Wie glättet ein Kondensator Energie?

Ich versuche, mir Gedanken darüber zu machen, wie Kondensatoren funktionieren. Ich verstehe, dass sie eine Ladung speichern und verstehe im Allgemeinen, wie, aber ich verstehe nicht, wie die Verwendung sie den Fluss der Ladung "glättet". Macht es ein Motor, der Strom aus einem geladenen Kondensator bezieht, nicht genauso, wenn er Strom aus einer Stromquelle bezieht? Was bedeutet, dass die Ladung geglättet wird und wie?

Kondensatoren speichern keine Ladung. Das ist so eine wertlose Aussage, weil sie auf diesem Wort "Ladung" basiert, das mehrere Bedeutungen hat. Bitte vergiss, dass du es jemals gehört hast. Sie glätten auch keine Energie. Was sie glätten, ist Spannung.

Ich werde Ihre Frage beantworten, aber zuerst müssen Sie wirklich verstehen, wie Kondensatoren funktionieren.

Was Kondensatoren speichern, ist Energie. Das Zeug, das in Stromkreisen herumfließt, ist elektrische Ladung . Wir messen den Ladungsfluss in Ampere. Die Ladungsmenge wird in Coulomb gemessen. Weil Ladung niemals erzeugt oder zerstört wird , zählen wir gewöhnlich immer dann, wenn wir Ladung messen, die Ladung, die an einem metaphorischen Tor vorbeifließt. Mit Ausnahme einiger sehr merkwürdiger Schaltkreise ist die Gesamtladung in einem elektronischen Gerät ebenfalls konstant. Es ist einem geschlossenen Hydrauliksystem sehr ähnlich: Es enthält etwas Flüssigkeit, und Sie können es bewegen, aber keine tritt jemals ein oder tritt aus. Sie können zählen, wie viel Flüssigkeit an einem bestimmten Punkt vorbeiströmt, aber sie muss irgendwo herkommen und woanders herkommen.

Stellen Sie sich vor, Sie hätten ein kugelförmiges Gefäß, das mit einer Flüssigkeit gefüllt ist. In der Mitte des Gefäßes befindet sich eine Gummiplatte, die Sie dehnen können, indem Sie Flüssigkeit auf die eine Seite drücken und auf die andere Seite abpumpen. So ist ein Kondensator:

Dies ist auf Bill Beatys ausgezeichnete Kondensator-Missverständnisse zurückzuführen .

Wenn Sie Wasser auf eine Seite schieben, muss auf der anderen Seite die gleiche Menge Wasser austreten. Wenn diese Gummimembran einmal gedehnt ist, möchte sie wieder gerade sein. Somit ist der Wasserdruck auf einer Seite höher als auf der anderen. Wenn Sie die Stopfen entfernen und durch einen Schlauch ersetzen würden, würde Wasser fließen, bis der Gummi nicht gedehnt wäre.

Ersetzen Sie nun "Wasser" durch "elektrische Ladung" und "Druck" durch "Spannung", und Sie haben einen Kondensator.

Stellen Sie sich nun zwei Schiffe vor, eines von der Größe eines Golfballs und eines von der Größe eines Schwimmbades. Jedes hat eine Membran von identischer Dehnbarkeit in der Mitte. Wenn Sie einen Esslöffel Wasser durch das Gefäß mit der Größe eines Golfballs pumpen, wird die Membran stark gedehnt, und folglich ist der Druckunterschied zwischen den Seiten groß. Wenn Sie dasselbe mit dem schwimmbeckengroßen Gefäß tun, bewegt sich die Membran kaum und der Druckunterschied ist nur geringfügig größer als nichts.

Das ist Kapazität . Hier erfahren Sie, wie hoch der Druckunterschied bei einer bestimmten Menge bewegtem Wasser ist. Für eine bestimmte Menge elektrischer Ladung, die durch den Kondensator geleitet wird, wird die Spannung angezeigt. Es ist definiert als:

Woher:

• $C$
• $q$
• $V$

Lass dich nicht auf "Coulomb" ein. Ein Coulomb ist, wie viel Ladung sich über einen Punkt bewegt, wenn 1 Sekunde lang 1 Ampere fließt. Oder 2 Ampere für eine halbe Sekunde. Oder 1/2 Ampere für 2 Sekunden.

