エレクトロニクスの世界は、テクノロジーを推進するための足がかりとなっています。 そして、このスプリングボードはコンデンサーのような小さな部品で構成されています。 この好奇心旺盛な投稿では、電気コンデンサとは何ですか？、それに適用されるさまざまな機能と、さまざまな分野でのその非常に重要なことを詳しく学びます。
コンデンサー
コンデンサの研究を始めるために、最初に説明します コンデンサとは何ですか。 これは受動電気部品です。つまり、それ自体は電気を生成せず、電荷を蓄積し、後で放出することができます。 あなたは彼を次のように見つけることができます コンデンサまたはコンデンサ。 内部に維持される電荷は、電位差または電圧差です。
ドナー数の話は、ドイツのエヴァルトゲオルクフォンクライストが電荷の貯蔵が可能であることに気付いた1745年に起こります。 これは、彼がケーブルを使用してガラスの水差しまたはボトルの中にある大量の水に静電発電機を接続したときの事故の結果として発生しました。 彼がケーブルを外して手を置いたとき。
オランダの物理学者PietervanMusschenbroekが同じ特性のコンデンサを発明したのはXNUMX年も経っていません。 彼が働いた大学を記念して、彼はこのコンデンサーを「レイデンボトル」と呼んだ。
コンデンサはどのように機能しますか？
今見てみましょう コンデンサのしくみ y コンデンサとは。 電荷を蓄える方法は、タンタルなどの導電性材料で作られたXNUMX枚のシートを使用することです。これらのシートは、空気などの誘電体によって分離されています。
続行する前に、誘電体と完全に絶縁された材料を混同しないことが重要です。 つまり、すべての誘電体は絶縁体ですが、必ずしもすべての絶縁体が誘電体になるとは限りません。 誘電体材料は、大きな電荷にさらされると導電性になり、絶縁耐力を破壊する能力があります。 これらの材料には、セラミック、紙、ワックス、ガラス、油などがあります。 完全に絶縁された材料とは、どのくらいの電荷が加えられても、これが導体ではない材料です。例としてはゴムがあります。
これで、電源が供給されているコンデンサ内部のプレートは、等しい部分で異なる符号で帯電します。 これは、一方の電荷が正（+ q）になり、もう一方の電荷が同じ大きさで負の電荷（-q）になることを意味します。これらの等しい電荷では、符号が異なります。これは、電位または電圧の差と呼ばれます。
一般に、コンデンサでは、空気、紙、タンタル、アルミニウム、セラミックが誘電体として使用されます。また、一部のコンデンサでは、特定のプラスチックが使用されます。
コンデンサまたはコンデンサの記憶容量は、ファラッド単位で計算されます。 ほとんどの電気コンデンサが見つかる範囲は、ピコ（pF）からマイクロ（uF）ファラッドです。 コンデンサの容量を計算する式は次のとおりです。
C=q/V
ここで：
q =各プレートが蓄積する電荷です。 その単位はクーロン（C）です
V =は、コンデンサのXNUMXつのシートまたは導体間の電圧、電圧、または電位差です。 その単位はボルト（V）です
この式を適用すると、負荷1と電圧1の値を想定すると、1ファラッドになります。 ただし、この容量のコンデンサは非常に大きいため存在しないため、これは単なる例です。 アイデアを得るには、1000メートルのスペースをカバーします2.
