Svet elektroniky bol odrazovým mostíkom, v ktorom bolo potrebné poháňať technológiu. A tento odrazový mostík sa skladá z malých častí, ako je kondenzátor. V tomto kurióznom príspevku sa podrobne dozviete, čo je elektrický kondenzátor ?, Rôzne funkcie, ktoré sa s ním uplatňujú, a jeho veľký význam v rôznych oblastiach.
Kondenzátor
Aby sme začali študovať kondenzátor, najskôr vysvetlíme čo je kondenzátor. Je to pasívna elektrická súčiastka, to znamená, že sama nevyrába elektrickú energiu, schopná uložiť elektrický náboj a neskôr ho uvoľniť. Môžete ho nájsť ako kondenzátor alebo kondenzátor. Náboj, ktorý udržuje vo svojom vnútri, je potenciálny alebo napäťový rozdiel.
Príbeh o počte darcov sa začína v roku 1745, keď si Nemec Ewald Georg von Kleist uvedomil, že je možné uložiť elektrický náboj. Vzniklo to v dôsledku nehody, keď pomocou kábla pripojil elektrostatický generátor k objemu vody, ktorý bol vo sklenenej kanvici alebo fľaši. Keď vytiahol kábel a položil naň ruku.
Neprešiel rok, keď holandský fyzik Pieter van Musschenbroek vynašiel kondenzátor s rovnakými vlastnosťami. Na pamiatku univerzity, kde pracoval, nazval tento kondenzátor „leydenskou fľašou“.
Ako funguje kondenzátor?
Teraz sa pozrime ako funguje kondenzátor y na čo je kondenzátor. Spôsob, akým sa mu darí uchovávať elektrický náboj, je pomocou dvoch dosiek vyrobených z vodivého materiálu, ako je tantal, ktoré sú oddelené nejakým dielektrickým materiálom, napríklad vzduchom.
Pred pokračovaním je dôležité nezamieňať dielektrikum s plne izolačným materiálom. To znamená, že všetky dielektriká sú izolátory, ale to neznamená, že všetky izolátory sú dielektrikum. Dielektrické materiály majú schopnosť stať sa vodivými, keď sú vystavené veľkému elektrickému náboju a porušujú dielektrickú pevnosť. Niektoré z týchto materiálov môžu byť: keramika, papier, vosk, sklo, olej a ďalšie. Plne izolačné materiály sú tie, ktoré bez ohľadu na to, koľko elektrického náboja je vystavené, nebudú vodičom, príkladom je guma.
Teraz budú platne vo vnútri kondenzátora napájané zdrojom energie elektricky nabité v rovnakých častiach, ale s rôznymi znakmi. To znamená, že jeden náboj bude kladný (+ q) a druhý náboj bude mať rovnakú veľkosť, ale so záporným nábojom (-q), pri týchto rovnakých nábojoch, ale rôznych znamienkach, sa nazýva rozdiel v potenciáli alebo napätí.
Vo všeobecnosti sa v kondenzátoroch používa ako dielektrický materiál vzduch, papier, tantal, hliník a keramika, v niektorých kondenzátoroch sa používajú aj určité plasty.
Úložná kapacita, ktorú má kondenzátor alebo kondenzátor, sa vypočíta v jednotke Farad. Rozsah, v ktorom sa nachádza väčšina elektrických kondenzátorov, je od pico (pF) po mikro (uF) Farads. Rovnica na výpočet kapacity kondenzátora je:
C = q/V
Kde:
q = je náboj, ktorý každá platňa ukladá. Jeho jednotkou je Coulomb (C)
V = je rozdiel napätia, napätia alebo potenciálu medzi dvoma listami alebo vodičmi kondenzátorov. Jeho jednotkou sú volty (V)
Ak použijeme tento vzorec, ak predpokladáme hodnoty pre záťaž 1 a pre napätie 1, poskytne nám 1 Farad. Toto je však len príklad, pretože kondenzátor tejto kapacity neexistuje, pretože by bol neuveriteľne veľký. Aby ste mali predstavu, pokryl by priestor 1000 XNUMX m2.
