Kondensaattorin perusteet, toiminta ja erilaiset kondensaattorityypit sekä niiden sovellukset virtapiireissä

Kondensaattorit – sana näyttää viittaavan ajatukseen kapasiteetista, joka sanakirjan mukaan tarkoittaa ’kykyä pitää sisällään jotain’. Juuri tätä kondensaattori tekee – se pitää sisällään sähkövarauksen. Mutta mikä tekee siitä yleisen komponentin lähes kaikissa elektronisissa piireissä? Puretaanpa tässä artikkelissa kondensaattoreiden takana olevat asiat, jotta ymmärretään, mitä se tekee ja miten niitä voisi käyttää.

Mikä on kondensaattori?

Kondensaattori koostuu alkeellisimmassa muodossaan kahdesta johtavasta levystä, jotka on erotettu toisistaan dielektrisellä väliaineella. Termi dielektrinen on vain hieno sana eristeelle, joka voidaan polarisoida eli muodostaa negatiivisia ja positiivisia varauksia vastakkaisille pinnoille. Kun näiden kahden levyn yli kytketään jännite, virta kulkee johtavien levyjen läpi. Toinen puoli varautuu positiivisesti (elektronien puute) ja toinen puoli negatiivisesti (elektronien ylimäärä). Me kaikki tiedämme, että toisistaan poikkeavat varaukset vetävät toisiaan puoleensa, joten koska levyt ovat vastakkaisesti varattuja, levyjen varaukset vetävät toisiaan puoleensa.

Muistakaa, että levyjen välissä on eriste, joten varaukset eivät voi ”virrata” tasaamaan toisiaan, vaan ne ovat (ideaalitilanteessa) juuttuneet keskinäisen vetovoiman tilaan ja pysyvät paikallaan. Ja näin kondensaattorit suorittavat perustoimintonsa – varauksen säilyttämisen tai varastoinnin.

Kondensaattoreiden symboli

Koska kondensaattoreissa on kaksi rinnakkaista metallilevyä, kuten edellä käsiteltiin, niiden symboli tavallaan edustaa samaa. Ainakin se on helppo piirtää

Käytännön tapauksessa kondensaattorit eivät ole enää vain kahta levyä, joiden välissä on rako, vaan alumiinielektrolyyttien tapauksessa kaksi levyä ovat muodoltaan metallikalvoa, joka on rullattu metallifolioksi ja niiden välissä on putkessa välilevy.

Toinen symbolikokonaisuus tarkoittaa polarisoituja kondensaattoreita eli kondensaattoreita, joissa on sisäisesti määritellyt positiivinen ja negatiivinen napa. Näiden napojen kääntäminen vahingossa päinvastaisiksi johtaa lähes varmasti näyttävään vikaantumiseen (varsinkin suuremmissa yksilöissä), jolloin vikaantumiskohdasta sinkoutuu folion ja paperin palasia metrin verran ja useimmiten se haisee erittäin pahalle.

Kondensaattorin kapasitanssi ja jännitearvot

Kondensaattorit mitataan faradeissa; se on nimetty kuuluisan brittiläisen sähkökemistin, Michael Faradayn mukaan. Kapasitanssin yksikkö, joka edustaa Coulombia volttia kohti. Coulomb (lausutaan ’koo-lom’) on varauksen S.I.-yksikkö, ja voltti, kuten tiedämme, on jännitteen tai potentiaalieron yksikkö. Farad on siis varastoidun varauksen määrä potentiaalieron volttia kohti. Tämä yksinkertainen tapa tarkastella kondensaattoria matemaattisesti soveltuu monenlaisiin tulkintoihin, jotka ilmenevät monilla tappavan monimutkaisilla matemaattisilla yhtälöillä, kuten integraaleilla, eksponenteilla ja vektoreilla, joita me insinöörit käytämme työskennellessämme kondensaattoreiden parissa, mikä on jotain, mikä ylittää tämän artikkelin laajuuden. Pääsemme kuitenkin hieman mielenkiintoiseen matematiikkaan, joka auttaa meitä suunnittelemaan piirejä kondensaattoreilla myöhemmin artikkelissa

