Ένας πυκνωτής είναι ένα από τα πιο χρησιμοποιημένα ηλεκτρονικά εξαρτήματα. Έχει τη δυνατότητα να αποθηκεύει ενέργεια μέσα σε αυτό, με τη μορφή ηλεκτρικού φορτίου που παράγει μια στατική τάση (διαφορά δυναμικού) στις πλάκες του. Απλώς, ένας πυκνωτής είναι παρόμοιος με μια μικρή επαναφορτιζόμενη μπαταρία. Ένας πυκνωτής είναι απλώς ένας συνδυασμός δύο αγώγιμων ή μεταλλικών πλακών που τοποθετούνται παράλληλα και διαχωρίζονται ηλεκτρικά από ένα καλό μονωτικό στρώμα (επίσης ονομάζεται διηλεκτρικό) αποτελούμενο από κηρωμένο χαρτί, μαρμαρυγία, κεραμικό, πλαστικό κ.λπ.
Υπάρχουν πολλές εφαρμογές ενός πυκνωτή στα ηλεκτρονικά, μερικές από αυτές παρατίθενται παρακάτω:
- Αποθήκευση ενέργειας
- Κλιματισμός ισχύος
- Διόρθωση συντελεστή ισχύος
- Διήθηση
- Ταλαντωτές
Τώρα, το θέμα είναι πώς λειτουργεί ένας πυκνωτής; Όταν συνδέετε την παροχή ρεύματος στον πυκνωτή, μπλοκάρει το ρεύμα DC λόγω μονωτικού στρώματος και επιτρέπει την παρουσία τάσης στις πλάκες με τη μορφή ηλεκτρικού φορτίου. Έτσι, γνωρίζετε πώς λειτουργεί ένας πυκνωτής και ποιες είναι οι χρήσεις ή η εφαρμογή του, αλλά πρέπει να μάθετε πώς να χρησιμοποιείτε έναν πυκνωτή σε ηλεκτρονικά κυκλώματα.
Πώς να συνδέσετε έναν πυκνωτή σε ηλεκτρονικό κύκλωμα;
Εδώ, θα σας δείξουμε τις συνδέσεις ενός πυκνωτή και το αποτέλεσμα λόγω αυτού με παραδείγματα.
- Πυκνωτής σε σειρά
- Πυκνωτής στο Παράλληλο
- Πυκνωτής στο κύκλωμα AC
Πυκνωτής στο κύκλωμα σειράς
Σε ένα κύκλωμα, όταν συνδέετε πυκνωτές σε σειρά όπως φαίνεται στην παραπάνω εικόνα, η συνολική χωρητικότητα μειώνεται. Το ρεύμα μέσω πυκνωτών σε σειρά είναι ίσο (δηλ. I T = i 1 = i 2 = i 3 = i n). Ως εκ τούτου, το φορτίο που αποθηκεύεται από τους πυκνωτές είναι επίσης το ίδιο (δηλαδή Q T = Q 1 = Q 2 = Q 3), επειδή το φορτίο που αποθηκεύεται από μια πλάκα οποιουδήποτε πυκνωτή προέρχεται από την πλάκα του γειτονικού πυκνωτή στο κύκλωμα.
Με την εφαρμογή του νόμου τάσης Kirchhoff (KVL) στο κύκλωμα, έχουμε
V T = V C1 + V C2 + V C3 … εξίσωση (1)
Οπως γνωρίζουμε, Q = CV Έτσι, V = Q / C
Πού, V C1 = Q / C 1; V C2 = Q / C 2; V C3 = Q / C 3
Τώρα, με την τοποθέτηση των παραπάνω τιμών στην εξίσωση (1)
(1 / C T) = (1 / C 1) + (1 / C 2) + (1 / C 3)
Για n αριθμό πυκνωτή σε σειρά η εξίσωση θα είναι
(1 / C T) = (1 / C 1) + (1 / C 2) + (1 / C 3) +…. + (1 / Cn)
Ως εκ τούτου, η παραπάνω εξίσωση είναι η Εξίσωση πυκνωτών σειράς.
