در 2024/06/11 790

راهنمای خازن: سری Vs.پیکربندی های موازی

در مهندسی برق ، خازن ها کاربردهای بسیاری را نشان می دهند ، به ویژه هنگامی که به صورت سری یا موازی در مدارها قرار می گیرند.این ترتیبات بر ظرفیت ، ذخیره انرژی و کارآیی سیستم های الکتریکی تأثیر می گذارد.در این مقاله به چگونگی عملکرد خازن ها به صورت سری و تنظیمات موازی ، با استفاده از نمونه ها و نظریه ها برای توضیح تفاوت های آنها می پردازیم.این هدف این است که درک روشنی از نحوه استفاده از خازن ها به طور مؤثر در فن آوری های مختلف ، از الکترونیک روزمره گرفته تا ماشینهای صنعتی پیشرفته ارائه دهد.

کاتالوگ

شکل 1: مدار خازن

خازن در مدارهای الکتریکی

در مدارهای الکتریکی ، خازن برای ذخیره و تخلیه بار الکتریکی یک هدف را سرو کنید.آنها دو صفحه رسانا دارند که توسط یک دی الکتریک عایق جدا شده اند.توانایی آنها برای نگه داشتن شارژ در فارادس اندازه گیری می شود.

شکل 2: خازن

خازن ها می توانند به صورت سری یا موازی متصل شوند.در سری ، خازن های بیشتر از خازن کلی ، برای دستیابی به خازن پایین استفاده می کنند.به موازات ، خازن های بیشتر ظرفیت کل را افزایش می دهند ، ایده آل برای خازن بالا در فضاهای کوچک ، مانند فیلترهای منبع تغذیه.ماده دی الکتریک بر عملکرد خازن تأثیر می گذارد و حداکثر بار ، ولتاژ خرابی و پاسخ فرکانس مدار را تعیین می کند.خازن های پیشرفته از موادی مانند سرامیک ، تانتالوم یا الکترولیت های پلیمری برای خازن بالاتر ، پایداری دما و نشت کم استفاده می کنند.

شکل 3: خازن

خواص خازن ها به صورت سری و موازی

در اینجا یک توضیح ساده در مورد خصوصیات آنها و نحوه تنظیم این تنظیمات برای به دست آوردن ظرفیت مورد نظر ارائه شده است.

خازن ها در سری

شکل 4: سری ظرفیت

وقتی خازن ها را به صورت سری وصل می کنید ، خازن کلی کوچکتر می شود.این اتفاق می افتد زیرا این هزینه باید از طریق مواد بیشتری سفر کند و باعث می شود شارژ آن را سخت تر کند.ظرفیت کل (1/c_مجموع) مبلغ متقابل هر خازن جداگانه (1/c است₁ + 1/c₂ + ... + 1/c_حرف).خازن کلی همیشه کمتر از کوچکترین خازن در این سری است.فرمول محاسبه ظرفیت کل در سری:

طراحان مدار باید هنگام انتخاب خازن ها ، این ویژگی را در نظر بگیرند تا الزامات خاص خازن را برآورده کنند.محدودیت های عملی مانند فضا و نیازهای کاربردی می تواند تعداد خازن ها را به صورت سری محدود کند و توزیع ولتاژ متفاوت می تواند پیچیدگی را اضافه کند مگر اینکه خازن ها یکسان باشند.

خازن ها به موازات

شکل 5: موازی ظرفیت

هنگامی که خازن ها به صورت موازی متصل می شوند ، کل ظرفیت افزایش می یابد.این امر به این دلیل است که سطح ترکیبی از تمام خازن ها اجازه می دهد تا بار بیشتری در همان ولتاژ ذخیره شود.کل ظرفیت (ج_مجموع) مجموع خازن های هر خازن است (c₁ + c₂ + ... + C_حرف).ظرفیت کلی از بزرگترین خازن منفرد بیشتر خواهد بود.فرمول محاسبه ظرفیت کل به طور موازی:

اگرچه ، تعداد نامحدودی از خازن ها می توانند به صورت موازی متصل شوند ، اما محدودیت های عملی مانند فضای فیزیکی ، هدف مدار و محدودیت های طراحی اغلب تعداد را محدود می کنند.خازن های با کیفیت بالا با رتبه بندی و تحمل ولتاژ مناسب برای عملکرد مدار قابل اعتماد مناسب هستند.این فرمول امکان کنترل دقیق بر مقادیر خازن را فراهم می کند ، و به طراحان این امکان را می دهد تا رفتار مدار ، راندمان انرژی و عملکرد را بهینه کنند و آن را به سنگ بنای الکترونیک و مهندسی برقی تبدیل کنند.

