ตัวเก็บประจุไฟฟ้ากระแสสลับ

มาประกอบวงจรด้วย ตัวเก็บประจุโดยที่เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับสร้างแรงดันไซน์ ลองวิเคราะห์ตามลำดับว่าจะเกิดอะไรขึ้นในวงจรเมื่อเราปิดสวิตช์ เราจะพิจารณาช่วงเวลาเริ่มต้นเมื่อแรงดันของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเท่ากับศูนย์

ในช่วงไตรมาสแรกของช่วงเวลา แรงดันไฟฟ้าทั่วขั้วของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้น โดยเริ่มจากศูนย์ และตัวเก็บประจุจะเริ่มทำการชาร์จ กระแสจะปรากฏในวงจรอย่างไรก็ตามในช่วงเวลาแรกของการชาร์จตัวเก็บประจุแม้ว่าแรงดันไฟฟ้าบนจานเพิ่งปรากฏขึ้นและยังมีขนาดเล็กมาก กระแสในวงจร (กระแสชาร์จ) จะใหญ่ที่สุด . เมื่อประจุของตัวเก็บประจุเพิ่มขึ้น กระแสในวงจรจะลดลงและถึงศูนย์ในขณะที่ประจุประจุเต็ม ในกรณีนี้แรงดันไฟฟ้าบนแผ่นของตัวเก็บประจุโดยเคร่งครัดต่อแรงดันไฟฟ้าของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจะกลายเป็นค่าสูงสุดในขณะนี้ แต่มีเครื่องหมายตรงกันข้ามนั่นคือจะถูกส่งตรงไปยังแรงดันไฟฟ้าของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า

ข้าว. 1. การเปลี่ยนแปลงของกระแสและแรงดันในวงจรที่มีความจุ

ด้วยวิธีนี้กระแสจะพุ่งเข้าสู่ตัวเก็บประจุด้วยแรงสูงสุดฟรี แต่จะเริ่มลดลงทันทีเมื่อแผ่นของตัวเก็บประจุเต็มไปด้วยประจุและตกลงไปที่ศูนย์โดยชาร์จจนเต็ม

ให้เราเปรียบเทียบปรากฏการณ์นี้กับสิ่งที่เกิดขึ้นกับการไหลของน้ำในท่อที่เชื่อมต่อภาชนะสื่อสารสองใบ (รูปที่ 2) ซึ่งใบหนึ่งเต็มและอีกใบว่างเปล่า มีเพียงการกดวาล์วที่ขวางทางน้ำเท่านั้น เนื่องจากน้ำจะไหลจากถังด้านซ้ายทันทีภายใต้แรงดันมหาศาลผ่านท่อเข้าสู่ถังด้านขวาที่ว่างเปล่า อย่างไรก็ตาม ในทันที แรงดันน้ำในท่อจะค่อยๆ ลดลงเนื่องจากการปรับระดับในภาชนะให้เท่ากันและจะลดลงเหลือศูนย์ น้ำจะหยุดไหล

ข้าว. 2. การเปลี่ยนแปลงของแรงดันน้ำในท่อที่เชื่อมต่อกับเรือสื่อสารนั้นคล้ายกับการเปลี่ยนแปลงของกระแสในวงจรระหว่างการชาร์จตัวเก็บประจุ

ในทำนองเดียวกัน กระแสจะพุ่งเข้าสู่ตัวเก็บประจุที่ไม่มีประจุก่อน จากนั้นจึงค่อยๆ อ่อนลงเมื่อประจุไฟฟ้าเข้า

เมื่อช่วงไตรมาสที่สองเริ่มต้นขึ้น เมื่อแรงดันไฟฟ้าของเครื่องกำเนิดเริ่มทำงานอย่างช้า ๆ แล้วลดลงอย่างรวดเร็วมากขึ้นเรื่อย ๆ ตัวเก็บประจุที่มีประจุไฟฟ้าจะคายประจุไปยังเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าคายประจุในวงจร เมื่อแรงดันของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าลดลง ตัวเก็บประจุจะคายประจุมากขึ้นเรื่อย ๆ และกระแสไฟในวงจรจะเพิ่มขึ้น ทิศทางของกระแสไฟที่ไหลออกในไตรมาสนี้ตรงข้ามกับทิศทางของกระแสประจุในไตรมาสที่ 1 ของงวด ดังนั้น เส้นโค้งปัจจุบันที่ผ่านค่าศูนย์จะอยู่ด้านล่างแกนเวลา

