Ρεύμα κατά τη φόρτιση και την εκφόρτιση ενός πυκνωτή

Ο πυκνωτής είναι μια ηλεκτρονική συσκευή που χρησιμοποιείται για την αποθήκευση της ενέργειας με τη μορφή ηλεκτρικού φορτίου, η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί όταν χρειαστεί στο μέλλον για την παροχή ενέργειας ή φόρτισης μετά την αποσύνδεση της πηγής ισχύος από αυτήν. Χρησιμοποιείται σε διάφορους τύπους συσκευών, όπως υπολογιστές, ραδιόφωνα, τηλεοράσεις κ.λπ., συμπεριλαμβανομένων αυτών των πυκνωτών.

Επιπλέον, παρέχει μόνιμη αποθήκευση ενέργειας και στα κυκλώματα, και αυτή η ενέργεια μπορεί να παρέχεται όποτε χρειαστεί. Επιπλέον, η ιδιότητα που επιτρέπει στον πυκνωτή να αποθηκεύει την ενέργεια ονομάζεται χωρητικότητα.

Συζήτηση Αρχών

Ένας πυκνωτής περιλαμβάνει δύο αγωγούς που χωρίζονται με μικρή απόσταση. Επιπλέον, όταν οι αγωγοί συνδέονται με μια συσκευή φόρτισης όπως μια μπαταρία, το φορτίο μετατοπίζεται από τον έναν αγωγό στον άλλο έως ότου η ανομοιότητα του δυναμικού μεταξύ των αγωγών λόγω του ίσου αλλά αντίθετου φορτίου τους γίνει ισοδύναμη με τη διαφορά δυναμικού μεταξύ της φόρτισης τερματικά της συσκευής.

Ωστόσο, η ποσότητα φορτίου που συλλέγεται σε κάθε αγωγό είναι ευθέως ανάλογη με την τάση, καθώς και η σταθερά της αναλογικότητας ονομάζεται χωρητικότητα. Επιπλέον, αλγεβρικά γράφεται ως =– Q =CΔV. Το φορτίο «C» μετριέται σε μονάδες κουλόμπ, δηλαδή (C), η τάση ΔV σε βολτ (V), καθώς και η χωρητικότητα «C» σε μονάδες φαράντ (F). Επιπλέον, οι πυκνωτές είναι συσκευές, ενώ η χωρητικότητα είναι ιδιότητα μιας συσκευής.

Φόρτιση και εκφόρτιση Παραγωγής πυκνωτή

Η φόρτιση, καθώς και η εκφόρτιση των πυκνωτών, είναι απαραίτητη καθώς είναι η δυνατότητα ελέγχου καθώς και πρόβλεψης του ρυθμού φόρτισης ή εκφόρτισης του πυκνωτή που τον καθιστά χρήσιμο στα ηλεκτρονικά κυκλώματα χρονισμού. Συμβαίνει όταν η τάση τοποθετείται στον πυκνωτή και το δυναμικό δεν μπορεί να αυξηθεί στην τιμή που εφαρμόζεται αμέσως. Ωστόσο, δεδομένου ότι η φόρτιση με το τερματικό συσσωρεύεται στη μέγιστη τιμή της, τείνει να αντιστέκεται στην προσθήκη περαιτέρω προσθήκης φόρτισης.

Επομένως, οι ακόλουθοι είναι οι παράγοντες από τους οποίους εξαρτάται ο ρυθμός φόρτισης ή εκφόρτισης ενός πυκνωτή:

• Η χωρητικότητα του πυκνωτή.
• Η αντίσταση του κυκλώματος με τη βοήθεια του οποίου φορτίζεται ή αποφορτίζεται.

Όταν ρίχνουμε ένα υγρό σε ένα δοχείο, η στάθμη του υγρού συνεχώς αυξάνεται. Με τον ίδιο τρόπο, όταν παρέχουμε φόρτιση στον αγωγό, η δυνατότητα που έχει συνεχίζει να αυξάνεται. Επομένως:

Φόρτιση “Q” ∝ Δυνητικό “V”

Ή

Q =βιογραφικό…(1)

Τώρα, το "C" είναι μια σταθερά της αναλογικότητας και είναι επίσης γνωστό ως χωρητικότητα ή χωρητικότητα του αγωγού.

Από την εξίσωση…(1):

C =Q/V…(2)

Ως εκ τούτου, η χωρητικότητα του αγωγού ορίζεται ως η αναλογία του φορτίου που έχει στο δυναμικό του αγωγού.

