Akárcsak az akkumulátorok lehetővé teszik a hordozható energiatárolást, a kondenzátorok lehetővé teszik az ideiglenes energiatárolást, és számos áramkör kritikus elemei.
Lehetővé teszik nagy mennyiségű töltés elválasztását egymástól és hirtelen energiapattanás útján történő felszabadulást, ilyen eszközökben, például vakukamerákban történő felhasználásra, valamint közvetít más elektronikai folyamatokat, például átalakítást váltóáramú és egyenáramú áramforrások között vagy mágneses mezők töltését és kisütését, ami hasznos a rádió hangolásában állomások.
A kapacitás meghatározása
A kapacitás a nem vezető anyag energiatárolási képességének mértéke azáltal, hogy létrehoz egy töltésválasztást a potenciálkülönbség (feszültség) között. Az anyagnak nem vezetõnek kell lennie, mint az üveg vagy a PVC csõ, mert különben a töltések átáramlanak rajta, és nem képesek elkülönülni.
Matematikailag az objektum kapacitásaCegyenlő a töltés arányávalQfeszültségreV.
C = \ frac {Q} {V}
A kapacitás SI mértékegysége a
Az áramkör bármely részét, amely ily módon választja el a töltést, a-nak nevezzükkondenzátor. Így a fenti egyenletet követve a kondenzátor bármely adott kapacitásaCpotenciálkülönbséggel rendelkező akkumulátorhoz csatlakoztatvaV, tárolja az elektromos töltéstQ.
Párhuzamos lemez kondenzátorok
A kondenzátorok egyik gyakori típusa apárhuzamos lemez kondenzátor. Egy ilyen eszközben két vezető anyagú lemezt (mint egy fém) tartanak, amint a neve is mutatja, egymással párhuzamosan, bizonyos távolságon keresztül. A lemezek között adielektromos anyag, más néven anszigetelőanyag.
Ez nem engedi, hogy a töltések átáramljanak rajta, és így polarizálódhatnak - a benne levő töltések irányítsa át, így az összes pozitívum együtt van az egyik oldalon, az összes negatív pedig a másik oldalon - elektromos jelenlétében terület.
Bárki létrehozhat egy egyszerű párhuzamos lemezkondenzátort, amelynek két lemezét fóliafóliával, a szigetelőként pedig több papírlapdal helyezzük el.
A párhuzamos lemezes kondenzátor kapacitása egy lemez területétől függ, illA; a köztük levő elválasztásd; és a dielektromos állandóκanyag közöttük ily módon:
C = \ dfrac {κε_0A} {d}
Az ε kifejezés0 ("epsilon-naught") azdielektromos állandószabad hely, ami állandó, egyenlő 8,854 × 10-12 farádok méterenként (F / m). A dielektromos állandóκegység nélküli mennyiség, amelyet meg lehet keresni egy táblázatban, például amely ehhez a cikkhez kapcsolódik.
Egyéb kondenzátorok
Nem minden kondenzátortípusra van szükség párhuzamos lemezre. Némelyik hengeres, mint egy koaxiális kábel, vagy gömb alakú, mint egy sejtmembrán (amely végül töltést tart azáltal, hogy pozitív káliumionokat pumpál a sejtből, és negatív kloridionokat).
A koaxiális kábelt széles körben használják video-, hang- és kommunikációs adatok továbbítására. Henger alakú kialakítása több szigetelő dielektromos anyagból áll, amelyek erősen vezető lemezek, gyakran rézek között vannak, mind zselés tekercsként feltekerve.
Ez lehetővé teszi a kábel számára, hogy még gyenge elektromos jeleket is továbbítson, anélkül, hogy nagy távolságokon romlana. Továbbá, mivel a szigetelő és vezető rétegek fel vannak tekerve, koaxiális kábel képes biztosítani ez az energiatárolás viszonylag kis helyen - természetesen kisebb térfogatban, mint a párhuzamos lemezes kondenzátoroknál tud.
RC áramkörök
A kondenzátorok egyik gyakori alkalmazása egy RC áramkörben van, így nevezték el, mert tartalmaz egy ellenállást és egy kondenzátort. Tegyük fel, hogy két áramköri alkatrész párhuzamosan van összekapcsolva, egy kapcsolóval, amely lehetővé teszi az áramkör számára a két lehetséges egyhurok egyikének a csatlakoztatását: feszültségforrás plusz kondenzátor vagy kondenzátor plusz ellenállás.
