Ακριβώς όπως οι μπαταρίες επιτρέπουν φορητή αποθήκευση ενέργειας, οι πυκνωτές επιτρέπουν προσωρινή αποθήκευση ενέργειας και αποτελούν κρίσιμα συστατικά πολλών κυκλωμάτων.
Επιτρέπουν να διαχωρίζονται μεγάλες ποσότητες φορτίων μεταξύ τους και να απελευθερώνονται σε μια ξαφνική έκρηξη ενέργειας, για χρήση σε συσκευές όπως κάμερες flash, καθώς και για μεσολάβηση άλλων ηλεκτρονικών διεργασιών, όπως μετατροπή μεταξύ πηγών ισχύος AC και DC ή φόρτισης και εκφόρτισης μαγνητικών πεδίων, κάτι που είναι χρήσιμο στο συντονισμό ραδιοφώνου σταθμοί.
Ορισμός της χωρητικότητας
Η χωρητικότητα είναι ένα μέτρο της ικανότητας ενός μη αγώγιμου υλικού να αποθηκεύει ενέργεια δημιουργώντας διαχωρισμό φόρτισης σε μια διαφορά δυναμικού (τάση). Το υλικό πρέπει να είναι μη αγώγιμο, όπως γυαλί ή σωλήνας PVC, διότι διαφορετικά τα ρεύματα θα διαρρέονταν από αυτό, δεν θα μπορούσαν να παραμείνουν χωριστά.
Μαθηματικά, η χωρητικότητα ενός αντικειμένουντοισούται με το λόγο χρέωσηςΕρστην τάσηΒ.
C = \ frac {Q} {V}
Η μονάδα χωρητικότητας SI είναι η
Κάθε μέρος ενός κυκλώματος που διαχωρίζει τη φόρτιση με αυτόν τον τρόπο ονομάζεται aπυκνωτής. Έτσι, μετά την παραπάνω εξίσωση, κάθε δεδομένη χωρητικότητα ενός πυκνωτήντοσυνδεδεμένο με μπαταρία με πιθανή διαφοράΒ, θα αποθηκεύσει ηλεκτρικό φορτίοΕρ.
Πυκνωτές παράλληλης πλάκας
Ένας κοινός τύπος πυκνωτή είναι έναςπυκνωτής παράλληλης πλάκας. Σε μια τέτοια συσκευή, συγκρατούνται δύο πλάκες αγώγιμου υλικού (όπως ένα μέταλλο), όπως υποδηλώνει το όνομα, παράλληλα μεταξύ τους σε κάποια απόσταση. Μεταξύ των πλακών είναι έναδιηλεκτρικό υλικό, ονομάζεται επίσηςμονωτική ουσία.
Αυτό είναι κάτι που δεν επιτρέπει τη ροή των φορτίων και έτσι μπορεί να γίνει πολωμένο - οι χρεώσεις μέσα σε αυτό επαναπροσανατολίστε έτσι όλα τα θετικά είναι μαζί από τη μία πλευρά και όλα τα αρνητικά από την άλλη - παρουσία ηλεκτρικού πεδίο.
Ο καθένας μπορεί να δημιουργήσει έναν απλό πυκνωτή παράλληλης πλάκας χρησιμοποιώντας δύο φύλλα μεταλλικού φύλλου ως πλάκες και πολλά φύλλα χαρτιού καθώς ο μονωτής τοποθετείται μεταξύ τους.
Η χωρητικότητα ενός πυκνωτή παράλληλης πλάκας εξαρτάται από την περιοχή μιας πλάκας, ήΕΝΑ; ο διαχωρισμός μεταξύ τουςρε; και η διηλεκτρική σταθεράκτου υλικού μεταξύ τους με αυτόν τον τρόπο:
C = \ dfrac {κε_0A} {d}
Ο όρος ε0 ("epsilon-naught") είναι τοεπιτρεπτότηταελεύθερου χώρου, που είναι σταθερά ίση με 8,884 × 10-12 farads ανά μέτρο (F / m). Η διηλεκτρική σταθεράκείναι μια ποσότητα χωρίς μονάδα που μπορεί να αναζητηθεί σε έναν πίνακα, όπως αυτή που συνδέεται με αυτό το άρθρο.
Άλλοι τύποι πυκνωτών
Δεν χρειάζονται όλοι οι τύποι πυκνωτών παράλληλες πλάκες. Μερικά είναι κυλινδρικά, όπως ένα ομοαξονικό καλώδιο, ή σφαιρικό, σαν μια κυτταρική μεμβράνη (η οποία καταλήγει να συγκρατεί ένα φορτίο αντλώντας θετικά ιόντα καλίου από το κελί και αρνητικά ιόντα χλωρίου σε αυτό).
