Como um capacitor suaviza a energia?

Estou tentando entender como os capacitores funcionam. Entendo que eles armazenam uma cobrança e geralmente entendo como, mas não entendo como usá-los "suaviza" o fluxo da cobrança. Digamos que um motor que consome energia de um capacitor carregado não faça o mesmo ao consumir energia de uma fonte de energia? O que significa significa que a cobrança é suavizada e como?

Capacitores não armazenam carga. Essa é uma afirmação tão inútil porque se baseia nessa palavra "carga" que tem vários significados. Por favor, esqueça que você já ouviu isso. Eles também não suavizam a energia. O que eles suavizam é ​​a tensão.

Vou responder a sua pergunta, mas primeiro você deve realmente entender como os capacitores funcionam.

O que os capacitores armazenam é energia. O material que circula nos circuitos elétricos é a carga elétrica . Medimos a taxa de fluxo de carga em amperes. A quantidade de carga é medida em coulombs. Como a carga nunca é criada nem destruída , sempre que estamos medindo a carga, normalmente estamos contando a carga que passa por um portão metafórico. Exceto em alguns circuitos muito estranhos, a carga total em um dispositivo eletrônico também é constante. É muito parecido com um sistema hidráulico fechado: há algum fluido nele e você pode movê-lo, mas nunca entra ou vaza. Você pode contar quanto fluido flui além de algum ponto, mas deve vir de algum lugar e deve ir para outro lugar.

Imagine se você tivesse um vaso esférico cheio de líquido. No centro da embarcação, há uma placa de borracha que você pode esticar empurrando o líquido de um lado e bombeando o outro. É assim que um capacitor é:

Isto é dos excelentes equívocos de capacitores de Bill Beaty .

Quando você empurra a água de um lado, uma quantidade igual de água deve sair do outro lado. Além disso, uma vez que esta membrana de borracha é esticada, ela quer voltar a ser reta. Assim, a pressão da água de um lado será superior à do outro. Se você remover as rolhas e substituí-las por uma mangueira, a água fluirá até que a borracha não seja esticada.

Agora substitua "água" por "carga elétrica" ​​e "pressão" por "tensão", e você tem um capacitor.

Agora imagine duas embarcações, uma do tamanho de uma bola de golfe e outra do tamanho de uma piscina. Cada um tem uma membrana de elasticidade idêntica no meio. Se você bombear uma colher de sopa de água através da embarcação do tamanho de uma bola de golfe, a membrana será muito esticada e, consequentemente, a diferença de pressão entre os lados será grande. Se você fizer o mesmo com a embarcação do tamanho de uma piscina, a membrana quase não se moverá, e a diferença de pressão será apenas um pouco mais do que nada.

Isto é o que é capacitância . Diz a você, para uma determinada quantidade de água movida, qual é a diferença de pressão. Diz a você, para uma determinada quantidade de carga elétrica movida pelo capacitor, qual será a tensão. É definido como:

Onde:

• $C$ é capacitância, medida em farads,
• $q$ é carregado movido pelo capacitor, medido em coulombs, e
• $V$

Não se desligue do "coulomb". Um coulomb é a quantidade de carga que passa um ponto se 1 ampère estiver fluindo por 1 segundo. Ou 2 amperes por meio segundo. Ou 1/2 ampere por 2 segundos.

Se você fez o cálculo, reconhecerá que a carga é parte integrante da corrente. Em outras palavras, a carga é atual, assim como a distância é a velocidade. Você pode substituir "ampère" por "coulomb por segundo" - as unidades são exatamente iguais.

Usando esse conhecimento e um pouco de cálculo básico, a capacitância também pode ser definida em termos de tensão e corrente:

O que isso diz é: a taxa de variação da tensão ao longo do tempo (volts por segundo) é igual à corrente (amperes ou coulombs por segundo) dividida pela capacitância (farads).

Se você tiver um capacitor de 1 farad e estiver movendo 1 ampère (1 coulomb por segundo) através dele, a tensão no capacitor será alterada na taxa de 1 volt por segundo.

Se você dobrar essa capacitância, a taxa de variação de tensão será metade.

E aqui, eu acho, é a resposta para sua pergunta. Frequentemente, os capacitores são colocados na fonte de alimentação para manter a tensão estável. Isso funciona porque quanto mais capacitância você tiver, mais difícil será mudar a tensão, porque ela exige mais corrente para isso.

Nesta aplicação, os capacitores não suavizam a energia , eles suavizam a tensão . Eles fazem isso fornecendo um armazenamento de energia a partir do qual a carga pode extrair durante períodos de alta corrente transitória. Isso facilita o trabalho da fonte de alimentação, porque não precisa lidar com grandes mudanças na corrente. Com efeito, o capacitor ajuda a calcular a demanda atual da carga, como visto pela fonte de alimentação.

Capacitores de suavização são usados ​​para suprimir ondulações de tensão, geralmente nas linhas de fonte de alimentação. Eles fazem isso armazenando e reabastecendo energia periodicamente. A imagem abaixo mostra um caso de uso muito comum desses capacitores em um retificador de ponte completo.

Como você pode ver, o capacitor de suavização descarrega e reabastece energia quando a tensão de saída cai. Isso "uniformiza" a tensão de saída, razão pela qual esse capacitor é chamado de capacitor de "suavização".

Os capacitores existem para fornecer a ilusão de que sua carga está conectada a uma fonte de tensão ideal.

Por exemplo, sua fonte de energia possui alguma resistência interna e pode haver uma indutância significativa devido a cabos longos.

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

A adição do capacitor permite que a carga seja aproximada Vsquando a chave é aberta / fechada. Caso contrário, haverá uma tensão de alimentação variável quando a carga for aberta / fechada.

Sim, funciona basicamente da mesma maneira. No entanto, um capacitor normalmente tem uma capacidade menor do que, digamos, uma bateria. Quando você conecta uma carga a um capacitor, sua carga e tensão diminuem com o tempo. É por isso que é chamado de suave. Uma bateria faz isso exatamente da mesma maneira, mas muito, muito mais devagar, devido à maior capacidade.

Também é suave no sentido de suavizar um sinal de tensão. Se carregarmos e descarregarmos um capacitor ao mesmo tempo com algum sinal de tensão variável, você entenderá que o capacitor é carregado nas bordas ascendentes. Nas arestas de queda, o capacitor 'ajuda' a outra fonte de alimentação, o que torna a aresta de queda mais suave. Eventualmente, isso pode levar a uma tensão quase constante.

Imagine um capacitor como um copo de água com um furo. Portanto, não importa a rapidez com que você encha o copo, a saída através do furo é aproximadamente a mesma. É exatamente assim que um capacitor funciona: ele primeiro carrega e, em seguida, fornece uma saída que filtra o ruído e fornece uma saída limpa, independentemente de como a entrada flutua.