شکل 6: سری و موازی

مدار خازن سری و مثال

یک مدار خازن سریال دارای خازن ها به طور متوالی در همان مسیر مرتبط است و اطمینان حاصل می کند که بارهای یکسان یا جریان های یکسان از طریق هر مؤلفه عبور می کنند.این جریان جریان یکنواخت را در خازن ها تضمین می کند ، یک جنبه اساسی برای درک رفتار چنین مدارها.

شکل 7: مدار خازن سری

در یک مجموعه سری ، هر خازن باید همان بار را تحمل کند.هنگامی که یک منبع ولتاژ DC اعمال می شود ، اتصال سری به این امر می پردازد که برای حفظ این تعادل ، در طول خازن ها توزیع می شود.به عنوان مثال ، اگر یک منبع ولتاژ در خازن های C متصل باشد₁، ج₂، و ج₃ به ترتیب با مقادیر 2f ، 4f و 6f ، موارد زیر رخ می دهد:

• سمت راست C₃ به دلیل جذابیت الکترون ها به سمت ترمینال مثبت باتری ، مثبت می شود.

• این کسری الکترون در C₃صفحه سمت راست باعث کسری مشابه در C می شود₂صفحه سمت راست ، و پی در پی همان اثر در C1 رخ می دهد.

• این واکنش زنجیره ای در خازن ها توزیع بار یکنواخت را تضمین می کند.

مثال:

با توجه به ظرفیت های c₁= 2f ، c₂= 4f ، c₃= 6F و ولتاژ DC 10 ولت ، می توانیم بار و توزیع ولتاژ را تعیین کنیم:

شکل 8: سری نمونه ها

محاسبه بازده ctotal تقریباً 0.92f است.

با استفاده از Q = C × V ، جایی که Q بار است و V ولتاژ است:

بنابراین ، هر خازن شارژ 9.2c را دارد.

ولتاژ در هر خازن با استفاده از V = CQ یافت می شود:

مجموع ولتاژهای فردی ، v₁+v₂+v₃، باید با ولتاژ منبع (10 ولت) برابر باشد.در اینجا ، آن را به تقریباً 8.43 ولت محاسبه می کند ، که نشان دهنده خطای احتمالی گرد یا محاسبه در برآوردها یا فرضیات اولیه ما است.

مدار خازن موازی و مثال

یک مدار خازن موازی یک مجموعه الکترونیکی است که خازن ها در کنار هم به نقاط مشترک متصل می شوند و به هر یک اجازه می دهد تا به طور مستقل تحت همان ولتاژ کار کنند.این با مدارهای سری متفاوت است ، جایی که خازن ها شارژ را به اشتراک می گذارند.

شکل 9: مدار خازن موازی

در یک موازی ، ولتاژ در هر خازن یکسان است.با این حال ، شارژ هر خازن بر اساس ظرفیت آن متفاوت است.خازن بالاتر به این معنی است که یک خازن می تواند بار بیشتری را ذخیره کند.به عنوان مثال ، اگر خازن 8 فاراد (F) و 4F داشته باشیم ، خازن 8F هنگامی که هر دو تحت یک ولتاژ یکسان هستند ، شارژ بیشتری نسبت به خازن 4F ذخیره می کنند.

یکی از مهمترین مزیت های خازن های موازی افزایش ظرفیت کلی است.بر خلاف مدارهای سری ، که در آن کل خازن کمتر از هر خازن فردی است ، به موازات ، کل خازن مجموع تمام خازن های فردی است.این اتفاق می افتد زیرا ناحیه صفحه به طور موثری بدون تغییر فاصله بین آنها افزایش می یابد و توانایی مدار در ذخیره بار را افزایش می دهد.

مثال:

شکل 10: نمونه موازی

یک مدار را با سه خازن متصل به موازات منبع تغذیه 10 ولت DC در نظر بگیرید.خازن ها این خازن ها را دارند: C₁ = 8f ، c₂ = 4f ، و c₃ = 2fهر خازن همان 10 ولت را تجربه می کند ، اما هزینه های مختلفی را بر اساس خازن خود ذخیره می کند:

خازن C₁: با 8F ، هزینه 80 coulombs (c) را ذخیره می کند ، که به عنوان Q = C × V محاسبه می شود ، که 8f × 10V = 80c است.

خازن C₂: با 4F ، شارژ 40c را ذخیره می کند ، به عنوان 4f × 10V = 40c محاسبه می شود.

خازن C₃: با 2F ، شارژ 20c را ذخیره می کند ، به عنوان 2f × 10V = 20c محاسبه می شود.

کل بار در مدار مجموع تمام هزینه ها است: q_حرف= س₁+q₂+q₃= 80c+40c+20c = 140c

این افزودنی نشان می دهد که چگونه یک مدار خازن موازی با ترکیب خازن خازن های فردی ، ذخیره بار را افزایش می دهد.یک مدار خازن موازی ظرفیت کل ظرفیت و ظرفیت ذخیره بار را افزایش می دهد ، در حالی که هر خازن ولتاژ یکسانی را تجربه می کند.