Ένα ομοαξονικό καλώδιο χρησιμοποιείται ευρέως για την παράδοση δεδομένων βίντεο, ήχου και επικοινωνιών. Ο κυλινδρικός του σχεδιασμός αποτελείται από πολλά στρώματα μονωτικών διηλεκτρικών υλικών μεταξύ ισχυρών αγώγιμων φύλλων, συχνά χαλκού, όλα τυλιγμένα σαν ρολό ζελέ.
Αυτό επιτρέπει στο καλώδιο να μεταφέρει ακόμη και αδύναμα ηλεκτρικά σήματα χωρίς υποβάθμιση σε μεγάλες αποστάσεις. Επιπλέον, επειδή τα μονωτικά και αγώγιμα στρώματα είναι τυλιγμένα, ένα ομοαξονικό καλώδιο μπορεί να παρέχει Αυτή η αποθήκευση ενέργειας σε σχετικά μικρό χώρο - σίγουρα σε μικρότερο όγκο από τους παράλληλους πυκνωτές πλακών μπορώ.
Κυκλώματα RC
Μια κοινή εφαρμογή πυκνωτών είναι σε κύκλωμα RC, ονομάζεται έτσι επειδή περιέχει αντίσταση και πυκνωτή. Ας υποθέσουμε ότι δύο εξαρτήματα κυκλώματος συνδέονται παράλληλα, με έναν διακόπτη που επιτρέπει στο κύκλωμα να συνδέεται σε έναν από τους δύο πιθανούς βρόχους: πηγή τάσης συν πυκνωτής ή πυκνωτής συν αντίσταση.
Όταν ο πυκνωτής είναι συνδεδεμένος στην πηγή τάσης, το ρεύμα ρέει στο κύκλωμα και αρχίζει να δημιουργεί ένα αποθηκευμένο φορτίο. Όταν ο διακόπτης είναι αναποδογυρισμένος και ο πυκνωτής είναι συνδεδεμένος με την αντίσταση, θα αποφορτιστεί και θα θερμανθεί η αντίσταση.
Η τάση ή η διαφορά δυναμικού, απέναντι στον πυκνωτή κατά τη φόρτιση είναι:
V_ {capacitor} = V_ {source} (1-e ^ {t / RC})
Όπου και τα δύοΒπυκνωτήςκαιΒπηγήείναι τάσεις σε βολτ καιτείναι χρόνος σε δευτερόλεπτα. Η σταθερά του χρόνουRCείναι το προϊόν της αντίστασης και της χωρητικότητας του κυκλώματος, υπονοώντας ότι όσο μεγαλύτερη είναι η αντίσταση ή ο πυκνωτής, τόσο περισσότερος χρόνος θα χρειαστεί για φόρτιση ή εκφόρτιση. Η μονάδα του είναι επίσης σε δευτερόλεπτα.
Στην αντίστροφη διαδικασία (κατά την εκφόρτιση), η εξίσωση είναι παρόμοια:
V_ {capacitor} = V_ {0} e ^ {- t / RC}
ΟπουΒ0είναι η αρχική, φορτισμένη τάση του πυκνωτή πριν ξεκινήσει η εκφόρτιση.
Επειδή η φόρτιση απαιτεί χρόνο για τη δημιουργία και την απελευθέρωση, και αυτός ο χρόνος εξαρτάται από τις ιδιότητες του τα στοιχεία του κυκλώματος, ένα κύκλωμα RC είναι χρήσιμο σε πολλές ηλεκτρικές συσκευές που απαιτούν ακριβή συγχρονισμός. Μερικά κοινά παραδείγματα είναι: κάμερες φλας, βηματοδότες και φίλτρα ήχου.
Παράδειγμα υπολογισμοί
Παράδειγμα 1: Ποια είναι η χωρητικότητα ενός πυκνωτή παράλληλης πλάκας από δύο 0,25-m2 πλάκες αλουμινίου χωρισμένες κατά 0,1 m με Teflon στους 20 βαθμούς Κελσίου;
Δεδομένης της έκτασης μιας πλάκας, του διαχωρισμού και του διηλεκτρικού υλικού, ξεκινήστε αναζητώντας τη διηλεκτρική σταθερά του Teflon. Σε 20 βαθμούς Κελσίου, είναι 2,1 (θυμηθείτε, δεν έχει μονάδες!).
