Кондензаторско однесување на кондензаторите во DC и AC кола
Следното опишува како кондензаторот се однесува со DC и AC напон. За основно разбирање, не е потребно никакво математичко знаење, само здрав разум и знаење за тоа како е структурирано и како работи. За жал, не можете да избегнете малку математика за да ја пресметате кривата на струјата за синусоидалниот напон. Ако имате завршено средно училиште, треба да можете лесно да ја следите пресметката со знаење што го стекнувате на курсот за основна математика во горното ниво. Ако не знаете многу за поимите „синус“ и „дериват на функција“, треба да ги превидите пресметките и само да се обидете да разберете како таа работи. Потребно ви е математичко знаење за да извршите пресметки, но не мора да ви е потребно за да ги разберете односите.
Кондензатор и DC напон
Електроните што беа „испумпани“ на негативно наелектризираната плоча недостасуваат на другата плоча. Поради недостаток на електрони, оваа плоча сега е позитивно наелектризирана (поради позитивниот полнеж на металните јони). Целиот процес на акумулирање на електрони на негативната плоча и нивно цицање од позитивната плоча е познат во техничкиот жаргон како полнење на кондензатор. Ако сега го измерите напонот помеѓу двете плочи со волтметар, ќе откриете дека тој одговара точно на работниот напон. Ова не е изненадувачки, бидејќи горната плоча е поврзана директно со позитивниот пол, а долната со негативниот пол.
Нема понатамошен проток на струја по процесот на полнење, под услов напонот да остане постојан и да нема друга промена. Ако сега го исклучите кондензаторот од изворот на напон, електроните остануваат таму каде што се; кога ќе се исклучите, тие немаат шанси да течат на друго место. Ако поврзете мала светилка со кондензаторот, на пример, електроните со „притисок“ на негативно наелектризираната плоча добиваат шанса да го намалат овој „притисок“ и да течат преку ламбата до позитивната плоча се додека истиот број на електрони не се на двете плочи тоа е, сè додека сите дополнителни електрони не се вратат во плочата од која првично дошле. Ова празнење се случува исто како и полнењето многу брзо, така што светилката трепка само кратко.
Веројатно сте слушнале за фактот дека кондензаторот го блокира DC напонот. Но, веднаш над тоа беше објаснето дека струјата тече кога ќе ја вклучите. Ова не е противречност затоа што вклучувањето е промена и затоа не е DC напон. Ако стабилната состојба е постигната по многу кратко време (кондензатор наполнет), нема струја. Ова е токму она што се подразбира кога ќе кажете дека кондензаторот блокира DC напон. Бидејќи струјата може да тече само кога се менува напонот на кондензаторот.
Кондензатор со квадратни бранови
Кривата на напон директно зад прекинувачот е прикажана со сина боја. Со вклучување, напонот на напојувањето скока напред и назад помеѓу + U B и -U B во согласност со положбата на прекинувачот. Тековната крива нацртана со црвена боја одговара на реалноста, т.е. земајќи ги во предвид реалните отпори на линијата. Колку се поголеми овие отпори на линијата, толку е помала струјата во моментот на вклучување. Врвната струја I max означена на горенаведената слика се пресметува според законот на Ом од работен напон U B и отпор, со многу високи вредности дури и при низок напон поради нормално многу ниските отпори на линијата. Сепак, оваа струја тече само за исклучително кратко време.
Ако користите подолго водство до кондензаторот, отпорот на линијата се зголемува, што значи дека врвната струја I max се намалува. Во исто време ќе се открие дека импулсите на кратката струја траат подолго. Објаснувањето за овој феномен е едноставно: при одреден напон, бројот на електрони пренесени од едната до другата плоча зависи само од капацитетот на кондензаторот и напонот. Отпорот гарантира дека електроните не можат да го направат тоа толку брзо колку што сакаат, туку го ограничува бројот на електрони по единица време. Бидејќи вкупниот број на електрони што треба да се преуредат не се менува, овој процес трае подолго со голема отпорност отколку со мал.
Како што можете да видите, струјата веднаш скока до максималната вредност, а потоа се намалува многу брзо, а потоа се повеќе и побавно. Причината за ова е што во моментот на вклучување на кондензаторот се полни или на + U B или -U B и одеднаш се применува напон на спротивниот поларитет. Разликата на напонот е максимална, така што струјата ограничена со отпорниците на линијата е исто така максимална. Струјата го полни кондензаторот во спротивна насока од првичното полнење, што значи дека неговиот напон е еднаков на напонот зад прекинувачот (т.е. + U B или -U B). Разликата во напонот се намалува, така што струјата исто така се намалува како резултат. Како што струјата се намалува, кондензаторот го менува својот напон помалку брзо, поради што струјата се намалува побавно како резултат.
