Curentul alternativ are cea mai largă întrebuinţare, pentru că poate fi produs, transportat şi utilizat în cele mai bune condiţii economice. La baza producerii tensiunii electrice alternative stă fenomenul inducţiei electromagnetice. Rotirea uniformă a unui câmp magnetic într-o bobină fixă, permite obţinerea unei t.e.m. Într-un circuit AC, prezenţa unui condensator aduce fenomenul de capacitate AC, care are efecte fundamentale asupra tensiunii şi curentului: condensatorul se încarcă şi se descarcă periodic determinând apariţia unor defazaje între cele două mărimi electrice.
Structura şi comportarea condensatorului
Condensatorul constă, în principiu, din două plăci de metal sau plăci conductoare foarte apropiate, separate printr-un strat izolator numit dielectric. Între armăturile unui condensator este un strat izolator numit dielectric, ce nu permite trecerea curentului electric prin el. Condensatorii stochează energie pe plăcile conductive sub forma unei sarcini electrice.
Atunci când un condensator este conectat la o tensiune de alimentare DC, se încarcă până la valoarea tensiunii aplicate cu o rată determinată de constanta sa de timp. Un condensator va menține sau memora această sarcină pe o perioadă nedeterminată atâta timp cât este prezentă tensiunea de alimentare. În timpul acestui proces de încărcare, un curent de încărcare, i, curge prin condensator, opus oricărei modificări a tensiunii, la o rată egală cu rata de schimbare a sarcinii electrice pe plăci. De aceea, un condensator are o opoziție față de curentul care curge prin plăcile sale.
Relația dintre acest curent de încărcare și rata de schimbare a tensiunii de alimentare a condensatoarelor poate fi definită matematic ca: i = C (dv/dt), unde C este valoarea capacității condensatorului în farazi și dv/dt este rata de schimbare a tensiunii de alimentare în funcție de timp. Odată ce este "complet încărcat", condensatorul blochează fluxul de electroni pe plăcile sale, deoarece acestea s-au saturat și condensatorul acționează acum ca un dispozitiv de stocare temporară.
Condensatorul în circuite AC: încărcare și descărcare periodică
Un condensator pur va menține această sarcină pe termen nelimitat pe plăcile sale, chiar dacă tensiunea de alimentare DC este îndepărtată. Cu toate acestea, într-un circuit de tensiune sinusoidală care conține "capacitate AC", condensatorul se va încărca și descărca alternativ la o rată determinată de frecvența alimentării. Astfel, condensatoarele în circuitele AC sunt încărcate și descărcate în mod constant.
Când se aplică o tensiune sinusoidală alternativă pe plăcile unui condensator AC, condensatorul este încărcat mai întâi într-o direcție și apoi în direcția opusă, schimbând polaritatea la aceeași viteză ca tensiunea AC de alimentare. Această modificare instantanee a tensiunii la bornele condensatorului este opusă prin faptul că este nevoie de o anumită perioadă de timp pentru a depune (sau elibera) această sarcină pe plăci și este dată de V = Q/C.
Considerând un circuit alimentat sinusoidal, când comutatorul este închis, un curent înalt va începe să curgă prin condensator, deoarece nu există nicio sarcină pe plăci la t = 0. Tensiunea de alimentare sinusoidală V crește în direcție pozitivă la viteza maximă pe măsură ce traversează axa de referință zero la un moment de timp dat ca 0°. Deoarece rata de schimbare a diferenței de potențial dintre plăci este acum la valoarea maximă, fluxul de curent în condensator va fi, de asemenea, la viteza maximă.
Pe măsură ce tensiunea de alimentare sinusoidală atinge punctul său de 90° pe forma de undă, începe să coboare lent și pentru o scurtă perioadă de timp, diferența de potențial între plăci nu crește și nici nu scade, prin urmare, curentul scade la zero, deoarece nu există o rată de schimbare a tensiunii. La acest punct diferența de potențial pe condensator este la maxim (Vmax), curentul nu circulă deoarece condensatorul este complet încărcat. În timpul primei jumătăți de ciclu, de la 0° la 180°, tensiunea aplicată atinge valoarea sa maximă pozitivă după ce curentul atinge valoarea sa maximă pozitivă, cu alte cuvinte, o tensiune aplicată la un circuit pur capacitiv este defazată în urma (lags) curentului cu un sfert de ciclu sau 90°.
