Меню

График переменного тока с конденсатором

Конденсаторы в сети переменного тока

Что такое переменный ток

Конденсаторы в сети переменного токаЕсли рассматривать постоянный ток, то он не всегда может быть идеально постоянным: напряжение на выходе источника может зависеть от нагрузки или от степени разряда аккумулятора или гальванической батареи. Даже при постоянном стабилизированном напряжении ток во внешней цепи зависит от нагрузки, что и подтверждает закон Ома. Получается, что это тоже не совсем постоянный ток, но переменным такой ток назвать тоже нельзя, поскольку направления он не меняет.

Переменным обычно называют напряжение или ток, направление и величина которого меняются не под действием внешних факторов, например нагрузки, а вполне «самостоятельно»: именно таким его вырабатывает генератор. К тому же, эти изменения должны быть периодическими, т.е. повторяющимися через определенный промежуток времени, называемый периодом.

Если же напряжение или ток меняется как попало, не заботясь о периодичности и иной закономерности, такой сигнал называется шумом. Классический пример — «снег» на экране телевизора при слабом эфирном сигнале. Примеры некоторых периодических электрических сигналов показаны на рисунке 1.

Для постоянного тока имеется всего две характеристики: это полярность и напряжение источника. В случае с переменным током этих двух величин явно недостаточно, поэтому появляются еще несколько параметров: амплитуда, частота, период, фаза, мгновенное и действующее значение.

Примеры некоторых периодических электрических сигналов

Рисунок 1. Примеры некоторых периодических электрических сигналов

Наиболее часто в технике приходится сталкиваться с колебаниями синусоидальной формы, причем, не только в электротехнике. Представьте себе автомобильное колесо. При равномерном движении по хорошей ровной дороге центр колеса описывает прямую, параллельную дорожному покрытию. В то же время, любая точка на периферии колеса перемещается по синусоиде относительно только что упомянутой прямой.

Сказанное может подтвердить рисунок 2, на котором показан графический метод построения синусоиды: кто хорошо учил черчение, тот прекрасно представляет, как выполняются подобные построения.

Графический метод построения синусоиды

Рисунок 2. Графический метод построения синусоиды

Из школьного курса физики известно, что синусоида является наиболее распространенной и пригодной для изучения периодической кривой. В точности также синусоидальные колебания получаются в генераторах переменного тока, что обусловлено их механическим устройством.

На рисунке 3 показан график синусоидального тока.

График синусоидального тока

Рисунок 3. График синусоидального тока

Нетрудно заметить, что величина тока изменяется по времени, поэтому ось ординат обозначена на рисунке как i(t), — функция тока от времени. Полный период тока обозначен сплошной линией и имеет период T. Если начать рассмотрение от начала координат, то видно, что сначала ток увеличивается, доходит до Imax, переходит через нуль, уменьшается до –Imax, после чего увеличивается и доходит до нуля. Далее начинается следующий период, что показано пунктирной линией.

В виде математической формулы поведение тока записывается так: i(t)= Imax*sin(ω*t±φ).

Здесь i(t) — мгновенное значение тока, зависящее от времени, Imax -амплитудное значение (максимальное отклонение от состояния равновесия), ω — круговая частота (2*π*f), φ — фазовый угол.

Круговая частота ω измеряется в радианах в секунду, фазовый угол φ – в радианах или градусах. Последний имеет смысл лишь в том случае, когда имеется два синусоидальных тока. Например, в цепях с конденсатором ток опережает напряжение на 90˚ или ровно на четверть периода, что и показано на рисунке 4. Если синусоидальный ток один, то можно двигать его по оси ординат как угодно, и от этого ничего не изменится.

В цепях с конденсатором ток опережает напряжение на 90730;

Рисунок 4. В цепях с конденсатором ток опережает напряжение на четверть периода

Физический смысл круговой частоты ω в том, какой угол в радианах «пробежит» синусоида за одну секунду.