За да се заклучат набудувањата за тоа како кондензаторот реагира кога работи со напон на квадратен бран, следи мала корекција: Строго кажано, дијаграмот на колото е неточен. Во дијаграмите со електрични кола, генерално се претпоставува дека линиите немаат отпор. Сепак, линиските отпори играат голема улога во овие размислувања. Ако сакате да ги опишете реалните услови во кои играат улога многу малку ниските отпори, што нормално може да се занемарат, мора да ги претставите како компонента, т.е. како отпор:
Тука излегуваат на виделина дополнителни отпори. Освен линискиот отпор R, внатрешниот отпор R i изворот на напон и контактниот отпор R контактот на прекинувачот се појавуваат во дијаграмот на колото. Бидејќи има 2 контакти и 2 линии (напред и линија за враќање), R и R контактот се достапни двапати. Ефективниот целосен отпор, кој е одговорен за тековното ограничување, произлегува од додавањето на сите отпори.
Општа пресметка на кривата на струја
Како што видовме погоре, напоните на квадратни бранови резултираат во големи струи на рабовите на прекинувачот, кои се ограничени само од отпорите на линијата. Ако кондензаторот е наполнет и напонот останува постојан, нема струја. Значи, струјата тече само кога се менува напонот. Во случај на напон на квадратни бранови, промената на напонот е екстремна бидејќи веднаш го менува поларитетот. Стапката на промена е бесконечно висока, што е и причина за големите струи, бидејќи електроните треба да течат од горната плоча до долната плоча или обратно за многу кратко време.
Но, што се случува ако стапката на промена на применетиот напон е бавна? Одговорот е дека тогаш струјата е исто така мала. Бидејќи ако напонот се зголеми само малку по единица време, само малку повеќе електрони можат да се сместат на плочата на кондензаторот. Неколку електрони по единица време се, како што е познато, синоними за мала струја. Бранова форма во која ова може да се забележи многу убаво е триаголен напон:
Како што можете да видите, напонот се зголемува со постојан наклон додека не ја достигне позитивната врвна вредност. Потоа паѓа со постојан градиент до негативната врвна вредност, каде што има уште една промена на поларитетот. За време на зголемувањето на напонот со постојан градиент, се случува токму она што е опишано погоре: Постојан број на електрони по единица време тече од горната до долната плоча на кондензаторот, т.е. струјата е постојана. Ако напонот падне, протокот на струја е обратен, односно сега тече постојана негативна струја. Во моментот во кој се менува насоката на промената на напонот, протокот на струјата се враќа веднаш. Резултатот е дека струјата има правоаголна форма. Бидејќи стапката на промена е ограничена, струјата е релативно ниска, така што линиските отпори не играат значајна улога.
Ако ја зголемите фреквенцијата додека ја одржувате истата амплитуда, ќе откриете дека и струјата се зголемува. Објаснувањето е едноставно: Напонот мора да расте или паѓа побрзо по единица време за да се постигне позитивната или негативната врвна вредност за пократко време. Поголем градиент значи дека треба да се преуредат повеќе електрони по единица време, што е еквивалентно на поголема струја. Колку е голема струјата зависи не само од брзината на промена на напонот, туку и од капацитетот на кондензаторот, бидејќи тоа е одлучувачко за тоа колку електрони треба да се преместат од една на друга плоча кога ќе се примени одреден напон. Математички, тековната крива може да се опише како производ на капацитетот и кривата на брзината на промена на напонот, т.е.
I (t) = C * v (t); v (t) = стапка на промена на напон
Стапката на промена на напонот може да се одреди на следниов начин: Измерете го напонот и забележете го времето. Оваа прва измерена вредност на напонот е означена како U1, а времето како T1. Напонот повторно се мери подоцна. Оваа измерена вредност е означена како U2, а времето како T2. Стапката на промена на напонот може да се пресмета со делење на промената на напонот (т.е. U2-U1) со времето потребно за промената (т.е. T2-T1). Во математиката, разликите се означуваат со грчкиот симбол Δ (= Делта), така што U2-U1 може да се запише и како ΔU и T2-T1 како Δt. Ова резултира во следнава формула за пресметување на струјата:
Тука има само еден проблем: Ако мерите само на две точки, можете да ја одредите само просечната стапка на промена, бидејќи кривата на напон помеѓу двете мерни точки не е земена во предвид. Сепак, кондензаторот реагира на моменталната вредност, а не да значи на вредностите. Со цел да се одреди моменталната вредност на стапката на промена, времетраењето на мерењето мора да биде многу кратко. Математички методи може да се користат за да се намалат буквално на нула и со тоа да се одредат моменталните вредности на струјата со пресметување дали се знае облината на обликот на напонот. Ова може да се искористи за да се пресмета како кондензаторот реагира на промените на напонот во кое било време. Методот на пресметка се нарекува диференцијален калкулус и го изразува тоа со употреба на друга нотација: Ултра краткото време на мерење се нарекува dt (наместо Δt) и минималната промена на напонот е dU (наместо ΔU). Количникот dU/dt е градиент на облината на кривината на напонот во секоја одделна точка од обликот на кривината и со тоа моменталната вредност на брзината на промена на напонот. Математички, dU/dt се нарекува 1-ви дериват на функцијата U (t). Инстантната вредност на струјата може да се пресмета со користење на следнава формула:
Оваа формула е валидна за сите форми на сигнал за кои постои 1-ви дериват. Ова е случај за сите реални форми на сигнал. Синусоидалните кривини на напон играат голема улога во електротехниката. На пример, кривата на напон на струјата од штекерот е синусоидална. Следниот пример покажува што се случува кога кондензаторот е поврзан со синусоидалниот напон во мрежата.
