Net zoals batterijen draagbare energieopslag mogelijk maken, maken condensatoren tijdelijke energieopslag mogelijk en zijn ze kritische componenten van veel circuits.
Ze maken het mogelijk grote hoeveelheden ladingen van elkaar te scheiden en in een plotselinge uitbarsting van energie vrij te geven, voor gebruik in apparaten als flitscamera's, maar ook om bemiddelen bij andere elektronische processen zoals het converteren tussen AC- en DC-stroombronnen of het opladen en ontladen van magnetische velden, wat handig is bij het afstemmen van radio stations.
Definitie van capaciteit
Capaciteit is een maat voor het vermogen van een niet-geleidend materiaal om energie op te slaan door een scheiding van lading te creëren over een potentiaalverschil (spanning). Het materiaal moet niet-geleidend zijn, zoals glas of een PVC-buis, omdat anders de ladingen er doorheen zouden stromen en niet gescheiden kunnen blijven.
Wiskundig gezien de capaciteit van een object objectCis gelijk aan de verhouding van ladingVraagop spanning zettenV.
C=\frac{Q}{V}
De SI-eenheid van capaciteit is defarad(V); gratis, decoulomb(C); en van spanning,volt(V).De farad, genoemd naar elektromagnetismepionier Michael Faraday, is zo gedefinieerd dat 1 farad gelijk is aan 1 columb per volt, of 1 F = 1 C/V.
Elk deel van een circuit dat lading op deze manier scheidt, wordt a. genoemdcondensator. Dus, volgens de bovenstaande vergelijking, elke gegeven capaciteit van een condensatorCaangesloten op een batterij met een potentiaalverschilV, zal elektrische lading opslaan;Vraag.
Parallelle plaatcondensatoren
Een veelvoorkomend type condensator is aparallelle plaatcondensator:. In zo'n apparaat worden twee platen van geleidingsmateriaal (zoals een metaal), zoals de naam al doet vermoeden, over enige afstand parallel aan elkaar gehouden. Tussen de platen is eendiëlektrisch materiaal, ook wel an. genoemdisolatiemateriaal.
Dit is iets waardoor er geen ladingen doorheen kunnen stromen en dus gepolariseerd kan worden - de ladingen erin heroriënteer zodat alle positieven aan de ene kant samen zijn en alle negatieven aan de andere kant - in de aanwezigheid van een elektrische veld.
Iedereen kan een eenvoudige parallelle plaatcondensator maken met twee vellen metaalfolie als platen en verschillende vellen papier als isolator ertussen.
De capaciteit van een parallelle plaatcondensator hangt af van de oppervlakte van één plaat, ofEEN; de scheiding tussen hend; en de diëlektrische constanteκvan het materiaal tussen hen op deze manier:
C = \dfrac{κε_0A}{d}
De term0 ( "epsilon-naught") is depermittiviteitvrije ruimte, wat een constante is gelijk aan 8,854 × 10-12 farads per meter (F/m). De diëlektrische constanteκis een eenheidsloze hoeveelheid die kan worden opgezocht in een tabel, zoals degene die aan dit artikel is gekoppeld.
Andere soorten condensatoren
Niet alle soorten condensatoren hebben parallelle platen nodig. Sommige zijn cilindrisch, zoals een coaxkabel, of bolvormig, zoals een celmembraan (dat uiteindelijk een lading vasthoudt door positieve kaliumionen uit de cel te pompen en negatieve chloride-ionen erin).
Een coaxkabel wordt veel gebruikt om video-, audio- en communicatiegegevens te leveren. Het cilindrische ontwerp bestaat uit verschillende lagen isolerende diëlektrische materialen tussen sterk geleidende vellen, vaak koper, allemaal opgerold als een geleirol.
Hierdoor kan de kabel zelfs zwakke elektrische signalen over lange afstanden dragen zonder degradatie. Bovendien, omdat de isolerende en geleidende lagen zijn opgerold, kan een coaxkabel zorgen voor: deze energieopslag in een relatief kleine ruimte – zeker in een kleiner volume dan parallelle plaatcondensatoren kan.
RC-circuits
Een veel voorkomende toepassing van condensatoren is in een RC-circuit, zo genoemd omdat het een weerstand en een condensator bevat. Stel dat twee circuitcomponenten parallel zijn aangesloten, met een schakelaar waarmee het circuit kan worden aangesloten in een van de twee mogelijke enkele lussen: spanningsbron plus condensator of condensator plus weerstand.
