Apa itu kapasitor, jenis kapasitor dan aplikasinya

Basis elemen untuk merancang perangkat elektronik menjadi lebih kompleks. Perangkat digabungkan ke dalam sirkuit terpadu dengan fungsi dan kontrol perangkat lunak yang ditentukan. Tetapi inti dari pengembangan adalah perangkat dasar: kapasitor, resistor, dioda, dan transistor.

Apa itu kapasitor?

Alat yang menyimpan listrik dalam bentuk muatan listrik disebut kapasitor.

Besarnya muatan listrik atau listrik dalam fisika diukur dalam coulomb (Cl). Kapasitansi listrik dihitung dalam farad (F).

Sebuah konduktor soliter dengan kapasitas listrik 1 farad adalah bola logam dengan jari-jari sama dengan 13 jari-jari matahari. Oleh karena itu, kapasitor mencakup setidaknya 2 konduktor yang dipisahkan oleh dielektrik. Dalam desain sederhana, perangkatnya adalah kertas.

Kapasitor dalam rangkaian DC beroperasi ketika catu daya dihidupkan dan dimatikan. Hanya selama transien potensial pada kumparan berubah.

Kapasitor dalam rangkaian AC diisi ulang dengan frekuensi yang sama dengan frekuensi tegangan catu daya. Sebagai hasil dari muatan dan pelepasan yang terus menerus, arus mengalir melalui elemen. Frekuensi yang lebih tinggi berarti pengisian ulang perangkat lebih cepat.

Resistansi rangkaian dengan kapasitor tergantung pada frekuensi arus. Pada frekuensi DC nol, nilai resistansi cenderung tak terhingga. Ketika frekuensi AC meningkat, resistansi berkurang.

Dimana kapasitor digunakan

Pengoperasian perangkat elektronik, radio, dan listrik tidak mungkin dilakukan tanpa kapasitor.

Dalam teknik listrik, mereka digunakan untuk menggeser fase saat memulai motor asinkron. Tanpa pemindahan fasa, motor induksi tiga fasa dalam jaringan satu fasa bolak-balik tidak akan berfungsi.

Kapasitor dengan kapasitansi beberapa farad adalah kapasitor ionik yang digunakan pada mobil listrik sebagai sumber tenaga motor.

Untuk memahami mengapa kapasitor diperlukan, Anda perlu tahu bahwa 10-12% alat pengukur beroperasi berdasarkan prinsip mengubah kapasitansi listrik ketika parameter lingkungan eksternal berubah. Respon kapasitansi perangkat khusus digunakan untuk:

• rekaman gerakan lemah melalui peningkatan atau penurunan jarak antara cangkang;
• penentuan kelembaban dengan merekam perubahan resistansi dielektrik;
• mengukur tingkat cairan, yang mengubah kapasitas elemen saat diisi.

Sulit membayangkan merancang perlindungan otomatis dan relai tanpa kapasitor. Beberapa logika perlindungan memperhitungkan banyaknya pengisian ulang perangkat.

Elemen kapasitif digunakan di sirkuit perangkat komunikasi seluler, peralatan radio dan televisi. Kapasitor digunakan dalam:

• amplifier frekuensi tinggi dan rendah;
• pasokan listrik;
• filter frekuensi;
• penguat suara;
• prosesor dan sirkuit mikro lainnya.

Sangat mudah untuk menemukan jawaban atas pertanyaan untuk apa kapasitor dengan melihat diagram pengkabelan perangkat elektronik.

Cara kerja kapasitor

Dalam rangkaian DC, muatan positif dikumpulkan di satu pelat dan muatan negatif di pelat lainnya. Melalui daya tarik timbal balik, partikel-partikel disatukan di dalam perangkat, dan dielektrik di antara mereka mencegahnya terhubung. Semakin tipis dielektrik, semakin kuat muatan yang terhubung.

Kapasitor mengambil jumlah listrik yang dibutuhkan untuk mengisi kapasitansi, dan arus berhenti.

Dengan tegangan konstan di sirkuit, elemen menahan muatan sampai daya dimatikan. Kemudian dibuang melalui beban di sirkuit.

Arus bolak-balik melalui kapasitor bergerak secara berbeda. Periode pertama dari osilasi adalah momen muatan perangkat. Amplitudo arus pengisian berkurang secara eksponensial, dan pada akhir kuartal berkurang menjadi nol. EMF pada titik ini mencapai amplitudo.

Pada kedua periode EMF menurun dan sel mulai melepaskan. Penurunan EMF pada awalnya kecil dan begitu juga arus luahan. Ini meningkat sesuai dengan ketergantungan eksponensial yang sama. Pada akhir periode EMF sama dengan nol, arus sama dengan nilai amplitudo.

