المواضيع:
- مقدمة مكثف
- تشغيل المكثف
- توصيل سلسلة
- اتصال موازية
- مستشعر مستوى السعة
- وقت شحن وتفريغ المكثف (وقت RC)
- شحن المكثف (مع وقت الشحن المعروف)
- تفريغ المكثف
- شحن المكثف (بالجهد النهائي المعروف)
مقدمة مكثف:
تُستخدم المكثفات في المعدات الكهربائية مثل لوحات الدوائر المطبوعة لأجهزة الكمبيوتر وأجهزة التلفزيون وأجهزة الراديو، ولكن في هذه الصفحة نطبق مصطلح "مكثف" على تكنولوجيا السيارات. في تكنولوجيا السيارات، يمكن العثور على المكثفات في المرشحات الإلكترونية، وأجهزة التحكم، وأجهزة قياس المستوى، وملفات الإشعال والمرحلات.
مكثف يخزن الطاقة. يمكن لهذه الطاقة أن تكون بمثابة قمع للتداخل في مرشح الراديو (يقوم المكثف بتصفية ترددات معينة، مثل ضجيج المولد)، أو بمثابة تأخير في إيقاف الإضاءة الداخلية. عندما يتم إغلاق الباب، تنطفئ الإضاءة الداخلية ببطء. يتم أيضًا تخفيف تقلبات الجهد في المقومات (الثنائيات). يمكن للمكثف الشحن والتفريغ في وقت قصير.
تشغيل المكثف:
يتكون المكثف من موصلين (معدنيين عادة) يفصل بينهما عازل. وهي مادة غير موصلة للكهرباء مثل البلاستيك أو عن طريق الفراغ.
إذا تم تطبيق مصدر جهد إلكتروني على اللوحات، فسيتم شحن كلا اللوحين. ستصبح اللوحة اليسرى (مع -) مشحونة سالبًا واللوحة اليمنى (مع +) موجبة.
ويتوقف تيار الشحن بمجرد أن يكون فرق الجهد بين اللوحين كبيرا مثل فرق الجهد على مصدر الجهد. هذا التحميل يستغرق وقتا. يمكن حساب هذه المرة. سيتم تغطية هذا لاحقًا على الصفحة.
ويتوقف تيار الشحن بمجرد أن يكون فرق الجهد بين اللوحين كبيرا مثل فرق الجهد على مصدر الجهد. هذا التحميل يستغرق وقتا. يمكن حساب هذه المرة. سيتم تغطية هذا لاحقًا على الصفحة.
اتصال سلسلة مع المكثفات:
عند توصيل المكثفات على التوالي، تكون شحنة جميع المكثفات متساوية
التوصيل المتوازي مع المكثفات :
عند توصيل المكثفات على التوازي، يكون الجهد عبر جميع المكثفات متساويًا.
مستشعر مستوى السعة:
هذا المثال يدور حول مستشعر المستوى الموجود في خزان الغاز في السيارة. هناك عازل مشترك.
يعتمد مبدأ قياس مستوى السعة على التغير في سعة المكثف، والذي يعتمد على التغير في المستوى (في هذه الحالة كمية الوقود).
البنزين ليس مادة موصلة، لذلك لا يمكن أن يحدث ماس كهربائي بين ألواح المكثف بسبب التوصيل، كما هو الحال مع الماء، على سبيل المثال.
يمكن تحديد سعة المكثف باستخدام الصيغة. معاني الرموز هي كما يلي:
- ج = القدرة
- أ = سطح اللوحة
- د = المسافة بين اللوحات
وتظهر الصورة أن الخزان ممتلئ بالبنزين بنسبة 40%. والـ 60% المتبقية عبارة عن بخار. الشريط الرمادي هو المكثف السعوي مع المسافة S (بين اللوحات). يمكن استخدام الصيغة العامة لتحديد السعة وبالتالي مستوى الخزان.
حقائق:
الثوابت العازلة:
ε0 (الفراغ) = 8,85 × 10-12 (القدرة على السالب الثاني عشر)
εR البنزين = 2,0
بخار εR = 1,18
تبلغ مساحة السطح (أ) لهذا المكثف 200 مم² (الطول × العرض). المسافة بين الأقطاب الكهربائية (S) هي 1,2 ملم
وبما أن الخزان ممتلئ بنسبة 100%، فإننا نفترض أن ثابت العزل الكهربائي للبنزين (2,0) يعمل على إجمالي سطح المكثف (200 مم²). عندما لا يصبح الخزان ممتلئًا بنسبة 100%، بل 40% (كما في الصورة أعلاه)، يجب تقسيم المساحة السطحية الإجمالية للمكثف إلى نسب مئوية (40% و60% للحصول على 100). هناك 40% للبنزين و60% للبخار. لذلك، يجب إنشاء صيغتين (C2 وC1):
توضح الصيغ أنه مع البنزين بنسبة 40% يتم شحن المكثف بمقدار 1,18 pF ومع البخار بمقدار 1,04 pF. نظرًا لأنه يجب إضافة 40% و60% معًا للحصول على 100%، فيجب أيضًا إضافة قيم المكثف.
