Kondansatör - Capacitor

Vikipedi, özgür ansiklopedi
Kondansatör
Kondansatörler (7189597135) .jpg
Tür Pasif
İcat edildi Ewald Georg von Kleist
Elektronik sembol
Kondansatör türleri.svg

Bir kondansatör bir elektrik yükü depolayan bir cihazdır elektrik alanı . Bu a, pasif elektronik komponent ile iki terminali .

Bir kapasitörün etkisi kapasitans olarak bilinir . Bir devrenin yakınında bulunan herhangi iki elektrik iletkeni arasında bir miktar kapasitans varken , bir kapasitör, bir devreye kapasitans eklemek için tasarlanmış bir bileşendir. Kapasitör başlangıçta bir kondansatör veya kondansatör olarak biliniyordu . Bu isim ve benzerleri hala birçok dilde yaygın olarak kullanılmaktadır , ancak nadiren İngilizce'de, dikkate değer bir istisna , kapasitör mikrofonlar olarak da adlandırılan yoğunlaştırıcı mikrofonlardır.

Pratik kapasitörlerin fiziksel formu ve yapısı büyük ölçüde değişir ve birçok kapasitör türü ortak kullanımdadır. Çoğu kondansatör, genellikle dielektrik bir ortamla ayrılmış metalik plakalar veya yüzeyler şeklinde en az iki elektrik iletkeni içerir . Bir iletken, bir folyo, ince film, sinterlenmiş metal boncuk veya bir elektrolit olabilir . İletken olmayan dielektrik, kapasitörün şarj kapasitesini artırma görevi görür. Yaygın olarak dielektrik olarak kullanılan malzemeler arasında cam , seramik , plastik film , kağıt , mika , hava ve oksit tabakaları bulunur . Kondansatörler, birçok yaygın elektrikli cihazda elektrik devrelerinin parçaları olarak yaygın şekilde kullanılmaktadır . Bir dirençten farklı olarak , ideal bir kapasitör enerjiyi dağıtmaz, ancak gerçek hayattaki kapasitörler küçük bir miktar dağıtır (bkz . İdeal olmayan davranış ). Bir kapasitörün terminallerine bir elektrik potansiyeli , bir voltaj uygulandığında, örneğin bir bataryaya bir kapasitör bağlandığında , dielektrik boyunca bir elektrik alanı gelişerek , bir plaka üzerinde net bir pozitif yük ve net negatif yükün toplanmasına neden olur. diğer tabakta toplamak için. Gerçekte dielektrikten hiçbir akım geçmez. Bununla birlikte, kaynak devresi boyunca bir yük akışı vardır. Koşul yeterince uzun süre korunursa, kaynak devresinden geçen akım kesilir. Kapasitörün uçları boyunca zamanla değişen bir voltaj uygulanırsa, kaynak, kapasitörün şarj ve deşarj döngüleri nedeniyle devam eden bir akımla karşılaşır.

Kondansatörlerin en eski biçimleri 1740'larda, Avrupalı ​​deneyciler elektrik yükünün Leyden kavanozları olarak bilinen su dolu cam kavanozlarda depolanabileceğini keşfettiklerinde yaratıldı . Günümüzde kapasitörler, alternatif akımın geçmesine izin verirken doğru akımı bloke etmek için elektronik devrelerde yaygın olarak kullanılmaktadır . Gelen analog filtre ağlar, onlar çıktısını pürüzsüz güç kaynakları . Gelen rezonans devreleri kişilermişiz ayar radyolar özellikle etmek frekanslarda . Gelen elektrik güç aktarım sistemleri, bu gerilim ve güç akışı stabilize eder. Kapasitörlerdeki enerji depolama özelliği, ilk dijital bilgisayarlarda dinamik bellek olarak kullanıldı ve hala modern DRAM'de kullanılmaktadır .

Tarih

Ekim 1745'te, Almanya, Pomerania'dan Ewald Georg von Kleist , yüksek voltajlı bir elektrostatik jeneratörün bir tel ile elde tutulan bir cam kavanozdaki bir su hacmine bağlanmasıyla yükün depolanabileceğini buldu . Von Kleist'in eli ve su iletken görevi görüyordu ve kavanoz bir dielektrik işlevi görüyordu (her ne kadar o sırada mekanizmanın ayrıntıları yanlış tanımlanmış olsa da). Von Kleist, tele dokunmanın elektrostatik bir makineden elde edilenden çok daha acı veren güçlü bir kıvılcımla sonuçlandığını keşfetti. Ertesi yıl, Hollandalı fizikçi Pieter van Musschenbroek , çalıştığı Leiden Üniversitesi'nden sonra Leyden kavanozu olarak adlandırılan benzer bir kapasitör icat etti . Ayrıca aldığı şokun gücünden de etkilendi, "Fransa krallığı için ikinci bir şok almam."

Daniel Gralath , şarj depolama kapasitesini artırmak için birkaç kavanozu paralel olarak birleştiren ilk kişiydi . Benjamin Franklin , Leyden kavanozunu araştırdı ve yükün, diğerlerinin sandığı gibi suda değil, camda depolandığı sonucuna vardı. Ayrıca, (a benzer donanýmýna ile güç artışı gösteren şekliyle "pil" kabul top pil , daha sonra uygulanan) elektrokimyasal hücre kümeleri . Leyden kavanozları daha sonra kavanozların içi ve dışı metal folyo ile kaplanarak, folyolar arasında ark oluşumunu önlemek için ağızda boşluk bırakılarak yapılmıştır. En eski kapasite birimi, yaklaşık 1.11 nanofarada eşdeğer kavanozdu .

Leyden kavanozları veya folyo iletkenlerle dönüşümlü düz cam plakalar kullanan daha güçlü cihazlar, kablosuz ( radyo ) icadının standart kapasitörler için bir talep yarattığı ve daha yüksek frekanslara sürekli hareketin daha düşük endüktanslı kapasitörler gerektirdiği 1900 yılına kadar yalnızca kullanıldı . Esnek dielektrik levha (yağlı kağıt gibi) gibi metal folyo tabakaları arasına sıkıştırılmış, haddelenmiş veya küçük bir paket halinde katlanmış gibi daha kompakt yapım yöntemleri kullanılmaya başlandı.

The Radio Times for Dubilier kondansatörlerinin 28 Aralık 1923 baskısından kablosuz alıcı setlerinde kullanım amaçlı reklam

Erken kapasitörler olarak bilinen kondenserler , hala ara sıra özellikle otomotiv sistemleri gibi yüksek güç uygulamalarında, günümüzde kullanılan bir terim. Terim ilk olarak bu amaç için 1782'de Alessandro Volta tarafından , cihazın izole edilmiş bir iletkenle mümkün olandan daha yüksek yoğunlukta elektrik yükü depolama kabiliyetine atıfta bulunarak kullanıldı. Terim, buhar yoğunlaştırıcısının belirsiz anlamı nedeniyle kullanımdan kaldırıldı ve kapasitör 1926'dan itibaren önerilen terim haline geldi.

İzolatör olarak cam , porselen , kağıt ve mika gibi elektrik iletken olmayan malzemeler çalışmaların başlangıcından beri kullanılmaktadır. Bu malzemeler birkaç on yıl sonra , ilk kapasitörler için dielektrik olarak daha fazla kullanım için de çok uygun hale geldi . Emdirilmiş kağıt şeridinin metal şeritler arasına sıkıştırılması ve sonucun silindir şeklinde yuvarlanmasıyla yapılan kağıt kapasitörler , 19. yüzyılın sonlarında yaygın olarak kullanıldı; üretimleri 1876'da başladı ve 20. yüzyılın başlarından itibaren telekomünikasyonda (telefonda) dekuplaj kondansatörleri olarak kullanıldılar.

İlk seramik kondansatörlerde porselen kullanıldı . İlk yıllarında Marconi bireyin kablosuz verici cihazları porselen kapasitörler yüksek gerilim ve yüksek frekanslı uygulaması için kullanıldı vericiler . Alıcı tarafında , rezonans devreleri için daha küçük mika kapasitörler kullanıldı. Mika dielektrik kapasitörler, 1909'da William Dubilier tarafından icat edildi. II.Dünya Savaşı'ndan önce, mika, Amerika Birleşik Devletleri'ndeki kapasitörler için en yaygın dielektrikti.

İlk elektrolitik kapasitörlerin mucidi Charles Pollak (doğdu Karol Pollak ), bir alüminyum anot üzerindeki oksit tabakasının , güç kapatıldığında bile nötr veya alkali bir elektrolit içinde sabit kaldığını keşfetti . 1896'da kendisine "Alüminyum elektrotlu elektrikli sıvı kapasitör" için 672,913 sayılı ABD Patenti verildi. Katı elektrolit tantal kapasitörler , 1950'lerin başında Bell Laboratories tarafından , yeni icat edilen transistörlerini tamamlamak için minyatürleştirilmiş ve daha güvenilir bir düşük voltaj destek kapasitörü olarak icat edildi .

İkinci Dünya Savaşı sırasında organik kimyagerler tarafından plastik malzemelerin geliştirilmesiyle , kondansatör endüstrisi kağıdı daha ince polimer filmlerle değiştirmeye başladı. Film kapasitörlerindeki çok erken bir gelişme , 1944'te İngiliz Patenti 587,953'te açıklanmıştır.

Elektrikli çift katmanlı kapasitörler (şimdi süper kapasitörler ), 1957'de H. Becker "Gözenekli karbon elektrotlu düşük voltajlı elektrolitik kapasitör" geliştirdiğinde icat edildi. Enerjinin, elektrolitik kapasitörlerin kazınmış folyolarının gözeneklerinde olduğu gibi kapasitöründe kullanılan karbon gözeneklerinde bir yük olarak depolandığına inanıyordu. Çift katmanlı mekanizma o dönemde bilinmediği için patentte şöyle yazmıştır: "Enerji depolamak için kullanılıyorsa bileşende tam olarak ne olduğu bilinmemekle birlikte son derece yüksek bir kapasiteye yol açmaktadır. "

Metal oksit yarı iletken kondansatör ( MOS kapasitör ) menşeili metal oksit yarı iletken alan etkili transistor MOS kapasitör iki tarafından kuşatılır (MOSFET) yapısı, pn kavşaklar . MOSFET yapısı tarafından icat edilmiştir Mohamed M. atalla ve Dawon Kahng de Bell Labs , daha sonra yaygın bir depolama kapasitör olarak kabul edilmiştir 1959 MOS kondansatör bellek yongaları ve temel yapı taşı olarak yükle-birleştirilmiş cihaz (CCD) olarak görüntü sensörü teknolojisi. Dinamik rasgele erişimli bellekte ( DRAM ), her bellek hücresi tipik olarak bir MOSFET ve MOS kapasitöründen oluşur.

Operasyon teorisi

Genel Bakış

Paralel plakalı kapasitördeki yük ayrımı, dahili bir elektrik alanına neden olur. Bir dielektrik (turuncu) alanı azaltır ve kapasitansı artırır.
Dielektrik olarak bir hava boşluğu kullanan iki paralel metal plakadan yapılmış basit bir gösteri kondansatörü.

Bir kapasitör, iletken olmayan bir bölge ile ayrılmış iki iletkenden oluşur . İletken olmayan bölge, bir vakum veya dielektrik olarak bilinen bir elektriksel yalıtkan malzeme olabilir . Dielektrik ortam örnekleri cam, hava, kağıt, plastik, seramik ve hatta iletkenlere kimyasal olarak özdeş bir yarı iletken tükenme bölgesidir . Gönderen Coulomb yasası bir iletkenin üzerinde bir yük üzerine bir kuvvet uygulayacak yük taşıyıcılarının ters polarite yükü çeken ve böylece karşıt kutuplu yükleme diğer iletkenin yüzeyinde uyarılacak olan kutup ücretleri gibi geri püskürtmek, diğer iletken içinde. Böylece iletkenler, karşılıklı yüzeylerinde eşit ve zıt yükler tutarlar ve dielektrik, bir elektrik alanı geliştirir.

