove I, kuri pradiniu laiko momentu yra maksimali. Kai talpa įkraunama, įkrovimo srovės vertė palaipsniui mažėja ir yra visiškai nulinė tuo metu, kai EMF pasiekia maksimumą;

Svarbu! Toks daugiakryptis srovės ir įtampos pokytis lemia, kad tarp jų susidaro 90 laipsnių fazių poslinkio šio elemento charakteristika.

• Taip baigiasi pirmasis periodinio svyravimo ketvirtis;
• Be to, sinusoidinis EMF palaipsniui mažėja, dėl to kondensatorius pradeda išsikrauti, o šiuo metu grandinėje teka didėjanti amplitudė. Šiuo atveju stebimas toks pat fazės atsilikimas, koks buvo pirmąjį laikotarpio ketvirtį;
• Pasibaigus šiam etapui, kondensatorius visiškai iškraunamas (kai EMF lygus nuliui), o srovė grandinėje pasiekia maksimumą;
• Didėjant atvirkštinei (iškrovimo) srovei, talpa įkraunama, dėl to srovė palaipsniui mažėja iki nulio, o EMF pasiekia didžiausią vertę (tai yra, visas procesas grįžta į pradinį tašką).

Be to, visi aprašyti procesai kartojami dažniu, nurodytu pagal išorinio EML dažnį. Fazių poslinkis tarp srovės ir EMF gali būti laikomas tam tikru pasipriešinimu kondensatoriaus įtampos pokyčiui (jo atsilikimas nuo srovės svyravimų).

Talpa

Pajėgumo samprata

Tiriant procesus, vykstančius grandinėse su prie jų prijungtu kondensatoriumi, nustatyta, kad skirtingų šio elemento pavyzdžių įkrovimo ir iškrovimo laikai labai skiriasi vienas nuo kito. Remiantis šiuo faktu, buvo pristatyta talpos sąvoka, apibrėžiama kaip kondensatoriaus gebėjimas kaupti krūvį veikiant tam tikrai įtampai:

Po to įkrovos pokytis jo plokštėse laikui bėgant gali būti pavaizduotas taip:

Bet kadangiK= C.U., tada paprastais skaičiavimais gauname:

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

tai yra, srovė teka per kondensatorių taip, kad ji pradeda vesti įtampą 90 laipsnių faze. Tas pats rezultatas gaunamas naudojant kitus matematinius šio elektrinio proceso metodus.

Vektorinis vaizdavimas

Siekiant didesnio aiškumo, elektrotechnika naudoja vektorinį nagrinėjamų procesų atvaizdavimą, o reakcijos sulėtėjimui kiekybiškai įvertinti įvedama talpos sąvoka (žr. nuotrauką žemiau).

Vektorinė diagrama taip pat rodo, kad srovė kondensatoriaus grandinėje yra 90 laipsnių prieš įtampą fazėje.

Papildoma informacija. Tiriant ritės „elgseną“ sinusinės srovės grandinėje, buvo nustatyta, kad joje, priešingai, ji fazėje atsilieka nuo įtampos.

Abiem atvejais skiriasi procesų fazių charakteristikos, rodančios reaktyvųjį apkrovos pobūdį kintamoje EML grandinėje.

Nepaisydami diferencialinių skaičiavimų, kuriuos sunku apibūdinti, norėdami parodyti talpinės apkrovos varžą, gauname:

Iš to išplaukia, kad kondensatoriaus sukuriama varža yra atvirkščiai proporcinga kintamo signalo dažniui ir grandinėje sumontuoto elemento talpai. Ši priklausomybė leidžia kondensatoriaus pagrindu sukurti tokias nuo dažnio priklausomas grandines kaip:

• Integruojančios ir diferencijuojamos grandinės (kartu su pasyviuoju rezistoriumi);
• LF ir HF filtrų elementai;
• Reaktyviosios grandinės, naudojamos energijos įrenginių apkrovos charakteristikoms pagerinti;
• Nuosekliojo ir lygiagrečiojo tipo rezonansinės grandinės.

Pirmuoju atveju, naudojant talpą, galima savavališkai keisti stačiakampių impulsų formą, didinant jų trukmę (integracija) arba sutrumpinant (diferencijavimas).

Filtrų grandinės ir rezonansinės grandinės plačiai naudojamos įvairių klasių linijinėse grandinėse (stiprintuvuose, keitikliuose, generatoriuose ir panašiuose įrenginiuose).

Talpos grafikas

Įrodyta, kad srovė teka per kondensatorių tik veikiama harmoningai kintančios įtampos. Šiuo atveju srovės stiprumą grandinėje lemia tam tikro elemento talpa, todėl kuo didesnė kondensatoriaus talpa, tuo didesnė jo vertė.