Farad (yksi Coulomb per voltti) on tietysti hyvin suuri yksikkö useimpiin käytännöllisiin tarkoituksiin (koska Coulomb itsessään on melko suuri varauksen määrä, kuten ehkä jo tiedätkin), joten suurin osa kondensaattoreista (lukuun ottamatta hyvin suuria) mitataan mikrofaradeissa eli Faradin miljoonasosassa (0,000001). Oletetaan, että sinulla on kondensaattori, jonka muovisessa ulkokuoressa lukee 25V 10uF (etuliite ”u” tarkoittaa mikroa, se on muunnos kreikkalaisesta symbolista µ (”mu”), joka tarkoittaa ”mikroa”). Koska korkki (elektroniikkamaailmassa lyhenne kondensaattoreille) on mitoitettu 10uF:lle, se voi pitää sisällään kymmenen mikrocoulombin (eli kymmenen miljoonasosaa Coulombista, 0,000010 C) varauksen per voltin jännite sen napojen yli. Tämä tarkoittaa, että maksimijännitteellä 25V kondensaattori voi pitää sisällään varauksen 25V x 10uF, mikä on 0,000250 Coulombia.

Muistakaa, että sanoin ”maksimijännite”. Maksimijännite on luultavasti kondensaattorin tärkein luokitus. Se kertoo, kuinka paljon jännitettä kondensaattori kestää napojensa yli ennen kuin se menee KABOOM………!

Kondensaattorin toiminta

Kondensaattorin sisällä tapahtuu periaatteessa se, että levyjen välissä oleva eriste käy läpi prosessin nimeltä ”dielektrinen läpilyönti”, mikä tarkoittaa, että eriste ei voi enää eristää, koska eristeen yli oleva jännite on liian korkea, jotta se voisi pysyä eristeenä. Taustalla oleva fysiikka on hieman epäselvää, mutta kaikki mitä sinun tarvitsee tietää ymmärtääksesi, miksi näin tapahtuu, on se, että mikään eriste ei ole täydellinen, eli tiettyyn pisteeseen asti. Jopa vahvin silta romahtaa, jos se ylikuormittuu. Se, mitä tässä tapahtuu, on samanlaista. Vähentääksesi hajoamista, voit ehkä kasvattaa kahden levyn välistä rakoa, mutta se tuo mukanaan kompromissin – pienemmän kapasitanssin, koska levyt ovat kauempana toisistaan ja varaukset eivät vedä puoleensa yhtä paljon kuin silloin, kun ne ovat lähempänä – aivan kuten magneetit käyttäytyvät.

Hyvä nyrkkisääntö olisi käyttää korkkeja, jotka on mitoitettu 50 prosenttia suuremmalle jännitteelle kuin mitä piirisi voisi odottaa näkevän. Tämä jättää laajan varmuusmarginaalin. Jos esimerkiksi tarvitset korkin irrottamaan (älä huoli, irrottaminen selitetään myöhemmin artikkelissa) 12 V:n virtalähdekiskon, voisit selvitä käyttämällä 16 V:n kondensaattoria, mutta 25 V:n kondensaattorin käyttäminen on suositeltavaa, koska se antaa sinulle laajan turvamarginaalin. Okei, löysit sen!!! Kyllä, 25V ei tietenkään ole 25 % suurempi kuin 12V, mutta 18V ei ole kondensaattorin vakioarvo – et löydä yhtään kondensaattoria, jolla on tuollainen nimellisjännite. Lähin on 25V.

erilaisia kondensaattorityyppejä

Syy läpilyöntijännitealueisiin johtuu dielektrisenä käytetystä materiaalista, jonka perusteella kondensaattorit myös luokitellaan:

Alumiinielektrolyyttikondensaattorit

Nämä lienevät kondensaattorityyppejä, jotka tunnistetaan parhaiten. Ne ovat erottuvissa muovivaipallisissa metallipurkkeissa, joissa on selkeästi ilmoitetut jännite- ja kapasitanssin arvot ja valkoinen kaistale, joka osoittaa katodin. Nimi tulee siitä, että, kuten edellä mainittiin, ”levyt” on valmistettu kemiallisesti syövytetystä alumiinifoliosta. Syövytysprosessi tekee alumiinista huokoisen (kuten sienestä) ja kasvattaa sen pinta-alaa huomattavasti, mikä lisää kapasitanssia. Dielektrinen kerros on ohut alumiinioksidikerros. Nämä kondensaattorit on täytetty öljyllä, joka toimii kuin elektrolyytti, mistä nimi johtuu. Elektrolyyttikondensaattorit ovat sisäisen rakenteensa vuoksi polarisoituneita. Niiden kapasitanssi on suuri verrattuna muihin kondensaattoriperheen jäseniin, mutta jännitteet ovat paljon pienempiä. Voit odottaa näkeväsi elektrolyyttikondensaattoreita 0,1uF:n ja 100mF:n väliltä ja joiden nimellisjännitteet ovat muutamasta voltista noin 500V:iin. Niiden sisäiset vastukset ovat kuitenkin yleensä korkeita.

