Kondensaattorin opas: Sarja Vs.Rinnakkaiset kokoonpanot

Sähkötekniikassa kondensaattorit osoittavat monia käyttötarkoituksia, etenkin kun ne on järjestetty sarjaan tai rinnakkain piireihin.Nämä järjestelyt vaikuttavat sähköjärjestelmien kapasitanssiin, energian varastointiin ja tehokkuuteen.Tässä artikkelissa tarkastellaan kuinka kondensaattorit toimivat sarjoissa ja rinnakkaisasetuissa, käyttämällä esimerkkejä ja teoriaa niiden erojen selittämiseksi.Sen tavoitteena on tarjota selkeä käsitys kondensaattorien tehokkaasta käytöstä eri tekniikoissa jokapäiväisestä elektroniikasta edistyneisiin teollisuuskoneisiin.

Luettelo

Kuva 1: Kondensaattoripiiri

Kondensaattorit sähköpiireissä

Sähköpiirissä, Kondensaattorit Tarjoa tarkoitus sekä sähkövarauksen säilyttämiselle että purkamiselle.Heillä on kaksi johtavaa levyä, jotka on erotettu eristävällä dielektrisellä.Heidän kykynsä pitää varaus mitataan Faradsissa.

Kuva 2: Kondensaattori

Kondensaattorit voidaan kytkeä sarjaan tai rinnakkain.Sarjassa enemmän kondensaattoreita vähentävät kokonaiskapasitanssia, joka on hyödyllinen alhaisemman kapasitanssin saavuttamiseksi.Samanaikaisesti useammat kondensaattorit lisäävät kokonaiskapasitanssia, mikä on ihanteellinen korkealle kapasitanssille pienissä tiloissa, kuten virtalähteen suodattimissa.Dielektrinen materiaali vaikuttaa kondensaattorin suorituskykyyn, määrittäen maksimivarauksen, jakautumisjännite ja piirin taajuusvaste.Edistyneet kondensaattorit käyttävät materiaaleja, kuten keraamisia, tantaali- tai polymeerielektrolyyttejä korkeamman kapasitanssin, lämpötilan stabiilisuuden ja alhaisen vuodon saavuttamiseksi.

Kuva 3: Kondensaattori

Kondensaattorien ominaisuudet sarjassa ja rinnakkain

Tässä on yksinkertainen selitys niiden ominaisuuksista ja siitä, kuinka nämä kokoonpanot voidaan järjestää halutun kapasitanssin saamiseksi.

Kondensaattorit sarjassa

Kuva 4: Kapasitanssisarja

Kun kytket kondensaattorit sarjassa, kokonaiskapasitanssi pienenee.Näin tapahtuu, koska maksun on kuljettava enemmän materiaalia, mikä vaikeuttaa latauksen säilyttämistä.Kokonaiskapasitanssi (1/c_kokonais-) on kunkin yksittäisen kondensaattorin vastavuorojen summa (1/c₁ + 1/c₂ + ... + 1/c_n).Kapasitanssi on aina pienempi kuin sarjan pienin kondensaattori.Kaava sarjan kokonaiskapasitanssin laskemiseksi on:

Virissuunnittelijoiden on otettava tämä ominaisuus huomioon valitessaan kondensaattoreita vastaamaan erityisiä kapasitanssivaatimuksia.Käytännölliset rajoitukset, kuten tilaa ja sovellustarpeita, voivat rajoittaa kondensaattoreiden lukumäärää sarjassa, ja vaihtelevat jännitteen jakaumat voivat lisätä monimutkaisuutta, ellei kondensaattorit ole identtisiä.

