Kapasitor tipikal dengan penunjukan sirkuit "C" termasuk dalam kategori komponen radio paling umum yang beroperasi di sirkuit AC dan DC. Dalam kasus pertama, ini digunakan sebagai elemen pemblokiran dan beban kapasitif, dan dalam kasus kedua, sebagai elemen penyaringan rantai penyearah dengan arus berdenyut. Kapasitor dalam rangkaian AC terlihat seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini.

Tidak seperti komponen radio umum lainnya yang disebut resistor, kapasitor dalam rangkaian AC memasukkan komponen reaktif ke dalamnya, yang mengarah pada pembentukan pergeseran fasa antara EMF yang diterapkan dan arus yang disebabkan olehnya. Mari kita berkenalan dengan apa itu komponen reaktif dan kapasitansi, secara lebih rinci.

Inklusi dalam sirkuit EMF sinusoidal

Jenis inklusi

Seperti yang Anda ketahui, kapasitor dalam rangkaian DC (tanpa komponen variabel) tidak dapat berfungsi.

Catatan! Pernyataan ini tidak berlaku untuk filter pemulusan di mana arus riak mengalir, serta sirkuit pemblokiran khusus.

Gambaran yang sama sekali berbeda diamati jika kita mempertimbangkan penyertaan elemen ini dalam rangkaian arus bolak-balik, di mana ia mulai berperilaku lebih aktif dan dapat melakukan beberapa fungsi sekaligus. Dalam hal ini, kapasitor dapat digunakan untuk tujuan berikut:

• Untuk memblokir komponen konstan, selalu ada di sirkuit elektronik apa pun;
• Untuk menciptakan resistensi di jalur propagasi komponen frekuensi tinggi (HF) dari sinyal yang diproses;
• Sebagai elemen beban kapasitif yang mengatur karakteristik frekuensi rangkaian;
• Sebagai elemen rangkaian osilasi dan filter khusus (LF dan HF).

Dari semua hal di atas, segera jelas bahwa dalam sebagian besar kasus, kapasitor dalam rangkaian arus bolak-balik digunakan sebagai elemen yang bergantung pada frekuensi yang dapat memiliki efek tertentu pada sinyal yang mengalir melaluinya.

Jenis inklusi yang paling sederhana

Proses yang terjadi selama inklusi ini ditunjukkan pada gambar di bawah ini.

Mereka dapat dijelaskan dengan memperkenalkan konsep ggl harmonik (sinusoidal), dinyatakan sebagai:kamu = Uo karena ω T, dan terlihat seperti ini:

• Dengan peningkatan variabel EMF, kapasitor diisi oleh arus listrik I yang mengalir melaluinya, yang maksimum pada saat awal. Saat kapasitansi diisi, besarnya arus pengisian secara bertahap berkurang dan sepenuhnya diatur ulang ke nol pada saat EMF mencapai maksimumnya;

Penting! Perubahan arus dan tegangan multiarah seperti itu mengarah pada pembentukan di antara mereka dari pergeseran fasa 90 derajat, karakteristik elemen ini.

• Di sinilah kuartal pertama dari osilasi periodik berakhir;
• Selanjutnya, EMF sinusoidal secara bertahap berkurang, akibatnya kapasitor mulai terlepas, dan pada saat ini arus yang meningkat dalam amplitudo mengalir di sirkuit. Pada saat yang sama, kelambatan yang sama dalam fase diamati, yaitu pada kuartal pertama periode;
• Pada akhir tahap ini, kapasitor benar-benar habis (dengan EMF sama dengan nol), dan arus dalam rangkaian mencapai maksimum;
• Ketika arus balik (pengosongan) meningkat, kapasitansi diisi ulang, akibatnya arus secara bertahap berkurang menjadi nol, dan EMF mencapai nilai puncaknya (yaitu, seluruh proses kembali ke titik awalnya).

Selanjutnya, semua proses yang dijelaskan diulang dengan frekuensi yang ditentukan oleh frekuensi EMF eksternal. Pergeseran fasa antara arus dan EMF dapat dianggap sebagai semacam resistensi terhadap perubahan tegangan melintasi kapasitor (tertinggal di belakang fluktuasi arus).

kapasitansi

Konsep kapasitas

Ketika mempelajari proses yang terjadi di sirkuit dengan kapasitor yang terhubung dengannya, ditemukan bahwa waktu pengisian dan pengosongan untuk berbagai sampel elemen ini berbeda secara signifikan satu sama lain. Berdasarkan fakta ini, konsep kapasitansi diperkenalkan, yang didefinisikan sebagai kemampuan kapasitor untuk mengakumulasi muatan di bawah pengaruh tegangan yang diberikan:

Setelah itu, perubahan muatan pada pelatnya dari waktu ke waktu dapat direpresentasikan sebagai:

Tapi sejakQ= CU, maka dengan perhitungan sederhana kita peroleh:

I = CxdU/dt = C Uo cos t = Io sin(ω t+90),

yaitu, arus mengalir melalui kapasitor sedemikian rupa sehingga mulai memimpin tegangan sebesar 90 derajat. Hasil yang sama diperoleh ketika menggunakan pendekatan matematis lain untuk proses listrik ini.

Representasi vektor

Untuk kejelasan yang lebih besar, teknik elektro menggunakan representasi vektor dari proses yang dipertimbangkan, dan untuk mengukur perlambatan reaksi, konsep kapasitansi diperkenalkan (lihat foto di bawah).

Diagram vektor juga menunjukkan bahwa arus dalam rangkaian kapasitor memimpin tegangan sebesar 90 derajat dalam fase.

Informasi tambahan. Ketika mempelajari "perilaku" koil dalam rangkaian arus sinusoidal, ditemukan bahwa, sebaliknya, tertinggal di belakang tegangan dalam fase.

Dalam kedua kasus, ada perbedaan dalam karakteristik fase proses, yang menunjukkan sifat reaktif beban dalam rangkaian EMF variabel.

Mengabaikan perhitungan diferensial yang sulit untuk dijelaskan, untuk mewakili resistansi beban kapasitif, kita mendapatkan:

Dari sini dapat disimpulkan bahwa resistansi yang dibuat oleh kapasitor berbanding terbalik dengan frekuensi sinyal bolak-balik dan kapasitansi elemen yang dipasang di sirkuit. Ketergantungan ini memungkinkan Anda untuk membangun berdasarkan kapasitor sirkuit yang bergantung pada frekuensi seperti:

• Mengintegrasikan dan membedakan sirkuit (bersama-sama dengan resistor pasif);
• elemen filter LF dan HF;
• Sirkuit reaktif yang digunakan untuk meningkatkan karakteristik beban peralatan listrik;
• Rangkaian resonansi tipe seri dan paralel.

Dalam kasus pertama, melalui kapasitansi, dimungkinkan untuk secara sewenang-wenang mengubah bentuk pulsa persegi panjang, meningkatkan durasinya (integrasi) atau memperpendeknya (diferensiasi).

Sirkuit filter dan sirkuit resonansi banyak digunakan dalam sirkuit linier dari berbagai kelas (penguat, konverter, generator, dan perangkat serupa).

grafik kapasitansi

Terbukti bahwa arus yang melalui kapasitor hanya mengalir di bawah pengaruh tegangan yang berubah secara harmonis. Dalam hal ini, kekuatan arus dalam rantai ditentukan oleh kapasitansi elemen ini, sehingga semakin besar kapasitansi kapasitor, semakin signifikan.

Tetapi Anda juga dapat melacak hubungan terbalik, yang menurutnya resistansi kapasitor meningkat dengan penurunan parameter frekuensi. Sebagai contoh, perhatikan grafik yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini.

Dari ketergantungan di atas, dapat ditarik kesimpulan penting sebagai berikut:

• Untuk arus konstan (frekuensi = 0), Xc sama dengan tak terhingga, yang berarti tidak dapat mengalir di dalamnya;
• Pada frekuensi yang sangat tinggi, resistansi elemen ini cenderung nol;
• Hal-hal lain dianggap sama, itu ditentukan oleh kapasitansi kapasitor yang dipasang di sirkuit.

Yang menarik adalah distribusi energi listrik di sirkuit arus bolak-balik dengan kapasitor yang disertakan di dalamnya.

Kerja (daya) dalam beban kapasitif

Mirip dengan kasus induktansi, ketika mempelajari "perilaku" kapasitor dalam rangkaian EMF variabel, ditemukan bahwa konsumsi daya di dalamnya karena pergeseran fasa U dan I tidak diamati. Yang terakhir dijelaskan oleh fakta bahwa energi listrik pada tahap awal proses (selama pengisian) disimpan di antara pelat kapasitor, dan pada tahap kedua dikembalikan ke sumbernya (lihat gambar di bawah).

