Расчет емкости конденсатора

Подключение светодиодов к блоку питания

Блок питания компьютера — это замечательный источник питания для светодиода или линейки из светодиодов, поскольку он вырабатывает стабилизированное напряжение +5 вольт (В) и +12 В.

Итак, разъем имеет четыре контакта, к которым подходят четыре же провода: два из них черные — это «ноль», один красный выдает напряжение +5 вольт, и один желтый выдает +12 вольт.

Рассмотрим схему подключения одного светодиода.

Рассмотрим схему подключения двух светодиодов.

Рассмотрим схему подключения трех и четырех светодиодов.

Универсальный принцип расчета ограничительного резистора описан в статье «Методика расчета питания светодиода».

Выше приведены схемы последовательного включения светодиодов. Существуют также способы параллельного включения светодиодов

Обратите внимание, что под параллельным включением подразумевается схема в которой, когда аноды и катоды всех светодиодов непосредственно сходятся в две точки (два пучка)

Такие схемы, как правило, не экономичны и небезопасны, как для блока питания, так и для светодиодов. Кроме того, схемы параллельного включения более сложны в расчетах, требовательны к источнику питания, поэтому мы будем пользоваться ими только в особых случаях. Просто посмотрим как выглядит такая схема.

Рекомендую никогда не использовать эту схему включения светодиодов. Но если все же условия требуют параллельного включения то советую использовать следующий вариант.

Благодаря падению напряжения на этих диодах, до светодиодов доходит напряжение уже не 5 Вольт, а значительно меньше. Ограничительные диоды подбираются так, чтобы до светодиодов доходило напряжение равное их падению напряжения в открытом состоянии.

Эта схема используется используется автором для круглосуточного светодиодного освещения квартиры.

Для чего используются конденсаторы?

Электростанции

Почти все электронные устройства имеют блок питания, который преобразует переменный ток, присутствующий в доме, в постоянный ток. Конденсаторы играют важную роль в преобразовании переменного тока в постоянный, устраняя электрические помехи. В источниках энергии используются электролитические конденсаторы различных размеров – от нескольких миллиметров до нескольких дюймов (или сантиметров).

Звуковые покрытия

Конденсаторы имеют множество применений в аудио оборудовании. Они блокируют постоянный ток на входе вс усилитель, предотвращая внезапные звуки или шумы, которые могут повредить колонки и наушники. Данные детали, используемые в аудиофильтрах, позволяют контролировать басы.

Компьютеры

Цифровые схемы в компьютерах передают электронные импульсы на высоких скоростях. Эти потоки в сети могут создавать помехи сигналам от соседней цепи, поэтому разработчики высокотехнологичного оборудования применяют конденсаторы для минимизации помех.

Высокотехнологичный конденсатор

Конденсатор

Конденсатор – электронный компонент, предназначенный для накопления электрического заряда. Способность конденсатора накапливать электрический заряд зависит от его главной характеристики – емкости. Емкость конденсатора (С) определяется как соотношение количества электрического заряда (Q) к напряжению (U).

Емкость конденсатора измеряется в фарадах (F) – единицах, названых в честь британского ученого физика Майкла Фарадея. Емкость в один фарад (1F) равняется количеству заряда в один кулон (1C), создающему напряжение на конденсаторе в один вольт (1V). Вспомним, что один кулон (1С) равняется величине заряда, прошедшего через проводник за одну секунду (1sec) при силе тока в один ампер (1A).

Однако кулон, это очень большое количество заряда относительно того, сколько способно хранить большинство конденсаторов. По этой причине, для измерения емкости обычно используют микрофарады (µF или uF), нанофарады (nF) и пикофарады (pF).

1nF = 0.000000001 = 10-9 F

1pF = 0.000000000001 = 10-12 F

Плоский конденсатор

Существует множество типов конденсаторов различной формы и внутреннего устройства. Рассмотрим самый простой и принципиальный — плоский конденсатор. Плоский конденсатор состоит из двух параллельных пластин проводника (обкладок), электрически изолированных друг от друга воздухом, или специальным диэлектрическим материалом (например бумага, стекло или слюда).

