Nii nagu akud võimaldavad kaasaskantavat energiat salvestada, võimaldavad kondensaatorid ajutiselt energiat salvestada ja on paljude vooluahelate kriitilised komponendid.
Need võimaldavad suures koguses laenguid üksteisest eraldada ja äkilise energiapuhangu korral vabastada nii välkkaameratena kasutatavates seadmetes kui ka vahendada muid elektroonikaprotsesse, nagu muundamine vahelduv- ja alalisvooluallikate vahel või magnetväljade laadimine ja tühjendamine, mis on kasulik raadio häälestamiseks jaamad.
Mahtuvuse määratlus
Mahtuvus on juhtmatu materjali võime salvestada energiat, tekitades laengu eralduse potentsiaalse erinevuse (pinge) ulatuses. Materjal peab olema mittejuhtiv, näiteks klaas või PVC toru, sest vastasel juhul voolaksid laengud sellest läbi ega suudaks lahus püsida.
Matemaatiliselt objekti mahtuvusCon võrdne laengu suhtegaQpingeleV.
C = \ frac {Q} {V}
SI mahtuvuse ühik onfarad(F); tasutakulon(C); ja pinge,volti(V).Elektromagnetismi eestvedaja Michael Faraday järgi nimetatud farad on määratletud nii, et 1 farad on võrdne 1 kolumbaga volti kohta või 1 F = 1 C / V.
Iga vooluosa osa, mis sel viisil laengu eraldab, nimetatakse a-kskondensaator. Seega, järgides ülaltoodud võrrandit, kondensaatori mis tahes antud mahtuvusCühendatud potentsiaalse erinevusega akugaV, salvestab elektrilaengutQ.
Paralleelsed plaatkondensaatorid
Üks tavaline kondensaatori tüüp on aparalleelplaadiga kondensaator. Sellises seadmes hoitakse kahte juhtiva materjali plaati (nagu metall), nagu nimigi ütleb, paralleelselt teatud vahemaa tagant. Plaatide vahel on adielektriline materjal, mida nimetatakse ka anisoleermaterjal.
See on midagi, mis ei lase laengutel sellest läbi voolata ja võib seega polariseeruda - laengud selle sees ümber orienteeruma, nii et kõik positiivsed küljed on ühel ja kõik negatiivsed küljed koos - elektrienergia juuresolekul valdkonnas.
Igaüks saab luua lihtsa paralleelplaadiga kondensaatori, kasutades plaatidena kahte metallfooliumi lehte ja isolaatorina mitu paberilehte.
Paralleelse plaatkondensaatori mahtuvus sõltub ühe plaadi pindalast võiA; nende lahususd; ja dielektriline konstantκnendevahelisest materjalist:
C = \ dfrac {κε_0A} {d}
Mõiste ε0 ("epsilon-naught") onläbilaskvusvaba ruumi, mis on konstant, mis võrdub 8,854 × 10-12 faraadid meetri kohta (F / m). Dielektriline konstantκon ühikuvaba kogus, mida saab otsida tabelist, näiteks selle artikliga lingitud.
Muud kondensaatoritüübid
Kõik kondensaatoritüübid ei vaja paralleelseid plaate. Mõned on silindrikujulised, nagu koaksiaalkaabel, või sfäärilised, nagu rakumembraan (mis hoiab lõpuks laengut, pumbates rakust positiivseid kaaliumioone ja negatiivseid kloriidioone).
Koaksiaalkaablit kasutatakse laialdaselt video-, heli- ja sideandmete edastamiseks. Selle silindrikujuline disain koosneb mitmest kihist isoleerivatest dielektrilistest materjalidest tugevate juhtivate lehtede vahel, sageli vasest, mis on kokku rullitud nagu želeerull.
See võimaldab kaablil kanda isegi nõrku elektrisignaale, ilma et see kahjustaks pikki vahemaid. Kuna isoleerivad ja juhtivad kihid on kokku rullitud, suudab koaksiaalkaabel tagada see energiasalvesti suhteliselt väikeses ruumis - kindlasti väiksemas mahus kui paralleelsed plaatkondensaatorid saab.
