Condensatori, cosa sono e come funzionano
Un condensatore ha due terminali. Insieme con i resistori e induttori, sono uno dei più fondamentali componenti elettrici passivi che usiamo. Se guardiamo un circuito è molto difficile non trovare un condensatore all`interno.
Ciò che rende speciale i condensatori è la loro capacità di immagazzinare energia; sono come una batteria completamente carica. Le applicazioni più comuni includono la memorizzazione locale di energia, la soppressione dei picchi di tensione, e il filtraggio dei segnali complessi.
In questa esercitazione
In questo tutorial, esamineremo tutti i tipi di argomenti correlati ai condensatori, tra cui:
- Come è fatto un condensatore
- Come funziona un condensatore
- Capacità
- Tipi di condensatori
- Come riconoscere i condensatori
- Come si combina la capacità in serie e parallelo
- Applicazioni comuni dei condensatori
Letture consigliate
Alcuni dei concetti di questo tutorial sono costruiti su precedenti conoscenze di elettronica. Prima di saltare in questo tutorial, prendere in considerazione la lettura (anche di sfuggita) di questi altri tutorial:
SIMBOLI E UNITÁ
Simboli del circuito
Ci sono due modi per disegnare un condensatore in uno schema. Hanno sempre due terminali, che vanno a collegarsi al resto del circuito. Il simbolo dei condensatori è costituito da due linee parallele, che sono piane o curvate; entrambe le linee devono essere parallele tra loro, vicino, ma non devono toccarsi (questo è effettivamente rappresentativo di come il condensatore è fatto) è duro da descrivere, più facile da mostrare.
(1) e (2) sono simboli di condensatori standard, rispettivamente, ceramico ed elettrolitico. (3) è un esempio di condensatori in azione in un circuito regolatore di tensione.
Il simbolo con una linea curva (# 2 nella foto sopra) indica che il condensatore è polarizzato, significa che probabilmente è un condensatore elettrolitico.
Ogni condensatore deve essere accompagnato da un nome, C1, C2, ecc .. e un valore. Il valore dovrebbe indicare la capacità del condensatore; quanti Farad ha. Parlando di Farad ...
Ogni condensatore deve essere accompagnato da un nome, C1, C2, ecc .. e un valore. Il valore dovrebbe indicare la capacità del condensatore; quanti Farad ha. Parlando di Farad ...
Unità di capacità
Non tutti i condensatori sono uguali. Ogni condensatore è costruito per avere una quantità specifica di capacitanza. La capacità di un condensatore indica la quantità di carica che è in grado di memorizzare, più capacità significa più capacità di immagazzinare una carica. L'unità standard di capacità viene chiamata Farad , abbreviato F .
Si scopre che un farad è un sacco di capacità, anche 0.001F (1 milifarad - 1MF) è un grande condensatore. Di solito si vedranno condensatori che si aggirano nellla gamma dei pico (10^-12 ) e dei microfarad (10^-6 ).
Si scopre che un farad è un sacco di capacità, anche 0.001F (1 milifarad - 1MF) è un grande condensatore. Di solito si vedranno condensatori che si aggirano nellla gamma dei pico (10^-12 ) e dei microfarad (10^-6 ).
UN PO DI TEORIA SUI CONDENSATORI
Come è fatto un condensatore
Il simbolo schematico di un condensatore in realtà assomiglia da vicino a come è fatto. Un condensatore è creato da due piastre metalliche ed un materiale isolante chiamato dielettrico. Le piastre metalliche sono posizionate molto vicine tra loro, in parallelo, ma il dielettrico assicura che non si tocchino.
Il dielettrico può essere fatto di tutti i tipi di materiali isolanti: carta, vetro, gomma, ceramica, plastica, o tutto ciò che può ostacolare il flusso di corrente.
Le piastre sono fatte di un materiale conduttore: alluminio, tantalio, argento, o di altri metalli. Sono collegati ciascuno ad un filo terminale, che è quello che poi si collega al resto del circuito.
