Принцип работы конденсатора в цепи переменного тока: Конденсатор в цепи переменного тока: как работает, формулы, схема

Конденсатор в цепи переменного тока

При включении какого-либо конденсатора в электрическую цепь постоянного тока, происходит возникновение быстрого кратковременного импульса. С его помощью конденсатор заряжается до такой же степени, как источник энергии, после чего, всяческое движение электрического тока прекращается. Если его отключить от источника тока, то в очень скором времени, под воздействием нагрузки наступит полная разрядка. Когда в качестве индикатора подключается лампа, она моргает один раз, а, затем, гаснет, поскольку разрядка конденсатора при постоянном токе происходит в виде кратковременного импульса.

Работа конденсатора при переменном токе

Совершенно по-другому работает конденсатор в цепи переменного тока. В данном случае, конденсатор заряжается и разряжается, чередуясь с периодичностью колебаний, возникающих при переменном напряжении. Такая же лампа накаливания, помещенная в цепь в качестве индикатора, и подключенная последовательно, будет аналогично конденсатору излучать непрерывный свет, потому что частота колебаний промышленного уровня не воспринимается человеческим глазом.

В каждом конденсаторе имеется емкостное сопротивление, от которого зависят емкость и частота циклов переменного тока. По формуле, такая зависимость получается обратно пропорциональная. При наличии такого сопротивления не происходит превращения электрической и магнитной энергии в тепловую. При более высокой частоте электрического тока, емкостное сопротивление пропорционально снижается, и, наоборот.

Эти важные свойства позволили применять конденсаторы в цепи переменного электрического тока в качестве гасящего элемента взамен резисторов в делителях напряжения. Данный фактор имеет особо важное значение при падениях напряжения. В подобной ситуации, вместо конденсатора пришлось бы применять мощные резисторы с большими размерами.

Основное свойство конденсаторов

Поскольку конденсатор в цепи переменного тока не подвержен нагреву, то и не наступает рассеивание энергии. Это обусловлено смещением между собой тока и напряжения в конденсаторе на 90 градусов. При наибольшем напряжении, ток имеет нулевое значение, а значит, не совершается никакой работы и нагрева не происходит. Поэтому, конденсаторы в большинстве случаев, вполне успешно используются взамен резисторов. При этом, у них образуется недостаток, который должен быть учтен в обязательном порядке. Он заключается в изменении переменного тока в цепи, вызывающего изменение напряжения в нагрузке.

Другим недостатком является отсутствие гальванической развязки, в связи с чем применение их имеет определенные ограничения и их используют при стабильном значении сопротивления. Такими нагрузками, чаще всего, выступают нагревательные элементы.

Конденсатор в электрической цепи

Конденсаторы наравне с резисторами относят к наиболее многочисленным элементам радиотехнических устройств. Они состоят из двух обкладок, изолированных со всех сторон. Основной функцией конденсатора является сохранение внутри себя заряда при кратковременной подаче на него постоянного напряжения.

Замечание 1

Существуют различные виды конденсаторов. Их различают по емкости, а она рассчитывается исходя из вместительности обкладок и расстояния между ними.

На одной обкладке сохраняются положительно заряженные частицы, а на второй – отрицательно заряженные. При взаимодействии обкладок возникает притяжение. Это не позволяет терять энергию заряженному конденсатору.

Для разрядки конденсатора в электрической цепи необходимо замкнуть два выхода от обкладок. Процесс осуществляется при помощи хорошего проводника. Конденсаторы с большой емкостью лучше разряжаются резисторами, то есть через сопротивление.

Конденсатор и цепь постоянного тока

Существует два вида электрического тока:

• постоянный ток;
• переменный ток.

Конденсаторы ведут себя по-разному в условиях электрической цепи. Постоянный ток через конденсатор не будет течь. Однако опытным путем установлено, что в первые доли секунды после подачи напряжения ток начинает течь. Незначительными показателями обычно пренебрегают при расчетах.