Akibatnya, kapasitansi diklasifikasikan sebagai beban reaktif, atau tanpa watt. Namun, kesimpulan seperti itu dapat dianggap murni teoretis, karena dalam rangkaian nyata selalu ada elemen pasif biasa yang tidak reaktif, tetapi aktif atau resistansi watt. Ini termasuk:

• Resistensi kawat timah;
• Konduktivitas zona dielektrik dalam kapasitor;
• Hamburan pada kontak;
• Resistansi aktif lilitan kumparan dan sejenisnya.

Dalam hal ini, di setiap sirkuit listrik nyata selalu ada kerugian daya aktif (disipasinya), yang ditentukan secara individual dalam setiap kasus.

Perhatian khusus harus diberikan pada kerugian internal yang terkait dengan kebocoran melalui dielektrik dan insulasi yang buruk antara pelat (pelat). Mari kita beralih ke definisi berikut, dengan mempertimbangkan keadaan sebenarnya. Jadi, kerugian yang terkait dengan karakteristik kualitatif dielektrik disebut dielektrik. Biaya energi yang disebabkan oleh ketidaksempurnaan isolasi antara pelat biasanya diklasifikasikan sebagai kerugian karena kebocoran pada elemen kapasitor.

Pada akhir tinjauan ini, menarik untuk mengikuti satu analogi yang mewakili proses yang terjadi dalam rangkaian kapasitor dengan pegas mekanis elastis. Dan, memang, pegas, seperti elemen ini, selama satu bagian dari osilasi periodik mengakumulasi energi potensial dalam dirinya sendiri, dan pada fase kedua ia mengembalikannya dalam bentuk kinetik. Atas dasar analogi seperti itu, seluruh gambaran perilaku kapasitor dalam rangkaian dengan EMF variabel dapat disajikan.

Video

Banyak yang telah ditulis tentang kapasitor, apakah perlu menambahkan beberapa ribu kata lagi ke jutaan yang sudah ada? Saya akan menambahkannya! Saya percaya bahwa presentasi saya akan berguna. Bagaimanapun, itu akan dilakukan dengan mempertimbangkan.

Apa itu kapasitor listrik

Jika kita berbicara dalam bahasa Rusia, maka kapasitor dapat disebut "akumulator". Jadi lebih bisa dimengerti. Selain itu, ini adalah bagaimana nama ini diterjemahkan ke dalam bahasa kita. Gelas juga bisa disebut kapasitor. Hanya dia yang mengumpulkan cairan dalam dirinya sendiri. Atau tas. Ya, tas. Hal ini juga tampaknya penyimpanan. Itu mengumpulkan dalam dirinya sendiri segala sesuatu yang kita taruh di sana. Bagaimana dengan kapasitor listrik? Ini sama dengan gelas atau tas, tetapi hanya mengakumulasi muatan listrik.

Bayangkan sebuah gambar: arus listrik melewati rangkaian, resistor, konduktor bertemu di jalan dan, bam, sebuah kapasitor (kaca) muncul. Apa yang akan terjadi? Seperti yang Anda ketahui, arus adalah aliran elektron, dan setiap elektron memiliki muatan listrik. Jadi, ketika seseorang mengatakan bahwa ada arus yang mengalir melalui sirkuit, Anda membayangkan jutaan elektron mengalir melalui sirkuit. Elektronik inilah, ketika kapasitor muncul di jalan mereka, yang menumpuk. Semakin banyak kita memasukkan elektron ke dalam kapasitor, semakin besar muatannya.

Timbul pertanyaan, berapa banyak elektron yang dapat dikumpulkan dengan cara ini, berapa banyak yang akan masuk ke dalam kapasitor dan kapan akan "penuh"? Mari kita cari tahu. Sangat sering, perbandingan dengan air dan pipa digunakan untuk menyederhanakan penjelasan proses listrik sederhana. Mari kita gunakan pendekatan ini juga.

Bayangkan sebuah pipa tempat air mengalir. Di salah satu ujung pipa terdapat pompa yang memompakan air secara paksa ke dalam pipa ini. Kemudian secara mental letakkan selaput karet di sepanjang pipa. Apa yang akan terjadi? Membran akan mulai meregang dan tegang di bawah aksi gaya tekanan air di dalam pipa (tekanan dibuat oleh pompa). Ini akan meregang, meregang, meregang, dan sebagai hasilnya, gaya elastis membran akan menyeimbangkan kekuatan pompa dan aliran air akan berhenti, atau membran akan pecah (Jika ini tidak jelas, bayangkan sebuah balon yang akan meledak jika dipompa terlalu keras)! Hal yang sama terjadi pada kapasitor listrik. Hanya di sana, alih-alih membran, medan listrik digunakan, yang tumbuh saat kapasitor mengisi dan secara bertahap menyeimbangkan tegangan sumber daya.

Dengan demikian, kapasitor memiliki muatan pembatas tertentu yang dapat terakumulasi dan, setelah melebihinya, kerusakan dielektrik dalam kapasitor itu akan rusak dan berhenti menjadi kapasitor. Sudah waktunya, rupanya, untuk memberi tahu cara kerja kapasitor.

Bagaimana cara kerja kapasitor listrik?

Di sekolah, mereka memberi tahu Anda bahwa kapasitor adalah alat yang terdiri dari dua pelat dan ruang kosong di antara keduanya. Pelat ini disebut pelat kapasitor dan kabel dihubungkan dengannya untuk memberikan tegangan ke kapasitor. Jadi kapasitor modern tidak jauh berbeda. Mereka semua juga memiliki pelat dan ada dielektrik di antara pelat. Karena adanya dielektrik, karakteristik kapasitor ditingkatkan. Misalnya, kapasitasnya.

Kapasitor modern menggunakan berbagai jenis dielektrik (lebih lanjut tentang itu di bawah), yang dimasukkan di antara pelat kapasitor dengan cara paling canggih untuk mencapai karakteristik tertentu.

Prinsip operasi

Prinsip umum operasinya cukup sederhana: tegangan diterapkan - muatan telah terakumulasi. Proses fisik yang terjadi sekarang seharusnya tidak terlalu menarik bagi Anda, tetapi jika Anda mau, Anda dapat membacanya di buku fisika apa pun di bagian elektrostatika.

Kapasitor dalam rangkaian DC

Jika kita menempatkan kapasitor kita di sirkuit listrik (Gbr. Di bawah), sambungkan ammeter secara seri dengannya dan berikan arus searah ke sirkuit, maka jarum ammeter akan berkedut sebentar, dan kemudian membeku dan menunjukkan 0A - tidak ada arus di sirkuit . Apa yang terjadi?

Kita akan berasumsi bahwa sebelum arus disuplai ke rangkaian, kapasitor kosong (habis), dan ketika arus diterapkan, ia mulai mengisi dengan sangat cepat, dan ketika diisi (medan listrik antara pelat kapasitor menyeimbangkan sumber listrik), maka arus berhenti (berikut adalah grafik muatan kapasitor).

Itu sebabnya mereka mengatakan bahwa kapasitor tidak melewatkan arus searah. Sebenarnya, itu melompat, tetapi waktu yang sangat singkat, yang dapat dihitung menggunakan rumus t \u003d 3 * R * C (Waktu untuk mengisi kapasitor ke volume 95% dari nominal. R adalah resistansi dari sirkuit, C adalah kapasitansi kapasitor) Ini adalah bagaimana kapasitor berperilaku dalam arus rangkaian konstan. Ini berperilaku sangat berbeda di sirkuit bolak-balik!

Kapasitor di sirkuit AC

Apa itu arus bolak-balik? Ini adalah saat elektron "berjalan" pertama di sana, lalu kembali. Itu. arah gerakan mereka berubah sepanjang waktu. Kemudian, jika arus bolak-balik mengalir melalui rangkaian dengan kapasitor, maka pada masing-masing pelatnya, maka muatan "+", maka "-" akan terakumulasi. Itu. arus bolak-balik akan benar-benar mengalir. Dan ini berarti bahwa arus bolak-balik "bebas" melewati kapasitor.

Seluruh proses ini dapat dimodelkan dengan menggunakan metode analogi hidrolik. Gambar di bawah ini adalah analog dari rangkaian AC. Piston mendorong cairan maju mundur. Hal ini menyebabkan impeller berputar maju mundur. Ternyata, aliran cairan variabel (kita baca arus bolak-balik).

Sekarang mari kita tempatkan model kondensor dalam bentuk membran antara sumber daya (piston) dan impeller dan menganalisis apa yang akan berubah.

Sepertinya tidak akan ada yang berubah. Karena cairan membuat gerakan berosilasi, jadi itu membuatnya, karena impeller berosilasi karena ini, ia akan terus berosilasi. Ini berarti bahwa membran kita bukanlah penghalang untuk aliran variabel. Ini juga akan untuk kapasitor elektronik.

Faktanya adalah bahwa meskipun elektron yang menjalankan rantai dan tidak melintasi dielektrik (membran) antara pelat kapasitor, tetapi di luar kapasitor, gerakannya berosilasi (maju-mundur), yaitu. arus bolak-balik mengalir. Eh!