İdeal bir kondansatör, bir sabit ile karakterize edilir kapasitans C de, farad olarak SI pozitif veya negatif yük oranı olarak tanımlanan birimlerin sistemi, Q gerilimi her bir iletkenin üzerinde V aralarında:

Bir farad (F) kapasitans, her iletkendeki bir coulomb yükün , cihaz boyunca bir voltluk bir gerilime neden olduğu anlamına gelir . İletkenler (veya plakalar) birbirine yakın olduğundan, iletkenler üzerindeki zıt yükler, elektrik alanları nedeniyle birbirlerini çeker ve kapasitörün, iletkenler ayrıldığında olduğundan daha fazla yük depolamasına izin vererek daha büyük bir kapasitans sağlar.

Pratik cihazlarda, şarj birikmesi bazen kapasitörü mekanik olarak etkiler ve kapasitansının değişmesine neden olur. Bu durumda, kapasite artımlı değişiklikler olarak tanımlanır:

Hidrolik benzetme

Olarak hidrolik benzer Bu animasyon bir membran sürekli gergin ve sürekli akışı ile şarj ve deşarj olan bir kapasitöre benzer olan suyun akışı ile uzatılmamış olan göstermektedir -, bir kondansatör, bir borunun içine sızdırmaz bir kauçuk zar ile benzerdir ücret

Olarak hidrolik benzer şekilde , bir teli içinden akan yük taşıyıcı bir boru vasıtası ile akan su ile benzerdir. Kapasitör, bir borunun içine kapatılmış kauçuk bir membran gibidir. Su molekülleri zardan geçemez, ancak bir miktar su zarı gererek hareket edebilir. Analoji, kapasitörlerin birkaç yönünü açıklığa kavuşturuyor:

  • Mevcut değiştiren şarj kapasitör üzerindeki suyun akış zarın konumunu değiştirir gibi,. Daha spesifik olarak, bir elektrik akımının etkisi, kapasitörün bir plakasının yükünü arttırmak ve diğer plakanın yükünü eşit miktarda azaltmaktır. Bu, tıpkı su akışının kauçuk membranı hareket ettirdiği zaman, membranın bir tarafındaki su miktarını artırıp diğer tarafındaki su miktarını azalttığı gibidir.
  • Bir kapasitör ne kadar fazla şarj edilirse, voltaj düşüşü o kadar büyük olur ; yani, şarj akımına karşı o kadar çok "geri iter". Bu, bir zarın ne kadar gerilirse, suyu o kadar geri itmesine benzer.
  • Hiçbir elektron bir taraftan diğerine ulaşamasa da yük kapasitörün "içinden" geçebilir. Bu, kauçuk membrandan hiçbir su molekülü geçemese bile, borudan akan suya benzer. Akış sonsuza kadar aynı yönde devam edemez; kapasitör dielektrik bozulma yaşar ve benzer şekilde membran sonunda kırılır.
  • Kapasitans kadar şarj verilen bir "itme" (gerilim düşümü) için bir kondansatörün bir plaka üzerinde saklanabilir açıklamaktadır. Çok esnek, esnek bir zar, sert bir zardan daha yüksek bir kapasitansa karşılık gelir.
  • Yüklü bir kapasitör, gerilmiş bir membrana benzer şekilde potansiyel enerjiyi depolar.

Kısa süreli limit ve uzun süreli limitte devre denkliği

Bir devrede, bir kapasitör farklı zaman anlarında farklı davranabilir. Bununla birlikte, kısa süre sınırı ve uzun süre sınırı hakkında düşünmek genellikle kolaydır:

  • Uzun süre sınırında, şarj / deşarj akımı kapasitörün doygun hale gelmesinden sonra, kapasitörün her iki tarafına da akım gelmez (veya dışarı çıkmaz); Bu nedenle, kapasitörün uzun süreli eşdeğerliği açık devredir.
  • Kısa süre sınırında, eğer kondansatör belirli bir voltaj V ile başlarsa, kondansatör üzerindeki voltaj düşüşü şu anda bilindiği için, onu ideal bir voltaj kaynağı V ile değiştirebiliriz.Özellikle, eğer V = 0 ( kapasitör şarjsız), bir kapasitörün kısa süreli eşdeğerliği kısa devredir.

Paralel plakalı kondansatör

Paralel plakalı kapasitör modeli, her biri bir dielektrik içeren
d kalınlığındaki bir boşlukla ayrılan , her biri A alanından oluşan iki iletken plakadan oluşur .

Bir kapasitörün en basit modeli, her biri geçirgenliğe sahip bir dielektrik ile doldurulmuş düzgün bir kalınlık aralığı ile ayrılmış bir alana sahip iki ince paralel iletken plakadan oluşur . Boşluğun plakaların boyutlarından çok daha küçük olduğu varsayılmaktadır . Bu model, ince bir yalıtkan dielektrik tabakası ile ayrılmış metal levhalardan yapılmış birçok pratik kapasitör için uygundur, çünkü üreticiler, kapasitörün arızalanmasına neden olabilecek ince noktaları önlemek için dielektriği kalınlıkta çok homojen tutmaya çalışırlar.

Plakalar arasındaki ayrım, plaka alanı üzerinde tekdüze olduğundan, plakalar arasındaki elektrik alan sabittir ve plakaların kenarlarına yakın, elektrik alan çizgileri nedeniyle alanın azaldığı bir alan dışında plaka yüzeyine dikey olarak yönlendirilir " kapasitörün kenarlarından çıkıntı. Bu "saçaklanma alanı" alanı, plaka ayırma ile yaklaşık olarak aynı genişliktedir ve plaka boyutlarına kıyasla küçük olduğu varsayıldığında , ihmal edilebilecek kadar küçüktür. Bu nedenle, bir plakaya ve diğer plakaya bir yük yerleştirilirse (eşit olmayan şekilde yüklenmiş plakalar için durum aşağıda tartışılmıştır), her plakadaki yük, metrekare başına sabit yük yoğunluğu olan bir yüzey şarj katmanında eşit olarak dağıtılacaktır. , her plakanın iç yüzeyinde. Gönderen Gauss hukuk plakalar arasındaki elektrik alanın büyüklüğü olduğunu . Plakalar arasındaki gerilim (fark ), bir plakadan diğerine (z-yönünde) bir hat üzerinden elektrik alanın çizgi integrali olarak tanımlanır.

Kapasitans olarak tanımlanır . İkame Bu denklemin içine yukarıdaki

Bu nedenle, bir kapasitörde en yüksek kapasitans, yüksek geçirgenliğe sahip bir dielektrik malzeme, geniş plaka alanı ve plakalar arasında küçük bir ayrım ile elde edilir .

Plakaların alanı doğrusal boyutların karesi ile arttığından ve ayrım doğrusal olarak arttığından, kapasitans bir kapasitörün doğrusal boyutuyla ( ) veya hacmin küp kökü olarak ölçeklenir .

Paralel plaka kapasitör, dielektrik bozulma meydana gelmeden önce yalnızca sınırlı miktarda enerji depolayabilir . Kapasitörün dielektrik malzeme sahip dielektrik gücü u d ayarlar kapasitörün dayanma gerilimine de V  = V bd = u d d . Kapasitörün depolayabileceği maksimum enerji bu nedenle

Maksimum enerji, dielektrik hacmin, geçirgenliğin ve dielektrik gücünün bir fonksiyonudur . Aynı hacmi korurken plaka alanını ve plakalar arasındaki ayrımı değiştirmek, plakalar arasındaki mesafe plakaların hem uzunluğundan hem de genişliğinden çok daha küçük kaldığı sürece kapasitörün depolayabileceği maksimum enerji miktarında hiçbir değişikliğe neden olmaz. Ek olarak, bu denklemler elektrik alanın tamamen plakalar arasındaki dielektrikte yoğunlaştığını varsayar. Gerçekte, dielektriğin dışında, örneğin kapasitör plakalarının yanları arasında, kapasitörün etkin kapasitansını artıran saçaklı alanlar vardır. Bu bazen parazitik kapasitans olarak adlandırılır . Bazı basit kapasitör geometrileri için bu ek kapasitans terimi analitik olarak hesaplanabilir. Levha genişliğinin ayrıma ve uzunluğunun ayrıma oranları büyük olduğunda ihmal edilebilir derecede küçük hale gelir.

Eşit olmayan şekilde yüklenmiş plakalar için:

  • Bir plakaya yüklenirken diğeri ile doldurulursa ve her iki plaka da ortamdaki diğer malzemelerden ayrılırsa, ilk plakanın iç yüzeyine sahip olacak ve ikinci plakanın iç yüzeyinde yük olacaktır . Bu nedenle plakalar arası voltajdır . Her iki plakanın dış yüzeyinin sahip olacağına , ancak bu yüklerin plakalar arasındaki voltajı etkilemediğine dikkat edin.
  • Bir plaka, diğeri ile yüklenirken yüklenirse ve ikinci plaka toprağa bağlanırsa, o zaman birinci plakanın iç yüzeyi, ikinci plakanın iç yüzeyi de olacaktır . Bu nedenle plakalar arası voltajdır . Her iki plakanın dış yüzeyinin sıfır yüke sahip olacağını unutmayın.

Aralıklı kapasitör

Aralıklı kapasitör, birkaç paralel bağlı kapasitörün kombinasyonu olarak görülebilir.

İçin bir kapasitör plakaların sayısı, toplam kapasite olur

nerede tek bir plaka için kapasite ve aralıklı plakaların sayısıdır.

Sağdaki şekilde gösterildiği gibi, serpiştirilmiş plakalar birbirine bağlı paralel plakalar olarak görülebilir. Her bir çift bitişik plaka ayrı bir kapasitör görevi görür; çiftlerin sayısı her zaman plaka sayısından bir eksiktir, dolayısıyla çarpan.

Bir kapasitörde depolanan enerji

Bir kondansatör üzerindeki yükü ve voltajı artırmak için , elektrik alanın zıt kuvvetine karşı yükü negatiften pozitif plakaya taşımak için harici bir güç kaynağı tarafından yapılmalıdır. Kondansatör üzerindeki voltaj ise , küçük bir yük artışını negatiften pozitif plakaya taşımak için gereken iştir . Enerji, plakalar arasındaki artan elektrik alanında depolanır. Bir kapasitörde depolanan toplam enerji ( Joule olarak ifade edilir ), elektrik alanını şarj edilmemiş bir durumdan oluşturmak için yapılan toplam işe eşittir.

kapasitörde depolanan yük nerede , kapasitör üzerindeki voltaj ve kapasitanstır. Bu potansiyel enerji, yük kaldırılıncaya kadar kapasitörde kalacaktır. Yükün pozitif plakadan negatif plakaya geri gitmesine izin verilirse, örneğin plakalar arasına dirençli bir devre bağlayarak, elektrik alanın etkisi altında hareket eden yük harici devre üzerinde çalışacaktır.

Yukarıdaki paralel plaka modelinde olduğu gibi kapasitör plakaları arasındaki boşluk sabit ise, plakalar arasındaki elektrik alanı tekdüze olacak (saçaklı alanları ihmal ederek) ve sabit bir değere sahip olacaktır . Bu durumda depolanan enerji, elektrik alan gücünden hesaplanabilir.

