Kapasitor: tujuan, peranti, prinsip operasi

Di semua peranti radio dan elektronik, kecuali transistor dan mikrosirkuit, kapasitor digunakan. Di sesetengah litar terdapat lebih banyak daripada mereka, di lain-lain yang kurang, tetapi ada praktikal tiada litar elektronik tanpa kapasitor.

Dalam kes ini, kapasitor boleh melakukan pelbagai tugas dalam peranti. Pertama sekali, ini adalah bekas dalam penapis penerus dan penstabil. Dengan bantuan kapasitor, isyarat dihantar antara tahap penguat, penapis frekuensi rendah dan tinggi dibina, selang masa dalam penangguhan masa ditetapkan, dan kekerapan ayunan dalam pelbagai penjana dipilih.

Kapasitor membawa dari bank leidenyang pada pertengahan abad ke-18 digunakan dalam percubaan mereka oleh saintis Belanda, Peter van Mushenbrook. Dia tinggal di bandar Leiden, jadi mudah untuk menebak mengapa bank ini dipanggil.

Sebenarnya, ini adalah balang kaca biasa, yang diletakkan di dalam dan di luar dengan kerajang timah - staniol. Ia digunakan untuk tujuan yang sama seperti aluminium moden, tetapi kemudian aluminium belum dibuka.

Satu-satunya sumber elektrik pada masa itu ialah mesin electrophore, mampu menghasilkan voltan sehingga beberapa ratus kilovolt. Ia adalah dari dia bahawa mereka mengenakan botol Leyden. Dalam buku teks fizik, satu kes disebutkan ketika Mushenbrook melepaskan kastilnya melalui rantai sepuluh pengawal yang memegang tangan.

Pada masa itu, tiada siapa yang tahu bahawa akibatnya boleh menjadi tragis. Pukulan ternyata agak sensitif, tetapi tidak membawa maut. Ia tidak datang kepada ini, kerana kapasiti baldi Leyden tidak penting, dorongan itu ternyata sangat singkat, jadi kuasa pelepasan kecil.

Bagaimana kapasitor

Peranti kapasitor tidak praktikal tidak berbeza dari balang Leyden: semua dua plat yang sama, dipisahkan oleh dielektrik. Ini adalah bagaimana kapasitor digambarkan pada litar elektrik moden. Rajah 1 menunjukkan struktur skematik kapasitor rata dan formula untuk pengiraannya.

Rajah 1. Peranti kapasitor rata

Di sini S adalah plat kawasan dalam meter persegi, d adalah jarak antara plat dalam meter, C ialah kapasitans dalam farads, ε adalah pemalar dielektrik medium. Semua nilai yang dimasukkan dalam formula ditunjukkan dalam sistem SI. Formula ini sah untuk kapasitor rata yang paling mudah: anda boleh meletakkan dua plat logam di sebelahnya, dari mana kesimpulannya diambil. Udara boleh berfungsi sebagai dielektrik.

Daripada formula ini, dapat difahami bahawa kapasitansi kapasitor lebih besar, semakin besar kawasan plat dan semakin kecil jarak di antara mereka. Untuk kapasitor dengan geometri yang berbeza, formula mungkin berbeza, sebagai contoh, untuk kapasitansi konduktor tunggal atau kabel elektrik. Tetapi pergantungan kapasitans di kawasan plat dan jarak di antara mereka adalah sama dengan kapasitor rata: semakin besar kawasan dan jarak yang lebih kecil, semakin besar kapasitansinya.

Malah, plat tidak selalu dibuat rata. Bagi banyak kapasitor, sebagai contoh, kertas, plat aluminium dilancarkan bersama-sama dengan kertas dielektrik dalam bola yang ketat, dalam bentuk kes logam.

Untuk meningkatkan kekuatan elektrik, kertas kapasitor nipis dilembutkan dengan komposisi penebat, paling sering minyak pengubah. Reka bentuk ini membolehkan anda membuat kapasitor dengan kapasiti sehingga beberapa ratus mikrofarad. Kapasitor dengan dielektrik lain disusun sama.

