Kondensatoriaus vadovas: serija Vs.Lygiagrečios konfigūracijos

Elektros inžinerijoje kondensatoriai rodo daugybę naudojimo būdų, ypač kai jie yra išdėstyti nuosekliai arba lygiagrečiai grandinėse.Šie susitarimai turi įtakos elektrinių sistemų talpumui, energijos kaupimui ir efektyvumui.Šiame straipsnyje nagrinėjama, kaip kondensatoriai veikia nuosekliai ir lygiagrečiomis sąrankomis, naudodamiesi pavyzdžiais ir teorija, kad paaiškintumėte jų skirtumus.Ja siekiama aiškiai suprasti, kaip efektyviai naudoti kondensatorius įvairiose technologijose, pradedant nuo kasdienės elektronikos ir baigiant pažengusiomis pramonės mašinomis.

Katalogas

1 paveikslas: Kondensatoriaus grandinė

Kondensatoriai elektros grandinėse

Elektros grandinėse, Kondensatoriai Pasiekite tikslą tiek saugoti, tiek išleidžiant elektrinį krūvį.Jie turi dvi laidžias plokšteles, atskirtas izoliuojančiu dielektriku.Jų gebėjimas sulaikyti mokestį matuojamas Faraduose.

2 paveikslas: kondensatorius

Kondensatoriai gali būti sujungti serijomis arba lygiagrečiai.Iš eilės daugiau kondensatorių sumažina bendrą talpą, naudingą siekiant mažesnės talpos.Lygiagrečiai daugiau kondensatorių padidina bendrą talpą, idealiai tinkančią didelei talpai mažose vietose, pavyzdžiui, maitinimo šaltinio filtrai.Dielektrinė medžiaga daro įtaką kondensatoriaus našumui, nustatant maksimalų krūvį, skilimo įtampą ir grandinės dažnio atsaką.Pažangios kondensatoriai naudoja tokias medžiagas kaip keramikos, tantalo ar polimerų elektrolitų, kad būtų didesnė talpa, temperatūros stabilumas ir mažas nuotėkis.

3 paveikslas: kondensatorius

Kondensatorių savybės serijose ir lygiagrečiai

Štai paprastas jų savybių paaiškinimas ir tai, kaip šios konfigūracijos gali būti išdėstytos siekiant gauti norimą talpą.

Kondensatoriai serijoje

4 paveikslas: talpos serija

Kai jungiate kondensatorius serijomis, bendra talpa tampa mažesnė.Taip atsitinka todėl, kad mokestis turi keliauti per daugiau medžiagų, todėl sunkiau laikyti įkrovimą.Bendra talpa (1/c_{iš viso}) yra kiekvieno individualaus kondensatoriaus abipusių asmenų suma (1/c₁ + 1/c₂ + ... + 1/c_n).Bendra talpa visada yra mažesnė už mažiausią kondensatorių serijoje.Bendros talpos apskaičiavimo nuoseklumui formulė yra:

Rinkdamiesi kondensatorius, kad atitiktų konkrečius talpos reikalavimus, grandinės dizaineriai turi atsižvelgti į šią funkciją.Praktiniai apribojimai, tokie kaip erdvės ir taikymo poreikiai, gali apriboti kondensatorių skaičių nuosekliai, o įvairus įtampos pasiskirstymas gali padidinti sudėtingumą, nebent kondensatoriai būtų identiški.

Kondensatoriai lygiagrečiai

5 paveikslas: Talpos lygiagrečiai

Kai kondensatoriai yra sujungti lygiagrečiai, bendra talpa padidėja.Taip yra todėl, kad visų kondensatorių kombinuotas paviršiaus plotas leidžia daugiau įkrovimo laikyti toje pačioje įtampoje.Bendra talpa (c_{iš viso}) yra kiekvieno kondensatoriaus talpų suma (c₁ + C₂ + ... + c_n).Bendra talpa bus didesnė už didžiausią vienkartinį kondensatorių.Lygiagrečios talpos apskaičiavimo formulė yra tokia:

Nors neribotas skaičius kondensatorių gali būti sujungtas lygiagrečiai, praktiniai apribojimai, tokie kaip fizinė erdvė, grandinės tikslas ir projektavimo apribojimai, dažnai riboja skaičių.Aukštos kokybės kondensatoriai, turintys tinkamą įtampos reitingą ir nuokrypius, yra tinkami patikimam grandinės veikimui.Ši formulė leidžia tiksliai valdyti talpos vertes, leidžiančias dizaineriams optimizuoti grandinės elgseną, energijos vartojimo efektyvumą ir našumą, todėl tai yra elektronikos ir elektros inžinerijos kertinis akmuo.