يمكن القيام بذلك على النحو التالي: 1,18 + 1,04 يساوي 2,22 pF.
يتم تمرير 2,22 pF إلى مقياس الخزان الموجود على لوحة القيادة، ومن بين أشياء أخرى، إلى وحدة التحكم الإلكترونية.
آلة حاسبة:
بدلاً من الاضطرار إلى ملء الصيغة بنفسك في كل مرة، يمكن أيضًا وضع البيانات في الآلة الحاسبة. ثم يقوم هذا تلقائيًا بحساب سعة المكثف. من المفيد أيضًا التحقق من الإجابة المحسوبة!
انقر على الصورة أدناه لبدء الآلة الحاسبة. يفتح هذا في نافذة جديدة:
وقت شحن وتفريغ المكثف (وقت RC):
أولا، شرح مفهوم تاو:
بمجرد توصيل المكثف على التوالي مع المقاومة، سيتم شحن المكثف حتى يتم الوصول إلى الجهد المطبق (جهد المصدر أو جهد البطارية). لقد تم تحديد أن المكثف مشحون بنسبة 63,2% من الجهد المطبق بعد 1 (Tau). عند الرقم 5، يتم شحن المكثف بنسبة 99,3%. (نظريًا، لن يتم شحن المكثف بالكامل إلى 100%). ويتضح ذلك من خلال الصورة التالية:
الرسم البياني أعلاه يوضح شحن المكثف. عند t0، يتم تشغيل المكثف ويتم شحنه عند t0 + 5.
في الوقت t0+ (على المحور x) يكون للمكثف شحنة واحدة بالضبط، لأنه تم تشغيله في الوقت t1. يوضح المحور Y أن هذا يمثل 0% من Uc. في الوقت t63,2+0، تم شحن المكثف بنسبة 5%.
الصيغة = R x C تحسب الكمية (Tau).
يوجد في الدائرة أدناه مقاومتان متصلتان على التوالي مع بعضهما البعض. وبالتالي فإن المقاومة الكلية هي R2+R1. وهذا يجعل 2 + 10 = 10 ألفًا. (20×20^10). مضروبًا في C لـ 3 ميكروفاراد (10×10^-10) يجعل (6×200^-10) = 3.
يجب إدخال هذا 0,2 في الحساب لاحقًا.
R1 = 10 كيلو
R2 = 10 كيلو
ج = 10 ميكرومتر
تحدد كل من قيم المقاومة وسعة المكثف زمن الشحن والتفريغ للمكثف. يمكن أن تكون السرعة التي يجب أن يتم بها شحن وتفريغ المكثف مهمة جدًا. يجب أن تكون هذه المرة قصيرة جدًا، خاصة في دوائر المعالجات الدقيقة. قد يستغرق تأخير إيقاف تشغيل الإضاءة الداخلية للسيارة وقتًا طويلاً. الصيغة العامة لأوقات التبديل هي كما يلي:
Uct يمثل التوتر في وقت معين. يتم حساب هذه المرة في الصيغة. Uct 0 هو الجهد الأولي، حيث يبدأ الشحن أو التفريغ. تمثل Uct ~ (علامة اللانهاية) الحد الأقصى للجهد الذي يمكن الوصول إليه (وهذا هو الجهد المطبق / جهد البطارية). يشير الحرف e إلى القوة الإلكترونية. هذا هو اللوغاريتم الطبيعي. إنه رقم أسي. أصبح -(t1 - t0) مقسومًا على τ (Tau) الآن في شكل قوة. ولذلك يجب أيضًا التعبير عنها وحسابها على أنها e مرفوعة للأس -(t1 – t0) مقسومة على τ.
ويتبع ذلك + Uct ~. هذا هو أيضًا الجهد المطبق / جهد البطارية.
بمجرد إجراء هذا الحساب، سيتم إعطاء الإجابة بالفولت (الجهد).
تعرض الفقرة التالية مثالاً بدائرة:
شحن المكثف (مع وقت الشحن المعروف):
في الشكل تم إغلاق المفتاح. يتدفق التيار من البطارية عبر المقاومات إلى المكثف. نريد حساب الجهد عند شحن المكثف لمدة 200 مللي ثانية (200 × 10^-3).
ش = 10 فولت
R1 = 10 كيلو
R2 = 10 كيلو
C = 10 ميكروفاراد (ميكروفاراد).