Заряд конденсатора. Ток

По своему предназначению конденсатор напоминает батарейку, однако все же он сильно отличается по принципу работы, максимальной емкости, а также скорости зарядки/разрядки.

О государственной регистрации дезинфицирующих средств в связи с обострением санитарно-эпидемиологической ситуации, вызванной распространением новой коронавирусной инфекции COVID-19

• Реестр зарегистрированных средств в каталоге http://dezreestr.ru/
• Реестр Роспотребнадзора свидетельств о государственной регистрации, в том числе содержащий дезинфицирующие средства, кожные антисептики

Процессы зарядки и разрядки конденсаторов.

С устройством мы разобрались, теперь разберемся, что произойдет, если подключить к конденсатору источник постоянного тока. На принципиальных электрических схемах конденсатор обозначают следующим образом:

Итак, мы подключили обкладки конденсатора к полюсам источника постоянного тока. Что же будет происходить?

Свободные электроны с первой обкладки конденсатора

устремятся к положительному полюсу источника, в связи с чем на обкладке возникнет недостаток отрицательно заряженных частиц и она станет положительно заряженной. В то же время электроны с отрицательного полюса источника тока переместятся ко второй обкладке конденсатора, в результате чего на ней возникнет избыток электронов, соответственно, обкладка станет отрицательно заряженной. Таким образом, на обкладках конденсатора образуются заряды разного знака (как раз этот случай мы и рассматривали в первой части статьи), что приводит к появлению электрического поля, которое создаст между пластинами конденсатора определенную . Процесс зарядки будет продолжаться до тех пор, пока эта разность потенциалов не станет равна напряжению источника тока, после этого процесс зарядки закончится, и перемещение электронов по цепи прекратится.

При отключении от источника конденсатор может на протяжении длительного времени сохранять накопленные заряды. Соответственно, заряженный конденсатор является источником электрической энергии, это означает, что он может отдавать энергию во внешнюю цепь. Давайте создадим простейшую цепь, просто соединив обкладки конденсатора друг с другом:

В данном случае по цепи начнет протекать ток разряда конденсатора

, а электроны начнут перемещаться с отрицательно заряженной обкладки к положительной. В результате напряжение на конденсаторе (разность потенциалов между обкладками) начнет уменьшаться. Этот процесс завершится в тот момент, когда заряды пластин конденсаторов станут равны друг другу, соответственно электрическое поле между обкладками пропадет и по цепи перестанет протекать ток. Вот так и происходит разряд конденсатора, в результате которого он отдает во внешнюю цепь всю накопленную энергию.

Как видите, здесь нет ничего сложного

Расчёт блока питания с гасящим конденсатором + онлайн-калькулятор

Итак, процессы в этой схеме будут достаточно нелинейны, поэтому при рассчётах придётся делать различные упрощения и допущения.

Для начала давайте будем считать, что ёмкость конденсатора C2

достаточна для полного сглаживания пульсаций напряжения после моста, то есть напряжение на конденсатореC2 = const . Далее попробуем нарисовать пару графиков, — напряжение на входе моста (UM ) и ток через конденсаторC1 (IC1 ), опираясь на график сетевого напряженияUС(t) . Будем считать, что сетевое напряжение у нас изменяется по синусоидальному закону и имеет амплитудуUca (вообще-то рисовать мы будем косинусоиду, нам так будет удобнее, но это по сути одно и то же, только косинусоида сдвинута относительно синусоиды наπ/2 ).

Рассуждаем следующим образом: в каждый момент времени полное напряжение и полный ток в этой цепи можно описать следующими уравнениями:

UC=UC1+UМ

(1),iC=iC1+iМ (2)

В момент времени t0

уравнение напряжения примет вид:Uca=UC1+UМ . ПосколькуUca — это максимальное значение сетевого напряжения, тоUC1 иUМ также в этот момент должны иметь максимальные значения (здесь в логике есть небольшой провал, максимум суммы — это не всегда сумма максимумов, функции могут быть сдвинуты по фазе, но… в общем, мы потом всё экспериментально проверим).