เมื่อสิ้นสุดครึ่งวงจรแรก แรงดันเจเนอเรเตอร์และแรงดันของตัวเก็บประจุจะเข้าใกล้ศูนย์อย่างรวดเร็ว และกระแสของวงจรจะค่อยๆ ถึงค่าสูงสุด เนื่องจากค่าของกระแสในวงจรมีค่ามากกว่า ค่าของประจุที่บรรจุในวงจรก็จะยิ่งชัดเจนมากขึ้นเท่านั้น จึงจะชัดเจนว่าทำไมกระแสถึงสูงสุดเมื่อแรงดันไฟฟ้าบนแผ่นของตัวเก็บประจุและดังนั้นจึงเป็นประจุ ตัวเก็บประจุลดลงอย่างรวดเร็ว

เมื่อต้นไตรมาสที่สามของช่วงเวลาตัวเก็บประจุเริ่มชาร์จอีกครั้ง แต่ขั้วของแผ่นเช่นเดียวกับขั้วของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเปลี่ยนไป "และในทางกลับกันและกระแสยังคงไหลเหมือนเดิม ทิศทางเริ่มลดลงเมื่อประจุตัวเก็บประจุ ณ สิ้นไตรมาสที่สามของช่วงเวลาเมื่อแรงดันไฟฟ้าของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและตัวเก็บประจุถึงค่าสูงสุดกระแสไฟจะอยู่ที่ศูนย์

ในช่วงไตรมาสสุดท้ายของงวด แรงดัน ลดลง ตกถึงศูนย์ และกระแส เปลี่ยนทิศทางในวงจร ถึงค่าสูงสุด ที่นี่ช่วงเวลาจะสิ้นสุดลง หลังจากนั้นช่วงเวลาถัดไปจะเริ่มขึ้น ซ้ำกับช่วงก่อนหน้าและต่อไปเรื่อยๆ

ดังนั้นภายใต้การกระทำของแรงดันไฟฟ้าสลับของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ตัวเก็บประจุจะถูกชาร์จสองครั้งในช่วงเวลา (ไตรมาสที่หนึ่งและสามของช่วงเวลา) และคายประจุสองครั้ง (ในไตรมาสที่สองและสี่ของช่วงเวลา) แต่เนื่องจากพวกเขาสลับกันไปทีละคน ค่าตัวเก็บประจุและการคายประจุ มาพร้อมกับการผ่านของกระแสการชาร์จและการคายประจุผ่านวงจรในแต่ละครั้ง จากนั้นเราสามารถสรุปได้ว่า กระแสสลับ.

คุณสามารถตรวจสอบได้ในการทดลองง่ายๆ ต่อไปนี้ เชื่อมต่อตัวเก็บประจุ 4-6 ไมโครฟารัดเข้ากับแหล่งจ่ายไฟหลักผ่านหลอดไฟ 25 Wไฟจะสว่างขึ้นและจะไม่ดับจนกว่าวงจรจะขาด นี่แสดงให้เห็นว่ากระแสสลับได้ผ่านวงจรด้วยความจุ แน่นอนว่ามันไม่ได้ผ่านอิเล็กทริกของตัวเก็บประจุ แต่ในขณะใดเวลาหนึ่งแสดงถึงกระแสประจุหรือกระแสประจุของตัวเก็บประจุ

ดังที่เราทราบ ไดอิเล็กตริกจะถูกโพลาไรซ์ภายใต้การกระทำของสนามไฟฟ้าที่เกิดขึ้นเมื่อตัวเก็บประจุถูกประจุ และโพลาไรซ์ของมันจะหายไปเมื่อตัวเก็บประจุถูกคายประจุ