Wenn Sie Kalkül genommen haben, werden Sie erkennen, dass Ladung das Integral des Stroms ist. Mit anderen Worten, Ladung ist zu Strom wie Entfernung zu Geschwindigkeit. Sie können "Ampere" durch "Coulomb pro Sekunde" ersetzen - die Einheiten sind exakt gleich.

Mit diesem Wissen und ein bisschen Grundrechnung kann die Kapazität auch in Bezug auf Spannung und Strom definiert werden:

Dies besagt: Die Änderungsrate der Spannung über die Zeit (Volt pro Sekunde) ist gleich dem Strom (Ampere oder Coulomb pro Sekunde) geteilt durch die Kapazität (Farad).

Wenn Sie einen 1-Farad-Kondensator haben und 1 Ampere (1 Coulomb pro Sekunde) durch ihn bewegen, ändert sich die Spannung am Kondensator mit einer Rate von 1 Volt pro Sekunde.

Wenn Sie diese Kapazität verdoppeln, ist die Spannungsänderungsrate halb so hoch.

Und hier, denke ich, ist die Antwort auf Ihre Frage. Häufig werden Kondensatoren über die Stromversorgung geschaltet, um die Spannung konstant zu halten. Dies funktioniert, weil es umso schwieriger ist, die Spannung zu ändern, je mehr Kapazität Sie haben, da dafür mehr Strom erforderlich ist.

In dieser Anwendung glätten Kondensatoren nicht die Energie , sondern die Spannung . Dies geschieht durch die Bereitstellung eines Energiespeichers, aus dem die Last in Zeiten mit vorübergehend hohem Strom ziehen kann. Dies erleichtert die Arbeit des Netzteils, da es nicht mit hohen Stromänderungen umgehen muss. In der Tat hilft der Kondensator, den Strombedarf der Last zu mitteln, wie er von der Stromversorgung gesehen wird.

Glättungskondensatoren werden verwendet, um Spannungsschwankungen zu unterdrücken, die normalerweise in Stromversorgungsleitungen auftreten. Sie tun dies, indem sie periodisch Energie speichern und wieder auffüllen. Das folgende Bild zeigt einen sehr häufigen Anwendungsfall dieser Kondensatoren in einem Vollbrückengleichrichter.

Wie Sie sehen, entlädt sich der Glättungskondensator und füllt Energie auf, wenn die Ausgangsspannung abfällt. Dies "gleicht" die Ausgangsspannung aus, weshalb dieser Kondensator als "Glättungskondensator" bezeichnet wird.

Kondensatoren sollen Ihrer Last die Illusion vermitteln, an eine ideale Spannungsquelle angeschlossen zu sein.

Beispielsweise weist Ihre Stromquelle einen gewissen Innenwiderstand auf, und aufgrund der langen Zuleitungen kann eine erhebliche Induktivität auftreten.

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schaltplan erstellt mit CircuitLab}

Durch Hinzufügen des Kondensators kann die Last ungefähr sehen, Vswie der Schalter geöffnet / geschlossen wird. Andernfalls liegt beim Öffnen / Schließen der Last eine variable Versorgungsspannung an.

Ja, es funktioniert im Prinzip genauso. Ein Kondensator hat jedoch typischerweise eine geringere Kapazität als beispielsweise eine Batterie. Wenn Sie eine Last an einen Kondensator anschließen, nehmen Ladung und Spannung mit der Zeit ab. Deshalb heißt es glatt. Ein Akku macht das genauso, aber aufgrund der höheren Kapazität sehr viel langsamer.

Es gibt auch eine Glättung im Sinne einer Glättung eines Spannungssignals. Wenn wir einen Kondensator gleichzeitig mit einem variablen Spannungssignal laden und entladen, werden Sie verstehen, dass sich der Kondensator bei steigenden Flanken auflädt. Bei den fallenden Flanken "hilft" der Kondensator der anderen Stromversorgung, wodurch die fallende Flanke weicher wird. Letztendlich kann dies zu einer nahezu konstanten Spannung führen.

Stellen Sie sich einen Kondensator als ein Glas Wasser mit einem Loch vor. Egal wie schnell Sie das Glas füllen, die Ausgabe durch das Loch ist ungefähr gleich. Genau so funktioniert ein Kondensator, der sich zuerst auflädt und dann einen Ausgang liefert, der das Rauschen herausfiltert und einen sauberen Ausgang liefert, unabhängig davon, wie der Eingang schwankt.