Wanneer de condensator is aangesloten op de spanningsbron, stroomt er stroom in het circuit en begint het een opgeslagen lading op te bouwen. Wanneer de schakelaar wordt omgedraaid en de condensator is aangesloten op de weerstand, zal deze de weerstand ontladen en opwarmen.
De spanning, of het potentiaalverschil, over de condensator tijdens het opladen is:
V_{condensator} = V_{bron}(1-e^{t/RC})
waar beideVcondensatorenVbronzijn spanningen in volt entis tijd in seconden. De tijdconstanteRCis het product van de weerstand en capaciteit van het circuit, wat inhoudt dat hoe groter de weerstand of de condensator, hoe meer tijd het kost om op te laden of te ontladen. De eenheid is ook in seconden.
In het omgekeerde proces (bij het ontladen) is de vergelijking vergelijkbaar:
V_{capacitor} = V_{0}e^{-t/RC}
WaarV0is de initiële, geladen spanning van de condensator voordat deze begint te ontladen.
Omdat de lading tijd nodig heeft om op te bouwen en los te laten, en die tijd hangt af van de eigenschappen van de elementen van het circuit, een RC-circuit is nuttig in veel elektrische apparaten die nauwkeurig moeten worden tijdstip. Enkele veelvoorkomende voorbeelden zijn: flitscamera's, pacemakers en audiofilters.
Voorbeeldberekeningen
Voorbeeld 1: Wat is de capaciteit van een parallelle plaatcondensator gemaakt van twee 0,25 m2 aluminium platen 0,1 m van elkaar gescheiden met Teflon bij 20 graden Celsius?
Gezien de oppervlakte van één plaat, de scheiding en het diëlektrische materiaal, begin met het opzoeken van de diëlektrische constante van Teflon. Bij 20 graden Celsius is het 2,1 (onthoud, het heeft geen eenheden!).
Oplossen voor capaciteit:
Voorbeeld 2: Hoe lang duurt het om een 100 µF (10-6 farads) condensator op 20 V wanneer deze is aangesloten op een 30 V-batterij en in een circuit met een weerstand van 10 kΩ (1.000 Ohm)?
Begin met het converteren van de capaciteit en weerstand naar hun SI-eenheden en bereken vervolgens de RC-tijdconstante:
C = 100 µF = 0,0001 F
R = 10 kΩ = 10.000 Ω
RC = 0,0001 F × 10.000 Ω = 1 seconde
Vervolgens, met behulp van de formule voor een oplaadcondensator en het oplossen van tijdt:
V_{condensator} = V_{bron}(1-e^{t/RC}) \newline 20 V = 30 V(1-e^{t/1}) \newline 2/3 =1-e^t \ nieuwe regel 1/3 = e^t \nieuwe regel ln (1/3) = ln (e^t) \nieuwe regel 1,1 seconden = t
condensatoren vs. Batterijen
Condensatoren en batterijen lijken misschien op elkaar, omdat ze allebei in staat zijn om elektronische lading op te slaan en af te geven. Maar ze hebben verschillende belangrijke verschillen waardoor ze verschillende voor- en nadelen hebben.
Ten eerste slaat een condensator energie op in een geladen elektrisch veld, terwijl een batterij energie opslaat in chemicaliën en deze via een chemische reactie vrijgeeft. Door deze materiaalverschillen kan een batterij meer energie opslaan dan een condensator van dezelfde grootte.
De chemische reactie die nodig is om die energie vrij te geven, is echter meestal langzamer dan het vrijkomen van ladingen door het elektrische veld in een condensator. Een condensator kan dus veel sneller opladen en ontladen dan een batterij, waardoor in een korte spurt meer elektrisch vermogen wordt geleverd. Een condensator is doorgaans ook duurzamer dan een batterij, waardoor hij milieuvriendelijker is.
Om al deze redenen proberen ingenieurs tegenwoordig de opslaglimieten van condensatoren te verhogen en de laad- en ontlaadtijden van batterijen te verkorten. Tot die tijd worden de apparaten vaak samen gebruikt. De flitser van een camera en een pacemaker gebruiken bijvoorbeeld allebei een batterij en een condensator om langdurige energie te leverenenleveren het in snelle bursts bij hogere spanningen.
