kapasitor AC

Mari merakit sirkuit dengan kapasitor, di mana alternator menghasilkan tegangan sinusoidal. Mari kita analisis secara berurutan apa yang akan terjadi di sirkuit saat kita menutup sakelar. Kami akan mempertimbangkan momen awal ketika tegangan generator sama dengan nol.

Selama kuartal pertama periode tersebut, tegangan melintasi terminal generator akan meningkat, mulai dari nol, dan kapasitor akan mulai mengisi daya. Arus akan muncul di sirkuit, namun, pada saat pertama pengisian kapasitor, meskipun tegangan pada pelatnya baru saja muncul dan masih sangat kecil, arus di sirkuit (arus pengisian) akan menjadi yang terbesar. . Saat muatan kapasitor meningkat, arus dalam rangkaian berkurang dan mencapai nol pada saat kapasitor terisi penuh. Dalam hal ini, tegangan pada pelat kapasitor, secara ketat mengikuti tegangan generator, menjadi maksimum saat ini, tetapi dengan tanda yang berlawanan, yaitu diarahkan ke tegangan generator.

Beras. 1. Perubahan arus dan tegangan pada rangkaian dengan kapasitansi

Dengan cara ini, arus mengalir dengan kekuatan terbesar ke dalam kapasitor secara gratis, tetapi segera mulai berkurang ketika pelat kapasitor diisi dengan muatan dan jatuh ke nol, mengisi penuh.

Mari kita bandingkan fenomena ini dengan apa yang terjadi pada aliran air dalam pipa yang menghubungkan dua bejana penghubung (Gbr. 2), yang satu penuh dan yang lainnya kosong. Seseorang hanya perlu menekan katup yang menghalangi jalur air, karena air segera mengalir dari bejana kiri di bawah tekanan besar melalui pipa ke bejana kanan yang kosong. Namun, segera, tekanan air di dalam pipa secara bertahap akan mulai melemah karena pemerataan level di bejana dan akan turun menjadi nol. Aliran air akan terhenti.

Beras. 2. Perubahan tekanan air pada pipa yang menghubungkan bejana komunikasi serupa dengan perubahan arus pada rangkaian selama pengisian kapasitor

Demikian pula, arus pertama mengalir ke kapasitor yang tidak bermuatan dan kemudian secara bertahap melemah saat mengisi daya.

Kuartal kedua dari periode dimulai, ketika tegangan generator mula-mula mulai perlahan dan kemudian menurun semakin cepat, kapasitor yang terisi daya akan melepaskan ke generator, menyebabkan arus pelepasan di sirkuit. Ketika tegangan generator berkurang, kapasitor melepaskan lebih banyak dan arus pelepasan di sirkuit meningkat. Arah arus luahan pada triwulan periode ini berlawanan dengan arah arus muatan pada triwulan pertama periode tersebut. Dengan demikian, kurva arus yang telah melewati nilai nol kini berada di bawah sumbu waktu.

Pada akhir setengah siklus pertama, tegangan generator, serta tegangan kapasitor, dengan cepat mendekati nol dan arus rangkaian secara perlahan mencapai nilai maksimumnya. Mengingat nilai arus dalam rangkaian lebih besar, semakin besar nilai muatan yang dibawa dalam rangkaian, akan menjadi jelas mengapa arus mencapai maksimum ketika tegangan pada pelat kapasitor, dan oleh karena itu muatan pada kapasitor, menurun dengan cepat.

Dengan dimulainya kuartal ketiga periode, kapasitor mulai mengisi daya lagi, tetapi polaritas pelatnya, serta polaritas generator, berubah "dan sebaliknya, dan arus, terus mengalir ke arah yang sama. arah, mulai berkurang ketika kapasitor mengisi akhir kuartal ketiga periode, ketika tegangan generator dan kapasitor mencapai maksimumnya, arus menjadi nol.

Selama kuartal terakhir periode, tegangan, menurun, jatuh ke nol, dan arus, setelah mengubah arahnya di sirkuit, mencapai nilai maksimumnya. Di sini periode berakhir, setelah yang berikutnya dimulai, persis mengulangi yang sebelumnya, dan seterusnya.

Jadi, di bawah aksi tegangan bolak-balik generator, kapasitor diisi dua kali selama periode (kuartal pertama dan ketiga periode) dan dilepaskan dua kali (kuartal kedua dan keempat periode). Tapi karena mereka bergantian satu per satu pengisian dan pengosongan kapasitor disertai setiap kali dengan lewatnya arus pengisian dan pengosongan melalui rangkaian, maka kita dapat menyimpulkannya arus bolak-balik.

Anda dapat memeriksanya dalam percobaan sederhana berikut. Hubungkan kapasitor 4-6 mikrofarad ke sumber listrik melalui bola lampu 25 W.Lampu akan menyala dan tidak akan padam sampai sirkuit putus. Ini menunjukkan bahwa arus bolak-balik telah melewati rangkaian dengan kapasitansi. Tentu saja, itu tidak melewati dielektrik kapasitor, tetapi setiap saat mewakili arus muatan atau arus pelepasan kapasitor.

Seperti yang kita ketahui, dielektrik terpolarisasi di bawah aksi medan listrik yang muncul di dalamnya ketika kapasitor diisi, dan polarisasinya menghilang ketika kapasitor dilepaskan.

Dalam hal ini, dielektrik dengan arus perpindahan yang muncul di dalamnya berfungsi untuk arus bolak-balik sebagai semacam kelanjutan dari rangkaian, dan untuk konstanta itu memutus rangkaian. Tetapi arus perpindahan hanya terbentuk di dalam dielektrik kapasitor, dan oleh karena itu transfer muatan di sepanjang rangkaian tidak terjadi.