Jadi, kapasitor melewatkan arus bolak-balik dan menunda arus searah. Ini sangat nyaman ketika Anda ingin menghapus komponen DC dalam sinyal, misalnya, pada output / input penguat audio, atau ketika Anda ingin hanya melihat bagian variabel dari sinyal (riak pada output DC sumber tegangan).

Reaktansi kapasitor

Sebuah kapasitor memiliki hambatan! Pada prinsipnya, ini sudah dapat diasumsikan dari fakta bahwa tidak ada arus searah yang melewatinya, seolah-olah itu adalah resistor dengan resistansi yang sangat tinggi.

Hal lain adalah arus bolak-balik - ia lewat, tetapi mengalami hambatan dari kapasitor:

f adalah frekuensi, C adalah kapasitansi kapasitor. Jika Anda hati-hati melihat rumusnya, akan menjadi jelas bahwa jika arusnya konstan, maka f = 0 dan kemudian (semoga ahli matematika militan memaafkan saya!) X c = Ketakterbatasan. Dan tidak ada arus searah melalui kapasitor.

Tetapi resistansi terhadap arus bolak-balik akan berubah tergantung pada frekuensi dan kapasitansi kapasitor. Semakin besar frekuensi arus dan kapasitansi kapasitor, semakin kecil hambatan arus ini dan sebaliknya. Semakin cepat tegangan berubah
tegangan, semakin besar arus yang melalui kapasitor, ini menjelaskan penurunan Xc dengan meningkatnya frekuensi.

Omong-omong, fitur lain dari kapasitor adalah tidak ada daya yang dilepaskan, tidak memanas! Oleh karena itu, kadang-kadang digunakan untuk meredam tegangan di mana resistor akan berasap. Misalnya, untuk menurunkan tegangan listrik dari 220V menjadi 127V. Dan selanjutnya:

Arus dalam kapasitor sebanding dengan laju tegangan yang diterapkan di terminalnya.

Di mana kapasitor digunakan?

Ya, di mana pun propertinya diperlukan (untuk tidak melewatkan arus searah, kemampuan untuk mengakumulasi energi listrik dan mengubah resistansi tergantung pada frekuensi), dalam filter, di sirkuit osilasi, dalam pengganda tegangan, dll.

Apa itu kapasitor?

Industri memproduksi berbagai jenis kapasitor. Masing-masing memiliki kelebihan dan kekurangan tertentu. Beberapa memiliki arus bocor yang rendah, yang lain memiliki kapasitansi yang besar, yang lain memiliki yang lain. Tergantung pada indikator ini, kapasitor dipilih.

Amatir radio, terutama seperti kita - pemula - tidak terlalu repot dan bertaruh apa yang mereka temukan. Meskipun demikian, Anda harus tahu apa saja jenis utama kapasitor yang ada di alam.

Gambar menunjukkan pemisahan kapasitor yang sangat bersyarat. Saya menyusunnya sesuai selera saya dan saya menyukainya karena segera jelas apakah ada kapasitor variabel, apa jenis kapasitor konstan, dan dielektrik apa yang digunakan pada kapasitor umum. Secara umum, semua yang dibutuhkan seorang amatir radio.

Mereka memiliki arus bocor yang rendah, dimensi kecil, induktansi rendah, mampu beroperasi pada frekuensi tinggi dan di sirkuit DC, berdenyut dan AC.

Mereka diproduksi dalam berbagai voltase dan kapasitas operasi: dari 2 hingga 20.000 pF dan, tergantung pada versinya, menahan voltase hingga 30 kV. Tetapi paling sering Anda akan menemukan kapasitor keramik dengan tegangan operasi hingga 50V.

Sejujurnya, saya tidak tahu apakah mereka membuatnya sekarang. Tapi sebelumnya di kapasitor seperti itu, mika digunakan sebagai dielektrik. Dan kapasitor itu sendiri terdiri dari sebungkus mika, di mana masing-masing pelat dipasang di kedua sisi, dan kemudian pelat tersebut dirangkai menjadi "paket" dan dikemas ke dalam kasing.

Biasanya, mereka memiliki kapasitas beberapa ribu hingga puluhan ribu picoforads dan beroperasi dalam rentang tegangan dari 200 V hingga 1500 V.

Kapasitor Kertas

Kapasitor tersebut memiliki kertas kapasitor sebagai dielektrik, dan strip aluminium sebagai pelat. Potongan panjang aluminium foil dengan secarik kertas di antaranya digulung dan dikemas ke dalam kotak. Itulah intinya.

Kapasitor ini memiliki kapasitas mulai dari ribuan picoforad hingga 30 mikrofarad, dan dapat menangani tegangan dari 160 hingga 1500 volt.

Rumor mengatakan bahwa sekarang mereka dihargai oleh audiophiles. Saya tidak terkejut - mereka juga memiliki kabel konduksi unilateral ...

Pada prinsipnya, kapasitor biasa dengan poliester sebagai dielektrik. Kapasitansi menyebar dari 1 nF ke 15 mF pada tegangan operasi dari 50 V ke 1500 V.

Kapasitor jenis ini memiliki dua keunggulan yang tidak dapat disangkal. Pertama, Anda bisa membuatnya dengan toleransi yang sangat kecil hanya 1%. Jadi, jika tertulis 100 pF, maka kapasitansinya adalah 100 pF +/- 1%. Dan yang kedua adalah tegangan operasinya dapat mencapai hingga 3 kV (dan kapasitansinya dari 100 pF hingga 10 mF)

Kapasitor Elektrolit

Kapasitor ini berbeda dari yang lain karena hanya dapat dihubungkan ke sirkuit arus searah atau berdenyut. Mereka kutub. Mereka memiliki plus dan minus. Ini karena desain mereka. Dan jika kapasitor seperti itu diputar sebaliknya, maka kemungkinan besar akan membengkak. Dan sebelumnya mereka juga meledak dengan riang, tetapi tidak aman. Ada kapasitor elektrolit aluminium dan tantalum.

Kapasitor elektrolit aluminium disusun hampir seperti kertas, dengan satu-satunya perbedaan bahwa pelat kapasitor semacam itu adalah kertas dan strip aluminium. Kertas diresapi dengan elektrolit, dan lapisan tipis oksida diterapkan pada strip aluminium, yang bertindak sebagai dielektrik. Jika Anda menerapkan arus bolak-balik ke kapasitor seperti itu atau mengembalikannya ke polaritas keluaran, maka elektrolit mendidih dan kapasitor gagal.

Kapasitor elektrolit memiliki kapasitansi yang cukup besar, karena itu sering digunakan, misalnya, dalam rangkaian penyearah.

Itu mungkin saja. Kapasitor dengan dielektrik yang terbuat dari polikarbonat, polistirena, dan mungkin banyak jenis lainnya tetap berada di belakang layar. Tapi saya pikir itu akan berlebihan.

Bersambung...

Di bagian kedua, saya berencana untuk menunjukkan contoh penggunaan kapasitor yang khas..

Ini mudah untuk dikonfirmasi secara eksperimental. Anda dapat menyalakan bola lampu dengan menghubungkannya ke jaringan arus bolak-balik melalui kapasitor. Loudspeaker atau handset akan terus bekerja jika terhubung ke penerima tidak secara langsung, tetapi melalui kapasitor.

Kapasitor adalah dua atau lebih pelat logam yang dipisahkan oleh dielektrik. Dielektrik ini paling sering mika, udara atau keramik, yang merupakan isolator terbaik. Sangat wajar bahwa arus searah tidak dapat melewati isolator seperti itu. Tetapi mengapa arus bolak-balik melewatinya? Ini tampak semakin aneh karena keramik yang sama dalam bentuk, misalnya, rol porselen mengisolasi kabel AC dengan sempurna, dan mika dengan sempurna menjalankan fungsi isolator pada setrika listrik dan perangkat pemanas lainnya yang berfungsi dengan baik pada AC.

Melalui beberapa percobaan, kita dapat "membuktikan" fakta yang lebih aneh lagi: jika kita mengganti dielektrik dengan sifat isolasi yang relatif buruk dalam kapasitor dengan dielektrik lain, yang merupakan isolator yang lebih baik, maka sifat kapasitor akan berubah sehingga aliran arus bolak-balik melalui kapasitor tidak akan terhalang, tetapi, sebaliknya, lebih mudah. Misalnya, jika Anda menghubungkan bola lampu di sirkuit arus bolak-balik melalui kapasitor dengan dielektrik kertas dan kemudian mengganti kertas dengan isolator yang sangat baik; seperti kaca atau porselen dengan ketebalan yang sama, bola lampu akan menyala lebih terang. Eksperimen semacam itu akan mengarah pada kesimpulan bahwa arus bolak-balik tidak hanya melewati kapasitor, tetapi juga mengalir dengan lebih mudah, semakin baik dielektriknya sebagai isolator.