Formula ini tidak mengandungi apa-apa sekatan ke atas kawasan plat S dan jarak antara plat d.Jika kita mengandaikan bahawa plat boleh tersebar jauh, dan pada masa yang sama membuat kawasan plat kurang penting, maka sesetengah keupayaan, walaupun kecil, akan tetap kekal. Alasan ini menunjukkan bahawa walaupun hanya dua konduktor yang terletak di kawasan kejiranan itu mempunyai kapasitansi elektrik.

Keadaan ini digunakan secara meluas dalam teknologi frekuensi tinggi: dalam beberapa kes, kapasitor dibuat hanya dalam bentuk trek litar bercetak, atau bahkan dua wayar yang dipintal bersama dalam penebat polietilena. Mono dawai atau kabel biasa juga mempunyai kapasiti, dan dengan peningkatan panjang ia meningkat.

Sebagai tambahan kepada kapasitansi C, sebarang kabel juga mempunyai rintangan. Kedua-dua sifat fizikal ini diedarkan di sepanjang panjang kabel, dan apabila menghantar isyarat berdenyut, mereka berfungsi sebagai rantaian RC yang menyepadukan, ditunjukkan dalam Rajah 2.

Rajah 2

Dalam gambar itu, semuanya adalah mudah: di sini adalah litar, di sinilah isyarat input, tetapi di sini ia berada pada output. Dorongan itu terdistorsi di luar pengiktirafan, tetapi ini dilakukan dengan tujuan, yang mana litar itu dipasang. Sementara itu, kita bercakap tentang kesan kapasitans kabel pada isyarat nadi. Daripada gerak hati, "bel" semacam itu akan muncul di hujung kabel yang lain, dan jika impuls itu pendek, maka ia tidak akan sampai ke ujung kabel yang lain, semuanya hilang.

Fakta sejarah

Di sini agak sesuai untuk mengingati kisah bagaimana kabel transatlantik diletakkan. Percubaan pertama pada 1857 gagal: titik telegraf - sengkang (denyutan persegi panjang) diputarbelitkan supaya tidak ada yang dapat dibongkar di ujung jalur 4000 km.

Percubaan kedua dibuat pada tahun 1865. Pada masa ini, ahli fizik Inggeris W. Thompson telah mengembangkan teori penghantaran data ke atas garis panjang. Berdasarkan teori ini, peralihan kabel ternyata menjadi lebih berjaya, dan kami dapat menerima isyarat.

Untuk karya saintifik ini, Ratu Victoria memberikan saintis keahlian dan gelaran Lord Kelvin. Itulah nama bandar kecil di pantai Ireland, di mana kabel peletakan bermula. Tetapi ini hanya satu perkataan, dan sekarang kita kembali kepada huruf terakhir dalam formula, iaitu, kepada pemalar dielektrik medium ε.

Sedikit tentang dielektrik

Ini ε adalah dalam penyebut formula, oleh itu, peningkatannya akan melibatkan peningkatan kapasiti. Bagi kebanyakan dielektrik yang digunakan, seperti udara, lavsan, polietilena, fluoroplastik, pemalar ini hampir sama dengan vakum. Tetapi pada masa yang sama, terdapat banyak bahan yang pemalar dielektriknya jauh lebih tinggi. Jika pemeluwap udara dipenuhi dengan aseton atau alkohol, maka kapasitinya akan meningkat setiap ... 20.

Tetapi bahan-bahan sedemikian, sebagai tambahan kepada tinggi ε, juga mempunyai kekonduksian yang cukup tinggi, oleh itu kapasitor tidak akan memegang cas dengan baik, ia akan dengan cepat melepaskan melalui dirinya sendiri. Fenomena yang berbahaya ini disebut semasa kebocoran. Oleh itu, bahan khas sedang dibangunkan untuk dielektrik yang, dengan kapasitans kapasitif spesifik yang tinggi, memberikan arus kebocoran yang boleh diterima. Ini menerangkan kepelbagaian jenis dan jenis kapasitor, masing-masing direka untuk keadaan tertentu.