Teraz, ak chceme poznať napätie, ktoré môže kondenzátor uložiť, s vedomím náboja a Faradovho kondenzátora, potom môžeme napätie vyriešiť z predchádzajúcej rovnice:
V = q/C
Nabíjanie a vybíjanie kondenzátora
Jednou z charakteristík kondenzátora je, že jeho vybitie je progresívne a nie okamžité. Kondenzátor má časové obdobie vybíjania. Táto vlastnosť umožňuje kondenzátoru používať aj iné aplikácie, ako sú časovače a filtre v elektrickom obvode.
Keď je kondenzátor úplne nabitý, je to vtedy, keď umožňuje prechod napätia. Keď je napájanie odpojené, kondenzátor začne postupne uvoľňovať napätie smerom k záťaži alebo k prvku, ktorý napätie spotrebúva.
Z dôvodu ochrany kondenzátora je kondenzátoru spravidla predradený odpor. Aj keď má kondenzátor malý vnútorný odpor, je zanedbateľný a ak sa nevenuje ochrana kondenzátoru, môže dôjsť k jeho poškodeniu a dokonca k výbuchu.
Nabíjanie kondenzátora
Aby sme jednoducho vysvetlili správanie kondenzátora pri nabíjaní, použijeme na jeho ilustráciu najpoužívanejší príklad:
Uvažujme o obvode, kde je zdroj energie, ako je batéria, odpor s názvom R1, ktorý je zodpovedný za riadenie toku prúdu, ktorý sa dostane do kondenzátora, aby ho chránil. Tiež prepínač, ktorý umožňuje nabíjanie alebo vybíjanie kondenzátora, a nakoniec odpor nazývaný R2, ktorý bude predstavovať zariadenie, ktoré spotrebúva prúd.
V prvom rade vidíme, ako je spínač usporiadaný tak, aby bol kondenzátor v sérii s napájaním a odporom, mimochodom, musíme zdôrazniť, že tento odpor sa nazýva odpor zaťaženia.
V tomto okamihu sa kondenzátor nabíja riadeným spôsobom vďaka nabíjaciemu odporu. Táto kombinácia rezistora a kondenzátora vám umožňuje nastaviť časovače, ktoré sme už uviedli. Je to spôsobené tým, že odpor bráni voľnému prechodu prúdu, takže prúdeniu okruhu trvá dlhšie, takže potom, čo prejde kondenzátorom, chvíľu trvá, kým sa nabije.
Čas potrebný na nabitie kondenzátora sa dá vypočítať podľa nasledujúcej rovnice:
t1 = 5 x R1 x C
kde:
t1: je čas nabíjania. Jeho jednotka je milisekunda (ja)
R1: je odpor voči zaťaženiu. Jeho jednotka je ohm (Ω).
C: je kapacita kondenzátora. Jeho jednotkou je Farads (F)
Táto rovnica nám umožňuje potvrdiť, že čím vyšší je odpor záťaže a / alebo čím väčšia je kapacita kondenzátora, tým dlhší je čas nabíjania. Čo je možné overiť na nasledujúcom grafe.
Mohlo by vás zaujímať, čo by sa stalo, keby sme nenastavili záťažový odpor. Teoreticky by sa kondenzátor okamžite nabil. Ako sme však už uviedli, toto sa neodporúča, pretože kondenzátory môžu prijímať iba malý prúd. Ak si spomenieme na Ohmov zákon, môžeme vidieť, že:
I = V/R
Kde:
I: je prúd. Jeho jednotkou sú ampéry (A)
V: je napätie. Jeho jednotkou sú volty (V)
A: je to odpor. Jeho jednotkou je Ohm (Ω)
Ak má odpor tendenciu alebo sa rovná 0, znamenalo by to, že prúd by bol prakticky nekonečný alebo prinajmenšom veľmi veľký. Kondenzátor môže podporovať napájanie iba z nižšieho prúdu. Stručne povedané, ak nie je umiestnený žiadny typ záťažového rezistora, kondenzátor nemusí odolávať tomuto prúdu a vyhorí.
Teraz predpokladajme, že kondenzátor je už nabitý, čo sa teda stane? Vráťme sa k Ohmovmu zákonu, pretože napätie stúpa a keďže je hodnota odporu zachovaná, hodnota prúdu má tendenciu k nule.