Namun, terlepas dari semua persuasif yang tampak dari eksperimen semacam itu, arus listrik - tidak langsung atau bolak-balik - tidak melewati kapasitor. Dielektrik yang memisahkan pelat kapasitor berfungsi sebagai penghalang yang andal ke jalur arus, apa pun itu - AC atau DC. Tetapi ini tidak berarti bahwa tidak akan ada arus di seluruh rangkaian di mana kapasitor disertakan.

Kapasitor memiliki sifat fisik tertentu, yang kita sebut kapasitansi. Properti ini terdiri dari kemampuan untuk mengakumulasi muatan listrik pada pelat. Sumber arus listrik secara kasar dapat disamakan dengan pompa yang memompa muatan listrik ke dalam rangkaian. Jika arusnya konstan, maka muatan listrik dipompa sepanjang waktu dalam satu arah.

Bagaimana kapasitor berperilaku dalam rangkaian DC?

"Pompa listrik" kami akan memompa muatan ke salah satu pelatnya dan memompanya keluar dari pelat lainnya. Kemampuan kapasitor untuk menahan pada pelatnya (pelat) perbedaan tertentu dalam jumlah muatan disebut kapasitansi. Semakin besar kapasitansi kapasitor, semakin banyak muatan listrik yang dapat berada di satu pelat dibandingkan dengan yang lain.

Pada saat arus dihidupkan, kapasitor tidak diisi - jumlah muatan pada pelatnya sama. Tapi arusnya hidup. "Pompa listrik" telah diterima. Dia mengarahkan muatan ke satu piring dan mulai memompanya keluar dari yang lain. Begitu muatan mulai bergerak dalam rangkaian, itu berarti arus mulai mengalir di dalamnya. Arus akan mengalir sampai kapasitor terisi penuh. Ketika batas ini tercapai, arus akan berhenti.

Oleh karena itu, jika pada rangkaian DC terdapat kapasitor, maka setelah ditutup arus di dalamnya akan mengalir selama yang diperlukan untuk mengisi penuh kapasitor tersebut.

Jika resistansi rangkaian yang melaluinya kapasitor diisi relatif kecil, maka waktu pengisiannya sangat singkat: berlangsung sepersekian detik, setelah itu arus berhenti mengalir.

Hal lain di sirkuit AC. Di sirkuit ini, "pompa" memompa muatan listrik ke satu arah atau yang lain. Setelah hampir tidak membuat kelebihan muatan pada satu pelat kapasitor dibandingkan dengan nomor di pelat lainnya, pompa mulai memompanya ke arah yang berlawanan. Muatan akan beredar di sirkuit terus menerus, yang berarti bahwa di dalamnya, meskipun ada kapasitor non-konduktif, akan ada arus - arus pengisian dan pengosongan kapasitor.

Apa yang akan menentukan besarnya arus ini?

Dengan besarnya arus, yang kami maksud adalah jumlah muatan listrik yang mengalir per satuan waktu melalui penampang konduktor. Semakin besar kapasitansi kapasitor, semakin banyak muatan yang diperlukan untuk "mengisi", yang berarti semakin kuat arus dalam rangkaian. Kapasitansi kapasitor tergantung pada ukuran pelat, jarak antara pelat dan jenis dielektrik yang memisahkannya, konstanta dielektriknya. Porselen memiliki konstanta dielektrik yang lebih besar daripada kertas, jadi ketika porselen diganti dalam kapasitor, arus dalam rangkaian meningkat, meskipun porselen adalah isolator yang lebih baik daripada kertas.

Besarnya arus juga tergantung pada frekuensinya. Semakin tinggi frekuensinya, semakin besar arusnya. Sangat mudah untuk memahami mengapa ini terjadi jika kita membayangkan bahwa kita mengisi bejana dengan kapasitas, misalnya, 1 liter dengan air melalui tabung dan kemudian memompanya keluar. Jika proses ini diulang 1 kali per detik, maka 2 liter air akan melewati tabung per detik: 1 liter di satu arah dan 1 liter di arah lain. Tetapi jika kita menggandakan frekuensi proses: kita mengisi dan mengosongkan bejana 2 kali per detik, maka 4 liter air akan melewati tabung per detik - peningkatan frekuensi proses dengan kapasitas led kapal yang konstan dengan peningkatan yang sesuai dalam jumlah air yang mengalir melalui tabung.

Dari semua yang telah dikatakan, kesimpulan berikut dapat ditarik: arus listrik - tidak langsung atau bolak-balik - tidak melewati kapasitor. Namun pada rangkaian yang menghubungkan sumber AC dengan kapasitor, arus charge dan discharge kapasitor ini mengalir. Semakin besar kapasitansi kapasitor dan semakin tinggi frekuensi arus, semakin kuat arus ini.

Fitur arus bolak-balik ini sangat banyak digunakan dalam teknik radio. Hal ini didasarkan pada radiasi gelombang radio. Untuk melakukan ini, kami membangkitkan arus bolak-balik frekuensi tinggi di antena pemancar. Tetapi mengapa arus mengalir di antena, karena itu bukan sirkuit tertutup? Ini mengalir karena ada kapasitansi antara kabel antena dan counterweight atau ground. Arus di antena adalah arus pengisian dan pengosongan kapasitansi ini, kapasitor ini.

Tuan-tuan, dalam artikel hari ini saya ingin mempertimbangkan pertanyaan yang menarik seperti kapasitor AC. Topik ini sangat penting dalam listrik, karena dalam praktiknya kapasitor ada di mana-mana di sirkuit dengan arus bolak-balik, dan, dalam hal ini, sangat berguna untuk memiliki gagasan yang jelas tentang hukum apa yang diubah sinyal dalam kasus ini. Kami akan mempertimbangkan hukum-hukum ini hari ini, dan pada akhirnya kami akan memecahkan satu masalah praktis dalam menentukan arus melalui kapasitor.

Tuan-tuan, sekarang bagi kita hal yang paling menarik adalah bagaimana tegangan pada kapasitor dan arus yang melalui kapasitor terkait satu sama lain untuk kasus ketika kapasitor berada di rangkaian sinyal AC.

Mengapa segera berubah-ubah? Ya, hanya karena kapasitor ada di sirkuit arus searah tidak ada yang luar biasa. Arus mengalir melaluinya hanya pada saat pertama, sedangkan kapasitor habis. Kemudian kapasitor diisi dan hanya itu, tidak ada arus (ya, ya, saya dengar, mereka sudah mulai berteriak bahwa muatan kapasitor secara teoritis berlangsung sangat lama, dan mungkin juga memiliki resistansi bocor, tetapi untuk sekarang kita mengabaikan ini). kapasitor bermuatan untuk permanen saat ini - Bagaimana itu pemutusan rantai. Kapan kita punya kesempatan variabel saat ini - semuanya jauh lebih menarik di sini. Ternyata dalam hal ini arus dapat mengalir melalui kapasitor dan kapasitor dalam hal ini, seolah-olah, setara dengan penghambat dengan beberapa resistensi yang terdefinisi dengan baik (jika untuk saat ini lupakan semua jenis pergeseran fase di sana, lebih lanjut tentang itu di bawah). Kita perlu entah bagaimana mendapatkan hubungan antara arus dan tegangan melintasi kapasitor.

Untuk saat ini, kita akan melanjutkan dari fakta bahwa hanya ada kapasitor di rangkaian arus bolak-balik dan hanya itu. Tanpa komponen lain seperti resistor atau induktor. Biarkan saya mengingatkan Anda bahwa dalam kasus ketika kita hanya memiliki resistor di sirkuit, masalah seperti itu diselesaikan dengan sangat sederhana: arus dan tegangan saling berhubungan melalui hukum Ohm. Kami telah membicarakan hal ini lebih dari sekali. Semuanya sangat sederhana di sana: kami membagi tegangan dengan resistansi dan mendapatkan arus. Tapi bagaimana dengan kapasitor? Bagaimanapun, kapasitor bukanlah resistor. Ada fisika proses yang sama sekali berbeda, jadi begitu saja, dari satu gerakan, tidak mungkin untuk hanya menghubungkan arus dan tegangan. Namun demikian, itu harus dilakukan, jadi mari kita coba bernalar.

Mari kita kembali dulu. Jauh ke belakang. Bahkan sangat jauh. Untuk artikel pertama saya di situs ini. Orang tua harus ingat bahwa ini adalah artikel tentang kekuatan saat ini. Di sini, di artikel ini, ada satu ungkapan menarik yang berhubungan dengan kekuatan arus dan muatan yang mengalir melalui penampang konduktor. Ini adalah ekspresi yang sama

Seseorang mungkin keberatan bahwa dalam artikel tentang kekuatan saat ini, entri telah selesai q Dan t- sejumlah kecil muatan dan waktu dimana muatan ini melewati bagian konduktor. Namun, di sini kita akan menggunakan notasi melalui dq Dan dt melalui diferensial. Kita akan membutuhkan representasi ini dalam hal berikut. Jika Anda tidak masuk jauh ke dalam hutan matan, maka sebenarnya dq Dan dt di sini tidak berbeda dari q Dan t. Tentu saja, orang yang sangat berpengalaman dalam matematika yang lebih tinggi dapat membantah pernyataan ini, tetapi ya, sekarang saya tidak ingin fokus pada hal-hal ini.

