ক্যাপাসিটর কীভাবে কাজ করে

বৈদ্যুতিক ক্ষেত্রে শক্তি সঞ্চিত থাকে।

ধারকে নিরোধক ডাইইলেকট্রিক দিয়ে পৃথক করা পরিবাহী ইলেকট্রোড থাকে। ভোল্টেজ প্রয়োগে আধান পৃথক হয় এবং বৈদ্যুতিক ক্ষেত্রে শক্তি জমা হয়।

ধারকত্ব প্রতি ভোল্টে সঞ্চিত আধান বোঝায়, একক ফ্যারাড (F)। মাইক্রোফ্যারাড (µF) প্রচলিত, কারণ অনেক সাধারণ ইলেকট্রনিক সার্কিটে এক ফ্যারাড বড় একক।

দুটি ইলেকট্রোড, পৃথক করা চার্জ

ধনাত্মক ইলেকট্রোড (+Q): আধানহীন অবস্থার তুলনায় ইলেকট্রনের ঘাটতি।
ঋণাত্মক ইলেকট্রোড (−Q): এই আদর্শ, শুরুতে আধাননিরপেক্ষ উদাহরণে সমান পরিমাণ অতিরিক্ত ইলেকট্রন।
ডাইইলেকট্রিক: পরিবাহকগুলির মাঝের অন্তরণ। পৃথক চার্জ বৈদ্যুতিক ক্ষেত্র তৈরি করে; পুরো ক্যাপাসিটরের নিট চার্জ তবু শূন্য থাকতে পারে।

সরলীকৃত সমান্তরাল প্লেটের দৃশ্য; কোনও নির্দিষ্ট যন্ত্রাংশের অঙ্কন নয়। প্রান্তের প্রভাব এবং ডাইইলেকট্রিকের আণুবীক্ষণিক মেরুকরণ বাদ দেওয়া হয়েছে। তিরগুলি বৈদ্যুতিক ক্ষেত্রের দিক দেখায়; অন্তরকের মধ্য দিয়ে চার্জ চলার পথ দেখায় না।

Q = C × V আধানের পৃথকীকরণ বোঝায়। এখানে Q হলো একটি ইলেকট্রোডের আধানের মান, C ধারকত্ব এবং V তাদের মধ্যকার ভোল্টেজের মান। এর অর্থ গোটা ধারকে অতিরিক্ত Q কুলম্ব আধান যোগ হয়েছে এমন নয়।

24 V-এ 1,000 µF-এর জন্য Q = 0.001 × 24 = 0.024 C: এই আদর্শ উদাহরণে একটি ইলেকট্রোডে +0.024 C এবং অন্যটিতে −0.024 C। এদের যোগফল শূন্য হলেও ক্ষেত্রে শক্তি সঞ্চিত থাকে।

চার্জ হওয়া ও ভারে সরবরাহ দেওয়া।

আদর্শ ধারকের ভোল্টেজ বদলানোর সময় বিদ্যুৎপ্রবাহ হয়। স্থির DC ভোল্টেজে আদর্শ ধারকের প্রবাহ শূন্য হয়; বাস্তব যন্ত্রে তবুও লিকেজ থাকতে পারে।

‘কারেন্ট প্রবাহিত হয়’ কথাটি সংযুক্ত সার্কিটকে বোঝায়। আদর্শ মডেলে অন্তরক ফাঁক পেরিয়ে চার্জ পরিবাহিত হয় না: বৈদ্যুতিক ক্ষেত্রের পরিবর্তন দুই পাশের বৈদ্যুতিক আচরণকে যুক্ত করে। এই কারণেই চার্জ হওয়ার পরে স্থির DC কারেন্ট আটকালেও ক্যাপাসিটর AC-তে সাড়া দিতে পারে।

সাইনুসয়েডাল AC-তে এর বাধা কম্পাঙ্ক ও ধারকত্বের ওপর নির্ভর করে। এটিই ধারকীয় রিঅ্যাক্ট্যান্স, যা ইম্পিড্যান্সের অংশ; এর সঙ্গে সম্পর্কিত সঞ্চিত ও ফিরিয়ে দেওয়া শক্তি এবং ব্যবহৃত ক্ষমতার পার্থক্য AC সার্কিটে গুরুত্বপূর্ণ।

চার্জ ও ডিসচার্জ হতে সময় লাগে কেন।

একটি রোধক ধারকের মধ্যে আধান কত দ্রুত প্রবেশ করতে বা সেখান থেকে বেরোতে পারে তা সীমিত করে। একটি সরল RC সার্কিটে রোধ R ও ধারকত্ব C একসঙ্গে পরিবর্তনের হার নির্ধারণ করে। প্রথমে ভোল্টেজ দ্রুত বদলায়, তারপর ধীরে।

সময় ধ্রুবক: τ = R × C

গ্রিক অক্ষর τ (টাউ) সার্কিটের সময় ধ্রুবক বোঝায়, যা সেকেন্ডে মাপা হয়। R = 1,000 Ω এবং C = 0.001 F হলে τ = 1 সেকেন্ড।

এক সময় ধ্রুবক পরে চার্জ হওয়ার সময় ভোল্টেজ তার চূড়ান্ত মানের প্রায় 63.2%-এ পৌঁছায়। আলাদা ডিসচার্জের ক্ষেত্রে প্রাথমিক ভোল্টেজের প্রায় 36.8% অবশিষ্ট থাকে।