Yukarıdaki son formül, elektrik alanındaki birim hacim başına enerji yoğunluğunun plakalar arasındaki alan hacmi ile çarpılmasına eşittir ve kapasitördeki enerjinin elektrik alanında depolandığını doğrular.

Akım-gerilim ilişkisi

Bir elektrik devresindeki herhangi bir bileşenden geçen akım I ( t ), içinden geçen bir Q ( t ) yükünün akış hızı olarak tanımlanır , ancak gerçek yükler - elektronlar - bir kapasitörün dielektrik katmanından geçemez. Bunun yerine, pozitif plakayı terk eden her biri için negatif plaka üzerinde bir elektron birikir, bu da elektron tükenmesine ve sonuçta bir elektrotta diğerinde biriken negatif yüke eşit ve zıt pozitif yüke neden olur. Bu nedenle, elektrotlar üzerindeki yük, yukarıda tartışıldığı gibi, akımın integraline eşit ve aynı zamanda voltaj ile orantılıdır. Herhangi biri gibi İlkel bir entegrasyon sabit başlangıç voltajı temsil eklenir V ( t 0 ). Bu, kapasitör denkleminin ayrılmaz şeklidir:

Bunun türevini alıp C ile çarpmak türev şeklini verir:

İkili kapasitör olan indüktör bir enerji depolayan, manyetik alan yerine bir elektrik alanı. Akım-gerilim ilişkisi, kondansatör denklemlerindeki akım ve gerilimin değişmesi ve C'nin endüktans L ile değiştirilmesi ile  elde edilir .

DC devreleri

Basit bir direnç-kapasitör devresi, bir kapasitörün şarj edilmesini gösterir.

Yalnızca bir direnç , bir kondansatör, bir anahtar ve V 0 sabit bir DC voltaj kaynağı içeren bir seri devre , şarj devresi olarak bilinir . Kondansatör başlangıçta yüksüz ise anahtar açıktır ve anahtar kapalı iken t 0 ondan izler, Kirchhoff gerilim yasa olduğunu

Türevini alarak ve ile çarpılmasıyla C , bir veren birinci dereceden diferansiyel denklem :

En t = 0, kapasitör üzerindeki gerilim sıfır olduğu ve karşı voltaj olan V 0 . Başlangıç ​​akımı bu durumda I (0) = V 0 / R'dir . Bu varsayımla, diferansiyel denklemin çözülmesi,

burada τ 0  = RC, sistemin zaman sabiti . Kondansatör, kaynak voltajı ile dengeye ulaştığında, direnç üzerindeki voltajlar ve tüm devre boyunca akım üssel olarak azalır . Boşaltma kapasitörü olması durumunda , kapasitörün başlangıç ​​voltajı (V Ci ) V 0'ın yerini alır . Denklemler olur

AC devreleri

Empedans , reaktans ve direncin vektör toplamı, belirli bir frekansta sinüzoidal olarak değişen voltaj ile sinüzoidal olarak değişen akım arasındaki faz farkını ve genlik oranını açıklar. Fourier analizi , herhangi bir sinyalin bir frekans spektrumundan oluşturulmasına izin verir , bu nedenle devrenin çeşitli frekanslara tepkisi bulunabilir. Bir kapasitörün reaktansı ve empedansı sırasıyla

burada j olan sanal birim ve ω olan açısal frekans sinüzoidal sinyalin. - j fazı, V  = ZI AC geriliminin AC akımını 90 ° geride bıraktığını gösterir : pozitif akım fazı, kapasitör şarj olurken artan gerilime karşılık gelir; sıfır akım, anlık sabit gerilime, vb. karşılık gelir.

Artan kapasitans ve artan frekans ile empedans azalır. Bu, daha yüksek frekanslı bir sinyalin veya daha büyük bir kapasitörün, akım genliği başına daha düşük bir voltaj genliği ile sonuçlandığı anlamına gelir - bir AC "kısa devre" veya AC bağlantısı . Tersine, çok düşük frekanslar için reaktans yüksektir, dolayısıyla bir kapasitör AC analizinde neredeyse açık bir devredir - bu frekanslar "filtrelenmiştir".

Kondansatörler, empedansın tanımlayıcı özellik ile ters orantılı olması bakımından dirençler ve indüktörlerden farklıdır; yani kapasitans .

Sinüzoidal bir voltaj kaynağına bağlı bir kapasitör, içinden bir yer değiştirme akımının akmasına neden olur. Gerilim kaynağının V 0 cos (ωt) olması durumunda, yer değiştirme akımı şu şekilde ifade edilebilir:

Günah (ωt) = -1'de, kapasitör bir maksimum (veya tepe) akıma sahiptir, bu nedenle I 0 = ωCV 0 . Tepe voltajının tepe akıma oranı, kapasitif reaktans (X C olarak gösterilir ) nedeniyledir.

Ω sonsuza yaklaştıkça X C sıfıra yaklaşır. X C 0'a yaklaşırsa, kapasitör akımı yüksek frekanslarda güçlü bir şekilde geçiren kısa bir kabloya benzer. C sıfıra yaklaştıkça X C sonsuza yaklaşır. X C sonsuza yaklaşırsa, kapasitör düşük frekansları zayıf bir şekilde geçen açık bir devreye benzer.

Kapasitörün akımı, kaynağın voltajıyla daha iyi karşılaştırmak için kosinüs şeklinde ifade edilebilir:

Bu durumda akım, gerilimle + π / 2 radyan veya +90 derece faz dışıdır, yani akım gerilimi 90 ° yönlendirir.

Laplace devre analizi (s-alanı)

Kullanırken Laplace dönüşümü devre analizde, ilk doldurmaya ideal bir kapasitörün empedansı temsil edilmektedir s etki için:

nerede

  • C kapasitans ve
  • s karmaşık frekanstır.

Devre analizi

Paralel kondansatörler için
Paralel olarak birkaç kapasitör
İki kapasitörün paralel bağlantısının çizimi
Paralel konfigürasyondaki kapasitörlerin her biri aynı uygulanan gerilime sahiptir. Kapasiteleri artar. Ücret, boyuta göre aralarında paylaştırılır. Paralel plakaları görselleştirmek için şematik diyagramı kullanarak, her kapasitörün toplam yüzey alanına katkıda bulunduğu açıktır.
Seri kondansatörler için
Seri olarak birkaç kapasitör
İki kapasitörün seri bağlantısının çizimi
Seri olarak bağlanan şematik diyagram, plaka alanının değil ayırma mesafesinin toplandığını ortaya koymaktadır. Kondansatörlerin her biri, serideki diğer tüm kondansatörlerinkine eşit anlık şarj birikimini depolar. Uçtan uca toplam voltaj farkı, kapasitansının tersine göre her kondansatöre paylaştırılır. Tüm seri , bileşenlerinden daha küçük bir kapasitör görevi görür .
Kondansatörler, örneğin yüksek voltajlı bir güç kaynağını yumuşatmak için daha yüksek bir çalışma voltajı elde etmek için seri olarak birleştirilir. Her kondansatör için kapasitans ve kaçak akımlar aynıysa, plaka ayrımına dayanan voltaj değerleri toplanır. Böyle bir uygulamada, ara sıra, seri diziler paralel bağlanarak bir matris oluşturur. Amaç, herhangi bir kondansatörü aşırı yüklemeden şebekenin enerji depolamasını maksimize etmektir. Seri haldeki kapasitörlerle yüksek enerjili depolama için, bir kapasitörün arızalanmasını ve sızan akımın diğer seri kapasitörlere çok fazla voltaj uygulamamasını sağlamak için bazı güvenlik hususları uygulanmalıdır.
Seri bağlantı bazen bipolar AC kullanımı için polarize elektrolitik kapasitörleri uyarlamak için de kullanılır.
Seriye paralel ağlarda gerilim dağılımı.
Seri haldeki kapasitör zincirine paralel bağlanmış tek şarjlı kapasitörden gerilim dağılımını modellemek için  :
Not: Bu yalnızca tüm kapasitans değerleri eşitse doğrudur.
Bu düzenlemede aktarılan güç:

İdeal olmayan davranış

Gerçek kapasitörler, ideal kapasitör denkleminden çeşitli şekillerde saparlar. Kaçak akım ve parazitik etkiler gibi bunlardan bazıları doğrusaldır veya neredeyse doğrusal olarak analiz edilebilir ve ideal bir kapasitörün eşdeğer devresine sanal bileşenler eklenerek çözülebilir . Genel ağ analizi yöntemleri daha sonra uygulanabilir. Kırılma gerilimi gibi diğer durumlarda, etki doğrusal değildir ve sıradan (normal, örneğin doğrusal) ağ analizi kullanılamaz, etki ayrı olarak ele alınmalıdır. Doğrusal olabilen ancak analizdeki kapasitansın sabit olduğu varsayımını geçersiz kılan başka bir grup daha vardır. Böyle bir örnek sıcaklık bağımlılığıdır. Son olarak, içsel endüktans, direnç veya dielektrik kayıplar gibi birleşik parazitik etkiler, değişken çalışma frekanslarında tek tip olmayan davranış sergileyebilir.

Arıza gerilimi

Dielektrik dayanımı E ds olarak bilinen belirli bir elektrik alan kuvvetinin üzerinde, bir kapasitördeki dielektrik iletken hale gelir. Bunun meydana geldiği gerilime, cihazın arıza gerilimi denir ve dielektrik dayanım ve iletkenler arasındaki ayrımın ürünü ile verilir,

Bir kondansatörde güvenli bir şekilde depolanabilecek maksimum enerji, arıza voltajı ile sınırlıdır. Dielektrik kalınlık ile kapasitans ve bozulma voltajının ölçeklendirilmesi nedeniyle, belirli bir dielektrik ile yapılan tüm kapasitörler , dielektrik hacimlerine hakim olduğu ölçüde, yaklaşık olarak eşit maksimum enerji yoğunluğuna sahiptir .

Hava dielektrik kapasitörleri için, arıza alan gücü 2–5 MV / m (veya kV / mm) düzeyindedir; için mika dökümü 100-300 PD / m'dir; yağ için, 15–25 MV / m; dielektrik için başka malzemeler kullanıldığında çok daha az olabilir. Dielektrik çok ince katmanlarda kullanılır ve bu nedenle kapasitörlerin mutlak bozulma gerilimi sınırlıdır. Genel elektronik uygulamaları için kullanılan tipik kapasitörler birkaç volt ile 1 kV arasında değişir. Voltaj arttıkça, dielektrik daha kalın olmalıdır, bu da yüksek voltajlı kondansatörleri daha düşük voltajlar için derecelendirilenlerden daha büyük kapasitans başına yapar.

Kırılma gerilimi, kapasitörün iletken parçalarının geometrisi gibi faktörlerden önemli ölçüde etkilenir; Keskin kenarlar veya noktalar, o noktada elektrik alan gücünü artırır ve yerel bir arızaya neden olabilir. Bu gerçekleşmeye başladığında, arıza, karşı plakaya ulaşana kadar hızlı bir şekilde dielektrik üzerinden izler, karbonu geride bırakır ve kısa (veya nispeten düşük dirençli) bir devreye neden olur. Kapasitördeki kısa devre çevredeki devreden akım çekip enerjiyi dağıttığı için sonuçlar patlayıcı olabilir. Bununla birlikte, belirli dielektriklere ve ince metal elektrotlara sahip kapasitörlerde, arızadan sonra kısa devreler oluşmaz. Bunun nedeni, bir metalin bir arıza bölgesinde erimesi veya buharlaşması ve onu kapasitörün geri kalanından izole etmesidir.