Pada ketiga periode osilasi, EMF berubah arah, melewati nol dan meningkat. Tanda muatan pada terminal terbalik. Arus berkurang besarnya dan mempertahankan arahnya. Pada titik ini, arus listrik berada 90° di depan tegangan sefasa.

Dalam kumparan induktansi yang terjadi sebaliknya: tegangan mendahului arus. Properti ini berada di garis depan pilihan apakah akan menggunakan sirkuit RC atau RL.

Pada akhir siklus pada terakhir dari osilasi, EMF turun ke nol dan arus mencapai nilai amplitudo.

"Kapasitansi" dilepaskan dan diisi 2 kali per periode dan mengalirkan arus bolak-balik.

Ini adalah deskripsi teoritis dari proses. Untuk memahami bagaimana elemen dalam rangkaian bekerja secara langsung di perangkat, hitung resistansi induktif dan kapasitif dari rangkaian, parameter peserta lain, dan pertimbangkan pengaruh lingkungan eksternal.

Karakteristik dan sifat dasar

Parameter kapasitor yang digunakan untuk membangun dan memperbaiki perangkat elektronik meliputi:

1. Kapasitansi - C. Ini menentukan jumlah muatan yang dimiliki perangkat. Nilai kapasitas pengenal ditunjukkan pada kasing. Sel dihubungkan dalam rangkaian secara paralel atau seri untuk menciptakan nilai yang diperlukan. Nilai operasional tidak sama dengan nilai yang dihitung.
2. Frekuensi resonansi adalah fp. Jika frekuensi arus lebih besar dari frekuensi resonansi, sifat induktif elemen menjadi jelas. Hal ini membuat operasi menjadi sulit. Untuk memberikan daya pengenal dalam rangkaian, adalah bijaksana untuk menggunakan kapasitor pada frekuensi kurang dari nilai resonansi.
3. Tegangan pengenal adalah Un. Untuk mencegah kerusakan elemen, tegangan operasi diatur lebih rendah dari tegangan pengenal. Hal ini ditunjukkan pada kasus kapasitor.
4. Polaritas. Jika tidak terhubung dengan benar, kerusakan dan kegagalan akan terjadi.
5. Resistansi isolasi listrik - Rd. Menentukan arus bocor perangkat. Dalam perangkat, bagian-bagiannya terletak berdekatan satu sama lain. Jika arus bocor tinggi, kopling parasit di sirkuit dimungkinkan. Hal ini menyebabkan malfungsi. Arus bocor menurunkan sifat kapasitif elemen.
6. Koefisien suhu - TKE. Nilai menentukan bagaimana kapasitansi perangkat berubah ketika suhu media berfluktuasi. Parameter ini digunakan saat merancang perangkat untuk digunakan di lingkungan yang keras.
7. Efek piezo parasit. Beberapa jenis kapasitor membuat kebisingan di perangkat ketika mereka berubah bentuk.

Jenis dan jenis kapasitor

Elemen kapasitif diklasifikasikan menurut jenis dielektrik yang digunakan dalam desain.

Kapasitor kertas dan logam

Elemen digunakan di sirkuit dengan tegangan DC atau pulsa lemah. Kesederhanaan desain menghasilkan stabilitas kinerja 10-25% lebih rendah dan peningkatan kerugian.

Dalam kapasitor kertas, penutup aluminium foil dipisahkan oleh kertas. Rakitan dipelintir dan ditempatkan dalam kotak paralelepipedik silinder atau persegi panjang.

Perangkat beroperasi pada suhu -60 ... +125°C, dengan tegangan pengenal perangkat tegangan rendah hingga 1600V, perangkat tegangan tinggi - di atas 1600V dan dengan kapasitas hingga puluhan F.

Dalam perangkat kertas logam, alih-alih foil, lapisan tipis logam diterapkan pada kertas dielektrik. Ini membantu untuk membuat elemen yang lebih kecil. Jika terjadi kerusakan yang tidak signifikan, dielektrik dapat memperbaiki sendiri. Sel kertas logam lebih rendah daripada sel kertas dalam hal ketahanan isolasi.

Kapasitor elektrolit

Desain produk menyerupai kapasitor kertas. Tetapi dalam pembuatan sel elektrolitik, kertas diresapi dengan oksida logam.

Dalam produk elektrolit tanpa kertas, oksida diterapkan pada elektroda logam. Oksida logam memiliki konduktivitas satu arah, yang membuat perangkat polar.

Dalam beberapa model sel elektrolit, penutup dibuat dengan alur yang meningkatkan luas permukaan elektroda. Kesenjangan di ruang antara pelat dihilangkan dengan menuangkan elektrolit. Ini meningkatkan sifat kapasitif produk.