Максимальное значение UМ равно Uвых, поскольку если бы напряжение на мосту поднималось выше, то и конденсатор C2

заряжался бы до большего напряжения (мост бы открылся и к конденсаторуC2 потёк бы зарядный ток, увеличивая напряжение на нём).

Токи через конденсатор и мост в момент t0

равны нулю. Про мост я выше уже написал (если бы через него тек ток, то конденсаторC2 заряжался бы дальше), а черезC1 ток не течёт, поскольку ток через конденсатор — это первая производная от напряжения, которая в точках экстремума обращается в ноль (значит когда напряжение на конденсаторе максимально — ток равен нулю).

Далее сетевое напряжение (UC

) начинает уменьшаться. При этом напряжение наC1 не меняется (тока-то через мост нет, заряд наC1 не меняется), следовательно вместе с падениемUC уменьшается напряжение на входе моста.

В момент, когда сетевое напряжение упадёт до значения Uca-2Uвых

(момент времениt1 ) — напряжение на входе моста достигнет значения-Uвых (находим с помощью формулы 1), диоды моста откроются и в первичной цепи (через мост и конденсаторC1 ) потечёт ток. При этом напряжение на входе моста перестанет меняться (помните, мы договорились, что ёмкостьC2 достаточно большая для того, чтобы полностью сгладить пульсации).

Обратите внимание, что напряжение на входе моста в этот момент равно -Uм, так что ток потечёт в обратную сторону от того направления, в котором он тёк до момента времени t0

. Этот ток, поскольку он течёт в обратную сторону, начнёт перезаряжать конденсаторC1 .

К моменту времени t3

напряжение в сети достигнет максимума, только с противоположной относительно моментаt0 полярностью. Соответственно, для этого момента экстремума сетевого напряжения будут справедливы все те же рассуждения касательно напряжений и токов, которые мы использовали для моментаt0 . То есть, к этому моменту конденсаторC1 полностью перезарядится (напряжение на нём достигнет максимального значения отрицательной полярности), а ток черезC1 и мост упадёт до нуля.

Далее, по мере роста сетевого напряжения, напряжение на конденсаторе C1

будет оставаться неизменным, а напряжение на входе моста будет расти.

В момент времени t4

, когда сетевое напряжение вырастет до значения-(Uca-2Uвых) , напряжение на входе моста достигнет значенияUвых , диоды моста откроются и в первичной цепи (через мост и конденсаторC1 ) снова потечёт ток. Этот ток снова будет перезаряжать конденсаторC1 , но уже напряжением положительной полярности.

В момент t6

напряжение на конденсатореC1 достигнет максимального значения положительной полярности, а ток черезC1 и мост упадёт до нуля.

Далее весь цикл повторится с самого начала.

Теперь давайте вспомним закон сохранения заряда. В соответствии с этим законом за один полный цикл через конденсатор C1

, мост и нагрузку должно протекать одинаковое количество заряда. Поскольку ток нагрузки у нас постоянный, то количество заряда, протекающего через нагрузку за один цикл, можно найти по формулеQ=Iн*tцикла=Iн/fc , гдеfc — частота питающего сетевого напряжения. Количество заряда, протекающего через конденсаторC1 , будет равно площади под графиком тока (заштрихованная площадь графикаIC1(t) ). Остаётся только найти эту площадь, приравнять её к заряду, протекающему за один цикл через нагрузку, и выразить из полученного выражения необходимую ёмкость конденсатораC1 в зависимости от тока нагрузки.

Подробные математические расчёты можно найти под вторым спойлером.

Калькулятор расчета емкости рабочего и пускового конденсатора

Подключая асинхронный двигатель в сеть с одной фазой (220 в), появляется необходимость обеспечения сдвига фаз для имитации трехфазной сети. В противном случае электромотор просто не сможет функционировать из-за отсутствия вращения магнитных полей.

В этом случае возможно применение конденсаторов, имеющих возможность создать нужный перекос, тем самым переводя синусоидальные колебания однофазного тока в некое подобие трехфазного. Проблемой становится правильный подбор емкости конденсаторов.

Для этого необходимо произвести расчеты с максимальной точностью.