Конденсатор и цепь переменного тока

При определении значений переменного тока в конденсаторе применяют генератор и цифровой осциллограф. При подаче переменного напряжения фиксируются показатели сигнала тока на выходе и входе конденсатора. На мониторе осциллографа отобразится график сигнала, а также его амплитуда. При пропускании переменного тока через конденсатор сигнал получается с определенными шумами. Помехи сигналу придают различные радиоэлементы. В число таких элементов входят резисторы. При увеличении частоты сигнала создается меньшее сопротивление переменному току со стороны конденсатора. Сдвиг фаз убывает при увеличении частоты вплоть до минимальных значений. На низких частотах величина сдвига фаз достигает 90 градусов. Из этого следует, что сопротивление конденсатора зависит от частоты сигнала.

В ходе физико-математических преобразований удалось вывести универсальную формулу, используемую в расчетах сопротивления конденсатора:

$X_c=\frac{1}{2}\pi {FC}$, где:

• $X_c$ – сопротивление конденсатора, оно выражается в омах (Ом),
• $\pi$ – постоянная величина, равна примерно 3,14.

В расчетах также используется емкость $C$ и частота $F$.

При подставлении в указанную формулу нулевых значений частоты, получаем постоянный ток с бесконечно большим сопротивлением. В этом случае происходит обрыв цепи. Такой показатель также называют Фильтром Высокой Частоты. Если применить подобный фильтр конденсатора или резистора на звуковом оборудовании, то в динамике аппаратуры пользователь услышит писк, состоящий из высоких тонов. Фильтр полностью заглушает частоту баса. Такие фильтры активно используют в радиоэлектронных приборах, где необходимо погасить нежелательную частоту и пропустить другую.

Принцип работы конденсатора

Конденсаторы стали основными элементами, из которых строятся все электрические схемы. Они удерживают заряды в неизменном положении долгое время. Накопление энергии происходит методом взаимного притяжения зарядов. Чем больше площадь соединительного элемента, тем больше емкость конденсатора. При достижении большой площади фольгу и изолятор сворачивают в виде рулона. Получается две ленты бумаги и фольги. Затем их помещают в корпус и выводят наружу ленты по определенному контакту. Корпус не должен собирать внутри влагу. Для этого ленту из бумаги обычно пропитывают парафином. Примерно так выглядит простой конденсатор, который можно встретить под капотом любой автомашины. Один контакт конденсатора всегда должен быть выведен от одной обкладки проводом наружу. Металлический корпус устройства внутри присоединяется ко второй обкладке.

Конденсатор в самой простой электрической цепи при постоянном токе является разрывом. Обкладки устройства никогда не соприкасаются друг с другом.

Любая электрическая цепь состоит из четырех главных элементов:

• электродвижущей силы аккумулятора;
• резистора;
• конденсатора;
• переключателя.

В цепи нет тока при не включенном переключателе. При подключении к первому контакту образуется напряжение с аккумулятора, которое передается на конденсатор. В это время конденсатор начинает процесс зарядки. Он продолжается до тех пор, пока емкость не будет полностью занята. В цепи начинает течь ток заряда. Его значения уменьшаются по мере того, как долго заряжается конденсатор. Ток заряда после полной зарядки достигает нулевых значений.

Аккумулятор имеет идентичный знак заряда наравне с конденсатором. После размыкания переключателя получается разорванная электрическая цепь, где есть два источника энергии:

• конденсатор;
• аккумулятор.

При разрядке конденсатора нужно перевести переключатель в соответствующий режим. Тогда накопленный заряд на обкладках конденсатора начнет через сопротивление разряжаться.

Электрическая батарея постоянного напряжения при работе конденсатора способна выдавать переменный ток. В процессе зарядки его значения изменяются от максимальных до нуля. Конденсаторы с незначительным зарядом в процессе разрядки через резистор дают переменный ток, который изменяется от максимального значения до нуля. После этого конденсатор демонстрирует разрыв цепи, по которой ток больше не может течь.

Подобные процессы в электрической цепи называются переходными. Они происходят в цепях с постоянным напряжением при участии реактивных элементов.

