Le Guide du condensateur: série Vs.Configurations parallèles
En génie électrique, les condensateurs montrent de nombreuses utilisations, en particulier lorsqu'ils sont disposés en série ou parallèles en circuits.Ces dispositions affectent la capacité, le stockage d'énergie et l'efficacité des systèmes électriques.Cet article examine comment les condensateurs fonctionnent en série et configurations parallèles, en utilisant des exemples et une théorie pour expliquer leurs différences.Il vise à fournir une compréhension claire de la façon d'utiliser efficacement les condensateurs dans diverses technologies, de l'électronique quotidienne aux machines industrielles avancées.Catalogue
Figure 1: circuit de condensateur
Condensateurs dans les circuits électriques
Dans les circuits électriques, les condensateurs servent à la fois pour stocker et décharger la charge électrique.Ils ont deux plaques conductrices séparées par un diélectrique isolant.Leur capacité à tenir l'accusation est mesurée à Farads.
Figure 2: condensateur
Les condensateurs peuvent être connectés en série ou en parallèle.En série, plus de condensateurs réduisent la capacité globale, utile pour obtenir une capacité plus faible.En parallèle, plus de condensateurs augmentent la capacité totale, idéale pour une capacité élevée dans les petits espaces, tels que les filtres à alimentation électrique.Le matériau diélectrique affecte les performances d'un condensateur, déterminant la charge maximale, la tension de panne et la réponse de fréquence du circuit.Les condensateurs avancés utilisent des matériaux comme la céramique, le tantale ou les électrolytes polymères pour une capacité plus élevée, une stabilité de la température et une faible fuite.
Figure 3: condensateur
Propriétés des condensateurs en série et parallèles
Voici une explication simple de leurs propriétés et comment ces configurations peuvent être organisées pour obtenir la capacité souhaitée.
Condensateurs en série
Figure 4: série de capacité
Lorsque vous connectez des condensateurs en série, la capacité globale devient plus petite.Cela se produit parce que la charge doit voyager à travers plus de matériel, ce qui rend plus difficile le stockage des frais.La capacité totale (1 / ctotal) est la somme des réciproques de chaque condensateur individuel (1 / c1 + 1 / c2 + ... + 1 / cn).La capacité globale est toujours inférieure à celle du plus petit condensateur de la série.La formule de calcul de la capacité totale en série est:
Les concepteurs de circuits doivent prendre en compte cette fonctionnalité lors du choix des condensateurs pour répondre aux exigences de capacité spécifiques.Des contraintes pratiques telles que les besoins d'espace et d'application peuvent limiter le nombre de condensateurs en série, et des distributions de tension variables peuvent ajouter de la complexité à moins que les condensateurs ne soient identiques.
Condensateurs en parallèle
Figure 5: Capacité parallèle
Lorsque les condensateurs sont connectés en parallèle, la capacité totale augmente.En effet, la surface combinée de tous les condensateurs permet de stocker plus de charge à la même tension.La capacité totale (ctotal) est la somme des capacités de chaque condensateur (c1 + C2 + ... + cn).La capacité globale sera supérieure à celle du plus grand condensateur unique.La formule pour calculer la capacité totale en parallèle est:
Bien qu'un nombre illimité de condensateurs puissent être connectés en parallèle, des limitations pratiques telles que l'espace physique, l'objectif du circuit et les contraintes de conception limitent souvent le nombre.Des condensateurs de haute qualité avec des cotes de tension et des tolérances appropriés sont bons pour les performances de circuit fiables.Cette formule permet un contrôle précis sur les valeurs de capacité, permettant aux concepteurs d'optimiser le comportement du circuit, l'efficacité énergétique et les performances, ce qui en fait une pierre angulaire de l'électronique et du génie électrique.
Figure 6: série et parallèle
Circuit et exemple de condensateur de la série
Un circuit de condensateur en série présente des condensateurs liés séquentiellement le long du même chemin, garantissant que des charges ou des courants identiques traversent chaque composant.Il garantit un flux de courant uniforme à travers les condensateurs, un aspect fondamental pour comprendre le comportement de ces circuits.