Период – T время, за которое синусоида совершит одно полное колебание. То же относится и к колебаниям другой формы, например, прямоугольным или треугольным. Период измеряется в секундах или более мелких единицах: миллисекундах, микросекундах или наносекундах.

Еще один параметр любого периодического сигнала, в том числе и синусоиды это частота, сколько колебаний проделает сигнал за 1 секунду. Единицей измерения частоты является герц (Гц), названный по имени ученого XIX века Генриха Герца. Итак, частота 1Гц это есть ни что иное, как одно колебание/секунду. Например, частота осветительной сети 50Гц, то есть за секунду проходит ровно 50 периодов синусоиды.

Если известен период тока (можно измерить осциллографом), то частоту сигнала поможет узнать формула: f=1/T. При этом, если время выражено в секундах, то результат получится в Герцах. И наоборот, T=1/f, частота в Гц, время получается в секундах. Например, при частоте 50 герц период получится 1/50=0,02сек, или 20 миллисекунд. В электричестве чаще применяются более высокие частоты: КГц – килогерцы, МГц – мегагерцы (тысячи и миллионы колебаний в секунду) и т.д.

Все сказанное для тока справедливо и для переменного напряжения: достаточно на рис 6 просто поменять букву I на U. Формула будет выглядеть вот так: u(t)=Umax*sin(ω*t±φ).

Этих разъяснений вполне достаточно для того, чтобы вернуться к опытам с конденсаторами и объяснить их физический смысл.

Конденсатор проводит переменный ток, что было показано в схеме на рисунке 3 (см. статью — Конденсаторы для электроустановок переменного тока). Яркость свечения лампы увеличивается при подключении дополнительного конденсатора. При параллельном включении конденсаторов их емкости просто складываются, поэтому можно предположить, что емкостное сопротивление Xc зависит от емкости. Кроме того оно зависит еще от частоты тока, и поэтому формула выглядит так: Xc=1/2*π*f*C.

Из формулы следует, что с увеличением емкости конденсатора и частоты переменного напряжения реактивное сопротивление Xc уменьшается. Эти зависимости показаны на рисунке 5.

Зависимость реактивного сопротивления конденсатора от емкости

Рисунок 5. Зависимость реактивного сопротивления конденсатора от емкости

Если подставить в формулу частоту в Герцах, а емкость в Фарадах, то результат получится в Омах.

Будет ли греться конденсатор?

Теперь вспомним опыт с конденсатором и электросчетчиком, почему он не крутится? Дело в том, что счетчик считает активную энергию, когда потребителем является чисто активная нагрузка, например, лампы накаливания, электрочайник или электроплита. У таких потребителей напряжение и ток совпадают по фазе, имеют один знак: если перемножить два отрицательных числа (напряжение и ток во время отрицательного полупериода) результат по законам математики все равно положительный. Поэтому мощность таких потребителей всегда положительна, т.е. уходит в нагрузку и выделяется в виде тепла, как показано на рисунке 6 пунктирной линией.

Читайте также:  Ток возбуждения в генераторе постоянного тока с параллельным возбуждением

Активная нагрузка в цепи переменного тока

В случае, когда в цепь переменного тока включен конденсатор ток и напряжение по фазе не совпадают: ток опережает по фазе напряжение на 90˚, что приводит к тому, что получается сочетание, когда ток и напряжение имеют разные знаки.

Конденсатор в цепи переменного тока

В эти моменты мощность получается отрицательной. Другими словами, когда мощность положительная, конденсатор заряжается, а когда отрицательная — запасенная энергия отдается обратно в источник. Поэтому в среднем получается по нулям и считать тут просто нечего.

Конденсатор, если конечно он исправный, не будет даже нисколько нагреваться. Поэтому, часто конденсатор называют безваттным сопротивлением, что позволяет применять его в бестрансформаторных маломощных блоках питания. Хотя такие блоки не рекомендуется использовать ввиду их опасности, все-таки иногда это делать приходится.