Эти процессы выражаются следующей формулой:

$\tau = RC$, где:

• $\tau$ – постоянная времени переходного процесса,
• $R$ – это активное сопротивление нагрузки,
• $C$ – емкость конденсатора.

Емкость и импеданс в цепи переменного тока | Блог Advanced PCB Design

Ключевые выводы

•  Узнайте об импедансе конденсатора.

• Получите более полное представление о важности импеданса конденсатора при анализе цепей переменного тока.

• Узнайте, как рассчитать импеданс конденсатора.

Конденсаторы — чрезвычайно распространенные компоненты почти в каждой электронной схеме.

Область электроники содержит различные параметры, которые измеряют, помогают и влияют на функциональность и производительность каждого электронного устройства. Одним из важнейших параметров является импеданс в цепи переменного тока. В процессе проектирования необходимо точно оценивать импеданс, вызванный различными компонентами, чтобы принимать обоснованные проектные решения.

Кроме того, такие параметры, как емкость и импеданс, должны оставаться в допустимых проектных пределах, иначе даже точные конструкции могут не обеспечить желаемую функциональность. Также бывают случаи, когда требуется преобразование одного параметра в эквивалент другого. Более того, преобразование таких параметров, как емкость, в импеданс необходимо при выполнении подробного анализа цепи переменного тока. Поэтому очень важно, чтобы разработчики понимали взаимосвязь между емкостью и импедансом в цепях переменного тока.

Что такое емкость?

Ниже приведено полезное определение емкости:

Теперь, когда мы определили емкость, давайте посмотрим на роль конденсатора в цепи переменного тока.

Функция конденсатора в цепи переменного тока

Конденсаторы представляют собой пассивные электронные компоненты, обеспечивающие накопление энергии в виде электростатического поля. Конденсатор заряжается, когда переменный ток достигает своего пика в цепи переменного тока, и разряжается, когда переменный ток уменьшается. Такое поведение позволяет конденсатору действовать как временное хранилище, в котором ток опережает напряжение на 90 градусов.

Инженеры-электрики используют конденсаторы для улучшения коэффициента мощности в цепи переменного тока. Например, цепь переменного тока, питающая индуктивные нагрузки, такие как двигатель, приводит к запаздывающему току. Добавление конденсатора помогает компенсировать отстающий ток и приближает коэффициент мощности к единице. Коррекция коэффициента мощности повышает эффективность использования энергии и снижает счета за электроэнергию.

Конденсаторы в фильтрах нижних частот

В конструкции печатных плат конденсаторы часто используются в фильтрах нижних или верхних частот. Это связано с тем, что импеданс конденсатора зависит от частоты сигнала переменного тока, проходящего через него. Конденсатор обычно блокирует низкочастотные сигналы, пропуская более высокочастотные сигналы.

Фильтр низких частот RC. Источник

На приведенной выше диаграмме показан RC-фильтр нижних частот. Конденсатор зашунтирован на землю. Таким образом, высокочастотные сигналы направляются на землю. Это предотвращает попадание высокочастотного шума выше частоты среза на нагрузку.

Частота среза RC-фильтра нижних частот определяется следующим уравнением.

Вы можете лучше понять поведение фильтра по его передаточной функции с помощью следующего преобразования Лапласа.

Конденсаторы в фильтрах верхних частот

Конденсатор подключается последовательно с входным сигналом, образуя фильтр верхних частот. Судя по приведенной ниже диаграмме, конденсатор блокирует передачу постоянного тока или низкочастотных сигналов на нагрузку. Допускаются только сигналы выше частоты среза.

Фильтр верхних частот RC. Источник

Частота среза фильтра верхних частот RC следующая:

Передаточная функция RC-фильтра верхних частот определяется следующим уравнением.

Емкость конденсатора

.

Анатомия конденсатора.

Конденсатор состоит из двух проводящих пластин, разделенных изолирующим материалом, называемым диэлектриком. Емкость конденсатора прямо пропорциональна площади поверхности его пластины и обратно пропорциональна расстоянию между пластинами. Емкость также зависит от диэлектрической проницаемости вещества, разделяющего эти пластины.