Figure 7: circuit de condensateur de la série
Dans une configuration de série, chaque condensateur doit gérer la même charge.Lorsqu'une source de tension CC est appliquée, la connexion de la série dicte que les charges redistribuent les condensateurs pour maintenir cet équilibre.Par exemple, si une source de tension est connectée entre les condensateurs C1, C2, et C3 Avec les valeurs 2f, 4f et 6f respectivement, ce qui suit se produit:
• Le côté droit de C3 devient positivement chargé en raison de l'attraction des électrons vers la borne positive de la batterie.
• Ce déficit d'électrons sur C3La plaque droite de la droite induit un déficit similaire sur C2La plaque droite de la droite, et séquentiellement, le même effet se produit sur C1.
• Cette réaction en chaîne à travers les condensateurs assure une distribution de charge uniforme.
Exemple:
Compte tenu des capacités C1= 2f, c2= 4f, c3= 6f et une tension à courant continu de 10V, nous pouvons déterminer la distribution de charge et de tension:
Figure 8: Série d'échantillons
Le calcul des rendements ctotaux d'environ 0,92F.
En utilisant q = c × v, où q est la charge et v est la tension:
Ainsi, chaque condensateur détient une charge de 9,2c.
La tension à travers chaque condensateur est trouvée en utilisant v = cq:
La somme des tensions individuelles, v1+ V2+ V3, doit être égal à la tension source (10V).Ici, il calcule à environ 8,43 V, indiquant une éventuelle erreur d'arrondi ou de calcul dans nos estimations ou hypothèses initiales.
Circuit de condensateur parallèle et exemple
Un circuit de condensateur parallèle est une configuration électronique où les condensateurs sont connectés côte à côte à travers les points communs, permettant à chacun de fonctionner indépendamment sous la même tension.Ceci est différent des circuits de série, où les condensateurs partagent une charge.
Figure 9: circuit de condensateur parallèle
En parallèle, la tension à travers chaque condensateur est la même.Cependant, la charge que chaque condensateur stocke varie en fonction de sa capacité.Une capacité plus élevée signifie qu'un condensateur peut stocker plus de charges.Par exemple, si nous avons des condensateurs de 8 Farads (F) et 4F, le condensateur 8F stockera plus de charge que le condensateur 4F lorsque les deux sont sous la même tension.
Un avantage clé des condensateurs parallèles est l'augmentation de la capacité globale.Contrairement aux circuits série, où la capacité totale est inférieure à tout condensateur individuel, en parallèle, la capacité totale est la somme de toutes les capacités individuelles.Cela se produit parce que la zone de plaque augmente efficacement sans changer la distance entre eux, améliorant la capacité du circuit à stocker les charges.
Exemple:
Figure 10: Exemple de parallèle
Considérez un circuit avec trois condensateurs connectés en parallèle à une source d'alimentation DC 10V.Les condensateurs ont ces capacités: C1 = 8f, c2 = 4f, et c3 = 2f.Chaque condensateur éprouve le même 10v, mais stocke des charges différentes en fonction de sa capacité:
Condensateur C1: Avec 8F, il stocke une charge de 80 coulombs (c), calculée comme q = c × v, qui est 8f × 10V = 80c.
Condensateur C2: Avec 4F, il stocke une charge de 40 ° C, calculée comme 4F × 10V = 40C.
Condensateur C3: Avec 2F, il stocke une charge de 20 ° C, calculée comme 2F × 10V = 20C.
La charge totale dans le circuit est la somme de toutes les charges: qT= Q1+ Q2+ Q3= 80c + 40c + 20c = 140c
Cet ajout montre comment un circuit de condensateur parallèle améliore le stockage des charges en combinant la capacité de condensateurs individuels.Un circuit de condensateur parallèle augmente la capacité totale et la capacité de stockage de charge, chaque condensateur subissant la même tension.