0 V থেকে 24 V-এর দিকে চার্জ হওয়া

প্রাথমিক 24 V থেকে ডিসচার্জ হওয়া

একই অক্ষে গণনা করা আদর্শ RC রেখা। প্রতিটি গ্রাফের শুরু তার নিজস্ব t = 0-তে। উভয়ের জন্য R = 1 kΩ এবং C = 1,000 µF; চার্জ হওয়ার ক্ষেত্রে ধ্রুব 24 V উৎস আছে, আর ডিসচার্জের ক্ষেত্রে কোনও উৎস নেই এবং শুধু রেজিস্টরই লোড। চুইয়ে যাওয়া প্রবাহ, ESR এবং অন্য সার্কিটপথ বাদ দেওয়া হয়েছে। এগুলি গাণিতিক মডেল, ডিসচার্জের নির্দেশ বা নিরাপদ অপেক্ষার সময় নয়।

একটি সময় ধ্রুবক পার হওয়া মানে ‘শেষ’ নয়। পাঁচটি সময় ধ্রুবকের পরে এই আদর্শ রেখাগুলিতে প্রায় 99.3% চার্জ হয় অথবা প্রাথমিক ভোল্টেজের প্রায় 0.7% অবশিষ্ট থাকে। বাস্তব স্থাপনায় অন্য পথ, সঞ্চিত শক্তি এবং ত্রুটি থাকতে পারে; শুধু সময় পেরোনো দিয়ে সরঞ্জাম নিরাপদ বলে প্রতিষ্ঠিত হয় না।

ধারকত্বের পাশাপাশি ভোল্টেজও গুরুত্বপূর্ণ।

24 V-এ একটি আদর্শ 1,000 µF ক্যাপাসিটর

1,000 µF = 0.001 F। সঞ্চিত শক্তি ½ × C × V², তাই ½ × 0.001 × 24² = 0.288 জুল।

একই ধারকত্বে ভোল্টেজ দ্বিগুণ করলে সঞ্চিত শক্তি চারগুণ হয়। ভোল্টেজ রেটিং উপাদানের সীমা, প্রতিটি সার্কিটকে পৌঁছাতেই হবে এমন লক্ষ্য নয়।

বিদ্যুৎ সরবরাহ মসৃণ করা ও মোটর ড্রাইভের DC link-কে সহায়তা করা।

বিদ্যুৎ সরবরাহে ক্যাপাসিটার রেকটিফায়েড পালসগুলির মধ্যবর্তী সময়ে লোডকে শক্তি দিতে পারে। VFD-তে DC-link ক্যাপাসিটার মধ্যবর্তী DC সরবরাহ সামলাতে সাহায্য করে। ফিল্টারিং ও টাইমিং বর্তনীতেও ক্যাপাসিটার ব্যবহৃত হয়।

ধারক সীমাহীন বিকল্প বিদ্যুৎ সরবরাহ নয়। শক্তি স্থানান্তর হলে ভোল্টেজ বদলায়; আকার ও সার্কিটের অবস্থা কতক্ষণ ভারে সরবরাহ দিতে পারে তা প্রভাবিত করে।

বাস্তব যন্ত্রাংশের সীমাবদ্ধতা থাকে।

ধারকে রোধ, তাপমাত্রার সীমা ও বয়সজনিত পরিবর্তন থাকে। কিছু ধরনের নির্দিষ্ট মেরুতা থাকে, অন্যগুলির নেই। প্রতিস্থাপন বেছে নিতে শুধু ধারকত্ব মেলা যথেষ্ট নয়।

বাইরের বিদ্যুৎ সরানোর পরও সঞ্চিত শক্তি থাকতে পারে। মোটর ড্রাইভ থামা বা বিচ্ছিন্ন থাকা তার ভেতরের ধারকগুলি চার্জমুক্ত হওয়ার প্রমাণ নয়।

আরও কাছ থেকে দেখুন

সমতুল্য সিরিজ রোধ (ESR) বাস্তব ক্যাপাসিটরের শক্তিক্ষয়ের একটি অংশের মডেল। ওই ক্ষয়ী রোধের মধ্য দিয়ে রিপল কারেন্ট প্রবাহিত হলে তাপ তৈরি হয়। সরল রেজিস্টর-ক্যাপাসিটর চার্জিং সার্কিটে সময় ধ্রুবক হল R × C; এটি গাণিতিক মডেল, সরঞ্জামের জন্য নিরাপদ অপেক্ষার সময়ের নিয়ম নয়।

আদর্শ চার্জিং গ্রাফে প্রাথমিক ক্যাপাসিটর ভোল্টেজ শূন্য হলে Vc(t) = Vs[1 − e^(−t/RC)]; ডিসচার্জিং গ্রাফে Vc(t) = V₀e^(−t/RC)। এখানে Vs হল চার্জিং উৎসের স্থির ভোল্টেজ, V₀ হল ডিসচার্জের প্রারম্ভিক ভোল্টেজ, t হল অতিক্রান্ত সময় এবং e প্রায় 2.718। কারেন্টের সম্পর্ক i = C dVc/dt: ভোল্টেজের রেখা যত খাড়া, কারেন্ট তত বেশি। আদর্শ চার্জিং উদাহরণে শুরুতে তা Vs/R = 24 mA, তারপর সূচকীয়ভাবে কমে। চার্জ এবং ভোল্টেজ ক্রমে চূড়ান্ত মানের আরও কাছে যায়, কিন্তু সসীম সময়ে ঠিক সেই মানে পৌঁছায় না; হঠাৎ কোনও কাটঅফ ঘটে না।

নিজের বোঝাপড়া যাচাই করুন

একই আদর্শ ক্যাপাসিটরে ভোল্টেজ দ্বিগুণ হলে কি সঞ্চিত শক্তি দ্বিগুণ হয়?

ব্যাখ্যা দেখুন

চার গুণ হয়, কারণ সঞ্চিত শক্তি ভোল্টেজের বর্গের সমানুপাতিক: E = ½CV²।