SIVUHuomautus: Kondensaattoreiden sisäinen vastus johtuu materiaaleista, joista kapseli on valmistettu – esimerkiksi alumiinifolion resistanssista tai johtojen resistanssista.

Keraamiset kondensaattorit

Nämä ovat kapseleita, joissa on keraaminen dielektrinen aine. Koska keraamisen dielektrisen dielektrisen läpilyöntiraja on melko korkea, voit odottaa näkeväsi keraamisia kapseleita, joilla on hulluja läpilyöntijännitteitä, kuten 10 kV. Kapasitanssit ovat kuitenkin yleensä pieniä, pikofaradien (0,0000000000000001F) ja muutamien kymmenien mikrofaradien välillä. Ne ovat yleensä paljon pienempiä kuin muuntyyppiset kondensaattorit, kuten kuvassa näkyy. Niillä on myös hyvin pienet sisäiset vastukset.

Keraamisten kondensaattoreiden tunnistaminen

Keraamisen kapasitanssin arvoa ei mainita suoraan keraamisessa kondensaattorissa. Siellä on aina kolminumeroinen numero, jota seuraa muuttuja; opitaan, miten arvo tunnistetaan näiden numeroiden avulla. Tarkastellaan seuraavaa kondensaattoria.

Kuten huomaat, nämä kolme numeroa on jaettu kahteen numeroon ja kolmas on kerroin. Tässä tapauksessa 68 on numero ja 3 on kerroin. Joten 68 pitäisi kertoa luvulla 10^3. Yksinkertaisesti sanottuna se on 68, jota seuraa 3 nollaa. Näin ollen tämän kondensaattorin arvo on 68000 pF. Huomaa, että yksikön on aina oltava pF. Vastaavasti kondensaattori, jonka koodi on 220, tarkoittaa, että se on 22 pico faradia, koska 10^0 on 0.

Kondensaattorin nimellisjännite saadaan selville käyttämällä tämän koodin alla olevaa riviä. Jos viivaa on, niin jännitearvo on 50/100V, jos viivaa ei ole, niin se on 500V.

Yleisimmin käytetyt kondensaattorin arvot sekä niiden muuntaminen Pico Faradiksi, Nano Faradiksi ja mikrofaradiksi on esitetty alla.

Kalvokondensaattorit

Nimensä mukaisesti dielektrinen aine näissä kondensaattoreissa on muovinen kalvo, joka on usein tuttuja muoveja, kuten mylaria ja polyesteriä. Niillä on samat ominaisuudet kuin keraamisilla kondensaattoreilla, korkeat läpilyöntijännitteet (koska muovipolymeerit käyttäytyvät) ja pienet kapasitanssit. Ainoa ero on, että ne ovat yleensä hieman suurempia, vaikka ne näyttävät pintapuolisesti keraamisilta korkkeilta. Sisäinen resistanssi on verrattavissa keraamisiin kapseleihin.

Tantaali- ja niobikondensaattorit

Teknisesti nämä kapselit kuuluvat elektrolyyttikondensaattorien luokkaan. Tässä tapauksessa elektrolyytti on kiinteää materiaalia, joka on valmistettu tantaali- tai niobiumoksideista. Niillä on erittäin alhainen sisäinen vastus tietylle kapasitanssille, mutta ne ovat kuitenkin vähemmän immuuneja ylijännitteille verrattuna muihin tyyppeihin (keraamiset ovat parhaita) ja niillä on taipumus mennä rikki ilman suurempaa varoitusta ja paljon ilkeää mustaa savua aiheuttaen.

Erikoiskäyttöön tarkoitetut kondensaattorit

Näihin kuuluvat mm. hopea – kiillekapselit, X- ja Y-luokitellut kapselit jne. X- ja Y-luokitellut kondensaattorit rakennetaan esimerkiksi linjasuodatusta varten – vankempi rakenne ja korkeammat jänniteluokitukset, myös alhaiset kapasitanssit, jotta voidaan pienentää läpi kulkevaa virtaa, jos kytketään vaihtojännitettä, ja rajoittaa kapseliin varastoitunutta energiaa, jos kytketään tasajännitettä.

