Condensator într-un circuit de curent continuu cu un film educativ interactiv

Condensatorul din circuitul de curent continuu

Un condensator este încărcat cu o tensiune continuă DC printr-un rezistor de serie ohmic. În timpul procesului de încărcare, curentul și tensiunea din condensator sunt măsurate în funcție de timp. Evaluarea arată că curentul și tensiunea nu au un curs liniar în aceleași intervale de timp. În plus față de comportamentul de rezistență al unui condensator într-un circuit de curent continuu, condensatoarele conectate în serie și condensatoarele conectate în paralel sunt descrise mai jos. La încărcare, fluxurile de energie electrică și încărcăturile electrice sunt transportate. În intervalul de timp (Δt), cantitatea de încărcare transportată prin rezistorul de serie este calculată ca:

ΔQ = I (t) · Δt Condensatorul este încărcat oarecum cu ΔQ, tensiunea sa schimbându-se cu ΔU. ΔQ = C · ΔU Sarcinile ΔQ sunt aceleași, deci laturile din dreapta ale ambelor ecuații sunt la fel. I (t) · Δt = C · ΔU Curentul poate fi înlocuit de tensiune și rezistența de serie. Δt · U (t)/R = C · ΔU Soluționat pentru R · C, se recunoaște că acest produs are dimensiunea timpului în s. Δt U (t)/ΔU = R C R C este definit ca o constantă de timp și primește litera greacă τ (tau).

Constanta de timp τ = R · C

Constanta de timp τ este independentă de curent și tensiune și spune ceva despre viteza la care este încărcat un condensator în circuitul din seria RC. Dacă este specificată capacitatea, încărcarea durează mai mult, cu atât este mai mare valoarea rezistenței. Procesul de încărcare a unui condensator mai mare cu aceeași valoare de rezistență durează, de asemenea, mai mult. Procesele de încărcare și descărcare asociate pot fi vizualizate în următorul videoclip pentru trei combinații R-C diferite.

Rezistorul R limitează curentul de încărcare. Dacă circuitul este închis la momentul t = 0, întreaga tensiune poate fi măsurată numai pe rezistor. La t = 0 condensatorul nu are încărcare și la 0 V nu are tensiune. Cu cât este transportată mai multă încărcare, cu atât este mai mare tensiunea pe condensator. Deoarece R și C formează un circuit în serie, tensiunea pe rezistor trebuie să scadă în consecință în conformitate cu legea lui Ohm și curentul trebuie să scadă. Dacă tensiunea la rezistor a scăzut la jumătate din valoarea inițială, curentul de încărcare este doar la jumătate mai mare. În timpul t = t 1, condensatorul a preluat sarcina Q1 = C · 0,5 · U (ecuația 1).

În diagrama timpului curent, zona de sub curbă corespunde sarcinii condensatorului. Zona gri este un trapez cu aria: Q 1 = (1 + 0,5) · 0,5 · I 0 · t 1 = 0,75 · I 0 · t 1 Cu I 0 = U/R și Eq .1 de mai sus urmează t 1 = 0,667 * R * C
Acest timp se numește timpul de înjumătățire t h al elementului RC. t h = 0,7 * R * C = 0,7 * τ

Atunci când este încărcată la o sursă de tensiune constantă, curba de curent prezentată mai sus este în mare măsură liniară doar într-un timp de înjumătățire. Strict vorbind, curentul de încărcare nu este liniar, dar cu factorul de rotunjire 0,7 oferă o aproximare foarte bună a curbei curente efective. Următoarea diagramă arată procesul exact de încărcare a unui condensator. După aproximativ șapte perioade de înjumătățire, condensatorul poate fi considerat încărcat. Valorile finale exacte de 0% pentru curent și 100% pentru tensiunea condensatorului nu sunt niciodată atinse. Ambele curbe se apropie asimptotic de valorile lor finale.

După ce s-a scurs un timp de înjumătățire t h, curentul de încărcare are încă 50% din valoarea sa inițială. Tensiunea pe condensator a crescut la 50% din valoarea finală. După încă un timp de înjumătățire, curentul de încărcare a scăzut la 25%, iar tensiunea condensatorului a atins 75% din valoarea sa finală. Cei 50% rămași după primul timp de înjumătățire s-au redus la jumătate. Un timp de înjumătățire trece întotdeauna pentru fiecare înjumătățire a procentului rămas. După șapte perioade de înjumătățire, curentul de încărcare a scăzut practic la zero și condensatorul a ajuns la tensiunea finală.