Amikor a kondenzátor csatlakozik a feszültségforráshoz, az áram áramlik az áramkörben, és elkezd tárolt töltetet felhalmozni. Amikor a kapcsolót megfordítják és a kondenzátort az ellenálláshoz csatlakoztatják, akkor az lemeríti és felmelegíti az ellenállást.
A feszültség vagy potenciálkülönbség a kondenzátoron töltés közben:
V_ {kondenzátor} = V_ {forrás} (1-e ^ {t / RC})
Ahol mindkettőVkondenzátorésVforrásfeszültségek voltban éstaz idő másodpercben. Az időállandóRCaz áramkör ellenállásának és kapacitásának szorzata, ami azt jelenti, hogy minél nagyobb az ellenállás vagy a kondenzátor, annál több időbe telik a töltés vagy kisütés. Egysége is másodpercek alatt.
A fordított folyamatban (kisütéskor) az egyenlet hasonló:
V_ {kondenzátor} = V_ {0} e ^ {- t / RC}
HolV0a kondenzátor kezdeti, feltöltött feszültsége a kisütés megkezdése előtt.
Mivel a töltés felépüléséhez és felszabadulásához idő kell, és ez az idő a tulajdonságaitól függ az áramkör elemei, az RC áramkör sok pontos és pontos elektromos készülékben hasznos időzítés. Néhány általános példa: vakukamerák, pacemakerek és audioszűrők.
Példa számításokra
1. példa: Mekkora a két 0,25 m-es párhuzamos lemezes kondenzátor kapacitása?2 alumínium lemezek, amelyeket 0,1 m választott el teflonnal 20 Celsius fokon?
Tekintettel az egyik lemez területére, az elválasztásra és a dielektromos anyagra, először keresse meg a teflon dielektromos állandóját. 20 Celsius foknál 2,1 (ne feledje, nincs egysége!).
A kapacitás megoldása:
2. példa: Mennyi ideig tart egy 100 µF (10-6 kondenzátor 20 V-ra, ha egy 30 V-os akkumulátorhoz van csatlakoztatva, és 10 kΩ (1000 Ohm) ellenállással van áramkörben?
Kezdje úgy, hogy átalakítja a kapacitást és az ellenállást SI egységeikre, majd kiszámítja az RC időállandóját:
C = 100 uF = 0,0001 F
R = 10 kΩ = 10 000 Ω
RC = 0,0001 F × 10 000 Ω = 1 másodperc
Ezután a töltőkondenzátor képletének felhasználásával és az idő megoldásávalt:
V_ {kondenzátor} = V_ {forrás} (1-e ^ {t / RC}) \ újsor 20 V = 30 V (1-e ^ {t / 1}) \ újsor 2/3 = 1-e ^ t \ újsor 1/3 = e ^ t \ újsor ln (1/3) = ln (e ^ t) \ újsor 1,1 másodperc = t
Kondenzátorok vs. Elemek
A kondenzátorok és az elemek hasonlónak tűnhetnek, mivel mindkettő képes elektronikus töltés tárolására és felszabadítására. De számos kulcsfontosságú különbség van bennük, amelyek különböző előnyökkel és hátrányokkal járnak.
Először is, a kondenzátor egy feltöltött elektromos mezőben tárolja az energiát, míg az akkumulátor vegyi anyagokban tárolja az energiát, kémiai reakció útján szabadítja fel. Ezen anyagkülönbségek miatt az akkumulátor több energiát képes tárolni, mint egy azonos méretű kondenzátor.
Az energia felszabadításához szükséges kémiai reakció azonban általában lassabb, mint a kondenzátor elektromos mezején keresztüli töltések felszabadulása. Tehát a kondenzátor sokkal gyorsabban tud töltődni és kisülni, mint egy akkumulátor, és több villanyt biztosít egy rövid spurt alatt. A kondenzátor jellemzően tartósabb is, mint egy akkumulátor, így környezetbarátabb.
Mindezen okokból kifolyólag a mérnökök ma a kondenzátorok tárolási határainak növelésére, valamint az akkumulátorok töltési és kisütési idejének csökkentésére törekszenek. Addig az eszközöket gyakran együtt használják. Például a fényképezőgép vakuja és a pacemaker egyaránt akkumulátort és kondenzátort használ a tartós energiaellátáshozésgyors sorozatban, nagyobb feszültség mellett szállíthatja.