Kondensaattorit rinnakkain

Kuva 5: kapasitanssi yhdensuuntainen

Kun kondensaattorit on kytketty rinnakkain, kokonaiskapasitanssi kasvaa.Tämä johtuu siitä, että kaikkien kondensaattorien yhdistetty pinta -ala mahdollistaa lisää latauksen säilyttämisen samalla jännitteellä.Kokonaiskapasitanssi (c_kokonais-) on kunkin kondensaattorin kapasitanssien summa (c₁ + C₂ + ... + c_n).Kapasitanssi on suurempi kuin suurin yksi kondensaattori.Kaava kokonaiskapasitanssin laskemiseksi rinnakkain on:

Kuitenkin rajoittamaton määrä kondensaattoreita voidaan kytkeä rinnakkain, käytännölliset rajoitukset, kuten fyysinen tila, piirin tarkoitus ja suunnittelurajoitukset, rajoittavat usein lukumäärää.Korkealaatuiset kondensaattorit, joilla on asianmukaiset jänniteluokitukset ja toleranssit, ovat hyviä luotettavan piirin suorituskyvyn kannalta.Tämä kaava mahdollistaa kapasitanssiarvojen tarkan hallinnan, jolloin suunnittelijat voivat optimoida piirin käyttäytymisen, energiatehokkuuden ja suorituskyvyn, mikä tekee siitä elektroniikan ja sähkötekniikan kulmakiven.

Kuva 6: Sarja ja rinnakkainen

Sarjan kondensaattoripiiri ja esimerkki

Sarjakondensaattoripiirissä on kondensaattorit, jotka on kytketty peräkkäin samaa polkua pitkin varmistaen, että identtiset varaukset tai virrat kulkevat kunkin komponentin läpi.Se takaa yhdenmukaisen virran virtauksen kondensaattoreiden yli, mikä on olennainen näkökohta tällaisten piirien käyttäytymisen ymmärtämiselle.

Kuva 7: Sarjakondensaattoripiiri

Sarjan kokoonpanossa jokaisen kondensaattorin on käsiteltävä samaa latausta.Kun DC -jännitelähde on sovellettu, sarjayhteys sanelee, joka veloittaa uudelleen jakautumisen kondensaattoreita pitkin tämän tasapainon ylläpitämiseksi.Esimerkiksi, jos jännitelähde on kytketty kondensaattoreille C₁, C₂ja c₃ Arvoilla 2F, 4F ja 6F: llä tapahtuu seuraavat:

• C: n oikea puoli₃ muuttuu positiivisesti johtuen elektronien vetovoimasta akun positiiviseen nauhaan.

• Tämä elektronien alijäämä C: llä₃oikea levy indusoi samanlaisen alijäämän C: ssä₂Oikea levy ja peräkkäin sama vaikutus tapahtuu C1: llä.

• Tämä ketjureaktio kondensaattoreiden välillä varmistaa tasaisen varauksen jakautumisen.

Esimerkki:

Kun otetaan huomioon kapasitanssit c₁= 2f, c₂= 4f, c₃= 6F ja DC -jännite 10 V, voimme määrittää varauksen ja jännitteen jakauman:

Kuva 8: Näytesarja

CTOTAL: n laskeminen tuottaa noin 0,92F.

Käyttämällä q = c × v, missä Q on varaus ja v on jännite:

Siten jokaisella kondensaattorilla on 9,2C: n varaus.

Jännite kunkin kondensaattorin välillä löytyy käyttämällä v = cq:

Yksittäisten jännitteiden summa, v₁+V₂+V₃, tulisi yhtä suuri kuin lähdejännite (10 V).Tässä se laskee noin 8,43 V: n, mikä osoittaa mahdollisen pyöristämis- tai laskentavirheen alkuperäisissä arvioissa tai oletuksissamme.

Rinnakkaiskondensaattoripiiri ja esimerkki

Rinnakkaiskondensaattoripiiri on elektroninen asennus, jossa kondensaattorit on kytketty vierekkäin yleisten pisteiden yli, jolloin jokainen voi toimia itsenäisesti saman jännitteen alla.Tämä eroaa sarjapiireistä, joissa kondensaattorit jakavat maksun.

Kuva 9: ​​Rinnakkaiskondensaattoripiiri

Samanaikaisesti kunkin kondensaattorin jännite on sama.Jokainen kondensaattorivarastointivaraus vaihtelee kuitenkin sen kapasitanssin mukaan.Korkeampi kapasitanssi tarkoittaa, että kondensaattori voi tallentaa enemmän maksua.Esimerkiksi, jos meillä on 8 Farad (F) ja 4F -kondensaattori, 8F -kondensaattori tallentaa enemmän latausta kuin 4F -kondensaattori, kun molemmat ovat saman jännitteen alla.