Επίλυση χωρητικότητας:
Παράδειγμα 2: Πόσος χρόνος θα χρειαστεί για τη φόρτιση 100-μF (10)-6 farads) πυκνωτής στα 20 V όταν είναι συνδεδεμένος σε μια μπαταρία 30-V και σε κύκλωμα με αντίσταση 10-kΩ (1.000 Ohms);
Ξεκινήστε μετατρέποντας την χωρητικότητα και την αντίσταση στις μονάδες SI τους και, στη συνέχεια, υπολογίζοντας τη σταθερά χρόνου RC:
C = 100 μF = 0,0001 F
R = 10 kΩ = 10.000 Ω
RC = 0,0001 F × 10,000 Ω = 1 δευτερόλεπτο
Στη συνέχεια, χρησιμοποιώντας τον τύπο για έναν πυκνωτή φόρτισης και επίλυση για χρόνοτ:
V_ {capacitor} = V_ {source} (1-e ^ {t / RC}) \ newline 20 V = 30 V (1-e ^ {t / 1}) \ νέα γραμμή 2/3 = 1-e ^ t \ newline 1/3 = e ^ t \ newline ln (1/3) = ln (e ^ t) \ νέα γραμμή 1,1 δευτερόλεπτα = t
Πυκνωτές εναντίον Μπαταρίες
Οι πυκνωτές και οι μπαταρίες μπορεί να φαίνονται παρόμοια, καθώς και οι δύο μπορούν να αποθηκεύουν και να απελευθερώνουν ηλεκτρονική φόρτιση. Αλλά έχουν πολλές βασικές διαφορές που τους οδηγούν να έχουν διαφορετικά πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα.
Πρώτον, ένας πυκνωτής αποθηκεύει ενέργεια σε φορτισμένο ηλεκτρικό πεδίο ενώ μια μπαταρία αποθηκεύει ενέργεια σε χημικά, απελευθερώνοντάς την μέσω χημικής αντίδρασης. Λόγω αυτών των υλικών διαφορών, μια μπαταρία μπορεί να αποθηκεύσει περισσότερη ενέργεια από έναν πυκνωτή του ίδιου μεγέθους.
Ωστόσο, η χημική αντίδραση που απαιτείται για την απελευθέρωση αυτής της ενέργειας είναι συνήθως πιο αργή από την απελευθέρωση φορτίων μέσω του ηλεκτρικού πεδίου σε έναν πυκνωτή. Έτσι, ένας πυκνωτής μπορεί να φορτίζει και να αποφορτίζει πολύ πιο γρήγορα από μια μπαταρία, παρέχοντας περισσότερη ηλεκτρική ισχύ σε σύντομο χρονικό διάστημα. Ένας πυκνωτής είναι επίσης συνήθως πιο ανθεκτικός από μια μπαταρία, καθιστώντας το πιο φιλικό προς το περιβάλλον.
Για όλους αυτούς τους λόγους, οι μηχανικοί προσπαθούν σήμερα να αυξήσουν τα όρια αποθήκευσης των πυκνωτών και να μειώσουν τους χρόνους φόρτισης και εκφόρτισης των μπαταριών. Μέχρι τότε, οι συσκευές χρησιμοποιούνται συχνά μαζί. Για παράδειγμα, το φλας της κάμερας και ο βηματοδότης χρησιμοποιούν και μια μπαταρία και έναν πυκνωτή για παροχή ενέργειας μεγάλης διάρκειαςκαιπαραδώστε το σε γρήγορες εκρήξεις σε υψηλότερες τάσεις.
Εφαρμογές
Οι πυκνωτές χρησιμοποιούνται συχνά σε κυκλώματα για εξομάλυνση ή μεσολάβηση των αλλαγών τάσης που μια άλλη συσκευή θα αντιμετώπιζε. Για παράδειγμα, η περισσότερη ενέργεια που παραδίδεται σε ένα σπίτι έρχεται σε εναλλασσόμενο ρεύμα (AC), η οποία παρέχει μια «ανώμαλη» τάση, αλλά οι περισσότερες οικιακές συσκευές απαιτούν παροχή συνεχούς ρεύματος (DC) ενέργειας.
Οι πυκνωτές στον τοίχο βοηθούν στη μετατροπή του σήματος από AC σε DC για αυτές τις συσκευές. Η εισερχόμενη τάση φορτίζει τον πυκνωτή και όταν αρχίζει να εναλλάσσεται σε χαμηλότερη τάση, ο πυκνωτής αρχίζει να εκφορτώνει μέρος της αποθηκευμένης ενέργειας. Αυτό επιτρέπει στη συσκευή από την άλλη πλευρά να συνεχίσει να αντιμετωπίζει μια πιο σταθερή τάση από ό, τι χωρίς τον πυκνωτή.
