În primul rând, vom face față unui supercapacitor (un alt nume este un ionistor sau un ultracapacitor). Acesta este un condensator electrolitic specific, care are o capacitate foarte mare și este rapid încărcat / descărcat (comparativ, de exemplu, cu o baterie).
Parametrii săi principali putem citi în cazul său: 5.5 V, 0.10F. Ce înseamnă asta? 5.5 V este tensiunea maximă pe care o putem aplica (o tensiune mai mare poate duce la explozia sa). Valoarea lui 0.1 F este capacitatea sa, adică capacitatea de a acumula o sarcină (pentru mai multe detalii, a se vedea articolul separat aici)
Bateriile noastre oferă o tensiune de aproximativ 6 V (4 x 1,5 V), adică prea mult. Și dacă scoateți o baterie de pe casetă? Circuitul bateriei va fi întrerupt și nu va curge curent. Așa că o vom face cu pricepere
Ridicați caseta bateriei. În el vedem 4 locuri goale pentru baterii, în partea dreaptă există fire: roșu și negru. Dacă vă uitați mai aproape, veți observa că unii dintre ace sunt conectați împreună. Introduceți prima baterie în conector, unde unul dintre contactele sale este conectat la firul roșu (contact # 3).
Celălalt capăt al bateriei este conectat la pinul nr. 8. Contactul nr. 8 cu un jumper subțire este conectat la pinul nr. 6. Acum introduceți a doua baterie între pinii # 6 și # 1. Contactul nr. 1 este conectat printr-un jumper subțire cu contactul nr. 2, astfel încât a treia baterie să fie introdusă între numărul 2 și nr. 5.
Problema este că ne lipsește o a patra baterie care să completeze circuitul bateriei și să se conecteze la firul negru care iese din casetă. Prin urmare, în primăvara contactului nr. 5, introduceți o bucată de fir cu capăt decojit. Acest fir va fi acum de aprovizionare minus următorul circuit.
Cu aceasta ordonată. Să mergem mai departe.
Avem aici o astfel de schemă:
Sursa sursei de alimentare B1 este caseta noastră cu 3 baterii care dau o tensiune de 4,5 V. Dacă nu există nici un LED în circuit, am putea chiar să abandonăm rezistorul, pentru că nu are nevoie de un condensator. Rezistorul R1 este utilizat pentru a limita curentul care trece prin LED-ul D1. Amintiți-vă că LED-ul roșu consumă un curent de 20 mA și o tensiune de ordinul de 2,1 V. Calculăm ce ar trebui să fie rezistența rezistorului, fără a ține seama de condensator:
R1 = (4,5V-2,1V) / 20mA
R1 = 2,4 V / 0,020 A
Rezistorul R1 trebuie să aibă cel puțin 120 ohmi. Folosim un rezistor de 220 ohmi disponibil la îndemână, și o astfel de rezistență, desigur, nu va afecta în mod semnificativ luminozitatea LED-urilor.
Înainte de a asambla circuitul pe panourile de pâine, trebuie să învățați cum să conectați corect supercapacitorul nostru. Acest lucru este foarte important, deoarece conexiunea incorectă poate duce la o explozie (acest lucru se aplică tuturor condensatoarelor electrolitice, cu excepția condensatoarelor nepolare). Aceste informații pot fi obținute prin citirea fișei tehnice pentru acest tip de supercapacitor. În cazul nostru, concluzia pozitivă este cea de mai jos, iar cea negativă cu contactul superior.
Acum putem conecta toate elementele de pe placă și putem observa ce se întâmplă cu LED-ul.
În momentul alimentării cu energie, LED-ul se aprinde intens, dar cu timpul luminozitatea devine din ce în ce mai mică și, în cele din urmă, moare complet. Odată ce LED-ul se stinge, opriți alimentarea și măsurați tensiunea pe supercapacitor. Tensiunea va fi de aproximativ 3V.
Apoi, din nou, aplicați alimentarea la circuit și, după un timp, opriți alimentarea din nou și măsurați tensiunea acum pe un condensator încărcat complet. Tensiunea pe condensator va fi egală cu tensiunea bateriei, adică ceva de circa 4,5 V.
Să ne gândim la condensator, știm că este compus din două plăci separate printr-un dielectric, adică un izolator. Dar cum se face fluxul curent în schema noastră? La urma urmei, pentru ca curentul să curgă, este necesar ca circuitul să fie închis și numai atunci electronii pot curge de la plus la minus bateria!
