Почему мы используем конденсаторы, а не батареи в дефибрилляторе?

Батареи обычно используют электрохимические реакции для хранения энергии. Эти реакции имеют предел скорости передачи энергии. Например, типичный свинцово-кислотный автомобильный аккумулятор может потреблять только определенное количество энергии; после определенного момента он начинает разрушаться, образуя газообразный водород, который затем может воспламеняться свободным кислородом в воздухе. Аналогией может быть гравитационная батарея, подобная большой плотине воды с более высоким уровнем гравитационной энергии. Открытие двери позволит воде течь, и, возможно, цепь может работать при некотором напряжении в течение месяца подряд. Однако он, возможно, никогда не сможет превысить этот уровень напряжения, если он намного выше, потому что нет способа использовать всю энергию - как если бы плотина просто полностью открылась сразу. Таким образом, существуют четкие пределы скорости, по которой он может быть разряжен.

Конденсаторы могут лучше хранить большие разности потенциалов; однако они часто не могут поддерживать напряжение в течение длительных периодов времени. Это связано с тем, что конденсаторы просто используют электрическое поле и различную геометрию для хранения энергии.

Поэтому, если вам нужен только короткий выброс энергии, вы можете уменьшить размер батареи, используя конденсатор. В основном конденсатор накапливает более высокое напряжение, чем клеммы аккумулятора, а затем отпускает его. В противном случае потребовалась бы гораздо большая батарея, но с большей батареей вы получите более устойчивое напряжение, чем конденсатор. Посмотрите «Ампер-часы» батареи. Батарея содержит больше энергии, чем конденсатор, но конденсатор может выдавать более высокое напряжение. Также см. удельную энергию или плотность энергии различных типов батарей, а затем конденсаторов.

Также из-за ограниченной энергии конденсатора, возможно, это предотвращает возможность заедания цепи, в которой энергия может течь непрерывно. Возможно, с батареей потребуется более сложная схема, чтобы получить короткий всплеск напряжения, быстро закрывающийся, а затем открывающийся. Вы можете получить искры, шум и т. Д. С конденсатором, когда цепь замкнута, ее можно оставить замкнутой, и конденсатор просто сбросит свой потенциал, и все.

Для работы дефибриллятора требуется высокое напряжение. обычно для этого требуется очень большой аккумуляторный блок (сотни отдельных ячеек) для достижения требуемого напряжения. Вместо этого дефибрилляторы используют аккумулятор меньшего размера для управления схемой прерывателя, которая повышает напряжение через трансформатор, после чего результат выпрямляется, фильтруется и сохраняется в конденсаторной батарее с малой утечкой. это сводит к минимуму вес и объем машины, а также ее стоимость.

Короткий ответ заключается в том, что, хотя конденсаторы не удерживают столько общей энергии, как батареи того же размера, они могут выделять энергию быстрее, чем батареи.

В портативном дефибрилляторе (или электрошокере!) батарея заряжает конденсатор, затем конденсатор высвобождает заряд в объект намного, намного быстрее, чем он мог бы подаваться непосредственно от батареи.

Очень большие конденсаторы, используемые в дефибрилляторах, могут (кратковременно) обеспечивать напряжение от 2000 до 6000 вольт.

Способность относительно быстро доставлять энергию — это принципиальное различие между « конденсатором » и « аккумуляторной батареей ». Это не столько фактоид физики, сколько то, что означают слова.

Например, на приведенном ниже графике:
${\require{color}} {\definecolor{capacitor}{RGB}{255,10,10}} {\definecolor{lightCapacitor}{RGB}{255,131,131}} {\definecolor{battery}{RGB}{186,138,20}} {\definecolor{lightBattery}{RGB}{219,194,133}} % %\text{For example, in the below plot:} \\ \hskip{1em} \lower{2.5ex}{ \begin{array}{l} {\rlap{\color{capacitor}{\rule{15px}{15px}}}} {\rlap{\raise{4px}{\hskip{4px} \color{lightCapacitor}{\rule{7px}{7px}}}}} \hskip{21px} {\raise{2px}{ {\color{capacitor}{\textbf{Li-ion capacitor}}} ~\text{has a higher discharge rate; though} }} \\ {\rlap{\color{battery}{\rule{15px}{15px}}}} {\rlap{\raise{4px}{\hskip{4px} \color{lightBattery}{\rule{7px}{7px}}}}} \hskip{21px} {\raise{2px}{{\color{battery}{\textbf{Li-ion battery}}} ~\text{can store more energy.}}} \end{array} }$
$\hskip{50px}$${\require{cancel}} {\def\place#1#2#3{\smash{\rlap{\hskip{#1px}\raise{#2px}{#3}}}}} \place{305}{219}{\color{capacitor}{\bcancel{\phantom{\rule{97px}{25px}}}}} \place{377}{191}{\color{battery}{\cancel{\phantom{\rule{25px}{7px}}}}}$

Обратите внимание, что мощность имеет единицы$\left[\frac{\text{energy}}{\text{time}}\right]$. То есть мощность - это скорость, с которой доставляется энергия.

