مقاله کامل شارژ و دشارژ خازن سری و موازی

هدف آزمایش:
بررسی چگونگی شارژ و دشارژ خازن سری و موازی،رسم منحنی تغیرات خازن درحال شارژ و دشارژ نسبت به زمان، محاسبه ثابت زمانی
تئوری انجام ازمایش:
ساختمان داخلی خازن از دو صفحه ی‌هادی که بین آن‌ها عایق قرار دارد تشکیل می‌شود.به صفحات‌هادی، جوشن نیز گفته می‌شود. در شکل زیر، علامت قرار دادی و ساختمان داخلی خازن در حالت کلی نشان داده شده است.
خازن از دو قسمت اصلی تشکیل شده است.
الف- صفحات‌هادی
ب- ماده ی عایق (دی الکتریک)
شارژ و دشارژ خازن در جریان مستقیم
وقتی یک خازن را به ولتاژDC وصل کنیم خازن شارژ می‌شود. در هنگام شارژ، انرژی الکتریکی از منبع به خازن انتقال می‌یابد و در آن ذخیره می‌شود. مقدار این انرژی بستگی به ظرفیت خازن و ولتاژ منبع دارد. همان طور که درشکل زیر ملاحظه می‌شود، زمانی که کلید بسته می‌شود، در اثر عبور جریان، ذخیره ی بارهای الکتریکی در صفحات خازن شروع می‌شود. با تداوم ذخیره ی بار الکتریکی در خازن ولتاژ بین صفحات خازن شروع به افزایش و جریان مدار شروع به
کاهش می‌کند، این روند ادامه می‌یابد تا ولتاژ دو سر خازن برابر با ولتاژ منبع و جریان مدار صفر می‌شود. در این حالت می‌گویند خازن به طور کامل شارژ شده است.
همان طور که در شکل زیر می‌بینید اگر خازن از منبع جدا شود تا مدتی در دو سر آن ولتاژ وجود دارد یعنی انرژی دارد. از طرفی چون مقاومت ذخیره شده را در خود نگه میعایق خازن بی نهایت نیست (عایق مطلق نیست)، به مرور زمان، A به طرف صفحه ی Bالکترون‌ها از طریق عایق از صفحه ی حرکت می‌کنند و خازن را تخلیه می‌نمایند. بدیهی است اگر خاصیت عایقی خازن، مطلق باشد خازن برای همیشه انرژی ذخیره شده را در خود حفظ می‌کند.
الف) شارژ کامل خازن ب)عایق غیر مطلق
برای تخلیه ی بار الکتریکی صفحات خازن ابتدا خازن را خازن B وAاز منبع تغذیه جدا می‌کنیم، سپس دو صفحه ی را از طریق یک مقاومت به یکدیگر اتصال می‌دهیم.
ثابت زمانی
اگر طبق شکل زیر مداری شامل یک مقاومت اهمی و یک خازن را که به صورت سری بسته شده اند به یک منبع ولتاژ DCوصل می‌کنیم، خازن فورا شارژ (پر) نمی شود بلکه مدتی طول می‌کشد تا به شارژ کامل برسد. زمان شارژ بستگی به مقدار C وR دارد. همچنین اگر پایه‌های یک خازن شارژ شده را به وسیله ی یک مقاومت
اهمی به یکدیگر اتصال دهیم خازن به یک باره دشارژ (خالی) نمی شود، بلکه مدت زمانیطول می‌کشد تا خازن شارژ خود را از دست بدهد این زمان را اصطا حاً ثابت زمانی مدار RC می‌نامند که بستگی به مقدارRوCدارد.
الف) مدار شارژ خازن ب) مدار د شارژ خازن
به هم بستن خازن‌ها
اگر ظرفیت خازنی مورد نیاز باشد که ظرفیت آن در محدوده ی ظرفیت‌های استاندارد نباشد، می‌توان با متصل کردن چند خازن به صورت سری ، موازی یا ترکیبی، خازن مورد نظر را به دست آور.
اتصال سری خازن‌ها
هرگاه دو یا چند خازن به صورت متوالی اتصال یابند، یعنی انتهای اولی به ابتدای دومی و انتهای دومی به ابتدای سومی و این کار تا آخرین خازن ادامه یابد، این نوع اتصال خازن را «سری» می‌گویند در شکل زیر اتصالn سری به یک دیگر نشان داده شده است.
درمدارسری خازنی نیز مانند سری مقاومتی ولتاژ منبع بین اجزای مدار تقسیم می‌شود. مقدار ولتاژ در دو سر هر خازن در مدار سری نسبت معکوس با مقدار ظرفیت خازن دارد،(𝑉=
𝑄
𝐶
. ( به عبارت دیگر، ولتاژ به نسبت عکس مقدار ظرفیت هر خازن بین خازن‌ها تقسیم می‌شود. یعنی هر قدر ظرفیت خازنی بیشتر باشد ولتاژ کمتری در دو سر آن افت خواهد کرد. در شکل زیرافت ولتاژ دو سر هر یک از خازن‌ها نشان داده شده است.