Представленный ниже онлайн-калькулятор расчета емкости поможет выполнить все действия довольно просто и быстро, не допустив ошибок в вычислениях.

Асинхронный электродвигатель – без дополнительного оборудования от 220 в его не запустить

Высчитывая необходимые показатели самостоятельно следует воспользоваться таблицей.

Расшифровать обозначения можно следующим образом:

• Cр – емкости рабочих элементов (мкФ);
• Cп – емкости пусковых элементов;
• I – величины токов (А);
• U – величины напряжений (В);
• η – Коэффициент полезного действия электромотора в процентах, разделенных на 100;
• cosϕ – коэффициент мощности.

На этой табличке есть все необходимые данные для онлайн калькулятора

После ввода всех необходимых данных в соответствующие поля нужно нажать кнопку «рассчитать…». Полученные показатели используются для подбора емкости. Единственное неудобство – редко случается найти именно элемент с рассчитанными параметрами.

В этом случае берется ближайшая емкость, стоящая ниже по показателю. Если же взять более мощный элемент, возможен перегрев обмоток электродвигателя вследствие возрастания рабочего тока, что неизбежно приведет к повреждению изоляции и опасности межвиткового замыкания.

В редких случаях совпадения показателей, естественно, лучше выбрать именно такой.

Номинальное напряжение конденсатора должно быть минимум в полтора раза выше сетевого. Причина этому – резкое возрастание этого показателя в пусковой момент.

При подключении к однофазной сети номинал должен составлять 360 в. Если подключается фазное напряжение по двум проводам – 400-450 в. Но это минимальный предел.

На самом деле профессионалы советуют брать еще выше – никаких проблем это не создаст.

Схема подключения асинхронного двигателя на 220 В

Ниже представлена таблица номиналов рабочего и пускового конденсатора. Для примеров – серия CBB60 (полипропиленовый пленочный, основное назначение которого – схемы подключения асинхронного двигателя) и серия CBB65, помещенная в алюминиевые корпуса.

Для пуска применяются неполярные конденсаторы на основе электролита (CD60). Как рабочие они неприменимы. Их проблема в том, что длительная нагрузка существенно снижает их срок службы.

Хотя в качестве пусковых допускается и CBB60 (CBB65), но они более габаритны при тех же емкостях.

Ниже представлена таблица рекомендованных для подобной эксплуатации конденсаторов, способных работать с электродвигателями.

…а так подключение выглядит «в живую»

Бывает, что элементов с необходимой емкостью нет. Тогда можно «спарить» два. Стоит понимать, что параллельное соединение и последовательное дадут совершенно различные показатели. Наиболее оптимальным будет последовательное соединение. А для расчета суммарной емкости предлагаем Вам использовать другой онлайн калькулятор, который сэкономит время и избавит от лишних расчетов.

Загрузка…

Расчет заряда конденсатора

После расчета емкости, необходим расчет заряда конденсатора. Начальный заряд прибора равен нулю. Подключением к гальванической батарее или к другому источнику постоянной ЭДС конденсаторы заряжают. Чтобы правильно рассчитать заряд конденсатора от источника постоянной ЭДС, существует также специальный калькулятор конденсаторов онлайн, в котором лишь нужно указать следующие данные:

• ЭДС источника в Вольтах,
• сопротивление в Омах,
• емкость в микроФарадах,
• время зарядки в миллисекундах.

Каждый такой калькулятор расчета конденсаторов будет также указывать точность вычисления, с которой будут получены результаты. После нажатия кнопки «Рассчитать», в результатах реально получить:

• постоянную времени RC-сети в миллисекундах,
• время зарядки в миллисекундах,
• требуемый начальный ток в Амперах,
• максимальную рассеиваемую мощность в Ваттах,
• напряжение в Вольтах,
• заряд в микроКулонах,
• энергию в микроДжоулях,
• а также работу, совершенную источником, в микроДжоулях.

Используя специальные онлайн калькуляторы для расчета конденсатора, вам не придется самостоятельно проводить сложные подсчеты, искать нужные формулы, разбираться и вникать в сложные для вас схемы. Все это сделает калькулятор онлайн за вас.