Resistansi yang ditawarkan oleh kapasitor AC tergantung pada nilai kapasitansi kapasitor dan frekuensi arus.

Semakin besar kapasitas kapasitor, semakin besar muatan di sirkuit selama pengisian dan pengosongan kapasitor dan, karenanya, semakin besar arus di sirkuit. Peningkatan arus dalam rangkaian menunjukkan bahwa resistansinya telah menurun.

Oleh karena itu, dengan meningkatnya kapasitansi, resistansi rangkaian terhadap arus bolak-balik berkurang.

Itu tumbuh frekuensi saat ini meningkatkan jumlah muatan yang dibawa dalam rangkaian karena muatan (serta pelepasan) kapasitor harus terjadi lebih cepat daripada frekuensi rendah. Pada saat yang sama, peningkatan jumlah muatan yang ditransfer per satuan waktu setara dengan peningkatan arus dalam rangkaian dan, oleh karena itu, penurunan resistansi.

Jika kita entah bagaimana secara bertahap mengurangi frekuensi arus bolak-balik dan mengurangi arus menjadi arus searah, maka resistansi kapasitor yang termasuk dalam rangkaian secara bertahap akan meningkat dan menjadi sangat besar (putus rangkaian) hingga muncul di rangkaian arus konstan.

Oleh karena itu, dengan meningkatnya frekuensi, resistansi kapasitor terhadap arus bolak-balik berkurang.

Sama seperti resistansi kumparan terhadap arus bolak-balik disebut induktif, resistansi kapasitor disebut kapasitif.

Oleh karena itu, semakin besar resistansi kapasitif, semakin rendah kapasitas rangkaian dan frekuensi arus yang mengalirkannya.

Resistansi kapasitif dilambangkan sebagai Xc dan diukur dalam ohm.

Ketergantungan resistansi kapasitif pada frekuensi arus dan kapasitas rangkaian ditentukan oleh rumus Xc = 1 /ωC, di mana ω adalah frekuensi melingkar yang sama dengan hasil kali 2πe, C adalah kapasitas rangkaian dalam farad.

Resistansi kapasitif, seperti resistansi induktif, bersifat reaktif, karena kapasitor tidak mengkonsumsi energi dari sumber arus.

rumus Hukum Ohm untuk sirkuit kapasitif memiliki bentuk I = U / Xc, di mana I dan U — nilai efektif arus dan tegangan; Xc adalah resistansi kapasitif rangkaian.

Properti kapasitor untuk memberikan resistansi tinggi terhadap arus frekuensi rendah dan dengan mudah melewatkan arus frekuensi tinggi banyak digunakan dalam rangkaian peralatan komunikasi.

Dengan bantuan kapasitor, misalnya, pemisahan arus konstan dan arus frekuensi rendah dari arus frekuensi tinggi, yang diperlukan untuk pengoperasian sirkuit, tercapai.

Jika perlu untuk memblokir jalur arus frekuensi rendah di bagian frekuensi tinggi dari rangkaian, sebuah kapasitor kecil dihubungkan secara seri. Ini menawarkan ketahanan yang besar terhadap arus frekuensi rendah dan pada saat yang sama dengan mudah melewati arus frekuensi tinggi.

Jika perlu untuk mencegah arus frekuensi tinggi, misalnya pada rangkaian daya stasiun radio, maka kapasitor berkapasitas besar digunakan, dihubungkan secara paralel dengan sumber arus. Dalam hal ini, arus frekuensi tinggi melewati kapasitor, melewati rangkaian catu daya stasiun radio.

Resistensi aktif dan kapasitor di sirkuit AC

Dalam prakteknya, kasus sering diamati ketika dalam rangkaian seri dengan kapasitansi resistensi aktif disertakan. Resistansi total rangkaian dalam hal ini ditentukan oleh rumus

Oleh karena itu, resistansi total rangkaian yang terdiri dari resistansi AC aktif dan kapasitif sama dengan akar kuadrat dari jumlah kuadrat resistansi aktif dan kapasitif rangkaian ini.

Hukum Ohm tetap berlaku untuk sirkuit I = U / Z ini juga.

Dalam gambar. 3 menunjukkan kurva yang mencirikan hubungan fase antara arus dan tegangan dalam rangkaian yang mengandung resistansi kapasitif dan aktif.

Beras. 3. Arus, tegangan, dan daya dalam rangkaian dengan kapasitor dan resistansi aktif

Seperti dapat dilihat dari gambar, arus dalam hal ini meningkatkan tegangan bukan seperempat periode, tetapi lebih sedikit, karena resistansi aktif melanggar sifat kapasitif murni (reaktif) dari rangkaian, sebagaimana dibuktikan dengan penurunan fase. menggeser. Sekarang tegangan pada terminal rangkaian didefinisikan sebagai jumlah dari dua komponen: komponen reaktif dari tegangan tive, akan mengatasi resistansi kapasitif dari rangkaian dan komponen aktif dari tegangan, mengatasi resistansi aktifnya.

Semakin besar resistansi aktif rangkaian, semakin kecil pergeseran fasa antara arus dan tegangan.

Kurva perubahan daya dalam rangkaian (lihat Gambar 3) dua kali selama periode tersebut memperoleh tanda negatif, yang, seperti yang telah kita ketahui, merupakan konsekuensi dari sifat reaktif rangkaian. Semakin kurang reaktif rangkaian, semakin kecil pergeseran fasa antara arus dan tegangan, dan semakin banyak daya sumber arus yang dikonsumsi rangkaian.

Baca juga: Resonansi tegangan