اتصال موازی خازن‌ها
هرگاه دو یا nخازن به صورت شکل زیر به یکدیگر وصل شوند، این اتصال را «موازی» می‌گویند. اتصال موازی خازن‌ها نیز مشابه اتصال موازی مقاومت‌ها است.
همان گونه که در مدارهای مقاومتی موازی بیان شد و در شکل زیرنیز مشاهده می‌شود در مدارهای موازی ولتاژ در دو سر تمام عناصر مساوی است.
شرح آزمایش
برای انجام این آزمایش به وسایلی از قبیل منبع تغذیه, سیم‌های رابط, مقاومت (10اهم),خازن (45میکروفاراد), ولت متر و کرنومتر نیاز است.
الف- بررسی مدار خازن‌ها به صورت سری در جریان مستقیم
هر یک از خازن‌های C3 وC2 ،C1را با توجه به مقادیری که روی آن‌ها نوشته شده است با دستگاهLCR متر یا خازن سنج اندازه گیری کنید و مقادیر به دست آمده را در بنویسید.
سه خازن C3 وC2 ،C1 را مطابق شکل زیر روی بردبرد به صورت سری اتصال دهید و با استفاده از یک دستگاه LCR متر یا خازن سنج ظرفیت خازن معادل مدار را از دو نقطه یB و A اندازه بگیرید.
مقدار ظرفیت معادل را ازرابطه ی زیر محاسبه کنید.
1
CT
=
1
C1
+
1
C2
+
1
C3
ب- بررسی مدارهای خازنی موازی در جریان مستقیم
سه خازن را مطابق شکل روبرو روی بردبرد به صورت موازی اتصال دهید و با استفاده از یک دستگاه LCRمتر یا خازن سنج ظرفیت خازن معادل مدار را از دو نقطه ی Aو B اندازه بگیرید.
مقدار ظرفیت خازن را از رابطه ی
CT =C1 +C2 +C3 محاسبه کنید.
محاسبات
شارژ خازن سری:
Rتئوری = 33 * 103Ω
Ctتئوری = 181. 82 * 10-6 f(
1
CT
=
1
1000
+
1
220
)
τتئوری = R*C = 6
τعملی = 0. 63 * 10 = 6. 3
Vc = V0 (1 – exp(-t / RC)(= 10 (1 – exp(-0/6) =0
Vc = V0 (1 – exp(-t / RC)(= 10 (1 – exp(-10/6) = 8. 1
Vc = V0 (1 – exp(-t / RC)(= 10 (1 – exp(-20/6) = 9. 631
Vc = V0 (1 – exp(-t / RC)(= 10 (1 – exp(-30/6) = 9. 932
Vc = V0 (1 – exp(-t / RC)(= 10 (1 – exp(-40/6) = 9. 987
Vc = V0 (1 – exp(-t / RC)(= 10 (1 – exp(-50/6) = 9. 997
Vc = V0 (1 – exp(-t / RC)(= 10 (1 – exp(-60/6) = 10
Vc = V0 (1 – exp(-t / RC)(= 10 (1 – exp(-70/6) =10
/
/
دشارژ خازن سری
Rتئوری = 33 * 103Ω
Ctتئوری = 181. 82 * 10-6 f (
1
CT
=
1
1000
+
1
220
)
τتئوری = R*C = 6
τعملی = 0. 37 * 10 = 3. 7
Vc = V0 * exp(-t / RC(= 10* exp(-0/6) =10
Vc = V0 * exp(-t / RC(= 10 *exp(-10/6) =1. 889
Vc = V0 * exp(-t / RC(= 10 *exp(-20/6) =0. 357
Vc = V0 * exp(-t / RC(= 10 *exp(-30/6) =0. 067
Vc = V0 * exp(-t / RC(= 10 *exp(-40/6) =0. 0128
Vc = V0 * exp(-t / RC(= 10 *exp(-50/6) =0. 0024
Vc = V0 * exp(-t / RC(= 10* exp(-60/6) =0. 00045
Vc = V0 * exp(-t / RC(= 10 *exp(-70/6) =0
شارژ خازن موازی:
Rتئوری = 33 * 103Ω
Ctتئوری =1220 *10-6 f(CT =1000 +220)
τتئوری = R*C = 40. 26
τعملی = 0. 63 * 10 = 6. 3
Vc = V0 (1 – exp(-t / RC)(= 10 (1 – exp(-0/40. 26) =0
Vc = V0 (1 – exp(-t / RC)(= 10 (1 – exp(-20/40. 26) = 3. 915
Vc = V0 (1 – exp(-t / RC)(= 10 (1 – exp(-45/40. 26) = 6. 730
Vc = V0 (1 – exp(-t / RC)(= 10 (1 – exp(-90/40. 26) = 8. 930
Vc = V0 (1 – exp(-t / RC)(= 10 (1 – exp(-120/40. 26) = 9. 492
Vc = V0 (1 – exp(-t / RC)(= 10 (1 – exp(-150/40. 26) = 9. 759
Vc = V0 (1 – exp(-t / RC)(= 10 (1 – exp(-180/40. 26) = 9. 885
Vc = V0 (1 – exp(-t / RC)(= 10 (1 – exp(-210/40. 26) =9. 950

فایل : 14 صفحه

فرمت : Word