Overgangsreactie condensator

Omdat condensatoren energie opslaan in de vorm van een elektrisch veld, hebben ze de neiging zich te gedragen als kleine secundaire celbatterijen, die elektrische energie kunnen opslaan en vrijgeven. Een volledig ontladen condensator handhaaft nul volt over de klemmen en een opgeladen condensator handhaaft een constante hoeveelheid spanning over de klemmen, net als een batterij.

Wanneer condensatoren in een circuit met andere spanningsbronnen worden geplaatst, zullen ze energie van die bronnen absorberen, net zoals een secundaire celbatterij wordt opgeladen als gevolg van aansluiting op een generator. Een volledig ontladen condensator, met een klemspanning van nul, zal aanvankelijk fungeren als een kortsluiting wanneer deze is aangesloten op een spanningsbron en maximale stroom trekt wanneer deze een lading begint op te bouwen.

Na verloop van tijd stijgt de klemspanning van de condensator om te voldoen aan de aangelegde spanning van de bron, en de stroom door de condensator neemt dienovereenkomstig af. Zodra de condensator de volledige spanning van de bron heeft bereikt, stopt hij met het trekken van stroom en gedraagt ​​hij zich in wezen als een open circuit.

Wanneer de schakelaar voor het eerst wordt gesloten, is de spanning over de condensator (waarvan ons werd verteld dat deze volledig ontladen was) nul volt; dus gedraagt ​​het zich eerst alsof het een kortsluiting is. Na verloop van tijd zal de condensatorspanning stijgen tot gelijk batterijspanning, eindigend in een toestand waarin de condensator zich gedraagt ​​als een open circuit.

Stroom door het circuit wordt bepaald door het verschil in spanning tussen de batterij en de condensator, gedeeld door de weerstand van 10 kΩ. Naarmate de condensatorspanning de batterijspanning nadert, nadert de stroom nul. Zodra de condensatorspanning 15 volt heeft bereikt, is de stroom precies nul. Laten we eens kijken hoe dit werkt met behulp van echte waarden:

Tijd (seconden) Batterijspanning Condensatorspanning Huidige 015 V0 V1500 uA0.515 V5.902 V909.8 uA115 V9.482 V551.8 uA215 V12.970 V203.0 uA315 V14.253 V74.68 uA415 V14.725 V27.47 uA515 V14.899 V10.11 uA615 V14. 963 V3.718 uA1015 V14.999 V0.068 uA

De benadering van de condensatorspanning tot 15 volt en de benadering van de stroom tot nul in de loop van de tijd is wat een wiskundige zou omschrijven als asymptotisch : dat wil zeggen, ze benaderen allebei hun uiteindelijke waarden, komen steeds dichterbij in de tijd, maar bereiken nooit precies hun bestemming. Voor alle praktische doeleinden kunnen we echter zeggen dat de condensatorspanning uiteindelijk 15 volt zal bereiken en dat de stroom uiteindelijk gelijk zal zijn aan nul.

Met behulp van het SPICE-circuitanalyseprogramma kunnen we deze asymptotische opbouw van condensatorspanning en verval van condensatorstroom in een meer grafische vorm in kaart brengen (condensatorstroom wordt uitgezet in termen van spanningsval over de weerstand, waarbij de weerstand wordt gebruikt als een shunt om stroom te meten) :

Zoals je kunt zien, heb ik de .plot . gebruikt commando in de netlist in plaats van het bekendere .printcommand . Dit genereert een pseudo-grafische plot van figuren op het computerscherm met behulp van teksttekens. SPICE plot grafieken op zo'n manier dat de tijd op de verticale as staat (naar beneden) en de amplitude (spanning/stroom) wordt uitgezet op de horizontale (rechts=meer; links=minder).

Merk op hoe de spanning in het begin heel snel toeneemt (rechts van de grafiek) en vervolgens geleidelijk afneemt naarmate de tijd verstrijkt. De stroom verandert in het begin ook heel snel en neemt dan af naarmate de tijd verstrijkt, maar hij nadert het minimum (links van de schaal) terwijl de spanning het maximum nadert.

BEOORDELING:

• Condensatoren werken een beetje als secundaire celbatterijen wanneer ze worden geconfronteerd met een plotselinge verandering in de aangelegde spanning:ze reageren aanvankelijk door een hoge stroom te produceren die na verloop van tijd afneemt.
• Een volledig ontladen condensator werkt aanvankelijk als een kortsluiting (stroom zonder spanningsdaling) wanneer deze wordt geconfronteerd met de plotselinge toepassing van spanning. Nadat het volledig is opgeladen tot dat spanningsniveau, werkt het als een open circuit (spanningsverlies zonder stroom).
• In een weerstand-condensatorlaadcircuit gaat de condensatorspanning van niets naar volledige bronspanning, terwijl de stroom van maximum naar nul gaat, waarbij beide variabelen in het begin het snelst veranderen en hun uiteindelijke waarden steeds langzamer benaderen naarmate de tijd verstrijkt.
li>

GERELATEERDE WERKBLAD:

• Werkblad Tijdconstante circuits
• Werkblad Tijdconstante Berekeningen