RC ahelad
Üks tavaline kondensaatorite rakendus on RC-ahelas, mida nimetatakse nii, et see sisaldab takistit ja kondensaatorit. Oletame, et kaks vooluahela komponenti on ühendatud paralleelselt, lülitiga, mis võimaldab vooluahelal ühendada ühte kahest võimalikust üksikust silmusest: pingeallikas pluss kondensaator või kondensaator pluss takisti.
Kui kondensaator on pingeallikaga ühendatud, voolab vooluahel voolu ja see hakkab salvestatud laengut koguma. Kui lüliti on ümber pööratud ja kondensaator on takisti külge ühendatud, tühjeneb see ja soojendab takistit.
Kondensaatori laadimise ajal on pinge või potentsiaalide erinevus:
V_ {kondensaator} = V_ {allikas} (1-e ^ {t / RC})
Kus mõlemadVkondensaatorjaVallikason pinged voltides jaton aeg sekundites. AjakonstantRCon vooluahela takistuse ja mahtuvuse korrutis, mis tähendab, et mida suurem on takisti või kondensaator, seda rohkem aega kulub laadimiseks või tühjendamiseks. Selle ühik on ka sekunditega.
Pöördprotsessis (tühjendamisel) on võrrand sarnane:
V_ {kondensaator} = V_ {0} e ^ {- t / RC}
KusV0on kondensaatori esialgne laetud pinge enne selle tühjenemise alustamist.
Kuna laengu ülesehitamine ja vabanemine võtab aega ja see aeg sõltub vooluahela elementidest on RC-ahel kasulik paljudes täpsust nõudvates elektriseadmetes ajastus. Mõned levinumad näited on: välklampid, südamestimulaatorid ja helifiltrid.
Näite arvutused
Näide 1: Kui suur on kahest 0,25-m-st paralleelplaadiga kondensaatori mahtuvus2 alumiiniumplaadid, mis on tefloniga eraldatud 0,1 m kaugusel temperatuuril 20 kraadi Celsiuse järgi?
Arvestades ühe plaadi pindala, eraldamist ja dielektrilist materjali, alustage tefloni dielektrilise konstandi otsimist. 20 kraadi juures on temperatuur 2,1 (pidage meeles, et sellel pole ühikuid!).
Mahtuvuse lahendamine:
Näide 2: kui kaua võtab aega 100-uF (10-6 kondensaator 20 V-ni, kui see on ühendatud 30-V akuga ja vooluahelas 10-kΩ (1000 oomi) takistiga?
Alustage mahtuvuse ja takistuse teisendamisega nende SI ühikutesse ja arvutage seejärel RC ajakonstant:
C = 100 uF = 0,0001 F
R = 10 kΩ = 10 000 Ω
RC = 0,0001 F × 10 000 Ω = 1 sekund
Seejärel kasutades laadimiskondensaatori valemit ja lahendades aegat:
V_ {kondensaator} = V_ {allikas} (1-e ^ {t / RC}) \ uus rida 20 V = 30 V (1-e ^ {t / 1}) \ uus rida 2/3 = 1-e ^ t \ uus rida 1/3 = e ^ t \ uus rida ln (1/3) = ln (e ^ t) \ uus rida 1,1 sekundit = t
Kondensaatorid vs. Patareid
Kondensaatorid ja akud võivad tunduda sarnased, kuna mõlemad on võimelised elektroonilist laengut salvestama ja vabastama. Kuid neil on mitu peamist erinevust, mis viivad nende erinevate eeliste ja puudusteni.
Esiteks hoiab kondensaator energiat laetud elektriväljas, aku aga kemikaalides, vabastades selle keemilise reaktsiooni kaudu. Nende materjalide erinevuste tõttu võib aku salvestada rohkem energiat kui sama suurusega kondensaator.
Kuid selle energia vabastamiseks vajalik keemiline reaktsioon on tavaliselt aeglasem kui kondensaatori elektrivälja kaudu laengute eraldumine. Niisiis, kondensaator saab laadida ja tühjendada palju kiiremini kui aku, pakkudes lühikese spurtiga rohkem elektrit. Kondensaator on ka tavaliselt vastupidavam kui aku, muutes selle keskkonnasõbralikumaks.