ここで、コンデンサの電荷とファラッドを知ってコンデンサが蓄積できる電圧を知りたい場合は、次の式から電圧を解くことができます。
V=q/C
コンデンサの充電と放電
コンデンサの特徴のXNUMXつは、その放電が進行性であり、即時ではないことです。 コンデンサには放電期間があります。 この特性により、コンデンサは電気回路のタイマーやフィルターなどの他の用途に使用できます。
コンデンサが完全に充電されると、電圧が通過できるようになります。 電源が切断されると、コンデンサは徐々に電圧を負荷または電圧を消費する要素に向けて解放し始めます。
一般に、コンデンサ保護の理由から、コンデンサの前には常に抵抗が付いています。 コンデンサの内部抵抗が小さい場合でも無視できる程度であり、コンデンサの保護に注意を払わないと、コンデンサが損傷したり、爆発したりする可能性があります。
コンデンサチャージ
充電時のコンデンサの動作を簡単に説明するために、最もよく使用される例を使用して説明します。
バッテリーなどの電源、コンデンサーを保護するためにコンデンサーに到達する電流の流れを制御する役割を担うR1という名前の抵抗器がある回路を考えてみましょう。 また、コンデンサの充電または放電を可能にするスイッチ、そして最後に、電流を消費するデバイスを表すR2と呼ばれる抵抗。
そもそも、コンデンサが電源や抵抗と直列になるようにスイッチがどのように配置されているかを見ていきますが、ちなみに、この抵抗は負荷抵抗と呼ばれていることを強調する必要があります。
この時点で、コンデンサは充電抵抗のおかげで制御された方法で充電されています。 この抵抗とコンデンサの組み合わせにより、前述のタイマーを設定できます。 これは、抵抗が電流の自由な通過を妨げるため、電流が回路を通過するのに時間がかかり、コンデンサを通過してから充電に時間がかかるためです。
コンデンサの充電にかかる時間は、次の式を使用して計算できます。
t1 = 5 x R1 x C
どこで：
t1：は充電時間です。 その単位はミリ秒（私）です
R1：は負荷抵抗です。 その単位はオーム（Ω）です。
C：コンデンサの静電容量です。 その単位はファラッド（F）です
この式により、負荷抵抗が高いほど、および/またはコンデンサの静電容量が大きいほど、充電時間が長くなることが確認できます。 これは次のグラフで確認できます。
負荷抵抗を設定しないとどうなるのか不思議に思うかもしれません。 理論的には、コンデンサはすぐに充電されます。 ただし、前述したように、コンデンサは小さな電流しか受け取れないため、これはお勧めできません。 オームの法則を覚えていると、次のことがわかります。
私 = V / R
ここで：
I：現在です。 その単位はアンペア（A）です
V：は電圧です。 その単位はボルト（V）です
A：それは抵抗です。 その単位はオーム（Ω）です
抵抗が0になる傾向があるか、XNUMXに等しい場合、これは、電流が実質的に無限大であるか、少なくとも非常に大きいことを意味します。 コンデンサは、より低い電流からの給電のみをサポートできます。 つまり、負荷抵抗の種類がない場合、コンデンサはその電流に耐えられず、焼損する可能性があります。
ここで、コンデンサがすでに充電されていると仮定しましょう。では、どうなりますか？ オームの法則に戻りましょう。電圧が上昇すると、抵抗の値が維持されるため、電流の値はゼロになる傾向があります。
すでに知っているように、コンデンサの機能は電圧または電圧を保存することです。 これは、コンデンサが充電されると、その時点でより高い電圧が発生することを意味します。 抵抗はその値を変えないので、電流はゼロになる傾向があります。 つまり、コンデンサが充電されると、その時点で電圧または電圧が発生しますが、コンデンサは開回路または電流の通過を防ぐスイッチのように動作します。
コンデンサー放電
次に、逆の場合を示します。 スイッチの位置が変わり、コンデンサが抵抗R2と直列に配置されると、コンデンサは放電を開始します。 なぜですか？そうですね、抵抗R2は回路の消費量を表しており、この抵抗は、それが閉じている回路で供給される必要があるためです。 この電源はコンデンサによって提供され、蓄積された電位差を放電します。
充電と同様に、ダウンロードは即時ではなく、段階的に行われます。 また、充電と同様に、放電時間の推定式は同じです。 これは、コンデンサの放電にかかる時間は、R2の抵抗とコンデンサの静電容量に依存することを意味します。 同様に、ここで方程式を再度更新します。
t1 = 5 x R1 x C
どこで：