Curbele cu perioade de înjumătățire la fel de mari se numesc funcții naturale sau funcții exponențiale, prescurtate în funcții electronice. Multe procese naturale pot fi descrise cu funcții electronice. Exemple binecunoscute sunt decăderea radioactivă sau procesele de încălzire și răcire.

În diagrama de mai sus, constanta de timp τ a elementului RC este, de asemenea, introdusă pe axa timpului. După ce 1 · τ a trecut, curentul de încărcare a scăzut la 37% din valoarea sa inițială și tensiunea de încărcare a crescut la 63% din valoarea sa finală. Când s-au scurs 5 · τ constante de timp sau 7 · t h timp de înjumătățire, se consideră că procesul de încărcare sa încheiat. Acest timp este denumit și timpul de pornire al elementului RC.

La descărcare, curba de curent și tensiune rulează, de asemenea, în funcție de funcțiile electronice. După 5 · τ curbele au scăzut sub 1% din valoarea lor inițială. Acest timp se numește timpul de oprire a elementului RC. La descărcare, curentul curge în direcția opusă prin rezistor.

Diagrama arată că condensatorul care nu este încă încărcat se comportă ca un scurtcircuit sau o rezistență cu 0 Ω atunci când este pornit. Curentul maxim curge în timp ce nu se poate măsura tensiune pe condensator. După ce a trecut timpul de încărcare de aproximativ 5 τ, condensatorul este practic complet încărcat și nu curge curent. Într-un circuit de curent continuu, condensatorul se comportă ca un rezistor cu o valoare infinit de mare corespunzătoare unei întreruperi. Există un capitol separat pentru rezistența la curent alternativ a unui condensator.

La pornire, condensatorii neîncărcați se comportă ca un scurtcircuit.
În circuitul de curent continuu, condensatorii complet încărcați se comportă ca o întrerupere. Valoarea rezistenței lor este extrem de mare.
Un condensator este încărcat la 63% din valoarea sa finală sau descărcat la 37% din valoarea sa inițială în cadrul constantei de timp 1 · τ a unui element RC.
După 5 · τ, un condensator este considerat practic complet încărcat sau descărcat. Acest timp este denumit și timpul de pornire sau oprire a elementului RC.
Procesul de încărcare și descărcare este descris de o funcție electronică. Timpul de înjumătățire este t h = 0,7 · τ

Funcțiile electronice ale procesului de încărcare și descărcare

Comportamentul de rezistență în circuitul de curent continuu

Cel mai simplu condensator este creat de două suprafețe metalice izolate reciproc, paralele. Instalat într-un circuit, acest lucru este echivalent cu o întrerupere cu o valoare de rezistență extrem de ridicată. Dacă valoarea rezistenței a externat Dacă se măsoară condensatorul, contorul arată o valoare sau întrerupere extrem de mare.

Valorile curentului și tensiunii se schimbă în timpul procesului de încărcare. În orice moment din timpul transferului, valoarea rezistenței asociate poate fi calculată din valorile de curent și tensiune lizibile folosind legea lui Ohm. În timpul timpilor de încărcare, rezistența unui condensator este dependentă de timp și nu este constantă. Tabelul prezintă factorii de rezistență care pot fi calculați utilizând legea lui Ohm pentru primele cinci perioade de înjumătățire.

t H/s U (t)/V I (t)/A R (t)/Ω

0	1	2	3	Al 4-lea	5
0	0,5	0,75	0,875	0,9375	0,96875
1	0,5	0,25	0,125	0,0625	0,03125
0	1	3	Al 7-lea	15	31

În momentul de comutare la momentul t = 0, factorul de rezistență R (t) = 0 Ω. Condensatorul se comportă ca un scurtcircuit. Cu timpul, valoarea rezistenței crește exponențial și tinde spre o valoare foarte mare. Deoarece valoarea curentă practică I (t) = 0 după reîncărcare, R (t) se apropie de infinit. Funcția de timp a ecuației de rezistență (1) poate fi, de asemenea, derivată matematic din funcțiile de timp pentru curent și tensiune. Calculele arată, de asemenea, relația exactă dintre timpul de înjumătățire și constanta de timp.