Kõigil neil põhjustel püüavad insenerid täna suurendada kondensaatorite salvestuspiiranguid ning lühendada akude laadimis- ja tühjenemisaega. Seni kasutatakse seadmeid sageli koos. Näiteks kasutavad kaamera välklamp ja südamestimulaator pikaajalise energia tarnimiseks nii akut kui ka kondensaatoritjatoimetage see kiirete pursketena suurema pinge korral.
Rakendused
Kondensaatoreid kasutatakse ahelates sageli pingemuutuste silumiseks või vahendamiseks, mida seade muidu kogeks. Näiteks tuleb enamik koju tarnitud energiast vahelduvvoolu (AC) toiteallikat, mis tagab "aukliku" pinge, kuid siiski vajavad enamik kodumasinaid alalisvoolu (DC) energiat.
Seinas olevad kondensaatorid aitavad nende seadmete signaali vahelduvvoolust alalisvoolu muuta. Sissetulev pinge laadib kondensaatori ja kui see hakkab vahelduma madalama pingega, hakkab kondensaator osa salvestatud energiast tühjendama. See võimaldab teisel pool asuval seadmel jätkata püsivama pinge tekkimist kui ilma kondensaatorita.
Kondensaatorid on kasulikud ka seadmetes, kus võib vaja minna teatud elektrooniliste signaalide sageduste välja filtreerimist, näiteks raadiovõimendi või helisegisti. Näiteks võib vooluahelas olev kondensaator suunata madalsageduslikke ja kõrgsageduslikke helisid kõlari erinevatesse osadesse, nagu näiteks subwoofer või tweeter. Või võib raadio kõlar, mis kasutab sageduste eraldamiseks kondensaatoreid, võimendada mõnda, kuid mitte teisi, tugevdades seeläbi soovitud jaama signaali, milleks raadio on häälestatud.
Integreeritud vooluahelas lahtiühendamine.Kondensaatori üks kõige tavalisemaid kasutusviise on integraallülitus - väike vooluahel plaat, mis sisaldab kõiki elektrilisi komponente, mida kasutatakse suurema osa tarbeelektroonika, näiteks nutitelefonid. Seal toimib kondensaator nagu mingi kilp, mis kaitseb teisi elektroonikakomponente järsu eest pingelangused ja toimivad väikeste, ajutiste toiteallikatena, kui toide hetkega katkeb, sama sageli juhtub.
Sarnaselt sellele, kuidas need aitavad kodumasinatele alalisvoolu anda, muudavad kondensaatorid elektriseadmete puhvri pinge muutusi ahelas; nad "leotavad" lisapinget ja vabastavad omakorda üleliigse pinge, kui toiteallikas hakkab langema.
Integreeritud vooluahelate kondensaatorite lahtihaakimine eemaldab spetsiaalselt pinge kõrgsageduslikud muutused (kuna need suudavad neelata osa neid läbivatest pingemuutustest). Selle tulemuseks on ülejäänud vooluahela komponentide pinge ühtlasem tase nende õigeks tööks vajalikul tasemel.
Kondensaatorid kui andurid.Kuna kondensaatori disain sõltub kasutatavatest materjalidest, millel omakorda on erinevates tingimustes erinevad juhtivad omadused, on kondensaatorid elektrooniliste andurite olulised komponendid.
Näiteks kasutab niiskusandur sellist dielektrilist materjali nagu plast või polümeer, mis muudab niiskuse taseme muutumisel usaldusväärselt oma juhtivust. Seega, lugedes selle dielektriku juhtivuse, järeldab andur suhtelise õhuniiskuse.
Samamoodi kasutavad mõned kütusetaseme andurid, sealhulgas lennukites olevad, andureid kondensaatorite abil, kui palju kütusesse paaki jääb. Nendes seadmetes on kütus ise dielektrik. Kui see langeb piisavalt madalale tasemele, muutub juhtivus ja piloot teavitatakse.
Võib-olla veelgi levinumad on puuteekraaniga seadmetes kasutatavad mahtuvuslikud lülitid. Kui inimese sõrm puudutab ekraani, tühjeneb see väikese koguse laengut, muutes seeläbi seadme juhtivust mõõdetavalt ja konkreetsesse kohta. See seletab ka seda, miks kinnaste kandmine nutitelefonis kerimist segab - kindas olev vill või puuvill on suurepärane isolaator, mis hoiab sõrmede laengud ekraanile hüppamast.