Η τιμή του "C" εξαρτάται από τους ακόλουθους παράγοντες:

• Το μέγεθος καθώς και το σχήμα του αγωγού.
• Η φύση του μέσου γύρω από τον αγωγό.
• Η τοποθεσία των παρακείμενων χρεώσεων.

Ωστόσο, δεν εξαρτάται από το υλικό του αγωγού. Επιπλέον, έστω 'V' =1, κατά συνέπεια, από την εξίσωση (1):

Q =C ή C =Q

Επομένως, η χωρητικότητα του αγωγού είναι αριθμητικά ισοδύναμη με την ποσότητα ή την ποσότητα του φορτίου που απαιτείται για να αυξηθεί το δυναμικό του με τη βοήθεια της μονάδας. Επιπλέον, η μονάδα cgs της χωρητικότητας είναι γνωστή ως esu της χωρητικότητας ή stat farad, δηλαδή st F.

Εδώ,

1 stat farad =1 stat coulomb/1 stat volt

Η χωρητικότητα ενός αγωγού αναφέρεται στη συνέχεια ως 1 stat farad, εάν το δυναμικό του αυξάνεται με 1 stat volt, όταν του παρέχεται φορτίο 1 stat coulomb. Επιπλέον, η μονάδα SI της χωρητικότητας είναι γνωστή ως farad, δηλαδή F.

Από την εξίσωση…(2):

1 φαράντ ‘F’ =1 κουλόμπ ‘C’/1 volt ‘V’

Φόρτιση πυκνωτή

Ας πάρουμε έναν πυκνωτή «C» στη σειρά, συμπεριλαμβανομένης μιας αντίστασης «R» που δημιουργεί ένα κύκλωμα φόρτισης RC και συνδέεται μέσω μιας παροχής της μπαταρίας DC «Vs» μέσω ενός διακόπτη.

Τώρα, σε μια συγκεκριμένη χρονική στιγμή που δίνεται 't' =0, ο διακόπτης ανάβει καθώς και ο πυκνωτής φορτίζεται πλήρως. Αυτές είναι οι καταστάσεις εκκίνησης του κυκλώματος, επομένως, στο 't' =0, i =0, καθώς και q =0. Αυτή τη στιγμή, όταν ο διακόπτης είναι απενεργοποιημένος, ο χρόνος ξεκινά με 't' =0 και το ρεύμα αρχίζει να ρέει στον πυκνωτή μέσω της αντίστασης καθώς και το φορτίο αρχίζει να συσσωρεύεται πάνω από τον πυκνωτή.

Καθώς η τάση στην εκκίνηση κατά μήκος του πυκνωτή είναι «0» δηλ. Vc =0 στο «t» =0, ο πυκνωτής βρίσκεται σε κατάσταση βραχυκυκλώματος σε σύγκρουση μόνο μέσω της αντίστασης, δηλαδή «R». Επιπλέον, τώρα χρησιμοποιώντας τον νόμο της τάσης του Kirchhoff, δηλαδή KVL, οι πτώσεις τάσης που περιβάλλουν το κύκλωμα δίνονται ως:

Ως αποτέλεσμα, το ρεύμα που ρέει μέσα στο κύκλωμα είναι γνωστό ως ρεύμα φόρτισης και προσδιορίζεται με τη χρήση του νόμου του Ohm, αφού «i» =Vs/R.

Στη συνέχεια,

Vs – Ri(t) – Vc(t) =0

Οι πλάκες μιας χωρητικής συσκευής αρχίζουν να φορτίζονται καθώς αυξάνεται η τάση σε αυτές. Προκειμένου ένας πυκνωτής να φτάσει το 63% του πλήρους δυναμικού του, χρειάζεται ένας γύρος για να φορτιστεί μία σταθερά χρόνου (tau).

Οι πυκνωτές συνεχίζουν να φορτίζουν, μειώνοντας τη διαφορά τάσης μεταξύ τους. Επίσης, το ρεύμα του κυκλώματος μειώνεται.

Παρά το γεγονός ότι ο πυκνωτής φορτίζει, η διαφορά τάσης μεταξύ Vs και Vc μειώνεται. Ως αποτέλεσμα, το ρεύμα του κυκλώματος μειώνεται επίσης. Πλήρως φορτισμένος πυκνωτής είναι αυτός που έχει t =∞, I =0, q =Q =CV, όπου η συνθήκη είναι μεγαλύτερη από 5T. Μετά από άπειρο χρονικό διάστημα, το ρεύμα φόρτισης γίνεται μηδενικό. Vc =Vs είναι τώρα η τάση τροφοδοσίας στον πυκνωτή, καθιστώντας τον ένα εντελώς ανοιχτό κύκλωμα.