Οι πυκνωτές είναι επίσης χρήσιμοι σε συσκευές όπου ορισμένες συχνότητες ηλεκτρονικών σημάτων ενδέχεται να χρειαστεί να φιλτραριστούν, ας πούμε, έναν ενισχυτή ραδιοφώνου ή έναν μίκτη ήχου. Για παράδειγμα, ένας πυκνωτής στο κύκλωμα μπορεί να κατευθύνει ήχους χαμηλής συχνότητας και υψηλής συχνότητας σε διαφορετικά μέρη ενός ηχείου, όπως το sub-woofer ή το tweeter. Ή, ένα ηχείο ραδιοφώνου που χρησιμοποιεί πυκνωτές για το διαχωρισμό των συχνοτήτων μπορεί να ενισχύσει κάποιες αλλά όχι άλλες, ενισχύοντας έτσι το σήμα του επιθυμητού σταθμού στο οποίο συντονίζεται το ραδιόφωνο.
Αποσύνδεση σε ολοκληρωμένο κύκλωμα.Μία από τις πιο πανταχού παρούσες χρήσεις για έναν πυκνωτή είναι σε ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα - το μικρό κύκλωμα πλακέτα που περιέχει όλα τα ηλεκτρικά εξαρτήματα που χρησιμοποιούνται για την τροφοδοσία των περισσότερων καταναλωτικών ηλεκτρονικών ειδών, όπως smartphone. Εκεί, ο πυκνωτής χρησιμεύει ως ασπίδα, προστατεύοντας άλλα ηλεκτρονικά εξαρτήματα από ξαφνικά η τάση μειώνεται και ενεργεί ως μικρές, προσωρινές πηγές ισχύος όταν η τροφοδοσία διακόπτεται στιγμιαία, όπως συχνά συμβαίνει.
Παρόμοια με το πώς βοηθούν στην παροχή συνεχούς ρεύματος στις οικιακές συσκευές, οι μεταβολές τάσης ρυθμιστή πυκνωτών για ηλεκτρονικά πέρα από αυτά στο κύκλωμα. "απορροφούν" επιπλέον τάση και με τη σειρά τους απελευθερώνουν την περίσσεια τάσης τους όταν η τροφοδοσία αρχίζει να μειώνεται.
Οι αποσυνδέσεις πυκνωτών σε ολοκληρωμένα κυκλώματα απομακρύνουν συγκεκριμένα τις μεταβολές υψηλής τάσης στην τάση (καθώς μπορούν να απορροφήσουν μέρος της αλλαγής τάσης που διέρχεται από αυτά). Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τα υπόλοιπα εξαρτήματα του κυκλώματος να αντιμετωπίζουν μια πιο ομοιόμορφη τάση τάσης στα επίπεδα που απαιτούνται για τη σωστή λειτουργία τους.
Πυκνωτές ως αισθητήρες.Επειδή ο σχεδιασμός πυκνωτών εξαρτάται από τα χρησιμοποιούμενα υλικά, τα οποία με τη σειρά τους έχουν διαφορετικές αγώγιμες ιδιότητες υπό διαφορετικές συνθήκες, οι πυκνωτές είναι σημαντικά συστατικά στους ηλεκτρονικούς αισθητήρες.
Για παράδειγμα, ένας αισθητήρας υγρασίας χρησιμοποιεί ένα διηλεκτρικό υλικό όπως ένα πλαστικό ή πολυμερές που αλλάζει την αγωγιμότητά του αξιόπιστα με τα μεταβαλλόμενα επίπεδα υγρασίας. Έτσι, διαβάζοντας την αγωγιμότητα κατά μήκος αυτού του διηλεκτρικού, ο αισθητήρας συμπεραίνει τη σχετική υγρασία.
Ομοίως, ορισμένοι αισθητήρες στάθμης καυσίμου, συμπεριλαμβανομένων εκείνων στα αεροπλάνα, χρησιμοποιούν πυκνωτές για να μετρήσουν πόσα καύσιμα απομένουν στη δεξαμενή. Σε αυτές τις συσκευές, το ίδιο το καύσιμο χρησιμεύει ως διηλεκτρικό. Μόλις πέσει σε αρκετά χαμηλό επίπεδο, η αγωγιμότητα αλλάζει και ο πιλότος ειδοποιείται.
Ίσως ακόμη πιο συνηθισμένοι είναι οι χωρητικοί διακόπτες που χρησιμοποιούνται σε συσκευές με οθόνη αφής. Όταν το δάχτυλο ενός ατόμου αγγίζει μια οθόνη, εκφορτώνει ένα μικρό ποσό φόρτισης, αλλάζοντας έτσι την αγωγιμότητα της συσκευής μετρήσιμα και εντοπίζεται σε μια συγκεκριμένη τοποθεσία. Αυτό εξηγεί επίσης γιατί η χρήση γαντιών παρεμποδίζει την κύλιση σε ένα smartphone - το μαλλί ή το βαμβάκι σε ένα γάντι είναι ένας εξαιρετικός μονωτής, διατηρώντας τα φορτία στα δάχτυλα από το άλμα στην οθόνη.