Kapasitansi besar perangkat elektrolitik - ratusan F, digunakan dalam filter untuk menghaluskan riak tegangan.

elektrolit aluminium.

Pada perangkat jenis ini, lapisan anodik terbuat dari aluminium foil. Permukaan dilapisi dengan dielektrik oksida logam. Katoda pad adalah elektrolit padat atau cair, yang dipilih sehingga lapisan oksida pada foil diregenerasi selama operasi.Perbaikan sendiri dielektrik memperpanjang waktu pengoperasian elemen.

Kapasitor desain ini mengharuskan polaritas diamati. Membalikkan polaritas akan merobek kasing.

Perangkat dengan rakitan kutub counter-sequential di dalamnya digunakan dalam 2 arah. Kapasitas sel elektrolit aluminium mencapai beberapa ribu F.

Elektrolit tantalum

Elektroda anoda dari perangkat tersebut terbuat dari struktur berpori, yang diperoleh dengan memanaskan bubuk tantalum hingga 2000 °C. Bahannya memiliki penampilan spons. Porositas meningkatkan luas permukaan.

Melalui oksidasi elektrokimia, lapisan tantalum pentoksida setebal 100 nanometer diendapkan pada anoda. Dielektrik padat terbuat dari mangan dioksida. Konstruksi yang sudah jadi ditekan menjadi senyawa, resin khusus.

Produk Tantalum digunakan pada frekuensi arus di atas 100 kHz. Kapasitansi dibuat hingga ratusan F, dengan tegangan operasi hingga 75 V.

Polimer

Kapasitor menggunakan elektrolit polimer padat, yang menawarkan sejumlah keuntungan:

• masa pakai meningkat hingga 50 ribu jam;
• parameter dipertahankan saat dipanaskan;
• jangkauan riak arus yang lebih luas;
• resistensi pin dan terminal tidak shunt kapasitas.

Film

Dielektrik dalam model ini adalah Teflon, poliester, fluoroplastik atau film polipropilen.

Penutup adalah foil atau sputtering logam pada film. Desain ini digunakan untuk membuat rakitan multilayer dengan luas permukaan yang meningkat.

Kapasitor film memiliki kapasitas ratusan F pada ukuran mini. Tergantung pada penempatan lapisan dan kontak, bentuk aksial atau radial dari produk dibuat.

Beberapa model memiliki tegangan pengenal 2 kV atau lebih tinggi.

Apa perbedaan antara polar dan non-polar?

Non-polar memungkinkan kapasitor untuk dimasukkan dalam rangkaian tanpa memperhatikan arah arus.Elemen digunakan dalam filter catu daya bolak-balik, amplifier frekuensi tinggi.

Produk polar dihubungkan sesuai dengan penandaan. Jika terhubung ke arah yang berlawanan, perangkat akan gagal atau tidak akan berfungsi dengan baik.

Kapasitor polar dan non-polar kapasitas tinggi dan rendah berbeda dalam desain dielektrik. Dalam kapasitor elektrolit, jika oksida diterapkan pada 1 elektroda atau 1 sisi kertas, film, elemen tersebut akan bersifat polar.

Model kapasitor elektrolitik non-polar di mana oksida logam diterapkan secara simetris pada kedua permukaan dielektrik termasuk dalam rangkaian dengan arus bolak-balik.

Kapasitor kutub ditandai sebagai elektroda positif atau negatif pada kasing.

Apa kapasitansi kapasitor tergantung pada

Fungsi dan peran utama kapasitor dalam suatu rangkaian adalah untuk mengakumulasi muatan dan peran tambahannya adalah untuk mencegah kebocoran.

Kapasitansi kapasitor berbanding lurus dengan konstanta dielektrik medium dan luas pelat, dan berbanding terbalik dengan jarak antara elektroda. Dua kontradiksi muncul:

1. Untuk meningkatkan kapasitansi, elektroda harus setebal, lebar dan sepanjang mungkin. Pada saat yang sama, ukuran perangkat tidak dapat ditingkatkan.
2. Untuk menahan muatan dan memberikan gaya tarik yang diperlukan, jarak antara pelat adalah minimal. Pada saat yang sama, arus gangguan tidak dapat dikurangi.

Untuk mengatasi kontradiksi, pengembang menggunakan:

• struktur multi-lapisan dari pasangan dielektrik-elektroda;
• struktur anoda berpori;
• penggantian kertas dengan oksida dan elektrolit;
• penyertaan elemen secara paralel;
• mengisi ruang kosong dengan zat dengan permitivitas dielektrik yang meningkat.

Ukuran kapasitor berkurang dan karakteristik semakin baik dengan setiap penemuan baru.

Artikel terkait: