Bagaimana arus dan tegangan keluar dari fase dalam rangkaian kapasitif?

Kami mengatakan bahwa dalam rangkaian kapasitif tegangan dan arus di luar fase. Saat ini 90 (derajat) dari tegangan. Apa penjelasan fisik untuk efek ini? Bagaimana arus dapat mengalir melalui rangkaian kapasitif, ketika tegangan nol yaitu ketika tegangan memiliki sudut fase 0 dan arus memiliki sudut fase 90?

Jika Anda ingin mendapatkan pemahaman intuitif tentang bagaimana ini bisa benar, mari kita pertimbangkan induktor dulu, karena ini membuat analogi fisik yang lebih baik. Dalam sirkuit AC dengan beban induktif, tegangan mengarah arus 90 derajat. Ini kebalikan dari beban kapasitif.

Mengapa? Nah, induktor seperti roda gila yang memberikan inersia terhadap arus. Nama yang tepat untuk tegangan adalah gaya gerak listrik. Artinya, itu adalah kekuatan yang menyebabkan listrik bergerak. Ketika listrik bergerak, kita menyebutnya arus.

Bayangkan roda gila. Inersia sudut (ukuran dan berat) roda gila adalah nilai induktor. Tegangan adalah gaya yang Anda terapkan pada roda gila. Arus adalah kecepatan roda gila berputar. Sekarang, katakan Anda menerapkan gaya pada roda gila ini. Itu tidak mulai berputar secara instan. Sebaliknya, kekuatan yang Anda terapkan mempercepatnya. Sekarang, Anda menerapkan kekuatan ke arah lain. Itu tidak segera berbalik arah. Pertama harus lambat, dan akhirnya akan berbalik ke arah lain. Tetapi pada saat itu telah melakukan ini, Anda telah bergerak dan telah mengubah arah kekuatan Anda lagi.

Jika gaya yang Anda gunakan adalah sinusoidal, dan tidak ada gesekan (resistensi) dalam pemintalan roda gila, maka kecepatan roda gila akan 90 derajat keluar dari fase dengan gaya yang diterapkan padanya.

Sekarang, kembangkan model mental kapasitor yang baik , dan pertimbangkan hal yang sama. Seharusnya lebih masuk akal, hanya dengan arus dan tegangan terbalik, atau fase bergeser ke arah lain.

Rumus untuk arus melalui kapasitor adalah:

I = C * (dV / dt)

D kecil berarti perubahan kecil, yang dikenal sebagai delta (δ)
Ini berarti semakin cepat perubahan tegangan, semakin tinggi arus melalui kapasitor. Kapasitor bertindak sebagai pembeda.
Sekarang jika kita menghubungkan tegangan gelombang sinus melintasi kapasitor, perhitungan arus adalah turunan dari tegangan ini.

Dari kalkulus, kita tahu bahwa turunan dari dosa (ωt) adalah ω cos (ωt):

Jika kita memplot nilai-nilai ini:

Anda dapat melihat bahwa ketika tegangan berubah paling cepat (pada zero crossing), arus maksimum, dan ketika tegangan tidak berubah (pada puncak gelombang sinus) arusnya nol. Kita dapat melihat pergeseran fasa 90 ° dengan jelas.
Ini juga menjelaskan mengapa kapasitor memblokir DC tetapi melewati AC.

Pikirkan tangki air tempat Anda memompa air masuk atau keluar sehingga tingkat tangki mengikuti sinus dari waktu ke waktu. Sekarang pikirkan tentang bagaimana aliran air ke dalam tangki seperti fungsi waktu. Ketika level tangki berada di kedua puncak, itu tidak berubah sehingga tidak ada arus ke tangki. Ketika level tangki berada di tengah (level level sinus adalah 0) adalah ketika air maksimum sedang dipompa masuk atau keluar, tergantung pada apakah level tangki sedang naik atau turun.

Jika Anda memikirkan hal ini lebih lanjut, Anda menyadari bahwa arus yang dipompa masuk berbanding lurus dengan seberapa cepat level tangki naik. Dalam istilah matematika, arus adalah turunan dari level. Seharusnya tidak sulit untuk melihat sekarang bahwa arus juga sinus dan memimpin level tangki dengan 90 °.

Kapasitor adalah hal yang hampir sama, kecuali sekarang level tangki adalah tegangan dan arus air sekarang adalah arus listrik.

Ditambahkan dalam menanggapi komentar:

Ya, saya tahu ini bukan analogi yang bagus tentang cara kerja kapasitor. Membran fleksibel adalah analogi yang lebih baik untuk itu. Tapi, pertanyaannya bukan tentang apa kapasitor tetapi mengapa tegangan dan arus 90 ° keluar dari fase satu sama lain. Saya pikir analogi tangki membuatnya lebih mudah untuk memvisualisasikan itu.

Dalam sebuah induktor, tegangan mengarah arus, karena dalam induktor, ada hambatan pada aliran arus. Anda bisa menyebutnya inersia, tetapi pada dasarnya itu adalah medan elektromagnetik yang dihasilkan oleh induktor saat berenergi. Medan ini memberikan "momentum" saat ini karena ketika tegangan suplai berubah, medan magnet yang telah terbentuk itu sendiri akan berusaha mempertahankan aliran arus yang sama, memperlambat "waktu respons" dari arus. Bidang ini juga menolak penyalaan awal, karena "inersia" yang sama. Bayangkan seorang pria dengan bola baja dirantai ke kakinya - dia adalah voltase dan bola itu adalah arus yang diseret bersamanya. Begitu dia bisa membuat bola bergulir, itu tidak mau berhenti.

Kapasitor di sisi lain bekerja dengan memuat satu sisi media dielektrik dengan elektron. Kali ini kita bisa membayangkan orang yang sama hanya membajak salju dengan sekop salju. Salju (arus) mengarah pada 90 derajat keluar dari fase karena tegangan yang diberikan berbanding lurus dengan berapa banyak elektron berlebih (arus) ditumpuk di satu sisi kapasitor. Ketika sekop salju sudah penuh, ada titik di mana kita tidak bisa mendorong lagi - tegangan antara kapasitor dan suplai adalah nol, namun pengukuran di terminal tutup akan sama dengan tegangan suplai. Elektron yang mengalir adalah katalis yang mengubah tegangan saat melewati kapasitor, dengan demikian fase pengarah arus.

Gagasan pergeseran fase dapat dipahami dan dijelaskan secara intuitif melalui analogi air. Bayangkan Anda mengisi (secara sinusoidal) sebuah kapal dengan air dan Anda menggambarkan secara grafis proses ini (pilih setengah dari ketinggian air maksimum sebagai level nol - tanah).

Analogi. Jadi, Anda pertama-tama membuka dan kemudian menutup (secara sinusoidal) faucet pasokan. Tetapi perhatikan tidak masalah Anda menutup keran (di bagian kedua proses) tingkat air terus naik ... aneh bahwa Anda menutup keran tetapi air masih terus naik ... Akhirnya, keran benar-benar tertutup (nol arus), tetapi level air (voltase) maksimum.

Sekarang, pada titik ini, Anda harus mengubah arah aliran (arus) untuk membuat level air berkurang. Untuk tujuan ini, Anda membuka (dan kemudian menutup) faucet lain di bagian bawah untuk menarik air (sekarang Anda menarik arus dari kapasitor). Tetapi sekali lagi, tidak masalah Anda menutup keran, tingkat air terus turun ... dan aneh lagi bahwa Anda menutup keran tetapi air masih terus jatuh. Akhirnya, Anda telah benar-benar menutup faucet (arus nol), tetapi level air akan menjadi negatif maksimum (tegangan negatif maksimum).

Jadi, ide dasar di balik semua jenis elemen yang menyimpan jumlah seperti tekanan (air, udara, pasir, uang, data ...) bernama integrator adalah:

Tanda dari quantitty seperti tekanan keluaran hanya dapat diubah dengan mengubah arah kuantitas seperti aliran input (arus, aliran air, aliran udara, dll.); itu tidak dapat diubah dengan mengubah besaran kuantitas seperti aliran.

Kapasitor Sekarang mari kita jelaskan fenomena ini sepenuhnya elektrik. Bayangkan kita menggerakkan kapasitor oleh sumber arus sinusoidal ("sumber arus" berarti bahwa ia menghasilkan dan melewati arus sinusoidal terlepas dari semua). Tidak peduli apa tegangan (drop) kapasitor adalah - nol (kapasitor kosong), positif (kapasitor bermuatan) atau bahkan negatif (kapasitor bermuatan terbalik), sumber arus kami akan melewati arus yang diinginkan dengan arah yang diinginkan melalui kapasitor. Tegangan kapasitor tidak menghalangi arus (itu menghambat tetapi sumber arus mengkompensasinya).

Jadi, sampai arus input positif (bayangkan gelombang setengah sinus positif) memasuki kapasitor dan tegangannya terus meningkat terlepas dari besarnya arus (hanya laju perubahan yang bervariasi) ... Bayangkan ... arus dengan cepat meningkat -> melambat -> menurun dengan cepat ... dan akhirnya menjadi nol. Pada saat ini ada tegangan maksimum (jatuh) di kapasitor.

Jadi, pada tegangan maksimum melintasi kapasitor, tidak ada arus melewatinya ... Sekarang arus berubah arah dan mulai meningkat dengan cepat lagi -> melambat -> dengan cepat menurun ... dan menjadi nol lagi ... dan lagi dan lagi dan lagi ...

Jadi, dalam pengaturan ini, pergeseran fasa adalah konstan dan tepat 90 derajat karena sumber arus input ideal yang mengkompensasi entah bagaimana penurunan tegangan (kerugian) di kapasitor.

Sirkuit RC. Sekarang mari kita pertimbangkan sirkuit RC di mana-mana. Pertama, mari kita bangun. Karena tidak benar menggerakkan kapasitor secara langsung oleh sumber tegangan, kita harus menggerakkannya dengan sumber arus. Untuk tujuan ini, mari sambungkan resistor antara sumber tegangan dan kapasitor untuk mengubah tegangan input menjadi arus; jadi, resistor bertindak di sini sebagai konverter tegangan-ke-arus .

Bayangkan bagaimana tegangan input VIN berubah secara sinusoidal. Pada awalnya, tegangan meningkat dengan cepat dan arus I = (VIN - VC) / R mengalir dari sumber input melalui resistor dan memasuki kapasitor; tegangan keluaran mulai meningkat malas. Setelah beberapa waktu, tegangan input mendekati puncak sinus dan kemudian mulai berkurang. Tetapi sampai tegangan input lebih tinggi dari tegangan melintasi kapasitor, arus terus mengalir ke arah yang sama. Seperti di atas, aneh bahwa tegangan input menurun tetapi tegangan kapasitor terus meningkat. Secara kiasan, kedua tegangan bergerak saling melawan dan akhirnya bertemu. Saat ini, kedua voltase menjadi sama; saat ini nol dan tegangan kapasitor maksimum. Tegangan input terus menurun dan menjadi kurang dari tegangan kapasitor.

Sangat menarik bahwa kapasitor bertindak sebagai sumber tegangan yang "mendorong" arus ke sumber tegangan input yang bertindak sebagai beban. Sebelum sumber adalah sumber dan kapasitor adalah beban; sekarang, sumbernya adalah beban dan kapasitor adalah sumber ...

Jadi, momen di mana dua tegangan menjadi sama dan arus berubah arah adalah momen dari tegangan output maksimum. Catatan itu tergantung pada tingkat perubahan (frekuensi) dari tegangan input: semakin tinggi frekuensinya, semakin rendah tegangan maksimum melintasi kapasitor adalah ... saat ini juga saat ... semakin besar pergeseran fasa antara dua tegangan adalah ... Pada frekuensi maksimum, tegangan melintasi kapasitor tidak dapat bergerak dari tanah dan saat perubahan arah arus adalah ketika tegangan input melintasi nol (situasinya mirip dengan pengaturan arus yang dipasok oleh arus). kapasitor).

Kesimpulannya adalah bahwa, dalam pengaturan ini, pergeseran fasa bervariasi dari nol hingga 90 derajat ketika frekuensinya bervariasi dari nol hingga tak terhingga karena sumber arus input tidak sempurna yang tidak dapat mengkompensasi penurunan (kehilangan) tegangan di kapasitor.

