Energia este stocată într-un câmp electric.
Un condensator are electrozi conductori separați de un dielectric izolator. Aplicarea unei tensiuni produce separarea sarcinilor și stochează energie în câmpul electric.
Capacitatea descrie sarcina stocată pe volt, măsurată în farazi (F). Microfarazii (µF) sunt folosiți frecvent, deoarece un farad este o unitate mare pentru multe circuite electronice obișnuite.
Doi electrozi, sarcini electrice separate
- Electrod pozitiv (+Q): un deficit de electroni față de starea sa neîncărcată electric.
- Electrod negativ (−Q): un surplus egal de electroni în acest exemplu ideal, inițial neutru.
- Dielectric: izolație între conductoare. Sarcinile separate creează un câmp electric; condensatorul în ansamblu poate avea în continuare sarcină netă zero.
Q = C × V descrie separarea sarcinilor electrice. Aici, Q este modulul sarcinii de pe un electrod, C este capacitatea, iar V este modulul tensiunii dintre electrozi. Aceasta nu înseamnă că au fost adăugați Q coulombi suplimentari condensatorului în ansamblu.
Pentru 1,000 µF la 24 V, Q = 0.001 × 24 = 0.024 C: +0.024 C pe un electrod și −0.024 C pe celălalt, în acest exemplu ideal. Suma lor este zero, totuși energia este stocată în câmp.
Încărcarea și alimentarea unei sarcini.
Pentru un condensator ideal, curentul trece în timp ce tensiunea sa se schimbă. La tensiune DC constantă, curentul condensatorului ideal scade la zero; dispozitivele reale pot avea în continuare curent de scurgere.
„Curentul circulă” se referă la circuitul conectat. În modelul ideal, sarcina nu trece prin conducție peste spațiul izolator: modificările câmpului electric leagă comportamentul electric al celor două părți. Astfel, un condensator poate răspunde la AC chiar dacă blochează curentul DC constant după încărcare.
Opoziția sa față de AC sinusoidal depinde de frecvență și capacitate. Aceasta este reactanța capacitivă, o parte a impedanței; distincția asociată dintre energia stocată și returnată și puterea utilizată este relevantă în circuitele AC.
De ce încărcarea și descărcarea necesită timp.
Un rezistor limitează rapiditatea cu care sarcina poate intra într-un condensator sau ieși din el. Într-un circuit RC simplu, rezistența R și capacitatea C stabilesc împreună rata de variație. Tensiunea variază rapid la început, apoi mai lent.
Litera grecească τ (tau) reprezintă constanta de timp a circuitului, măsurată în secunde. Pentru R = 1,000 Ω și C = 0.001 F, τ = 1 secundă.
După o constantă de timp, încărcarea a ajuns la aproximativ 63.2% din tensiunea finală. În cazul separat al descărcării, rămâne aproximativ 36.8% din tensiunea inițială.
Încărcare de la 0 V spre 24 V
Descărcare de la o tensiune inițială de 24 V
O constantă de timp nu înseamnă „terminat”. După cinci constante de timp, aceste curbe ideale sunt încărcate aproximativ 99.3% sau mai păstrează circa 0.7% din tensiunea inițială. O instalație reală poate avea alte trasee, energie stocată și defecte; timpul scurs singur nu stabilește siguranța echipamentului.
Tensiunea contează, precum și capacitatea electrică.
1,000 µF = 0.001 F. Energia stocată este ½ × C × V², deci ½ × 0.001 × 24² = 0.288 jouli.
Dublarea tensiunii produce o energie stocată de patru ori mai mare la aceeași capacitate. Tensiunea nominală este o limită a componentei, nu o țintă pe care trebuie să o atingă fiecare circuit.
Filtrarea alimentărilor și susținerea circuitului intermediar DC al unui convertizor.
Într-o sursă de alimentare, un condensator poate alimenta sarcina între impulsurile redresate. Într-un VFD, condensatoarele circuitului intermediar DC ajută la gestionarea alimentării intermediare DC. Condensatoarele sunt folosite și în circuite de filtrare și temporizare.
Un condensator nu constituie o alimentare de rezervă nelimitată. Tensiunea sa se schimbă pe măsură ce se transferă energie, iar dimensiunea sa și condițiile circuitului influențează cât timp poate susține o sarcină.
Componentele reale au limite.
Condensatoarele au rezistență, limite de temperatură și comportament de îmbătrânire. Unele tipuri sunt polarizate, altele nu. Potrivirea doar a capacității nu este suficientă pentru alegerea unui înlocuitor.
Energia stocată poate rămâne după eliminarea alimentării externe. Un variator oprit sau deconectat nu dovedește că sunt descărcate condensatoarele sale interne.
O privire mai atentă
Rezistența serie echivalentă (ESR) modelează o parte din pierderile unui condensator real. Curentul de ondulație prin aceste pierderi produce căldură. Într-un circuit simplu de încărcare rezistor-condensator, constanta de timp este R × C; este un model matematic, nu o regulă sigură de timp de așteptare pentru echipamente.
Pentru graficul ideal de încărcare, Vc(t) = Vs[1 − e^(−t/RC)] cu tensiunea inițială a condensatorului zero; pentru graficul de descărcare, Vc(t) = V₀e^(−t/RC). Aici Vs este tensiunea fixă a sursei de încărcare, V₀ este tensiunea inițială de descărcare, t este timpul scurs și e este aproximativ 2.718. Curentul urmează i = C dVc/dt: cu cât curba tensiunii este mai abruptă, cu atât curentul este mai mare. În exemplul ideal de încărcare începe la Vs/R = 24 mA, apoi scade exponențial. Sarcina și tensiunea se apropie asimptotic de valorile finale, fără o întrerupere bruscă.
Verificați ce ați înțeles
Dacă tensiunea se dublează pe același condensator ideal, energia stocată se dublează?
Arată explicația
Se cvadruplează, deoarece energia stocată este proporțională cu pătratul tensiunii: E = ½CV².
Lecturi suplimentare.
Lecturi opționale pentru aprofundarea acestei lecții.
- TDK: construcția și comportamentul condensatoarelor
Începeți cu schema constructivă, apoi cele trei secțiuni despre proprietățile de bază. Acestea explică vizual încărcarea și comportamentul AC; relația cu frecvența este o lectură suplimentară utilă.
- OpenStax: condensatoare și capacitate electrică
Definițiile inițiale diferențiază sarcinile egale și opuse ale electrozilor de sarcina netă, apoi introduc C = Q/V. Calculele geometrice ulterioare sunt opționale.
- OpenStax: circuite RC
Citiți secțiunile despre încărcare și descărcare pentru ecuațiile exponențiale și constanta de timp. Demonstrația este opțională; graficele tensiunii și curentului ajută la explicarea încetinirii variației în timp.