3.0 ΠΑΘΗΤΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ 3.2 ΠΥΚΝΩΤΕΣ 3.2.1 ΒΑΣΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ

ΣΤΟΧΟΙ Σ’ αυτό το μάθημα θα μάθουμε: Να αναγνωρίζει τους πυκνωτές. Να αναγνωρίζει τους πυκνωτές. Να αναφέρει χρήσεις των σε ηλεκτρονικά κυκλώματα. Να αναφέρει την αρχή λειτουργίας των πυκνωτών. Να υπολογίζει την χωρητικότητα του πυκνωτή. Να υπολογίζει την ενέργεια που αποθηκεύει ο πυκνωτής. Να υπολογίζει το φορτίο του πυκνωτή. Να ερμηνεύει τις καμπύλες φόρτισης και εκφόρτισης. Να υπολογίζει τη σταθερά χρόνου του πυκνωτή. Να περιγράψετε τη λειτουργία του πυκνωτή στο εναλλασσόμενο ρεύμα Να υπολογίζει την ολική χωρητικότητα κυκλώματος πυκνωτών σε σειρά. Να υπολογίζει την ολική χωρητικότητα κυκλώματος πυκνωτών σε παράλληλη σύνδεση.

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Οι πυκνωτές χρησιμοποιούνται στα διάφορα ηλεκτρονικά κυκλώματα όπως τα Χρήσεις πυκνωτών Οι πυκνωτές χρησιμοποιούνται στα διάφορα ηλεκτρονικά κυκλώματα όπως τα φίλτρα, χρονοκύκλωματα, τροφοδοτικά, κυκλώματα συντονισμού, κυκλώματα διαφόρισης και ολοκλήρωσης, στην εκκίνηση ηλεκτροκινητήρων, σαν αντιπαρασιτικοί πυκνωτές αυτοκινήτων, σε ηχεία κλπ.

Δύο ακροδέκτες συνδέονται με τους οπλισμούς. ΒΑΣΙΚΗ ΔΟΜΗ ΠΥΚΝΩΤΗ Ο πυκνωτής είναι ένα από τα βασικά στοιχεία των ηλεκτρονικών κυκλωμάτων. Στην βασική του μορφή αποτελείται από δύο μεταλλικές πλάκες, τους οπλισμούς, μεταξύ των οποίων υπάρχει ένα μονωτικό υλικό που ονομάζεται διηλεκτρικό. Δύο ακροδέκτες συνδέονται με τους οπλισμούς.

ΧΩΡΗΤΙΚΟΤΗΤΑ ΠΥΚΝΩΤΗ Χωρητικότητα του πυκνωτή είναι το φυσικό μέγεθος που τον χαρακτηρίζει. Από αυτή εξαρτάται η ποσότητα του ηλεκτρικού φορτίου που μπορεί να αποθηκευτεί στον πυκνωτή. Η χωρητικότητα ενός πυκνωτή είναι ανάλογη της επιφάνειας των οπλισμών του και αντιστρόφως ανάλογη της απόστασης μεταξύ τους και επίσης εξαρτάται από το είδος του διηλεκτρικού. Δηλαδή όσο πιο μεγάλη είναι η επιφάνεια των οπλισμών και όσο πιο μικρή είναι η απόσταση μεταξύ τους τόσο πιο πολλά φορτία συγκρατεί ο πυκνωτής. Η χωρητικότητα δίδεται από τον τύπο: C=εε0Α/d Όπου C= Χωρητικότητα (Φάρατ – F) Α= Επιφάνεια (εμβαδόν) οπλισμών (m2) d= απόσταση μεταξύ οπλισμών (m) ε= διηλεκτρική σταθερά ε0= διηλεκτρική σταθερά αέρα (F/m) (ε0 = 8,85 x 10-12 F/m)

Η μονάδα μέτρησης της χωρητικότητας ενός πυκνωτή είναι το Farad (F) Η μονάδα μέτρησης της χωρητικότητας ενός πυκνωτή είναι το Farad (F). Επειδή αυτή η μονάδα είναι πολύ μεγάλη στη πράξη χρησιμοποιούμε το υπoπολλαπλάσια της τα οποία είναι το μF, το nF και το pF, (1μF=10-6, 1nF=10-9 και το pF=10-12 ) Πείραμα : Παράγοντες που επηρεάζουν τη Χωρητικότητα

ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΠΥΚΝΩΤΗ Ένας πυκνωτής μπορεί να αποθηκεύσει ηλεκτροστατική ενέργεια μέσα από το διηλεκτρικό, όταν στους οπλισμούς του εφαρμοσθεί διαφορά δυναμικού U. Η τιμή της αποθηκευμένης ενέργειας δίνεται από τον τύπο Όπου W είναι η ηλεκτροστατική ενέργεια του πυκνωτή σε Τζιούλ C είναι η χωρητικότητα του πυκνωτή. U είναι η τάση που εφαρμόζετε στα άκρα του πυκνωτή σε Volts

ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΦΟΡΤΙΟ ΠΥΚΝΩΤΗ Τα ηλεκτρικό φορτίο που συγκεντρώνεται στους οπλισμούς ενός πυκνωτή είναι ανάλογο της χωρητικότητας του καθώς και της τάσης που εφαρμόζεται στα άκρα του. Q = CV όπου Q= ηλεκτρικό φορτίο (Κουλόμ - C) V= τάση στα άκρα του πυκνωτή (Βόλτ – V) C= Χωρητικότητα (Φάρατ – F)

