Конденсатор в цепях переменного тока
Чтобы понять, как работает конденсатор в цепях переменного тока, вам потребуется хотя бы
минимальное представление об этом самом переменном токе. Будем считать, что эти знания у вас есть,
поэтому здесь приведём только информацию, касающуюся работы конденсатора.
На рис. 1 приведены графики изменения силы тока и напряжения во времени для ёмкостной нагрузки,
то есть для конденсатора.
Рис. 1. Изменения силы тока и напряжения во времени для ёмкостной нагрузки.
Здесь Uc(t) - напряжение на конденсаторе, I(t) - ток в цепи,
Ug(t) - напряжение на выходе источника переменного напряжения.
Итак, при подключении конденсатора к источнику переменного напряжения (перед подключением конденсатор разряжен),
ток в цепи максимальный (см. рис. 1), а напряжение Uc на конденсаторе равно нулю. Ёмкость конденсатора
влияет на ток, но нас пока это не интересует.
В первой четверти периода напряжение источника увеличивается, напряжение на конденсаторе также увеличивается.
Конденсатор заряжается, а ток в цепи уменьшается. По прошествии 1/4 периода конденсатор полностью
заряжен и ток в цепи равен нулю.
Во второй четверти происходит разряд конденсатора, ток в цепи увеличивается. И так далее.
Таким образом, ток, протекающий через конденсатор, отстаёт от напряжения на его обкладках на одну
четверть периода.
Закон Ома для действующих значений имеет вид:
I = CUω = U / Xc
Где С - ёмкость конденсатора, Ф, U - напряжение, В, Хс - ёмкостное сопротивление цепи, Ом, которое равно
Xc = 1 /ωC = 1 / 2πfC
Где f - частота переменного тока, Гц.
Отсюда можно сделать вывод, что ёмкостное сопротивление зависит не только от ёмкости конденсатора, но и
от частоты переменного тока. Чем выше частота, тем меньше ёмкостное сопротивление конденсатора, и наоборот.
Исходя из вышесказанного напрашивается первое применение конденсатора в цепях
переменного тока - работа в качестве гасящего элемента в делителях напряжения.
Конечно, проще и удобнее использовать в качестве такого элемента резистор.
Однако, если требуется существенное падение напряжения на
гасящем резисторе, то даже небольшие токи потребуют применения резистора большой мощности и,
соответственно, габаритов.
Конденсатор в цепях переменного тока не рассеивает энергию, а значит и не нагревается.
Почему? Потому что, как мы выяснили, ток и напряжение в конденсаторе смещены
относительно друг друга на 90
o. То есть в момент, когда напряжение максимально,
ток равен нулю, соответственно, и мощность равна нулю в этот момент (см. рис. 1). Работа не совершается,
нагрев не происходит.
Именно поэтому вместо резистора часто применяют конденсаторы.
Основной недостаток такого использования конденсатора заключается в том, что
при изменении тока в цепи изменяется и напряжение на нагрузке. Второй недостаток (по сравнению с применением трансформаторов) -
отсутствие гальванической развязки. По этим и другим причинам применение конденсаторов в качестве гасящих
элементов ограничено и используется обычно в тех случаях, когда сопротивление нагрузки
относительно стабильно. Например, в цепях питания нагревательных элементов.
Однако частотно-зависимые делители напряжения применяются очень широко. Свойства конденсаторов
используются, например, при создании различных фильтров и резонансных схем.
Частотный фильтр - это устройство, которое пропускает сигналы одной частоты и не пропускает другие.
Или наоборот - пропускает все частоты кроме одного диапазона. Работа частотных фильтров основана на способности конденсатора изменять ёмкостное сопротивление
в зависимости от частоты. Например, нам нужно подавить в усилителе фон переменного тока частотой
50 Гц. В таком случае можно использовать фильтр - схему из конденсаторов и резисторов,
которая будет подавлять сигнал с частотой 50 Гц и пропускать все остальные сигналы. Расчёт и
конструирование фильтров - занятие непростое и здесь не рассматривается.
Резонансные схемы используют резонанс, который возникает при последовательном или
параллельном включении конденсатора и катушки индуктивности. Поскольку сопротивление этих элементов зависит от
частоты, то при некоторой частоте общее сопротивление цепи будет максимальным, а при некоторых -
минимальным. Эти эффекты и используются в резонансных схемах. Например, резонанс используется
в радиоприёмниках при настройке на станцию.