انرژی ذخیره شده در خازن ها به صورت سری و موازی

برای درک چگونگی ذخیره انرژی در خازن های مرتب شده به صورت سری یا موازی ، ما با فرمول اصلی برای انرژی ذخیره شده در یک خازن واحد شروع می کنیم:

اینجا ، تو_جف انرژی در ژول است ، q بار در Coulombs است و C ظرفیت در Farads است.

انرژی در خازن های سری

برای خازن ها در سری ، دو خازن را با خازن C1 و C2 در نظر بگیرید.رابطه بین شارژ و ولتاژ برای هر خازن توسط C = VQ داده می شود.در یک پیکربندی سری ، همان شارژ Q در هر خازن است:

کل انرژی ذخیره شده در سیستم ، مجموع انرژی های فردی است:

این نشان می دهد که خازن مؤثر خازن های سری ، جمع متقابل خازن های فردی است که باعث کاهش ظرفیت کل می شود و ذخیره انرژی را در مقایسه با تنظیمات تک یا موازی تغییر می دهد.

انرژی در خازن های موازی

برای خازن ها به صورت موازی ، هر خازن دارای ولتاژ یکسانی در آن است.انرژی برای هر یک را می توان با استفاده از فرمول مبتنی بر ولتاژ بیان کرد:

اگر دو خازن C₁ و ج₂ به طور موازی و دارای ولتاژ V یکسانی در آنها هستند ، کل ذخیره انرژی آنها:

این محاسبه نشان می دهد که کل خازن برای خازن های موازی ، مجموع خازن های فردی است که کل انرژی ذخیره شده در مقایسه با تنظیمات فردی یا سری را افزایش می دهد.

مزایا و مضرات خازن ها در سری

استفاده از خازن ها به صورت سری مزایایی از جمله افزایش ولتاژ کلی کار را ارائه می دهد.این پیکربندی همچنین امکان تعادل ولتاژ موثرتر را فراهم می کند ، به خصوص هنگامی که مقاومت های با ارزش بالا (در حدود 100kΩ یا بالاتر) در هر خازن قرار می گیرند تا از توزیع ولتاژ یکنواخت تر اطمینان حاصل شود.

استفاده از خازن ها به صورت سری با مضراتی همراه است ، از جمله مسئله اشتراک ولتاژ نابرابر.تغییرات در جریان های نشت ، به ویژه در خازن های الکترولیتی ، می تواند منجر به یک خازن شود که ولتاژ بیش از حد را تجربه می کند ، که ممکن است منجر به آسیب شود.تفاوت های جزئی در نرخ تولید یا پیری نیز به تغییرات در جریان نشت کمک می کند و بر توزیع ولتاژ تأثیر می گذارد.جریان نشت در خازن های الکترولیتی با گذشت زمان افزایش می یابد ، به خصوص اگر به طور منظم مورد استفاده قرار نگیرد.حتی با وجود مقاومت های متعادل کننده در محل ، برای اطمینان از عملکرد قابل اعتماد ، باید حاشیه ای در ولتاژ کار ، به ویژه برای خازن های الکترولیتی ، باقی بماند.

مزایا و مضرات خازن به طور موازی

افزایش ذخیره انرژی: اتصال خازن ها در موازی انرژی بیشتری نسبت به زمان سری دارند زیرا کل خازن آنها مجموع تمام خازن های فردی است.

تعادل ولتاژ بهتر: بانکهای خازن موازی با مقاومت در برابر تعادل کمتر ، کاهش هزینه ها و تلفات برق ، تعادل ولتاژ بهتری را به دست می آورند.

راندمان هزینه: کمتر مقاومت در برابر تعادل در اتصالات موازی باعث صرفه جویی در هزینه و ساده سازی سیستم می شود.

محدودیت ولتاژ: در یک مدار موازی ، همه خازن ها ولتاژ یکسانی دارند.حداکثر ولتاژ با کمترین خازن دارای امتیاز محدود است.به عنوان مثال ، اگر یک خازن در 200 ولت و سایر موارد در 500 ولت رتبه بندی شود ، کل سیستم فقط می تواند 200 ولت را تحمل کند.

خطرات ایمنی: خازن های موازی مقادیر زیادی انرژی را به سرعت ذخیره و آزاد می کنند ، که در صورت وجود یک مدار کوتاه ، می تواند خطرناک باشد ، که به طور بالقوه باعث آسیب شدید و صدمات می شود.

خطر خرابی سیستم: در چیدمان های پیچیده ، اگر یک خازن شکست بخورد ، دیگران باید ولتاژ کامل را کنترل کنند و منجر به خرابی احتمالی کل سیستم شوند.این خطر در اتصالات سری پایین تر است که در آن شکست یک خازن بر دیگران تأثیر نمی گذارد.

