Kondensaattorit ovat elektroniikan peruskomponentteja ja niillä on ratkaiseva rooli erilaisissa elektroniikkapiireissä. Kapasitanssin ja varauksen käsitteiden ymmärtäminen on välttämätöntä kaikille, jotka haluavat sukeltaa sähkötekniikan maailmaan. Tässä artikkelissa meillä on lyhyt johdatus kondensaattoreihin, selitetään kapasitanssi ja syvennetään yhtälöä, joka ohjaa niiden käyttäytymistä.
Mikä on kondensaattori
Kondensaattori on passiivinen kaksinapainen elektroninen komponentti, joka varastoi sähköenergiaa sähkökenttään. Kondensaattorin rakenne koostuu kahdesta johtavasta, tavallisesti metallista koostuvasta levystä, jotka on sijoitettu erilleen siten, että niiden välissä on dielektrinen materiaali. Kun jännite-ero kohdistetaan kondensaattorin napojen yli, se kerää varauksen sen levyille, jolloin syntyy sähkökenttä niiden väliin.
Mikä on kapasitanssi
Kapasitanssi on mitta siitä, kuinka paljon sähköenergiaa voidaan varastoida laitteen tai komponentin jänniteyksikköä kohti. Kapasitanssin yksikkö on Farad.
Mikä on Charge
Varausta kuvataan sähköenergian läsnäoloksi. Sen symboli on Q ja sen yksikkö on Coulomb.
Kondensaattorien toiminta
Kun kondensaattorin napojen yli johdetaan sähköjännite, levyjen väliin muodostuva sähkökenttä käynnistää elektronien liikkeen. Kondensaattorin negatiivisesta levystä tulee keräyspiste elektroneille, jotka ovat siirtyneet jännitelähteen negatiivisesta navasta.
Samanaikaisesti yhtä suuri määrä elektroneja poistuu kondensaattorin positiivisesta levystä ja palaa jännitelähteen positiiviseen napaan.
Tämä varauksen kertyminen ja uudelleenjakautuminen jatkuu, kunnes kondensaattori on täysin latautunut, jolloin elektronien virtaus lakkaa, kondensaattoriin tallennettu varaus voidaan määrittää kaavalla:
Annetussa yhtälössä 'Q' symboloi veloittaa kertynyt sisällä kondensaattori , 'C' tarkoittaa kapasitanssi , ja 'V' edustaa kondensaattorin yli syötettyä jännitettä.
Tämä yhtälö näyttää verrannollisen suhteen kapasitanssin ja syötetyn jännitteen välillä, mikä osoittaa, että kondensaattorin varauksen määrä liittyy suoraan molempiin näihin muuttujiin. Näin ollen joko kapasitanssin tai jännitteen lisääminen johtaa korkeampaan varauksen kertymiseen.
Rinnakkaislevykondensaattorin kapasitanssi
Kondensaattorin kapasitanssi määräytyy levyjen (A) pinta-alan ja niiden välisen etäisyyden (d) perusteella, ja molemmat tekijät vaikuttavat sen kokonaiskapasitanssiin. Mitä suurempi levypinta-ala, sitä suurempi kapasitanssi, kun taas pienempi etäisyys levyjen välillä lisää kapasitanssia. Tätä suhdetta kuvaa yhtälö:
Kondensaattorit kykenevät varastoimaan sähköenergiaa, jolloin varastoidun energian määrä (U) on suoraan verrannollinen sekä kytketyn jännitteen (V) että kondensaattorin kapasitanssin (C) neliöön. Kondensaattoriin varastoidun energian yhtälö saadaan seuraavasti:
Kondensaattoriin varastoidun energian tunteminen on elintärkeää piirien suunnittelussa, erityisesti sovelluksissa, joissa energian vapautuminen tai hetkellinen tehovaatimukset ovat tärkeitä.
Pallokondensaattorin kapasitanssi
Pallokondensaattorin kapasitanssin laskemiseksi sinun on tiedettävä sekä sisemmän että ulkoisen johtavan pallon säde. Kondensaattorin muoto ja pallojen väliin sijoitetun materiaalin permittiivisyys ohjaavat kapasitanssia. Kaava pallomaisen kondensaattorin kapasitanssin laskemiseksi on:
Toisaalta symbolia 'εᵣ' käytetään edustamaan pallojen välissä olevan materiaalin suhteellista permittiivisyyttä tai dielektrisyysvakiota. Lisäksi “r₁” tarkoittaa sisäpallon sädettä, kun taas “r₂” tarkoittaa ulkopallon sädettä.
Korvaamalla säteen ja materiaalin permittiivisyyden arvot voit laskea pallokondensaattorin kapasitanssin. On syytä huomata, että jos sisäpallon säde on mitätön tai sitä pidetään pistevarauksena, kapasitanssikaava yksinkertaistuu seuraavasti:
Tässä tapauksessa kapasitanssi määräytyy yksinomaan ulkopallon säteen ja materiaalin permittiivisyyden mukaan.
Sylinterimäisen kondensaattorin kapasitanssi
Sylinterimäisen kondensaattorin kapasitanssin laskemiseksi sinun on tiedettävä kondensaattorin pituus (L), sisäjohtimen säde (r₁) ja ulkojohtimen säde (r₂). Kondensaattorin muoto ja pallojen väliin sijoitetun materiaalin permittiivisyys ohjaavat kapasitanssia. Sylinterimäisen kondensaattorin kapasitanssin laskentakaava on:
Toisaalta symbolia 'εᵣ' käytetään edustamaan pallojen välissä olevan materiaalin suhteellista permittiivisyyttä tai dielektrisyysvakiota. Lisäksi “r₁” tarkoittaa sisäpallon sädettä, kun taas “r₂” tarkoittaa ulkopallon sädettä.
Johtopäätös
Kondensaattorit ovat elektroniikan kannalta tärkeitä komponentteja, jotka mahdollistavat energian varastoinnin ja jännitteen säätelyn. Kapasitanssi mitattuna faradeina (F) ilmaisee kondensaattorin kyvyn varastoida varausta. Se on suoraan verrannollinen tallennettuun varaukseen (Q) ja kääntäen verrannollinen jännitteeseen (V) kondensaattorin napojen yli.