Yksi rinnakkaiskondensaattorien keskeinen etu on kokonaiskapasitanssin kasvu.Toisin kuin sarjapiirit, joissa kokonaiskapasitanssi on pienempi kuin mikään yksittäinen kondensaattori, rinnakkain kokonaiskapasitanssi on kaikkien yksittäisten kapasitanssien summa.Näin tapahtuu, koska levyalue kasvaa tehokkaasti muuttamatta niiden välistä etäisyyttä, mikä parantaa piirin kykyä tallentaa varausta.

Esimerkki:

Kuva 10: Näyte yhdensuuntainen

Harkitse piiriä, jonka kolme kondensaattoria on kytketty rinnakkain 10 V: n tasavirtalähteen kanssa.Kondensaattoreilla on nämä kapasitanssit: c₁ = 8f, c₂ = 4f ja c₃ = 2f.Jokaisella kondensaattorilla on sama 10 V, mutta varastoi erilaisia ​​maksuja niiden kapasitanssin perusteella:

Kondensaattori c₁: 8F: llä se tallentaa varauksen 80 coulombsista (C), laskettuna nimellä Q = C × V, joka on 8F × 10V = 80C.

Kondensaattori c₂: 4F: n avulla se tallentaa 40C: n varauksen, laskettuna 4F × 10V = 40C.

Kondensaattori c₃: 2F: llä se tallentaa 20C: n varauksen, laskettuna 2F × 10V = 20C.

Piirin kokonaisvaraus on kaikkien maksujen summa: Q_T= Q₁+Q₂+Q₃= 80c+40c+20c = 140c

Tämä lisäys osoittaa, kuinka rinnakkaiskondensaattoripiiri parantaa varauksen varastointia yhdistämällä yksittäisten kondensaattorien kapasitanssi.Rinnakkaiskondensaattoripiiri lisää kokonaiskapasitanssi- ja varausvarastoja, kun jokaisella kondensaattorilla on sama jännite.

Sarjan kondensaattoreihin tallennettu energia ja rinnakkain

Ymmärtääksemme, kuinka energiaa tallennetaan sarjassa tai rinnakkain järjestetyissä kondensaattoreissa, aloitamme yhdellä kondensaattorilla tallennetulle energialle peruskaavalle:

Täällä, u_C on energia Joulesissa, Q on varaus Coulombsissa ja C on kapasitanssi Faradsissa.

Energia sarjan kondensaattoreilla

Sarjan kondensaattoreissa harkitse kahta kondensaattoria, joilla on kapasitanssi C1 ja C2.Kunkin kondensaattorin varauksen ja jännitteen välinen suhde annetaan C = VQ.Sarjan kokoonpanossa sama lataus Q on jokaisessa kondensaattorissa:

Järjestelmään tallennettu kokonaisenergia on yksittäisten energioiden summa:

Tämä osoittaa, että sarjan kapasittorien tehokas kapasitanssi on yksittäisten kapasitanssien vastavuoroinen summa, joka vähentää kokonaiskapasitanssia ja muuttaa energian varastointia verrattuna yksittäisiin tai rinnakkaisiin kokoonpanoihin.

Energia rinnakkaiskondensaattoreilla

Kondensaattoreilla rinnakkain jokaisella kondensaattorilla on sama jännite sen yli.Jokaisen energia voidaan ilmaista käyttämällä jännitepohjaista kaavaa:

Jos kaksi kondensaattoria c₁ ja c₂ ovat rinnakkain ja niiden yli jännitteet V on niiden kokonaisenergian varastointi:

Tämä laskelma osoittaa, että rinnakkaiskondensaattorien kokonaiskapasitanssi on yksittäisten kapasitanssien summa, joka lisää tallennettua kokonaisenergiaa verrattuna yksittäisiin tai sarjan kokoonpanoihin.