6 paveikslas: serija ir lygiagrečiai

Serijos kondensatorių grandinė ir pavyzdys

Serijos kondensatoriaus grandinėje yra kondensatoriai, sujungti nuosekliai tuo pačiu keliu, užtikrinant, kad identiški krūviai ar srovės eina per kiekvieną komponentą.Tai garantuoja vienodą srovės srautą per kondensatorius - tai yra esminis aspektas, norint suprasti tokių grandinių elgesį.

7 paveikslas: serijos kondensatoriaus grandinė

Serijos sąrankoje kiekvienas kondensatorius turi tvarkyti tą patį mokestį.Kai taikomas nuolatinės srovės įtampos šaltinis, serijos jungtis diktuoja, kuri įkrauna perskirstymą išilgai kondensatorių, kad išlaikytų šią pusiausvyrą.Pavyzdžiui, jei įtampos šaltinis yra prijungtas per kondensatorius c₁, C₂, ir c₃ Esant atitinkamai 2f, 4f ir 6f reikšmėms, įvyksta šie:

• Dešinė C pusė₃ Teigiamai įkrauta dėl elektronų pritraukimo prie teigiamo akumuliatoriaus gnybto.

• Šis elektronų deficitas c₃Dešinė plokštelė sukelia panašų C deficitą₂Dešinė plokštė ir nuosekliai tas pats efektas atsiranda C1.

• Ši grandininė reakcija per kondensatorius užtikrina vienodą krūvio pasiskirstymą.

Pavyzdys:

Atsižvelgiant į talpą c₁= 2f, c₂= 4f, c₃= 6F ir 10 V nuolatinės įtampos, mes galime nustatyti krūvio ir įtampos pasiskirstymą:

8 paveikslas: mėginių serija

Apskaičiuojant cTOTAL, gaunama maždaug 0,92F.

Naudojant q = c × v, kur q yra krūvis, o V yra įtampa:

Taigi kiekvienas kondensatorius turi 9,2 ° C mokestį.

Kiekvieno kondensatoriaus įtampa randama naudojant v = cq:

Atskirų įtampų suma, v₁+V₂+V₃, turėtų būti lygus šaltinio įtampai (10 V).Čia jis apskaičiuojamas maždaug 8,43 V, tai rodo galimą apvalinimo ar skaičiavimo paklaidą pradiniuose įvertinimuose ar prielaidose.

Lygiagrečia kondensatoriaus grandinė ir pavyzdys

Lygiagrečia kondensatoriaus grandinė yra elektroninė sąranka, kurioje kondensatoriai yra sujungti į šoną per įprastus taškus, leidžiančius kiekvienam veikti nepriklausomai pagal tą pačią įtampą.Tai skiriasi nuo serijų grandinių, kai kondensatoriai turi mokestį.

9 paveikslas: Lygiagrečia kondensatoriaus grandinė

Lygiagrečiai kiekvieno kondensatoriaus įtampa yra vienoda.Tačiau kiekvieno kondensatoriaus saugyklos mokestis skiriasi priklausomai nuo jo talpos.Didesnė talpa reiškia, kad kondensatorius gali laikyti didesnį mokestį.Pvz., Jei turime 8 faradų (F) ir 4F kondensatorius, 8F kondensatorius saugos daugiau įkrovimo nei 4F kondensatorius, kai abu yra vienoda įtampa.

Vienas pagrindinis lygiagrečių kondensatorių pranašumas yra bendro talpos padidėjimas.Skirtingai nuo serijų grandinių, kai bendra talpa yra mažesnė už bet kurį individualų kondensatorių, lygiagrečiai, bendra talpa yra visų individualių talpų suma.Taip atsitinka todėl, kad plokštės sritis efektyviai didėja nekeičiant atstumo tarp jų, padidindamas grandinės galimybes laikyti įkrovą.

Pavyzdys:

10 paveikslas: Mėginio lygiagrečiai

Apsvarstykite grandinę su trim kondensatoriais, sujungtais lygiagrečiai su 10 V DC maitinimo šaltiniu.Kondensatoriai turi šias talpos: c₁ = 8f, c₂ = 4f, ir c₃ = 2f.Kiekvienas kondensatorius patiria tą patį 10 V, tačiau saugo skirtingus mokesčius, atsižvelgiant į jų talpą:

Kondensatorius c₁: Naudodamas 8F, jis kaupia 80 kulnų (C) krūvį, apskaičiuotą kaip q = c × v, kuris yra 8F × 10 V = 80c.

Kondensatorius c₂: Naudodamas 4F, jis kaupia 40 ° C įkrovą, apskaičiuotą kaip 4F × 10 V = 40c.

Kondensatorius c₃: Naudodamas 2F, jis kaupia 20 ° C įkrovą, apskaičiuotą kaip 2F × 10 V = 20c.

