- Конденсатор в послідовному ланцюзі
- Конденсатор у паралельному ланцюзі
- Конденсатор в ланцюгах змінного струму
Конденсатор є одним з найбільш часто використовуваних електронних компонентів. Він має здатність накопичувати енергію всередині себе у вигляді електричного заряду, що виробляє статичну напругу (різницю потенціалів) на своїх пластинах. Просто конденсатор схожий на невелику акумуляторну батарею. Конденсатор - це просто комбінація двох провідних або металевих пластин, розташованих паралельно, і електрично розділені хорошим ізолюючим шаром (також званий діелектриком), що складається з вощеного паперу, слюди, кераміки, пластику тощо
Є багато застосувань конденсатора в електроніці, деякі з них перелічені нижче:
- Зберігання енергії
- Кондиціонер живлення
- Корекція коефіцієнта потужності
- Фільтрація
- Осцилятори
Зараз суть у тому, як працює конденсатор ? Коли ви підключаєте джерело живлення до конденсатора, він блокує струм постійного струму за рахунок ізолюючого шару і забезпечує наявність напруги на пластинах у вигляді електричного заряду. Отже, ви знаєте, як працює конденсатор і яке його застосування або застосування, але вам доведеться навчитися тому, як використовувати конденсатор в електронних схемах.
Як підключити конденсатор до електронної схеми?
Тут ми на прикладах продемонструємо вам підключення конденсатора та його ефект.
- Конденсатор серії
- Конденсатор у паралелі
- Конденсатор в ланцюзі змінного струму
Конденсатор в послідовному ланцюзі
У схемі при послідовному підключенні конденсаторів, як показано на малюнку вище, загальна ємність зменшується. Струм послідовно через конденсатори дорівнює (тобто i T = i 1 = i 2 = i 3 = i n). Отже, заряд, що зберігається конденсаторами, також однаковий (тобто Q T = Q 1 = Q 2 = Q 3), оскільки заряд, що зберігається пластиною будь-якого конденсатора, походить від пластини сусіднього конденсатора в ланцюзі.
Застосовуючи в схемі Закон напруги Кірхгофа (KVL), ми маємо
V T = V C1 + V C2 + V C3 … рівняння (1)
Як ми знаємо, Q = CV Отже, V = Q / C
Де, V C1 = Q / C 1; V C2 = Q / C 2; V C3 = Q / C 3
Тепер, поклавши наведені вище значення у рівняння (1)
(1 / C T) = (1 / C 1) + (1 / C 2) + (1 / C 3)
Для n числа конденсаторів послідовно рівняння буде
(1 / C T) = (1 / C 1) + (1 / C 2) + (1 / C 3) +…. + (1 / Cn)
Отже, наведене рівняння є рівнянням серійних конденсаторів.
Де, C T = Загальна ємність схеми
C 1 … n = ємність конденсаторів
Рівняння ємності для двох особливих випадків визначено нижче:
Випадок I: якщо є два конденсатори послідовно, при різному значенні ємність буде виражена як:
(1 / C T) = (C 1 + C 2) / (C 1 * C 2) Або, C T = (C 1 * C 2) / (C 1 + C 2)… рівняння (2)
Випадок II: якщо є два конденсатори послідовно, з однаковим значенням ємність буде виражена як:
(1 / C T) = 2C / C 2 = 2 / C Або, C T = C / 2
Приклад для конденсаторної схеми серії:
Тепер у наведеному нижче прикладі ми покажемо вам, як розрахувати загальну ємність та індивідуальне середньоквадратичне падіння напруги на кожному конденсаторі.
Оскільки, відповідно до наведеної вище схеми, є два конденсатори, підключені послідовно з різними значеннями. Отже, падіння напруги на конденсаторах також неоднакове. Якщо ми підключаємо два конденсатори з однаковим значенням, падіння напруги також однакове.
Тепер для загального значення ємності використаємо формулу з рівняння (2)
Отже, C T = (C 1 * C 2) / (C 1 + C 2) Тут, C 1 = 4,7 мкф і C 2 = 1 мкф C T = (4,7 мкф * 1 мкф) / (4,7 мкф + 1 мкф) C T = 4,7 мкф / 5,7 мкф C T = 0,824 мкф
Тепер падіння напруги на конденсаторі C 1 становить:
VC 1 = (C T / C 1) * V T VC 1 = (0.824uf / 4.7uf) * 12 VC 1 = 2.103V
Тепер падіння напруги на конденсаторі C 2 становить:
VC 2 = (C T / C 2) * V T VC 2 = (0.824uf / 1uf) * 12 VC 2 = 9.88V
Конденсатор у паралельному ланцюзі
При паралельному підключенні конденсаторів загальна ємність буде дорівнює сумі всіх ємностей конденсаторів. Оскільки верхня пластина всіх конденсаторів з'єднана між собою, а нижня також. Отже, при дотику один до одного ефективна площа пластини також збільшується. Тому ємність пропорційна відношенню площі та відстані.