Ako už vieme, funkciou kondenzátora je ukladať napätie alebo napätie. To znamená, že keď sa kondenzátor nabíja, v tomto mieste je vyššie napätie. Pretože odpor nemení svoju hodnotu, prúd má tendenciu k nule. Stručne povedané, akonáhle je kondenzátor nabitý, správa sa ako otvorený obvod alebo spínač, ktorý bráni prechodu prúdu, aj keď v tom mieste bude napätie alebo napätie.
Vybitie kondenzátora
Teraz si predstavme inverzný prípad. V okamihu, keď spínač zmení polohu a kondenzátor je zaradený do série s odporom R2, kondenzátor sa začne vybíjať. Prečo? No, pretože odpor R2 predstavuje spotrebu obvodu a tento odpor bude potrebné napájať, keď je obvod, v ktorom je uzavretý. Toto napájanie bude zabezpečené kondenzátorom, čím sa vybije potenciálny rozdiel, ktorý uložil.
Rovnako ako pri nakladaní, vykladanie nie je okamžité, ale postupne. A rovnako ako pri nabíjaní, rovnica pre odhad času vybitia je rovnaká. To znamená, že čas potrebný na vybitie kondenzátora závisí od odporu R2 a kapacity kondenzátora. Podobne tu znova aktualizujeme rovnicu:
t1 = 5 x R1 x C
kde:
t2: je čas nabíjania. Jeho jednotka je milisekunda (ms)
R2: je odpor voči zaťaženiu. Jeho jednotka je ohm (Ω).
C: je kapacita kondenzátora. Jeho jednotkou je Farads (F)
Tento typ obvodu môže ovládať napríklad čas zapnutia zariadenia.
Kondenzátor ako filter
Ďalšou aplikáciou, pre ktorú sa kondenzátory často používajú, je filter. Je to možné vďaka jeho charakteristike postupného nabíjania a vybíjania a tento jav sa používa na čistenie nečistôt zo signálov alebo elektrických vĺn.
Ak vezmeme počiatočný obvod ako príklad, ale v tomto prípade s napájaním striedavým prúdom. Kondenzátor sa začne nabíjať, kým nedosiahne maximálnu úložnú kapacitu, potom tok prúdu prestane a záťaž začne byť napájaná napätím, ktoré v kondenzátore existuje. Akonáhle sa kondenzátor začne vybíjať, napájací zdroj pokračuje v nabíjaní kondenzátora bez toho, aby čakal, kým sa úplne vybije.
Vizuálne je to jednoduchšie pochopiť:
Ako je vidieť, vlna striedavého zdroja je sínusová a vďaka vlastnosti kondenzátora je možné vlnu usmerniť v priamom napájaní. To je veľmi užitočné pre napájacie zdroje, ktoré používajú napríklad počítače. Mnoho zariadení nemôže pracovať so striedavým prúdom, ale s jednosmerným prúdom, a vtedy vstupujú zdroje energie ako sprostredkovateľ. Na dosiahnutie tohto cieľa majú tieto napájacie zdroje samozrejme oveľa viac komponentov.
Druhy kondenzátorov
Kondenzátory alebo kondenzátory môžu mať rôzne klasifikácie. Ďalej začneme klasifikáciou kondenzátorov podľa ich typu dielektrika:
Vďaka svojmu dielektriku
Kondenzátory sú klasifikované podľa dielektrika, ktoré majú. Existujú takzvané elektrolytické kondenzátory, sú to tie, ktoré majú polaritu, to znamená, že majú kladný pól alebo „nohu“ a záporný pól. Ak sú spojené s opačnou polaritou, kondenzátor sa poškodí.
Tieto elektrolytické kondenzátory, na rozdiel od iných kondenzátorov, spočívajú v tom, že používajú vodivú iónovú kvapalinu. Táto kvapalina je chemický roztok, ktorý sa bežne skladá z kyseliny boritej alebo boritanu sodného s etylénglykolovými cukrami. Táto kvapalina vstupuje ako náhrada za jednu z vodivých dosiek alebo listov kondenzátora.