Olağan bozulma yolu, alan kuvvetinin dielektrikteki elektronları atomlarından çekecek ve böylece iletime neden olacak kadar büyük hale gelmesidir. Dielektrikteki safsızlıklar gibi başka senaryolar da mümkündür ve dielektrik kristal yapıda ise, kristal yapıdaki kusurlar yarı iletken cihazlarda görüldüğü gibi bir çığ kırılmasına neden olabilir . Arıza gerilimi ayrıca basınç, nem ve sıcaklıktan da etkilenir.

Eşdeğer devre

Gerçek bir kapasitörün iki farklı devre modeli

İdeal bir kapasitör, elektrik enerjisini hiçbir şey dağıtmadan depolar ve serbest bırakır. Gerçekte, tüm kapasitörler, kapasitörün malzemesinde direnç oluşturan kusurlara sahiptir. Bu, bir bileşenin eşdeğer seri direnci veya ESR'si olarak belirtilir . Bu, empedansa gerçek bir bileşen ekler:

Frekans sonsuza yaklaştıkça, kapasitif empedans (veya reaktans) sıfıra yaklaşır ve ESR önemli hale gelir. Reaktans önemsiz hale geldikçe, güç kaybı P RMS = V RMS 2 / R ESR'ye yaklaşır .

ESR'ye benzer şekilde, kapasitörün uçları , bileşene eşdeğer seri endüktans veya ESL ekler . Bu genellikle yalnızca nispeten yüksek frekanslarda önemlidir. Endüktif reaktans pozitif olduğundan ve frekansla arttığından, belirli bir frekansın üzerindeki kapasitans endüktans ile iptal edilir. Yüksek frekans mühendisliği, tüm bağlantıların ve bileşenlerin endüktansının hesaba katılmasını içerir.

İletkenler, mükemmel bir dielektrik yerine küçük bir iletkenliğe sahip bir malzeme ile ayrılırsa, o zaman doğrudan aralarında küçük bir kaçak akım akar. Bu nedenle kapasitör, sonlu bir paralel dirence sahiptir ve zamanla yavaşça boşalır (zaman, kapasitör malzemesine ve kalitesine bağlı olarak büyük ölçüde değişebilir).

Q faktörü

Kalite faktörü (veya Q, bir kapasitör) belirli bir frekansta direnci olan reaktans oranıdır, ve etkinliğinin bir ölçüsüdür. Kapasitörün Q faktörü ne kadar yüksekse, ideal bir kapasitörün davranışına o kadar yaklaşır.

Bir kapasitörün Q faktörü aşağıdaki formülle bulunabilir:

burada bir açısal frekans , kapasitansı, bir kapasitif reaktans ve kondansatör eşdeğer seri direnç (ESR) 'dir.

Dalgalanma akımı

Dalgalanma akımı, frekansı sabit veya değişken olabilen, uygulanan bir kaynağın (genellikle anahtarlamalı bir güç kaynağı ) AC bileşenidir . Dalgalanma akımı, hafif dirençli besleme hatları veya kapasitördeki elektrolit boyunca akım akışı ile birlikte değişen alan gücünün neden olduğu dielektrik kayıplar nedeniyle kapasitör içinde ısı üretilmesine neden olur. Eşdeğer seri direnç (ESR), bunu modellemek için mükemmel bir kondansatöre eklenecek dahili seri direnç miktarıdır.

Başta tantal ve alüminyum elektrolitik kapasitörler olmak üzere bazı kapasitör türleri ve bazı film kapasitörler , maksimum dalgalanma akımı için belirli bir derecelendirme değerine sahiptir.

  • Katı manganez dioksit elektroliti içeren tantal elektrolitik kapasitörler, dalgalanma akımı ile sınırlıdır ve genellikle kapasitör ailesindeki en yüksek ESR değerlerine sahiptir. Dalgalanma sınırlarını aşmak, kısa devre ve yanma parçalarına neden olabilir.
  • En yaygın elektrolitik tip olan alüminyum elektrolitik kapasitörler, daha yüksek dalgalanma akımlarında ömür beklentisinde kısalmaya maruz kalır. Dalgalanma akımı kapasitörün nominal değerini aşarsa, patlayıcı arızaya neden olma eğilimindedir.
  • Seramik kapasitörler genellikle dalgalanma akımı sınırlamasına sahip değildir ve en düşük ESR değerlerinden bazılarına sahiptir.
  • Film kapasitörleri çok düşük ESR değerlerine sahiptir, ancak nominal dalgalanma akımının aşılması bozulma arızalarına neden olabilir.

Kapasite dengesizliği

Bileşen eskidikçe belirli kapasitörlerin kapasitansı azalır. Olarak seramik kapasitörler , yalıtkan bozulması neden olur. Dielektrik türü, ortam çalışma ve depolama sıcaklıkları en önemli yaşlanma faktörleri iken, çalışma voltajı genellikle daha küçük bir etkiye sahiptir, yani normal kapasitör tasarımı voltaj katsayısını en aza indirmektir. Yaşlanma süreci, bileşenin Curie noktasının üzerinde ısıtılmasıyla tersine çevrilebilir . Yaşlanma, bileşenin kullanım ömrünün başlangıcına yakın en hızlıdır ve cihaz zamanla stabilize olur. Elektrolit buharlaştıkça elektrolitik kapasitörler yaşlanır . Seramik kapasitörlerin aksine, bu, bileşenin ömrünün sonuna doğru gerçekleşir.

Kapasitansın sıcaklık bağımlılığı genellikle ° C başına milyonda parça (ppm) olarak ifade edilir. Genellikle geniş bir doğrusal fonksiyon olarak alınabilir, ancak aşırı sıcaklıklarda fark edilir derecede doğrusal olmayabilir. Sıcaklık katsayısı, bazen aynı türden farklı örnekler arasında bile pozitif veya negatif olabilir. Başka bir deyişle, sıcaklık katsayıları aralığındaki yayılma sıfırı kapsayabilir.

Kapasitörler, özellikle seramik kapasitörler ve kağıt kapasitörler gibi eski tasarımlar ses dalgalarını emerek mikrofonik bir etkiye neden olabilir. Titreşim plakaları hareket ettirerek kapasitansın değişmesine neden olarak AC akımını indükler. Bazı dielektrikler ayrıca piezoelektrik de üretir . Ortaya çıkan girişim, özellikle ses uygulamalarında sorunludur ve potansiyel olarak geri beslemeye veya istenmeyen kayda neden olur. Ters mikrofonik etkide, kapasitör plakaları arasındaki değişen elektrik alanı, onları bir hoparlör olarak hareket ettiren fiziksel bir kuvvet uygular. Bu işitilebilir ses üretebilir, ancak enerjiyi tüketir ve varsa dielektrik ve elektroliti zorlar.

Akım ve gerilimin tersine çevrilmesi

Akımın tersine çevrilmesi, akım yön değiştirdiğinde gerçekleşir. Gerilimin tersine çevrilmesi, bir devredeki polaritenin değişmesidir. Ters çevirme genellikle, polariteyi tersine çeviren maksimum nominal gerilimin yüzdesi olarak tanımlanır. DC devrelerinde, bu genellikle% 100'den azdır, genellikle% 0 ila% 90 aralığındadır, oysa AC devreleri% 100 geri dönüş yaşar.

DC devrelerde ve darbeli devrelerde, akım ve gerilimin tersine çevrilmesi sistemin sönümlemesinden etkilenir . Gerilim ters karşılaşılan RLC devrelerinin edilir underdamped . Akım ve gerilim ters yönü, endüktans ve kapasitans arasında harmonik bir osilatör oluşturur . Akım ve voltaj salınım eğilimindedir ve sistem dengeye ulaşıncaya kadar her tepe öncekinden daha düşük olmak üzere birkaç kez yön değiştirebilir. Bu genellikle zil sesi olarak adlandırılır . Buna karşılık, kritik sönümlü veya aşırı sönümlü sistemler genellikle voltajın tersine çevrilmesi ile karşılaşmaz. Ters dönme, tepe akımın her yönde eşit olduğu AC devrelerinde de görülür.

Maksimum ömür için, kapasitörlerin genellikle bir sistemin yaşayabileceği maksimum ters çevirme miktarını işleyebilmesi gerekir. Bir AC devresi% 100 voltaj tersine çevrilirken, düşük sönümlü DC devreleri% 100'den daha azını deneyimlemektedir. Ters çevirme, dielektrikte fazla elektrik alanları yaratır, hem dielektrik hem de iletkenlerin aşırı ısınmasına neden olur ve kapasitörün ömrünü önemli ölçüde kısaltabilir. Ters derecelendirmeler, genellikle, dielektrik malzemeler ve voltaj derecelendirmelerinden kullanılan dahili bağlantı türlerine kadar kapasitör için tasarım hususlarını etkiler.

Dielektrik absorpsiyon

Her tür dielektrik malzemeden yapılan kapasitörler, bir miktar " dielektrik absorpsiyon " veya "ıslanma" gösterir. Bir kondansatörün boşaltılması ve bağlantısının kesilmesi üzerine, kısa bir süre sonra dielektrikteki histerezise bağlı olarak bir voltaj gelişebilir. Bu etki, hassas örnekleme ve tutma devreleri veya zamanlama devreleri gibi uygulamalarda sakıncalıdır . Soğurma, zamana bağlı bir süreç olduğundan, emilim düzeyi, tasarım hususlarından şarj süresine kadar birçok faktöre bağlıdır. Bununla birlikte, birincil faktör, dielektrik malzemenin türüdür. Tantal elektrolitik veya polisülfon film gibi kapasitörler , nispeten yüksek absorpsiyon sergilerken, polistiren veya Teflon çok küçük seviyelerde absorpsiyona izin verir. Gaz tüpleri , televizyon setleri ve defibrilatörler gibi tehlikeli voltajların ve enerjilerin bulunduğu bazı kapasitörlerde , dielektrik absorpsiyon, kapasitör kısa devre edildikten veya deşarj edildikten sonra tehlikeli voltajlara yeniden şarj edebilir. 10 jul'den fazla enerji içeren herhangi bir kapasitör genellikle tehlikeli olarak kabul edilirken, 50 joule veya üzeri potansiyel olarak ölümcüldür. Bir kapasitör, birkaç dakikalık bir süre içinde orijinal şarjının% 0.01 ila% 20'sini geri kazanabilir ve bu da görünüşte güvenli bir kapasitörün şaşırtıcı derecede tehlikeli hale gelmesine izin verir.

Sızıntı

Sızıntı, kondansatöre paralel bir dirence eşdeğerdir. Sürekli ısıya maruz kalma, dielektrik bozulmasına ve aşırı sızıntıya neden olabilir; bu, özellikle yağlı kağıt ve folyo kapasitörlerinin kullanıldığı eski vakum tüp devrelerinde sıklıkla görülen bir sorundur. Birçok vakumlu tüp devresinde, bir tüpün plakasından bir sonraki aşamanın şebeke devresine değişen bir sinyal iletmek için kademeler arası kuplaj kapasitörleri kullanılır. Sızdıran bir kapasitör, şebeke devresi voltajının normal önyargı ayarından yükselmesine neden olarak aşağı akış tüpünde aşırı akıma veya sinyal bozulmasına neden olabilir. Güç amplifikatörlerinde bu, plakaların kırmızı yanmasına veya akım sınırlayıcı dirençlerin aşırı ısınmasına, hatta bozulmasına neden olabilir. Bileşen fabrikasyon katı hal (transistör) amplifikatörleri için de benzer hususlar geçerlidir, ancak daha düşük ısı üretimi ve modern polyester dielektrik bariyerlerin kullanılması nedeniyle bir zamanlar yaygın olan bu sorun nispeten nadir hale gelmiştir.

