Φόρτιση και εκφόρτιση πυκνωτή

Η εκφόρτιση και η φόρτιση των πυκνωτών είναι ότι οι πυκνωτές έχουν την ικανότητα να ελέγχουν και να προβλέπουν τον ρυθμό με τον οποίο φορτίζονται και εκφορτίζονται, γεγονός που τους καθιστά πολύτιμους στα ηλεκτρονικά κυκλώματα χρονισμού. Συμβαίνει όταν εφαρμόζεται τάση στον πυκνωτή και το δυναμικό δεν αυξάνεται αμέσως στην εφαρμοζόμενη τιμή. Η φόρτιση στους ακροδέκτες τείνει να αντιτίθεται στην προσθήκη επιπλέον φόρτισης καθώς συσσωρεύεται στην τελική της τιμή. Τώρα που ξέρουμε τη σημασία, ας κοιτάξουμε περαιτέρω για να δούμε τη σημασία της φόρτισης του πυκνωτή.

Παράγοντες που επηρεάζουν τον ρυθμό φόρτισης και εκφόρτισης:

Οι ακόλουθοι είναι οι παράγοντες που επηρεάζουν τον ρυθμό με τον οποίο μπορεί να φορτιστεί ή να εκφορτιστεί ένας πυκνωτής:

I) Η χωρητικότητα του πυκνωτή.

II) Η αντίσταση του κυκλώματος από το οποίο φορτίζεται ή εκφορτίζεται.

Ας εξετάσουμε την εκφόρτιση και τη φόρτιση ενός πυκνωτή ξεχωριστά για να καταλάβουμε καλύτερα.

Φόρτιση πυκνωτή:

Σκεφτείτε ένα κύκλωμα φόρτισης RC με πυκνωτή (C) σε σειρά με αντίσταση (R) και διακόπτη συνδεδεμένο μέσω τροφοδοσίας μπαταρίας DC (Vs).

Όταν ο διακόπτης κλείσει για πρώτη φορά στο μηδέν, ο πυκνωτής φορτίζεται σταδιακά μέσω της αντίστασης έως ότου η τάση σε αυτόν να καλύψει την τάση τροφοδοσίας της μπαταρίας DC. Ο διακόπτης είναι ανοιχτός τη στιγμή t=0 και ο πυκνωτής είναι πλήρως φορτισμένος.

 Σε t =0, I =0 και q =0, αυτές είναι οι συνθήκες έναρξης του κυκλώματος. Όταν ο διακόπτης είναι κλειστός, ο χρόνος ξεκινά από t =0 και το ρεύμα ρέει στον πυκνωτή μέσω της αντίστασης, συλλέγοντας φορτίο στον πυκνωτή.

Σε t =0, ο πυκνωτής βρίσκεται σε κατάσταση βραχυκυκλώματος στο εξωτερικό κύκλωμα αφού η αρχική τάση σε αυτόν είναι μηδέν, δηλαδή (Vc =0). Σε αυτή την περίπτωση, το μέγιστο ρεύμα του κυκλώματος διέρχεται από αυτό, με μόνο την αντίσταση R να λειτουργεί ως φράγμα.

Οι πτώσεις τάσης γύρω από το κύκλωμα υπολογίζονται τώρα χρησιμοποιώντας τον νόμο τάσης του Kirchhoff (KVL):Το ρεύμα που ρέει στο κύκλωμα αναφέρεται ως ρεύμα φόρτισης και μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας το νόμο του Ohm:I =Vs/R.

Vs-Ri(t)-Vc(t)=0.

Η διαφορά δυναμικού μεταξύ των πλακών πυκνωτών αναπτύσσεται σταδιακά καθώς φορτίζεται. Ο χρόνος που χρειάζεται για να φτάσει η φόρτιση του πυκνωτή στο 63 τοις εκατό της μέγιστης δυνατής τάσης στον χρόνο της καμπύλης είναι ίσος με μία Time Constant, δηλαδή 0,63 Vs.

 Ο πυκνωτής συνεχίζει να φορτίζει και η διαφορά τάσης μεταξύ Vs και Vc μειώνεται. Το ρεύμα του κυκλώματος μειώνεται επίσης. Όταν ο πυκνωτής είναι πλήρως φορτισμένος σε κατάσταση μεγαλύτερη από σταθερές πέντε φορές, t =∞, I =0, q =Q =CV.