Jadi, kami ingat ekspresi untuk kekuatan saat ini. Sekarang mari kita ingat bagaimana kapasitansi kapasitor saling berhubungan DARI, mengenakan biaya Q, yang telah dia kumpulkan dalam dirinya sendiri, dan ketegangan kamu pada kondensor, yang kemudian terbentuk. Nah, kita ingat bahwa jika kapasitor telah mengumpulkan semacam muatan dalam dirinya sendiri, maka tegangan pasti akan muncul pada pelatnya. Kita semua membicarakan hal ini sebelumnya juga, di artikel ini. Kita akan membutuhkan rumus ini, yang hanya menghubungkan muatan dengan tegangan

Mari kita nyatakan muatan kapasitor dari rumus ini:

Dan sekarang ada godaan yang sangat besar untuk mengganti ekspresi ini dengan muatan kapasitor dalam rumus sebelumnya untuk kekuatan saat ini. Perhatikan lebih dekat - lagi pula, kekuatan arus, kapasitansi kapasitor dan tegangan pada kapasitor akan saling berhubungan! Mari kita lakukan substitusi ini tanpa penundaan:

Kapasitansi kapasitor yang kita miliki adalah nilai permanen. Itu didefinisikan eksklusif oleh kondensor, struktur internalnya, jenis dielektrik dan semua itu. Kami membicarakan semua ini secara rinci di salah satu artikel sebelumnya. Oleh karena itu, kapasitas DARI kapasitor, karena merupakan konstanta, dapat dengan aman dikeluarkan dari tanda diferensial (begitulah aturan untuk bekerja dengan diferensial yang sama ini). Tapi dengan ketegangan kamu Anda tidak bisa melakukan itu! Tegangan melintasi kapasitor akan berubah seiring waktu. Mengapa ini terjadi? Jawabannya adalah dasar: saat arus mengalir pada pelat kapasitor, jelas, muatannya akan berubah. Perubahan muatan pasti akan menyebabkan perubahan tegangan pada kapasitor. Oleh karena itu, tegangan dapat dianggap sebagai fungsi waktu tertentu dan tidak dapat dikeluarkan dari bawah diferensial. Jadi, setelah melakukan transformasi di atas, kita mendapatkan entri berikut:

Tuan-tuan, saya segera mengucapkan selamat kepada Anda - kami baru saja menerima ekspresi paling berguna yang menghubungkan tegangan yang diberikan ke kapasitor dan arus yang mengalir melaluinya. Jadi, jika kita mengetahui hukum perubahan tegangan, kita dapat dengan mudah menemukan hukum perubahan arus melalui kapasitor hanya dengan mencari turunannya.

Tapi bagaimana dengan kasus sebaliknya? Misalkan kita tahu hukum perubahan arus melalui kapasitor dan kita ingin menemukan hukum perubahan tegangan melintasinya. Pembaca yang berpengalaman dalam matematika mungkin sudah menebak bahwa untuk menyelesaikan masalah ini, cukup dengan mengintegrasikan ekspresi yang ditulis di atas. Artinya, hasilnya akan terlihat seperti ini:

Sebenarnya, kedua ungkapan ini adalah tentang hal yang sama. Hanya saja yang pertama digunakan ketika kita mengetahui hukum perubahan tegangan pada kapasitor dan kita ingin menemukan hukum perubahan arus yang melaluinya, dan yang kedua - ketika kita mengetahui bagaimana arus yang melalui kapasitor berubah dan kita ingin menemukan hukum perubahan tegangan. Untuk lebih mengingat semua ini, Tuan-tuan, saya telah menyiapkan gambar penjelasan untuk Anda. Hal ini ditunjukkan pada Gambar 1.

Gambar 1 - Gambar penjelasan

Di atasnya, sebenarnya, dalam bentuk terkompresi, kesimpulan digambarkan yang akan baik untuk diingat.

Tuan-tuan, perhatikan - ekspresi yang dihasilkan berlaku untuk setiap hukum perubahan arus dan tegangan. Tidak harus sinus, cosinus, gelombang persegi atau yang lainnya. Jika Anda memiliki beberapa yang benar-benar sewenang-wenang, bahkan jika benar-benar liar, tidak dijelaskan dalam literatur apa pun, hukum perubahan tegangan U(t) diterapkan pada kapasitor, Anda, dengan membedakannya, dapat menentukan hukum perubahan arus yang melalui kapasitor. Demikian pula, jika Anda mengetahui hukum perubahan arus melalui kapasitor Dia) kemudian, setelah menemukan integralnya, Anda dapat menemukan bagaimana tegangan akan berubah.

Jadi, kami menemukan cara menghubungkan arus dan tegangan satu sama lain untuk apa pun, bahkan opsi paling gila untuk mengubahnya. Namun beberapa kasus khusus tak kalah menarik. Misalnya, kasus seseorang yang telah berhasil jatuh cinta pada kita semua berbentuk sinus saat ini. Mari kita tangani sekarang.

Biarkan tegangan melintasi kapasitor C berubah sesuai dengan hukum sinus seperti ini

Kuantitas fisik apa yang ada di balik setiap huruf dalam ekspresi ini, kami menganalisis secara rinci sedikit lebih awal. Bagaimana perubahan saat ini dalam kasus ini? Dengan menggunakan pengetahuan yang sudah diperoleh, mari kita dengan bodohnya mengganti ekspresi ini ke dalam rumus umum kita dan menemukan turunannya

Atau Anda bisa menulis seperti ini

Tuan-tuan, saya ingin mengingatkan Anda bahwa sinus hanya berbeda dari cosinus di mana satu digeser relatif terhadap yang lain dalam fase sebesar 90 derajat. Nah, atau, jika dinyatakan dalam bahasa matematika, maka . Tidak jelas dari mana ungkapan ini berasal? Google itu rumus pengurangan. Hal yang berguna, tidak ada salahnya untuk mengetahui. Bahkan lebih baik, jika Anda terbiasa dengan lingkaran trigonometri, semua ini dapat terlihat dengan sangat jelas.

Tuan-tuan, saya hanya akan membuat satu poin. Dalam artikel saya, saya tidak akan berbicara tentang aturan untuk menemukan turunan dan mengambil integral. Saya harap Anda memiliki setidaknya pemahaman umum tentang poin-poin ini. Namun, bahkan jika Anda tidak tahu bagaimana melakukan ini, saya akan mencoba menyajikan materi sedemikian rupa sehingga esensi dari segala sesuatunya jelas bahkan tanpa perhitungan perantara ini. Jadi, sekarang kita telah menerima kesimpulan penting - jika tegangan kapasitor berubah sesuai dengan hukum sinus, maka arus yang melaluinya akan berubah sesuai dengan hukum kosinus. Artinya, arus dan tegangan pada kapasitor digeser relatif satu sama lain dalam fase sebesar 90 derajat. Selain itu, kita dapat dengan relatif mudah menemukan nilai amplitudo arus (ini adalah faktor-faktor yang mendahului sinus). Nah, yaitu puncak itu, maksimum yang dicapai arus itu. Seperti yang Anda lihat, itu tergantung pada kapasitas C kapasitor, amplitudo tegangan yang diterapkan padanya kamu m dan frekuensi ω . Artinya, semakin besar tegangan yang diberikan, semakin besar kapasitansi kapasitor dan semakin besar frekuensi perubahan tegangan, semakin besar amplitudo arus yang melalui kapasitor. Mari kita buat grafik dengan menggambarkan arus yang melalui kapasitor dan tegangan melintasi kapasitor pada bidang yang sama. Sejauh ini, tanpa angka spesifik, kami hanya akan menunjukkan karakter kualitatif. Grafik ini ditunjukkan pada Gambar 2 (gambar dapat diklik).

Gambar 2 - Arus melalui kapasitor dan tegangan melintasi kapasitor

Pada Gambar 2, grafik biru adalah arus sinusoidal yang melalui kapasitor, dan grafik merah adalah tegangan sinusoidal yang melintasi kapasitor. Gambar ini menunjukkan dengan sangat jelas bahwa arus mendahului tegangan (puncak dari arus sinusoidal adalah ke kiri puncak yang sesuai dari sinusoidal tegangan, yaitu, sebelum).

Mari kita lakukan yang sebaliknya sekarang. Beri tahu kami hukum perubahan saat ini SAYA(T) melalui kapasitor C. Dan biarkan hukum ini juga sinusoidal

Mari kita tentukan bagaimana tegangan melintasi kapasitor akan berubah dalam kasus ini. Mari kita gunakan rumus umum kita dengan integral:

Dengan analogi absolut dengan perhitungan yang sudah ditulis, tegangan dapat direpresentasikan dengan cara ini

Disini kita kembali menggunakan informasi menarik dari trigonometri yaitu . Dan lagi rumus pengurangan akan membantu Anda jika tidak jelas mengapa hal itu terjadi.