Tačiau galime atsekti ir atvirkštinį ryšį, pagal kurį kondensatoriaus varža didėja mažėjant dažnio parametrui. Kaip pavyzdį apsvarstykite diagramą, parodytą žemiau esančiame paveikslėlyje.

Iš pirmiau nurodytos priklausomybės galima padaryti šias svarbias išvadas:

• Esant pastoviai srovei (dažnis = 0) Xc yra lygus begalybei, vadinasi, ji negali tekėti joje;
• Esant labai aukštiems dažniams, šio elemento varža linkusi į nulį;
• Jei visi kiti dalykai yra vienodi, jį lemia grandinėje sumontuoto kondensatoriaus talpa.

Ypač domina elektros energijos paskirstymo kintamosios srovės grandinėse su kondensatoriumi klausimai.

Darbas (galia) esant talpinei apkrovai

Panašiai kaip ir induktyvumo atveju, tiriant kondensatoriaus „elgseną“ kintamose EMF grandinėse, buvo nustatyta, kad jose nėra energijos suvartojimo dėl U ir I fazių poslinkio. Pastarasis paaiškinamas tuo, kad pradiniame proceso etape (įkrovimo metu) elektros energija kaupiama tarp kondensatoriaus plokščių, o antroje pakopoje grąžinama šaltiniui (žr. paveikslėlį žemiau).

Dėl to talpa patenka į reaktyviųjų, arba be bangų, apkrovų kategoriją. Tačiau tokią išvadą galima laikyti grynai teorine, nes tikrose grandinėse visada yra įprastų pasyviųjų elementų, kurie turi ne reaktyvųjį, o aktyvųjį arba vatinį atsparumą. Jie apima:

• Švino laido varža;
• Dielektrinių zonų laidumas kondensatoriuje;
• Kontaktų sklaida;
• Aktyvus ritės posūkių atsparumas ir panašiai.

Šiuo atžvilgiu bet kurioje tikroje elektros grandinėje visada yra aktyviosios galios nuostolių (jos išsklaidymas), nustatomi kiekvienu atveju atskirai.

Ypatingas dėmesys turėtų būti skiriamas vidiniams nuostoliams, susijusiems su nuotėkiais per dielektriką ir bloga izoliacija tarp plokščių (plokščių). Pereikime prie šių apibrėžimų, atsižvelgdami į tikrąją reikalų padėtį. Taigi nuostoliai, susiję su kokybinėmis dielektriko savybėmis, vadinami dielektriku. Energijos sąnaudos, priskiriamos izoliacijos tarp plokščių netobulumui, paprastai priskiriamos nuostoliams dėl kondensatoriaus elemento nesandarumo.

Šios apžvalgos pabaigoje įdomu sekti vieną analogiją, vaizduojančią procesus, vykstančius kondensatoriaus grandinėje su elastine mechanine spyruokle. Ir iš tiesų, spyruoklė, kaip ir šis elementas, per vieną periodinio svyravimo dalį sukaupia savyje potencialią energiją, o antroje fazėje ją išleidžia atgal kinetine forma. Remiantis šia analogija, galima pateikti visą kondensatoriaus elgsenos vaizdą grandinėse su kintamu EMF.

Vaizdo įrašas

Kondensatorius (dangtelis) yra maža „baterija“, kuri greitai įkraunama, kai aplink jį yra įtampa, ir greitai išsikrauna atgal, kai nėra pakankamai įtampos, kad išlaikytų įkrovą.

Pagrindinė kondensatoriaus savybė yra jo talpa. Tai pažymėta simboliu C, jo matavimo vienetas yra Faradas. Kuo didesnė talpa, tuo daugiau įkrovos kondensatorius gali išlaikyti esant tam tikrai įtampai. Taip pat nei daugiau talpa, mažiauįkrovimo ir iškrovimo greitis.

Tipiškos mikroelektronikoje naudojamos reikšmės: nuo dešimčių pikofaradų (pF, pF = 0,000000000001 F) iki dešimčių mikrofaradų (μF, μF = 0,000001). Dažniausiai pasitaikantys kondensatorių tipai yra keraminiai ir elektrolitiniai. Keramikiniai yra mažesnio dydžio ir paprastai jų talpa yra iki 1 µF; jiems nesvarbu, kuris iš kontaktų bus prijungtas prie pliuso, o kuris prie minuso. Elektrolitiniai kondensatoriai turi nuo 100 pF talpos ir yra poliniai: prie teigiamo turi būti prijungtas konkretus kontaktas. Pliusą atitinkanti koja daroma ilgesnė.