t2：充電時間です。 その単位はミリ秒（ms）です
R2：は負荷抵抗です。 その単位はオーム（Ω）です。
C：コンデンサーの静電容量です。 その単位はファラッド（F）です
このタイプの回路は、たとえば、デバイスの電源が入っている時間を制御できます。
フィルターとしてのコンデンサー
コンデンサが頻繁に使用される別のアプリケーションは、フィルタとしてです。 これは、徐々に充電および放電するという特性のおかげで可能であり、この現象は、信号または電波から不純物を除去するために使用されます。
例として最初の回路を取り上げますが、この場合は交流電源を使用します。 コンデンサは、最大ストレージ容量に達するまで充電を開始します。その後、電流の流れが停止し、コンデンサに存在する電圧によって負荷が供給され始めます。 コンデンサが放電を開始するとすぐに、電源はコンデンサが完全に放電するのを待たずにコンデンサの再充電を開始します。
これは視覚的に理解しやすくなります。
ご覧のとおり、交流電源の波は正弦波であり、コンデンサの特性のおかげで、直接電源で波を整流することができます。 これは、コンピュータなどで使用される電源装置に非常に役立ちます。 多くのデバイスは交流では動作できませんが、直流で動作します。それは、電源が仲介として入るときです。 もちろん、これらの電源には、この目標を達成するためにさらに多くのコンポーネントがあります。
コンデンサの種類
コンデンサまたはコンデンサは、さまざまな分類を持つことができます。 次に、誘電体のタイプに従ってコンデンサを分類することから始めます。
その誘電体のため
コンデンサは、それらが持つ誘電体に従って分類されます。 いわゆる電解コンデンサがあります、それらは極性を持っているものです、すなわち、それらは正の端子または「脚」と負の端子を持っています。 極性を逆にして接続すると、コンデンサが破損します。
これらの電解コンデンサは、他のコンデンサとは異なり、導電性のイオン液体を使用します。 この液体は化学溶液であり、通常、ホウ酸またはホウ酸ナトリウムとエチレングリコール糖で構成されています。 この液体は、コンデンサーの導電性プレートまたはシートのXNUMXつの代わりとして入ります。
電解コンデンサとは異なり、誘電体として空気、セラミック、紙などを使用するコンデンサには、極性が設定されていません。 さらに、内部にXNUMXつのプレートがあり、内部に液体はありません。
どちらのタイプのコンデンサにも用途があるため、誘電体が異なっていても、コンデンサを相互に置き換えることはできませんでした。
要約すると、コンデンサーがあります：
- 電解
- セラミック
- 紙の
- 空気の
- 可変コンデンサ
固定または可変
抵抗器と同様に、容量が固定されたコンデンサと、容量を変更できるコンデンサがあります。 これは、ポテンショメータや可変抵抗器などのノブを使用してプレート間のギャップを調整することで実現されます。
その形に応じて
コンデンサーは、それぞれ以下に示すように、設計、既存のディスク、パール、および管状コンデンサーを変えることができます。
コンデンサコード
抵抗器で使用されているものと非常によく似た、カラーテーブルを使用して容量値を示すコンデンサがいくつかあります。
カラーコード
最初の色は最初の値を示し、10番目は10番目の図の値を示し、10番目は10に上がる指数です。つまり、XNUMXはXNUMX番目の色が表す数になります。 XNUMX番目の色は、変動のパーセンテージを示します。つまり、たとえば、容量を示す値に対してXNUMX％多いまたはXNUMX％にすることができます。 最後に、XNUMX番目の色は充電電圧または電圧を示します。 これらのコンデンサはすべて、ユニットあたりのピコファラッドを備えています。
色の価値は、次のような市販の表に記載されています。
日本語コード
コンデンサの静電容量を識別する別のタイプのコードは、日本語コードまたはコード101と呼ばれるタイプのコードです。このコードは、コンデンサに表示されるXNUMXつの数字で構成されています。
最初の10桁は、ピコファラッドをXNUMXつの単位として維持しながら、XNUMX番目の数値にXNUMXを掛ける必要がある数値を形成します。 例えば：
このコンデンサのコード番号は104です。したがって、このコンデンサの容量を計算する方法は次のとおりです。
10 X 104 = 100000 pF = 0,1 uF
英数字コード