Όπου, C T = Συνολική χωρητικότητα του κυκλώματος
C 1 … n = Χωρητικότητα πυκνωτών
Η εξίσωση χωρητικότητας για δύο ειδικές περιπτώσεις καθορίζεται παρακάτω:
Περίπτωση I: εάν υπάρχουν δύο πυκνωτές σε σειρά, με διαφορετική τιμή, η χωρητικότητα θα εκφράζεται ως:
(1 / C T) = (C 1 + C 2) / (C 1 * C 2) Ή, C T = (C 1 * C 2) / (C 1 + C 2)… εξίσωση (2)
Περίπτωση II: εάν υπάρχουν δύο πυκνωτές σε σειρά, με την ίδια τιμή, η χωρητικότητα θα εκφράζεται ως:
(1 / C T) = 2C / C 2 = 2 / C Ή, C T = C / 2
Παράδειγμα για κύκλωμα πυκνωτή σειράς:
Τώρα, στο παρακάτω παράδειγμα θα σας δείξουμε πώς να υπολογίσετε τη συνολική χωρητικότητα και την ατομική πτώση τάσης rms σε κάθε πυκνωτή.
Όπως, σύμφωνα με το παραπάνω διάγραμμα κυκλώματος, υπάρχουν δύο πυκνωτές συνδεδεμένοι σε σειρά με διαφορετικές τιμές. Έτσι, η πτώση τάσης στους πυκνωτές είναι επίσης άνιση. Εάν συνδέσουμε δύο πυκνωτές με την ίδια τιμή, η πτώση τάσης είναι επίσης ίδια.
Τώρα, για τη συνολική τιμή της χωρητικότητας θα χρησιμοποιήσουμε τον τύπο από την εξίσωση (2)
Έτσι, C T = (C 1 * C 2) / (C 1 + C 2) Εδώ, C 1 = 4.7uf και C 2 = 1uf C T = (4.7uf * 1uf) / (4.7uf + 1uf) C T = 4.7uf / 5.7uf C T = 0.824uf
Τώρα, η πτώση τάσης στον πυκνωτή C 1 είναι:
VC 1 = (C T / C 1) * V T VC 1 = (0,824uf / 4,7uf) * 12 VC 1 = 2,103V
Τώρα, η πτώση τάσης στον πυκνωτή C 2 είναι:
VC 2 = (C T / C 2) * V T VC 2 = (0,824uf / 1uf) * 12 VC 2 = 9,88V
Πυκνωτής σε παράλληλο κύκλωμα
Όταν συνδέετε τους πυκνωτές παράλληλα, τότε η συνολική χωρητικότητα θα είναι ίση με το άθροισμα όλων των χωρητικών πυκνωτών. Επειδή η άνω πλάκα όλων των πυκνωτών συνδέεται μεταξύ τους και η κάτω πλάκα επίσης. Έτσι, αγγίζοντας ο ένας τον άλλο, η αποτελεσματική περιοχή της πλάκας αυξάνεται επίσης. Επομένως, η χωρητικότητα είναι ανάλογη με την αναλογία περιοχής και απόστασης.
Εφαρμόζοντας τον ισχύοντα νόμο του Kirchhoff (KCL) στο παραπάνω κύκλωμα, i T = i 1 + i 2 + i 3
Όπως γνωρίζουμε το ρεύμα μέσω ενός πυκνωτή εκφράζεται ως?
i = C (dV / dt) Έτσι, i T = C 1 (dV / dt) + C 2 (dV / dt) + C 3 (dV / dt) Και, i T= (C 1 + C 2 + C 3) * (dV / dt) i T = C T (dV / dt)… εξίσωση (3)
Από την εξίσωση (3), η εξίσωση Parallel Capacitance είναι:
C T = C 1 + C 2 + C 3
Για n αριθμό πυκνωτών που συνδέονται παράλληλα, η παραπάνω εξίσωση εκφράζεται ως:
C T = C 1 + C 2 + C 3 +… + Cn
Παράδειγμα για παράλληλο κύκλωμα πυκνωτή
Στο παρακάτω διάγραμμα κυκλώματος, υπάρχουν τρεις πυκνωτές συνδεδεμένοι παράλληλα. Καθώς αυτοί οι πυκνωτές συνδέονται παράλληλα, η ισοδύναμη ή ολική χωρητικότητα θα είναι ίση με το άθροισμα της μεμονωμένης χωρητικότητας.
