Lucrul cu un condensator necesită adeseori descărcarea completă a acestuia. Scurtcircuitarea unui condensator încărcat înseamnă un risc enorm de ardere a elementului electronic şi a celorlalte componente ale circuitului, dar şi de electrocutare şi producere a unui incendiu. Gravitatea deteriorărilor în cazul scurtcircuitării este cu atât mai mare cu cât capacitatea şi tensiunea condensatorului sunt mai mari. Înainte de scoaterea acestui element din circuit este necesară descărcarea condensatorului.
Condensatorul este un circuit alcătuit din doi electrozi încărcaţi cu sarcini electrice cu valori egale şi de semne contrare, între care se află un dielectric. Există mai multe tipuri de condensatoare, care pot fi împărțite în câteva subtipuri. Cele mai simple dintre acestea sunt construite din două plăci metalice, între care se află un dielectric - de exemplu aer, material ceramic sau hârtie impregnată. Aplicarea tensiunii pe armăturile condensatorului începe înmagazinarea sarcinii electrice - la fel ca în celulele bateriilor. După decuplarea sursei de tensiune, datorită atracției electrostatice, sarcina electrică rămâne pe armăturile condensatorului.
Descărcarea în siguranţă a condensatorului este un proces analogic încărcării acestuia. După aplicarea unei tensiuni continue U la capetele condensatorului, care sunt caracterizate de o anumită capacitate, în condensator este acumulată sarcina Q, care este produsul dintre capacitate şi tensiune. Unitatea de măsură a capacităţii condensatorului este faradul. Condensatoarele fixe pot fi împărțite în două categorii de bază: condensatoare cu folie şi ceramice. Descărcarea în siguranţă a condensatorului depinde, într-ună mare măsură, în primul rând, de construcţia acestuia.
Tipuri de condensatoare și principiile lor
Condensatoare cu folie sunt fabricate din folie cu trei straturi, în dispunerea electrod-dielectric-electrod, care apoi sunt înfăşurate şi sunt montate într-o carcasă corespunzătoare. Unele dintre cele mai des întâlnite condensatoare din circuitele integrate sunt condensatoarele ceramice realizate din plăci ceramice cu electrozi metalici suprapuşi. Pentru a şti cum să descărcăm un condensator, trebuie să cunoaştem parametrii care caracterizează acest element electric. Capacitatea este parametrul cel mai important care trebuie avut în vedere atunci când planificăm descărcarea în siguranţă a condensatorului. Capacitatea condensatorului indicată de producător este capacitatea nominală, care, în practică, este imposibil de obţinut, pentru că valoarea capacităţii poate fi influenţată de foarte mulţi factori de mediu.
Coeficientul de pierderi al condensatorului se referă la pierderile unitare de energie legate de funcționarea condensatorului la tensiune alternativă, caracterizate de tangenta unghiului de pierderi. Descărcarea condensatorului depinde de tipul şi capacitatea acestuia. Descărcarea în siguranţă a unui condensator se realizează prin conectarea la capetele acestuia a oricărei sarcini rezistive care poate disipa energia înmagazinată în condensator. De exemplu: cum se descarcă un condensator cu tensiunea de 100 V? Putem folosi în acest scop un rezistor obişnuit sau un bec cu tensiunea de 110 V. Condensatorul, în momentul în care descarcă energia acumulată, va aprinde becul, iar sursa de lumină va indica, totodată, nivelul de încărcare a elementului. Descărcarea condensatorului trebuie realizată cu un receptor cu rezistenţă mare.
Descărcarea unui condensator cu o capacitate mai mică poate fi realizată şi pregătind un circuit special pentru descărcare, alcătuit din condensator şi un rezistor, legaţi în serie. Timpul de descărcare a condensatorului va fi egal cu produsul dintre valoarea rezistenţei înseriate cu condensatorul şi capacitate. Cu cât este mai mic rezistorul introdus în circuit, cu atât condensatorul se descarcă mai repede. De exemplu: în cazul unui condensator cu capacitatea de 10 μF, care este descărcat cu un rezistor cu rezistenţa 1 kΩ, timpul de descărcare este de 0,01 s. Trebuie să reţinem că o descărcare în siguranţă a condensatorului trebuie să fie realizată printr-o rezistenţă corect aleasă.
Un rezistor cu o putere prea mică poate fi deteriorat. Şi din acest motiv, atunci când alegem rezistorul trebuie să ţinem seama de puterea degajată pe rezistor, care este egală cu câtul dintre pătratul tensiunii acestuia şi rezistenţă. Rezistoarele standard pot transfera putere la un nivel de până la 0,25 W. Condensatoarele mai mari din electroenergie trebuie prevăzute cu rezistenţe de descărcare, care, după decuplarea tensiunii de alimentare, au drept misiune descărcarea elementului respectiv în câteva minute.
Am văzut anterior că condensatoarele sunt dispozitive de stocare a energiei electrice care au abilitatea de a stoca o sarcină electrică Q. Spre deosebire de rezistor, care disipează energia sub formă de căldură, condensatorul ideal nu își pierde energia. De asemenea, am văzut că cea mai simplă formă a unui condensator sunt două plăci metalice paralele conductive care sunt separate pe o distanță "d" printr-un material izolant, cum ar fi aerul, mica, hârtia, ceramica etc., care se numește dielectric. Condensatoarele stochează energia ca urmare a abilității lor de a stoca sarcina, cu cantitatea de sarcină stocată pe condensator funcție de tensiunea V aplicată pe plăcile sale și cu cât este mai mare tensiunea, cu atât mai multă sarcină va fi stocată de condensator, deoarece: Q ~ V. De asemenea, un condensator are o constantă de proporționalitate, numit capacitate, simbol C, care reprezintă abilitatea condensatorului sau capacitatea de a stoca o sarcină electrică cu cantitatea de sarcină funcție de valoarea capacității, deoarece: Q = C × V.