Kondensaattorien edut ja haitat sarjassa

Kondensaattorien käyttäminen sarjassa tarjoaa joitain etuja, mukaan lukien lisääntynyt työjännite.Tämä kokoonpano mahdollistaa myös tehokkaamman jännitteen tasapainottamisen, varsinkin kun kunkin kondensaattorin yli sijoitetaan arvokkaat vastukset (noin 100 kΩ tai korkeammat), jotta jännitteen jakautuminen varmistetaan.

Kondensaattoreiden käyttäminen sarjassa sisältää haittoja, mukaan lukien epätasa -arvon jännitteen jakaminen.Vuotovirtojen vaihtelut, etenkin elektrolyyttisissä kondensaattoreissa, voivat johtaa siihen, että yksi kondensaattori kokee ylijännitteen, mikä voi johtaa vaurioihin.Pienet erot valmistus- tai ikääntymisasteissa vaikuttavat myös vuotovirran vaihteluihin, jotka vaikuttavat jännitteen jakautumiseen.Elektrolyyttisten kondensaattorien vuotovirta pyrkii ajan myötä, varsinkin jos niitä ei käytetä säännöllisesti.Jopa tasapainotusvastusten ollessa paikallaan, sen on jätettävä marginaali työjännitteeseen, etenkin elektrolyyttisten kondensaattoreiden kohdalla, luotettavan toiminnan varmistamiseksi.

Kondensaattorien edut ja haitat rinnakkain

Lisääntynyt energian varastointi: Kondensaattorien yhdistäminen rinnakkaisvarastoihin enemmän energiaa kuin silloin, kun ne ovat sarjoissa, koska niiden kokonaiskapasitanssi on kaikkien yksittäisten kondensaattorien summa.

Parempi jännitetasapaino: Rinnakkaiskondensaattoripankit saavuttavat paremman jännitetasapainon vähemmän tasapainotusvastuksia, vähentämällä kustannuksia ja energiatappioita.

Kustannustehokkuus: Vähemmän tasapainotusvastuksia rinnakkaisyhteydessä säästää rahaa ja yksinkertaistaa järjestelmää.

Jännitteen rajoitus: Rinnakkaispiirissä kaikilla kondensaattoreilla on sama jännite.Suurin jännite rajoittaa alhaisimmin luokiteltu kondensaattori.Esimerkiksi, jos yhden kondensaattorin luokitellaan 200 V ja muut 500 V: n nopeudella, koko järjestelmä pystyy käsittelemään vain 200 V.

Turvallisuusriskit: Rinnakkaiset kondensaattorit varastoivat ja vapauttavat nopeasti suuria määriä energiaa, mikä voi olla vaarallista, jos siellä on oikosulku, mikä aiheuttaa vakavia vaurioita ja vammoja.

Järjestelmän vika riski: Jos yksi kondensaattori epäonnistuu monimutkaisissa asetteluissa, muiden on käsiteltävä koko jännite, mikä johtaa koko järjestelmän mahdolliseen vikaantumiseen.Tämä riski on alhaisempi sarjayhteydessä, joissa yhden kondensaattorin vika ei vaikuta muihin.

Johtopäätös

Tämä yksityiskohtainen katsaus kondensaattoreihin auttaa meitä ymmärtämään heidän toimintojaan ja tärkeitä näkökohtia niiden käyttöön nykyaikaisessa elektroniikassa.Sarjaasetukset lisäävät työjännitettä ja hallitsevat jännitteen jakautumista, mutta vähentävät kapasitanssia ja lisäävät herkkyyttä muunnelmille.Rinnakkaiset asetukset lisäävät kokonaiskapasitanssia ja energian varastointia, mikä on hyvä energianhallinnassa pienissä tiloissa, mutta ne voivat olla riskialttiita, jos yksi kondensaattori epäonnistuu.Sarjan ja rinnakkaisten kokoonpanojen välillä valinta riippuu tietyistä tekniikan tarpeista, tilaa, kustannuksia ja suorituskykyä.Teoreettiset ja käytännölliset oivallukset korostavat huolellista kondensaattorin valintaa ja piirisuunnittelua luotettavien ja tehokkaiden sähköjärjestelmien varmistamiseksi.