La capacità di un condensatore (quanti farad ha) dipende da come è costruito. Più capacità richiede un condensatore grande. Piastre con superficie maggiore in sovrapposizione forniscono maggiore capacità, mentre più distanza tra le piastre significa meno capacità. Il materiale del dielettrico ha anche un effetto su quanti farad un condensatore ha. La capacità totale di un condensatore può essere calcolata con l'equazione:
Le piastre sono fatte di un materiale conduttore: alluminio, tantalio, argento, o di altri metalli. Sono collegati ciascuno ad un filo terminale, che è quello che poi si collega al resto del circuito.
La capacità di un condensatore (quanti farad ha) dipende da come è costruito. Più capacità richiede un condensatore grande. Piastre con superficie maggiore in sovrapposizione forniscono maggiore capacità, mentre più distanza tra le piastre significa meno capacità. Il materiale del dielettrico ha anche un effetto su quanti farad un condensatore ha. La capacità totale di un condensatore può essere calcolata con l'equazione:
Dove εr è il dielettrico permittività elettrica (un valore costante determinato dal materiale dielettrico), A è la quantità di area delle piastre che si sovrappongono, e d è la distanza tra le piastre.
Come funziona un condensatore
Quando la corrente fluisce in un condensatore, le cariche sono "bloccate" sulle piastre perché non possono andare oltre il dielettrico isolante. Gli elettroni (particelle con carica negativa) vengono risucchiati in una delle piastre, diventando così di carica negativa. La grande massa di cariche negative su una piastra spinge via le altre cariche sull`altra piastra, rendendola carica positivamente.
Le cariche positive e negative su ciascuno di queste piastre si attraggono, perché è quello che fanno cariche le opposte. Ma, con il dielettrico tra di loro, per quanto vogliono unirsi, le cariche saranno sempre bloccate sulla piastra (fino a quando non avranno un altro posto dove andare). Le cariche stazionarie su queste piastre creano un campo elettrico, che influenzano energia potenziale elettrica e tensione . Quando un gruppo di cariche si trovano su un condensatore di questo tipo, il condensatore può immagazzinare energia elettrica, come una batteria può immagazzinare energia chimica.
Carica e scarica
Quando le cariche positive e negative fondono sulle piastre del condensatore, il condensatore viene caricato .
Un condensatore può mantenere il suo campo elettrico (trattenere la sua carica) perché le cariche positive e negative su ciascuna delle piastre si attraggono ma non vengono mai in contatto tra loro.
Ad un certo punto le piastre del condensatore saranno così piene di cariche che non possono accettarne più. Ci sono abbastanza cariche negative sulla piastra che si possono respingere tutte le altre che cercano di unirsi. Questo è il punto dove la capacità (Farad) di un condensatore entra in gioco, cioè la quantità massima di carica del condensatore che è in grado di memorizzare.
Un condensatore può mantenere il suo campo elettrico (trattenere la sua carica) perché le cariche positive e negative su ciascuna delle piastre si attraggono ma non vengono mai in contatto tra loro.
Ad un certo punto le piastre del condensatore saranno così piene di cariche che non possono accettarne più. Ci sono abbastanza cariche negative sulla piastra che si possono respingere tutte le altre che cercano di unirsi. Questo è il punto dove la capacità (Farad) di un condensatore entra in gioco, cioè la quantità massima di carica del condensatore che è in grado di memorizzare.
Se si crea un percorso nel circuito che consente alle cariche di trovare un altro percorso, lasceranno il condensatore, e si scaricherà .
Ad esempio, nel circuito di seguito, una batteria può essere usata per indurre un potenziale elettrico attraverso il condensatore. Ciò causerà cariche uguali ma opposte su ciascuna delle piastre, finché saranno così piene e non consentiranno alla corrente di fluire. Un LED posto in serie con il condensatore potrebbe fornire un percorso per la corrente, e l'energia immagazzinata nel condensatore potrebbe essere utilizzata per illuminare brevemente il LED.
Ad esempio, nel circuito di seguito, una batteria può essere usata per indurre un potenziale elettrico attraverso il condensatore. Ciò causerà cariche uguali ma opposte su ciascuna delle piastre, finché saranno così piene e non consentiranno alla corrente di fluire. Un LED posto in serie con il condensatore potrebbe fornire un percorso per la corrente, e l'energia immagazzinata nel condensatore potrebbe essere utilizzata per illuminare brevemente il LED.