Kesimpulan apa yang dapat kita tarik dari perhitungan ini? Dan kesimpulannya masih sama seperti yang telah dibuat: arus yang melalui kapasitor dan tegangan melintasi kapasitor mengalami pergeseran fasa relatif satu sama lain sebesar 90 derajat. Apalagi mereka tidak hanya digeser. Saat ini di depan voltase. Kenapa gitu? Apa proses fisika di balik ini? Mari kita cari tahu.

Mari kita bayangkan itu tidak bermuatan Kami menghubungkan kapasitor ke sumber tegangan. Pada saat pertama, tidak ada muatan sama sekali dalam kapasitor: kapasitor juga habis. Dan jika tidak ada muatan, maka tidak ada tegangan. Tetapi ada arus, itu terjadi segera ketika kapasitor terhubung ke sumbernya. Apakah Anda memperhatikan tuan-tuan? Belum ada tegangan (belum sempat naik), tapi arus sudah ada. Dan selain itu, pada saat koneksi ini, arus di sirkuit adalah maksimum (kapasitor yang kosong, pada kenyataannya, setara dengan korsleting di sirkuit). Berikut adalah perbedaan antara tegangan dan arus. Saat arus mengalir, muatan mulai menumpuk di pelat kapasitor, yaitu tegangan mulai meningkat dan arus berkurang secara bertahap. Dan setelah beberapa saat, begitu banyak muatan akan menumpuk di pelat sehingga tegangan pada kapasitor akan sama dengan tegangan sumber dan arus dalam rangkaian akan berhenti sepenuhnya.

Sekarang mari kita dapatkan yang ini dibebankan kapasitor dilepaskan dari sumbernya dan dihubung pendek. Apa yang akan kita dapatkan? Dan praktis sama. Pada saat pertama, arus akan menjadi maksimum, dan tegangan melintasi kapasitor akan tetap sama seperti sebelumnya tanpa perubahan. Artinya, sekali lagi, arus ada di depan, dan tegangan berubah setelahnya. Saat arus mengalir, tegangan akan berkurang secara bertahap dan ketika arus berhenti sepenuhnya, itu juga akan menjadi sama dengan nol.

Untuk pemahaman yang lebih baik tentang fisika dari proses yang sedang berlangsung, Anda dapat sekali lagi menggunakan analogi pipa. Bayangkan bahwa kapasitor yang diisi adalah semacam tangki penuh air. Tangki ini memiliki keran di bagian bawah yang dapat digunakan untuk mengalirkan air. Mari kita buka keran ini. Begitu dibuka, air langsung mengalir. Dan tekanan di dalam tangki akan turun secara bertahap saat air mengalir keluar. Artinya, secara kasar, tetesan air dari keran mendahului perubahan tekanan, sama seperti arus dalam kapasitor mendahului perubahan tegangan yang melintasinya.

Penalaran serupa dapat dilakukan untuk sinyal sinusoidal, ketika arus dan tegangan berubah menurut hukum sinus, dan memang untuk sembarang. Intinya, saya harap, jelas.

Mari kita makan sedikit perhitungan praktis arus bolak-balik melalui kapasitor dan plot grafik.

Misalkan kita memiliki sumber tegangan sinusoidal, nilai efektifnya sama dengan 220 V, dan frekuensi 50Hz. Artinya, semuanya persis sama seperti di soket kami. Sebuah kapasitor terhubung ke tegangan ini. 1 uF. Misalnya, kapasitor film K73-17, dirancang untuk tegangan maksimum 400 V (dan kapasitor tidak dapat dihubungkan ke jaringan 220 V untuk tegangan yang lebih rendah), diproduksi dengan kapasitas 1 F. Untuk memberi Anda gambaran tentang apa yang sedang kita hadapi, pada Gambar 3 saya memposting foto hewan ini (terima kasih kepada Diamond untuk fotonya)

Gambar 3 - Kami mencari arus melalui kapasitor ini

Diperlukan untuk menentukan amplitudo arus apa yang akan mengalir melalui kapasitor ini dan memplot grafik arus dan tegangan.

Pertama kita perlu menuliskan hukum perubahan tegangan di outlet. Jika kamu ingat, amplitudo nilai tegangan dalam hal ini adalah sekitar 311 V. Mengapa demikian, dari mana asalnya, dan bagaimana cara menuliskan hukum perubahan tegangan pada stopkontak, dapat Anda baca di artikel ini. Kami akan segera menyajikan hasilnya. Jadi, tegangan di outlet akan berubah sesuai dengan hukum

Sekarang kita dapat menggunakan rumus yang diperoleh sebelumnya, yang akan menghubungkan tegangan di outlet dengan arus yang melalui kapasitor. Hasilnya akan terlihat seperti ini

Kami hanya mengganti kapasitansi kapasitor yang ditentukan dalam kondisi, nilai amplitudo tegangan dan frekuensi melingkar dari tegangan listrik ke dalam rumus umum. Akibatnya, setelah mengalikan semua faktor, kami memiliki hukum perubahan saat ini

Itu saja, tuan-tuan. Ternyata nilai amplitudo arus yang melalui kapasitor sedikit kurang dari 100 mA. Apakah banyak atau sedikit? Pertanyaannya tidak benar. Menurut standar teknologi industri, di mana arus ratusan ampere muncul, itu sangat kecil. Ya, dan untuk peralatan rumah tangga, di mana puluhan ampere tidak jarang - juga. Namun, bagi seseorang, bahkan arus seperti itu adalah bahaya besar! Ini menyiratkan kesimpulan bahwa seseorang tidak boleh mengambil kapasitor seperti itu yang terhubung ke jaringan 220 V. Namun, berdasarkan prinsip ini, dimungkinkan untuk membuat apa yang disebut catu daya dengan kapasitor pendinginan. Ya, ini adalah topik untuk artikel terpisah dan kami tidak akan menyentuhnya di sini.

Semua ini bagus, tetapi kami hampir lupa tentang grafik yang perlu kami buat. Kita harus segera memperbaikinya! Jadi, mereka disajikan pada Gambar 4 dan Gambar 5. Pada Gambar 4, Anda dapat mengamati grafik tegangan di outlet, dan pada Gambar 5, hukum perubahan arus melalui kapasitor yang termasuk dalam outlet tersebut.

Gambar 4 - Grafik tegangan di outlet

Gambar 5 - Grafik arus melalui kapasitor

Seperti yang dapat kita lihat dari angka-angka ini, arus dan tegangan digeser sebesar 90 derajat, sebagaimana mestinya. Dan, mungkin, pembaca punya ide - jika arus mengalir melalui kapasitor dan beberapa tegangan turun di atasnya, kemungkinan beberapa daya juga harus dilepaskan di atasnya. Namun, saya segera memperingatkan Anda - untuk kapasitor, situasinya sepenuhnya tidak dengan cara ini. Jika kita mempertimbangkan kapasitor yang ideal, maka daya di atasnya tidak akan dilepaskan sama sekali, bahkan ketika arus mengalir dan tegangan turun di atasnya. Mengapa? Bagaimana? Tentang itu - di artikel mendatang. Dan itu saja untuk hari ini. Terima kasih telah membaca, semoga berhasil, dan sampai jumpa lagi!

Bergabunglah dengan kami

Di semua teknik radio dan perangkat elektronik, kecuali transistor dan sirkuit mikro, kapasitor digunakan. Di beberapa sirkuit ada lebih banyak, di yang lain lebih sedikit, tetapi praktis tidak ada sirkuit elektronik tanpa kapasitor sama sekali.

Pada saat yang sama, kapasitor dapat melakukan berbagai tugas di perangkat. Pertama-tama, ini adalah kapasitansi dalam filter penyearah dan stabilisator. Dengan bantuan kapasitor, sinyal ditransmisikan antara tahap penguatan, filter lolos rendah dan tinggi dibuat, interval waktu diatur dalam penundaan waktu, dan frekuensi osilasi di berbagai generator dipilih.

Kapasitor berasal dari silsilahnya, yang pada pertengahan abad ke-18 digunakan oleh ilmuwan Belanda Peter van Mushenbroek dalam eksperimennya. Dia tinggal di kota Leiden, jadi tidak sulit menebak mengapa bank ini disebut demikian.

Sebenarnya, itu adalah toples kaca biasa, dilapisi di dalam dan di luar dengan kertas timah - staniole. Itu digunakan untuk tujuan yang sama seperti aluminium modern, tetapi kemudian aluminium belum ditemukan.

Satu-satunya sumber listrik pada masa itu adalah mesin elektrofor yang mampu menghasilkan tegangan hingga beberapa ratus kilovolt. Dari dialah toples Leyden diisi. Buku teks fisika menggambarkan kasus ketika Mushenbrook mengeluarkan kalengnya melalui rantai sepuluh penjaga yang berpegangan tangan.

