Świat elektroniki stał się odskocznią, którą technologia musiała być napędzana. A ta odskocznia składa się z małych części, takich jak kondensator. W tym ciekawym poście dowiesz się szczegółowo Co to jest kondensator elektryczny?, Różne funkcje, które są z nim stosowane i jego ogromne znaczenie w różnych obszarach.
Skraplacz
Aby rozpocząć badanie kondensatora, najpierw wyjaśnimy co to jest kondensator. Jest to pasywny element elektryczny, to znaczy sam nie wytwarza energii elektrycznej, jest w stanie magazynować ładunek elektryczny i później go uwalniać. Możesz go znaleźć jako kondensator lub kondensator. Ładunek, który utrzymuje wewnątrz, jest różnicą potencjałów lub napięć.
Historia liczenia darczyńców pojawia się w 1745 roku, kiedy Niemiec Ewald Georg von Kleist zdał sobie sprawę, że można przechowywać ładunek elektryczny. Wynikało to z wypadku, kiedy za pomocą kabla podłączył generator elektrostatyczny do objętości wody, która znajdowała się w szklanym dzbanku lub butelce. Kiedy zdjął kabel i położył na nim rękę.
Nie minął rok, kiedy holenderski fizyk Pieter van Musschenbroek wynalazł kondensator o tych samych właściwościach. Na pamiątkę uniwersytetu, w którym pracował, nazwał ten kondensator „butelką Leyden”.
Jak działa kondensator?
Teraz zobaczmy jak działa kondensator y do czego służy kondensator. Sposób, w jaki udaje mu się przechowywać ładunek elektryczny, polega na użyciu dwóch arkuszy wykonanych z materiału przewodzącego, takiego jak tantal, które są oddzielone jakimś materiałem dielektrycznym, na przykład powietrzem.
Przed kontynuowaniem ważne jest, aby nie pomylić dielektryka z materiałem w pełni izolującym. Oznacza to, że wszystkie dielektryki są izolatorami, ale niekoniecznie wszystkie izolatory są dielektrykami. Materiały dielektryczne mają zdolność przewodzenia po poddaniu dużym ładunkom elektrycznym i łamania wytrzymałości dielektrycznej. Niektóre z tych materiałów to między innymi: ceramika, papier, wosk, szkło, olej. Materiały w pełni izolujące to takie, które bez względu na to, jak dużemu ładunkowi elektrycznemu zostanie poddany, nie będzie to przewodnik, przykładem jest guma.
Teraz płytki wewnątrz kondensatora, zasilane prądem, będą ładowane elektrycznie w równych częściach, ale z różnymi znakami. Oznacza to, że jeden ładunek będzie dodatni (+ q), a drugi ładunek będzie miał tę samą wielkość, ale z ładunkiem ujemnym (-q), przy tych równych ładunkach, ale o różnych znakach, nazywa się to różnicą potencjału lub napięcia.
Ogólnie rzecz biorąc, w kondensatorach jako materiał dielektryczny stosuje się powietrze, papier, tantal, aluminium i ceramikę, a także w niektórych kondensatorach stosuje się pewne tworzywa sztuczne.
Pojemność przechowywania kondensatora lub kondensatora jest obliczana w jednostkach faradów. Zakres, w którym znajduje się większość kondensatorów elektrycznych, wynosi od piko (pF) do mikro (uF) Faradów. Równanie do obliczenia pojemności kondensatora to:
C=q/V
Gdzie:
q = jest ładunkiem, który przechowuje każda płytka. Jej jednostką jest kulomb (C)
V = jest napięciem, napięciem lub różnicą potencjału między dwoma arkuszami lub przewodami kondensatora. Jego jednostką jest wolt (V)
Stosując ten wzór, jeśli przyjmiemy wartości dla obciążenia 1 i napięcia 1, otrzymamy 1 Farada. To jednak tylko przykład, bo kondensator o takiej pojemności nie istnieje, bo byłby niesamowicie duży. Aby uzyskać pomysł, zajęłaby powierzchnię 1000 m²2.