Застосовуючи чинний закон Кірхгофа (KCL) у вищезазначеній схемі, i T = i 1 + i 2 + i 3
Як ми знаємо, струм через конденсатор виражається як;
i = C (dV / dt) Отже, i T = C 1 (dV / dt) + C 2 (dV / dt) + C 3 (dV / dt) І, i T= (C 1 + C 2 + C 3) * (dV / dt) i T = C T (dV / dt)… рівняння (3)
З рівняння (3) рівняння паралельної ємності має вигляд:
C T = C 1 + C 2 + C 3
Для n кількості паралельно підключених конденсаторів вищенаведене рівняння виражається як:
C T = C 1 + C 2 + C 3 +… + Cn
Приклад для схеми паралельного конденсатора
На схемі, наведеній нижче, є три конденсатори, підключені паралельно. Оскільки ці конденсатори підключені паралельно, еквівалентна або загальна ємність буде дорівнює сумі індивідуальної ємності.
C T = C 1 + C 2 + C 3 Де, C 1 = 4,7 мкф; C 2 = 1 мкф і C 3 = 0,1 мкф Отже, C T = (4,7 +1 + 0,1) uf C T = 5,8 мкф
Конденсатор в ланцюгах змінного струму
Коли конденсатор підключений до джерела постійного струму, конденсатор починає повільно заряджатися. І коли напруга струму зарядки конденсатора дорівнює напрузі живлення, це означає, що він повністю заряджений. Тут в цьому стані конденсатор працює як джерело енергії, доки подається напруга. Крім того, конденсатори не дозволяють струму проходити через нього після того, як він повністю зарядиться.
Кожного разу, коли на конденсатор подається змінна напруга, як показано вище, суто ємнісна схема. Потім конденсатор постійно заряджається і розряджається до кожного нового рівня напруги (заряди на позитивному рівні напруги і розряд на негативному рівні напруги). Ємність конденсатора в ланцюгах змінного струму залежить від частоти вхідної напруги, що подається в ланцюг. Струм прямо пропорційний швидкості зміни напруги, що подається на ланцюг.
i = dQ / dt = C (dV / dt)
Діаграма фазора для конденсатора в ланцюзі змінного струму
Як ви бачите фазову діаграму конденсатора змінного струму на зображенні нижче, струм і напруга представлені в синусоїді. При спостереженні при 0⁰ струм зарядки досягає свого пікового значення через постійне збільшення напруги в позитивному напрямку.
Тепер, при 90⁰, через конденсатор не протікає струм, оскільки напруга живлення досягає максимального значення. При 180⁰ напруга починає повільно зменшуватися до нуля, а струм досягає максимального значення в негативному напрямку. І знову зарядка досягає свого пікового значення при 360⁰, оскільки напруга живлення є мінімальним.
Отже, з наведеного вище сигналу ми можемо помітити, що струм веде напругу на 90⁰. Отже, можна сказати, що змінна напруга відстає від струму на 90⁰ в ідеальному конденсаторному контурі.
Реактивність конденсатора (Xc) в ланцюзі змінного струму
Розглянемо наведену вище схему, оскільки ми знаємо, що вхідна напруга змінного струму виражається як, V = V m Sin wt
І, заряд конденсатора Q = CV, Отже, Q = CV m Sin wt
І струм через конденсатор, i = dQ / dt
Так, i = d (CV m Sin wt) / dt i = C * d (V m Sin wt) / dt i = C * V m Cos wt * w i = w * C * V m Sin (wt + π / 2) при, wt = 0 sin (wt + π / 2) = 1, отже, i m = wCV m V m / i m = 1 / wC
Як відомо, w = 2πf
Так, Ємнісний реактив (Xc) = V m / i m = 1 / 2πfC
Приклад ємнісного реактивного струму в ланцюзі змінного струму
діаграма
Давайте розглянемо значення С = 2,2 мкФ і напругу живлення V = 230 В, 50 Гц
Тепер ємнісний реактив (Xc) = V m / i m = 1 / 2πfC Тут, C = 2,2 мкф і f = 50 Гц Отже, Xc = 1/2 * 3,1414 * 50 * 2,2 * 10 -6 Xc = 1446,86 Ом