În timpul celei de-a doua jumătăți de ciclu, 180° la 360°, tensiunea de alimentare inversează direcția și se îndreaptă către valoarea maximă negativă la 270°. În acest moment, diferența de potențial între plăci nu scade sau crește, iar curentul scade la zero. Diferența de potențial pe condensator este la valoarea maximă negativă, nu intră curent în condensator și devine complet încărcat la fel ca la 90°, dar în direcția opusă. Deoarece tensiunea de alimentare negativă începe să crească într-o direcție pozitivă spre punctul de 360° al liniei de referință zero, condensatorul complet încărcat trebuie să piardă acum unii dintre electronii în exces pentru a menține o tensiune constantă și începe să se descarce până ce tensiunea de alimentare atinge zero la 360°, la care procesul de încărcare și descărcare începe din nou.
Din formele de undă și descrierea de mai sus, putem vedea cum curentul conduce întotdeauna tensiunea cu 1/4 dintr-un ciclu, sau π/2 = 90° defazaj cu diferența de potențial pe condensator. Apoi, relația de fază dintre tensiune și curent într-un circuit de capacitate AC este exact opusă celei a unei inductanţe AC. Această relație este ușor de reținut prin expresia "ICE": I (curentul) înaintea C (capacității) și E (tensiunii), adică curentul conduce tensiunea într-un condensator pur.
Reactanța capacitivă: opoziția la curent în AC
Așadar, acum știm că condensatoarele se opun schimbărilor de tensiune cu fluxul de electroni pe plăcile condensatorului fiind direct proporțional cu rata de schimbare a tensiunii pe plăcile sale când condensatorul se încarcă și descarcă. Spre deosebire de un rezistor, unde opoziția la fluxul de curent este rezistența sa reală, opoziția față de fluxul de curent într-un condensator se numește reactanță. Ca rezistență, reactanța este măsurată în Ohm, dar este dată cu simbolul X pentru a o distinge de o valoare R pur rezistivă, și deoarece componenta în cauză este un condensator, reactanța unui condensator se numește reactanță capacitivă (XC), care este măsurată în Ohmi.
Deoarece încărcarea și descărcarea condensatoarelor sunt proporționale cu rata de schimbare a tensiunii pe ele, cu cât se schimbă mai rapid tensiunea, cu atât va curge mai mult curent. Aceasta înseamnă că reactanța unui condensator AC este invers proporțională cu frecvența alimentării, potrivit formulei:
| Formulă | Descriere |
|---|---|
| XC = 1 / (2πƒC) | Reactanța capacitivă în Ohmi, ƒ frecvența în Hertz, C în Farazi |
| XC = 1 / (ωC) | În termeni de radiani, ω = 2πƒ |
Din formula de mai sus putem vedea că valoarea reactanței capacitive și, prin urmare, impedanța totală scade spre zero când frecvența crește, acționând ca un scurt-circuit. De asemenea, pe măsură ce frecvența se apropie de zero sau DC, reactanța condensatoarelor crește până la infinit, acționând ca un circuit deschis, motiv pentru care condensatoarele blochează DC. Relația dintre reactanța capacitivă și frecvența este exact opusă celei a reactanței inductive (XL).
Curentul și defazajul într-un circuit pur capacitiv
Într-un circuit AC care conține capacitate pură, curentul (fluxul de electroni) care curge prin condensator este dat de relația între tensiune și reactanță, astfel: IC = V / XC, iar unghiul de fază θ = +90°, ceea ce indică că pentru un circuit pur capacitiv Ic conduce Vc cu 90°, sau Vc este în urma Ic cu 90°. În domeniul fazorial, tensiunea pe plăcile unui condensator AC poate fi exprimată prin forma polară XC ∠ -90°.
Impedanța unei capacități în combinație cu rezistența (cazul real)
Am văzut mai sus cum curentul care curge printr-o capacitate AC pură conduce tensiunea cu 90°. Dar, în lumea reală, este imposibil să avem o capacitate AC pură, deoarece toate condensatoarele vor avea o anumită cantitate de rezistență internă pe plăcile lor, dând naștere unui curent de scurgere. Atunci, putem considera condensatorul nostru ca fiind unul care are o rezistență R în serie cu o capacitate C, producând ceea ce poate fi numit în mod lejer un "condensator impur".
În cazul în care condensatorul are o rezistență "internă", impedanța totală a condensatorului trebuie reprezentată ca o rezistență în serie cu o capacitate. Într-un circuit AC care conține capacitate C și rezistență R, fazorul de tensiune V pe combinație va fi egal cu suma fazorilor celor două tensiuni componente, VR și VC. Aceasta înseamnă că curentul care curge prin condensator va conduce în continuare tensiunea, dar cu o valoare mai mică de 90°, în funcție de valorile lui R și C, dându-ne o sumă de fazori cu unghiul de fază corespunzător dintre ele dat de simbolul φ.