Calcolo di carica, tensione e corrente
La capacità di un condensatore (quanti farad è) ti dice quanta carica che può memorizzare. La carica dipende dalla differenza di potenziale (tensione) tra le piastre. Questa relazione tra carica, capacità, e tensione può essere trovata con questa equazione:
Carica (Q) immagazzinata in un condensatore è il prodotto della sua capacità (C) e la tensione (V) applicata ad esso.
La capacità di un condensatore dovrebbe essere sempre un valore costante, noto. Così siamo in grado di regolare la tensione per aumentare o diminuire la carica. Più di tensione significa più carica, meno tensione ... meno carica.
Tale equazione ci dà anche un buon modo per definire il valore di un farad. Un farad (F) è la capacità di memorizzare una unità di energia (coulomb) per ogni volt.
Tale equazione ci dà anche un buon modo per definire il valore di un farad. Un farad (F) è la capacità di memorizzare una unità di energia (coulomb) per ogni volt.
Calcolo corrente
Possiamo prendere l`equazione tensione / carica / capacità per fare un ulteriore passo avanti e scoprire come la capacità e la tensione influenzano la corrente, perché la corrente è il di flusso di carica. Il rapporto di un condensatore tra tensione e corrente è questo: la quantità di corrente attraverso un condensatore dipende sia dalla capacità e sia da quanto velocemente la tensione è in aumento o in diminuzione . Se la tensione ai capi di un condensatore aumenta rapidamente, una grande corrente positiva verrà indotta attraverso il condensatore. Un aumento lento della tensione attraverso un condensatore equivale a una corrente più piccola che lo attraversa. Se la tensione ai capi di un condensatore è costante e immutabile, nessuna corrente passerà attraverso esso.
L'equazione per il calcolo di corrente attraverso un condensatore è:
L'equazione per il calcolo di corrente attraverso un condensatore è:
Il dV / dt di questa equazione è un derivata (un modo elegante per dire tasso istantaneo) di tensione nel corso del tempo, ed è equivalente a dire "quanto velocemente la tensione va verso l'alto o verso il basso in questo momento". Si deduce da questa equazione che se la tensione è costante, il derivato è zero, il che significa che la corrente è pari a zero . Questo è il motivo per cui la corrente non può fluire attraverso un condensatore con una tensione costante.
TIPI DI CONDENSATORI
Ci sono tutti i tipi di tipi di condensatori là fuori, ognuno con determinate caratteristiche e inconvenienti che lo rendono meglio per alcune applicazioni di altri.
Al momento di decidere sui tipi di condensatori ci sono una manciata di fattori da considerare:
Al momento di decidere sui tipi di condensatori ci sono una manciata di fattori da considerare:
- Size - Grandezza sia in termini di volume fisico e capacità. Non è raro che un condensatore per essere il più grande componente di un circuito. Possono anche essere molto piccola. Più capacità richiede in genere un condensatore più grande.
- Massima tensione - Ogni condensatore è valutato per una tensione massima che può essere lasciato cadere attraverso di esso. Alcuni condensatori potrebbero essere valutato per 1.5V, altri potrebbero essere dimensionati per 100V. Il superamento della tensione massima provocherà solitamente distruggere il condensatore.
- Corrente di dispersione - condensatori non sono perfetti. Ogni tappo è incline a perdite qualche piccola quantità di corrente attraverso il dielettrico, da un terminale all'altro. Questa perdita di corrente molto piccola (di solito nA o meno) si chiama perdite. Dispersione provoca l'energia immagazzinata nel condensatore lentamente, ma sicuramente defluire.
- Resistenza serie equivalente (ESR) - I terminali di un condensatore sono non conduttivo 100%, avranno sempre una piccola quantità di resistenza (di solito meno di 0.01Ω) ad essi. Questa resistenza diventa un problema quando molta corrente scorre attraverso il tappo, producendo perdita di calore ed elettricità.