Énergie stockée dans les condensateurs en série et parallèle
Pour comprendre comment l'énergie est stockée dans les condensateurs disposés en série ou parallèle, nous commençons par la formule de base pour l'énergie stockée dans un seul condensateur:
Ici, uC est l'énergie dans les Joules, Q est la charge dans Coulombs, et C est la capacité des Farads.
Énergie dans les condensateurs de la série
Pour les condensateurs en série, considérez deux condensateurs avec des capacités C1 et C2.La relation entre la charge et la tension pour chaque condensateur est donnée par c = vq.Dans une configuration de série, la même charge Q est sur chaque condensateur:
L'énergie totale stockée dans le système est la somme des énergies individuelles:
Cela montre que la capacité effective des condensateurs en série est la somme réciproque des capacités individuelles, ce qui diminue la capacité totale et modifie le stockage d'énergie par rapport aux configurations uniques ou parallèles.
Énergie dans les condensateurs parallèles
Pour les condensateurs en parallèle, chaque condensateur a la même tension à travers elle.L'énergie pour chacun peut être exprimée en utilisant la formule basée sur la tension:
Si deux condensateurs C1 et C2 sont en parallèle et ont la même tension V sur eux, leur stockage d'énergie total est:
Ce calcul montre que la capacité totale des condensateurs parallèles est la somme des capacités individuelles, ce qui augmente l'énergie totale stockée par rapport aux configurations individuelles ou série.
Avantages et inconvénients des condensateurs en série
L'utilisation de condensateurs en série offre certains avantages, y compris une tension de travail globale accrue.Cette configuration permet également un équilibrage de tension plus efficace, en particulier lorsque des résistances de grande valeur (environ 100 kΩ ou plus) sont placées sur chaque condensateur pour assurer une distribution plus uniforme de la tension.
L'utilisation de condensateurs en série est livré avec des inconvénients, y compris la question du partage de tension inégal.Les variations des courants de fuite, en particulier chez les condensateurs électrolytiques, peuvent entraîner un condensateur subissant une surtension, ce qui peut entraîner des dommages.Des différences mineures dans les taux de fabrication ou de vieillissement contribuent également aux variations du courant de fuite, affectant la distribution de tension.Le courant de fuite dans les condensateurs électrolytiques a tendance à augmenter avec le temps, surtout s'ils ne sont pas régulièrement utilisés.Même avec les résistances d'équilibrage en place, il est nécessaire de laisser une marge dans la tension de travail, en particulier pour les condensateurs électrolytiques, pour assurer un fonctionnement fiable.
Avantages et inconvénients des condensateurs en parallèle
Augmentation du stockage d'énergie: la connexion des condensateurs en parallèle stocke plus d'énergie que lorsqu'elles sont en série car leur capacité totale est la somme de tous les condensateurs individuels.
Meilleur équilibre de tension: les banques de condensateurs parallèles obtiennent un meilleur équilibre de tension avec moins de résistances d'équilibrage, réduisant les coûts et les pertes de puissance.
Capacité: moins de résistances d'équilibrage dans les connexions parallèles économisent de l'argent et simplifiez le système.
Limitation de tension: Dans un circuit parallèle, tous les condensateurs partagent la même tension.La tension maximale est limitée par le condensateur le moins élevé.Par exemple, si un condensateur est évalué à 200 V et autres à 500 V, l'ensemble du système ne peut gérer que 200V.
Risques de sécurité: les condensateurs parallèles stockent et libèrent rapidement de grandes quantités d'énergie, ce qui peut être dangereux en cas de court-circuit, provoquant potentiellement de graves dommages et blessures.
Risque de défaillance du système: Dans les dispositions complexes, si un condensateur échoue, les autres doivent gérer la tension complète, conduisant à une défaillance potentielle de l'ensemble du système.Ce risque est plus faible dans les connexions en série où l'échec d'un condensateur n'affecte pas les autres.
