Energia jest magazynowana w polu elektrycznym.
Kondensator ma przewodzące elektrody rozdzielone izolującym dielektrykiem. Przyłożenie napięcia powoduje rozdzielenie ładunków i gromadzi energię w polu elektrycznym.
Pojemność elektryczna opisuje ładunek magazynowany na wolt, mierzony w faradach (F). Często używa się mikrofaradów (µF), ponieważ jeden farad jest dużą jednostką dla wielu zwykłych obwodów elektronicznych.
Dwie elektrody, rozdzielony ładunek
- Elektroda dodatnia (+Q): niedobór elektronów względem stanu nienaładowanego.
- Elektroda ujemna (−Q): równy nadmiar elektronów w tym idealnym przykładzie początkowo obojętnego układu.
- Dielektryk: izolację między przewodnikami. Rozdzielone ładunki wytwarzają pole elektryczne; cały kondensator nadal może mieć zerowy ładunek netto.
Q = C × V opisuje rozdzielenie ładunków. Tutaj Q to wartość bezwzględna ładunku na jednej elektrodzie, C to pojemność, a V to wartość bezwzględna napięcia między elektrodami. Nie oznacza to, że do kondensatora jako całości dodano Q dodatkowych kulombów.
Dla 1,000 µF przy 24 V, Q = 0.001 × 24 = 0.024 C: +0.024 C na jednej elektrodzie i −0.024 C na drugiej w tym idealnym przykładzie. Ich suma wynosi zero, a mimo to energia jest magazynowana w polu.
Ładowanie i zasilanie obciążenia.
W idealnym kondensatorze prąd płynie podczas zmiany napięcia. Przy stałym napięciu DC prąd idealnego kondensatora spada do zera; rzeczywiste elementy nadal mogą mieć prąd upływu.
„Prąd płynie” odnosi się do podłączonego obwodu. W modelu idealnym ładunek nie przewodzi przez izolującą szczelinę: zmiany pola elektrycznego łączą zachowanie elektryczne obu stron. Dlatego kondensator może reagować na AC, mimo że po naładowaniu blokuje ustalony prąd DC.
Opór, jaki stawia sinusoidalnemu prądowi AC, zależy od częstotliwości i pojemności. Jest to reaktancja pojemnościowa, stanowiąca część impedancji; związane z nią rozróżnienie między energią magazynowaną i oddawaną a zużywaną mocą ma znaczenie w obwodach AC.
Dlaczego ładowanie i rozładowywanie wymaga czasu.
Rezystor ogranicza szybkość, z jaką ładunek może wpływać do kondensatora lub z niego wypływać. W prostym obwodzie RC rezystancja R i pojemność C wspólnie wyznaczają tempo zmian. Napięcie początkowo zmienia się szybko, a potem wolniej.
Grecka litera τ (tau) oznacza stałą czasową obwodu, mierzoną w sekundach. Przy R = 1,000 Ω i C = 0.001 F, τ = 1 sekunda.
Po jednej stałej czasowej napięcie podczas ładowania osiąga około 63.2% wartości końcowej. W odrębnym przypadku rozładowania pozostaje około 36.8% napięcia początkowego.
Ładowanie od 0 V w kierunku 24 V
Rozładowanie od początkowego napięcia 24 V
Jedna stała czasowa nie oznacza „zakończenia”. Po pięciu stałych czasowych te idealne krzywe odpowiadają naładowaniu do około 99.3% lub pozostaniu około 0.7% napięcia początkowego. Rzeczywista instalacja może mieć inne drogi przepływu, zgromadzoną energię i usterki; sam upływ czasu nie potwierdza bezpieczeństwa urządzenia.
Napięcie ma znaczenie tak samo jak pojemność.
1,000 µF = 0.001 F. Zgromadzona energia wynosi ½ × C × V², zatem ½ × 0.001 × 24² = 0.288 dżula.
Podwojenie napięcia daje czterokrotnie większą zmagazynowaną energię przy tej samej pojemności. Napięcie znamionowe jest ograniczeniem elementu, a nie celem, który musi osiągnąć każdy obwód.
Wygładzanie zasilania i wspomaganie obwodu DC przemiennika.
W zasilaczu kondensator może podtrzymywać odbiornik między wyprostowanymi impulsami. W VFD kondensatory obwodu pośredniego DC pomagają zarządzać pośrednim zasilaniem DC. Kondensatory stosuje się też w obwodach filtrujących i czasowych.
Kondensator nie zapewnia nieograniczonego zasilania rezerwowego. Jego napięcie zmienia się podczas przekazywania energii, a jego wielkość i warunki obwodu wpływają na czas podtrzymywania odbiornika.
Rzeczywiste podzespoły mają ograniczenia.
Kondensatory mają rezystancję, ograniczenia temperatury i podlegają starzeniu. Niektóre typy są spolaryzowane, inne nie. Dopasowanie samej pojemności nie wystarcza do wyboru zamiennika.
Zmagazynowana energia może pozostać po odłączeniu zewnętrznego zasilania. Zatrzymany lub odłączony napęd nie dowodzi rozładowania jego wewnętrznych kondensatorów.
Bliższe spojrzenie
Równoważna rezystancja szeregowa (ESR) modeluje część strat rzeczywistego kondensatora. Prąd tętnień przepływający przez tę rezystancję wytwarza ciepło. W prostym obwodzie ładowania rezystor–kondensator stała czasowa wynosi R × C; to model matematyczny, nie zasada bezpiecznego czasu oczekiwania przy urządzeniach.
Dla idealnego wykresu ładowania Vc(t) = Vs[1 − e^(−t/RC)] przy zerowym początkowym napięciu kondensatora; dla wykresu rozładowania Vc(t) = V₀e^(−t/RC). Tutaj Vs jest stałym napięciem źródła ładowania, V₀ jest początkowym napięciem rozładowania, t to czas, który upłynął, a e wynosi około 2.718. Prąd spełnia i = C dVc/dt: im bardziej stroma krzywa napięcia, tym większy prąd. W idealnym przykładzie ładowania zaczyna się od Vs/R = 24 mA, a następnie maleje wykładniczo. Ładunek i napięcie zbliżają się do wartości końcowych asymptotycznie, a nie przez nagłe odcięcie.
Sprawdź swoją wiedzę
Jeśli napięcie na tym samym idealnym kondensatorze podwoi się, czy zgromadzona energia się podwoi?
Pokaż wyjaśnienie
Wzrasta czterokrotnie, ponieważ zgromadzona energia jest proporcjonalna do kwadratu napięcia: E = ½CV².
Dalsza lektura.
Lektura opcjonalna, pozwalająca dokładniej zgłębić tę lekcję.
- TDK: budowa i zachowanie kondensatorów
Zacznij od schematu budowy, a następnie trzech sekcji o podstawowych właściwościach. Wyjaśniają wizualnie ładowanie i zachowanie przy AC; zależność częstotliwościowa to przydatna dalsza lektura.
- OpenStax: kondensatory i pojemność elektryczna
Początkowe definicje odróżniają równe co do wartości i przeciwne ładunki elektrod od ładunku netto, a następnie wprowadzają C = Q/V. Dalsze obliczenia geometryczne są opcjonalne.
- OpenStax: obwody RC
Przeczytaj sekcje o ładowaniu i rozładowaniu, aby poznać równania wykładnicze i stałą czasową. Wyprowadzenie jest opcjonalne; wykresy napięcia i prądu pomagają wyjaśnić, dlaczego zmiana z czasem zwalnia.