Kapasitor elektrolitik

Kapasiti spesifik yang terbesar (nisbah kapasiti / kelantangan) kapasitor elektrolitik. Kapasiti "elektrolit" mencapai sehingga 100,000 mikrofar, dan voltan operasi sehingga 600V. Kapasitor sedemikian berfungsi dengan baik hanya pada frekuensi yang rendah, paling sering dalam penapis bekalan kuasa. Kapasitor elektrolitik dihidupkan dalam polariti.

Elektrod dalam kapasitor itu adalah filem tipis oksida logam, sehingga kapasitor ini sering dipanggil oksida. Lapisan udara nipis antara elektrod tersebut bukan penebat yang sangat boleh dipercayai, oleh itu, lapisan elektrolit diperkenalkan di antara plat oksida. Selalunya ini adalah penyelesaian asid atau alkali.

Rajah 3 menunjukkan salah satu kapasitor ini.

Rajah 3. Kapasitor elektrolitik

Untuk menilai saiz kapasitor, kotak padanan ringkas difoto di sebelahnya. Sebagai tambahan kepada kapasiti yang cukup besar dalam angka itu, anda juga boleh melihat toleransi peratusan: tidak kurang daripada 70% nominal.

Pada masa-masa ketika komputer adalah besar dan dipanggil komputer, kapasitor seperti dalam pemacu (dalam HDD moden). Keupayaan maklumat pemacu sedemikian sekarang hanya boleh menyebabkan senyuman: 5 megabait maklumat disimpan pada dua cakera dengan diameter 350 mm, dan peranti itu sendiri ditimbang 54 kg.

Tujuan utama supercapacitors yang ditunjukkan dalam angka adalah penarikan kepala magnet dari kawasan kerja cakera semasa gangguan kuasa secara tiba-tiba. Kapasitor sedemikian boleh menyimpan caj selama beberapa tahun, yang telah diuji dalam amalan.

Sedikit lebih rendah dengan kapasitor elektrolitik akan ditawarkan untuk melakukan beberapa percubaan mudah untuk memahami apa kapasitor boleh lakukan.

Untuk bekerja dalam litar AC, kapasitor elektrolitik bukan polar dihasilkan, itu hanya untuk mendapatkannya kerana sebab tertentu sangat sukar. Untuk entah bagaimana mendapatkan masalah ini, "elektrolit" polar biasa termasuk balas berurutan: plus-minus-minus-plus.

Jika kapasitor elektrolitik kutub dimasukkan ke dalam litar arus bergantian, maka ia akan mula panas, dan kemudian letupan akan didengar. Kapasitor lama domestik yang bertaburan di semua arah, sementara yang diimport mempunyai peranti khas yang menghindari tembakan yang keras. Ini biasanya merupakan kedudukan silang di bahagian bawah kapasitor, atau lubang dengan penyumbat getah yang terletak di tempat yang sama.

Mereka tidak menyukai kapasitor elektrolitik daripada voltan yang meningkat, walaupun polaritas diperhatikan. Oleh itu, anda tidak boleh meletakkan "elektrolit" dalam litar di mana voltan yang dekat dengan maksimum untuk kapasitor diberikan dijangka.

Kadang-kadang dalam beberapa forum yang terkenal, pemula bertanya: "Kapasitor 470μF * 16V ditunjukkan pada gambar rajah, dan saya mempunyai 470μF * 50V, boleh saya letakkan?" Ya, sudah tentu anda boleh, tetapi pengganti terbalik tidak dapat diterima.

Kapasitor boleh menyimpan tenaga

Untuk menangani kenyataan ini, gambarajah ringkas yang ditunjukkan dalam Rajah 4 akan membantu.

Rajah 4. Litar dengan kapasitor

Protagonis litar ini adalah kapasitor elektrolitik C dengan keupayaan yang cukup besar supaya proses pembuangan pelepasan berjalan dengan perlahan, dan bahkan sangat jelas. Hal ini memungkinkan untuk mematuhi operasi litar visual dengan menggunakan cahaya konvensional dari lampu suluh. Lampu ini telah lama diberikan kepada LED moden, tetapi mentol untuk mereka masih dijual. Oleh itu, sangat mudah untuk memasang litar dan menjalankan eksperimen mudah.