Bendras mokestis grandinėje yra visų mokesčių suma: q_T= Q.₁+Q.₂+Q.₃= 80c+40c+20c = 140c

Šis papildymas parodo, kaip lygiagrečioji kondensatoriaus grandinė padidina krūvio saugojimą, derinant atskirų kondensatorių talpą.Lygiagrečia kondensatoriaus grandinė padidina bendrą talpą ir įkrovimo talpą, kiekvienas kondensatorius patiria tą pačią įtampą.

Energija, kaupiama kondensatoriuose iš eilės ir lygiagrečiai

Norėdami suprasti, kaip energija kaupiama kondensatoriuose, išdėstytuose serijose ar lygiagrečiuose, mes pradedame nuo pagrindinės energijos, kaupiamos viename kondensatoriuje, formulę:

Čia, u_C yra energija džauliuose, q yra krūvis kulnuose, o C yra talpa Faraduose.

Energija serijos kondensatoriais

Kondensatoriams iš eilės apsvarstykite du kondensatorius, kurių talpos C1 ir C2 talpos.Kiekvieno kondensatoriaus krūvio ir įtampos santykis yra C = VQ.Serijos konfigūracijoje tas pats mokestis Q yra kiekvienam kondensatoriui:

Bendra sistemoje saugoma energija yra individualių energijų suma:

Tai rodo, kad efektyvi serijų kondensatorių talpa yra abipusė individualių talpų suma, kuri sumažina bendrą talpą ir keičia energijos kaupimąsi, palyginti su vienos ar lygiagrečiomis konfigūracijomis.

Energija lygiagrečiais kondensatoriais

Kondensatoriams lygiagrečiai kiekvienas kondensatorius turi tą pačią įtampą.Kiekvieno energijos galima išreikšti naudojant įtampą pagrįstą formulę:

Jei du kondensatoriai c₁ ir c₂ yra lygiagrečiai ir turi tą pačią V įtampą V visoje vietoje, jų bendras energijos kaupimas yra:

Šis skaičiavimas rodo, kad bendra lygiagrečių kondensatorių talpa yra individualių talpų suma, kuri padidina bendrą energiją, palyginti su atskiromis ar serijos konfigūracijomis.

Kondensatorių privalumai ir trūkumai serijoje

Naudojant kondensatorius serijose, suteikia tam tikrų pranašumų, įskaitant padidėjusią bendrą darbo įtampą.Ši konfigūracija taip pat leidžia efektyvesnį įtampos balansavimą, ypač kai kiekviename kondensatoriuje dedami didelės vertės rezistoriai (maždaug 100 kΩ ar didesnė), kad būtų užtikrintas tolygesnis įtampos pasiskirstymas.

Naudojant kondensatorius serijose, yra trūkumų, įskaitant nevienodo įtampos dalijimosi problemą.Nuotėkio srovių pokyčiai, ypač elektrolitinių kondensatorių, gali sukelti vieną kondensatorių, kuris patiria per didelę įtampą, o tai gali sukelti pažeidimą.Nedideli gamybos ar senėjimo normų skirtumai taip pat prisideda prie nuotėkio srovės pokyčių, turinčių įtakos įtampos pasiskirstymui.Nuotėkio srovė elektrolitiniuose kondensatoriuose laikui bėgant didėja, ypač jei jie nėra reguliariai naudojami.Net ir esant balansavimo rezistoriams, reikia palikti kraštą darbinės įtampoje, ypač elektrolitiniams kondensatoriams, kad būtų užtikrintas patikimas veikimas.

Kondensatorių pranašumai ir trūkumai lygiagrečiai

Padidėjęs energijos kaupimas: jungiamieji kondensatoriai lygiagrečiai kaupia daugiau energijos nei tada, kai jie yra nuosekliai, nes jų bendra talpa yra visų individualių kondensatorių suma.

Geresnis įtampos balansas: lygiagrečiai kondensatorių bankai pasiekia geresnį įtampos balansą su mažiau balansuojančių rezistorių, sumažina sąnaudas ir galios nuostolius.

Ekonominis efektyvumas: Mažiau balansuojančių rezistorių lygiagrečiai jungtys sutaupo pinigų ir supaprastina sistemą.

Įtampos apribojimas: lygiagrečioje grandinėje visi kondensatoriai turi tą pačią įtampą.Maksimalią įtampą riboja žemiausio lygio kondensatorius.Pavyzdžiui, jei vienas kondensatorius yra įvertintas 200 V, o kitos - 500 V, visa sistema gali valdyti tik 200 V.

Saugos rizika: lygiagrečiai kondensatoriai kaupia ir greitai išlaisvina didelius energijos kiekius, o tai gali būti pavojinga, jei yra trumpas jungimas, galintis padaryti didelę žalą ir sužalojimus.

