Tāpat kā baterijas ļauj pārnēsāt enerģiju, kondensatori ļauj īslaicīgi uzglabāt enerģiju un ir daudzu ķēžu kritiskās sastāvdaļas.
Tie ļauj lielu daudzumu lādiņu atdalīt viens no otra un atbrīvot pēkšņas enerģijas uzliesmojuma laikā, lai tos izmantotu tādās ierīcēs kā zibspuldzes kameras, kā arī lai starpot citus elektronikas procesus, piemēram, pārveidošanu starp maiņstrāvas un līdzstrāvas avotiem vai magnētisko lauku uzlādi un izlādi, kas ir noderīgi radio noskaņošanai stacijās.
Kapacitātes definīcija
Kapacitāte ir nevadoša materiāla spēja uzkrāt enerģiju, izveidojot lādiņa nodalījumu starp potenciālu starpību (spriegumu). Materiālam jābūt nevadošam, piemēram, stiklam vai PVC caurulei, jo pretējā gadījumā lādiņi plūst caur to, nespējot palikt atdalīti.
Matemātiski objekta kapacitāteCir vienāds ar lādiņa attiecībuJlīdz spriegumamV.
C = \ frac {Q} {V}
SI kapacitātes vienība irfarads(F); maksaskulons(C); un sprieguma,volti(V).Elektromagnētiskā pioniera Maikla Faradeja vārdā nosauktais farads ir definēts tā, ka 1 farads ir vienāds ar 1 kolu uz voltu vai 1 F = 1 C / V.
Jebkuru ķēdes daļu, kas šādā veidā atdala lādiņu, sauc par akondensators. Tādējādi, ievērojot iepriekšminēto vienādojumu, jebkura noteiktā kondensatora kapacitāteCsavienots ar akumulatoru ar potenciālo starpībuV, uzglabās elektrisko lādiņuJ.
Paralēli plākšņu kondensatori
Viens izplatīts kondensatora veids ir aparalēlas plāksnes kondensators. Šādā ierīcē divas vadoša materiāla plāksnes (piemēram, metāla) tiek turētas, kā norāda nosaukums, paralēli viena otrai noteiktā attālumā. Starp plāksnēm ir adielektriskais materiāls, ko sauc arī parizolācijas materiāls.
Tas ir kaut kas, kas neļauj caur to plūst lādiņiem un tādējādi var kļūt polarizēts - lādiņi tajā pārorientēt, tāpēc visi pozitīvie ir kopā vienā pusē un visi negatīvi otrā pusē - elektriskā klātbūtnē laukā.
Ikviens var izveidot vienkāršu paralēlu plākšņu kondensatoru, izmantojot divas metāla folijas loksnes kā plāksnes un vairākas papīra loksnes kā izolatoru, kas atrodas starp tām.
Paralēlā plāksnes kondensatora kapacitāte ir atkarīga no vienas plāksnes laukuma vaiA; atšķirība starp tāmd; un dielektriskā konstanteκmateriālu starp tiem šādā veidā:
C = \ dfrac {κε_0A} {d}
Termins ε0 ("epsilon-naught") ircaurlaidībabrīvas vietas, kas ir konstante, kas vienāda ar 8,854 × 10-12 farādes uz metru (F / m). Dielektriskā konstanteκir daudzums bez vienības, kuru var meklēt tabulā, piemēram, uz šo rakstu.
Citi kondensatoru veidi
Ne visiem kondensatoru veidiem ir nepieciešamas paralēlas plāksnes. Daži no tiem ir cilindriski, piemēram, koaksiālais kabelis, vai sfēriski, piemēram, šūnas membrāna (kas galu galā tur lādiņu, izsūknējot pozitīvos kālija jonus no šūnas un negatīvos hlorīda jonus tajā).
Koaksiālais kabelis tiek plaši izmantots video, audio un sakaru datu piegādei. Tās cilindriskais dizains sastāv no vairākiem izolējošu dielektrisko materiālu slāņiem starp spēcīgi vadošām loksnēm, bieži vien vara, visas sarullētas kā želejas rullis.
Tas ļauj kabelim pārvadāt pat vājus elektriskos signālus bez bojājumiem lielos attālumos. Turklāt, tā kā izolācijas un vadošie slāņi ir sarullēti, koaksiālais kabelis spēj nodrošināt šī enerģijas uzkrāšana salīdzinoši nelielā telpā - noteikti mazākā tilpumā nekā paralēlie plākšņu kondensatori var.
RC shēmas
Viens izplatīts kondensatoru pielietojums ir RC ķēdē, tā nosaukts, jo tajā ir rezistors un kondensators. Pieņemsim, ka divi ķēdes komponenti ir savienoti paralēli, ar slēdzi, kas ļauj ķēdei izveidot savienojumu vienā no divām iespējamām atsevišķām cilpām: sprieguma avots plus kondensators vai kondensators plus rezistors.