C T = C 1 + C 2 + C 3 Πού, C 1 = 4.7uf; C 2 = 1uF και C 3 = 0.1uf Έτσι, C Τ = (4,7 + 1 + 0,1) uf C T = 5.8uf
Πυκνωτής σε κυκλώματα AC
Όταν ένας πυκνωτής συνδέεται με τροφοδοσία DC, τότε ο πυκνωτής αρχίζει να φορτίζει αργά. Και, όταν η τάση φόρτισης ενός πυκνωτή είναι ίση με την τάση τροφοδοσίας λέγεται ότι είναι πλήρως φορτισμένη κατάσταση. Εδώ, σε αυτήν την κατάσταση ο πυκνωτής λειτουργεί ως πηγή ενέργειας εφ 'όσον εφαρμόζεται τάση. Επίσης, οι πυκνωτές δεν επιτρέπουν στο ρεύμα να το περάσει αφού φορτιστεί πλήρως.
Όποτε παρέχεται τάση εναλλασσόμενου ρεύματος στον πυκνωτή, όπως φαίνεται στο παραπάνω καθαρά χωρητικό κύκλωμα. Στη συνέχεια, ο πυκνωτής φορτίζει και εκφορτώνει συνεχώς σε κάθε νέο επίπεδο τάσης (φόρτιση σε επίπεδο θετικής τάσης και εκφόρτιση σε επίπεδο αρνητικής τάσης). Η χωρητικότητα του πυκνωτή στα κυκλώματα AC εξαρτάται από τη συχνότητα της τάσης εισόδου που παρέχεται στο κύκλωμα. Το ρεύμα είναι άμεσα ανάλογο με το ρυθμό μεταβολής της τάσης που εφαρμόζεται στο κύκλωμα.
i = dQ / dt = C (dV / dt)
Διάγραμμα φάσης για πυκνωτή στο κύκλωμα AC
Όπως βλέπετε το διάγραμμα φάσης για τον πυκνωτή εναλλασσόμενου ρεύματος στην παρακάτω εικόνα, το ρεύμα και η τάση αντιπροσωπεύονται στο ημιτονοειδές κύμα. Παρατηρώντας, στο 0⁰ το ρεύμα φόρτισης βρίσκεται στην μέγιστη τιμή του λόγω της σταθερής τάσης που αυξάνεται σε θετική κατεύθυνση.
Τώρα, στα 90⁰ δεν υπάρχει ροή ρεύματος μέσω του πυκνωτή επειδή η τάση τροφοδοσίας φτάνει στη μέγιστη τιμή. Στα 180⁰ η τάση αρχίζει να μειώνεται αργά στο μηδέν και το ρεύμα φτάνει στη μέγιστη τιμή σε αρνητική κατεύθυνση. Και, πάλι, η φόρτιση φτάνει στην μέγιστη τιμή της στα 360⁰, επειδή η τάση τροφοδοσίας είναι στην ελάχιστη τιμή της.
Επομένως, από την παραπάνω κυματομορφή μπορούμε να παρατηρήσουμε ότι το ρεύμα οδηγεί την τάση κατά 90⁰. Έτσι, μπορούμε να πούμε ότι η τάση AC υστερεί στο ρεύμα κατά 90⁰ σε ένα ιδανικό κύκλωμα πυκνωτή.
Πυκνωτική αντίδραση (Xc) στο κύκλωμα AC
Εξετάστε το παραπάνω διάγραμμα κυκλώματος, όπως γνωρίζουμε ότι η τάση εισόδου AC εκφράζεται ως, V = V m Sin wt
Και, φόρτιση πυκνωτή Q = CV, Έτσι, Q = CV m Sin wt
Και, ρεύμα μέσω πυκνωτή, i = dQ / dt
Ετσι, i = d (CV m Sin wt) / dt i = C * d (V m Sin wt) / dt i = C * V m Cos wt * w i = w * C * V m Sin (wt + π / 2) στο, wt = 0 sin (wt + π / 2) = 1 ως εκ τούτου, i m = wCV m V m / i m = 1 / wC
Όπως γνωρίζουμε, w = 2πf
Ετσι, Χωρητική αντίδραση (Xc) = V m / i m = 1 / 2πfC
Παράδειγμα χωρητικής αντίδρασης στο κύκλωμα AC
διάγραμμα
Ας εξετάσουμε την τιμή C = 2.2uf και την τάση τροφοδοσίας V = 230V, 50Hz
Τώρα, η χωρητική αντίδραση (Xc) = V m / i m = 1 / 2πfC Εδώ, C = 2.2uf και f = 50Hz Έτσι, Xc = 1/2 * 3.1414 * 50 * 2.2 * 10 -6 Xc = 1446.86 ohm