Puhtaan kondensaattorin piiri
Piiri, joka koostuu vain puhtaasta kondensaattorista kapasitanssilla C (mitattuna faradeissa), on nimeltään Puhtaan kondensaattorin piiri. Kondensaattorit säilövät sähköenergiaa sähkökentässä, mikä tunnetaan kapasitanssina (tai "kondensaattorina"). Rakenteeltaan kondensaattori koostuu kahdesta johtavasta levystä, jotka erottaa dielektrinen medium - yleisiä dielektriikkoja ovat lasi, paperi, mika ja oksidikerros. Ideaalissa vaihtovirtapiirissä virta johtaa jännitteestä 90 asteen vaihekulmassa.
Kun jännite otetaan kondensaattorin päälle, muodostuu sähkökenttä sen levyläisten välille, mutta ei virtaa kulje dielektriikan läpi. Vaihtuvan jännitelähteen kanssa jatkuva virta tapahtuu kondensaattorin syklisistä lataus- ja purkuprosesseista.
Puhtaan kondensaattorin piirin selitys ja johdanto
Kondensaattori koostuu kahdesta eristetystä levystä, jotka erottaa dielektrinen medium, toimien sähkövarauksen varastointilaiteena. Se latautuu, kun se kytketään virranlähteeseen, ja purkautuu, kun se irrotetaan. Kun se kytketään jatkuvavirtalähdeeseen, se latautuu jännitteeseen, joka on sama kuin sovellettu potentiaali, osoittaen sitä passiiviseksi sähkökomponentiksi, joka vastustaa jännitteen muutoksia.
Olkoon vaihtovirtajännite, joka annetaan piiriin, annettu yhtälöllä:
Kondensaattorin varaus hetkellä t on annettu yhtälöllä:
Piirin läpi kulkeva virta on annettu yhtälöllä:
Sijoittamalla q:n arvo yhtälöstä (2) yhtälöön (3) saamme
Nyt, sijoittamalla v:n arvo yhtälöstä (1) yhtälöön (3) saamme
Missä Xc = 1/ωC merkitsee vastusta vaihtovirtavirtaukselle puhtaassa kondensaattorissa, jota kutsutaan kapasitiiviseksi reaktanssiksi. Virta saavuttaa suurimman arvonsa, kun sin(ωt + π/2) = 1. Näin ollen, suurin virta Im ilmaistaan seuraavasti:
Sijoittamalla Im:n arvo yhtälöön (4) saamme:
Fasaoridiagrammi ja teho-kaavio
Puhtaan kondensaattorin piirissä kondensaattorin läpi kulkeva virta johtaa jännitteestä 90 asteen vaihekulmassa. Fasaoridiagrammi ja aaltomuodot jännitteelle, virtalle ja teholle on kuvattu alla:
Yllä olevassa aaltomuodossa punainen käyrä edustaa virtaa, sininen käyrä edustaa jännitettä, ja vaaleanpunainen käyrä edustaa tehoa. Kun jännite kasvaa, kondensaattori latautuu maksimiarvoonsa, muodostaen positiivisen puolikauden; kun jännite vähenee, kondensaattori purkautuu, luoden negatiivisen puolikauden. Käyrän tarkempaa tarkastelua paljastaa, että kun jännite saavuttaa huipunsa, virta nollaantuu, eli silloin ei virtaa kulje. Kun jännite vähenee π:n arvoon ja muuttuu negatiiviseksi, virta saavuttaa huipunsa, aiheuttaen kondensaattorin purkautumisen – ja tämä lataus-purkautumiskierros jatkuu.
Jännite ja virta eivät koskaan saavuta maksimiarvoaan samanaikaisesti 90 asteen vaihe-erojensa vuoksi, kuten fasaoridiagrammissa näkyy, missä virta (Im) johtaa jännitettä (Vm) π/2:lla. Tämän puhtaan kondensaattorin piirin hetkellinen teho on määritelty p = vi.
Tästä yhtälöstä voidaan päätellä, että keskimääräinen teho kapasitiivisessa piirissä on nolla. Keskimääräinen teho puolikaudella on nolla aaltomuodon symmetrian vuoksi, jossa positiiviset ja negatiiviset silmukoiden alueet ovat samat.
Ensimmäisellä neljännekkipuolikaudella lähdeteen toimittama teho tallennetaan kondensaattorilevyläisten välillä muodostuneeseen sähkökenttään. Seuraavalla neljännekkipuolikaudella, kun sähkökenttä heikkenee, tallennettu energia palautetaan lähdelle. Tämä energian tallennus- ja palautusprosessi tapahtuu jatkuvasti, joten kondensaattoripiiri ei kuluta nettoenergiaa.