Mungkin seseorang akan berkata: "Kenapa? Lagipun, semuanya sudah jelas, dan walaupun anda membaca huraian ... " Nampaknya tidak ada alasan untuk berdebat di sini, tetapi mana-mana, walaupun perkara yang paling mudah, kekal di kepala untuk masa yang lama jika pemahamannya datang melalui tangan.

Jadi, litar itu dipasang. Bagaimanakah dia bekerja?

Dalam kedudukan suis SA, ditunjukkan dalam rajah, kapasitor C dicasatkan dari sumber kuasa GB melalui perintang R dalam litar: + GB __ R __ SA __ C __ -GB. Semasa pengecasan dalam rajah ditunjukkan oleh anak panah dengan indeks iz. Proses pengecasan kapasitor ditunjukkan dalam Rajah 5.

Rajah 5. Proses Caj Kapasitor

Angka ini menunjukkan bahawa voltan pada kapasitor meningkat sepanjang lengkung, dalam matematik yang disebut eksponen. Caj semasa mengecas voltan cas. Oleh kerana voltan merentasi kapasitor meningkat, arus cas menjadi kurang dan kurang. Dan hanya pada masa awal sesuai dengan formula yang ditunjukkan dalam angka tersebut.

Selepas beberapa lama, kapasitor akan dikenakan dari 0V kepada voltan sumber kuasa, dalam litar kami hingga 4.5V. Seluruh soalannya ialah, bagaimanakah masa untuk menentukan berapa lama menunggu, bilakah caj kapasitor akan dikenakan?

Tau masa malar τ = R * C

Dalam formula ini, rintangan dan kapasitansi perintang dan kapasitor yang disambungkan hanya didarabkan.Jika, tanpa mengabaikan sistem SI, menggantikan rintangan dalam Ohms, kapasitansi di Farads, maka hasilnya akan dalam beberapa saat. Ia adalah masa yang diperlukan untuk kapasitor untuk mengecas sehingga 36.8% daripada voltan sumber kuasa. Sehubungan itu, untuk caj hampir 100%, masa 5 * τ diperlukan.

Selalunya, mengabaikan sistem SI, rintangan dalam Ohms digantikan ke dalam formula, dan kapasitansinya dalam microfarads, maka masa akan berubah dalam mikrodetik. Dalam kes kami, lebih mudah untuk mendapatkan keputusan dalam beberapa saat, yang mana anda hanya perlu mengalikan mikroseconds dengan satu juta, atau, lebih mudah meletakkan, memindahkan koma enam aksara ke kiri.

Bagi litar yang ditunjukkan dalam Rajah 4, dengan kapasitor 2000 μF dan rintangan perintang 500 Ω, pemalar masa akan τ = R * C = 500 * 2000 = 1,000,000 mikrosecond atau tepat satu saat. Oleh itu, anda perlu menunggu kira-kira 5 saat sehingga kapasitor dikenakan sepenuhnya.

Jika, selepas masa yang ditetapkan telah berlalu, saklar SA dihidupkan ke kedudukan yang betul, maka kapasitor C dilepaskan melalui mentol EL. Pada masa ini, kilat pendek akan berlaku, kapasitor akan melepaskan dan cahaya akan keluar. Arah pelepasan kapasitor ditunjukkan oleh anak panah dengan indeks ip. Masa pelepasan juga ditentukan oleh pemalar masa τ. Graf pelepasan ditunjukkan dalam Rajah 6.

Rajah 6. Graf pelepasan kapasitor

Kapasitor tidak lulus arus terus

Untuk mengesahkan kenyataan ini, skema yang lebih mudah, yang ditunjukkan dalam Rajah 7, akan membantu.