instructiuni de siguranta

Un condensator încărcat este un depozit de energie și are proprietățile unei surse de tensiune. Deoarece curentul maxim curge în primul moment de descărcare, condensatorul se comportă ca o sursă de tensiune ideală în acest moment. Prin urmare, descărcarea de scurtcircuit ar trebui evitată. În cazul unui scurtcircuit, condensatorii cu capacități mari generează un impuls de curent de câteva mii de amperi, care poate distruge componenta. Trebuie respectate următoarele măsuri de siguranță:

Condensatoarele de mare capacitate trebuie încărcate numai cu un curent limitat printr-un rezistor.
Condensatoarele încărcate nu trebuie lăsate acolo unde pot fi atinse.
Condensatoarele trebuie descărcate înainte de a fi instalate sau scoase din circuite.
Condensatoarele cu capacități mari ar trebui să fie descărcate doar într-o măsură limitată printr-un rezistor de sarcină.

Conexiunea în serie a condensatoarelor

Dacă condensatorii de același tip sunt conectați în serie, ne putem imagina un condensator de schimb a cărui distanță între plăci sau plăci este egală cu suma distanțelor individuale între plăci. Capacitatea este invers proporțională cu distanța dintre tampoane. Când condensatorii sunt conectați în serie, capacitatea totală este mai mică decât cea mai mică capacitate individuală.

Dacă în circuitul de curent continuu sunt conectați în serie condensatori diferiți, atunci toți condensatorii primesc aceeași cantitate de încărcare. Dacă condensatorul cu cea mai mică capacitate este complet încărcat, nu mai curge curent de încărcare, deoarece acest condensator nu mai poate accepta nicio încărcare. Procesul de încărcare a tuturor condensatoarelor este finalizat și următoarele se aplică încărcării totale:

Q = U 1 * C 1 Q = U 2 * C 2 Q = U 3 * C 3

Tensiunea U care se aplică conexiunii în serie este egală cu suma tensiunilor parțiale. Capacitatea totală a condensatorilor conectați în serie este încărcată de U pentru a încărca Q.

Q = C · U cu U = U 1 + U 2 + U 3

Prin inserarea și remodelarea capacității totale a oricăror condensatori conectați în serie, se obțin următoarele:

Dacă condensatorii sunt conectați în serie, suma valorilor reciproce ale capacităților individuale este egală cu valoarea reciprocă a capacității totale.
Capacitatea totală a condensatoarelor conectate în serie este întotdeauna mai mică decât cea mai mică capacitate individuală.

În tehnologia de curent alternativ, conexiunea în serie a condensatorilor are un comportament diferit. Divizorul de tensiune capacitiv, care este descris într-un capitol separat, are o importanță deosebită.

Conexiunea paralelă a condensatoarelor

Dacă doi condensatori de același tip sunt conectați în paralel, se adaugă doar zonele de acoperire. Distanța dintre plăci și dielectric rămâne aceeași. Capacitatea este direct proporțională cu suprafața. Capacitatea totală este calculată prin adăugarea valorilor capacității individuale. Schița ilustrează această afirmație.

În conexiunea paralelă, toți condensatorii sunt la aceeași tensiune și preiau sarcini în funcție de valoarea capacității lor.

Q 1 = C 1 * U Q 2 = C 2 * U Q 3 = C 3 * U

Taxa totală preluată corespunde sumei taxelor individuale. La tensiunea U, această sarcină are apoi un condensator cu capacitatea totală care urmează să fie determinată.

Q = Q 1 + Q 2 + Q 3 cu Q = C * U

Prin inserarea și transformarea ecuațiilor, capacitatea totală este obținută ca suma valorilor capacității individuale. Această afirmație se aplică oricărui număr de condensatori conectați în paralel.

C = C 1 + C 2 + C 3 +. + C n

Capacitatea totală a condensatoarelor conectate în paralel este suma capacităților individuale.

Proprietățile condensatoarelor din circuitul de curent alternativ sunt tratate în diferite locuri ale proiectului web. Rezistența AC a unui condensator ideal este descrisă într-un capitol. În domeniul tehnologiei analogice, multe circuite cu combinații RC și RCL sunt tratate mai detaliat pentru gama de curenți alternativi.

intimitate
imprima
a lua legatura
△