ในกรณีนี้ไดอิเล็กตริกที่มีกระแสการกระจัดเกิดขึ้นทำหน้าที่สำหรับกระแสสลับเป็นความต่อเนื่องของวงจรและสำหรับค่าคงที่จะทำให้วงจรแตก แต่กระแสการกระจัดจะเกิดขึ้นภายในไดอิเล็กตริกของตัวเก็บประจุเท่านั้น ดังนั้นจึงไม่เกิดการถ่ายโอนประจุไปตามวงจร

ความต้านทานของตัวเก็บประจุไฟฟ้ากระแสสลับขึ้นอยู่กับค่าความจุของตัวเก็บประจุและความถี่ของกระแสไฟฟ้า

ยิ่งความจุของตัวเก็บประจุมากเท่าไหร่ ประจุไฟฟ้าในวงจรก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้นในระหว่างการชาร์จและการคายประจุของตัวเก็บประจุ และดังนั้น กระแสในวงจรก็จะยิ่งมากขึ้นตามไปด้วย การเพิ่มขึ้นของกระแสในวงจรแสดงว่าความต้านทานลดลง

ดังนั้นเมื่อความจุเพิ่มขึ้น ความต้านทานของวงจรต่อกระแสสลับจึงลดลง

มันกำลังเติบโต ความถี่ปัจจุบัน เพิ่มปริมาณประจุไฟฟ้าในวงจร เนื่องจากประจุ (เช่นเดียวกับการคายประจุ) ของตัวเก็บประจุจะต้องเกิดขึ้นเร็วกว่าที่ความถี่ต่ำ ในเวลาเดียวกัน การเพิ่มขึ้นของปริมาณประจุที่ถ่ายโอนต่อหน่วยเวลาจะเทียบเท่ากับการเพิ่มขึ้นของกระแสในวงจร และทำให้ความต้านทานลดลง

หากเราค่อยๆ ลดความถี่ของกระแสสลับและลดกระแสเป็นกระแสตรง ความต้านทานของตัวเก็บประจุที่รวมอยู่ในวงจรจะค่อยๆ เพิ่มขึ้นและมีขนาดใหญ่อย่างไม่มีที่สิ้นสุด (ทำลายวงจร) จนกว่าจะปรากฏใน วงจรกระแสคงที่.

ดังนั้นเมื่อความถี่เพิ่มขึ้น ความต้านทานของตัวเก็บประจุต่อกระแสสลับจะลดลง

เช่นเดียวกับที่ความต้านทานของขดลวดต่อกระแสสลับเรียกว่าอุปนัย ความต้านทานของตัวเก็บประจุเรียกว่าคาปาซิทีฟ

ดังนั้นความต้านทานของตัวเก็บประจุจะยิ่งมากขึ้น ความจุของวงจรและความถี่ของกระแสที่ป้อนก็จะยิ่งลดลง

ความต้านทานของตัวเก็บประจุแสดงเป็น Xc และวัดเป็นโอห์ม

การพึ่งพาความต้านทาน capacitive กับความถี่ของกระแสและความจุของวงจรถูกกำหนดโดยสูตร Xc = 1 /ωC โดยที่ ω คือความถี่วงกลมเท่ากับผลคูณของ 2πe, C คือความจุของวงจรใน ไกล

ความต้านทานของตัวเก็บประจุเช่นความต้านทานแบบอุปนัยมีลักษณะปฏิกิริยาเนื่องจากตัวเก็บประจุไม่ใช้พลังงานจากแหล่งกระแส

สูตร กฎของโอห์ม สำหรับวงจร capacitive จะมีรูปแบบ I = U / Xc โดยที่ I และ U คือค่าปัจจุบันและแรงดันที่มีประสิทธิภาพ Xc คือความต้านทานตัวเก็บประจุของวงจร

คุณสมบัติของตัวเก็บประจุเพื่อให้ความต้านทานสูงต่อกระแสความถี่ต่ำและเพื่อให้กระแสความถี่สูงผ่านได้ง่ายถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในวงจรอุปกรณ์สื่อสาร

ด้วยความช่วยเหลือของตัวเก็บประจุตัวอย่างเช่นการแยกกระแสคงที่และกระแสความถี่ต่ำออกจากกระแสความถี่สูงซึ่งจำเป็นสำหรับการทำงานของวงจร