Rajah 7. Litar dengan kapasitor dalam litar DC

Sekiranya anda menutup suis SA, maka kilauan lampu kilat akan mengikuti, yang menunjukkan kapasitor C dikenakan melalui mentol. Grafik caj juga ditunjukkan di sini: pada saat suis menutup, arus maksimum, sebagai caj kapasitor, ia berkurang, dan selepas beberapa saat ia berhenti sepenuhnya.

Jika kapasitor mempunyai kualiti yang baik, i.e. dengan kebocoran kecil semasa (pelepasan diri), penutupan berulang suis tidak akan membawa kepada denyar. Untuk mendapatkan kilat lain, kapasitor perlu dilepaskan.

Kapasitor dalam penapis kuasa

Kapasitor biasanya diletakkan selepas penyearah. Selalunya, penerus dibuat separuh gelombang. Litar penerus yang paling biasa ditunjukkan dalam Rajah 8.

Rajah 8. Litar penerus

Penerus gelombang separa juga sering digunakan, sebagai peraturan, dalam kes-kes di mana kuasa beban tidak penting. Kualiti yang paling berharga dari penerus tersebut adalah kesederhanaan: hanya satu diode dan penggubah pengubah.

Untuk penyearah gelombang separuh, kapasitansi penapis penapis boleh dikira dengan formula

C = 1,000,000 * Po / 2 * U * f * dU, di mana C ialah kapasitor μF, Po ialah beban kuasa W, U adalah voltan pada output penerus V, f adalah kekerapan voltan AC Hz, dU adalah amplitud riak V.

Sejumlah besar dalam penomboran 1,000,000 menukarkan kapasitansi kapasitor dari sistem Farads ke microfarads. Kedua dalam penyebut mewakili bilangan separuh tempoh penerus: untuk gelombang setengah di tempatnya, unit akan muncul

C = 1,000,000 * Po / U * f * dU,

dan untuk penerus tiga fasa, formula akan mengambil bentuk C = 1,000,000 * Po / 3 * U * f * dU.

Supercapacitor - Ionistor

Baru-baru ini, kelas kapasitor elektrolitik baru, yang dipanggil ionistor. Dalam sifatnya, ia sama dengan bateri, bagaimanapun, dengan beberapa batasan.

Tuduhan ionistor kepada voltan yang dinilai dalam masa yang singkat, secara literal dalam beberapa minit, jadi disarankan untuk menggunakannya sebagai sumber kuasa sandaran. Sebenarnya, ionistor adalah peranti bukan kutub, satu-satunya perkara yang menentukan polaritinya sedang dicaj di kilang. Agar tidak mengelirukan kekutuban ini pada masa akan datang, ia ditunjukkan oleh tanda +.

Satu peranan penting dimainkan oleh keadaan operasi ionisator. Pada suhu 70˚C pada voltan 0.8 darjah ketahanan dijamin nominal tidak lebih daripada 500 jam.Jika peranti akan beroperasi pada voltan 0.6 dari nominal, dan suhu tidak melebihi 40 darjah, maka operasi yang betul mungkin untuk 40,000 jam atau lebih.

Aplikasi ionistor yang paling biasa adalah sumber kuasa sandaran. Ini adalah terutamanya cip memori atau jam elektronik. Dalam kes ini, parameter utama ionistor adalah arus kebocoran yang rendah, pelepasan diri.

Cukup menjanjikan adalah penggunaan ionistor bersamaan dengan panel solar. Ia juga memberi kesan kepada ketidak-kritikan terhadap keadaan caj dan bilangan kitaran caj yang hampir tidak terhad. Satu lagi harta berharga ialah ionistor adalah bebas penyelenggaraan.

Setakat ini telah ternyata untuk mengetahui bagaimana dan di mana kapasitor elektrolitik bekerja, dan terutamanya dalam litar DC. Pengendalian kapasitor dalam litar AC akan diterangkan dalam artikel lain - Kapasitor untuk pemasangan elektrik AC.

Boris Aladyshkin 

P.S. Kes penggunaan yang menarik untuk kapasitor: kimpalan kapasitor