Teraz, jeśli chcemy poznać napięcie, które kondensator może przechowywać, znając ładunek i farady kondensatora, możemy obliczyć napięcie z poprzedniego równania:
V=q/C
Ładowanie i rozładowywanie kondensatora
Jedną z cech kondensatora jest to, że jego rozładowanie jest progresywne, a nie natychmiastowe. Kondensator ma okres rozładowania. Ta właściwość pozwala kondensatorowi na inne zastosowania, takie jak zegary i filtry w obwodzie elektrycznym.
Kiedy kondensator jest w pełni naładowany, wtedy przepuszcza napięcie. Po odłączeniu zasilania kondensator zaczyna stopniowo uwalniać napięcie w kierunku obciążenia lub elementu, który pobiera napięcie.
Generalnie kondensator jest zawsze poprzedzony rezystorem ze względu na ochronę kondensatora. Nawet jeśli kondensator ma małą rezystancję wewnętrzną, jest on znikomy, a jeśli nie zadba się o jego ochronę, może on ulec uszkodzeniu, a nawet wybuchnąć.
Ładowanie kondensatora
Aby w prosty sposób wyjaśnić zachowanie kondensatora podczas ładowania, posłużymy się najczęściej używanym przykładem, aby to zilustrować:
Rozważmy obwód, w którym znajduje się źródło zasilania, takie jak bateria, rezystor o nazwie R1, który jest odpowiedzialny za kontrolowanie przepływu prądu, który dociera do kondensatora w celu jego ochrony. Ponadto przełącznik, który umożliwia ładowanie lub rozładowywanie kondensatora, a na koniec rezystor o nazwie R2, który będzie reprezentował urządzenie pobierające prąd.
W pierwszej kolejności widzimy jak przełącznik jest ułożony tak, aby kondensator był połączony szeregowo z zasilaniem i rezystancją, przy okazji trzeba podkreślić, że rezystancja ta nazywana jest rezystancją obciążenia.
W tym momencie kondensator jest ładowany w sposób kontrolowany dzięki rezystorowi ładującemu. Ta kombinacja rezystora i kondensatora pozwala na ustawienie timerów, o których wspominaliśmy wcześniej. Wynika to z faktu, że rezystancja uniemożliwia swobodny przepływ prądu, więc prąd potrzebuje więcej czasu na przepływ przez obwód, tak że następnie przechodzi przez kondensator, ładowanie zajmuje trochę czasu.
Czas ładowania kondensatora można obliczyć za pomocą następującego równania:
t1 = 5 x R1 x C
Dónde:
t1: to czas ładowania. Jego jednostką są milisekundy (ja)
R1: to rezystancja obciążenia. Jego jednostką są omy (Ω).
C: to pojemność kondensatora. Jego jednostką jest Farad (F)
To równanie pozwala nam stwierdzić, że im wyższa rezystancja obciążenia i/lub im większa pojemność kondensatora, tym dłuższy czas ładowania. Co można zweryfikować na poniższym wykresie.
Można się zastanawiać, co by się stało, gdybyśmy nie włączyli rezystora obciążenia. Teoretycznie kondensator ładuje się natychmiast. Ale, jak wspomnieliśmy wcześniej, nie jest to zalecane, ponieważ kondensatory mogą otrzymywać tylko niewielki prąd. Jeśli pamiętamy prawo Ohma, widzimy, że:
ja = V / R
Gdzie:
Ja: jest prądem. Jego jednostką są ampery (A)
V: to napięcie. Jego jednostką jest wolt (V)
O: to opór. Jego jednostką jest om (Ω)
Jeśli opór ma tendencję do lub jest równy 0, oznaczałoby to, że prąd byłby praktycznie nieskończony lub przynajmniej bardzo duży. Kondensator może obsługiwać tylko zasilanie z niższego prądu. Krótko mówiąc, jeśli nie zostanie umieszczony żaden rodzaj rezystora obciążenia, kondensator może nie wytrzymać tego prądu i ulegnie przepaleniu.
Załóżmy teraz, że kondensator jest już naładowany, więc co się dzieje? Wróćmy do prawa Ohma, gdy napięcie rośnie, a ponieważ wartość rezystancji jest utrzymywana, wartość prądu dąży do zera.