Kullanılmamaktan kaynaklanan elektrolitik arıza

Alüminyum elektrolitik kondansatörler edilir şartına uygun iç kimyasal durumunu başlatmak için yeterli bir gerilim uygulanarak üretildiği zaman. Bu durum, ekipmanın düzenli kullanımı ile korunur. Elektrolitik kapasitörler kullanan bir sistem uzun bir süre kullanılmazsa , kondisyonunu kaybedebilir . Bazen bir sonraki çalıştırmada kısa devre ile başarısız olurlar.

Ömür

Tüm kapasitörler, yapılarına, çalışma koşullarına ve çevresel koşullara bağlı olarak değişen ömürlere sahiptir. Katı hal seramik kapasitörler, titreşim veya ortam sıcaklığı gibi faktörlere çok az bağımlı olan normal kullanımda genellikle çok uzun ömürlüdür, ancak nem, mekanik stres ve yorgunluk gibi faktörler arızalarında birincil rol oynar. Hata modları farklılık gösterebilir. Bazı kapasitörler kademeli bir kapasite kaybı, artan sızıntı veya eşdeğer seri dirençte (ESR) bir artış yaşayabilirken, diğerleri aniden veya hatta felaketle arızalanabilir . Örneğin, metal film kapasitörler stres ve nemden kaynaklanan hasara daha yatkındır, ancak dielektrikte bir arıza meydana geldiğinde kendi kendine iyileşir. Arıza noktasında bir kızdırma deşarjının oluşması, o noktadaki metalik filmi buharlaştırarak ark oluşumunu önler, herhangi bir kısa devreyi minimum kapasite kaybı ile nötralize eder. Filmde yeterli sayıda iğne deliği biriktiğinde, bir metal film kapasitöründe genel bir arıza meydana gelir ve genellikle herhangi bir uyarı olmaksızın aniden meydana gelir.

Elektrolitik kapasitörler genellikle en kısa ömre sahiptir. Elektrolitik kapasitörler titreşim veya nemden çok az etkilenir, ancak ortam ve çalışma sıcaklıkları gibi faktörler, arızalarında büyük bir rol oynar, bu da ESR'de (% 300'e kadar) bir artış ve% 20'ye varan bir azalma şeklinde kademeli olarak meydana gelir. kapasite. Kapasitörler, sonunda contalardan yayılan ve buharlaşan elektrolitler içerir. Sıcaklıktaki artış aynı zamanda iç basıncı da arttırır ve kimyasalların reaksiyon hızını arttırır. Bu nedenle, bir elektrolitik kapasitörün ömrü genellikle , kimyasal reaksiyon oranlarını belirlemek için kullanılan Arrhenius denkleminin bir modifikasyonu ile tanımlanır :

Üreticiler genellikle bu denklemi, hem ortam sıcaklığından, ESR'den hem de dalgalanma akımından etkilenen tasarlanmış çalışma sıcaklıklarında kullanıldıklarında elektrolitik kapasitörler için saat cinsinden beklenen bir ömür sağlamak için kullanırlar. Ancak bu ideal koşullar her kullanımda olmayabilir. Farklı kullanım koşulları altında yaşam süresini tahmin etmenin temel kuralı şu şekilde belirlenir:

Bu, sıcaklığın arttığı her 10 santigrat derece için kapasitörün ömrünün yarı yarıya azaldığını söylüyor, burada:

  • nominal koşullar altındaki nominal ömür, örneğin 2000 saat
  • nominal maks / min çalışma sıcaklığıdır
  • ortalama çalışma sıcaklığı
  • belirli koşullar altında beklenen ömür

Kondansatör türleri

Pratik kapasitörler ticari olarak birçok farklı biçimde mevcuttur. Dahili dielektrik tipi, plakaların yapısı ve cihaz ambalajı, kapasitörün özelliklerini ve uygulamalarını büyük ölçüde etkiler.

Mevcut değerler, çok düşük (picofarad aralığı; isteğe bağlı olarak düşük değerler prensipte mümkün iken, herhangi bir devrede başıboş (parazitik) kapasitans sınırlayıcı faktördür) ila yaklaşık 5 kF süperkapasitörler arasında değişir .

Yaklaşık 1 mikrofarad elektrolitik kapasitörler, nispeten zayıf stabiliteleri, ömürleri ve polarize yapıları onları uygunsuz hale getirmedikçe, diğer tiplere kıyasla küçük boyutları ve düşük maliyetleri nedeniyle genellikle kullanılır. Çok yüksek kapasiteli süper kapasitörler, gözenekli karbon bazlı bir elektrot malzemesi kullanır.

Dielektrik malzemeler

Kondansatör malzemeleri. Soldan: çok katmanlı seramik, seramik disk, çok katmanlı polyester film, boru şeklinde seramik, polistiren, metalize polyester film, alüminyum elektrolitik. Büyük ölçek bölümleri santimetre cinsindendir.

Çoğu kondansatör, kapasitanslarını hava veya vakuma kıyasla artıran bir dielektrik aralayıcıya sahiptir. Bir kapasitörün tutabileceği yükü maksimize etmek için, dielektrik malzemenin mümkün olduğu kadar yüksek bir geçirgenliğe sahip olması ve aynı zamanda mümkün olduğu kadar yüksek bir kırılma gerilimine sahip olması gerekir. Dielektrik ayrıca mümkün olduğunca frekansla birlikte düşük bir kayba sahip olmalıdır.

Bununla birlikte, son derece yüksek voltajlı çalışmaya ve düşük kayıplara izin vermek için plakaları arasında bir vakumla düşük değerli kapasitörler mevcuttur. Plakaları atmosfere açık olan değişken kapasitörler , radyo ayarlama devrelerinde yaygın olarak kullanılmıştır. Daha sonraki tasarımlar, hareketli ve sabit plakalar arasında polimer folyo dielektrik kullanır ve plakalar arasında önemli bir hava boşluğu yoktur.

Kağıt , plastik , cam , mika ve seramik dahil olmak üzere birçok katı dielektrik mevcuttur .

Kağıt, eski kapasitörlerde yaygın olarak kullanılmıştır ve nispeten yüksek voltaj performansı sunar. Bununla birlikte, kağıt nemi emer ve büyük ölçüde plastik film kapasitörlerle değiştirilmiştir .

Şu anda kullanılan plastik filmlerin çoğu, yağlı kağıt gibi daha eski dielektriklerden daha iyi stabilite ve yaşlanma performansı sunmaktadır, bu da onları zamanlayıcı devrelerinde yararlı kılar, ancak plastiğin sınırlamaları nedeniyle nispeten düşük çalışma sıcaklıkları ve frekansları ile sınırlı olabilirler. film kullanılıyor. Büyük plastik film kapasitörler, bastırma devrelerinde, motor başlatma devrelerinde ve güç faktörü düzeltme devrelerinde yaygın olarak kullanılır .

Seramik kapasitörler genellikle küçük, ucuz ve yüksek frekanslı uygulamalar için kullanışlıdır, ancak kapasitansları voltaj ve sıcaklıkla büyük ölçüde değişir ve zayıf yaşlanırlar. Ayrıca piezoelektrik etkiden de zarar görebilirler. Seramik kapasitörler , daha yüksek voltajda çalışabilen sıcaklık veya sınıf 2 dielektriklerle öngörülebilir kapasite değişimine sahip sınıf 1 dielektrikler olarak genel olarak kategorize edilir . Modern çok katmanlı seramikler genellikle oldukça küçüktür, ancak bazı türler doğası gereği geniş değer toleranslarına, mikrofonik sorunlara sahiptir ve genellikle fiziksel olarak kırılgandır.

Cam ve mika kapasitörler son derece güvenilir, kararlı ve yüksek sıcaklıklara ve gerilimlere toleranslıdır, ancak çoğu ana uygulama için çok pahalıdır.

Elektrolitik kapasitörler ve süperkapasitörler , sırasıyla küçük ve daha büyük miktarlarda enerji depolamak için kullanılır, seramik kapasitörler genellikle rezonatörlerde kullanılır ve parazitik kapasitans , basit iletken-yalıtkan-iletken yapısının, devre düzeninin konfigürasyonu tarafından istenmeden oluşturulduğu devrelerde meydana gelir. .

Değişken kapasiteye sahip üç alüminyum elektrolitik kondansatör.

Elektrolitik kapasitörler , oksit dielektrik tabakalı bir alüminyum veya tantal plaka kullanır . İkinci elektrot, devreye başka bir folyo plaka ile bağlanan sıvı bir elektrolittir . Elektrolitik kapasitörler çok yüksek kapasitans sunar ancak düşük toleranslar, yüksek dengesizlik, özellikle ısıya maruz kaldıklarında kademeli kapasite kaybı ve yüksek kaçak akımdan muzdariptir. Düşük kaliteli kapasitörler , baskılı devre kartları için zararlı olan elektrolit sızdırabilir. Elektrolitin iletkenliği düşük sıcaklıklarda düşer, bu da eşdeğer seri direnci artırır. Güç kaynağı koşullandırması için yaygın olarak kullanılsa da, zayıf yüksek frekans özellikleri onları birçok uygulama için uygunsuz hale getirir. Elektrolitik kapasitörler, bir süre (yaklaşık bir yıl) kullanılmazsa kendi kendine bozunmaya uğrar ve tam güç uygulandığında kısa devre yapabilir, kapasitör kalıcı olarak hasar görebilir ve genellikle bir sigortayı atabilir veya doğrultucu diyotların arızalanmasına neden olabilir. Örneğin, eski ekipmanda bu, redresör tüplerinde ark oluşumuna neden olabilir. AC gücü sağlamak için değişken bir transformatör kullanılarak otuz dakikalık bir süre boyunca genellikle antika vakumlu tüp ekipmanında gerçekleştirilen çalışma voltajı kademeli olarak uygulanarak kullanımdan önce geri yüklenebilirler . Bu tekniğin kullanımı, normal güç aralığının altında çalışarak hasar görebilecek bazı katı hal ekipmanı için daha az tatmin edici olabilir ve ilk önce güç kaynağının tüketici devrelerden izole edilmesini gerektirir. Bu tür çözümler, düşük girişle bile tam çıkış voltajı ürettikleri için modern yüksek frekanslı güç kaynaklarına uygulanamayabilir.

Tantal kapasitörler, alüminyumdan daha iyi frekans ve sıcaklık özellikleri sunar, ancak daha yüksek dielektrik emilimi ve sızıntısı vardır.

Polimer kapasitörler (OS-CON, OC-CON, KO, AO) elektrolit olarak katı iletken polimer (veya polimerize organik yarı iletken) kullanır ve standart elektrolitik kapasitörlerden daha yüksek maliyetle daha uzun ömür ve daha düşük ESR sunar .

Bir geçiş kapasitörü , ana kullanımı olarak hizmet etmemekle birlikte, kapasitansa sahip olan ve iletken bir tabaka aracılığıyla sinyalleri iletmek için kullanılan bir bileşendir.