Superkondensaattorit ja ultrakondensaattorit

Näissä kondensaattoreissa kapasitanssit ovat aivan uudella tasolla ja niiden kapasitanssit ovat pitkälti suuremmat, toisinaan satojen Faradin luokkaa! Tämä on mahdollista jonkin fiksun kemian ansiosta. Superkondensaattorit ja ultrakondensaattorit kurovat umpeen kondensaattorien ja kemiallisten akkujen välisen kuilun. Niitä on kuitenkin saatavana hyvin pienillä jännitteillä.

Ja nämä ovat kutakuinkin kaikki yleiset kondensaattorityypit, joihin elektroniikan maailmassa voi yleisesti törmätä.

Miten kondensaattorit käyttäytyvät virtapiireissä

Hyödyllinen ensimmäinen tehtävä olisi oppia laskemaan kondensaattoriin varastoitunut energia, joka saadaan kaavalla,

E = 1/2CV2

Jossa E on varastoitunut energia jouleina, C on kapasitanssi faradeina ja V on jännite voltteina. Huomaa, että tämä yhtälö on monien muiden newtonilaisten energiayhtälöiden muotoinen, näppärä pääsiäismuna!

Jos sinulla on korkki, joka on mitoitettu 50V:n jännitteelle ja jonka kapasitanssi on 1000uF, varastoitunut energia täydellä 50V:n jännitteellä olisi:

1/2 * 0.001000F * 50V * 50V * 50V

Mikä tarkoittaa, että varastoitua energiaa on vain vaivaiset 1,25J.

Tämä paljastaa kondensaattoreiden merkittävän haittatekijän energianvarastointilaitteina – varastoitu energia tietylle koolle on hyvin pieni, samankokoisessa akussa olisi ainakin tuhat kertaa enemmän varastoitua energiaa! Kondensaattoreilla on kuitenkin huomattavasti pienemmät sisäiset vastukset kuin kemiallisilla akuilla, minkä ansiosta ne pystyvät tyhjentämään kaiken varastoidun energiansa nopeasti. Pariston oikosulku aiheuttaisi vain sen kuumenemisen sisäisen vastuksen hukkaaman tehon vuoksi, mutta kondensaattorin oikosulku synnyttäisi vain muutaman kipinän, koska kaikki varaus purkautuu kerralla ilman, että kondensaattori vahingoittuu.

Toiseksi, on olemassa toinen siisti kaava, joka liittää jännitteen, virran ja kapasitanssin toisiinsa:

I/C = dV/dt

Jossa I on kondensaattoriin syötetty virta ampeereina, C on kapasitanssi faradeina ja dV/dt on kondensaattorin napojen yli vaikuttavan jännitteen muutosnopeus. Ajattele tätä sen yksikkönä – volttia sekunnissa tietyllä virralla ja kapasitanssilla. Älä välitä pienestä ”d:stä”, se on vain matemaattinen tapa sanoa ”raja-arvoon nolla”.

Asettakaamme, että sinulla on virtalähde, joka sylkee ulos vakiojännitteen 5V vakiovirralla 1mA, niin järjestämällä yhtälö uudelleen voimme löytää ajan, joka kuluu 100uF:n kondensaattorin lataamiseen 5V:n jännitteeseen:

dt = CdV/I

dt = (0.000100F * 5V)/0,001A

dt = 0,5 sekuntia

Siten kondensaattori latautuisi 5V:iin 0,5 sekunnissa. (Muista, että kondensaattori voi latautua vain siihen syötettyyn maksimijännitteeseen asti, ei koskaan enempää, ne eivät voi maagisesti ”luoda” jännitettä.)

Tämä kondensaattorin ennustettava käyttäytyminen tekee siitä erittäin käyttökelpoisen esimerkiksi aikaviiveiden tuottamiseen pienellä lisäpiirillä. Voit järjestää yhtälön uudelleen saadaksesi ajan.

Nyt sitten kunnon juttuihin – varsinaisiin kondensaattoripiireihin!

Kondensaattorin käyttäytyminen piireissä

Aloitetaan yksinkertaisella tavalla – eri tavoilla kondensaattorit voidaan kytkeä yhteen. Se on paljolti sama kuin kahden vastuksen yhdistäminen – voit kytkeä ne joko sarjaan tai rinnakkain.