Перед тем, как устанавливать в такой блок гасящий конденсатор, его следует проверить простым включением в сеть: если за полчаса конденсатор не нагрелся, то его смело можно включать в схему. В противном случае его придется просто без сожаления выбросить.

Что показывает вольтметр?

При изготовлении и ремонте различных устройств, хоть и не очень часто, но приходится мерить переменные напряжения и даже токи. Если синусоида ведет себя так неспокойно, то вверх, то вниз, что будет показывать обычный вольтметр?

Среднее значение периодического сигнала, в данном случае синусоиды, подсчитывается как площадь, ограниченная осью абсцисс и графическим изображением сигнала, деленная на 2*π радиан или период синусоиды. Поскольку верхняя и нижняя часть абсолютно одинаковы, но имеют разные знаки, среднее значение синусоиды равно нулю, и мерить его совсем не нужно, и даже просто бессмысленно.

Поэтому измерительный прибор показывает нам среднеквадратичное значение напряжения или тока. Среднеквадратичным называется такое значение периодического тока, при котором на одной и той же нагрузке выделяется то же количество теплоты, что и на постоянном токе. Иными словами лампочка светит с той же яркостью.

Формулами это описывается вот так: Iсрк=0,707*Imax= Imax/√2 для напряжения формула та же, достаточно поменять одну букву Uсрк=0,707*Umax=Umax/√2. Именно эти значения показывает измерительный прибор. Их можно подставлять в формулы при расчете по закону Ома или при расчете мощности.

Но это далеко не всё, на что способен конденсатор в сети переменного тока. В следующей статье будет рассмотрено использование конденсаторов в импульсных схемах, фильтрах верхних и нижних частот, в генераторах синусоиды и прямоугольных импульсов.

Источник

Конденсатор в цепи переменного тока

Этот пассивный элемент применяют для создания различных электротехнических схем, защитных и блокирующих устройств. Конденсатор в цепи переменного тока накапливает и возвращает энергию. С помощью этой публикации можно выяснить назначение и функции популярного радиокомпонента, изучить основные определения и особенности практического применения.

Электрические параметры, формулы для расчета и схема измерений при подключении конденсатора к источнику питания переменного тока

Назначение конденсаторов

Принцип действия всех элементов данной категории определяется способностью накопления электрического заряда двумя проводящими пластинами, которые разделяет слой диэлектрика. Из описания элементарной конструкции понятно, что постоянный ток через конденсатор не проходит. Однако при подключении переменного сигнала энергия возвращается в цепь с периодичностью соответствующей рабочей частоты.

Свойства и выполняемые функции

Отмеченные накопительные способности определяются размерами пластин и расстоянием между ними, диэлектрическими характеристиками промежуточного слоя. Заряд сохраняется после отключения источника питания. Если подсоединить нагрузку, энергия может выполнять необходимые полезные функции.

Узкополосный фильтр

На рисунке показано устройство, которое «вырезает» небольшой участок спектра. Показанная на графике рабочая частота определяется параметрами цепочки, составленной из конденсатора и катушки индуктивности. В данном примере выполняются функции фильтрации входного сигнала.

Понятие полярности для конденсаторов и их выход из строя

Для улучшения рабочих параметров некоторые компоненты этой категории создают с применением промежуточного материала, пропитанного электролитом. Дополнительные слои создают из оксидов металлов и диэлектриков.

Конструкция электролитического конденсатора

Эти изделия подключают с обязательным соблюдением полярности. Специальная маркировка на корпусе предупреждает пользователей о наличии соответствующего ограничения. При ошибке в процессе монтажа конденсатор будут выведен из строя первым подключением. Кипение электролита может провоцировать повышенное напряжение.

К сведению. Насечками на крышке и предохранительным клапаном уменьшают разрушительный эффект при возникновении аварийной ситуации.

Емкостное сопротивление

Если подключить генератор синусоидального сигнала, с помощью осциллографа можно регистрировать увеличение силы тока по мере роста частоты. В ходе эксперимента нужно поддерживать одинаковую амплитуду на входе.