Uzmanlık gerektiren uygulamalar için birkaç başka tip kapasitör mevcuttur. Süper kapasitörler büyük miktarda enerji depolar. Karbon aerojel , karbon nanotüpler veya oldukça gözenekli elektrot malzemelerinden yapılan süper kapasitörler, son derece yüksek kapasitans (2010 itibariyle 5 kF'ye kadar) sunar ve şarj edilebilir piller yerine bazı uygulamalarda kullanılabilir . Alternatif akım kapasitörleri, hat (ana şebeke) voltajlı AC güç devrelerinde çalışmak üzere özel olarak tasarlanmıştır. Genellikle elektrik motoru devrelerinde kullanılırlar ve genellikle büyük akımları idare etmek için tasarlanırlar, bu nedenle fiziksel olarak büyük olma eğilimindedirler. Genellikle kolayca topraklanabilen / topraklanabilen metal kasalarda, sağlam bir şekilde paketlenirler. Ayrıca , maksimum AC geriliminin en az beş katı doğru akım arıza gerilimleri ile tasarlanmıştır .

Gerilime bağlı kapasitörler

Bir dizi çok kullanışlı dielektrik için dielektrik sabiti, uygulanan elektrik alanının bir fonksiyonu olarak değişir, örneğin ferroelektrik malzemeler, bu nedenle bu cihazların kapasitansı daha karmaşıktır. Örneğin, böyle bir kapasitörün şarj edilmesinde, şarjla voltajdaki diferansiyel artış aşağıdakiler tarafından yönetilir:

burada kapasitansın voltaj bağımlılığı, C ( V ), kapasitansın, geniş bir alanda paralel plaka cihazı ε = V / d ile verilen elektrik alan gücünün bir fonksiyonu olduğunu gösterir . Bu alan dielektriği polarize eder; bu, bir ferroelektrik durumunda polarizasyon, elektrik alanın doğrusal olmayan S- şekilli bir fonksiyonudur, bu, geniş alanlı bir paralel plaka cihazı durumunda, doğrusal olmayan bir fonksiyon olan bir kapasitansa dönüşür. voltajın.

Gerilime bağlı kapasitansa karşılık gelen, kapasitörün gerilim V'ye yüklenmesi için bir integral ilişki bulunur:

bu, yalnızca C , V gerilimine bağlı olmadığında Q = CV ile uyumludur .

Aynı şekilde, kondansatörde depolanan enerji şu anda

Entegrasyon:

entegrasyon sırasının değiş tokuşunun kullanıldığı yer.

Bir ferroelektrik yüzey boyunca taranan bir mikroskop sondasının doğrusal olmayan kapasitansı, ferroelektrik malzemelerin alan yapısını incelemek için kullanılır.

Voltaja bağlı kapasitansın bir başka örneği, yarı iletken diyotlar gibi yarı iletken cihazlarda meydana gelir ; burada voltaj bağımlılığı dielektrik sabitindeki bir değişiklikten değil, kapasitörün iki tarafındaki yükler arasındaki aralığın voltaj bağımlılığından kaynaklanır. Bu etkiden kasıtlı olarak varikap olarak bilinen diyot benzeri cihazlarda yararlanılır .

Frekansa bağlı kapasitörler

Bir kondansatör, yeterince hızlı değişen bir zamanla değişen voltajla çalıştırılırsa, bazı frekanslarda dielektriğin polarizasyonu voltajı takip edemez. Bu mekanizmanın kökenine bir örnek olarak, dielektrik sabitine katkıda bulunan dahili mikroskobik dipoller anında hareket edemez ve bu nedenle uygulanan alternatif voltajın frekansı arttıkça, dipol tepkisi sınırlanır ve dielektrik sabiti azalır. Frekansla değişen bir dielektrik sabiti, dielektrik dispersiyon olarak adlandırılır ve Debye gevşemesi gibi dielektrik gevşeme süreçleri tarafından yönetilir . Geçici koşullar altında, yer değiştirme alanı şu şekilde ifade edilebilir (bkz. Elektrik duyarlılığı ):

prensipte temelde yatan bir mikroskobik analizden, örneğin dielektrikteki dipol davranışından hesaplanan ε r'nin zamana bağlılığı ile yanıttaki gecikmeyi gösterir . Örneğin, doğrusal tepki fonksiyonuna bakınız . İntegral, tüm geçmiş tarih boyunca günümüze kadar uzanır. Zaman içinde bir Fourier dönüşümü şu sonuçlarla sonuçlanır:

burada ε r ( ω ), ortam tarafından alandan enerjinin soğurulmasıyla ilgili hayali bir kısmı olan karmaşık bir fonksiyondur . Geçirgenliği görün . Dielektrik sabiti ile orantılı olan kapasitans da bu frekans davranışını sergiler. Fourier, yer değiştirme alanı için bu formla Gauss yasasını dönüştürüyor:

burada j olan sanal birim , V ( ω ) açısal frekans voltaj bileşenidir w , G ( ω ) 'dir , gerçek olarak adlandırılan akımın bir parçası iletkenliği ve Cı- ( ω ) belirlemektedir hayali akımın bir kısmını ve bir kapasitans . Z ( ω ) karmaşık empedanstır.

Bir paralel plakalı kapasitör bir dielektrik ile doldurulduğunda, ortamın dielektrik özelliklerinin ölçümü aşağıdaki ilişkiye dayanır:

Tek burada asal gerçek kısmı ve bir çift belirtmektedir asal sanal kısmı, Z, ( ω ), dielektrik mevcut kompleks empedansı CMPLX ( ω ) diye adlandırılan karmaşık dielektrik mevcut olan kapasitans ve Cı- 0 olduğu dielektriksiz kapasitans. ("Dielektrik olmadan" ölçüm, prensip olarak boş alanda ölçüm anlamına gelir ; kuantum vakumunun bile dikroizm gibi ideal olmayan davranışlar sergileyeceği tahmin edildiği için ulaşılamaz bir hedef . Pratik amaçlar için, ölçüm hataları hesaba katıldığında, genellikle bir ölçüm karasal vakumda veya basitçe bir C 0 hesaplaması yeterince doğrudur.)

Bu ölçüm yöntemini kullanarak, dielektrik sabiti, dielektrik sabitine katkıda bulunanların karakteristik yanıt frekanslarına (uyarma enerjileri) karşılık gelen belirli frekanslarda bir rezonans sergileyebilir . Bu rezonanslar, kusurları tespit etmek için bir dizi deneysel tekniğin temelini oluşturur. İletkenlik yöntem , frekansın bir fonksiyonu olarak ısının abzorbsiyonunu ölçer. Alternatif olarak, kapasitansın zaman cevabı, derin seviye geçici spektroskopide olduğu gibi doğrudan kullanılabilir .

Frekansa bağlı kapasitansın bir başka örneği, MOS kapasitörlerinde meydana gelir; burada, azınlık taşıyıcıların yavaş üretimi, yüksek frekanslarda kapasitansın yalnızca çoğunluk taşıyıcı yanıtını ölçerken, düşük frekanslarda her iki tipte taşıyıcı yanıt verdiği anlamına gelir.

Optik frekanslarda, yarı iletkenlerde dielektrik sabiti katının bant yapısıyla ilgili yapı sergiler. Kristal yapının basınçla veya diğer streslerle modüle edilmesine ve ışığın soğurulması veya yansımasındaki ilgili değişiklikleri gözlemlemeye dayanan gelişmiş modülasyon spektroskopi ölçüm yöntemleri, bu malzemeler hakkındaki bilgilerimizi ilerletmiştir.

Tarzlar

Kapasitör paketleri: Sol üstte SMD seramik; Sol altta SMD tantal; sağ üstte delikli tantal; sağ altta delikli elektrolitik. Büyük ölçek bölümleri cm'dir.

Plakaların ve dielektriklerin düzenlenmesi, kapasitörün istenen değerlerine bağlı olarak farklı tarzlarda birçok varyasyona sahiptir. Küçük kapasitans değerleri için (mikrofaradlar ve daha az), seramik diskler kaplamaya bağlı tel uçları olan metalik kaplamalar kullanır. Birden fazla plaka ve disk yığınıyla daha büyük değerler elde edilebilir. Daha büyük değerli kapasitörler genellikle plakaları yapmak için bir dielektrik filmin yüzeyinde biriktirilmiş bir metal folyo veya metal film tabakası ve emdirilmiş kağıt veya plastikten bir dielektrik film kullanır - bunlar yerden tasarruf etmek için sarılır. Uzun plakalar için seri direnci ve endüktansı azaltmak için, plakalar ve dielektrik, plakaları oluşturan folyo veya metalize film şeritlerinin uçlarında değil, haddelenmiş plakaların ortak kenarında bağlantı yapılacak şekilde kademelendirilir.

Montaj, yalıtkanlığa nem girmesini önlemek için kapatılmıştır - erken radyo ekipmanı, balmumu ile kapatılmış bir karton tüp kullanmıştır. Modern kağıt veya film dielektrik kapasitörler sert bir termoplastik içine daldırılır. Yüksek voltajlı kullanım için büyük kapasitörler, cıvatalı terminaller ve bağlantılar için burçlar ile dikdörtgen bir metal kasaya sığacak şekilde sıkıştırılmış rulo formuna sahip olabilir. Daha büyük kapasitörlerdeki dielektrik, özelliklerini iyileştirmek için genellikle bir sıvı ile emprenye edilir.

Birkaç eksenel kurşun elektrolitik kapasitör

Kapasitörler, örneğin eksenel veya radyal olarak birçok konfigürasyonda düzenlenmiş bağlantı uçlarına sahip olabilir. "Eksenel", uçların ortak bir eksende, tipik olarak kapasitörün silindirik gövdesinin ekseninde olduğu anlamına gelir - uçlar zıt uçlardan uzanır. Radyal uçlar nadiren vücudun dairesinin yarıçapları boyunca hizalanır, bu nedenle bu terim gelenekseldir. Uçlar (bükülene kadar) genellikle kapasitörün düz gövdesine paralel düzlemlerdedir ve aynı yönde uzanır; üretildikleri gibi genellikle paraleldirler.

Küçük, ucuz diskoid seramik kapasitörler 1930'lardan itibaren var olmuştur ve yaygın olarak kullanılmaktadır. 1980'lerden sonra, kapasitörler için yüzeye montaj paketleri yaygın olarak kullanılmıştır. Bu paketler son derece küçüktür ve bağlantı uçlarından yoksundur, bu da doğrudan baskılı devre kartlarının yüzeyine lehimlenmelerine izin verir . Yüzeye montaj bileşenleri, uçlar nedeniyle istenmeyen yüksek frekanslı etkileri önler ve otomatik montajı basitleştirir, ancak küçük boyutları nedeniyle manuel işlem zorlaştırılır.

Mekanik olarak kontrol edilen değişken kapasitörler, örneğin bir dizi hareketli plakayı bir dizi sabit plaka ile hizalanacak şekilde döndürerek veya kaydırarak plaka aralığının ayarlanmasına izin verir. Düşük maliyetli değişken kapasitörler, alternatif alüminyum ve plastik katmanlarını bir vida ile sıkıştırır . Kapasitansın elektriksel kontrolü , tükenme bölgesi genişliği uygulanan gerilime göre değişen ters taraflı yarı iletken diyotlar olan varaktörler (veya varikaplar) ile elde edilebilir . Bunlar kullanılan faz kilitlemeli döngüleri , diğer uygulamalar arasında,.

Kondansatör işaretleri

Çoğu kondansatör, elektriksel özelliklerini belirtmek için gövdelerine basılmış işaretlere sahiptir. Elektrolitik tipler gibi daha büyük kapasitörler genellikle kapasitansı, örneğin 220 μF gibi açık birim ile değer olarak görüntüler . Seramik türleri gibi daha küçük kapasitörler, üç basamaktan ve bir harften oluşan bir kısaltma notasyonu kullanır; burada rakamlar ( XYZ ), XY × 10 Z olarak hesaplanan kapasitansı picofarad (pF) olarak belirtir ve harf toleransı gösterir. Ortak toleranslar ±% 5, ±% 10 ve ±% 20'dir ve sırasıyla J, K ve M'yi belirtir.