Αντιστοίχηση δοχείου με αέρα με φορτισμένο πυκνωτή Πυκνωτής με ηλεκτρ. Φορτίο Ηλεκτρικό Φορτίο 2) Μεγάλη χωρητικότητα περισσότερο φορτίο 3) Μεγαλύτερη τάση περισσότερο ηλ. φορτίο Δοχείο με αέρα 1) Ποσότητα Αέρα 2) Μεγαλύτερο μέγεθος περισσότερος αέρας 3) Μεγαλύτερη πίεση

ΦΟΡΤΙΣΗ ΤΟΥ ΠΥΚΝΩΤΗ Όταν ο πυκνωτής συνδεθεί σε κύκλωμα συνεχούς ρεύματος τότε φορτίζεται και η τάση στα άκρα του αυξάνεται. Η ροή ρεύματος προς τον πυκνωτή σταματά όταν η τάση του πυκνωτή γίνει ίση με την τάση της πηγής (Πείραμα : Φόρτιση και εκφόρτωση πυκνωτή - Κύκλωμα)

Πυκνωτής στο συνεχές ρεύμα α) Φόρτιση Μόλις κλείσει ο διακόπτης στην θέση A τότε περνά ένα μέγιστο ρεύμα το οποίο ισούται με Ι = Ε/R. Ο πυκνωτής αρχίζει να φορτίζεται και ταυτόχρονα το ρεύμα μειώνεται και φτάνει στο 0 όταν ο πυκνωτής φορτιστεί πλήρως, δηλαδή η τάση στα άκρα του να γίνει ίση με την τάση της πηγής. Σε αυτή τη κατάσταση ο πυκνωτής δεν επιτρέπει την διέλευση του ρεύματος, επομένως ο πυκνωτής στο συνεχές ρεύμα παρουσιάζει τόσο μεγάλη αντίσταση ώστε να διακόπτει το κύκλωμα στο οποίο συνδέεται. (Πείραμα : Φόρτισης Πυκνωτή – Γραφική παράσταση)

β) Εκφόρτιση Μόλις ο διακόπτης κλείσει στην θέση Β ένα μέγιστο ρεύμα (Ι = Ε/R ) περνά προς την αντίθετη κατεύθυνση διότι ο πυκνωτής δίνει πίσω την ενέργεια που αποθήκευσε. Το ρεύμα αυτό μειώνεται σιγά σιγά μέχρι το 0 και ταυτόχρονα μειώνεται και η τάση του πυκνωτή φτάνοντας και αυτή στο 0.

Η φόρτιση και η εκφόρτιση του πυκνωτή φαίνονται στις πιο κάτω γραφικές παραστάσεις.

Πείραμα : RC Time Constant Το γινόμενο RC = τ ονομάζεται σταθερά χρόνου και έχει μονάδα μέτρησης το δευτερόλεπτο (sec). Κατά τη διαδικασία φόρτισης, σε χρόνο 1τ ο πυκνωτής φορτίζεται στο 63.2% της τάσης της πηγής. Κατά τη διαδικασία εκφόρτισης, επίσης σε χρόνο 1τ ο πυκνωτής εκφορτίζεται και έχει τάση 37% της αρχικής τάσης. Ο πυκνωτής φορτίζεται πλήρως κατά την φόρτιση ή εκφορτίζεται πλήρως κατά την εκφόρτιση σε χρόνο 5τ δηλαδή 5RC. ΦΟΡΤΙΣΗ 1τ 2τ 3τ 4τ 5τ 63% 86% 95% 98% 99% ΕΚΦΟΡΤΙΣΗ 37% 14% 5% 2% 1% Πείραμα : RC Time Constant

Πυκνωτής στο εναλλασσόμενο ρεύμα Όταν ο πυκνωτής συνδεθεί στο εναλλασσόμενο ρεύμα τότε συνεχώς φορτίζεται και εκφορτίζεται και αυτό έχει σαν αποτέλεσμα να κινούνται συνεχώς ηλεκτρικά φορτία. Η κίνηση αυτή των φορτίων είναι ρεύμα το οποίο διαρρέει τον πυκνωτή και έχει σαν αποτέλεσμα κάποια πτώση τάσης στα άκρα του, βάση του νόμου του Ωμ. ( R=V/I ) Δηλαδή ο πυκνωτής επιτρέπει την διέλευση του εναλλασσόμενου ρεύματος αλλά παρουσιάζοντας σε αυτό μια αντίσταση η οποία ονομάζεται χωρητική αντίσταση. Η χωρητική αντίσταση συμβολίζεται με Χc και η μονάδα μέτρησης της είναι το Ωμ (Ω). f = συχνότητα σε Hz C = χωρητικότητα σε F π = 3.14

Από τον τύπο βλέπουμε ότι η χωρητική αντίσταση είναι αντιστρόφως ανάλογη της συχνότητας, δηλαδή ο πυκνωτής προβάλλει μεγάλη αντίσταση στις χαμηλές συχνότητες και μικρή στις ψηλές.

ΣΥΝΔΕΣΗ ΠΥΚΝΩΤΩΝ Α) Σύνδεση σε σειρά

Β) Σύνδεση παράλληλα

ΑΝΑΚΕΦΑΛΑΙΩΣΗ ΠΥΚΝΩΤΕΣ Q =CV C=εε0Α/d Φόρτιση Πυκνωτή στο ΒΑΣΙΚΗ ΔΟΜΗ συνεχές ρεύμα ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΦΟΡΤΙΟ ΠΥΚΝΩΤΗ ΠΥΚΝΩΤΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΠΥΚΝΩΤΗ Q =CV ΧΩΡΗΤΙΚΟΤΗΤΑ ΠΥΚΝΩΤΗ C=εε0Α/d