Kad kondensators ir pievienots sprieguma avotam, ķēdē plūst strāva, un tas sāk veidot uzkrāto lādiņu. Kad slēdzis tiek pagriezts un kondensators ir savienots ar rezistoru, tas izlādēs un sildīs rezistoru.
Spriegums vai potenciālu starpība kondensatorā, kad tas tiek uzlādēts, ir:
V_ {kondensators} = V_ {avots} (1-e ^ {t / RC})
Kur abiVkondensatorsunVavotsir spriegumi voltos untir laiks sekundēs. Laika konstanteRCir ķēdes pretestības un kapacitātes reizinājums, kas nozīmē, ka jo lielāks ir rezistors vai kondensators, jo vairāk laika būs nepieciešams uzlādēt vai izlādēt. Tā vienība ir arī dažu sekunžu laikā.
Reversajā procesā (izlādējot) vienādojums ir līdzīgs:
V_ {kondensators} = V_ {0} e ^ {- t / RC}
KurV0ir kondensatora sākotnējais uzlādētais spriegums, pirms tas sāk izlādēties.
Tā kā lādiņa uzkrāšanās un atbrīvošanās prasa laiku, un šis laiks ir atkarīgs no ķēdes elementi, RC ķēde ir noderīga daudzās elektriskajās ierīcēs, kurām nepieciešama precīza laiks. Daži izplatīti piemēri ir: zibspuldzes kameras, elektrokardiostimulatori un audio filtri.
Aprēķinu piemērs
1. piemērs: Kāda ir paralēlā plāksnes kondensatora, kas izgatavots no diviem 0,25 m, kapacitāte2 alumīnija plāksnes, kas atdalītas ar 0,1 m ar teflonu pie 20 grādiem pēc Celsija?
Ņemot vērā vienas plāksnes laukumu, atdalīšanu un dielektrisko materiālu, vispirms meklējiet teflona dielektrisko konstanti. Pie 20 grādiem pēc Celsija ir 2,1 (atcerieties, ka tajā nav vienību!).
Kapacitātes risināšana:
2. piemērs: Cik ilgs laiks būs vajadzīgs, lai uzlādētu 100 µF (10-6 kondensators līdz 20 V, kad tas ir savienots ar 30 V akumulatoru un ķēdē ar 10 kΩ (1000 omi) rezistoru?
Sāciet, pārveidojot kapacitāti un pretestību to SI vienībām un pēc tam aprēķinot RC laika konstanti:
C = 100 µF = 0,0001 F
R = 10 kΩ = 10 000 Ω
RC = 0,0001 F × 10 000 Ω = 1 sekunde
Pēc tam, izmantojot uzlādes kondensatora formulu un atrisinot laikut:
V_ {kondensators} = V_ {avots} (1-e ^ {t / RC}) \ newline 20 V = 30 V (1-e ^ {t / 1}) \ newline 2/3 = 1-e ^ t \ newline 1/3 = e ^ t \ newline ln (1/3) = ln (e ^ t) \ newline 1.1 sekundes = t
Kondensatori vs. Baterijas
Kondensatori un akumulatori var šķist līdzīgi, jo tie abi spēj uzglabāt un atbrīvot elektronisko uzlādi. Bet viņiem ir vairākas galvenās atšķirības, kuru dēļ viņiem ir dažādas priekšrocības un trūkumi.
Pirmkārt, kondensators uzkrāj enerģiju uzlādētā elektriskā laukā, bet akumulators uzkrāj enerģiju ķimikālijās, atbrīvojot to ķīmiskās reakcijas rezultātā. Šo materiālu atšķirību dēļ akumulators var uzkrāt vairāk enerģijas nekā tāda paša izmēra kondensators.
Tomēr ķīmiskā reakcija, kas nepieciešama šīs enerģijas atbrīvošanai, parasti ir lēnāka nekā lādiņu izdalīšanās caur elektrisko lauku kondensatorā. Tātad, kondensators var uzlādēt un izlādēties daudz ātrāk nekā akumulators, nodrošinot lielāku elektrisko jaudu īsā strūkla laikā. Kondensators parasti ir arī izturīgāks par akumulatoru, padarot to videi draudzīgāku.
Visu šo iemeslu dēļ inženieri šodien vēlas palielināt kondensatoru uzglabāšanas ierobežojumus un samazināt akumulatoru uzlādes un izlādes laiku. Līdz tam ierīces bieži lieto kopā. Piemēram, gan kameras zibspuldze, gan elektrokardiostimulators ilgstošas enerģijas piegādei izmanto akumulatoru un kondensatoruunpiegādājiet to ātri, pie augstāka sprieguma.