τ = ص × ج
τ = (10.000 + 10.000) × 0,000010 = 0,2
τ = 200 × 10^-3
في صيغة الصيغة يصبح هذا:
من t0 إلى t1 يتم شحن المكثف بـ 6,3 فولت. هذا يساوي 1τ (لأنه عند 1 يكون المكثف مشحونًا بنسبة 63,2%). بعد الحساب، سيبدو الرسم البياني كما يلي:
تفريغ المكثف:
الآن سنقوم بتفريغ المكثف. تم نقل المفتاح الموجود في الرسم التخطيطي من الموضع 1 إلى الموضع 2. يتم فصل مصدر الجهد (البطارية) عن دائرة المكثف. في الرسم التخطيطي، يتم توصيل كلا جانبي المكثف بالأرض (عبر المقاوم R2). سيتم الآن تفريغ المكثف. مرة أخرى، تحدد قيمة المقاومة وسعة المكثف زمن التفريغ، تمامًا كما كان الحال عند الشحن. ومع ذلك، هناك الآن مقاومة واحدة أقل (لأن R1 لم يعد في نفس الدائرة). ولذلك، فإن وقت التفريغ سيكون الآن أقصر من وقت الشحن:
الآن نقوم بملء الصيغة مرة أخرى لحساب تاو:
τ = ص × ج
τ = 100.000 × 0,001
τ = 100
وفقًا للصيغة، يتم تفريغ المكثف إلى 100 فولت بعد 2,32 مللي ثانية. إذا أردنا قياس t1-t2 ليس أكثر من 100 مللي ثانية ولكن أكثر من 200 مللي ثانية، فإن الرسم البياني سيكون مرة أخرى عند 0 فولت تقريبًا. يستغرق الشحن وقتًا أطول من التفريغ، لأنه عند التفريغ يكون هناك مقاومة واحدة في الدائرة، بدلاً من عند الشحن، حيث يوجد مقاومتان متصلتان على التوالي. من حيث المبدأ، سيحتاج المكثف إلى وقت أطول من 1 مللي ثانية للوصول إلى 2 فولت. إذا تم إرجاع المفتاح إلى الوضع 200 عند t0، فسيبدأ المكثف على الفور في الشحن مرة أخرى.
يمكننا بعد ذلك وضع فترة التفريغ في الرسم البياني:
شحن المكثف (بالجهد النهائي المعروف):
عند شحن المكثف في المثال أعلاه، كانت مدة الشحن (200 مللي ثانية) معروفة. يمكن حساب الجهد النهائي باستخدام بيانات الجهد الأولي والنهائي ووقت الشحن وعدد Tau. ثم تم شحن المكثف بـ 200 فولت بعد 6,3 مللي ثانية.
نأتي الآن إلى الحالة التي يكون فيها وقت الشحن غير معروف، ولكن تم بالفعل تحديد الجهد النهائي. وللتيسير، نستخدم نفس المثال؛
(قيم المقاومات ونوع المكثف هي نفسها كما في المثال الأول).
R1 = 10 كيلو
R2 = 10 كيلو
C = 10μF (ميكروفاراد).
τ = ص × ج
τ = (10.000 + 10.000) × 0,000010 = 0,2
τ = 200 × 10^-3
ما نريد معرفته الآن هو، ما هو الوقت المستغرق (من t0 إلى t1) لشحن المكثف إلى 6,3 فولت؟
من خلال إدخال البيانات المعروفة في صيغة المعادلة التفاضلية من الدرجة الأولى، لا يمكن الحصول على إجابة على الفور. يجب تحويل الصيغة، لأن -(t1 – t1) غير معروفة ومن حيث المبدأ نريد معرفتها.
توضيح: أولا، يتم وضع الصيغة الأساسية. نحن نملأ هذا بالمعلومات التي نعرفها. ولأننا نريد معرفة الوقت عند شحن 6,3 فولت، فإننا ندخله في بداية الصيغة. ويبقى (t1 – t0) مكتوبًا بهذا الشكل.
نقوم بعد ذلك بتقسيم Uct~ لـ 10 v على 6,3 v على يسار الصيغة، وهو ما يعطي الإجابة 3,7 v. يمكن الآن شطب +10.
الخطوة التالية هي حذف -10 (رقم قوة e). وبقسمة -3,7 على -10، يتم إلغاء ذلك. ندخل الآن 0,37 على الجانب الأيسر من الصيغة.
الآن حان الوقت للقضاء على الطاقة الإلكترونية. معكوس قوة e هو ln، وهو لوغاريتم طبيعي، (تمامًا كما أن معكوس القوة هو الجذر).
بإدخال الصيغة في الآلة الحاسبة باستخدام زر ln، تكون الإجابة -0,200. نظرًا لأن يسار ويمين علامة = سالبة، فيمكن مسح علامات الطرح.
الجواب هو 200 مللي ثانية. لذا فإن المكثف يستغرق 200 مللي ثانية ليتم شحنه إلى 6,3 فولت. هذا صحيح، لأنه في الحساب الأول لوقت الشحن كان هذا أمرًا معطى، حيث كان لا بد من حساب 6,3 فولت.
باستخدام هذه الصيغة، يمكن أيضًا حساب الوقت عند 3 فولت، على سبيل المثال. ثم قم بتغيير 6,3 فولت إلى 3 فولت، واطرح 10 فولت، واقسم ذلك على -10 فولت، واضرب هذا مرة أخرى في ln و200. 10^-3. ثم يتم إنتاج استجابة قدرها 71 مللي ثانية.