Емкость выражается следующим уравнением:

Где C — емкость, q — электрический заряд, а V — дифференциальный потенциал между проводящими пластинами.

Теперь, когда мы лучше понимаем емкость, давайте взглянем на импеданс в цепи переменного тока.

Общие сведения об импедансе в цепи переменного тока

Полное сопротивление — это активное сопротивление электрической цепи или компонента переменному току, возникающее в результате комбинированного воздействия реактивного сопротивления и омического сопротивления. Другими словами, импеданс — это просто расширение принципов сопротивления в цепях переменного тока. Мы также определяем его как любое препятствие или меру противодействия электрического тока потоку энергии при подаче напряжения.

Более техническое определение – это противопоставление электрической цепи потоку переменного тока одной частоты. Таким образом, это комбинация реактивного сопротивления и сопротивления, которую мы измеряем в омах, представляя ее символом Z.

Однако реактивное сопротивление (X) выражает сопротивление компонента переменному току, тогда как полное сопротивление (Z) представляет собой сумму сопротивления реактивное сопротивление. Мы показываем его как комплексное число, используя следующую формулу:

Z = R + jX

Здесь комплексное сопротивление равно Z.

Обозначаем сопротивление как R (реальный аспект).

Мы представляем реактивное сопротивление как X (воображаемый аспект).

Имейте в виду, что реактивное сопротивление может быть как отрицательным, так и положительным, тогда как сопротивление всегда положительное. Кроме того, реактивное сопротивление накапливает энергию в магнитном или электрическом поле, а сопротивление внутри цепи рассеивает энергию в виде тепла.

Теперь, когда мы изучили импеданс в цепи переменного тока, давайте посмотрим, как рассчитать импеданс конденсатора.

Как рассчитать импеданс конденсатора

Конденсатор создает в цепи определенный уровень емкости. Функционально конденсатор обеспечивает временное хранение электрической энергии в виде электрического потенциала, при котором ток конденсатора опережает его напряжение на 90°. Формула импеданса конденсатора выглядит следующим образом:

XC – емкостное реактивное сопротивление, характеризующее, какое сопротивление будет иметь конденсатор на определенной частоте.

Приведенное выше уравнение может быть дополнительно расширено следующим образом:

Здесь полное сопротивление конденсатора равно ZC.

Угловая частота равна ω, которую мы рассчитываем как:

Мы представляем частоту сигнала как f и емкость конденсатора как C.

С точки зрения параметров конденсатора, сопротивление идеального конденсатора равно нулю. Однако реактивное сопротивление и импеданс реального конденсатора отрицательны для всех значений емкости и частоты. Эффективное сопротивление (абсолютное значение) конденсатора зависит и уменьшается с частотой.

Из приведенных выше уравнений видно, что реактивное сопротивление конденсатора обратно пропорционально емкости и частоте. Следовательно, более высокая емкость и более высокая частота приводят к более низкому реактивному сопротивлению. Это позволяет использовать конденсаторы с другими компонентами в конструкциях фильтров нижних или верхних частот и блокирует избирательные частоты.

Хотя емкость в цепи переменного тока легко различима, параметр импеданса в цепи переменного тока требует тщательного анализа цепи. Имея это в виду, получение более глубокого понимания взаимосвязи между емкостью и импедансом имеет первостепенное значение.

Правильное использование конденсаторов и уверенность в том, что их влияние на импеданс в цепи переменного тока предсказуемо и приемлемо, требует хорошего программного обеспечения для проектирования и анализа печатных плат. Если вы хотите узнать больше о том, как у Cadence есть решение для вас, поговорите с нашей командой экспертов или подпишитесь на наш канал YouTube.

Свяжитесь с нами

Решения Cadence PCB — это комплексный инструмент для проектирования от начала до конца, позволяющий быстро и эффективно создавать продукты. Cadence позволяет пользователям точно сократить циклы проектирования и передать их в производство с помощью современного отраслевого стандарта IPC-2581.