Jak już wiemy, funkcją kondensatora jest przechowywanie napięcia lub napięcia. Oznacza to, że gdy kondensator się ładuje, w tym punkcie występuje wyższe napięcie. Ponieważ rezystancja nie zmienia swojej wartości, prąd dąży do zera. Krótko mówiąc, po naładowaniu kondensator zachowuje się jak obwód otwarty lub jak przełącznik, który zapobiega przepływowi prądu, chociaż w tym punkcie będzie napięcie lub napięcie.
Rozładowanie skraplacza
Teraz przedstawmy przypadek odwrotny. W momencie, gdy przełącznik zmieni położenie, a kondensator zostanie połączony szeregowo z rezystorem R2, kondensator zacznie się rozładowywać. Dlaczego Cóż, ponieważ rezystancja R2 reprezentuje zużycie obwodu, a ta rezystancja będzie wymagała dostarczenia, gdy obwód, w którym jest zamknięty. Zasilanie to zapewni kondensator, rozładowując zmagazynowaną różnicę potencjałów.
Podobnie jak w przypadku ładowania, pobieranie nie jest natychmiastowe, ale stopniowo. Podobnie jak w przypadku ładowania, równanie na szacowanie czasu rozładowania jest takie samo. Oznacza to, że czas potrzebny do rozładowania kondensatora zależy od rezystancji R2 i pojemności kondensatora. Podobnie, tutaj ponownie odświeżamy równanie:
t1 = 5 x R1 x C
Dónde:
t2: to czas ładowania. Jego jednostką są milisekundy (ms)
R2: to rezystancja obciążenia. Jego jednostką są omy (Ω).
C: to pojemność kondensatora. Jego jednostką jest Farad (F)
Ten rodzaj obwodu może sterować na przykład czasem włączenia urządzenia.
Skraplacz jako filtr
Innym zastosowaniem, w którym często stosuje się kondensatory, jest filtrowanie. Jest to możliwe dzięki swojej charakterystyce stopniowego ładowania i rozładowywania, a zjawisko to wykorzystuje się do oczyszczania sygnałów lub fali elektrycznej z zanieczyszczeń.
Jeśli weźmiemy jako przykład obwód początkowy, ale w tym przypadku z zasilaczem prądu przemiennego. Kondensator zacznie się ładować, aż osiągnie swoją maksymalną pojemność magazynową, wtedy przepływ prądu ustanie, a obciążenie zacznie być zasilane napięciem istniejącym w kondensatorze. Gdy tylko kondensator zaczyna się rozładowywać, zasilacz ładuje kondensator, nie czekając na jego całkowite rozładowanie.
Może to być wizualnie łatwiejsze do zrozumienia:
Jak widać, fala zasilania przemiennego jest sinusoidalna i dzięki właściwości kondensatora możliwe jest prostowanie fali przy zasilaniu bezpośrednim. Jest to bardzo przydatne w przypadku zasilaczy używanych np. przez komputery. Wiele urządzeń nie może pracować z prądem zmiennym, ale z prądem stałym i wtedy zasilacze wchodzą jako pośrednie. Oczywiście te zasilacze mają znacznie więcej elementów, aby osiągnąć ten cel.
Rodzaje kondensatorów
Kondensatory lub kondensatory mogą mieć różne klasyfikacje. Następnie zaczniemy od klasyfikacji kondensatorów według ich rodzaju dielektryka:
Ze względu na dielektryk
Kondensatory są klasyfikowane zgodnie z posiadanym dielektrykiem. Są tak zwane kondensatory elektrolityczne, są to takie, które mają biegunowość, czyli mają biegun dodatni lub „nogę” i biegun ujemny. Jeśli zostaną połączone z odwróconą polaryzacją, kondensator ulegnie uszkodzeniu.
Te kondensatory elektrolityczne, w przeciwieństwie do innych kondensatorów, wykorzystują przewodzącą ciecz jonową. Ta ciecz jest roztworem chemicznym, który zwykle składa się z kwasu borowego lub boranu sodu z cukrami glikolu etylenowego. Ciecz ta wchodzi jako substytut jednej z przewodzących płyt lub arkuszy skraplacza.