Conclusion
Ce regard détaillé sur les condensateurs nous aide à comprendre leurs fonctions et les considérations importantes pour leur utilisation dans l'électronique moderne.Les configurations de séries augmentent la tension de travail et gérent la distribution de tension mais réduisent la capacité et augmentent la sensibilité aux variations.Les configurations parallèles augmentent la capacité totale et le stockage d'énergie, ce qui est bon pour la gestion de l'énergie dans les petits espaces, mais ils peuvent être risqués si un condensateur échoue.Le choix entre les séries et les configurations parallèles dépend des besoins d'ingénierie spécifiques, de l'espace d'équilibrage, du coût et des performances.Les idées théoriques et pratiques mettent l'accent sur la sélection minutieuse des condensateurs et la conception du circuit pour assurer des systèmes électriques fiables et efficaces.
Questions fréquemment posées [FAQ]
1. Quel est l'effet d'un condensateur en série?
Les condensateurs en série sont utilisés principalement pour réduire l'impédance d'un circuit à des fréquences plus élevées, ce qui améliore la transmission de puissance sur de longues distances et améliore la régulation de la tension.Lorsque les condensateurs sont connectés en série, la capacité totale diminue.Cette configuration oblige la même charge à passer par tous les condensateurs, ce qui entraîne une division de la tension totale à travers chaque condensateur en fonction de sa valeur de capacité.Cette caractéristique est particulièrement utile dans des applications telles que le couplage et le filtrage du signal, où l'objectif est de bloquer le courant direct (DC) tout en permettant à un courant alternatif (AC) de passer.
2. Quand utiliser les condensateurs de la série?
Les condensateurs en série sont utilisés lorsqu'il est nécessaire d'ajuster l'impédance d'un circuit, en particulier dans les applications à haute fréquence.Ils sont également employés pour atteindre une division de tension dans un circuit.Dans les systèmes d'alimentation, les condensateurs en série sont utilisés pour augmenter la capacité des lignes de transmission de puissance en compensant la réactance inductive dans de longues lignes de transmission, permettant ainsi à plus de courant de s'écouler dans les mêmes conditions de tension.
3. Comment savez-vous si deux condensateurs sont en série?
Deux condensateurs sont en série s'ils sont connectés de bout en bout, avec le terminal positif de l'un connecté au terminal négatif de l'autre, et il n'y a que deux points de connexion impliquant d'autres composants de circuit.Cet arrangement garantit que la charge et le courant de décharge qui les circulent sont les mêmes.La capacité totale peut également être calculée pour confirmer cela;Pour les condensateurs en série, le réciproque de la capacité totale est la somme des réciproques des capacités individuelles.
4. Quel est l'effet d'un condensateur parallèle?
Lorsque les condensateurs sont connectés en parallèle, la capacité totale du circuit augmente.Cette configuration permet à chaque condensateur de maintenir la même tension, conduisant à une accumulation de capacité de charge à travers les condensateurs.Les condensateurs parallèles sont souvent utilisés pour stabiliser la tension et stocker plus de charge dans les systèmes où une capacité plus élevée est nécessaire sans augmenter la tension des condensateurs individuels.
5. La configuration des séries ou parallèles augmente-t-elle la tension?
La configuration elle-même n'augmente pas la tension d'alimentation d'origine;Cependant, la distribution de tension dans le circuit varie.Dans une configuration série, la tension est divisée entre les condensateurs en fonction de leurs capacités individuelles.En revanche, dans une configuration parallèle, la tension à travers chaque condensateur reste la même que la tension d'alimentation.
6. La tension est-elle la même en parallèle?
Oui, dans un circuit parallèle, la tension à travers chaque condensateur est la même et égale à la tension totale fournie au circuit.Cette distribution uniforme de la tension rend les condensateurs parallèles idéaux pour les applications nécessitant une tension cohérente sur plusieurs composants.