Jak kondensator wygładza energię?

Staram się skupić na działaniu kondensatorów. Rozumiem, że przechowują ładunek i ogólnie rozumiem, jak, ale nie rozumiem, jak ich użycie „wygładza” przepływ ładunku. Czy, powiedzmy silnik, pobór mocy z naładowanego kondensatora nie robi tego samego, gdy pobiera energię ze źródła zasilania? Co to znaczy, że ładunek jest wygładzony i jak?

Kondensatory nie przechowują opłat. To takie bezwartościowe stwierdzenie, ponieważ opiera się na tym słowie „ładunek”, które ma wiele znaczeń. Proszę zapomnij, że to słyszałeś. Nie wygładzają również energii. To, co wygładzają, to napięcie.

Odpowiem na pytanie, ale najpierw musisz naprawdę zrozumieć, jak działają kondensatory.

Kondensatory przechowują energię. W obwodach elektrycznych przepływa ładunek elektryczny . Mierzymy szybkość przepływu ładunku w amperach. Ilość ładunku jest mierzona w kulombach. Ponieważ ładunek nigdy nie jest tworzony ani niszczony , za każdym razem, gdy mierzymy ładunek, zwykle liczymy ładunek przepływający przez bramę metaforyczną. Z wyjątkiem niektórych bardzo nieparzystych obwodów całkowity ładunek w urządzeniu elektronicznym jest również stały. Jest bardzo podobny do zamkniętego układu hydraulicznego: jest w nim trochę płynu i można go przesuwać, ale nigdy nie dostaje się do niego ani nie wycieka. Możesz policzyć, ile płynu przepływa przez jakiś punkt, ale musi skądś pochodzić, a musi płynąć gdzie indziej.

Wyobraź sobie, że masz kuliste naczynie wypełnione płynem. Na środku naczynia znajduje się gumowa płytka, którą można rozciągnąć, popychając płyn z jednej strony i wypompowując go z drugiej. Tak właśnie wygląda kondensator:

Wynika to z doskonałych nieporozumień Billa Beaty'ego .

Kiedy popychasz wodę z jednej strony, z drugiej strony musi wypłynąć równa ilość wody. Ponadto, gdy ta gumowa membrana zostanie rozciągnięta, chce powrócić do stanu prostego. Zatem ciśnienie wody z jednej strony będzie wyższe niż z drugiej. Jeśli zdejmiesz korki i zastąpisz je wężem, woda płynie, dopóki guma nie zostanie rozciągnięta.

Teraz zamień „wodę” na „ładunek elektryczny”, a „ciśnienie” na „napięcie”, a otrzymasz kondensator.

Teraz wyobraź sobie dwa statki, jeden wielkości piłki golfowej i jeden wielkości basenu. Każdy ma membranę o identycznej rozciągliwości na środku. Jeśli przepompujesz łyżkę wody przez naczynie wielkości piłki golfowej, membrana będzie mocno rozciągnięta, w związku z czym różnica ciśnień między bokami będzie duża. Jeśli zrobisz to samo ze zbiornikiem o wielkości basenu, membrana prawie się nie poruszy, a różnica ciśnień będzie tylko nieznacznie większa niż nic.

Taka jest pojemność . Mówi ci, dla danej ilości przemieszczonej wody, jaka jest różnica ciśnień. Mówi ci, dla określonej ilości ładunku elektrycznego przemieszczonego przez kondensator, jakie będzie napięcie. Jest zdefiniowany jako:

Gdzie:

• $C$
• $q$
• $V$

Nie odkładaj słuchawki na „kulomb”. Kulombina to ilość ładunku przemieszczająca się poza punkt, jeśli 1 amper przepływa przez 1 sekundę. Lub 2 amperów na pół sekundy. Lub 1/2 ampera przez 2 sekundy.

Jeśli weźmiesz rachunek różniczkowy, rozpoznasz, że ładunek jest całką prądu. Innymi słowy, ładunek jest prądem, podobnie jak odległość jest do prędkości. Możesz zamienić „amper” na „kulomb na sekundę” - jednostki są dokładnie takie same.