Bir kapasitör ayrıca çalışma voltajı, sıcaklığı ve diğer ilgili özellikleriyle etiketlenebilir.

Tipografik nedenlerden ötürü, bazı üreticiler MF'yi mikrofaradları (μF) belirtmek için kondansatörlere yazdırır .

Misal

Etiketli veya belirlenen bir kondansatör 473K 330V lık bir kapasitansa sahiptir 47 x 10 3  pF = 47 nF bir kapasitör 330 V. çalışma gerilimi maksimum çalışma gerilimi ile boyunca tatbik edilebilir en yüksek voltaj nominal olarak (± 10%) dielektrik tabakayı aşırı kırma riski olmadan.

RKM kodu

Bir devre şemasında bir kapasitörün değerini belirtme notasyonu değişir. RKM kodu aşağıdaki IEC 60062 ve BS 1852 bir kullanmaktan kaçınır ondalık ayırıcı ve özel bir değere (ve harf için SI öneki sembolüyle ondalık ayırıcı değiştirir F ağırlığı 1 için). Örnek: 4n7 4.7 nF veya için 2F2 2.2 F için

Tarihi

1960'lardan önceki metinlerde ve daha yakın zamana kadar bazı kapasitör paketlerinde, eskimiş kapasitans birimleri elektronik kitaplarda, dergilerde ve elektronik kataloglarda kullanıldı. Eski birimler "mfd" ve "mf", mikrofarad (μF) anlamına geliyordu ; ve eski birimler "mmfd", "MMF", "uuf", "μμf" kastedilmektedir "PFD" picofarad (pF) ancak artık nadiren kullanılıyorlar. Ayrıca, "Micromicrofarad" veya "micro-microfarad", bazı eski metinlerde bulunan ve picofarad'a (pF) eşdeğer olan eski birimlerdir .

Eski kapasitans birimlerinin özeti: (büyük / küçük harf varyasyonları gösterilmemiştir)

  • μF (mikrofarad) = mf, mfd
  • pF (picofarad) = mmf, mmfd, pfd, μμF

Başvurular

Bu mylar film, yağla doldurulmuş kapasitör, bir boya lazeri çalıştırmak için gereken yüksek güç (70 megawatt) ve yüksek hızlı (1.2 mikrosaniye) deşarj sağlamak için çok düşük endüktansa ve düşük dirence sahiptir .

Enerji depolama

Bir kapasitör, şarj devresiyle bağlantısı kesildiğinde elektrik enerjisini depolayabilir, böylece geçici bir pil gibi veya diğer şarj edilebilir enerji depolama sistemi türleri gibi kullanılabilir . Kapasitörler, piller değiştirilirken güç kaynağını korumak için elektronik cihazlarda yaygın olarak kullanılır. (Bu, geçici bellekte bilgi kaybını önler.)

Bir kapasitör, yüklü parçacıkların kinetik enerjisinin elektrik enerjisine dönüştürülmesini kolaylaştırabilir ve depolayabilir.

Geleneksel kapasitörler kilogram başına 360 joule'den daha az spesifik enerji sağlarken, geleneksel bir alkalin pilin yoğunluğu 590 kJ / kg'dır. Bir ara çözüm var: Akülerden çok daha hızlı şarjı kabul edip teslim edebilen ve şarj edilebilir pillere göre çok daha fazla şarj ve deşarj döngüsünü tolere edebilen süper kapasitörler. Bununla birlikte, belirli bir şarj için geleneksel pillerden 10 kat daha büyüktürler. Öte yandan, ince film kapasitörün dielektrik katmanında depolanan yük miktarının, plakalarında depolanan yük miktarına eşit olabileceği veya hatta bunu aşabileceği gösterilmiştir.

Gelen oto ses sistemleri, büyük kapasitörler için enerji depolamak yükseltici talep üzerine kullanılmak üzere. Ayrıca, bir flaş tüp için , yüksek voltajı tutmak için bir kondansatör kullanılır .

Dijital hafıza

1930'larda John Atanasoff , mantık için elektron tüpleri kullanan ilk ikili bilgisayarlar için dinamik dijital bellekler oluşturmak için kapasitörlerde enerji depolama ilkesini uyguladı.

Darbeli güç ve silahlar

Büyük, özel olarak inşa edilmiş, düşük endüktanslı yüksek voltajlı kapasitör grupları ( kapasitör bankları ), birçok darbeli güç uygulaması için büyük akım darbeleri sağlamak için kullanılır. Bunlar arasında elektromanyetik şekillendirme , Marx jeneratörleri , darbeli lazerler (özellikle TEA lazerleri ), darbe oluşturan ağlar , radar , füzyon araştırması ve parçacık hızlandırıcılar bulunur .

Büyük kondansatör (rezervuar) için enerji kaynağı olarak kullanılırlar Patlayan-bridgewire fünye veya çarpma fünye içinde nükleer silahların ve diğer özel silahlar. Elektromanyetik zırh ve elektromanyetik ray tabancaları ve bobin tabancaları için güç kaynağı olarak kapasitör bankları kullanılarak deneysel çalışmalar devam etmektedir .

Güç koşullandırma

Bir amplifikatör güç kaynağında 10.000  mikrofarad kapasitör

Rezervuar kapasitörleri , tam veya yarım dalga doğrultucunun çıkışını düzelttikleri güç kaynaklarında kullanılır . Giriş voltajından daha yüksek voltajların üretilmesinde enerji depolama elemanı olarak şarj pompası devrelerinde de kullanılabilirler .

Kondansatörler, sinyal veya kontrol devreleri için "temiz" bir güç kaynağı sağlamak üzere birincil güç kaynağından akım dalgalanmalarını engellemek ve gizlemek için çoğu elektronik cihazın ve daha büyük sistemlerin (fabrikalar gibi) güç devrelerine paralel olarak bağlanır. Örneğin ses ekipmanı, sinyal devresine girmeden önce güç hattı uğultusunu engellemek için bu şekilde birkaç kapasitör kullanır. Kapasitörler, DC güç kaynağı için yerel bir yedek görevi görür ve güç kaynağından AC akımlarını atlar . Bu, sertleştirici bir kapasitör, kurşun asitli araba aküsüne giden uçların endüktansını ve direncini telafi ettiğinde, araç ses uygulamalarında kullanılır .

Güç faktörü düzeltmesi

Bir güç iletim sisteminde güç faktörü düzeltmesi için kullanılan bir yüksek voltajlı kapasitör bankı

Elektrik güç dağıtımında, güç faktörü düzeltmesi için kapasitörler kullanılır . Bu tür kapasitörler genellikle üç fazlı bir yük olarak bağlanan üç kapasitör olarak gelir . Genellikle, bu kapasitörlerin değerleri faradlarda değil , volt-amper reaktif (var) cinsinden reaktif güç olarak verilir . Amaç, yükün çoğunlukla dirençli görünmesini sağlamak için elektrik motorları ve iletim hatları gibi cihazlardan gelen endüktif yüklemeye karşı koymaktır . Bağımsız motor veya lamba yükleri, güç faktörü düzeltmesi için kapasitörlere sahip olabilir veya daha büyük kapasitör setleri (genellikle otomatik anahtarlama cihazlarıyla birlikte), bir bina içindeki bir yük merkezine veya büyük bir elektrik dağıtım istasyonuna monte edilebilir .

Bastırma ve kaplin

Sinyal bağlantısı

Polyester film kapasitörler sıklıkla bağlantı kapasitörleri olarak kullanılır.

Kondansatörler AC'yi geçtiği, ancak DC sinyallerini engellediği için (uygulanan DC voltajına kadar şarj edildiğinde), genellikle bir sinyalin AC ve DC bileşenlerini ayırmak için kullanılırlar. Bu yöntem, AC bağlama veya "kapasitif bağlantı" olarak bilinir . Burada, değerinin doğru bir şekilde kontrol edilmesi gerekmeyen, ancak sinyal frekansında reaktansı küçük olan büyük bir kapasitans değeri kullanılır.

Ayrışma

Bir kapasitör ayrılması bastırmak gürültü veya geçici örneğin, başka bir etkisi, bir devrenin bir parçası korumak için kullanılan bir kapasitördür. Diğer devre elemanlarının neden olduğu gürültü, kapasitör üzerinden yönlendirilerek devrenin geri kalanı üzerindeki etkisi azaltılır. En yaygın olarak güç kaynağı ile toprak arasında kullanılır. Alternatif bir ad, bir devrenin güç kaynağını veya diğer yüksek empedans bileşenini atlamak için kullanıldığı için bypass kapasitördür .

Ayrıştırma kapasitörlerinin her zaman ayrı bileşenler olması gerekmez. Bu uygulamalarda kullanılan kapasitörler , çeşitli katmanlar arasına bir baskılı devre kartı içine yerleştirilebilir . Bunlar genellikle gömülü kapasitörler olarak adlandırılır. Kapasitif özelliklere katkıda bulunan karttaki katmanlar aynı zamanda güç ve yer düzlemleri olarak da işlev görmekte ve aralarında bir dielektrik bulundurarak paralel plaka kondansatörü olarak çalışmalarını sağlamaktadır.

Yüksek geçiren ve alçak geçiren filtreler

Gürültü bastırma, sivri uçlar ve engelleyiciler

Bir endüktif devre açıldığında, endüktanstan geçen akım hızla çöker ve anahtarın veya rölenin açık devresi boyunca büyük bir voltaj oluşturur. Endüktans yeterince büyükse, enerji bir kıvılcım oluşturarak temas noktalarının oksitlenmesine, bozulmasına veya bazen birbirine kaynaklanmasına veya bir katı hal anahtarını tahrip etmesine neden olabilir. Yeni açılan devre boyunca bir söndürücü kapasitör, bu dürtü için temas noktalarını atlamak için bir yol oluşturur ve böylece ömrünü korur; bunlar , örneğin kontak kesici ateşleme sistemlerinde yaygın olarak bulundu . Benzer şekilde, daha küçük çaplı devreleri, kıvılcım anahtarı zarar verebilecek kadar olmayabilir ama yine de olabilir olarak yayıldı istenmeyen radyo frekans girişimi (RFI) bir filtre kondansatörü emer. Snubber kapasitörleri, enerjiyi dağıtmak ve RFI'yi en aza indirmek için genellikle seri olarak düşük değerli bir dirençle birlikte kullanılır. Bu tür direnç-kapasitör kombinasyonları tek bir pakette mevcuttur.

Kondansatörler ayrıca , voltajı bu üniteler arasında eşit olarak dağıtmak için yüksek voltajlı bir devre kesicinin kesintiye uğratan üniteleriyle paralel olarak kullanılır . Bunlara "derecelendirme kapasitörleri" denir.

Şematik diyagramlarda, birincil olarak DC yük depolaması için kullanılan bir kapasitör, genellikle bir yay olarak çizilen daha düşük, daha negatif plaka ile devre şemalarında dikey olarak çizilir. Düz plaka, polarize ise cihazın pozitif terminalini gösterir (bkz. Elektrolitik kondansatör ).