Pieteikumi
Kondensatorus bieži izmanto ķēdēs, lai izlīdzinātu vai starpinātu sprieguma izmaiņas, ko ierīce citādi piedzīvotu. Piemēram, lielāko daļu enerģijas, kas tiek piegādāta mājām, nodrošina maiņstrāvas (maiņstrāvas) padeve, kas nodrošina "bedrainu" spriegumu, tomēr lielākajai daļai sadzīves tehnikas ir nepieciešama līdzstrāvas (DC) enerģijas padeve.
Sienas kondensatori palīdz pārveidot signālu no maiņstrāvas līdz līdzstrāvai šīm ierīcēm. Ienākošais spriegums uzlādē kondensatoru, un, kad tas sāk pārmaiņus ar zemāku spriegumu, kondensators sāk izlādēt daļu no tā uzkrāto enerģiju. Tas ļauj ierīcei otrā pusē turpināt pastāvīgāku spriegumu, nekā tas būtu bez kondensatora.
Kondensatori ir noderīgi arī ierīcēs, kurās var būt nepieciešams filtrēt noteiktas elektronisko signālu frekvences, teiksim, radio pastiprinātāju vai audio mikseri. Piemēram, ķēdes kondensators var novirzīt zemfrekvences un augstfrekvences skaņas uz dažādām skaļruņa daļām, piemēram, zemfrekvences skaļruni vai tweeter. Vai arī radio skaļrunis, kas izmanto kondensatorus, lai atdalītu frekvences, var pastiprināt dažus, bet ne citus, tādējādi pastiprinot vēlamās stacijas signālu, uz kuru radio ir noregulēts.
Atvienošana integrētajā shēmā.Viens no visuresošākajiem kondensatora izmantošanas veidiem ir integrētā shēma - mazā ķēde dēlis ar visām elektriskajām sastāvdaļām, ko izmanto, lai darbinātu lielāko daļu sadzīves elektronikas, piemēram, viedtālruņi. Tur kondensators kalpo kā vairogs, aizsargājot citus elektroniskos komponentus no pēkšņas iedarbības sprieguma kritumi un darbojas kā mazi, īslaicīgi enerģijas avoti, ja piegāde tiek īslaicīgi pārtraukta, tik bieži notiek.
Līdzīgi tam, kā tie palīdz nodrošināt līdzstrāvu sadzīves tehnikai, kondensatori bufera sprieguma izmaiņas elektronikai ārpus tām ķēdē; tie "uzsūc" papildu spriegumu un, savukārt, atbrīvo savu lieko spriegumu, kad padeve sāk samazināties.
Kondensatoru atvienošana integrētajās shēmās īpaši novērš augstfrekvences sprieguma izmaiņas (jo tie var absorbēt daļu sprieguma izmaiņu, kas iet caur tiem). Tā rezultātā pārējiem ķēdes komponentiem sprieguma ķīlis ir vienmērīgāks tādā līmenī, kāds vajadzīgs to pareizai darbībai.
Kondensatori kā sensori.Tā kā kondensatora konstrukcija ir atkarīga no izmantotajiem materiāliem, kuriem savukārt dažādos apstākļos ir atšķirīgas vadītspējas īpašības, kondensatori ir svarīgas elektronisko sensoru sastāvdaļas.
Piemēram, mitruma sensors izmanto dielektrisku materiālu, piemēram, plastmasu vai polimēru, kas, mainot mitruma līmeni, droši maina tā vadītspēju. Tādējādi, nolasot vadītspēju visā dielektrikā, sensors secina relatīvo mitrumu.
Tāpat daži degvielas līmeņa sensori, ieskaitot tos, kas atrodas lidmašīnās, izmanto kondensatorus, lai noteiktu, cik daudz degvielas ir palicis tvertnē. Šajās ierīcēs degviela pati par sevi kalpo kā dielektrisks. Kad tas nokrītas līdz pietiekami zemam līmenim, vadītspēja mainās un pilots tiek brīdināts.
Varbūt vēl izplatītāki ir kapacitatīvie slēdži, kurus izmanto skārienekrāna ierīcēs. Kad cilvēka pirksts pieskaras ekrānam, tas izlādē nelielu daudzumu lādiņa, tādējādi izmērāmi mainot ierīces vadītspēju un precīzi norādot konkrētu vietu. Tas arī izskaidro, kāpēc cimdu valkāšana traucē ritināšanu viedtālrunī - vilna vai kokvilna cimdā ir lielisks izolators, kas neļauj lādiņiem pirkstos lēkt uz ekrāna.