Изменение тока

В следующих разделах публикации рассказано о том, почему происходят отмеченные явления.

Понятие ёмкости

Рассмотренная выше схема стандартной конструкции подразумевает влияние следующих параметров на способность накопления определенного заряда (q):

  • площади (S) рабочих пластин или обкладок;
  • расстояния (d) между этими функциональными компонентами;
  • диэлектрических характеристик слоя (e – проницаемость).

Выяснив значения перечисленных величин, можно рассчитать напряженность:

Накопительные свойства (емкость) определяет следующая формула:

С= (e * S)/ d = q/U, где U – напряжение.

Для случая с переменным током нужно учесть изменение параметров за определенный интервал времени:

С учетом представленных выше зависимостей после простых математических преобразований можно создать алгоритм расчета силы тока, который будет проходить по цепи:

I = (C * ΔU)/Δt = f * C * Uo cos f * t = Io * sin (f * t + 90), где f – частота сигнала.

Векторное представление

Для наглядности процессов основные электрические параметры удобно представлять в векторной форме. Чтобы учесть замедление процессов обмена энергией, устанавливают понятие емкостного сопротивления (Xc).

Пояснение общих зависимостей

График и векторное представление демонстрируют отставание напряжения от тока, который будет течь в цепи на 90° (π/2).

К сведению. Обратный эффект наблюдается, если включить в схему катушку индукции. В этом случае напряжение будет опережать ток по фазе на аналогичный угол (90°).

Читайте также:  Как рассчитать силу тока в однофазной сети

Приведенные особенности подтверждают наличие реактивных компонентов конденсаторов и катушек, соответственно. В упрощенном виде сопротивление Хс выражается обратной зависимостью от частоты и емкости:

Представленную формулу можно использовать для расчета фильтров, колебательных контуров и других схем.

График ёмкостного сопротивления

Может ли через конденсатор протекать постоянный ток, отмечено выше. Наличие слоя диэлектрика предотвращает свободное протекание электронов через этот участок. Такой материал только накапливает заряды, но при одинаковых потенциалах эквивалентен разрыву проводника. При работе с переменным сигналом ток смещения в переделах этой зоны выполняет функцию «соединения» цепи.

Зависимость реактивного сопротивления конденсатора от частоты сигнала

Выводы:

  • отсутствие колебательных процессов (f=0) соответствует уменьшению до нуля проводимости, что аналогично разрыву цепи;
  • при увеличении емкости сопротивление конденсатора уменьшается;
  • чем выше частота, тем лучше проводимость.

Работа (мощность) в ёмкостной нагрузке

Выше отмечена цикличность энергетического обмена между источником переменного сигнала и подключенным конденсатором.

Мощность

Диаграммы демонстрируют процессы в конденсаторе на примере сжимания/ растяжения пружины внешней силой. В идеальных условиях энергетические потери отсутствуют. Однако в реальной ситуации нужно учесть потребление мощности активным сопротивлением соединительных проводов, иных компонентов схемы. Уменьшение КПД объясняется ухудшением функционального состояния диэлектрика.

Прочие параметры

Для уточненных расчетов применяют эквивалентную схему изделия со следующими компонентами:

  • емкость;
  • электрические сопротивления изоляционного слоя, контактных и проводящих элементов конструкции;
  • индуктивные реактивные составляющие.

К сведению. После отключения нагрузки на выводах конденсатора фиксируется небольшой рост напряжения (абсорбция заряда). Также существует зависимость рабочих параметров от температуры.

Типы конденсаторов

Кроме изделий с постоянным номиналом, выпускают переменные и подстроечные конденсаторы. Их особенности понятны по специфическим названиям. Также используют распределение на классы по материалу диэлектрика:

  • газ (воздух);
  • керамика, слюда, стекло;
  • бумага;
  • оксид металла и пропитка основы электролитом, другие комбинации.

