Kondensaattorit vs. vastukset

kondensaattorit eivät käyttäydy samalla tavalla kuin vastukset. Siinä missä vastukset mahdollistavat elektronien virtauksen niiden läpi suoraan verrannollisena jännitteen pudotukseen, kondensaattorit vastustavat jännitteen muutoksia vetämällä tai syöttämällä virtaa, kun ne latautuvat tai purkautuvat uudelle jännitetasolle.

elektronien virtaus kondensaattorin ”läpi” on suoraan verrannollinen jännitteen muuttumisnopeuteen kondensaattorin poikki. Tämä jännitemuutoksen vastustus on toinen reaktanssin muoto, mutta täysin päinvastainen kuin induktorien esittämä.

Kondensaattoripiirin ominaisuudet

matemaattisesti ilmaistuna virran ”kautta” kondensaattorin ja jännitteen muuttumisnopeuden suhde kondensaattorin poikki on sellaisenaan:

lauseke de / dt on yksi calculuksesta, eli hetkellisen jännitteen (e) muuttumisnopeus ajan mittaan voltteina sekunnissa. Kapasitanssi (C) on Faradeissa ja hetkellinen virta (i) tietenkin ampeereissa.

joskus havaitaan hetkellisen jännitteen muutoksen nopeus ajan mittaan ilmaistuna Dv/dt: nä de / dt: n sijasta: käytetään pienempää kirjainta ”v” sen sijaan tai ”e” edustamaan jännitettä, mutta se tarkoittaa täsmälleen samaa asiaa. Osoittaaksemme, mitä vaihtovirralla tapahtuu, analysoidaan yksinkertainen kondensaattoripiiri:

puhdas kapasitiivinen piiri: kondensaattorin jännite laahaa kondensaattorivirtaa 90°

Jos piirtäisimme virran ja jännitteen tälle hyvin yksinkertaiselle piirille, se näyttäisi jotakuinkin tältä:

puhtaat kapasitiiviset piiriaaltomuodot.

muista, että kondensaattorin läpi kulkeva virta on reaktio sen läpi kulkevan jännitteen muutosta vastaan.

näin ollen hetkellinen virta on nolla aina, kun hetkellinen jännite on huipussa (nollamuutos eli tasokulma jännitteen siniaallossa), ja hetkellinen virta on huipussa aina, kun hetkellinen jännite on suurimmillaan muutoksessa (jänniteaallon jyrkimmän kaltevuuden kohdat, joissa se ylittää nollalinjan).

tämä johtaa jänniteaaltoon, joka on -90° pois vaiheesta nykyisen aallon kanssa. Kun tarkastellaan kuvaajaa, nykyinen aalto näyttää olevan” etumatka ”jänniteaaltoon; virta ”johtaa” jännitettä ja jännite ”laahaa” virran perässä.

jännite laahaa virtaa 90° puhtaassa kapasitiivisessa piirissä.

kuten arvata saattoi, sama epätavallinen teho-aalto, jonka näimme yksinkertaisen Kelan piirin kanssa, on läsnä myös yksinkertaisessa kondensaattoripiirissä:

puhtaassa kapasitiivisessa piirissä hetkellinen teho voi olla positiivinen tai negatiivinen.

kuten yksinkertaisessa induktoripiirissä, jännitteen ja virran välinen 90 asteen vaihesiirto johtaa tehoaaltoon, joka vuorottelee tasaisesti positiivisen ja negatiivisen välillä. Tämä tarkoittaa, että kondensaattori ei haihduta virtaa, koska se reagoi jännitteen muutoksiin; se vain absorboi ja vapauttaa virtaa vuorotellen.

kondensaattorin reaktanssi

kondensaattorin jännite-muutosvastarinta tarkoittaa yleisesti vaihtojännitteen vastustusta, joka määritelmän mukaan muuttuu aina hetkellisessä suuruudessa ja suunnassa.

mille tahansa tietyn suuruiselle VAIHTOVIRTAJÄNNITTEELLE tietyllä taajuudella tietyn kokoinen kondensaattori ”johtaa” tietyn suuruista vaihtovirtaa.

aivan kuten vastuksen läpi kulkeva virta on vastuksen poikki kulkevan jännitteen ja vastuksen tarjoaman vastuksen funktio, kondensaattorin läpi kulkeva VAIHTOVIRTAVIRTA on sen poikki kulkevan VAIHTOVIRTAJÄNNITTEEN ja kondensaattorin tarjoaman reaktanssin funktio.