În circuitul serie RC curentul este comun pentru rezistență și capacitate, în timp ce tensiunea este formată din două componente, VR și VC. Vectorii de tensiune și curent pentru o rezistență pură și o capacitate pură sunt defazați cu 90° şi pot fi adunați vectorial pentru a obţine tensiunea rezultantă. Deoarece VR = I·R și VC = I·XC, tensiunea aplicată va fi suma vectorială a celor două. Impedanța Z, cu unităţi în Ω, reprezintă opoziţia totală la curent şi combină partea reală (R) cu partea reactivă (XC).
| Parametru | Expresie |
|---|---|
| Impedanță Z (modul) | Z = sqrt(R² + XC²) |
| Unghi de fază θ | θ = - arctan(XC / R) (negativ în cazul caracterului predominant capacitiv) |
O impedanță pur rezistivă va avea un unghi de fază de 0°, în timp ce o impedanță pur capacitivă va avea un unghi de fază de -90°. Atunci când rezistoarele și condensatoarele sunt conectate împreună, impedanța totală va avea un unghi de fază între 0° și -90° în funcţie de valorile componentelor utilizate.
Exemple şi efecte practice
Indiferent de tipul curentului electric care le parcurge (continuu sau alternativ) rezistenţele electrice ascultă doar de legea lui Ohm. În cazul capacităţilor şi inductanţelor lucrurile nu mai sunt la fel de simple deoarece ori de câte ori tensiunea electrică se modifică, acestea introduc defazaje între tensiune şi curent. În cuprinsul de mai sus se observă cuvântul defazaj. Curentul electric alternativ are o comportare ciclică şi din acest motiv, pentru a simplifica înţelegerea fenomenelor care ţin de el, s-a introdus o convenţie care spune că durata unui ciclu poate fi transpusă pe circumferinţa unui cerc.
În cazul unei inductanţe, defazajul dintre tensiune şi curent este de +90° (tensiunea apare înaintea curentului). Spre deosebire de inductanţă, care tinde să menţină un curent constant prin ea, capacitatea tinde să-şi menţină constantă tensiunea la borne. Urmărind forma de undă a condensatorului se observă că atunci când începem să creştem tensiunea pe condensator acesta consumă un curent foarte mare, care se reduce la 0 abia când tensiunea nu mai creşte. Aşadar, în cazul unei capacităţi, defazajul dintre tensiune şi curent este de -90° (tensiunea apare mai târziu decât curentul). În condensator curentul maxim apare cu 90° înaintea tensiunii care l-a creat.
Punând cap la cap defazajele dintre bobine şi condensatoare, rezultă că într-un circuit de curent alternativ care conţine bobine şi condensatori, curentul maxim prin bobină va fi defazat cu 180° faţă de curentul maxim prin condensator. Aceasta înseamnă că valoarea maximă pozitivă a curentului prin bobină va apărea exact în momentul în care curentul prin condensator atinge valoarea negativă minimă - adică sunt mereu contrari. Cu alte cuvinte, prezenţa în acelaşi circuit a unui condensator şi a unei bobine face ca efectele prezenţei lor să se bată cap în cap. Circuitul serie RLC este format din elemente bipolare de circuit parcurse de același curent, iar în funcție de valorile XL și XC ansamblul poate avea caracter inductiv, capacitiv sau să fie în rezonanță.
Introducere în fazori, impedanță și circuite de curent alternativ
Aplicații practice
- La frecvențe înalte condensatorul oferă o reactanță foarte mică, comportându-se aproape ca un scurt-circuit pentru semnale AC, util în decuplare sau filtrare.
- La frecvențe joase sau DC, reactanța crește mult, condensatorul acționând ca un circuit deschis, util pentru blocarea componentelor DC în circuite AC.
- În circuite de corecție a factorului de putere, condensatoarele compensează efectele inductive ale sarcinilor, reducând defazajul total între tensiune și curent.
- În filtre și circuite rezonante, interacțiunea dintre XL și XC determină frecvența de rezonanță, unde pot apărea minime sau maxime ale impedanței și curentului.
La rezonanţa de curent, dacă IL = IC (ca valori numerice), circuitul se numeşte cu rezonanţă de curent. Rezonanţa de curent se poate obţine pe aceleaşi căi ca la circuitul serie. La rezonanţa de curent, valoarea efectivă I a curentului total din circuit este minimă (egală cu IR), ceea ce înseamnă că impedanţa echivalentă este maximă (egală cu R pentru cazul cu elemente ideale).
tags: #impedanta #de #sarcina #are #caracter #capacitiv