Și fluxurile curente de-aia. Curentul de la borna pozitivă a bateriei (firul roșu) trece prin rezistență și trece la una dintre plăcile de condensatoare. Tensiunea aplicată determină ionii să se miște în condensator: ionii pozitivi acumulează ioni cu semnul minus, iar ionii pozitivi se acumulează pe capacul "negativ". Acest lucru este arătat încă o dată prin următoarea schemă:
Și de ce, după un timp, curentul a încetat să curgă deloc? Acest lucru se datorează mișcării electronilor (și a ionilor) din circuit, cauzată de diferența de potențial dintre baterie (aproximativ 4,5 V) și condensator (aproximativ 0 V). Este ca și în cazul apei, situată în două vase comunicante - apa va curge până când nivelul apei din ambele vase va fi egal.
Amintiți-vă că fenomenul descris mai sus va avea loc atunci când condensatorul este conectat la un circuit de curent continuu. Capacitorii conectați la o sursă de curent alternativ nu vor putea să se încarce complet, cauzând stoparea curentului, dar nu vom lua în considerare acest lucru, deoarece această problemă depășește sfera lecției de astăzi.
În timpul testului, am măsurat tensiunea pe condensator în momentul în care LED-ul a fost oprit, iar acest lucru a avut loc înainte ca condensatorul să fie încărcat complet (3,04 V) și curentul a fost oprit. De ce?
Din lecțiile anterioare, știm că LED-ul este pornit, este necesar un curent nominal. În schema noastră, deoarece condensatorul a fost încărcat, curentul a scăzut treptat până a devenit atât de scăzut încât LED-ul a ieșit din cauza asta.
Dacă condensatorul nostru este deja încărcat, atunci să studiem procesul de descărcare. Cum să-l descărcați? Pentru a face acest lucru, conectați-l la rezistor, așa cum se arată în figura următoare (dar nu faceți acest lucru încă):
În acest circuit nu mai există o baterie, în loc de acesta avem un condensator C1, acesta va fi sursa noastră de tensiune. Curentul va curge de la borna "pozitivă" a condensatorului prin rezistor și va reveni la terminalul "negativ". Probabil, se pune întrebarea: de ce avem nevoie de un rezistor? La urma urmei, puteți conecta ambele picioare ale sârmei condensatorului. Știm că funcția de rezistență este limitarea curentă în circuit. Fără un rezistor, când condensatorul este descărcat, apare un curent mare, care îl poate deteriora.
Ce fel de rezistență? În acest caz, sa stabilit experimental că rezistența optimă va fi de 3,9 kOhm (dar pentru moment nu descărcați condensatorul).
Puteți, bineînțeles, să luați o altă rezistență, dar amintiți-vă:
- dacă luați un rezistor cu o rezistență foarte scăzută, condensatorul se va încărca foarte repede și nu veți avea timp să observați procesul de descărcare de gestiune,
- dacă rezistorul are rezistență prea mare, condensatorul va fi descărcat pentru o perioadă foarte lungă de timp, supunând astfel răbdarea dumneavoastră la testele grele.
Pregătiți o placă de dezvoltare, un condensator, un rezistor, o foaie de hârtie, un stilou și un cronometru;
Măsurați tensiunea pe condensator înainte de conectarea la circuit (avem o tensiune măsurată de 4,55 V);
Pe placa de dezvoltare, conectați rezistorul la condensator. La fiecare 20 de secunde, măsurați tensiunea pe condensator și înregistrați rezultatele, până când tensiunea condensatorului se apropie de zero (sau când răbdarea dvs. se termină :)). Recuperați rezultatele în Excel
În timpul experimentului, am măsurat numai tensiunea pe condensator. Dar se poate calcula curentul pe baza acestui fapt? Desigur, pentru asta folosim legea lui Ohm. I = U / R. Tensiunea U este tensiunea măsurată la un moment dat, iar valoarea lui R este egală cu rezistența rezistorului utilizat (avem 3.9 kom). Acum rămâne doar să faceți un program.
Rezultatele de mai sus (pentru a nu ocupa prea mult spațiu în tabel, sunt oferite doar prima și ultima valoare). În grafic, vedem că intensitatea tensiunii și curentului scad în timp, dar nu și liniar. Inițial, tensiunea și curentul coboară rapid, iar în timp, acesta este mai lent și mai lent. De ce?
Ar trebui să știți că într-un condensator încărcat, tensiunea dintre cele două capace este relativ mare (avem 4,55 volți), această tensiune determină curgerea curentului în circuitul cu rezistența să curgă. Odată cu descărcarea condensatorului, tensiunea dintre plăci scade, provocând un flux tot mai mic de electroni.
Acum știm cum se schimbă curentul și tensiunea în timpul descărcării condensatorului. Și ce se întâmplă cu tensiunea și curentul în momentul încărcării?
În circuitul de mai sus, sursa de tensiune este o baterie B1 (formată din 3 baterii), un rezistor R1 cu orice rezistență. Și din nou, la selectarea ei, ca și în experimentul de mai sus, a fost folosit un rezistor de 10 kΩ, dar ar fi mai bine să folosiți un rezistor de 3,9 kΩ, ca și mai înainte. Capacitorul C1 (adică, supercapacitorul nostru).
