اتصال خازن به منبع DC متغیر
قبل از وارد شدن به بحث فرکانس و راکتانس خازن در جریان متناوب باید با رفتار خازن بیشتر آشنا شد. به منظور مشاهده وضعیت جریان و ولتاژ خازن در یک مدار متغیر به این مثال توجه کنید. در تصویر زیر مدار DC به همراه یک خازن و منبع ولتاژ قابل تنظیم آورده شده است. منبع ولتاژ E در این مثال قابلیت تنظیم از صفر تا حداکثر را دارد. سمت چپ منحنی تغییرات جریان و ولتاژ خازن در این مدار را مشاهده میکنید. خط ممتد در نمودار معرف تغییرات ولتاژ و خط چین معرف تغییرات جریان خازن نسبت به زمان است. تعریف هر یک از زمان های T0 تا T5 در ادامه آورده شده است:
مدار DC با ولتاژ متغییر و منحنی رفتار خازن
تصویر 1 مدار DC با ولتاژ متغیر و منحنی رفتار خازن
در لحظه T0 تا T1 کلید باز بوده و ولتاژ و جریان خازن صفر هستند. در لحظه T1 کلید بسته شده و ولتاژ منبع تغذیه به صورت خطی از صفر شروع به افزایش میکند. در لحظه T1 ولتاژ روی خازن صفر بوده و دشارژ کامل است. همیشه باید به این نکته توجه کنید که در لحظهی اتصال خازن به منبع تغذیه، ولتاژ صفر و جریان حداکثر است.
ولتاژ صفر در بازه T1 اجازه عبور جریان حداکثر (خط چین) را میدهد. با افزایش ولتاژ منبع تغذیه، الکترونها به تدریج نظم گرفته و صفحه B خازن را ترک میکنند. نظم گرفتن الکترونها به معنی ایجاد ولتاژ Ec است. ولتاژ Ec همان شارژ خازن بوده که با منبع تغذیه مخالفت میکند. با افزایش ولتاژ در بازههای T1 تا T2 خازن شارژ شده و جریان آن کاهش پیدا میکند. با ثابت شدن ولتاژ، خازن به همان مقدار شارژ شده و جریان آن صفر میشود. همانطور که مشاهده میکنید در بازههای T2 تا T3 ولتاژ تغییری نداشته و هیچ جریانی از مدار عبور نمیکند.
رفتار خازن هنگام دشارژ نیز به همین شکل است. در بازه T3 تا T5 ولتاژ خازن به صورت خطی کاهش داده میشود. بازه زمانی T3 تا T5 دو برابر T1 تا T2 است. همانطور که مشاهده میکنید در این روند میزان از دست رفتن ولتاژ و زمان دشارژ خازن دو برابر شارژ است. با این کار میتوان جریان کمتری از خازن در بازه زمانی بزرگتری دریافت کرد.
در لحظه اتصال خازن دشارژ به منبع تغذیه، ولتاژ آن صفر و جریان حداکثر است. این پدیده باعث دریافت جریانهای بسیار سنگین در خازنهای بزرگ میشود.
تغییرات ولتاژ باعث ایجاد جریان در مدار خازن خواهد شد.
ثابت بودن ولتاژ باعث شارژ خازن و صفر شدن جریان میگردد.
درلحظه شارژ، خازن از مدار جریان دریافت میکند. در لحظه دشارژ، خازن به مدار جریان تحویل میدهد.
اتصال خازن به منبع متناوب
ولتاژ در یک منبع متناوب به صورت منظم تغییر میکند. تغییرات ولتاژ این منبع باعث تغییرات جریان در خازن خواهد شد. به منظور درک بهتر این پروسه به تصویر زیر توجه کنید. در این تصویر یک مدار متناوب متشکل از منبع ولتاژ سینوسی، کلید و خازن را مشاهده میکنید. این مدار باعث به وجود آمدن منحنی بعدی خواهد شد. تغییرات این منحنی در بازههای زمانی T0 تا T8 در ادامه شرح داده شده است.
اتصال خازن به منبع متناوب
تصویر 2 اتصال خازن به منبع متناوب
تصویر 3 منحنی تغییرات ولتاژ و جریان خازن در مدار متناوب
در لحظه T0 ولتاژ خازن صفر بوده و به منبع سینوسی متصل میشود. با اتصال خازن به منبع تغذیه، حداکثر جریان از مدار دریافت خواهد شد. در این مثال جریان Ic در لحظهی اتصال دارای مقدار حداکثر مثبت و معادل 4 آمپر است.
در بازه T0 تا T1 خازن شارژ شده و ولتاژ Ec به حداکثر مثبت میرسد. این پروسه در 90 درجه رخ میدهد. با افزایش ولتاژ، میزان جریان کاهش پیدا کرده و صفر میشود.
در بازه T1 تا T2 ولتاژ منبع سینوسی کاهش پیدا کرده و به صفر میرسد. در این بازهی زمانی خازن شروع به دشارژ کرده و جریان آن به حداکثر منفی خواهد رسید. خازن در لحظه دشارژ تمام انرژی خود را به منبع بر میگرداند. با صفر شدن ولتاژ منبع، جریان دشارژ در حداکثر خود خواهد بود.
شکل موج ولتاژ منبع در بازه T2 تا T3 به صورت منفی افزایش پیدا میکند. در این حالت خازن مجدد شارژ شده و جریان آن به تدریج صفر خواهد شد. این پروسه نیز شارژ خازن محسوب شده ولی پلاریتهی آن نسبت به بخش قبلی تغییر کرده است. به عبارت دیگر خازن در جهت مخالف شارژ میگردد.
در بازه T3 تا T4 مجدد ولتاژ منبع کاهش پیدا کرده و خازن شروع به دشارژ میکند. در نقطه T4 ولتاژ منبع صفر شده و جریان دشارژ خازن در حداکثر خود قرار میگیرد. در بازه های بعد از T4 این پروسه تکرار شده و خازن شارژ و دشارژ میشود.