Unitatea de capacitate este coulomb/volt, care se mai numește Farad (F) [numit după M. Faraday] cu un farad fiind definit de capacitatea unui condensator, care necesită o sarcină de 1 coulomb pentru a stabili o diferență de potențial de 1 volt între cele două plăci. Dar un condensator convențional de un farad ar fi foarte mare pentru cele mai multe aplicații electronice practice, de aceea se folosesc unități mult mai mici, cum ar fi microfarad (μF), nanofarad (nF) și picofarad (pF).
Ultracondensatoarele sunt un alt tip de condensator disponibil, care poate furniza valori de la câțiva milifarad (mF) la zeci de farad de capacitate într-o dimensiune foarte mică, permițând mult mai multă energie electrică să fie stocată între plăcile sale. În timp ce ultracondensatoarele sunt construcții cu strat dublu, tensiunea nominală a celulei este mică, de obicei între 1 și 3 volți, necesitând conectarea mai multor celule în serie pentru tensiuni mai mari. Acest lucru face ca tensiunea terminală să fie joasă, dar capacitatea totală să crească prin paralelare sau serie, în funcție de necesități. Ultracondensatoarele sunt utilizate în vehicule electrice hibride (inclusiv Formula 1) pentru frânare regenerativă și în sisteme de energie regenerabilă pentru înlocuirea bateriilor cu plumb.
Construcția ultracondensatorului implică electrozi acoperiți pe ambele fețe din carbon activat, un separator poros, electrolit lichid, și o folie de aluminiu ca colector de curent. Suprafața efectivă a electrozilor este foarte mare în raport cu dimensiunea fizică, datorită înfășurării, iar capacitatea crește prin mărirea zonei de contact A fără a mări mărimea dispozitivului sau prin utilizarea electrolitului potrivit pentru a crește disponibilitatea ionilor. Energia stocată într-un ultracondensator este E = 1/2 × C × V^2, iar cantitatea de energie stocată este proporțională cu capacitatea C și cu pătratul tensiunii V.
Pentru a înțelege funcționarea la nivel de exemplu: un ultracondensator de 5,5 V și 1,5 F poate fi obținut prin conectarea a două celule de 2,75 V în serie, rezultând o matrice 6 × 2 în cazul unui aranjament specific. Energia stocată în acest caz este aproximativ 23 J, disponibilă pentru alimentarea unei sarcini până la refacerea tensiunii de la sursa de încărcare. Ultrabonele și supercondensatoarele pot servi ca dispozitive de stocare a energiei cu densități mari de putere, utilitatea lor fiind evidentă în vehicule hibride și electrice, precum și în sisteme de energie regenerabilă.
Relația dintre sarcină, tensiune și capacitate
La bornele condensatorului, aplicația tensiunii creează un câmp electric între armături, iar diferența de potențial facilitează stocarea energiei sub forma sarcinii Q, relația fiind Q = C × V. Capacitatea C depinde de suprafața plăcilor conductoare, distanța dintre plăci și tipul materialului dielectric dintre plăci. În circuitele de curent alternativ, condensatorul are un comportament caracterizat de reactanța capacitivă Xc = 1/(ωC), unde ω este frecvența unghiulară a semnalului.
În concluzie, condensatorul este un dispozitiv pasiv ce poate stoca energie electrică în câmpul dintre două armături, iar energia stocată este proporțională cu capacitatea și cu pătratul tensiunii aplicate. Capacitatea se măsoară în farazi, iar valorile uzuale variază de la pF la mF, în funcție de aplicație. În practică, pentru descărcarea în siguranță, este esențial să se utilizeze rezistențe adecvate, să se aleagă rezistențe cu putere suficientă pentru a preveni deteriorarea, iar descărcarea să se facă în siguranță, în condiții care să nu pună în pericol operatorul sau alte componente ale circuitului.
EEVblog 1655 - Cum să descărcați condensatoarele în siguranță folosind un multimetru!
Condensatoarele IEC/RO pot avea capabilități variate: de la microfarazi la milifarazi, iar ultracondensatoarele aduc o densitate energetică mare, dar tensiunea per celulă este mică, necesitând aranjamente în serie/paralel pentru a atinge tensiuni utile în aplicații. În vehicule electrice hibride și sisteme de frânare regenerativă, ultracondensatoarele se folosesc pentru a livra rapid energie și a o recupera în timpul frânării.
Table de valori orientative
| Tip condensator | Interval capacitate | Tensiune nominală |
|---|---|---|
| Folie | μF - mF | 10-600 V |
| Ceramic | pF - μF | 10-1000 V |
| Ultracondensator | mF - F | 1-3 V (per celulă), aranjamente serie/paralel |
Concluzie despre utilizări: ultracondensatoarele oferă o densitate de putere superioară bateriilor pe perioade scurte și pot opera în sisteme de stocare a energiei regenerative, dar tensiunea per celulă este mică, necesitând conectări în serie pentru tensiuni utile. La fel ca bateriile, ultrasupravegherea polarității este importantă pentru siguranță și performanță pe termen lung.
tags: #sarcina #rezistiva #disipa #energia #inmagazinata #in