Kondensaattorit rinnakkain

Oheisessa kuvassa on kolme kondensaattoria kytkettynä rinnakkain, jolloin kaikki vastaavat positiiviset ja negatiiviset liittimet on kytketty yhteen (olettaen, että kondensaattorit ovat polarisoituja). Tämän järjestelyn kokonaiskapasitanssi on yksinkertaisesti kaikkien piirissä olevien kondensaattoreiden kapasitanssien summa. Tämä on järkevää, koska kondensaattorin levyjen kytkeminen rinnakkain kasvattaa pinta-alaa, jolloin kapasitanssi kasvaa.

Maksimijännite, jota tällainen järjestely pystyy käsittelemään, on pienimmän kondensaattorin jännite, koska siinä jännite on yhteinen kaikille kapasitansseille.

Esimerkin pitäisi selventää tätä. Oletetaan, että sinulla on kaksi kondensaattoria, joista toisen arvot ovat 25V 470uF ja toisen 35V 1000uF. Kokonaiskapasitanssi olisi 470uf + 1000uF = 1470uF. Maksimijännite, jonka voisit asettaa tämän kondensaattoripankin yli (yhteen kytkettyjä kondensaattoreita voidaan kutsua kondensaattoripankiksi), olisi kuitenkin vain 25V. Jos laittaisit tämän pankin yli mitä tahansa suurempaa, kipinät lentäisivät, koska ylittäisit 25V:n kondensaattorin maksimijännitteen.

Kondensaattorit sarjaan

Kondensaattoreiden kytkeminen rinnakkain on erityisen hyödyllistä silloin, kun haluat suuren kapasitanssin ja sinulla on käytössäsi vain pieniä arvoja. Yhdistämällä nuo pienempien arvojen kondensaattorit rinnakkain saat lopulta suuremman arvon ja teet homman, olettaen että olet tarkkana jännitteestä.

Nyt kondensaattoreiden laittaminen sarjaan on hieman monimutkaisempaa. Kapasitanssi saadaan kaavalla:

1/Ctotal = 1/C1 + 1/C2 + … + 1/Cn

Jossa C1, C2…Cn ovat jokaisen piirissä käytetyn kondensaattorin kapasitanssit.

Jännite, jota pankki voi nyt käsitellä, on kaikkien nimellisjännitteiden summa.

Jos sinulle annetaan kondensaattori, jonka nimellisjännite on 10V 1uF ja kondensaattori, jonka nimellisjännite on 50V 10uF, niin jännite, jota pankki pystyy käsittelemään sarjassa on 10V + 50V = 60V. Kapasitanssiksi tulee 0.9091uF.

Kondensaattorin jännite vs. aika

Mitä jos haluamme ladata kondensaattorin? Voisimme vain kytkeä sen jännitelähteen yli, kuten alla olevassa kuvassa. Tässä tapahtuisi se, että sillä hetkellä, kun jännitelähde kytketään, olettaen, että kondensaattori on täysin purkautunut, varaukset ryntäävät kertymään levyille, mikä johtaa hyvin suureen (teoriassa äärettömään!) virtapiikkiin, jota rajoittaa vain kondensaattorin sisäinen vastus. Tämä ei tietenkään ole toivottavaa, jos virtalähteenä sattuu olemaan esimerkiksi paristo. Järkevä ajatus olisi lisätä vastus sarjaan kondensaattorin ja jännitelähteen kanssa virran rajoittamiseksi kuten kuvassa, ja voila! Sinulla on jotain, mitä insinöörit kutsuvat RC-piiriksi, ’R’ tarkoittaa vastusta ja ’C’ kondensaattoria!

Tämä piiri osoittaa mielenkiintoista käyttäytymistä. Kun jännite kytketään vastuksen ’I’ merkitylle puolelle, kondensaattorin jännite nousee hitaasti, koska virta on rajoitettu. Kuvaaja näyttää jotakuinkin tältä:

Matemaattisesti suuntautuneemmat katsojani tunnistaisivat kaltevuuden muodon – se muistuttaa eksponenttifunktion muotoa!

Muistatko, kun sanoin, että kapseleita voidaan käyttää aikaviiveiden tuottamiseen? Tämä on yksi tapa tehdä se ilman vakiovirtalähdettä (joka tarvitsee jonkin verran lisäpiiriä). Koska tietyn jännitteen saavuttamiseen kuluva aika on ennustettavissa, jos tiedämme kapasitanssin, jännitteen ja resistanssin, voimme luoda aikaviivepiirejä.