Кондензатор при синусоидален напон
Електричниот напон е синусоидален, т.е. неговиот тек може да се опише математички со функција на синус. Едноставен грев (x), како што можеби го знаете од училиште, не е доволен, бидејќи вредноста на функцијата sin (x) варира само помеѓу -1 и 1, е бездимензионална и функција на аголот. Од друга страна, напонот во мрежата не е бездимензионален, но има единица волт и варира помеѓу и Ова е врвната вредност; познатата вредност е ефективната вредност. Затоа, мора да се помножи синусната функција со, за да се добие точната амплитуда. Покрај тоа, функцијата sin (x) се дефинира како функција на аголот, со циклус што се движи од 0 до 2π (што одговара на 0 до 360 °). Сепак, напонот во мрежата е континуиран процес, т.е. серија од многу циклуси кои работат на одредена фреквенција. Затоа, мора да се избере аргументот на синусната функција на таков начин што 2π се достигнуваат кога ќе помине времето на циклусот. Функцијата што го опишува текот на напонот во мрежата е:
U (t) = 325 V * sin (2π * f * t); f = фреквенција на напон во мрежата (50 Hz)
На мрежната фреквенција има време на циклус од, т.е. еден циклус се повторува секој пат. Тековниот курс може да се пресмета со земање на 1-виот дериват на U (t). Првиот дериват на гревот (x) е cos (x). Како и да е, не можете едноставно да го замените синусот со косинус во формулата. Бидејќи математички, U (t) е функција од типот чиј 1-ти дериват е. Како знаеш? Секој што е математички надарен, може самиот да го изведе 1-от извод. Инаку, помага и збирка математички формули, во кои можете да најдете бројни т.н. прототипови на функции и нивни деривати. Во нашиот пример, постојаната k одговара на факторот и константата m на факторот. Ова резултира во тековната крива до
I (t) = C * dU/dt = C * U 0 * 2π * f * cos (2π * f * t)
Изразот е константа на постојана фреквенција и постојана амплитуда (што секогаш се однесува на мрежната фреквенција) и одговара на врвната вредност I 0 на струјата, така што горната формула може полесно да се запише:
I (t) = I 0 * cos (2π * f * t))
Струјата има кривина во форма на косинус и, како што се очекуваше, има иста фреквенција како напонот што ја предизвика. Функцијата на косинус изгледа како функција на синус, но се менува фаза за 90 °, т.е. ја води синусната функција со фазно поместување од 90 °. Затоа често се вели дека струјата го води напонот во кондензаторите (напон може да биде присутен на кондензаторот само ако претходно тече струја во него). Кривите на напон и струја се скицираат во:
Ако фреквенцијата е зголемена додека амплитудата на напонот е константна, стапката на промена на напонот се зголемува бидејќи за циклус е достапно помалку време. Бидејќи ист број на електрони треба да се преместат за пократко време, амплитудата на струјата се зголемува. Ова може да се види во формулата за пресметување на струјата од фактот дека струјата е пропорционална на фреквенцијата f. Кога фреквенцијата е двојно поголема, струјата се удвојува.
Потрошувачка на енергија
Кондензаторот не троши никаква моќност во просек со текот на времето, иако трајно се применува наизменичен напон, а трајно тече и наизменична струја. Ова во никој случај не е мистерија, бидејќи кондензаторот циклично ја троши енергијата и само подоцна го ослободува. Кондензаторот работи на сличен начин како акумулаторот: тој се полни и подоцна ја ослободува струјата на полнење. За разлика од акумулаторот, сепак, ефикасноста на кондензаторот е значително подобра, имено скоро 100%: освен малите загуби на диелектрик и изолација, тој обезбедува точно потрошена енергија што претходно ја потрошил.
| Легенда: | = = | Упатување на друга датотека (време на вчитување) | = = | Референца во рамките на тековната страница (пристап без време на вчитување) | ||
| = = | Следува адреса за е-пошта | = = | Ова е преземање |
Сите слики и текстови се заштитени со авторско право и се во сопственост на Крис Каспари (освен ако не е поинаку наведено). Се применуваат општите .
Пораките за грешки се секогаш добредојдени (за опции за контакт, видете Барам за разбирање дека поради недостаток на време, не сум во можност да одговорам на прашања и, секако, не нудам индивидуален совет. За прашања во врска со грижата за растенијата, фотографиите и технологијата, сепак, постојат различни („црни табли“) за отстранување.
Последно ажурирање на оваа страница: 28.01.2018 (подредените страници може да бидат понови)