Kondensatorius susideda iš dviejų plokščių, atskirtų dielektriniu sluoksniu. Plokštelės kaupia krūvį: viena teigiama, kita neigiama; taip sukuriant viduje Įtampa. Izoliacinis dielektrikas neleidžia vidinei įtampai virsti vidine srovė, kuris išlygintų plokštes.

Įkrovimas ir iškrovimas

Apsvarstykite šią diagramą:

Kol jungiklis yra 1 padėtyje, ant kondensatoriaus sukuriama įtampa – jis įkraunamas. Įkrauti K ant plokštelės tam tikru momentu apskaičiuojamas pagal formulę:

C- talpa, e- eksponentas (konstanta ≈ 2,71828), t- laikas nuo įkrovimo pradžios. Antrosios plokštės įkrova visada yra lygiai tokia pati, bet su priešingu ženklu. Jei rezistorius R pašalinkite, liks tik nedidelė laidų varža (tai taps verte R) ir įkrovimas įvyks labai greitai.

Nubraižę funkciją grafike, gauname tokį vaizdą:

Kaip matote, krūvis auga ne tolygiai, o atvirkščiai eksponentiškai. Taip yra dėl to, kad kaupdamasis krūvis sukuria vis daugiau atvirkštinės įtampos V a, kuris „priešina“ V in.

Viskas tuo ir baigiasi V a tampa vienoda verte V in ir srovė visiškai nustoja tekėti. Teigiama, kad šiuo metu kondensatorius pasiekė savo prisotinimo tašką (pusiausvyrą). Įkrovimas pasiekia maksimumą.

Prisimenant Omo dėsnis, galime pavaizduoti srovės priklausomybę mūsų grandinėje įkraunant kondensatorių.

Dabar, kai sistema yra pusiausvyroje, perjunkite jungiklį į 2 padėtį.

Kondensatorių plokštės turi priešingų ženklų krūvius, sukuria įtampą – per apkrovą atsiranda srovė (Load). Srovė tekės priešinga kryptimi, palyginti su maitinimo šaltinio kryptimi. Iškrovimas vyks ir priešingai: iš pradžių įkrovimas bus prarastas greitai, vėliau, nukritus jo sukurtai įtampai, vis lėčiau. Jei už Q 0 nurodykite įkrovą, kuri iš pradžių buvo kondensatoriuje, tada:

Šios vertės diagramoje atrodo taip:

Vėlgi, po kurio laiko sistema pasieks ramybės būseną: bus prarastas visas įkrovimas, dings įtampa ir nutrūks srovės tekėjimas.

Jei dar kartą naudosite jungiklį, viskas prasidės ratu. Taigi kondensatorius nedaro nieko kito, kaip tik nutraukia grandinę, kai įtampa yra pastovi; ir „veikia“, kai staiga pasikeičia įtampa. Ši savybė lemia, kada ir kaip ji naudojama praktiškai.

Taikymas praktikoje

Tarp labiausiai paplitusių mikroelektronikoje yra šie modeliai:

Atsarginis kondensatorius (apvado dangtelis) – maitinimo įtampos bangavimui sumažinti

Filtro kondensatorius – pastovios ir kintančios įtampos komponentams atskirti, signalui izoliuoti

Rezervinis kondensatorius

Daugelis grandinių yra skirtos nuolatinei, stabiliai galiai tiekti. Pavyzdžiui, 5 V. Maitinimo šaltinis juos tiekia. Tačiau idealių sistemų nėra, o staiga pasikeitus įrenginio srovės suvartojimui, pavyzdžiui, įjungus komponentą, maitinimo šaltinis nespėja akimirksniu „reaguoti“ ir trumpam. atsiranda įtampos kritimas. Be to, tais atvejais, kai laidas nuo maitinimo šaltinio iki grandinės yra pakankamai ilgas, jis pradeda veikti kaip antena ir į įtampos lygį taip pat įveda nepageidaujamą triukšmą.

Paprastai nuokrypis nuo idealios įtampos neviršija tūkstantosios volto dalies, ir šis reiškinys yra visiškai nereikšmingas, kai reikia maitinti, pavyzdžiui, šviesos diodus ar elektros variklį. Tačiau loginėse grandinėse, kur loginio nulio ir loginio vieneto perjungimas vyksta dėl mažų įtampų pokyčių, maitinimo šaltinio triukšmas gali būti supainiotas su signalu, o tai sukels neteisingą perjungimą, o tai, kaip ir domino efektas, sukels sistemą. nenuspėjamoje būsenoje.