Vastuksen ja kapasitanssin tulo, RC, tunnetaan piirin aikavakiona. Tämä parametri tulee hyödylliseksi, kun todella määritetään aika tietyn jännitteen saavuttamiseen tarkasti, kuten alla olevasta kuvaajakuvasta käy ilmi.

Kuvaajasta näet, että kondensaattori saavuttaa 63 % käytetystä jännitteestä yhdessä aikavakioidussa ajassa, ja niin edelleen.

Tämä on periaate, jota kaikenikäinen 555-ajastin käyttää, vaikka suunnitteluyhtälöt ovatkin hieman erilaiset.

Toinen mielenkiintoinen RC-piirien käyttökohde on signaalin suodatus eli ei-toivotun taajuuden sähköisen signaalin poistaminen piiristä. RC-piiri kestää tietyn ajan latautua ja purkautua lähteestä. Jos käytämme jaksollista aaltoa, jonka aikajakso on suurempi kuin RC, niin sama signaali näkyisi ulostulossa hyvin pienellä vääristymällä. Kuitenkin, kun taajuutta lisätään, signaali vaihtaa napaisuutta nopeammin kuin piiri voi ladata ja purkaa, ja lopulta tietyn pisteen jälkeen signaali katoaa, ja jäljelle jää vain puhdas DC! Tätä kutsutaan signaalin vaimennukseksi. Kuten näet, RC-piiri toimii suodattimena, joka estää AC-signaalit (jopa sellaiset, jotka ovat päällekkäisiä DC:n kanssa, eli joilla on DC-offset) tietyn taajuuden jälkeen. Tällaista suodatinta kutsutaan alipäästösuodattimeksi, eli se päästää matalat taajuudet läpi, mutta ei päästä korkeita taajuuksia läpi.

Kondensaattorit vaihtovirtapiireissä

Kondensaattorit käyttäytyvät mielenkiintoisella tavalla, kun ne sijoitetaan vaihtovirtapiireihin. Niitä voidaan ajatella signaalin kannalta taajuusriippuvaisina vastuksina. Kuten edellä nähtiin, RC-piiri estää kaiken vaihtovirran signaalista, mutta mitä tapahtuu, kun kondensaattori kytketään sarjaan vaihtojännitelähteen kanssa? Täysin päinvastoin!

Koska kondensaattori on vain kaksi metallilevyä, jotka on erotettu toisistaan eristeellä, se ei päästä mitään tasavirtaa läpi. Ac-signaalissa on kuitenkin jatkuvasti muuttuvia jännitteitä, joten toinen levy näkee muuttuvan jännitteen ja indusoi vastakkaisen varauksen toiseen levyyn, kuten kuvassa näkyy:

Tällä on kokonaisvaikutuksena se, että virta ”kulkee” kondensaattorin läpi suhteellisen korkeilla taajuuksilla. Lisäämällä vastuksen rinnakkain ulostulon kanssa saadaan aikaan korkeapäästösuodatin eli suodatin, joka päästää läpi vain korkeat taajuudet ja estää kaikki tasavirtasignaalit.

Kondensaattorin ’vaihtovirtaresistanssi’ eli impedanssi saadaan kaavalla:

XC = 1/(2*π*f*C)

Jossa XC on kapasitiivinen reaktanssi eli impedanssi, f on taajuus ja C on kapasitanssi. Voit käyttää tätä kaavaa laskemaan kondensaattorin virtuaalisen ”vastuksen” vaihtovirtapiirissä.

Missä kondensaattoreita löytyy luonnossa

Okei, siinä oli tarpeeksi teoriaa. Tutustutaanpa kondensaattoreiden moniin käyttötarkoituksiin.

Ensimmäinen paikka, jossa kondensaattoreita voi olettaa näkevänsä, on kaikenlaisissa virtalähteissä suodattimina ja kytkennän purkamiseen. Ne toimivat lataussäiliöinä – tarjoavat nopeaa virtaa, kun kuorma tarvitsee sitä.

Tässä on kaksi oskilloskooppikuvaa, jotka osoittavat sen vaikutuksen, jos virtalähteen johtojen yli ei ole kondensaattoria ja jos kondensaattoria on. Kuten näet, kondensaattoreiden olemassaolo vähentää dramaattisesti virtalähteen kiskojen ”kohinaa”, mikä suojaa herkkiä osia äkillisiltä jännitepiikeiltä.