Pada saat itu, tidak ada yang tahu bahwa konsekuensinya bisa tragis. Pukulan itu ternyata cukup sensitif, tapi tidak fatal. Ini tidak terjadi, karena kapasitas tabung Leyden tidak signifikan, impulsnya ternyata sangat singkat, sehingga daya pelepasannya rendah.

Cara kerja kapasitor

Perangkat kapasitor praktis tidak berbeda dari tabung Leyden: semua dua pelat yang sama dipisahkan oleh dielektrik. Ini adalah bagaimana kapasitor digambarkan pada sirkuit listrik modern. Gambar 1 menunjukkan perangkat skema kapasitor datar dan rumus untuk perhitungannya.

Gambar 1. Perangkat kapasitor datar

Di sini S adalah luas pelat dalam meter persegi, d adalah jarak antara pelat dalam meter, C adalah kapasitansi dalam farad, adalah permitivitas medium. Semua jumlah yang termasuk dalam rumus ditunjukkan dalam sistem SI. Rumus ini berlaku untuk kapasitor datar paling sederhana: Anda cukup menempatkan dua pelat logam berdampingan, dari mana kesimpulan diambil. Udara dapat berfungsi sebagai dielektrik.

Dari rumus ini dapat dipahami bahwa kapasitansi kapasitor semakin besar, semakin besar luas pelat dan semakin kecil jarak di antara mereka. Untuk kapasitor dengan geometri yang berbeda, rumusnya mungkin berbeda, misalnya, untuk kapasitansi konduktor tunggal atau. Tetapi ketergantungan kapasitansi pada luas pelat dan jarak di antara mereka sama dengan kapasitor datar: semakin besar luas dan semakin kecil jaraknya, semakin besar kapasitansi.

Padahal, piring tidak selalu dibuat rata. Untuk banyak kapasitor, seperti yang logam-kertas, pelapisnya adalah aluminium foil yang digulung bersama dengan dielektrik kertas menjadi bola yang rapat, dalam bentuk wadah logam.

Untuk meningkatkan kekuatan listrik, kertas kapasitor tipis diresapi dengan senyawa isolasi, paling sering minyak transformator. Desain ini memungkinkan Anda membuat kapasitor dengan kapasitas hingga beberapa ratus mikrofarad. Kapasitor dengan dielektrik lain disusun dengan cara yang kurang lebih sama.

Rumus tersebut tidak memuat batasan luas pelat S dan jarak antar pelat d. Jika kita berasumsi bahwa pelat dapat dipisahkan sangat jauh, dan pada saat yang sama luas pelat dapat dibuat sangat kecil, maka beberapa kapasitas, meskipun kecil, akan tetap ada. Alasan seperti itu menunjukkan bahwa bahkan hanya dua konduktor yang terletak bersebelahan memiliki kapasitansi listrik.

Keadaan ini banyak digunakan dalam teknologi frekuensi tinggi: dalam beberapa kasus, kapasitor dibuat sederhana dalam bentuk jalur kabel yang dicetak, atau bahkan hanya dua kabel yang dipilin bersama dalam isolasi polietilen. Mie kawat atau kabel biasa juga memiliki kapasitansi, dan dengan bertambahnya panjang, itu meningkat.

Selain kapasitansi C, setiap kabel juga memiliki resistansi R. Kedua sifat fisik ini didistribusikan di sepanjang kabel, dan ketika mentransmisikan sinyal berdenyut, mereka bekerja seperti sirkuit RC terintegrasi, yang ditunjukkan pada Gambar 2.

Gambar 2.

Pada gambar, semuanya sederhana: ini sirkuitnya, ini sinyal inputnya, dan ini dia outputnya. Impuls terdistorsi tanpa bisa dikenali, tetapi ini dilakukan dengan sengaja, di mana sirkuit itu dirakit. Sementara itu, kita berbicara tentang efek kapasitansi kabel pada sinyal pulsa. Alih-alih pulsa, "bel" seperti itu akan muncul di ujung kabel yang lain, dan jika pulsa pendek, maka mungkin tidak mencapai ujung kabel yang lain, bahkan mungkin hilang.

fakta sejarah

Di sini cukup tepat untuk mengingat kembali kisah bagaimana kabel transatlantik diletakkan. Upaya pertama pada tahun 1857 gagal: titik telegraf - tanda hubung (pulsa persegi panjang) terdistorsi sehingga tidak ada yang dapat dibongkar di ujung lain dari garis sepanjang 4000 km.

Upaya kedua dilakukan pada tahun 1865. Pada saat ini, fisikawan Inggris W. Thompson telah mengembangkan teori transmisi data melalui saluran panjang. Berdasarkan teori ini, peletakan kabel ternyata lebih berhasil, sinyalnya diterima.

Untuk prestasi ilmiah ini, Ratu Victoria memberikan ilmuwan gelar ksatria dan gelar Lord Kelvin. Itulah nama sebuah kota kecil di pesisir Irlandia, tempat dimulainya pemasangan kabel. Tapi ini hanya sebuah kata, dan sekarang mari kita kembali ke huruf terakhir dalam rumus, yaitu permitivitas medium .

Sedikit tentang dielektrik

ini adalah penyebut rumus, oleh karena itu, peningkatannya akan menyebabkan peningkatan kapasitas. Untuk sebagian besar dielektrik yang digunakan, seperti udara, lavsan, polietilen, fluoroplast, konstanta ini praktis sama dengan vakum. Tetapi pada saat yang sama, ada banyak zat yang konstanta dielektriknya jauh lebih tinggi. Jika kondensor udara diisi dengan aseton atau alkohol, maka kapasitasnya akan meningkat 15 ... 20 kali.

Tetapi zat seperti itu, selain yang tinggi, juga memiliki konduktivitas yang cukup tinggi, sehingga kapasitor seperti itu akan buruk untuk menahan muatan, ia akan dengan cepat melepaskan diri melalui dirinya sendiri. Fenomena berbahaya ini disebut arus bocor. Oleh karena itu, bahan khusus sedang dikembangkan untuk dielektrik, yang memungkinkan, dengan kapasitansi spesifik kapasitor yang tinggi, untuk memberikan arus bocor yang dapat diterima. Hal inilah yang menjelaskan begitu beragamnya jenis dan tipe kapasitor yang masing-masing didesain untuk kondisi tertentu.

Mereka memiliki kapasitas spesifik tertinggi (kapasitas / rasio volume). Kapasitas "elektrolit" mencapai hingga 100.000 mikrofarad, tegangan operasi hingga 600V. Kapasitor semacam itu hanya berfungsi dengan baik pada frekuensi rendah, paling sering pada filter catu daya. Kapasitor elektrolit terhubung sehubungan dengan polaritas.

Elektroda dalam kapasitor semacam itu adalah lapisan tipis oksida logam, itulah sebabnya kapasitor ini sering disebut kapasitor oksida. Lapisan tipis udara di antara elektroda semacam itu bukanlah isolator yang sangat andal; oleh karena itu, lapisan elektrolit dimasukkan di antara pelat oksida. Paling sering ini adalah larutan asam atau basa pekat.

Gambar 3 menunjukkan salah satu kapasitor ini.

Gambar 3. Kapasitor Elektrolit

Untuk memperkirakan ukuran kapasitor, kotak korek api sederhana difoto di sebelahnya. Selain kapasitas yang cukup besar pada gambar, Anda juga dapat melihat persentase toleransi: tidak lebih dan tidak kurang dari 70% dari nominal.

Pada masa itu ketika komputer berukuran besar dan disebut komputer, kapasitor semacam itu ada di disk drive (dalam HDD modern). Kapasitas informasi dari drive semacam itu sekarang hanya dapat menyebabkan senyuman: dua disk dengan diameter 350 mm menyimpan 5 megabyte informasi, dan perangkat itu sendiri berbobot 54 kg.

Tujuan utama dari superkapasitor yang ditunjukkan pada gambar adalah untuk melepaskan kepala magnetik dari area kerja disk jika terjadi pemadaman listrik secara tiba-tiba. Kapasitor semacam itu dapat menyimpan muatan selama beberapa tahun, yang telah diuji dalam praktiknya.

Sedikit lebih rendah dengan kapasitor elektrolitik, akan diusulkan untuk melakukan beberapa eksperimen sederhana untuk memahami apa yang dapat dilakukan kapasitor.

Untuk operasi di sirkuit AC, kapasitor elektrolitik non-polar diproduksi, tetapi untuk beberapa alasan sangat sulit untuk mendapatkannya. Untuk mengatasi masalah ini, "elektrolit" kutub yang biasa dinyalakan dalam rangkaian kontra: plus-minus-minus-plus.

Jika kapasitor elektrolit polar dihubungkan ke sirkuit arus bolak-balik, maka pada awalnya akan memanas, dan kemudian ledakan akan terdengar. Kapasitor tua domestik bertebaran ke segala arah, sedangkan kapasitor impor memiliki perangkat khusus untuk menghindari tembakan keras. Ini, sebagai suatu peraturan, adalah takik silang di bagian bawah kapasitor, atau lubang dengan sumbat karet yang terletak di sana.