Ο χρόνος φόρτισης ενός πυκνωτή (1T) συμβολίζεται με το σύμβολο RC (η σταθερά χρόνου ορίζει απλώς έναν ρυθμό φόρτισης, όπου το R είναι σε και το C σε Farads).

Η τάση σε έναν πυκνωτή (Vc) μπορεί να υπολογιστεί σε οποιοδήποτε στάδιο της διαδικασίας φόρτισης χρησιμοποιώντας την εξίσωση Vc =Q/C, η οποία μας λέει ότι η τάση V συνδέεται με το φορτίο ενός πυκνωτή.

Vc=Vs(1-e-t/RC)

Πού:

Η τάση κατά μήκος του πυκνωτή είναι Vc.

Η τάση τροφοδοσίας είναι Vs.

Ο χρόνος από τότε που εφαρμόστηκε η τάση τροφοδοσίας είναι t.

Η σταθερά χρόνου είναι RC.

Παρόμοια με το κύκλωμα φόρτισης 4-χρόνων σταθερών, ο πυκνωτής σε αυτό το κύκλωμα φόρτισης RC είναι πλέον σχεδόν πλήρως φορτισμένος μετά από ένα χρονικό διάστημα (4T). Η τάση κατά μήκος του πυκνωτή είναι περίπου 98% της μέγιστης τιμής του, η οποία είναι 0,98 Vs (volt ανά δευτερόλεπτο). Σε αυτό το στάδιο 4T, οι μεταβατικές περίοδοι των πυκνωτών έχουν τελειώσει. Όταν η τάση στον πυκνωτή (Vc) ισούται με την τάση της πηγής (Vs), ο πυκνωτής θεωρείται ότι έχει φορτιστεί πλήρως μετά από 5T (Vs). Μόλις ο πυκνωτής φορτιστεί πλήρως, το κύκλωμα διακόπτεται. Η Περίοδος Σταθερής Κατάστασης ξεκινά μετά τους 5 T.

Εκφόρτιση πυκνωτή 

Το φορτίο που περιέχεται σε έναν πυκνωτή απελευθερώνεται όταν ο πυκνωτής αποφορτιστεί. Ας δούμε ένα παράδειγμα ενός πυκνωτή που έχει αποφορτιστεί.

Σε σειρά με αντίσταση αντίστασης R ohms, συνδέουμε έναν φορτισμένο πυκνωτή με χωρητικότητα C farad. Στη συνέχεια, όπως αποδείχθηκε, βραχυκυκλώνουμε αυτόν τον συνδυασμό σειράς ενεργοποιώντας τον διακόπτη ώθησης απελευθερώνοντας έναν πυκνωτή.

Ο πυκνωτής αρχίζει να αποφορτίζεται μόλις βραχυκυκλωθεί.

Ας υποθέσουμε ότι ο πυκνωτής έχει τάση V βολτ όταν είναι πλήρως φορτισμένος. Το ρεύμα εκφόρτισης του κυκλώματος θα είναι − V / R αμπέρ μόλις βραχυκυκλωθεί ο πυκνωτής.

Ωστόσο, μετά την ενεργοποίηση του κυκλώματος στο t =+0, το ρεύμα που το διαπερνά είναι:

i=Cdv/dt

Όσο πιο γρήγορος είναι ο ρυθμός φόρτισης και εκφόρτισης του πυκνωτή, τόσο μικρότερη είναι η αντίσταση ή η χωρητικότητα, τόσο μικρότερη είναι η χρονική σταθερά και αντίστροφα. Σχεδόν όλες οι ηλεκτρικές συσκευές περιέχουν πυκνωτές. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως πηγή ενέργειας. Ένα παράδειγμα εκφόρτισης και φόρτισης ενός πυκνωτή είναι ένας πυκνωτής σε μονάδα φωτοφλας που αποθηκεύει ενέργεια και την απελευθερώνει γρήγορα κατά τη διάρκεια του φλας.

Συμπέρασμα

Ένας πυκνωτής ονομάζεται μια συσκευή που είναι παθητική στη φύση, καθώς και συλλέγει την ενέργεια στο ηλεκτρικό πεδίο και στέλνει πίσω την ενέργεια στο κύκλωμα κάθε φορά που χρειάζεται. Επιπλέον, δεν ρέει ρεύμα με τη βοήθεια του διηλεκτρικού κατά τη στιγμή της εκφόρτισης ή της περιόδου φόρτισης. Ωστόσο, το ρεύμα διαρροής αποτελεί εξαίρεση σε αυτήν την περίπτωση.