Φόρτιση ενός πυκνωτή

Αν και υπάρχει κάποια ισχύς μεταξύ οποιωνδήποτε δύο ηλεκτρικών αγωγών κοντά σε ένα κύκλωμα, ένας πυκνωτής είναι ένα εξάρτημα που έχει σχεδιαστεί για να προσθέτει ισχύ σε ένα κύκλωμα. Ένας πυκνωτής ήταν αρχικά γνωστός ως συμπυκνωτής. Επίσης, η επίδραση ενός πυκνωτή είναι γνωστή ως χωρητικότητα. Η μορφή και η δομή του σώματος των ενεργών πυκνωτών ποικίλλει ευρέως και χρησιμοποιούνται συνήθως πολλοί τύποι πυκνωτών. Μπορεί κανείς εύκολα να φτιάξει έναν πυκνωτή με δύο κομμάτια αλουμινόχαρτο και χαρτί (και ηλεκτρικά κλιπ). Δεν θα είναι ο καλύτερος πυκνωτής στην τελική του χωρητικότητα, αλλά θα λειτουργήσει.

Πώς λειτουργεί ένας πυκνωτής;

Οι περισσότεροι πυκνωτές αποτελούνται από δύο ηλεκτρικούς αγωγούς, συνήθως μεταλλικές πλάκες ή περιοχές που χωρίζονται από ένα διηλεκτρικό μέσο. Ένα ηλεκτρικό πεδίο βρίσκεται μέσα στον πυκνωτή όταν αποθηκεύεται ενέργεια σε έναν πυκνωτή. Η εξοικονόμηση ενέργειας μπορεί να συσχετιστεί με ένα ηλεκτρικό πεδίο. Πράγματι, η ενέργεια μπορεί να συσχετιστεί με την παρουσία ηλεκτρικού πεδίου. Μέσα στον πυκνωτή, οι ακροδέκτες συνδέονται με δύο μεταλλικές πλάκες που χωρίζονται από ένα μη αγώγιμο υλικό ή διηλεκτρικό.

Τι είναι η φόρτιση ενός πυκνωτή;

Όταν ένας αφόρτιστος ή μερικώς φορτισμένος πυκνωτής συνδέεται σε μια πηγή τάσης της οποίας η τάση είναι μεγαλύτερη από την τάση του πυκνωτή (στην περίπτωση ενός μερικώς φορτισμένου πυκνωτή), ο πυκνωτής δέχεται φορτίο από την πηγή και η τάση στον πυκνωτή αυξάνεται εκθετικά έως ότου είναι ίση και αντίθετη με την τάση της πηγής. Ονομάζεται φόρτιση ενός πυκνωτή.

Επεξήγηση

Θεωρήστε ένα κύκλωμα φόρτισης RC με έναν πυκνωτή (C) σε σειρά με μια αντίσταση (R) και έναν διακόπτη συνδεδεμένο μέσω μιας τροφοδοσίας μπαταρίας DC (Vs). Όταν ο διακόπτης κλείσει για πρώτη φορά στο μηδέν, ο πυκνωτής φορτίζεται σταδιακά μέσω της αντίστασης έως ότου η τάση σε αυτόν να συναντήσει την τάση τροφοδοσίας της μπαταρίας DC.

Με άλλα λόγια, ο πυκνωτής φορτίζεται πλήρως όταν ο διακόπτης είναι ανοιχτός στο t=0. Οι αρχικές συνθήκες του κυκλώματος αντιπροσωπεύονται από t =0, I =0 και q =0, αντίστοιχα. Όταν ενεργοποιείται, ο χρόνος αρχίζει στο t=0 και το ρεύμα ρέει στον πυκνωτή μέσω μιας αντίστασης, συσσωρεύοντας φορτίο.

Σε σχέση με το εξωτερικό κύκλωμα τη χρονική στιγμή t =0, ο πυκνωτής βρίσκεται σε κατάσταση βραχυκυκλώματος αφού η αρχική του τάση στον πυκνωτή είναι μηδέν, δηλαδή Vc =0. Μόνο η αντίσταση R στέκεται εμπόδιο στο μέγιστο του κυκλώματος ροή ρεύματος. Χρησιμοποιώντας τον νόμο περί τάσης του Kirchhoff (KVL), οι πτώσεις τάσης κατά μήκος του κυκλώματος μπορούν τώρα να υπολογιστούν:

Ο νόμος του Ohm I =Vs/R μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον προσδιορισμό του ρεύματος φόρτισης που διέρχεται από το κύκλωμα.

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. Πλήρως φορτισμένος πυκνωτής είναι αυτός που έχει t =, I =0, q =Q =CV, όπου η συνθήκη είναι μεγαλύτερη από 5T.

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-time Constants, ο πυκνωτής σε αυτό το κύκλωμα φόρτισης RC είναι πλέον σχεδόν πλήρως φορτισμένος μετά από μια χρονική περίοδο (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.

Συμπέρασμα

Αυτό το άρθρο εξέτασε εκτενώς την έννοια και την εξήγηση της φόρτισης ενός πυκνωτή. Μερικά σημαντικά σημεία που πρέπει να θυμάστε είναι ότι η τρέχουσα φόρτιση προκαλεί μεγάλη αύξηση του ρεύματος καθώς κλείνει ο διακόπτης, μια σειρά που μπορεί μόνο να επιβραδύνει και κατά τη φάση φόρτισης, μόνο το ρεύμα διαρροής διέρχεται από το διηλεκτρικό.