kuten induktoreilla, kondensaattorin reaktanssi ilmaistaan ohmeina ja sitä symboloidaan kirjaimella X (tai tarkemmin XC).

koska kondensaattorit ”johtavat” virran suhteessa jännitteen muuttumisnopeuteen, ne siirtävät enemmän virtaa nopeammin muuttuville jännitteille (koska ne lataavat ja purkautuvat samoihin jännitepiikkeihin lyhyemmässä ajassa) ja vähemmän virtaa hitaammin muuttuville jännitteille.

tämä tarkoittaa, että minkä tahansa kondensaattorin reaktanssi ohmeina on kääntäen verrannollinen vaihtovirran taajuuteen.

100 uF kondensaattorin reaktanssi:

huomaa, että kapasitiivisen reaktanssin suhde taajuuteen on täysin päinvastainen induktiivisen reaktanssin.

kapasitiivinen reaktanssi (ohmeina) vähenee VAIHTOVIRTATAAJUUDEN kasvaessa. Vastaavasti induktiivinen reaktanssi (ohmeina) kasvaa AC-taajuuden kasvaessa. Induktorit vastustavat nopeampia muuttuvia virtoja tuottamalla suurempia jännitepisaroita; kondensaattorit vastustavat nopeampia muuttuvia jännitepisaroita sallimalla suurempia virtoja.

kuten induktoreilla, reaktanssiyhtälön 2NF-termi voidaan korvata pienellä kreikkalaisella kirjaimella Omega (ω), jota kutsutaan VAIHTOVIRTAPIIRIN kulmanopeudeksi. Näin yhtälö XC = 1/(2nfc) voitaisiin kirjoittaa myös muodossa XC = 1 / (wC), jossa ω on laskettu radiaaniyksikköinä sekunnissa.

vaihtovirta yksinkertaisessa kapasitiivisessa piirissä on yhtä suuri kuin jännite (voltteina) jaettuna kapasitiivisella reaktanssilla (ohmeina), samoin kuin joko vaihto-tai tasavirta yksinkertaisessa resistiivisessä piirissä on yhtä suuri kuin jännite (voltteina) jaettuna vastuksella (ohmeina). Seuraava piiri havainnollistaa tätä matemaattista suhdetta esimerkillä:

kapasitiivinen reaktanssi.

on kuitenkin pidettävä mielessä, että jännite ja virta eivät ole tässä vaiheessa. Kuten aiemmin osoitettiin, virran vaihesiirto on + 90° jännitteen suhteen. Jos esitämme nämä jännitteen ja virran vaihekulmat matemaattisesti, voimme laskea kondensaattorin reaktiivisen vastuksen vaihekulman virralle.

jännite laahaa virtaa 90° kondensaattorissa.

matemaattisesti sanomme, että kondensaattorin vastavirran vaihekulma on -90°, eli kondensaattorin vastavoima virralle on negatiivinen imaginaarisuure. (KS. kuva yllä.) Tämä virran reaktiivisen vastuksen vaihekulma tulee kriittisen tärkeäksi piirianalyysissä, erityisesti monimutkaisissa VAIHTOVIRTAPIIREISSÄ, joissa reaktanssi ja resistanssi vuorovaikuttavat.

osoittautuu hyödylliseksi esittää minkä tahansa komponentin vastusta nykyiselle kompleksiluvuilla, eikä vain skalaarisia vastuksen ja reaktanssin suureita.

arvostelu:

• kapasitiivinen reaktanssi on vastakohta, jonka kondensaattori tarjoaa vaihtovirralle sen vaihesiirtyneen varastoinnin ja energian vapautumisen vuoksi sähkökentässään. Reaktanssia symboloi isolla kirjaimella ” X ” ja se mitataan ohmeina aivan kuten resistanssi (R).
• kapasitiivinen reaktanssi voidaan laskea tällä kaavalla: XC = 1/(2nfc)
• kapasitiivinen reaktanssi pienenee taajuuden kasvaessa. Toisin sanoen, Mitä korkeampi taajuus, sitä vähemmän se vastustaa (sitä enemmän se ”johtaa”) AC-virtaa.

asiaan liittyvät työkirjat:

• kondensaattoreiden laskentataulukko