Το ρεύμα φόρτισης τελικά πέφτει στο μηδέν καθώς ο χρόνος πλησιάζει στο άπειρο. Ο πυκνωτής λειτουργεί πλέον ως ανοιχτό κύκλωμα, με την τιμή της τάσης τροφοδοσίας πλήρως κατά μήκος του πυκνωτή ως Vc =Vs.

Ένα θετικό φορτίο εμφανίζεται στη μία πλάκα και ένα αρνητικό φορτίο εμφανίζεται στην άλλη όταν ένας πυκνωτής συνδέεται με μια μπαταρία. Η διαφορά δυναμικού μεταξύ των πλακών τελικά ισούται με το emf της μπαταρίας. Η όλη διαδικασία διαρκεί λίγο χρόνο και ένα ηλεκτρικό ρεύμα ρέει μεταξύ των καλωδίων σύνδεσης και της μπαταρίας.

 q=CV(1-e -T/CR)

όπου q=φόρτιση στον πυκνωτή τη στιγμή t=0

t=χρόνος

CR=Χρονική σταθερά 

Αποφόρτιση πυκνωτή 

Το φορτίο που περιέχεται σε έναν πυκνωτή απελευθερώνεται όταν ο πυκνωτής αποφορτιστεί. Ας δούμε ένα παράδειγμα ενός πυκνωτή που έχει αποφορτιστεί.

Σε σειρά με αντίσταση αντίστασης R ohms, συνδέουμε έναν φορτισμένο πυκνωτή με χωρητικότητα C farad. Στη συνέχεια, όπως αποδείχθηκε, βραχυκυκλώνουμε αυτόν τον συνδυασμό σειράς ενεργοποιώντας τον διακόπτη ώθησης απελευθερώνοντας έναν πυκνωτή.

Ο πυκνωτής αρχίζει να αποφορτίζεται μόλις βραχυκυκλωθεί.

Ας υποθέσουμε ότι ο πυκνωτής έχει τάση V βολτ όταν είναι πλήρως φορτισμένος. Το ρεύμα εκφόρτισης του κυκλώματος θα είναι − V / R αμπέρ μόλις βραχυκυκλωθεί ο πυκνωτής.

Ωστόσο, μετά την ενεργοποίηση του κυκλώματος στο t =+0, το ρεύμα που διαπερνά είναι:

i=Cdv/dt

Όσο πιο γρήγορος είναι ο ρυθμός φόρτισης και εκφόρτισης του Πυκνωτή, τόσο μικρότερη είναι η Αντίσταση ή Χωρητικότητα, τόσο μικρότερη είναι η Χρονική Σταθερά και αντίστροφα. Σχεδόν όλες οι ηλεκτρικές συσκευές περιέχουν πυκνωτές. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως πηγή ενέργειας. Ένα παράδειγμα εκφόρτισης και φόρτισης ενός πυκνωτή είναι ένας πυκνωτής σε μονάδα φωτοφλας που αποθηκεύει ενέργεια και την απελευθερώνει γρήγορα κατά τη διάρκεια του φλας.

Συμπέρασμα:

Το κύκλωμα χρονισμού είναι το πιο σημαντικό και χρήσιμο πλεονέκτημα των χαρακτηριστικών φόρτισης-εκφόρτισης ενός πυκνωτή. Για την κατασκευή ενός αναλογικού κυκλώματος χρονοδιακόπτη απαιτείται πυκνωτής. Πυκνωτές χρησιμοποιούνται επίσης στον φακό για την κάμερα του smartphone μας. Όταν τραβάμε εικόνες με την κάμερα, ο πυκνωτής ηλεκτρίζεται πρώτα με υψηλή ενέργεια και στη συνέχεια αυτή η ενέργεια εφαρμόζεται στο led, το οποίο λάμπει με πολύ υψηλό φως για μικρό χρονικό διάστημα. Η ενίσχυση τάσης, η ενίσχυση σήματος και άλλες εφαρμογές επωφελούνται από τα χαρακτηριστικά φόρτισης-εκφόρτισης πυκνωτή. Τα χαρακτηριστικά γρήγορης φόρτισης-εκφόρτισης ενός πυκνωτή χρησιμοποιούνται ως δεξαμενή ενέργειας σε ηλεκτρικά και ηλεκτρονικά κυκλώματα τροφοδοσίας, όπως κυκλώματα ανορθωτή.