Подпишитесь на LinkedIn Посетить сайт Больше контента от Cadence PCB Solutions

Часть 3: Конденсатор — скрытая звезда электронных схем — роль № 2: Блокировка постоянного тока и прохождение переменного тока｜ Понимание типов и функций конденсаторов в пяти статьях

Часть 3: Конденсатор — скрытая звезда электронных схем — роль #2: Блокировка постоянного тока и прохождение переменного тока

• фейсбук
• твиттер
• Линкедин

Эта статья представляет собой переиздание переработанного/переписанного контента из прошлого. Он может содержать устаревшую техническую информацию и ссылки на продукты, которые в настоящее время не доступны в TDK.

В дополнение к накоплению электрических зарядов, конденсаторы обладают важной способностью блокировать постоянный ток при пропускании переменного тока и используются различными способами в электронных схемах. Большинство шумов, вызывающих сбои в работе электронных устройств, представляют собой высокочастотные компоненты переменного тока, присутствующие в токах. Конденсаторы необходимы для подавления шума.
Конденсаторы имеют конструкцию, в которой полюса разделены изолятором (воздухом или диэлектриком). Мы можем понять, что они блокируют постоянный ток, но почему они могут пропускать переменный ток?

Может ли ток течь через диэлектрик (изолятор) конденсатора?

Нетрудно понять, как конденсатор блокирует постоянный ток. Например, если вы подключите конденсатор к сухой батарее — источнику питания постоянного тока — ток будет течь на мгновение, но быстро прекратится. Как только источник питания полностью зарядит конденсатор, постоянный ток через него больше не течет. Поскольку пластины электродов конденсатора разделены изолятором (воздухом или диэлектриком), постоянный ток не может протекать, пока изоляция не разрушится. Другими словами, конденсатор блокирует постоянный ток. Почему же тогда конденсатор пропускает переменный ток?

Изменения в электрических полях эквивалентны протеканию тока

В переменном токе полярность регулярно меняется с положительной на отрицательную. Конденсаторы многократно заряжаются и разряжаются по мере того, как меняется полярность тока, позволяя протекать переменному току.

Давайте объясним это, используя основные законы электромагнетизма. Когда электрический ток течет по проводнику, линии магнитного потока генерируются по часовой стрелке в направлении тока (магнитный эффект электрического тока, открытый Гансом Эрстедом). Когда направление тока меняется на противоположное, меняется и направление линий потока.

Так что же происходит, когда вы подключаете конденсатор к источнику переменного тока? При изменении направления тока изменяется и направление электрического поля, создаваемого между электродными пластинами конденсатора. Осциллирующие электрические поля генерируют осциллирующие магнитные поля, которые считаются эквивалентными протеканию электрического тока (теории электромагнетизма Джеймса Максвелла). Поэтому допустимо считать, что переменный ток «течет» внутри диэлектрика конденсатора, хотя диэлектрик является изолятором. Так мы объясняем способность конденсаторов «проводить» переменный ток. Однако это не означает, что ток течет через диэлектрик конденсатора так же, как он течет по проводнику. Точнее, ток, протекающий через проводник, называется кондуктивным током, а ток, протекающий через изолятор, называется током смещения.

Конденсаторы легче пропускают переменный ток на более высоких частотах

Напряжение ( В ) = Сопротивление ( R ) x Ток ( I ). Это знаменитый закон Ома, который мы изучаем на уроках естествознания в школе. Закон также распространяется на переменный ток, протекающий через резистор. Конденсатор также ведет себя как резистор по отношению к переменному току — свойство, известное как емкостное реактивное сопротивление. Однако конденсатор не проводит все формы переменного тока одинаково: его емкостное сопротивление обратно пропорционально частоте переменного тока.

Емкостное реактивное сопротивление ( Xc ) выражается как 1 / (2πfC) , где f — частота переменного тока, а C — емкость конденсатора. Другими словами, чем выше частота и чем больше емкость, тем меньше сопротивление (емкостное сопротивление) переменному току и, следовательно, тем легче проходит ток.