Kondensaattoreita kutsutaan myös nimellä ”decoupling”-kondensaattorit, koska ne ”irrottavat” virtalähteestä piirin osat, joiden poikki ne on asennettu. Joskus piirilevyn virtajohdot saattavat olla melko pitkiä ja niillä voi olla suuri induktanssi ja vastus. Tämä voi johtaa siihen, että ne tuottavat tavallista vähemmän virtaa. Kondensaattorin ottaminen syöttöjohdon päähän on kuin pienempi väliaikainen ’akku’ laitteen poikki, joka tarjoaa virran purskeita tarvittaessa ja latautuu, kun laite kuluttaa vähän virtaa.

Voit käyttää kaavaa I/C = dV/dt laskea tarvittavan kapasitanssin poistamaan ’ripple’-jännitteen virtalähteen liittimistä.

Asettele, että sinulla on virtalähde, jonka jännite vaihtelee 10 ms välein 11,5 V:sta 12 V:iin (ripple), mikä on yleistä verkkovirtaan kytketyissä laitteissa 50 Hz:n taajuuden vuoksi, ja sinun on asetettava kapseli liittimien poikki jännitteen tasoittamiseksi. Jos kuormitusvirta on tässä tapauksessa 1A, voimme järjestää kaavan uudelleen näin kapasitanssin selvittämiseksi:

(I * dt)/dV

Jossa I on kuormitusvirta, dt on kohinan aikajakso ja dV on rippelijännite. Korvaamalla arvot havaitsemme, että tarvitsemme 20000uF:n kapasitanssin. Tämä saattaa tuntua paljolta, mutta voit selvitä paljon vähemmälläkin. Saatu arvo toimii vain ohjeena.

Todellisessa elämässä saatat löytää useita eri tyyppisiä ja arvoisia kondensaattoreita tehojälkien yli, tämä on vähentää kohinapitoisuutta monilla taajuuksilla ja saada mahdollisimman tasainen jännite.

Toinen kondensaattoreiden käyttö on monimutkaisissa suodattimissa kuten tässä:

Mutta yksinkertaisempi suodatin olisi RC-suodatin, yksi mielenkiintoinen suodatin on kuvattu täällä.

Jokainen tuntee Arduino-mikrokontrollerilevyn. Monipuolinen työkalu, mutta etkö ole koskaan miettinyt, miksi analogiset lähdöt sylkevät ulos digitaalisen PWM-signaalin? Se johtuu siitä, että ne on suunniteltu käytettäväksi ulkoisen suodatusverkon kanssa PWM-jännitteen tasoittamiseksi aidosti analogiseksi jännitteeksi. Tämä voidaan tehdä niinkin yksinkertaisilla osilla kuin 1K-vastuksella ja 10uF-kondensaattorilla. Kokeile!

Toinen käyttötapa, kuten edellä mainittiin, on ajoitus. Yksinkertainen oskillaattori voidaan rakentaa käyttämällä NAND-porttia (yritä selvittää, miksi AND-portit eivät toimi), vastusta ja kondensaattoria.

Olettaen, että kondensaattorin yli ei aluksi ole jännitettä, NAND-sisääntulot (jotka on sidottu toisiinsa) näkevät lähes 0V:n niiden yli ja kytkevät lähdön päälle. Kondensaattori latautuu nyt vastuksen kautta. Kun se saavuttaa portin ”korkean” kynnyksen, lähtö kääntyy alhaiseksi ja korkki purkautuu nyt. Tämä sykli jatkuu tuottaen neliöaaltolähdön, jonka taajuus riippuu R: n ja C: n arvoista.

Lopuksi, toinen mielenkiintoinen kondensaattorien käyttö on energian varastointi. Kondensaattorit eivät tietenkään vedä vertoja paristoille, mutta joissakin sovelluksissa, joissa energiaa tarvitaan nopeasti, kapselit ovat parhaita tähän tehtävään.

Kela-aseiden kaltaiset laitteet (lisää löytyy verkosta) tarvitsevat suuren virtapulssin kiihdyttääkseen ammusta, joten tällaisiin tarkoituksiin käytetään korkeajännitekondensaattoreita, joiden nimellisarvot ovat usein 450V 1500uF, ja jotka voivat varastoida huomattavia energiamääriä.