Na rozdiel od elektrolytických kondenzátorov, kondenzátory, ktorých dielektrikom je vzduch, keramika, papier alebo iné, nemajú nastavenú polaritu. Navyše majú vo vnútri dve platne a žiadnu vnútornú tekutinu.
Oba typy kondenzátorov majú svoje aplikácie, takže nebolo možné navzájom nahradiť kondenzátory, aj keď majú odlišné dielektrikum.
Stručne povedané, existujú kondenzátory:
- Elektrolytický
- Keramika
- Z papiera
- Zo vzduchu
- Variabilný kondenzátor
Pevné alebo variabilné
Rovnako ako odpory existujú kondenzátory s pevnou kapacitou a tiež kondenzátory, ktorých kapacita sa môže líšiť. To sa dosiahne úpravou medzery medzi ich doskami pomocou gombíka, ako je potenciometer alebo variabilný odpor.
Podľa jeho tvaru
Kondenzátory sa môžu líšiť vo svojom prevedení, existujú kotúčové, perličkové a rúrkové kondenzátory, ako je znázornené nižšie.
Kód kondenzátorov
Existuje niekoľko kondenzátorov, ktoré udávajú hodnotu svojej kapacity pomocou tabuľky farieb, veľmi podobnej kapacite používanej odpormi.
Kód farby
Prvá farba označuje hodnotu prvého, druhá hodnoty druhého obrázku, tretia je exponent, ktorý zvýši na 10, to znamená, že 10 sa zvýši na číslo, ktoré predstavuje tretia farba. Štvrtá farba označuje percento variácií, to znamená, že to môže byť napríklad o 10% viac alebo 10% k hodnote, ktorá označuje kapacitu. Nakoniec piata farba označuje nabíjacie napätie alebo napätie. Všetky tieto kondenzátory majú picofarady na jednotku.
Hodnota farieb je v komerčnej tabuľke, ktorá je nasledovná:
Japonský kód
Existuje ďalší typ kódu na identifikáciu kapacity kondenzátora - typ kódu, ktorý sa nazýva japonský kód alebo kód 101. Tento kód pozostáva z troch čísel, ktoré sú na kondenzátore viditeľné.
Prvé dve číslice tvoria číslo, ktoré je potrebné vynásobiť číslom 10 zvýšeným na tretie číslo, pričom pikofarad zostáva ako jednotka. Napríklad:
Tento kondenzátor má podľa kódu čísla 104. Spôsob výpočtu kapacity tohto kondenzátora je nasledujúci:
10 10 X4 = 100000 0,1 pF = XNUMX uF
Alfanumerický kód
Existuje ďalší kód na identifikáciu materiálu a kapacity kondenzátora, ktorý používa kombináciu písmen a číslic. Existuje mnoho spôsobov, ako prezentovať tento kód, ktoré kombinujú čísla a písmena, a sú natoľko rozmanité, že sa ich učenie skutočne neoplatí učiť, a preto sa odporúča radšej si pozrieť technický list výrobcu.
Kondenzátory v sérii a paralelne
Rovnako ako odpory, poloha kondenzátorov v sérii alebo paralelne generuje správanie v celkovej kapacite. Začnime sa pozrieť na jav, ktorý sa stane, keď sú kondenzátory v sérii.