Ca și înainte, vom măsura curentul și tensiunea la anumite intervale. Deoarece circuitul este mai complicat decât cel precedent, pentru măsurare avem nevoie de două dispozitive de măsurare, după cum se arată în figura următoare:
Dacă avem doar un multimetru în serviciu? Aceasta nu este o problemă! Putem măsura tensiunea pe rezistență și știind rezistența rezistorului folosit (avem 10 kΩ) și legea lui Ohm: I = U / R, putem calcula curentul. Adică este suficient să măsurați tensiunea pe rezistență și apoi pe condensator, în locurile prezentate în figura următoare:
Pe placa de dezvoltare, asamblați circuitul, dar nu conectați firul roșu de la baterie. Amintiți-vă: în partea de jos a condensatorului este un plus, iar în partea de sus acesta este un minus;
- Pregătiți un cronometru o bucată de hârtie și un pix pentru a înregistra rezultatele măsurătorilor;
- Măsurați tensiunea inițială a condensatorului - a fost de 0,11 V;
- Pregătiți un cronometru și stabiliți un anumit interval de timp prin care veți efectua măsurători. De exemplu, la fiecare 20 de secunde;
- Conectați firul roșu al bateriei, măsurați rapid tensiunea pe condensator și apoi pe rezistor, înregistrați rezultatele;
- Repetați măsurătorile în intervalul de timp selectat.
- Efectuați măsurători până când tensiunea pe condensator este egală cu tensiunea bateriei B1 (sau până când pierdeți răbdarea :))
Rezultatele sunt scrise în Excel, fac un grafic al modificărilor de tensiune și curent pe condensator în timp.
Așa cum vedem în graficul de mai sus, tensiunea condensatorului crește mai întâi rapid, apoi mai mult și mai încet și încet. În cazul curentului, observăm o relație inversă: se scurge rapid și, pe măsură ce se încarcă condensatorul, acesta curge mai lent și încet. De ce se întâmplă acest lucru?
Diferența de tensiune dintre baterie și condensatorul descărcat este mare. Această diferență de potențial determină curgerea curentului în circuit. Pe măsură ce se încarcă condensatorul, diferența de tensiune între baterie și condensator devine mai mică, ceea ce duce la o scădere a curentului și, din nou, condensatorul se încarcă mai lent și curentul este chiar mai slab etc.
Ecuația care descrie rata de încărcare a unui condensator este constanta de timp:
unde: R - rezistența circuitului, C - capacitatea condensatorului.
în cazul nostru, constanta de timp este:
RC = 10 kΩ x 0,10 F
RC = 10000 Ω x 0,10 F
Ce înseamnă asta? În cazul în care constanta de timp este 1000, înseamnă că condensatorul nostru va fi încărcat până la 63% timp de 1000 secunde (1000 sec / 60 = 16,66 minute). Mai departe după noile 16,66 minute, condensatorul va primi încă o diferență de 63% dintre diferența dintre curentul său și tensiunea sursei de energie și așa mai departe.
Bateria noastră oferă o tensiune de 4,5 volți, tensiunea inițială a condensatorului, am 0.11 V, adică atunci când este conectată alimentarea, ar trebui să primească o taxă suplimentară: 4.5 V - 0.11 V = 4.39 V. După expirare 16,66 minute de la conectarea condensatorului, acesta va primi 63% din aceste 4,39 volți, adică 2,77 V. Acesta va rămâne la încărcarea completă pentru alte 4,39 V - 2,77 V = 1,62 V.
După o nouă perioadă de 16,66 minute, tensiunea pe condensator va crește cu 63% față de restul de 1,62 V, adică va crește cu 1,02 V. Pentru o încărcare completă nu mai are încă 1,62 V - 1,02 V = 0,6 V, etc.
Așa cum probabil ați observat, dacă după fiecare 16,66 minute condensatorul crește încărcarea cu 63% din volumul rămas, atunci nu se va încărca complet! Prin urmare, se presupune că după 5RC, adică în cazul nostru 5 x 16,66 minute = 83,3 minute, condensatorul este considerat încărcat.
Diferența potențială dintre sursa de energie și condensatorul nostru este atât de mică încât curentul practic nu curge în circuitul nostru, iar condensatorul încărcat se comportă ca un rezistor cu rezistență infinită.
Vă amintiți prima schiță a acestei lecții? Pentru un memento îl vom aduce din nou:
Amintiți-vă cum am calculat rezistența rezistorului R1? Sa spus că efectuăm calculul ca și cum condensatorul nu este în circuit. Sperăm că experiența cu încărcarea condensatorului ți-a explicat de ce am crezut asta. Dacă nu a existat rezistor R1, atunci când bateria a fost conectată și atunci când condensatorul se încarcă, un curent mare ar curge în circuit, ceea ce ar duce la arderea LED-ului.