Motor yol vericiler

Tek fazlı sincap kafesli motorlarda, motor muhafazası içindeki birincil sargı, rotor üzerinde bir dönme hareketini başlatamaz, ancak birini sürdürebilir. Motoru çalıştırmak için, ikincil bir "başlatma" sargısı, sinüzoidal akıma bir kurşun eklemek için bir dizi polarize olmayan başlatma kapasitesine sahiptir. İkincil (başlangıç) sargısı, birincil (çalıştırma) sargıya göre bir açıda yerleştirildiğinde, dönen bir elektrik alanı yaratılır. Dönme alanının kuvveti sabit değildir, ancak rotor eğirme işlemini başlatmak için yeterlidir. Rotor çalışma hızına yaklaştığında, bir santrifüj anahtarı (veya ana sargı ile seri halde akıma duyarlı röle) kapasitörün bağlantısını keser. Başlangıç ​​kondansatörü tipik olarak motor muhafazasının yan tarafına monte edilir. Bunlara, nispeten yüksek başlangıç ​​torkuna sahip olan kapasitör başlatma motorları denir. Tipik olarak, ayrık fazlı bir motora göre dört kata kadar daha fazla başlatma torkuna sahip olabilirler ve kompresörler, basınçlı yıkayıcılar ve yüksek başlatma torkları gerektiren herhangi bir küçük cihaz gibi uygulamalarda kullanılırlar.

Kondansatörle çalışan endüksiyon motorları, ikinci bir sargı ile seri halde kalıcı olarak bağlanmış bir faz kaydırıcı kapasitöre sahiptir. Motor, iki fazlı bir asenkron motor gibidir.

Motor çalıştırma kapasitörleri tipik olarak polarize olmayan elektrolitik türlerdir, çalışan kapasitörler ise geleneksel kağıt veya plastik film dielektrik türleridir.

Sinyal işleme

Bir kapasitörde depolanan enerji , DRAM'larda olduğu gibi ikili formda veya analog örneklenmiş filtrelerde ve CCD'lerde olduğu gibi analog formda bilgileri temsil etmek için kullanılabilir . Kondansatörler analog devrelerde entegratörlerin veya daha karmaşık filtrelerin bileşenleri olarak ve negatif geri besleme döngüsü stabilizasyonunda kullanılabilir. Sinyal işleme devreleri ayrıca bir akım sinyalini entegre etmek için kapasitörler kullanır .

Ayarlanmış devreler

Kondansatörler ve indüktörler, belirli frekans bantlarında bilgi seçmek için ayarlanmış devrelerde birlikte uygulanır . Örneğin, radyo alıcıları istasyon frekansını ayarlamak için değişken kapasitörlere güvenir. Hoparlörler pasif analog geçitler kullanır ve analog ekolayzerler farklı ses bantlarını seçmek için kapasitörler kullanır.

Rezonans frekansı f bir ayarlı devre endüktansı (bir fonksiyonu olan L ) ve kapasitans ( C seri olarak) ve ile verilir:

burada L , henries'te ve C , faradlarda .

Algılama

Çoğu kondansatör, sabit bir fiziksel yapıyı koruyacak şekilde tasarlanmıştır. Bununla birlikte, çeşitli faktörler kapasitörün yapısını değiştirebilir ve sonuçta ortaya çıkan kapasite değişikliği bu faktörleri algılamak için kullanılabilir .

Dielektriği değiştirme:

Dielektriğin özelliklerinin değiştirilmesinin etkileri algılama amaçları için kullanılabilir. Açık ve gözenekli dielektrikli kapasitörler havadaki nemi ölçmek için kullanılabilir. Kapasitörler, uçaklarda yakıt seviyesini doğru bir şekilde ölçmek için kullanılır ; yakıt bir çift plakayı daha fazla kapladıkça, devre kapasitesi artar. Dielektriği sıkmak, bir kapasitörün birkaç on bar basınçta, bir basınç sensörü olarak kullanılmasına yetecek kadar değişmesine neden olabilir. Uyumlu bir gaza veya sıvıya daldırıldığında, seçilen, ancak başka türlü standart olan bir polimer dielektrik kapasitör, yüzlerce bara kadar çok düşük maliyetli bir basınç sensörü olarak yararlı bir şekilde çalışabilir.

Plakalar arasındaki mesafenin değiştirilmesi:

Esnek plakalı kapasitörler, gerilim veya basıncı ölçmek için kullanılabilir. Proses kontrolü için kullanılan endüstriyel basınç vericileri , bir osilatör devresinin kapasitör plakasını oluşturan basınç algılama diyaframlarını kullanır. Kondansatörler olarak kullanılan sensör de kondenser mikrofonlar bir tabak diğer levha sabit konumuna göre hava basıncı ile hareket eder. Bazı ivmeölçerler , ivme vektörünün büyüklüğünü ve yönünü ölçmek için bir çip üzerine kazınmış MEMS kapasitörlerini kullanır . Hava yastığının açılmasını tetikleyen sensörler olarak ve diğer birçok uygulamada hızlanma, eğim sensörlerinde veya serbest düşüşü algılamak için kullanılırlar. Bazı parmak izi sensörleri kapasitör kullanır. Ek olarak, bir kullanıcı , kullanıcının eli ile anten arasındaki etkili kapasitansı değiştirdiği için , bir teremin müzik aletinin perdesini elini hareket ettirerek ayarlayabilir .

Plakaların etkili alanını değiştirmek:

Kapasitif dokunmatik anahtarlar artık birçok tüketici elektroniği ürününde kullanılmaktadır.

Osilatörler

Bir kapasitör içeren basit bir osilatör örneği

Bir kondansatör, bir osilatör devresinde yay benzeri niteliklere sahip olabilir. Görüntü örneğinde, bir kapasitör, npn transistörün tabanındaki polarlama voltajını etkileme görevi görür. Gerilim bölücü dirençlerin direnç değerleri ve kapasitörün kapasitans değeri birlikte salınım frekansını kontrol eder.

Işık üretmek

Işık yayan bir kapasitör, ışık üretmek için fosforesans kullanan bir dielektrikten yapılır . İletken plakalardan biri şeffaf bir malzemeden yapılmışsa ışık görülebilir. Işık yayan kapasitörler, dizüstü bilgisayarlar için arkadan aydınlatma gibi uygulamalar için elektro ışıldayan panellerin yapımında kullanılır. Bu durumda panelin tamamı ışık üretmek amacıyla kullanılan bir kapasitördür.

Tehlikeler ve güvenlik

Bir kapasitörün yarattığı tehlikeler, en başta, elektrik yanıkları veya kalp fibrilasyonu gibi şeylerin nedeni olan depolanan enerji miktarına göre belirlenir . Gerilim ve şasi malzemesi gibi faktörler, ne kadar hasar meydana gelebileceğinden ziyade bir şokun ne kadar kolay başlatılabileceği ile daha fazla ilgili olan ikincil bir husustur. Yüzeylerin iletkenliği, önceden var olan tıbbi koşullar, havanın nemi veya vücudun içinden geçtiği yollar dahil olmak üzere belirli koşullar altında (örn: vücudun çekirdeği boyunca seyahat eden şoklar ve özellikle kalp, bundan daha tehlikelidir. ekstremitelerle sınırlı olanlar), bir jul kadar düşük şokların ölüme neden olduğu bildirilmiştir, ancak çoğu durumda yanık bile bırakmayabilirler. On joule üzerindeki şoklar genellikle cilde zarar verir ve genellikle tehlikeli olarak kabul edilir. 50 joule veya daha fazlasını depolayabilen herhangi bir kapasitör, potansiyel olarak ölümcül olarak kabul edilmelidir.

Kapasitörler, güç bir devreden çıkarıldıktan sonra uzun süre şarj tutabilir; bu şarj, tehlikeli ve hatta potansiyel olarak ölümcül şoklara veya bağlı ekipmanın hasar görmesine neden olabilir . Örneğin, 1.5 volt AA pil ile çalışan tek kullanımlık bir kamera flaş ünitesi gibi görünüşte zararsız bir cihaz bile , 15 jul'den fazla enerji içerebilen ve 300 volttan fazla şarj edilebilen bir kapasitöre sahiptir. Bu kolaylıkla bir şok verebilir. Elektronik cihazlara yönelik servis prosedürleri, genellikle büyük veya yüksek voltajlı kapasitörleri, örneğin bir Brinkley çubuğu kullanarak boşaltma talimatlarını içerir . Kapasitörler ayrıca, güç kesildikten sonra birkaç saniye içinde depolanan enerjiyi güvenli bir seviyeye dağıtmak için yerleşik deşarj dirençlerine sahip olabilir. Yüksek gerilim kapasitörleri, dielektrik absorpsiyona bağlı potansiyel olarak tehlikeli gerilimlerden veya kapasitörün statik yüklerden veya geçen hava olaylarından toplayabileceği geçici gerilimlere karşı koruma olarak terminaller kısa devre yapılarak depolanır .

Bazı eski, büyük yağ dolu kağıt veya plastik film kapasitörler poliklorlu bifeniller (PCB'ler) içerir. Atık PCB'lerin düzenli depolama alanlarının altındaki yeraltı sularına sızabileceği bilinmektedir . PCB içeren kapasitörler, "Askarel" ve diğer bazı ticari isimleri içerdiği için etiketlendi. PCB ile doldurulmuş kağıt kapasitörler çok eski (1975 öncesi) floresan lamba balastlarında ve diğer uygulamalarda bulunur.

Kapasitörler, derecelendirmelerinin ötesinde gerilimlere veya akımlara maruz kaldıklarında veya normal ömürlerinin sonuna ulaştıklarında yıkıcı bir şekilde arızalanabilir . Dielektrik veya metal ara bağlantı arızaları, dielektrik sıvıyı buharlaştıran ark oluşturarak şişkinlik, yırtılma ve hatta bir patlamaya neden olabilir . Kullanılan Kondansatörler RF ya da sürekli olarak yüksek akım uygulamalarında, özellikle kondansatör rulo merkezinde, aşırı ısınabilir. Yüksek enerjili kapasitör banklarında kullanılan kapasitörler, bir kapasitördeki bir kısa devre, bankanın geri kalanında depolanan enerjinin arızalı birime aniden boşaltılmasına neden olduğunda şiddetli bir şekilde patlayabilir. Yüksek voltajlı vakum kapasitörleri, normal çalışma sırasında bile yumuşak X-ışınları oluşturabilir. Uygun çevreleme, eritme ve önleyici bakım bu tehlikeleri en aza indirmeye yardımcı olabilir.

Yüksek voltajlı kondansatörler , yüksek voltajlı doğru akım (HVDC) devrelerinin çalıştırılmasında ani akımları sınırlamak için bir ön şarjdan yararlanabilir. Bu, bileşenin ömrünü uzatır ve yüksek voltaj tehlikelerini azaltabilir.

Ayrıca bakınız

Referanslar

Kaynakça

daha fazla okuma

  • Tantal ve Niyobyum Bazlı Kapasitörler - Bilim, Teknoloji ve Uygulamalar ; 1. Baskı; Yuri Freeman; Springer; 120 sayfa; 2018; Mayıs ISBN   978-3319678696 .
  • Kapasitörler ; 1. Baskı; RPD eshpande; McGraw-Hill; 342 sayfa; 2014; Mayıs ISBN   978-0071848565 .
  • Kapasitör El Kitabı ; 1. Baskı; Cletus Kaiser; Van Nostrand Reinhold; 124 sayfa; 1993; Mayıs ISBN   978-9401180924 .
  • Kondansatörleri ve Kullanımlarını Anlamak ; 1. Baskı; William Mullin; Sams Yayıncılık; 96 sayfa; 1964. (arşiv)
  • Sabit ve Değişken Kapasitörler ; 1. Baskı; GWA Dummer ve Harold Nordenberg; Maple Press; 288 sayfa; 1960. (arşiv)
  • Elektrolitik Kondansatör ; 1. Baskı; Alexander Georgiev; Murray Hill Books; 191 sayfa; 1945. (arşiv)

Dış bağlantılar