Kondenzátory v sérii
Keď sú kondenzátory v sérii, kapacita každého kondenzátora funguje nasledovne:
Vzniká rovnica:
Vt = V1 + V2
Kde:
Vt: celkové napätie
V1: napätie prvého kondenzátora
V2: napätie druhého kondenzátora
Vráťme sa k rovnici na výpočet kapacity kondenzátora:
C = q/V
Kde:
q = je náboj, ktorý každá platňa ukladá. Jeho jednotkou je Coulomb (C)
V = je rozdiel napätia, napätia alebo potenciálu medzi dvoma listami alebo vodičmi kondenzátorov. Jeho jednotkou sú volty (V)
A že bolo možné vyčistiť V nasledujúcim spôsobom:
V = q/C
Teraz, ak nahradíme každý V každého kondenzátora v obvode predchádzajúcim výrazom, dostaneme to;
1 / C = 1 / C1 + 1 / C2 + 1 / C3… 1 / Cn
Paralelné kondenzátory
V tomto prípade, pretože kondenzátory sú paralelné, napätie, ktoré každý kondenzátor prijíma, je rovnaké ako napätie v napájacom zdroji, takže musíme:
Vt = V1 = V2 = V3… Vn
kde
Vt: je celkové alebo zdrojové napätie
V1: Napätie prvého kondenzátora
V2. Napätie druhého kondenzátora
V3: Napätie tretieho kondenzátora
Opäť, ak sa vrátime k výrazu, ktorý nám umožňuje odhadnúť hodnotu napätia podľa zaťaženia a hodnoty kapacity:
V = q/C
Pokračujeme v nahradení každého V každého kondenzátora obvodu predchádzajúcim výrazom, získame, že:
C = C1 + C2 + C3 ... + Cn
Použitie kondenzátora
Kondenzátor je jednou z najzákladnejších súčiastok elektroniky. Je takmer nemožné spomenúť zariadenie, ktoré vo svojom dizajne nevyžaduje kondenzátory. Ďalej spomenieme niektoré z najbežnejších aplikácií, kde sa nachádza kondenzátor.
- Batérie a pamäte: Vďaka svojej úložnej kapacite je možné paralelne umiestniť niekoľko kondenzátorov na zvýšenie kapacity nabíjania.
- filtre: Sú široko používané v elektrických sieťach, pretože môžu eliminovať zvlnenie a šum zo siete alebo v opačnom prípade, takže harmonické vlny generované vnútornými elektrickými sieťami sú filtrované pred návratom do siete. V telekomunikáciách sa jeho filtračná kapacita široko používa na vytváranie frekvenčných pásiem a tiež na zníženie alebo odstránenie rušenia.
- Zdroje energie: Jeho postupné správanie pri nabíjaní a vybíjaní umožňuje usmernenie vĺn, ktoré je nevyhnutné v napájacích zdrojoch na transformáciu striedavých prúdov na jednosmerné prúdy, pretože väčšina elektronických zariadení pracuje interne s jednosmerným prúdom, ale elektrická služba funguje so striedavým prúdom. Preto sú zdroje energie nevyhnutné na prevádzku zariadení a medzi komponentmi, ktoré ho tvoria, má kondenzátor nenahraditeľnú úlohu.
- Impedančné adaptéry: Kondenzátory môžu vybíjať a nabíjať energiu v prakticky zanedbateľných časových obdobiach, čo umožňuje, aby rezistivita rezonovala spolu s inými komponentmi, takže je možné spojiť alebo pracovať dva obvody s rôznymi impedanciami.
Toto je však len niekoľko z jeho niekoľkých použití, ktoré môžeme spomenúť. Kondenzátory majú uplatnenie v elektronike, veľkých elektrických sieťach, telekomunikáciách a ďalších. Z našich počítačov, mobilných telefónov, chladničiek, digitálnych hodín, televízorov a mnohých ďalších vynálezov majú vnútri kondenzátory ako podstatnú súčasť sady, ktorá vytvára alebo oživuje zariadenia alebo zariadenia.
Závery
Aplikácie, ktoré má dnes elektronika, sú v našom každodennom živote také dôležité, že je prakticky nemysliteľné prežiť vo svete, kde už neexistuje. A tento obrovský svet pokročilých technológií začína v tých najskromnejších základoch, rovnako ako všetky súčasti, ktoré sú súčasťou elektroniky.
To je prípad kondenzátora, súčiastky vyrobenej z veľmi jednoduchých materiálov, ktorá z neho robí jednu zo základných súčastí elektroniky, ale vďaka svojmu správaniu je nemožné, že sa nenachádza vo všetkých existujúcich elektronických zariadeniach .
Rozvoj elektroniky bol bezpochyby zásadným faktorom, ktorý pripravil cestu pre rozvoj technológií v rôznych odboroch. A aj keď samotný kondenzátor nie je veľmi užitočný v kombinácii s inými komponentmi, sofistikované vybavenie ako napr Pamäťové karty RAMpočítače, roboty, drony, mobilné telefóny, servidores a oveľa viac.