Концептуально кажется, что существует конфликт интересов между хранением энергии и способностью быстро ее терять (т. е. отдавать мощность). Как показано выше, определенные технологии, как правило, имеют компромисс между их способностью хранить и доставлять энергию.

Этот конфликт можно рассматривать как подобный конфликту с термодинамической обратимостью , в которой более медленные процессы имеют более высокую эффективность. Например, полезный нагрев имеет самую высокую термодинамическую эффективность, когда он течет по произвольно малым температурным градиентам, хотя чем меньше температурный градиент, тем больше времени требуется для прохождения через него конечного количества тепла.

В термодинамике обратимый процесс - это процесс, направление которого можно «обратить», вызывая бесконечно малые изменения некоторого свойства системы через ее окружение без увеличения энтропии. На протяжении всего обратимого процесса система находится в термодинамическом равновесии с окружающей средой. Поскольку для завершения обратимого процесса потребовалось бы бесконечное количество времени, полностью обратимые процессы невозможны.

– «Обратимый процесс (термодинамика)» , Википедия [форматирование и ссылки опущены]

На самом деле довольно забавно думать об аспектах теории информации о том, почему это так. Например, вы, вероятно, слышали о том, что энтропия является мерой беспорядка; возможно, его правильнее рассматривать как квалификацию того, как могут протекать состояния в ансамбле возможных состояний. Когда есть больше несвязанных путей потока, все может двигаться быстрее; однако это также означает, что энтропия растет, что приводит к утечке полезной работы.

Кроме того, эта утечка полезной работы проявляется в виде тепловой энергии (тепла), что может быть довольно проблематично , когда речь идет о высоковольтной электронике.

Как историческое примечание, конденсаторы были более физическими механизмами для хранения энергии, в то время как батареи были более химическими механизмами для хранения энергии (с некоторыми забавными исключениями ). Это по-прежнему часто верно и сегодня, хотя, возможно, это лучше рассматривать как историческую случайность, чем как основную концепцию, которую нужно отслеживать. Такие вещи, как суперконденсаторы и другие технологии, будут продолжать стирать грань, поскольку на самом деле нет причин для того, чтобы хорошо спроектированная система ограничивалась одним физическим подходом.

И последнее замечание: дефибрилляторы могут использовать батареи в качестве основного накопителя энергии, используя их для зарядки конденсаторов, которые могут быстро разряжаться. Этот шаблон проектирования называется развязкой переходной нагрузки , где переходная нагрузка представляет собой электрическую потребность в ударе, а развязка — это то, как аккумулятор подвергается меньшему прямому воздействию удара.

Один аспект, который не был рассмотрен в другом ответе, — это то, что действительно необходимо для надежной и безопасной работы дефибриллятора .

Дефибрилляция сердца — это не просто «Хорошо, давайте убьём пациента электрическим током»! Чтобы не повредить сердце, нужно очень осторожное приложение энергии. Это означает, что дефибриллятор должен создавать «хороший» электрический импульс, имеющий некоторые четко определенные электрические характеристики , которые также должны регулироваться в зависимости от конкретного пациента.

Все это требует изрядного количества электроники. Гораздо проще, с точки зрения электроники, построить схему, которая заряжает некоторые конденсаторы до четко определенного (высокого) напряжения, а затем контролируемым образом разряжает их в тело, используя энергию, запасенную в «стандартном» низком заряде. батареи напряжения, которые также питают всю схему.

Хотя батареи могут хранить много энергии, они не могут высвобождать ее достаточно быстро, чтобы произвести разряд, необходимый для дефибрилляции. Поскольку конденсаторы могут разряжаться гораздо быстрее, их используют после зарядки до высокого напряжения.$\left(\approx3000\mathrm{V}\right)$. Выбрав правильный размер конденсатора, можно контролировать силу удара.

В этой статье содержится дополнительная информация о том, как работают дефибрилляторы. По сути, конденсаторы вызывают большой перепад напряжения между электродами, вызывая сильный удар, когда эти электроды соприкасаются с телом.