Как конденсатор сгладить энергию?

Я пытаюсь сосредоточиться на том, как работают конденсаторы. Я понимаю, что они хранят заряд и вообще понимают, как, но я не понимаю, как их использование "сглаживает" поток заряда. Разве, скажем, двигатель, потребляющий энергию от заряженного конденсатора, не делает то же самое, когда потребляет энергию от источника питания? Что значит что заряд сглажен и как ??

Конденсаторы не хранят заряд. Это такое бесполезное утверждение, потому что оно основано на слове «заряд», которое имеет несколько значений. Пожалуйста, забудьте, что вы когда-либо слышали это. Они также не сглаживают энергию. То, что они сглаживают, это напряжение.

Я отвечу на ваш вопрос, но сначала вы должны действительно понять, как работают конденсаторы.

То, что хранит конденсаторы - это энергия. Вещество, которое течет в электрических цепях, является электрическим зарядом . Мы измеряем скорость потока заряда в амперах. Количество заряда измеряется в кулонах. Поскольку заряд никогда не создается и не уничтожается , всякий раз, когда мы измеряем заряд, мы обычно подсчитываем заряд, который течет через метафорические врата. За исключением некоторых очень странных цепей, общий заряд в электронном устройстве также постоянен. Это очень похоже на замкнутую гидравлическую систему: в ней есть жидкость, и вы можете перемещать ее, но никто не входит и не вытекает. Вы можете сосчитать, сколько жидкости проходит через какую-то точку, но она должна откуда-то прийти, и она должна пройти куда-то еще.

Представьте, если бы у вас был сферический сосуд, наполненный жидкостью. Вниз по центру сосуда находится резиновая пластина, которую можно растянуть, толкая жидкость в одну сторону и откачивая ее в другую. Вот на что похож конденсатор:

Это из-за неправильных представлений Билла Бэти о конденсаторах .

Когда вы толкаете воду в одну сторону, такое же количество воды должно выходить с другой стороны. Кроме того, как только эта резиновая мембрана растягивается, она хочет снова стать прямой. Таким образом, давление воды на одной стороне будет выше, чем на другой. Если вы снимите заглушки и замените их шлангом, вода будет течь до тех пор, пока резина не растянется.

Теперь замените «вода» на «электрический заряд», а «давление» на «напряжение», и у вас есть конденсатор.

Теперь представьте себе два судна, одно размером с мяч для гольфа и одно размером с бассейн. Каждый имеет мембрану одинаковой растяжимости посередине. Если вы накачаете столовую ложку воды через сосуд размером с мяч для гольфа, мембрана будет сильно растянута, и, следовательно, разница давлений между сторонами будет большой. Если вы сделаете то же самое с сосудом размером с плавательный бассейн, мембрана почти не будет двигаться, а перепад давления будет чуть больше, чем ничего.

Это и есть емкость . Это говорит вам, для данного количества перемещенной воды, какова разница давления. Он сообщает вам, для определенного количества электрического заряда, прошедшего через конденсатор, какое напряжение будет. Он определяется как:

Где:

• $C$
• $q$
• $V$

Не зацикливайтесь на "кулоне". Кулон - это количество заряда, прошедшего через точку, если в течение 1 секунды течет 1 ампер. Или 2 ампера за полсекунды. Или 1/2 ампер в течение 2 секунд.

Если вы взяли исчисление, то вы поймете, что заряд является интегралом тока. Другими словами, заряд зависит от тока, а расстояние - от скорости. Вы можете заменить «ампер» на «кулон в секунду» - единицы измерения абсолютно одинаковы.

Используя эти знания и немного базового исчисления, емкость также можно определить в терминах напряжения и тока:

Это говорит о том, что скорость изменения напряжения во времени (вольт в секунду) равна току (в амперах или кулонах в секунду), деленному на емкость (в фарадах).

Если у вас есть конденсатор емкостью 1 фарад, и вы проходите через него 1 ампер (1 кулон в секунду), то напряжение на конденсаторе будет меняться со скоростью 1 вольт в секунду.

Если вы удвоите эту емкость, то скорость изменения напряжения будет вдвое меньше.

И здесь, я думаю, есть ответ на ваш вопрос. Часто конденсаторы ставятся на источник питания для поддержания постоянного напряжения. Это работает, потому что чем больше емкость, тем сложнее изменить напряжение, потому что для этого требуется больший ток.

В этом приложении конденсаторы не сглаживают энергию , а сглаживают напряжение . Они делают это, обеспечивая запас энергии, из которого нагрузка может извлекать ток во время переходного высокого тока. Это облегчает работу блока питания, поскольку не требует больших изменений тока. По сути, конденсатор помогает усреднить текущее требование нагрузки, как видно из источника питания.

Сглаживающие конденсаторы используются для подавления пульсаций напряжения, обычно на линиях электропитания. Они делают это, периодически накапливая и пополняя энергию. На рисунке ниже показан очень распространенный вариант использования этих конденсаторов в полномостовом выпрямителе.

Как видите, сглаживающий конденсатор разряжается и пополняет энергию при падении выходного напряжения. Это «выравнивает» выходное напряжение, поэтому этот конденсатор называют «сглаживающим» конденсатором.

Конденсаторы созданы для того, чтобы создать иллюзию для вашей нагрузки, что они подключены к идеальному источнику напряжения.

Например, ваш источник питания имеет некоторое внутреннее сопротивление, и может быть значительная индуктивность из-за длинных проводов.

^{смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab}

Добавление конденсатора позволяет нагрузке видеть приблизительное значение Vsпри размыкании / размыкании переключателя. В противном случае будет переменное напряжение питания при открытии / закрытии нагрузки.

Да, это работает в основном так же. Однако конденсатор обычно имеет меньшую емкость, чем, скажем, батарея. Когда вы подключаете нагрузку к конденсатору, ее заряд и напряжение со временем уменьшатся. Вот почему это называется гладким. Батарея делает это точно так же, но намного, намного медленнее, из-за большей емкости.

Также есть плавность в смысле сглаживания сигнала напряжения. Если мы заряжаем и разряжаем конденсатор одновременно с некоторым сигналом переменного напряжения, вы поймете, что конденсатор заряжается по нарастающим фронтам. На падающих фронтах конденсатор «помогает» другому источнику питания, что делает падающий фронт более плавным. В конечном итоге это может привести к почти постоянному напряжению.

Представьте себе конденсатор как стакан воды с отверстием. Поэтому, как бы быстро вы не заполняли стакан, выходной сигнал через отверстие примерно одинаков. Именно так работает конденсатор, он сначала заряжается, затем обеспечивает выход, который отфильтровывает шум и обеспечивает чистый выход, независимо от того, как колебания входа.