Penjelasan ini didasarkan pada diskusi Wikipedia lama .

Dalam sirkuit induktif, ggl belakang yang dihasilkan pada awalnya sangat tinggi karena kumparan dihilangkan energi dan perubahan tegangan yang diterapkan di atasnya adalah maks. Ggl kembali ini menentang aliran saat ini awalnya. Setelah tegangan diterapkan di Induktor menjadi nol, fluks magnet yang dihasilkan sebelum menginduksi arus yang disebut arus residual yang tetap bahkan setelah telah mencapai nol. Karenanya sirkuit Induktif menghasilkan lag.

Saya tidak memiliki penjelasan yang tepat untuk memimpin saat ini dalam rangkaian kapasitif ini telah membantu saya mengingat konsep utama: Ketika tegangan diterapkan pada kapasitor meningkat dalam satu arah, ia mengisi dan ketika menurun, itu akan habis. Pada dasarnya ia menyimpan muatan ketika tegangan meningkat. Tetapi ketika kapasitansi tercapai, itu tidak akan menarik arus apa pun bahkan jika tegangan meningkat. Demikian pula saat pemakaian, kapasitor akan dilepaskan sebelum tegangan mencapai nol maka tidak dapat memasok arus lagi. Karenanya rangkaian kapasitif mengarah.

4) Pada awalnya, kita harus tahu bahwa tegangan yang dihasilkan dari mesin yang berputar adalah tipe Sinusoidal, yaitu setiap siklus memiliki 4 kuartal. Kuartal pertama - naik turun, kuartal kedua - naik turun, kuartal ketiga - naik turun, dan kuartal keempat - mundur naik turun. Dalam kapasitor, selama kuadran AC 1 (drooping-rise), pengisian daya terjadi dan ggl kembali menumpuk dari 0 ke sumber-tegangan dengan pengisian bertahap dari muatan. Berikut 2 hal yang perlu diperhatikan: Pertama: Karena tegangan AC adalah tipe sinusoidal, kenaikan marginalnya adalah tipe drooping (diwakili oleh fungsi Cos). Sebagai contoh, pola tegangan sesaat pada interval waktu yang kontinyu akan mengatakan v1 = 20, v2 = 35, v3 = 48, v4 = 58, v5 = 66 dan seterusnya. Kedua: Dalam proses pengisian terus menerus, sedangkan sumbernya adalah beberapa tegangan katakanlah v3, kapasitor mencapai tegangan sumber sebelumnya (katakanlah v2) pada saat itu juga. Ketika arus sesaat terjadi karena perbedaan tegangan sesaat (vs –vc) pada saat kapan saja; jadi, dengan kemajuan waktu, perbedaan tegangan terkulai, arus sesaat menjadi berkurang. Pada saat maksimum sumber-tegangan, perbedaan marginal hampir nol; maka arus sesaat adalah nol. Kapasitor menjadi jenuh. (Catatan: karena resistansi sangat kecil, periode pertumbuhan diabaikan karena konstanta waktu τ = RC yaitu tegangan kapasitor mencapai tegangan sumber hampir secara instan. Namun, sementara vs = vmax Sin ωt, vc = vmax Sin (ωt - τ )) Back-emf ini dianggap sebagai resistansi setara yang mirip dengan rangkaian resistif, disebut sebagai reaktansi. Reaksi sesaat (xc) adalah parameter berbasis waktu, bervariasi dari 0 hingga tak terbatas tidak seperti hambatan yang konstan. Untuk kesederhanaan, reaktansi rata-rata (Xc) digunakan dalam aplikasi umum dan diukur dengan Vmax pada akhir pengisian dibagi dengan Imax pada awal pengisian (tidak masuk akal!). Saya sudah menjelaskan proses pengisian. Demikian pula, proses pemakaian, pengisian balik, pengeluaran-balik dapat divisualisasikan. Ini analog dengan pengisian tangki hidrolik. pemakaian terbalik dapat divisualisasikan. Ini analog dengan pengisian tangki hidrolik. pemakaian terbalik dapat divisualisasikan. Ini analog dengan pengisian tangki hidrolik.