文字と数字の組み合わせを使用して、コンデンサの材料と容量を識別する別のコードがあります。 数字と文字を組み合わせたこのコードを提示する方法はたくさんありますが、それらは非常に多様であるため、実際に学ぶ価値はありません。代わりに、製造元のデータセットを参照することをお勧めします。
直列および並列のコンデンサ
抵抗器と同様に、直列または並列のコンデンサの位置は、総静電容量の動作を生成します。 コンデンサが直列に接続されているときに発生する現象を見てみましょう。
シリーズのコンデンサ
コンデンサが直列の場合、各コンデンサの容量は次のように機能します。
方程式が生じます：
Vt = V1 + V2
ここで：
Vt：総電圧
V1：最初のコンデンサの電圧
V2：XNUMX番目のコンデンサの電圧
方程式に戻ってコンデンサの容量を計算しましょう。
C=q/V
ここで：
q =各プレートが蓄積する電荷です。 その単位はクーロン（C）です
V =は、コンデンサのXNUMXつのシートまたは導体間の電圧、電圧、または電位差です。 その単位はボルト（V）です
そして、次の方法でVをクリアすることが可能でした。
V=q/C
ここで、回路内の各コンデンサの各Vを前の式に置き換えると、次のようになります。
1 / C = 1 / C1 + 1 / C2 + 1 / C3…1 / Cn
並列コンデンサ
この場合、コンデンサは並列であるため、各コンデンサが受け取る電圧は電源の電圧と同じであるため、次のことを行う必要があります。
Vt = V1 = V2 = V3…Vn
どこ
Vt：合計またはソース電圧です
V1：最初のコンデンサの電圧
V2。 XNUMX番目のコンデンサ電圧
V3：XNUMX番目のコンデンサの電圧
ここでも、負荷と容量の値に応じて電圧値を推定できる式に戻ると、次のようになります。
V=q/C
そして、回路の各コンデンサの各Vを前の式に置き換えると、次のようになります。
C = C1 + C2 + C3…+ Cn
コンデンサーの使用
コンデンサは、電子機器の最も基本的なコンポーネントのXNUMXつです。 今日、その設計にコンデンサを必要としないデバイスについて言及することはほとんど不可能です。 次に、コンデンサが見つかる最も一般的なアプリケーションのいくつかについて説明します。
- バッテリーと思い出： その記憶容量のおかげで、充電容量を増やすために複数のコンデンサを並列に配置することが可能です。
- フィルター： これらは、ネットワークからリップルとノイズを除去できるため、または逆の場合に電気ネットワークで広く使用されているため、内部電気ネットワークによって生成された高調波は、ネットワークに戻る前にフィルタリングされます。 電気通信では、そのフィルタリング能力は、周波数帯域を確立し、干渉を低減または排除するために広く使用されています。
- 電源： ほとんどの電子機器は内部で直流で動作しますが、電気サービスは交流で動作するため、その段階的な充電および放電動作により、電源で交流を直流に変換するために不可欠な波の整流が可能になります。 そのため、機器の動作には電源が必要であり、それを構成する部品の中でもコンデンサはかけがえのない役割を果たしています。
- インピーダンスアダプター： コンデンサは、実質的に無視できる時間でエネルギーを放電および充電できます。これにより、抵抗率が他のコンポーネントと共振するため、インピーダンスの異なるXNUMXつの回路を結合または連携させることができます。
ただし、これらは、私たちが言及できるいくつかの用途のほんの一部です。 コンデンサは、電子機器、大規模な電気ネットワーク、電気通信などに応用されています。 私たちのコンピューター、携帯電話、冷蔵庫、デジタル時計、テレビ、その他多くの発明から、デバイスや機器を形成し、生命を与えるセットの重要な部分として、内部にコンデンサーがあります。
結論
エレクトロニクスが今日持っているアプリケーションは私たちの日常生活において非常に重要であるため、それがもはや存在しない世界で生き残ることは事実上不可能です。 そして、この広大な先端技術の世界は、エレクトロニクスの一部である各コンポーネントと同様に、最も謙虚な基盤から始まります。
これは、非常に単純な材料で作られた部品であるコンデンサの場合であり、電子機器の基本部品のXNUMXつですが、その動作のおかげで、存在するすべての電子機器に見られるわけではありません。 。
間違いなく、エレクトロニクスの進歩は、さまざまな分野の技術の進歩への道を開いた基本的な推進力でした。 また、コンデンサー自体は他のコンポーネントと組み合わせるとあまり役に立ちませんが、 RAMメモリカード、コンピューター、ロボット、ドローン、携帯電話、 サーバ など。