Korzystając z tej wiedzy i odrobiny podstawowego rachunku różniczkowego, można również zdefiniować pojemność w kategoriach napięcia i prądu:

Mówi to: szybkość zmian napięcia w czasie (wolty na sekundę) jest równa prądowi (amperom lub kulombom na sekundę) podzielonemu przez pojemność (farady).

Jeśli masz 1 kondensator farad i przesuwasz przez niego 1 amper (1 kulomb na sekundę), wówczas napięcie na kondensatorze zmieni się w tempie 1 wolta na sekundę.

Jeśli podwoisz tę pojemność, wówczas szybkość zmiany napięcia wyniesie połowę.

I myślę, że tutaj jest odpowiedź na twoje pytanie. Często kondensatory są umieszczane na zasilaczu, aby utrzymać stałe napięcie. Działa to, ponieważ im więcej masz pojemności, tym trudniej jest zmienić napięcie, ponieważ wymaga to większego prądu.

W tym zastosowaniu kondensatory nie wygładzają energii , wygładzają napięcie . Robią to, zapewniając magazyn energii, z którego obciążenie może czerpać w chwilach przejściowego wysokiego prądu. Ułatwia to pracę zasilacza, ponieważ nie musi on radzić sobie z dużymi zmianami prądu. W efekcie kondensator pomaga uśrednić bieżące zapotrzebowanie na obciążenie widziane przez zasilacz.

Kondensatory wygładzające służą do tłumienia tętnień napięcia, zwykle na liniach zasilających. Robią to poprzez okresowe magazynowanie i uzupełnianie energii. Poniższy obraz pokazuje bardzo częsty przypadek użycia tych kondensatorów w prostowniku z pełnym mostkiem.

Jak widać kondensator wygładzający rozładowuje i uzupełnia energię, gdy spada napięcie wyjściowe. To „wyrównuje” napięcie wyjściowe, dlatego kondensator ten nazywany jest kondensatorem „wygładzającym”.

Kondensatory zapewniają iluzję obciążenia, że ​​są podłączone do idealnego źródła napięcia.

Na przykład źródło zasilania ma pewien opór wewnętrzny i może wystąpić znaczna indukcyjność z powodu długich przewodów.

^{symulacja tego obwodu - Schemat utworzony za pomocą CircuitLab}

Dodanie kondensatora pozwala zobaczyć obciążenie w przybliżeniu, Vsgdy przełącznik jest otwarty / zamknięty. W przeciwnym razie napięcie będzie się zmieniać w miarę otwierania / zamykania obciążenia.

Tak, działa w zasadzie w ten sam sposób. Jednak kondensator zwykle ma mniejszą pojemność niż, powiedzmy, akumulator. Po podłączeniu obciążenia do kondensatora jego ładunek i napięcie z czasem będą się zmniejszać. Dlatego nazywa się to gładkim. Bateria robi to dokładnie w ten sam sposób, ale znacznie, znacznie wolniej, ze względu na większą pojemność.

Jest także gładki w sensie wygładzania sygnału napięcia. Jeśli jednocześnie ładujemy i rozładowujemy kondensator za pomocą jakiegoś sygnału o zmiennym napięciu, zrozumiesz, że kondensator ładuje się na rosnących zboczach. Na opadających krawędziach kondensator „pomaga” drugiemu zasilaczowi, co sprawia, że ​​opadające krawędzie są gładsze. W końcu może to doprowadzić do prawie stałego napięcia.

Wyobraź sobie kondensator jako szklankę wody z otworem, więc niezależnie od tego, jak szybko napełnisz szklankę, moc wyjściowa przez otwór jest mniej więcej taka sama. Dokładnie tak działa kondensator, najpierw ładuje się, a następnie zapewnia wyjście, które odfiltrowuje szum i zapewnia czyste wyjście, niezależnie od tego, jak zmienia się wejście.