Comment un condensateur lisse-t-il l'énergie?

J'essaie de comprendre comment fonctionnent les condensateurs. Je comprends qu'ils stockent une charge et comprennent généralement comment, mais je ne comprends pas comment leur utilisation "lisse" le flux de la charge. N'est-ce pas, disons un moteur, tirer de l'énergie d'un condensateur chargé fait la même chose lorsque l'on tire de l'énergie d'une source d'alimentation? Qu'est-ce que cela signifie que la charge est lissée et comment?

Les condensateurs ne stockent pas la charge. C'est une telle déclaration sans valeur car elle est basée sur ce mot "charge" qui a plusieurs significations. Veuillez oublier que vous l'avez jamais entendu. Ils ne lissent pas non plus l'énergie. Ce qu'ils lissent, c'est la tension.

Je vais répondre à votre question, mais vous devez d'abord vraiment comprendre comment fonctionnent les condensateurs.

Ce que les condensateurs stockent, c'est l'énergie. La substance qui circule dans les circuits électriques est la charge électrique . Nous mesurons le débit de charge en ampères. La quantité de charge est mesurée en coulombs. Parce que la charge n'est jamais créée ni détruite , chaque fois que nous mesurons une charge, nous comptons généralement la charge qui passe devant une porte métaphorique. À l'exception de certains circuits très étranges, la charge totale dans un appareil électronique est également constante. Cela ressemble beaucoup à un système hydraulique fermé: il y a du liquide à l'intérieur et vous pouvez le déplacer, mais aucun ne pénètre ou ne s'échappe jamais. Vous pouvez compter la quantité de fluide s'écoulant au-delà d'un certain point, mais il doit provenir de quelque part et aller ailleurs.

Imaginez si vous aviez un vaisseau sphérique rempli de liquide. Au centre du navire se trouve une plaque en caoutchouc que vous pouvez étirer en poussant le fluide d'un côté et en le pompant de l'autre. Voilà à quoi ressemble un condensateur:

Cela vient des excellentes idées fausses de condensateur de Bill Beaty .

Lorsque vous poussez l'eau d'un côté, une quantité égale d'eau doit sortir de l'autre côté. De plus, une fois cette membrane en caoutchouc tendue, elle veut redevenir droite. Ainsi, la pression de l'eau d'un côté sera plus élevée que de l'autre. Si vous deviez retirer les bouchons et les remplacer par un tuyau, de l'eau coulerait jusqu'à ce que le caoutchouc ne soit pas tendu.

Remplacez maintenant "eau" par "charge électrique" et "pression" par "tension", et vous avez un condensateur.

Imaginez maintenant deux navires, l'un de la taille d'une balle de golf et l'autre de la taille d'une piscine. Chacun a une membrane d'élasticité identique au milieu. Si vous pompez une cuillère à soupe d'eau à travers le récipient de la taille d'une balle de golf, la membrane sera beaucoup étirée, et par conséquent la différence de pression entre les côtés sera grande. Si vous faites de même avec le récipient de la taille de la piscine, la membrane se déplacera à peine et la différence de pression sera légèrement supérieure à rien.

C'est ce qu'est la capacité . Il vous indique, pour une quantité donnée d'eau déplacée, quelle est la différence de pression. Il vous indique, pour une quantité donnée de charge électrique déplacée à travers le condensateur, quelle sera la tension. Il est défini comme:

Où:

• $C$ est la capacité, mesurée en farads,
• $q$ est chargé déplacé à travers le condensateur, mesuré en coulombs, et
• $V$ est la tension, mesurez (vous l'avez deviné) les volts.

Ne vous laissez pas accrocher au "coulomb". Un coulomb est la quantité de charge qui passe au-delà d'un point si 1 ampère coule pendant 1 seconde. Ou, 2 ampères pendant une demi-seconde. Ou, 1/2 ampère pendant 2 secondes.

Si vous avez pris le calcul, alors vous reconnaîtrez que la charge est l'intégrale du courant. En d'autres termes, la charge est au courant comme la distance est à la vitesse. Vous pouvez remplacer "ampère" par "coulomb par seconde" - les unités sont exactement les mêmes.

En utilisant ces connaissances et un peu de calcul de base, la capacité peut également être définie en termes de tension et de courant:

Cela signifie: le taux de variation de la tension dans le temps (volts par seconde) est égal au courant (ampères ou coulombs par seconde) divisé par la capacité (farads).

Si vous avez un condensateur 1 farad et que vous déplacez 1 ampère (1 coulomb par seconde), la tension aux bornes du condensateur changera à raison de 1 volt par seconde.

Si vous doublez cette capacité, le taux de changement de tension sera de moitié.

Et voici, je pense, la réponse à votre question. Souvent, des condensateurs sont placés à travers l'alimentation pour maintenir la tension stable. Cela fonctionne parce que plus vous avez de capacité, plus il est difficile de changer la tension, car cela nécessite plus de courant.

Dans cette application, les condensateurs ne lissent pas l' énergie , ils lissent la tension . Ils le font en fournissant un stockage d'énergie à partir duquel la charge peut puiser pendant les périodes de courant transitoire élevé. Cela rend le travail de l'alimentation plus facile car il n'a pas à faire face à de fortes variations de courant. En effet, le condensateur permet de faire la moyenne de la demande de courant de la charge vue par l'alimentation.

Les condensateurs de lissage sont utilisés pour supprimer les ondulations de tension, généralement sur les lignes d'alimentation. Ils le font en stockant et en réapprovisionnant périodiquement l'énergie. L'image ci-dessous montre un cas d'utilisation très courant de ces condensateurs dans un redresseur à pont complet.

Comme vous pouvez le voir, le condensateur de lissage se décharge et reconstitue l'énergie lorsque la tension de sortie chute. Cela "égalise" la tension de sortie, c'est pourquoi ce condensateur est appelé condensateur de "lissage".

Les condensateurs sont là pour donner l'illusion à votre charge qu'ils sont connectés à une source de tension idéale.

Par exemple, votre source d'alimentation a une certaine résistance interne et il peut y avoir une inductance importante en raison de longs conducteurs.

^{simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab}

L'ajout du condensateur permet à la charge de voir approximativement Vslorsque l'interrupteur est ouvert / fermé. Sinon, il y aura une tension d'alimentation variable lorsque la charge sera ouverte / fermée.

Oui, cela fonctionne essentiellement de la même manière. Cependant, un condensateur a généralement une capacité inférieure à, disons, une batterie. Lorsque vous connectez une charge à un condensateur, sa charge et sa tension diminuent avec le temps. C'est pourquoi cela s'appelle lisse. Une batterie fait exactement la même chose mais beaucoup, beaucoup plus lentement, en raison de la capacité plus élevée.

Il y a également une fluidité dans le sens de lisser un signal de tension. Si nous chargeons et déchargeons un condensateur en même temps avec un signal de tension variable, vous comprendrez que le condensateur se charge sur les fronts montants. Sur les fronts descendants, le condensateur «aide» l'autre alimentation, ce qui rend le front descendant plus lisse. Finalement, cela peut conduire à une tension presque constante.

Imaginez un condensateur comme un verre d'eau avec un trou, donc peu importe la vitesse à laquelle vous remplissez le verre, la sortie à travers le trou est à peu près la même. C'est exactement comment fonctionne un condensateur, il se charge d'abord, puis il fournit une sortie qui filtre le bruit et fournit une sortie propre, quelle que soit la façon dont l'entrée fluctue.