Toepassingen
Condensatoren worden vaak in circuits gebruikt om de spanningsveranderingen die een apparaat anders zou ervaren, af te vlakken of te bemiddelen. De meeste energie die aan een huis wordt geleverd, wordt bijvoorbeeld geleverd in een wisselstroom (AC) -voeding, die een "hobbelige" spanning levert, maar de meeste huishoudelijke apparaten hebben een gelijkstroomvoorziening (DC) nodig.
Condensatoren in de muur helpen bij het omzetten van het signaal van AC naar DC voor deze apparaten. De inkomende spanning laadt de condensator op en wanneer deze begint af te wisselen naar een lagere spanning, begint de condensator een deel van zijn opgeslagen energie te ontladen. Daardoor kan het apparaat aan de andere kant een constantere spanning blijven ervaren dan zonder de condensator.
Condensatoren zijn ook nuttig in apparaten waar bepaalde frequenties van elektronische signalen mogelijk moeten worden uitgefilterd, bijvoorbeeld een radioversterker of een audiomixer. Een condensator in het circuit kan bijvoorbeeld laagfrequente en hoogfrequente geluiden naar verschillende delen van een luidspreker sturen, zoals de subwoofer of de tweeter. Of een radioluidspreker die condensatoren gebruikt om frequenties te scheiden, kan sommige versterken, maar andere niet, waardoor het signaal van het gewenste station waarop de radio is afgestemd, wordt versterkt.
Ontkoppeling in een geïntegreerde schakeling.Een van de meest alomtegenwoordige toepassingen voor een condensator is in een geïntegreerd circuit - het kleine circuit bord met alle elektrische componenten die worden gebruikt om de meeste consumentenelektronica van stroom te voorzien, zoals: smartphones. Daar dient de condensator als een soort afscherming, die andere elektronische componenten beschermt tegen plotselinge spanningsdalingen en fungeren als kleine, tijdelijke stroombronnen wanneer de voeding even wordt onderbroken, zoals vaak gebeurt.
Net zoals ze helpen bij het leveren van gelijkstroom aan huishoudelijke apparaten, bufferen condensatoren spanningsveranderingen voor elektronica daarbuiten in het circuit; ze "zuigen" extra spanning op en geven op hun beurt hun overtollige spanning af wanneer de voeding begint te dalen.
Ontkoppelcondensatoren in geïntegreerde schakelingen verwijderen specifiek hoogfrequente veranderingen in de spanning (omdat ze een deel van de spanningsverandering die er doorheen gaat kunnen absorberen). Dit resulteert erin dat de rest van de circuitcomponenten een meer gelijkmatige spanning ervaren op de niveaus die nodig zijn voor hun juiste werking.
Condensatoren als sensoren.Omdat het ontwerp van de condensator afhangt van de gebruikte materialen, die op hun beurt verschillende geleidende eigenschappen hebben onder verschillende omstandigheden, zijn condensatoren belangrijke componenten in elektronische sensoren.
Een vochtigheidssensor gebruikt bijvoorbeeld een diëlektrisch materiaal zoals een plastic of polymeer dat zijn geleidbaarheid op betrouwbare wijze verandert bij veranderende vochtigheidsniveaus. Dus door de geleiding over dat diëlektricum te lezen, leidt de sensor de relatieve vochtigheid af.
Evenzo gebruiken sommige brandstofniveausensoren, waaronder die in vliegtuigen, condensatoren om te meten hoeveel brandstof er nog in de tank zit. In deze apparaten dient de brandstof zelf als het diëlektricum. Zodra het daalt tot een voldoende laag niveau, verandert de geleidbaarheid en wordt de piloot gewaarschuwd.
Misschien nog gebruikelijker zijn capacitieve schakelaars die worden gebruikt in touchscreen-apparaten. Wanneer de vinger van een persoon een scherm aanraakt, ontlaadt deze een kleine hoeveelheid lading, waardoor de geleidbaarheid van het apparaat meetbaar verandert en op een specifieke locatie wordt gelokaliseerd. Dit verklaart ook waarom het dragen van handschoenen het scrollen op een smartphone verstoort - de wol of katoen in een handschoen is een geweldige isolator, waardoor de ladingen in de vingers niet naar het scherm springen.