Alkalmazások
A kondenzátorokat gyakran használják áramkörökben az eszköz által egyébként tapasztalt feszültségváltozások simítására vagy közvetítésére. Például a legtöbb házhoz szállított energia váltakozó áramú (AC) tápfeszültségből származik, amely "göröngyös" feszültséget biztosít, mégis a legtöbb háztartási készülék egyenáramú (DC) energiaellátást igényel.
A falban lévő kondenzátorok segítenek átalakítani a jelet AC-ról DC-re ezekhez az eszközökhöz. A bejövő feszültség feltölti a kondenzátort, és amikor váltakozni kezd egy alacsonyabb feszültséggel, a kondenzátor elkezdi kisütni tárolt energiáját. Ez lehetővé teszi, hogy a másik oldalon lévő eszköz továbbra is állandóbb feszültséget éljen meg, mint a kondenzátor nélkül.
A kondenzátorok olyan készülékekben is hasznosak, ahol előfordulhat, hogy az elektronikus jelek bizonyos frekvenciáit ki kell szűrni, például rádióerősítőt vagy audio keverőt. Például az áramkörben lévő kondenzátor alacsony frekvenciájú és nagy frekvenciájú hangokat irányíthat a hangszóró különböző részeire, például a mélynyomóra vagy a magassugárzóra. Vagy egy rádióhangszóró, amely kondenzátorokat használ a frekvenciák elkülönítéséhez, egyeseket felerősíthet, de másokat nem, ezáltal megerősítve a kívánt állomás jelét, amelyre a rádió hangolt.
Leválasztás integrált áramkörben.A kondenzátor egyik legelterjedtebb felhasználása egy integrált áramkör - a kis áramkör tábla, amely tartalmazza a legtöbb szórakoztató elektronika, pl okostelefonok. Ott a kondenzátor mintegy pajzsként szolgál, és megvédi a többi elektronikus alkatrészt a hirtelen bekövetkezéstől feszültségesés és kicsi, ideiglenes áramforrásként működik, amikor az ellátás pillanatnyilag megszakad, mint gyakran történik.
A háztartási készülékek egyenáramának biztosításához hasonlóan a kondenzátorok puffer feszültségváltozásai az áramkörön kívül eső elektronika számára; "felszívják" az extra feszültséget, és feloldják a túlfeszültségüket, amikor a tápellátás csökkenni kezd.
Az integrált áramkörök kondenzátorainak leválasztása kifejezetten eltávolítja a feszültség nagyfrekvenciás változását (mivel képesek elnyelni a rajtuk áthaladó feszültségváltozás egy részét). Ennek eredményeként az áramkör többi része egyenletesebb feszültségkört tapasztal a megfelelő működésükhöz szükséges szinteken.
Kondenzátorok, mint érzékelők.Mivel a kondenzátor kialakítása a felhasznált anyagokon múlik, amelyek viszont eltérő körülmények között különböző vezetőképességgel rendelkeznek, a kondenzátorok fontos alkatrészek az elektronikus érzékelőkben.
Például egy páratartalom-érzékelő olyan dielektromos anyagot használ, például műanyagot vagy polimert, amely a nedvességszint változásával megbízhatóan változtatja vezetőképességét. Így a dielektromos vezetőképesség kiolvasásával az érzékelő levezeti a relatív páratartalmat.
Hasonlóképpen, néhány üzemanyagszint-érzékelő, beleértve a repülőgépeken lévőket is, kondenzátorokkal állapítja meg, hogy mennyi üzemanyag maradt a tartályban. Ezekben az eszközökben maga az üzemanyag szolgál dielektrikumként. Amint elég alacsony szintre süllyed, a vezetőképesség megváltozik, és a pilótát riasztják.
Talán még gyakoribbak az érintőképernyős eszközökben használt kapacitív kapcsolók. Amikor egy személy ujja megérinti a képernyőt, kis mennyiségű töltést ürít, ezáltal mérhető módon megváltoztatja az eszköz vezetőképességét és pontosan egy adott helyre irányítja. Ez azt is megmagyarázza, hogy a kesztyű viselése miért zavarja az okostelefonon való görgetést - a kesztyűben lévő gyapjú vagy pamut nagyszerű szigetelő, így az ujjak töltése nem ugrik a képernyőre.