Siekiant išvengti tokių gedimų, atsarginis kondensatorius dedamas tiesiai prieš grandinę

Kai įtampa yra pilna, kondensatorius įkraunamas iki soties ir tampa rezerviniu įkrovimu. Kai tik nukrenta įtampos lygis linijoje, atsarginis kondensatorius veikia kaip greitas akumuliatorius, išleidžiantis anksčiau sukauptą įkrovą, kad užpildytų spragą, kol situacija grįš į normalią. Tokia pagalba pagrindiniam maitinimo šaltiniui įvyksta daugybę kartų kas sekundę.

Jei mąstytume kitu požiūriu: kondensatorius ištraukia kintamąjį komponentą iš nuolatinės įtampos ir, perleisdamas jį per save, nuneša iš elektros linijos į žemę. Štai kodėl atsarginis kondensatorius taip pat vadinamas „apeinančiu kondensatoriumi“.

Dėl to išlyginta įtampa atrodo taip:

Tipiški šiems tikslams naudojami kondensatoriai yra keraminiai kondensatoriai, kurių vardinė vertė yra 10 arba 100 nF. Didelės elektrolitinės ląstelės yra prastai pritaikytos šiam vaidmeniui, nes jie yra lėtesni ir negalės greitai atleisti įkrovos tokiomis sąlygomis, kai triukšmas yra aukšto dažnio.

Viename įrenginyje atsarginiai kondensatoriai gali būti daug kur: prieš kiekvieną grandinę, kuri yra nepriklausomas blokas. Pavyzdžiui, Arduino jau turi atsarginius kondensatorius, kurie užtikrina stabilų procesoriaus darbą, tačiau prieš įjungdami prie jo prijungtą LCD ekraną, turite įdiegti savąjį.

Filtro kondensatorius

Filtro kondensatorius naudojamas signalui pašalinti iš jutiklio, kuris perduoda jį kintančios įtampos pavidalu. Tokių jutiklių pavyzdžiai yra mikrofonas arba aktyvi Wi-Fi antena.

Pažvelkime į elektretinio mikrofono prijungimo schemą. Elektretinis mikrofonas yra labiausiai paplitęs ir visur paplitęs: toks tipas naudojamas mobiliuosiuose telefonuose, kompiuterių prieduose ir viešųjų pranešimų sistemose.

Mikrofonui veikti reikia maitinimo. Tylos būsenoje jo atsparumas yra didelis ir siekia dešimtis kiloomų. Kai jį veikia garsas, viduje įmontuota sklendė lauko efekto tranzistorius atsidaro ir mikrofonas praranda vidinį pasipriešinimą. Atsparumo praradimas ir atkūrimas įvyksta daug kartų kas sekundę ir atitinka garso bangos fazę.

Išėjime mus domina tik įtampa tais momentais, kai yra garsas. Jei nebūtų kondensatoriaus C, išėjimą visada papildomai paveiktų pastovi maitinimo įtampa. C blokuoja šį pastovų komponentą ir leidžia praeiti tik garsą atitinkančius nukrypimus.

Mus dominantis girdimas garsas yra žemųjų dažnių diapazone: 20 Hz - 20 kHz. Siekiant izoliuoti garso signalą nuo įtampos, o ne aukšto dažnio galios triukšmo, kaip C Naudojamas lėtas elektrolitinis kondensatorius, kurio vardinė vertė yra 10 µF. Jei būtų naudojamas greitas kondensatorius, tarkime, 10 nF, ne garso signalai pereitų į išvestį.

Atkreipkite dėmesį, kad išėjimo signalas tiekiamas kaip neigiama įtampa. Tai yra, kai išėjimas yra prijungtas prie žemės, srovė tekės iš žemės į išėjimą. Maksimalios įtampos vertės mikrofono atveju yra dešimtys milivoltų. Norėdami pakeisti įtampą ir padidinti jos vertę, išvestis Vout paprastai jungiamas prie operacinio stiprintuvo.

Kondensatorių prijungimas

Palyginti su ryšiu rezistoriai, galutinio kondensatoriaus įvertinimo apskaičiavimas atrodo atvirkščiai.

Kai prijungiama lygiagrečiai, bendra talpa sumuojama:

Sujungus nuosekliai, galutinė talpa apskaičiuojama pagal formulę:

Jei yra tik du kondensatoriai, tada su nuoseklia jungtimi:

Konkrečiu atveju, kai yra du identiški kondensatoriai, bendra nuoseklaus jungties talpa yra lygi pusei kiekvieno talpos.

Ribinės charakteristikos

Kiekvieno kondensatoriaus dokumentacijoje nurodoma didžiausia leistina įtampa. Jį viršijus gali sugesti dielektrikas ir sprogti kondensatorius. Elektrolitiniams kondensatoriams reikia laikytis poliškumo. Priešingu atveju arba ištekės elektrolitas, arba vėl įvyks sprogimas.