หากจำเป็นต้องปิดกั้นเส้นทางของกระแสความถี่ต่ำในส่วนความถี่สูงของวงจรให้เชื่อมต่อตัวเก็บประจุขนาดเล็กเป็นอนุกรม มีความต้านทานที่ดีเยี่ยมต่อกระแสความถี่ต่ำ และในขณะเดียวกันก็ผ่านกระแสความถี่สูงได้อย่างง่ายดาย

หากจำเป็นต้องป้องกันกระแสความถี่สูงเช่นในวงจรไฟฟ้าของสถานีวิทยุก็จะใช้ตัวเก็บประจุที่มีความจุสูงซึ่งต่อขนานกับแหล่งกระแส ในกรณีนี้กระแสความถี่สูงจะผ่านตัวเก็บประจุโดยผ่านวงจรแหล่งจ่ายไฟของสถานีวิทยุ

ความต้านทานที่ใช้งานอยู่และตัวเก็บประจุในวงจรไฟฟ้ากระแสสลับ

ในทางปฏิบัติ มักพบกรณีต่างๆ เมื่ออยู่ในวงจรอนุกรมที่มีความจุ รวมความต้านทานที่ใช้งานอยู่ ความต้านทานรวมของวงจรในกรณีนี้ถูกกำหนดโดยสูตร

ดังนั้น ความต้านทานรวมของวงจรที่ประกอบด้วยความต้านทานไฟฟ้ากระแสสลับแบบแอกทีฟและแบบคาปาซิทีฟจะเท่ากับรากที่สองของผลรวมของกำลังสองของความต้านทานแบบแอกทีฟและคาปาซิทีฟของวงจรนี้

กฎของโอห์มยังคงใช้ได้กับวงจร I = U / Z นี้เช่นกัน

ในรูป 3 แสดงเส้นโค้งที่แสดงความสัมพันธ์ของเฟสระหว่างกระแสและแรงดันในวงจรที่มีความต้านทานแบบคาปาซิทีฟและแอคทีฟ

ข้าว. 3. กระแส แรงดัน และกำลังไฟฟ้าในวงจรที่มีตัวเก็บประจุและตัวต้านทานแบบแอคทีฟ

ดังที่เห็นได้จากรูป กระแสในกรณีนี้เพิ่มแรงดันไฟฟ้าไม่เกินหนึ่งในสี่ของช่วงเวลา แต่น้อยลง เนื่องจากความต้านทานแบบแอคทีฟละเมิดธรรมชาติของวงจรแบบ capacitive (ปฏิกิริยา) ล้วนๆ ดังที่เห็นได้จากเฟสที่ลดลง กะ. ตอนนี้แรงดันไฟฟ้าที่ขั้วของวงจรถูกกำหนดเป็นผลรวมของสององค์ประกอบ: ส่วนประกอบปฏิกิริยาของแรงดันไฟฟ้า tive จะเอาชนะความต้านทานแบบ capacitive ของวงจรและส่วนประกอบที่ใช้งานของแรงดันไฟฟ้า เอาชนะความต้านทานที่ใช้งานอยู่

ยิ่งความต้านทานของวงจรมีค่ามากเท่าใด การเปลี่ยนเฟสระหว่างกระแสและแรงดันก็จะยิ่งน้อยลงเท่านั้น

เส้นโค้งของการเปลี่ยนแปลงพลังงานในวงจร (ดูรูปที่ 3) สองครั้งในช่วงเวลานั้นได้รับเครื่องหมายลบซึ่งอย่างที่เราทราบกันดีอยู่แล้วว่าเป็นผลมาจากลักษณะปฏิกิริยาของวงจร ยิ่งวงจรเกิดปฏิกิริยาน้อย เฟสก็จะยิ่งเปลี่ยนระหว่างกระแสและแรงดันน้อยลง และวงจรก็จะใช้พลังงานจากแหล่งกระแสไฟฟ้ามากขึ้น

อ่านเพิ่มเติม: เรโซแนนซ์ของแรงดันไฟฟ้า