پایان

این نگاه دقیق به خازن ها به ما کمک می کند تا کارکردهای آنها و ملاحظات مهم را برای استفاده از آنها در الکترونیک مدرن درک کنیم.تنظیمات سری ولتاژ کار را افزایش می دهد و توزیع ولتاژ را مدیریت می کند اما خازن را کاهش می دهد و حساسیت به تغییرات را افزایش می دهد.تنظیمات موازی باعث افزایش ظرفیت کل و ذخیره انرژی می شود ، که برای مدیریت انرژی در فضاهای کوچک مفید است ، اما در صورت عدم موفقیت یک خازن ، می توانند خطرناک باشند.انتخاب بین سری و تنظیمات موازی بستگی به نیازهای خاص مهندسی ، تعادل فضای ، هزینه و عملکرد دارد.بینش های نظری و عملی بر انتخاب دقیق خازن و طراحی مدار تأکید می کند تا از سیستم های الکتریکی قابل اعتماد و کارآمد اطمینان حاصل شود.

سوالات متداول [سؤالات متداول]

1. تأثیر خازن سری چیست؟

از خازن های سری در درجه اول برای کاهش امپدانس یک مدار در فرکانس های بالاتر استفاده می شود ، که باعث می شود انتقال نیرو در مسافت های طولانی بهبود یابد و تنظیم ولتاژ را تقویت کند.هنگامی که خازن ها به صورت سری متصل می شوند ، کل ظرفیت کاهش می یابد.این پیکربندی همان بار را مجبور به عبور از تمام خازن ها می کند ، و در نتیجه تقسیم ولتاژ کل در هر خازن با توجه به مقدار ظرفیت آن انجام می شود.این ویژگی به ویژه در برنامه های کاربردی مانند اتصال و فیلتر سیگنال مفید است ، جایی که هدف این است که جریان مستقیم (DC) را مسدود کنید در حالی که اجازه می دهد جریان متناوب (AC) عبور کند.

2. چه زمانی از خازن های سری استفاده کنیم؟

از خازن های سری در صورت نیاز به تنظیم امپدانس یک مدار ، به ویژه در برنامه های با فرکانس بالا استفاده می شود.آنها همچنین برای دستیابی به بخش ولتاژ در یک مدار به کار می روند.در سیستم های برق ، از خازن های سری برای افزایش ظرفیت خطوط انتقال نیرو با جبران واکنش القایی در خطوط انتقال طولانی استفاده می شود ، بنابراین اجازه می دهد جریان بیشتری در شرایط ولتاژ یکسان جریان یابد.

3. چگونه می دانید دو خازن در سری هستند؟

در صورت اتصال به پایان به پایان ، دو خازن به صورت سری وجود دارد ، با ترمینال مثبت یکی به ترمینال منفی دیگر ، و فقط دو نقطه اتصال شامل سایر اجزای مدار وجود دارد.این ترتیب تضمین می کند که شارژ و جریان تخلیه که از طریق آنها جریان می یابد یکسان است.کل ظرفیت کل را می توان برای تأیید این امر محاسبه کرد.برای خازن های سری ، متقابل کل ظرفیت ، مجموع متقابل خازن های فردی است.

4- تأثیر خازن موازی چیست؟

هنگامی که خازن ها به صورت موازی متصل می شوند ، ظرفیت کل مدار افزایش می یابد.این پیکربندی به هر خازن اجازه می دهد همان ولتاژ را نگه داشته و منجر به تجمع ظرفیت بار در خازن ها شود.خازن های موازی اغلب برای تثبیت ولتاژ و ذخیره بار بیشتر در سیستم هایی که به خازن بالاتر بدون افزایش رتبه ولتاژ خازن های فردی مورد نیاز است ، استفاده می شود.

5- آیا مجموعه یا پیکربندی موازی ولتاژ را افزایش می دهد؟

پیکربندی خود ولتاژ منبع اصلی را افزایش نمی دهد.با این حال ، توزیع ولتاژ در مدار متفاوت است.در یک پیکربندی سری ، ولتاژ بسته به خازن فردی آنها بین خازن ها تقسیم می شود.در مقابل ، در یک پیکربندی موازی ، ولتاژ در هر خازن مانند ولتاژ تأمین باقی می ماند.

6. آیا ولتاژ به طور موازی یکسان است؟

بله ، در یک مدار موازی ، ولتاژ در هر خازن یکسان و برابر با کل ولتاژ عرضه شده به مدار است.این توزیع یکنواخت ولتاژ باعث می شود خازن های موازی برای برنامه های کاربردی که نیاز به ولتاژ مداوم در بین قطعات مختلف دارند ، ایده آل شود.