Причина, по которой конденсаторы используются для шумоподавления

Конденсаторы, используемые для шумоподавления, лучше пропускают высокочастотные переменные токи. Поскольку шум в значительной степени представляет собой набор переменных токов на высоких частотах, компонент, который плавно передает высокие частоты, может быть использован для уменьшения шума.

Например, при включении люминесцентного светильника по радио может быть слышен шум. Для освещения люминесцентной лампы требуется высокое напряжение (называемое ударным напряжением); он создается катушкой балласта и повторяющимся размыканием и замыканием контактов стартера выключателя накаливания. Когда свет включается и стартер начинает открываться и закрываться, ток течет и быстро останавливается. К таким резким изменениям относятся токи высокой частоты, которые мешают радиоприему и вызывают слышимые шумы. Чтобы облегчить проблему, параллельно пускателю подключен конденсатор для подавления помех. Неотъемлемое свойство конденсатора направляет шумы через конденсатор, уменьшая их внешнюю утечку.

Однако существует множество различных типов шума, и конденсаторы не могут устранить их все. Особенно в цепях, которые работают с небольшими токами и низкими напряжениями, шум может вызвать неисправности или даже повреждения. Вот почему принимается сложный набор мер противодействия шуму, таких как использование шумовых фильтров в сочетании с катушками индуктивности и электромагнитным экранированием.

Разнообразные LC-фильтры состоят из катушек индуктивности и конденсаторов

В электронных схемах свойство конденсаторов более плавно пропускать высокочастотные переменные токи используется множеством способов. Наиболее простой формой является схема, которая сочетает в себе конденсатор и резистор.

В цепи, когда конденсатор подключен параллельно, а резистор последовательно, высокочастотные компоненты переменного тока текут в землю (землю). Такое поведение по сути фильтр нижних частот (ФНЧ) , отсекающий высокочастотные компоненты и пропускающий низкочастотные компоненты (см. левую часть рисунка ниже).

И наоборот, когда конденсатор соединен последовательно, а резистор параллельно, компоненты постоянного тока блокируются, в то время как высокочастотные компоненты переменного тока проходят через цепь, эффективно создавая фильтр верхних частот (ФВЧ) , который обрезает низкие частоты. частотные компоненты и пропускает более высокие частоты (см. правую часть рисунка ниже).

В реальных ФНЧ и ФВЧ катушки индуктивности (катушки) используются вместо резисторов для улучшения частотных характеристик и получения более крутых кривых отклика. Все вместе они называются LC-фильтрами, включая полосовые фильтры (BPF) , которые пропускают только определенные диапазоны частот, потому что все они сочетают в себе катушки индуктивности (обозначаются как L ) и конденсаторы ( C ).

Конденсаторы связи, байпаса и развязки

В схемах, включающих ИС, широко используются конденсаторы, позиционируемые как разделительные, обходные и развязывающие конденсаторы.

На рисунке ниже показан пример обычной аналоговой схемы, в которой ток усиливается транзистором — ток слабого сигнала (AC) накладывается на постоянное напряжение и подается на следующий каскад. Однако, поскольку отдельные блоки схемы имеют разные условия работы, необходимо пропускать только сигнальный ток, блокируя постоянный ток, поэтому используется конденсатор. Это использование называется конденсатором связи.

Шунтирующий конденсатор используется для направления (шунтирования) помех и других компонентов переменного тока на землю. На схеме ниже он расположен между питанием и землей. Он обходит помехи, наложенные на источник питания постоянного тока, и подает стабильное напряжение на транзистор. Если напряжение, подаваемое на микросхему, колеблется, поведение схемы может стать нестабильным. Чтобы предотвратить это, между выводом питания микросхемы и землей помещается конденсатор (см. рисунок ниже). Это также пример обходного конденсатора. Его также называют развязывающим конденсатором, поскольку он отделяет переменный ток от постоянного, позволяя проходить только постоянному току.