Sistemos gedimo rizika: Sudėtinguose išdėstymuose, jei vienas kondensatorius nepavyksta, kiti turi valdyti visą įtampą, dėl kurios galimas visos sistemos gedimas.Ši rizika yra mažesnė serijos jungtyse, kai vieno kondensatoriaus gedimas neturi įtakos kitiems.

Išvada

Šis išsamus kondensatorių žvilgsnis padeda mums suprasti jų funkcijas ir svarbius jų naudojimo šiuolaikinėje elektronikoje aspektus.Serijos sąrankos padidina darbo įtampą ir valdo įtampos pasiskirstymą, tačiau sumažina talpą ir padidina jautrumą variacijoms.Lygiagrečios sąrankos padidina bendrą talpą ir energijos kaupimą, o tai tinka energijos valdymui mažose vietose, tačiau jos gali būti rizikingos, jei vienas kondensatorius nepavyks.Pasirinkimas tarp serijų ir lygiagrečių konfigūracijų priklauso nuo konkrečių inžinerinių poreikių, erdvės balansavimo, išlaidų ir našumo.Teorinės ir praktinės įžvalgos pabrėžia kruopštų kondensatorių pasirinkimą ir grandinės projektą, kad būtų užtikrintos patikimos ir veiksmingos elektros sistemos.

Dažnai užduodami klausimai [DUK]

1. Koks yra serijos kondensatoriaus poveikis?

Serijos kondensatoriai pirmiausia naudojami siekiant sumažinti grandinės varžą aukštesniais dažniais, o tai pagerina galios perdavimą dideliais atstumais ir padidina įtampos reguliavimą.Kai kondensatoriai yra sujungti nuosekliai, bendra talpa mažėja.Ši konfigūracija verčia tą patį krūvį praeiti per visus kondensatorius, todėl kiekvieno kondensatoriaus vertė padalijama visoje įtampoje kiekviename kondensatoriuje.Ši charakteristika yra ypač naudinga tokiose programose kaip signalo jungtis ir filtravimas, kai tikslas yra blokuoti tiesioginę srovę (DC), tuo pačiu leidžiant kintamą srovę (AC) praeiti.

2. Kada naudoti serijos kondensatorius?

Serijos kondensatoriai naudojami, kai reikia sureguliuoti grandinės varžą, ypač esant aukšto dažnio programoms.Jie taip pat naudojami įtampos padalijimui grandinėje.Galios sistemose serijos kondensatoriai naudojami siekiant padidinti galios perdavimo linijų talpą kompensuodami indukcinį reaktyvumą ilgose perdavimo linijose, taip leisdami didesnei srovei tekėti tokiomis pačiomis įtampos sąlygomis.

3. Kaip sužinoti, ar du kondensatoriai yra nuosekliai?

Du kondensatoriai yra nuosekliai, jei jie yra prijungti nuo galo iki galo, su teigiamu vieno gnybte, sujungtu su kito neigiamu gnybtu, ir yra tik du jungties taškai, apimantys kitus grandinės komponentus.Šis išdėstymas užtikrina, kad per juos tekanti krūvio ir išleidimo srovė yra vienoda.Bendra talpa taip pat gali būti apskaičiuota, kad tai patvirtintų;Serijų kondensatoriams bendros talpos abipusis ryšys yra atskirų talpų abipusiųjų suma.

4. Koks yra lygiagretaus kondensatoriaus poveikis?

Kai kondensatoriai yra sujungti lygiagrečiai, padidėja bendra grandinės talpa.Ši konfigūracija leidžia kiekvienam kondensatoriui laikyti tą pačią įtampą, todėl kondensatorių kaupiasi įkrovos talpa.Paraleliniai kondensatoriai dažnai naudojami stabilizuoti įtampą ir laikyti didesnį krūvį sistemose, kur reikia didesnės talpos, nepadidinant atskirų kondensatorių įtampos.

5. Ar serijos ar lygiagrečios konfigūracija padidina įtampą?

Pati konfigūracija nepadidina pirminės tiekimo įtampos;Tačiau įtampos pasiskirstymas grandinėje skiriasi.Serijos konfigūracijoje įtampa yra padalinta tarp kondensatorių, atsižvelgiant į jų individualias talpos.Priešingai, lygiagrečioje konfigūracijoje kiekvieno kondensatoriaus įtampa išlieka tokia pati kaip tiekimo įtampa.

6. Ar įtampa ta pati lygiagrečiai?

Taip, lygiagrečioje grandinėje kiekvieno kondensatoriaus įtampa yra vienoda ir lygi bendrai įtampai, tiekiančiai grandinei.Šis vienodas įtampos pasiskirstymas daro paralelius kondensatorius, idealus pritaikymui, kuriam reikalinga pastovi įtampa įvairiuose komponentuose.