- Tolleranza - Condensatori anche non può essere fatto per avere un esatto, capacità preciso. Ogni tappo viene valutato per la loro capacità nominale, ma, a seconda del tipo, il valore esatto può variare dovunque da ± 1% a ± 20% del valore desiderato.
Condensatori ceramici
Il condensatore più comunemente usato è il condensatore ceramico. Il nome deriva dal materiale di cui è fatto il dielettrico.
I condensatori ceramici sono di solito sia fisicamente che di capacità piccole. E 'difficile trovare un condensatore ceramico molto più grande di 10μF. Un condensatore di ceramica tipo SMD si trova comunemente in un minuscolo 0402 (0,4 millimetri x 0,2 millimetri), 0603 (0,6 millimetri x 0.3mm). Foro passante o "standard" i condensatori in ceramica di solito appaiono come piccole lampadine (comunemente gialli o rossi), con due terminali sporgenti.
I condensatori ceramici sono di solito sia fisicamente che di capacità piccole. E 'difficile trovare un condensatore ceramico molto più grande di 10μF. Un condensatore di ceramica tipo SMD si trova comunemente in un minuscolo 0402 (0,4 millimetri x 0,2 millimetri), 0603 (0,6 millimetri x 0.3mm). Foro passante o "standard" i condensatori in ceramica di solito appaiono come piccole lampadine (comunemente gialli o rossi), con due terminali sporgenti.
Due condensatori ceramici; un condensatore 22pF a sinistra, e 0.1μF sulla destra. Nel mezzo, un piccolo 0.1μF 0603 SMD.
Rispetto ai condensatori elettrolitici ugualmente popolari, i ceramici hanno più bassa ESR e corrente di dispersione, ma la loro piccola capacità può essere limitante. Di solito sono l'opzione meno costosa. Questi condensatori sono adatti per l'accoppiamento ad alta frequenza.
Condensatori elettrolitici
Gli elettrolitici sono grandi perché in grado di racchiudere un sacco di capacità in un volume relativamente piccolo. Se avete bisogno di un condensatore nel range di 1F-1mF, hai più probabilità di trovarlo in una forma elettrolitica. Sono particolarmente adatti per applicazioni ad alta tensione a causa delle loro tensioni massime relativamente alte.
I condensatori elettrolitici in alluminio, il più popolare della famiglia elettrolitica, di solito appaiono come piccole scatole di latta, con entrambi i conduttori che si estendono verso il basso.
I condensatori elettrolitici in alluminio, il più popolare della famiglia elettrolitica, di solito appaiono come piccole scatole di latta, con entrambi i conduttori che si estendono verso il basso.
Un assortimento di condensatori elettrolitici foro passante e SMD. Notare ognuno ha qualche metodo per marcare il catodo (polo negativo).
Purtroppo, i condensatori elettrolitici di solito sono polarizzati . Hanno un perno positivo (l'anodo) ed un perno negativo chiamato catodo. Quando la tensione è applicata ad un condensatore elettrolitico, l'anodo deve essere ad una tensione superiore al catodo. Il catodo di un condensatore elettrolitico viene generalmente identificato con marchiato un '-' , e una striscia colorata sul case. La gamba dell'anodo potrebbe anche essere leggermente più lunga. Se la tensione è applicata in senso inverso su un condensatore elettrolitico, si guasterà in modo permanente (noterete una apertura sul tappo del cilindro). Dopo che un elettrolitico è bruciato si comporterà come un corto circuito.
Questi condensatori sono anche noti per le dispersioni, con perdite di piccole quantità di corrente (dell'ordine di nA). Questo rende condensatori elettrolitici meno ideali per lo stoccaggio di energia, che è un peccato data la loro elevata capacità e tensione.
Questi condensatori sono anche noti per le dispersioni, con perdite di piccole quantità di corrente (dell'ordine di nA). Questo rende condensatori elettrolitici meno ideali per lo stoccaggio di energia, che è un peccato data la loro elevata capacità e tensione.
Supercondensatori
Se siete alla ricerca di un condensatore fatto per immagazzinare energia, bisogna pensare ai supercondensatori. Questi condensatori sono unicamente progettati per avere elevate capacità, nella gamma di Farad.