W przeciwieństwie do kondensatorów elektrolitycznych, kondensatory, których dielektrykiem jest powietrze, ceramika, papier lub inne, nie mają ustawionej polaryzacji. Ponadto mają w środku dwie płytki i brak wewnętrznego płynu.
Oba typy kondensatorów mają swoje zastosowania, więc nie udało się ich zastąpić, mimo że mają różne dielektryki.
Podsumowując, są kondensatory:
- Elektrolityczny
- Ceramika
- Z papieru
- Powietrza
- Zmienny kondensator
Stały lub zmienny
Podobnie jak rezystory, są kondensatory o stałej pojemności, a także kondensatory, których pojemność można zmieniać. Osiąga się to poprzez regulację szczeliny między ich płytkami za pomocą pokrętła, takiego jak potencjometr lub rezystor zmienny.
Zgodnie z jego kształtem
Kondensatory mogą różnić się konstrukcją, istniejącymi kondensatorami dyskowymi, perełkowymi i rurowymi, jak pokazano poniżej.
Kod kondensatorów
Istnieje kilka kondensatorów, które określają swoją pojemność za pomocą tablicy kolorów, bardzo podobnej do tej, którą stosują rezystory.
Kod koloru
Pierwszy kolor wskazuje wartość pierwszego, drugi drugiej liczby, trzeci jest wykładnikiem, który podnosi się do 10, to znaczy, 10 zostanie podniesiony do liczby, którą reprezentuje trzeci kolor. Czwarty kolor wskazuje procent zmienności, czyli może być np. 10% więcej lub 10% od wartości wskazującej pojemność. Wreszcie piąty kolor wskazuje napięcie ładowania lub napięcie. Wszystkie te kondensatory mają pikofarady na jednostkę.
Wartość kolorów znajduje się w tabeli handlowej, która przedstawia się następująco:
japoński kod
Istnieje inny rodzaj kodu identyfikującego pojemność kondensatora, który nazywa się kodem japońskim lub kodem 101. Kod ten składa się z trzech cyfr widocznych na kondensatorze.
Pierwsze dwie cyfry tworzą liczbę, którą należy pomnożyć przez 10 podniesioną do trzeciej liczby, zachowując pikofarad jako jednostkę. Na przykład:
Ten kondensator ma numery kodowe 104. Tak więc sposób obliczenia pojemności tego kondensatora to:
10 X 104 = 100000 0,1 pF = XNUMX uF
Kod alfanumeryczny
Istnieje inny kod do identyfikacji materiału i pojemności kondensatora, który wykorzystuje kombinację liter i cyfr. Jest wiele sposobów na przedstawienie tego kodu, który łączy cyfry i litery, a są one tak różnorodne, że nie warto się ich uczyć, dlatego zamiast tego zaleca się zapoznanie z arkuszem danych producenta.
Kondensatory szeregowo i równolegle
Podobnie jak rezystory, pozycja kondensatorów szeregowo lub równolegle generuje zachowanie całkowitej pojemności. Zacznijmy przyjrzeć się zjawisku, które ma miejsce, gdy kondensatory są połączone szeregowo.