Mereka benar-benar tidak menyukai kapasitor elektrolitik dengan tegangan tinggi, bahkan jika polaritasnya diamati. Oleh karena itu, tidak pernah perlu untuk menempatkan "elektrolit" di sirkuit di mana tegangan mendekati tegangan maksimum untuk kapasitor tertentu diharapkan.

Kadang-kadang di beberapa, bahkan forum terkemuka, pemula mengajukan pertanyaan: "Kapasitor adalah 470µF * 16V, tetapi saya memiliki 470µF * 50V, dapatkah saya meletakkannya?". Ya, tentu saja Anda bisa, tetapi penggantian terbalik tidak dapat diterima.

Kapasitor dapat menyimpan energi

Diagram sederhana yang ditunjukkan pada Gambar 4 akan membantu untuk memahami pernyataan ini.

Gambar 4. Rangkaian dengan kapasitor

Karakter utama dari rangkaian ini adalah kapasitor elektrolitik C dengan kapasitas yang cukup besar sehingga proses charge-discharge berjalan dengan lambat, bahkan sangat jelas. Ini memungkinkan untuk mengamati operasi sirkuit secara visual menggunakan bola lampu konvensional dari senter. Lentera ini telah lama digantikan oleh lampu LED modern, tetapi lampu untuk mereka masih dijual. Oleh karena itu, sangat mudah untuk merakit sirkuit dan melakukan eksperimen sederhana.

Mungkin seseorang akan berkata: “Mengapa? Lagi pula, semuanya sudah jelas, dan jika Anda juga membaca deskripsi ... ". Tampaknya tidak ada yang perlu diperdebatkan di sini, tetapi apa pun, bahkan hal yang paling sederhana, tetap berada di kepala untuk waktu yang lama jika pemahamannya datang melalui tangan.

Jadi, skema dirakit. Bagaimana cara kerjanya?

Pada posisi sakelar SA yang ditunjukkan pada diagram, kapasitor C diisi dari catu daya GB melalui resistor R di sirkuit: + GB __ R __ SA __ C __ -GB. Arus pengisian dalam diagram ditunjukkan oleh panah dengan indeks iz. Proses pengisian kapasitor ditunjukkan pada Gambar 5.

Gambar 5. Proses pengisian kapasitor

Gambar tersebut menunjukkan bahwa tegangan kapasitor meningkat sepanjang garis lengkung, dalam matematika disebut eksponensial. Arus muatan secara langsung mencerminkan tegangan muatan. Ketika tegangan melintasi kapasitor naik, arus muatan menjadi lebih kecil. Dan hanya pada saat awal yang sesuai dengan rumus yang ditunjukkan pada gambar.

Setelah beberapa waktu, kapasitor akan mengisi dari 0V ke tegangan catu daya, di sirkuit kami hingga 4,5V. Seluruh pertanyaannya adalah bagaimana menentukan waktu ini, berapa lama menunggu, kapan kapasitor akan diisi?

Konstanta waktu "tau" = R*C

Rumus ini hanya mengalikan resistansi dan kapasitansi dari resistor dan kapasitor yang terhubung seri. Jika, tanpa mengabaikan sistem SI, kita mengganti resistansi dalam Ohm, kapasitansi dalam Farad, maka hasilnya adalah dalam hitungan detik. Ini adalah waktu yang dibutuhkan kapasitor untuk mengisi hingga 36,8% dari tegangan catu daya. Dengan demikian, untuk biaya hingga hampir 100%, akan memakan waktu 5 * .

Seringkali, mengabaikan sistem SI, mereka mengganti resistansi dalam ohm ke dalam rumus, dan kapasitansi dalam mikrofarad, maka waktunya akan menjadi mikrodetik. Dalam kasus kami, lebih mudah untuk mendapatkan hasilnya dalam hitungan detik, di mana Anda hanya perlu mengalikan mikrodetik dengan satu juta, atau, lebih sederhana, pindahkan koma enam digit ke kiri.

Untuk rangkaian yang ditunjukkan pada Gambar 4, dengan kapasitansi kapasitor 2000uF dan resistor 500Ω, konstanta waktu akan menjadi = R*C = 500 * 2000 = 1.000.000 mikrodetik, atau tepat satu detik. Jadi, Anda harus menunggu sekitar 5 detik hingga kapasitor terisi penuh.

Jika setelah waktu yang ditentukan sakelar SA dipindahkan ke posisi yang tepat, maka kapasitor C akan dilepaskan melalui bola lampu EL. Pada titik ini, akan ada flash pendek, kapasitor akan habis dan lampu akan padam. Arah pelepasan kapasitor ditunjukkan oleh panah dengan indeks ip. Waktu pengosongan juga ditentukan oleh konstanta waktu . Grafik debit ditunjukkan pada Gambar 6.

Gambar 6. Grafik pelepasan kapasitor

Kapasitor tidak melewatkan arus searah

Skema yang lebih sederhana, ditunjukkan pada Gambar 7, akan membantu memverifikasi pernyataan ini.

Gambar 7. Diagram dengan kapasitor pada rangkaian DC

Jika sakelar SA ditutup, maka kedipan singkat bohlam akan mengikuti, yang menunjukkan bahwa kapasitor C telah diisi melalui bohlam. Grafik pengisian juga ditunjukkan di sini: pada saat sakelar ditutup, arus maksimum, ketika kapasitor diisi, ia berkurang, dan setelah beberapa saat berhenti sepenuhnya.

Jika kapasitor berkualitas baik, mis. dengan arus bocor rendah (pengosongan otomatis), menutup kembali sakelar tidak akan menyebabkan kilatan. Untuk mendapatkan flash lain, kapasitor harus dikosongkan.

Kapasitor dalam filter daya

Kapasitor ditempatkan, sebagai suatu peraturan, setelah penyearah. Paling sering, penyearah dibuat gelombang penuh. Rangkaian penyearah yang paling umum ditunjukkan pada Gambar 8.

Gambar 8. Rangkaian penyearah

Penyearah setengah gelombang juga cukup sering digunakan, sebagai aturan, dalam kasus di mana daya beban dapat diabaikan. Kualitas paling berharga dari penyearah tersebut adalah kesederhanaan: hanya satu dioda dan belitan transformator.

Untuk penyearah gelombang penuh, kapasitansi kapasitor filter dapat dihitung dengan rumus:

C \u003d 1000000 * Po / 2 * U * f * dU, di mana C adalah kapasitansi kapasitor F, Po adalah daya beban W, U adalah tegangan pada keluaran penyearah V, f adalah frekuensi tegangan bolak-balik Hz, dU adalah amplitudo riak V.

Sejumlah besar dalam pembilang 1000000 mengubah kapasitansi dari sistem farad ke mikrofarad. Dua penyebut adalah jumlah setengah siklus penyearah: untuk setengah gelombang, satu akan muncul di tempatnya

C \u003d 1000000 * Po / U * f * dU,

dan untuk penyearah tiga fase, rumusnya akan berbentuk C \u003d 1000000 * Po / 3 * U * f * dU.

Superkapasitor - ionistor

Baru-baru ini, kelas baru kapasitor elektrolitik telah muncul, yang disebut. Dalam sifat-sifatnya, ini mirip dengan baterai, tetapi dengan beberapa keterbatasan.

Ionistor diisi ke tegangan pengenal dalam waktu singkat, secara harfiah dalam beberapa menit, jadi disarankan untuk menggunakannya sebagai sumber daya cadangan. Faktanya, ionistor adalah perangkat non-polar, satu-satunya hal yang menentukan polaritasnya adalah pengisian daya di pabrik. Agar tidak membingungkan polaritas ini di masa depan, itu ditunjukkan oleh tanda +.

Peran penting dimainkan oleh kondisi operasi ionistor. Pada suhu 70˚C pada tegangan 0,8 dari nominal, daya tahan yang dijamin tidak lebih dari 500 jam. Jika perangkat beroperasi pada tegangan 0,6 dari tegangan nominal, dan suhu tidak melebihi 40 derajat, maka operasi yang benar dimungkinkan selama 40.000 jam atau lebih.

Penggunaan ionistor yang paling umum adalah pada catu daya cadangan. Pada dasarnya, ini adalah chip memori atau jam elektronik. Dalam hal ini, parameter utama ionistor adalah arus bocor kecil, pelepasannya sendiri.

Cukup menjanjikan adalah penggunaan ionistor dalam hubungannya dengan panel surya. Ini juga mempengaruhi ketidakkritisan kondisi pengisian dan jumlah siklus pengisian-pengosongan yang praktis tidak terbatas. Properti berharga lainnya adalah ionistor tidak memerlukan perawatan.

Sejauh ini, dimungkinkan untuk mengetahui bagaimana dan di mana kapasitor elektrolitik bekerja, apalagi, terutama di sirkuit DC. Pengoperasian kapasitor di sirkuit AC akan dibahas dalam artikel lain -.