Usein kysyttyjä kysymyksiä [UKK]

1. Mikä on sarjan kondensaattorin vaikutus?

Sarjakondensaattoreita käytetään ensisijaisesti piirin impedanssin vähentämiseen korkeammilla taajuuksilla, mikä parantaa tehonsiirtoa pitkillä etäisyyksillä ja parantaa jännitesäytystä.Kun kondensaattorit on kytketty sarjaan, kokonaiskapasitanssi vähenee.Tämä kokoonpano pakottaa saman varauksen kulkemaan kaikkien kondensaattorien läpi, mikä johtaa kokonaisjännitteen jakautumiseen kunkin kondensaattorin yli sen kapasitanssiarvon mukaan.Tämä ominaisuus on erityisen hyödyllinen sovelluksissa, kuten signaalin kytkentä ja suodatus, jossa tavoitteena on estää suoravirta (DC) samalla kun vaihtovirta (AC) kulkee.

2. Milloin käyttää sarjan kondensaattoreita?

Sarjakondensaattoreita käytetään, kun piirin impedanssia on tarpeen säätää, etenkin korkeataajuisissa sovelluksissa.Niitä käytetään myös jännitteen jakautumisen saavuttamiseksi piirissä.Tehojärjestelmissä sarjan kondensaattoreita käytetään lisäämään tehonsiirtolinjojen kapasiteettia kompensoimalla induktiivista reaktanssia pitkissä siirtojohdoissa, jolloin enemmän virtaa voi virtata samoissa jänniteolosuhteissa.

3. Mistä tiedät, ovatko kaksi kondensaattoria sarjassa?

Kaksi kondensaattoria on sarjassa, jos ne on kytketty päästä päähän, ja toisen positiivisen nauhan kanssa kytketty toisen negatiiviseen nauhaan, ja muiden piirikomponenttien yhteydessä on vain kaksi yhteyspistettä.Tämä järjestely varmistaa, että niiden läpi virtaava varaus- ja purkausvirta on sama.Kokonaiskapasitanssi voidaan myös laskea tämän vahvistamiseksi;Sarjakondensaattoreille kokonaiskapasitanssin vastavuoroinen on yksittäisten kapasitanssien vastavuorojen summa.

4. Mikä on rinnakkaiskondensaattorin vaikutus?

Kun kondensaattorit on kytketty rinnakkain, piirin kokonaiskapasitanssi kasvaa.Tämän kokoonpanon avulla jokainen kondensaattori voi pitää saman jännitteen, mikä johtaa varauskapasiteetin kertymiseen kondensaattoreiden välillä.Rinnakkaiskondensaattoreita käytetään usein jännitteen vakauttamiseen ja enemmän varauksen säilyttämiseen järjestelmissä, joissa tarvitaan korkeampaa kapasitanssia lisäämättä yksittäisten kondensaattorien jänniteluokitusta.

5. Lisääkö sarjan tai rinnakkaiskokoonpanon jännitettä?

Kokoonpano itsessään ei lisää alkuperäistä syöttöjännitettä;Jännitteen jakauma piirin sisällä vaihtelee kuitenkin.Sarjakokoonpanossa jännite on jaettu kondensaattoreiden kesken niiden yksilöllisistä kapasitansseista riippuen.Sitä vastoin rinnakkaiskokoonpanossa kunkin kondensaattorin jännite pysyy samana kuin syöttöjännite.

6. Onko jännite sama rinnakkain?

Kyllä, rinnakkaispiirissä kunkin kondensaattorin välinen jännite on sama ja yhtä suuri kuin piiriin syötetty kokonaisjännite.Tämä jännitteen tasainen jakauma tekee rinnakkaiskondensaattoreita, jotka ovat ihanteellisia sovelluksiin, jotka tarvitsevat yhdenmukaista jännitettä useiden komponenttien välillä.