Kondensatory w serii
Gdy kondensatory są połączone szeregowo, pojemność każdego kondensatora działa następująco:
Powstaje równanie:
Vt = V1 + V2
Gdzie:
Vt: całkowite napięcie
V1: napięcie pierwszego kondensatora
V2: napięcie drugiego kondensatora
Wróćmy do równania, aby obliczyć pojemność kondensatora:
C=q/V
Gdzie:
q = jest ładunkiem, który przechowuje każda płytka. Jej jednostką jest kulomb (C)
V = jest napięciem, napięciem lub różnicą potencjału między dwoma arkuszami lub przewodami kondensatora. Jego jednostką jest wolt (V)
I że można było wyczyścić V w następujący sposób:
V=q/C
Teraz, jeśli zastąpimy każde V każdego kondensatora w obwodzie poprzednim wyrażeniem, otrzymamy to;
1 / C = 1 / C1 + 1 / C2 + 1 / C3… 1 / Cn
Kondensatory równoległe
W tym przypadku, ponieważ kondensatory są połączone równolegle, napięcie, które otrzymuje każdy kondensator, jest równe napięciu zasilania, więc musi:
Vt = V1 = V2 = V3… Vn
gdzie
Vt: jest napięciem całkowitym lub źródłowym
V1: napięcie pierwszego kondensatora
V2. Napięcie drugiego kondensatora
V3: napięcie trzeciego kondensatora
Ponownie, jeśli wrócimy do wyrażenia, które pozwala nam oszacować wartość napięcia według wartości obciążenia i pojemności:
V=q/C
I przystępujemy do zastąpienia każdego V każdego kondensatora obwodu poprzednim wyrażeniem, otrzymujemy, że:
C = C1 + C2 + C3… + Cn
Zastosowania skraplacza
Kondensator to jeden z podstawowych elementów elektroniki. Trudno dziś wymienić urządzenie, które nie wymaga kondensatorów w swojej konstrukcji. Następnie wymienimy niektóre z najczęstszych zastosowań, w których znajduje się kondensator.
- Baterie i pamięci: Dzięki pojemności magazynowej możliwe jest umieszczenie kilku kondensatorów równolegle w celu zwiększenia pojemności ładowania.
- Filtry: Są szeroko stosowane w sieciach elektrycznych, ponieważ mogą eliminować tętnienia i szumy z sieci lub w odwrotnym przypadku, dzięki czemu harmoniczne generowane przez wewnętrzne sieci elektryczne są filtrowane przed powrotem do sieci. W telekomunikacji jego zdolność filtrowania jest szeroko wykorzystywana do ustalania pasm częstotliwości, a także do zmniejszania lub eliminowania zakłóceń.
- Źródła energii: Jego stopniowe ładowanie i rozładowywanie umożliwia prostowanie fal, które jest niezbędne w zasilaczach do przekształcania prądów przemiennych w prądy stałe, ponieważ większość urządzeń elektronicznych działa wewnętrznie na prąd stały, ale usługi elektryczne działają z prądem przemiennym. Dlatego źródła zasilania są niezbędne do działania sprzętu, a wśród elementów, które go tworzą, niezastąpioną rolę odgrywa kondensator.
- Adaptery impedancji: Kondensatory mogą rozładowywać i ładować energię w praktycznie nieistotnych okresach czasu, co pozwala rezystancji rezonować razem z innymi elementami, dzięki czemu dwa obwody o różnych impedancjach mogą być połączone lub pracować razem.
To jednak tylko kilka z jego nielicznych zastosowań, o których możemy wspomnieć. Kondensatory mają zastosowanie w elektronice, dużych sieciach elektrycznych, telekomunikacji i innych. W naszych komputerach, telefonach komórkowych, lodówkach, zegarach cyfrowych, telewizorach i wielu innych wynalazkach są one wyposażone w kondensatory jako istotną część zestawu, który tworzy i ożywia urządzenia lub sprzęt.
Wnioski
Zastosowania, jakie dziś ma elektronika, są tak ważne w naszym codziennym życiu, że praktycznie niemożliwe jest przetrwanie w świecie, w którym już jej nie ma. A ten rozległy świat zaawansowanych technologii zaczyna się od swoich najskromniejszych fundamentów, podobnie jak każdy element, który jest częścią elektroniki.
Tak jest w przypadku kondensatora, elementu wykonanego z bardzo prostych materiałów, co czyni go jednym z podstawowych elementów elektroniki, ale to dzięki jego zachowaniu niemożliwe jest, aby nie znalazł się we wszystkich istniejących urządzeniach elektronicznych .
Niewątpliwie postęp elektroniki był fundamentalną siłą napędową, która utorowała drogę postępowi technologii w różnych dyscyplinach. I chociaż sam kondensator nie jest zbyt przydatny w połączeniu z innymi komponentami, wyrafinowany sprzęt, taki jak: Karty pamięci RAMkomputery, roboty, drony, telefony komórkowe, serwery i więcej.