Un Supercondensatore da 1F. Alta capacità, ma valutato solo per 2.5V. Anche questi sono polarizzati.
Mentre possono memorizzare una grande quantità di carica, i supercondensatori non possono lavorare con tensioni molto alte. Questo supercondensatore da 1F è valutato solo per 2.5V max. I supercondensatori sono comunemente messi in serie per ottenere un punteggio più alto di tensione (riducendo la capacità totale).
L'applicazione principale per i supercondensatori è di immagazzinare e rilasciare energia, come le batterie, che sono la loro concorrenza principale. Mentre i supercondensatori non possono contenere tanta energia quanto una batteria, possono rilasciarla però molto più velocemente, e di solito hanno una durata molto più lunga.
L'applicazione principale per i supercondensatori è di immagazzinare e rilasciare energia, come le batterie, che sono la loro concorrenza principale. Mentre i supercondensatori non possono contenere tanta energia quanto una batteria, possono rilasciarla però molto più velocemente, e di solito hanno una durata molto più lunga.
CONDENSATORI IN SERIE E IN PARALLELO
Proprio come i resistori , condensatori multipli possono essere combinati in serie o in parallelo per creare una capacità equivalente. I condensatori, tuttavia, si sommano in un modo che è completamente l'opposto dei resistori.
Condensatori in parallelo
Quando i condensatori sono posti in parallelo tra loro, la capacità totale è semplicemente la somma di tutte le capacità. Questo è analogo al modo in cui i resistori si aggiungono quando sono serie.
Così, per esempio, se si hanno tre condensatori di valore 10μF, 1 F, e 0.1μF in parallelo, la capacità totale sarebbe 11.1μF (10 + 1 + 0,1).
Condensatori in serie
Proprio come le resistenze si aggiungono in parallelo, i condensatori fanno ugualmente quando sono immessi in serie . La capacità totale di N condensatori in serie è l'inverso della somma di tutte le capacità inverse.
Se avete solo due condensatori in serie, è possibile utilizzare il metodo del "prodotto sulla somma" per calcolare la capacità totale:
Prendendo questa equazione, se si dispone di due condensatori di uguale valore in serie , la capacità totale è la metà del loro valore. Per esempio due supercondensatori in serie da 10F produrranno una capacità totale di 5F (che avrà anche il vantaggio di raddoppiare la tensione del condensatore totale, da 2,5V a 5V).
ESEMPIO DI APPLICAZIONE DEI CONDENSATORI
Filtraggio Alimentazione
Raddrizzatori a diodi possono essere usati per trasformare la tensione alternata in tensione continua richiesta dalla maggior parte dell'elettronica. Ma i diodi da soli non possono trasformare un segnale in corrente alternata in un segnale DC pulito, hanno bisogno dell'aiuto dei condensatori! Aggiungendo un condensatore in parallelo ad un raddrizzatore a ponte, un segnale raddrizzato come questo:
Può essere trasformato in un segnale quasi a "livello" DC in questo modo:
Il condensatore usato come filtro caricherà con l'aumentare della tensione rettificata. Quando la tensione raddrizzata che entra nel condensatore inizia il suo rapido declino, il condensatore scaricherà l`energia immagazzinata molto lentamente, fornendo energia al carico. Il condensatore non dovrebbe scaricarsi completamente prima del segnale di ingresso rettificato. Questa danza gioca molte volte al secondo, su e giù finché l'alimentazione è in uso.
Un circuito di alimentazione AC-DC. Il condensatore del filtro (C1) è critico per livellare il segnale DC inviato al circuito di carico.
Se fai a pezzi qualsiasi alimentatore AC-DC (non funzionante :-) sei destinato a trovare almeno un condensatore piuttosto grande. Qui di seguito l`interno di un adattatore a muro 9V DC . Noti tutti quei condensatori?
Ci potrebbero essere più condensatori di quanto si pensi! Ci sono quattro condensatori elettrolitici che vanno da 47μF a 1000μF. Il grande rettangolo giallo in primo piano è un condensatore in polipropilene di 0.1μF ad alta tensione. Il condensatore a forma di disco blu e il piccolo verde nel mezzo sono entrambi ceramici.