Применение конденсаторов

В следующем перечне приведены типичные примеры использования на практике функциональных свойств конденсатора:

  • фильтры, цепи обратной связи, иные схемы с частотно-зависимыми характеристиками;
  • импульсные излучатели (лазеры, фотовспышки);
  • дежурные элементы автономного электропитания (памяти);
  • компенсаторы реактивной мощности при подключении двигателей и других мощных нагрузок.

Конденсатор в цепях электрического тока

Следующие эксперименты можно проводить в домашней лаборатории. Они демонстрируют, как будет работать конденсатор с разными источниками питания.

Цепь постоянного тока

При подключении к аккумулятору накопление энергии происходит. Однако протекание тока в цепи блокирует диэлектрик.

Опыт с лампочкой

Цепь переменного тока

Собрав простую схему, можно увидеть отличия входного и выходного сигнала. По мере увеличения частоты на определенном уровне амплитуды становятся равными, а фазы совпадут.

Изучение параметров синусоидального сигнала

Включение в цепи синусоидальной ЭДС

Конденсаторы в цепи постоянного тока не работают динамично. Поэтому имеет смысл изучать электрические параметры при подключении генератора синусоидального сигнала. В этой ситуации, кроме энергетических процессов, можно проверить частотные зависимости.

Виды включений

Параллельный способ соединения увеличивает емкость:

Для уменьшения основного функционального параметра используют последовательную схему:

1/Собщ = 1/С1 + 1/С2.

При подключении к источнику переменного тока конденсатор подойдет для решения следующих задач:

  • устранение постоянной компоненты сигнала;
  • ухудшение проводимости для определенного частотного диапазона;
  • настройка частоты колебательного контура и других радиотехнических схем.

При необходимости с помощью конденсатора можно гасить паразитные колебания, убирать импульсные помехи.

Простейший тип включения

Представленные выше формулы по току и напряжению можно изобразить следующим образом:

  • I = Im cos (f*t + π/2);
  • U = Uo * cosf*t.

Пояснения к описанию циклов

В простой схеме включения следует отметить следующие этапы рабочего процесса:

  1. увеличение напряжения с накоплением заряда током максимальной силы;
  2. уменьшение i(t) до нуля с одновременным достижением максимума Um;
  3. снижение U c одновременным разрядом конденсатора;
  4. достижение уровня Im c U =0.

Общий подход к выбору изделий и порядку расчетов корректируют с учетом целевого назначения. Если отсутствуют повышенные требования к точности, можно применить представленные параметры и формулы. Дополнительные данные можно получить из сопроводительной документации, на официальных сайтах производителей радиоэлектронных компонентов.

Видео

Источник



Построение векторных диаграмм

Достаточно сложным и чаще всего не изучаемым аспектом темы переменный ток является метод построения векторных диаграмм. Анализируя вынужденные электромагнитные колебания, мы уже обсудили сдвиг тока и напряжения на реактивных сопротивлениях (катушка индуктивности и конденсатор) по сравнению с активным сопротивлением (резистор). Тогда одним из задаваемых вопросов задачи является вопрос о направлении суммарного тока или напряжения в данный конкретный момент времени. Для ответа на этот вопрос и используется метод построения векторных диаграмм.

Векторная диаграмма — это изображение гармонически изменяющихся величин (текущего тока и напряжения) в виде векторов на плоскости.

Векторная диаграмма

Рис. 1. Векторная диаграмма

Построение векторных диаграмм происходит в прямоугольной декартовой системе координат. Построение начинается с проведения вектора, численно равного амплитудному значению тока в цепи. Данный вектор сонаправим в осью ОХ (рис. 1.1).

Т.к. напряжение на активном сопротивлении находится в одной фазе с током, то вектор амплитуды напряжения сонаправлен с вектором тока (рис. 1.2. красный).

На катушке напряжение опережает ток, поэтому отложим вектор амплитуды напряжения на катушке (\displaystyle <<U data-lazy-src=

И последнее, осталось сложить получившийся вектор с вектором \displaystyle <<U data-lazy-src=