Kapazität Erklärung
Kapazität ist eines der grundlegenden Konzepte hinter der Elektronik und wird weit verbreitet verwendet, wie durch die Anzahl der Kondensatoren, die in elektronischen Schaltkreisen verwendet werden, ersichtlich ist.
Widerstand, Kapazität und Induktivität sind drei grundlegende Parameter, die mit elektrischen und elektronischen Schaltkreisen verbunden sind.
Im Gegensatz zu den anderen beiden ist die Kapazität mit der Speicherung von elektrischer Ladung verbunden und die Attribute werden in elektronischen Bauteilen namens Kondensatoren verwendet, die wiederum in vielen elektrischen Schaltkreisen und praktisch jedem elektronischen Schaltungsentwurf verwendet werden.
Die Auswirkungen der Kapazität können auf vielfältige Weise in Schaltkreisen verwendet werden, von elektrischen Motoren bis hin zu elektronischen Schaltungsentwürfen wie Stromversorgungen, Audiokreisen, HF-Schaltungen, Logik- und Digital-Schaltungen und vielem mehr.
Angesichts dessen ist Kapazität ein besonders wichtiger Parameter, der in vielen Bereichen verwendet wird.
Was ist Kapazität?
Bei der Betrachtung der Kapazität ist es zunächst notwendig, genau zu betrachten, was es ist. Kapazität ist effektiv die Fähigkeit, Ladung zu speichern. In ihrer einfachsten Form besteht ein Kondensator aus zwei parallelen Platten. Es stellt sich heraus, dass, wenn eine Batterie oder eine andere Spannungsquelle wie gezeigt mit den beiden Platten verbunden wird, für kurze Zeit ein Strom fließt und eine Platte einen Überschuss an Elektronen erhält, während die andere zu wenige hat.
Auf diese Weise wird eine Platte, diejenige mit dem Überschuss an Elektronen, negativ geladen, während die andere positiv geladen wird.
Wenn die Batterie entfernt wird, behält der Kondensator seine Ladung bei. Wenn jedoch ein Widerstand über die Platten gelegt wird, fließt ein Strom, bis der Kondensator entladen ist.
Dementsprechend ist es möglich zu definieren, was Kapazität ist:
Kapazität Definition
Kapazität ist die Fähigkeit eines Bauteils oder Schaltkreises, Energie in Form einer elektrischen Ladung zu sammeln und zu speichern. Es ist die Menge an elektrischer Ladung, die auf einem Leiter für einen festgelegten Unterschied im elektrischen Potential gespeichert ist.
Je größer die Platten sind, desto mehr Ladung kann gespeichert werden, und je näher sie beieinander liegen, desto mehr Ladung speichern sie. Die Ladungsspeicherung hängt auch vom Material zwischen den beiden Platten ab.
Einheiten oder Kapazität Es ist notwendig, die “Größe” eines Kondensators definieren zu können. Die Kapazität eines Kondensators ist ein Maß für seine Fähigkeit, Ladung zu speichern, und die grundlegende Einheit der Kapazität ist das Farad, benannt nach Michael Faraday.
Es lohnt sich, das Farad zu definieren, das die grundlegende Einheit der Kapazität ist.
Farad Definition
Ein Kondensator hat eine Kapazität von einem Farad, wenn eine elektrische Spannung von einem Volt ihn mit einem Coulomb Elektrizität auflädt (das heißt, ein Ampere für eine Sekunde).
Ein Kondensator mit einer Kapazität von einem Farad ist für die meisten elektronischen Anwendungen zu groß, und normalerweise werden Komponenten mit viel kleineren Kapazitätswerten verwendet. Drei Präfixe (Multiplikatoren) werden verwendet: µ (Mikro), n (Nano) und p (Piko):
| PRÄFIX | MULTIPLIKATOR | TERMINOLOGIE |
|---|---|---|
| µ | 10^-6 | (millionstel) |
| n | 10^-9 | (milliardstel) |
| p | 10^-12 | (billionstel) |
Elektrische Felder und Dielektrika
Da zwischen den Platten eines Kondensators eine Spannung vorhanden ist, ist ein zugehöriges elektrisches Feld vorhanden. Bei parallelen Platten sind die elektrischen Feldlinien im Allgemeinen parallel zueinander und im rechten Winkel zu den Platten.
Kondensatoren benötigen eine Form von Isolator zwischen den beiden Platten, sonst könnte die Ladung nicht auf den Platten bleiben, sondern würde durch das Medium zwischen den beiden Platten dissipieren.
Während Luft ein guter Isolator ist, müssen die Kondensatorplatten oft durch eine Form von starrem Isolator voneinander getrennt gehalten werden.
Das Material zwischen den beiden Platten wird Dielektrikum genannt. Dies fungiert nicht nur als Isolator, sondern bestimmt auch viele andere Eigenschaften. Ein Maß namens dielektrische Konstante beeinflusst das erreichbare Kapazitätsniveau für eine bestimmte Größe und Abstände der Kondensatorplatte.
Hohe relative Permittivität / dielektrische Konstante kann die Kapazität um ein Vielfaches erhöhen.
Das Thema relative Permittivität und dielektrische Konstante usw. ist ein eigenes Thema, und obwohl es einfach zu verstehen ist, sollte es möglicherweise separat betrachtet werden.
Kondensatoraufladung und -entladung
Es ist auch möglich, die Spannung über den Kondensator zu betrachten, sowie die Ladung. Immerhin ist es einfacher, die Spannung mit einem einfachen Messgerät zu messen. Wenn der Kondensator entladen ist, liegt keine Spannung an ihm an. Ebenso fließt, wenn er vollständig aufgeladen ist, kein Strom mehr von der Spannungsquelle, und daher hat er dieselbe Spannung an ihm wie die Spannungsquelle.
In einem idealen Schaltkreis ohne Streuwiderstand oder Induktivität, wenn eine Spannung an einen Kondensator angelegt wird, würde er sich sofort aufladen, und die Spannung über ihm wäre dieselbe wie die der Quelle des elektrischen Potenzials.
In der Realität wird immer etwas Widerstand im Schaltkreis vorhanden sein, und daher wird der Kondensator über einen Widerstand mit der Spannungsquelle verbunden sein. Das bedeutet, dass es eine endliche Zeit dauern wird, bis der Kondensator aufgeladen ist, und der Spannungsanstieg erfolgt nicht sofort.
Es stellt sich heraus, dass die Rate, mit der die Spannung steigt, zuerst viel schneller ist als nachdem sie eine Weile geladen wurde. Schließlich erreicht es einen Punkt, an dem es praktisch vollständig aufgeladen ist und fast kein Strom fließt.
In der Theorie wird der Kondensator niemals vollständig aufgeladen, da die Kurve asymptotisch ist. In der Realität erreicht er jedoch einen Punkt, an dem er als vollständig aufgeladen oder entladen betrachtet werden kann und kein Strom fließt.
Ebenso wird der Kondensator immer durch einen Widerstand entladen. Wenn die Ladung auf dem Kondensator abnimmt, wird die Spannung über den Platten reduziert. Dies bedeutet, dass der Strom reduziert wird, und damit fällt auch die Geschwindigkeit, mit der die Ladung reduziert wird.
Dies bedeutet, dass die Spannung über den Kondensator exponentiell abfällt und sich allmählich Null nähert.
Die Geschwindigkeit, mit der die Spannung steigt oder abfällt, hängt vom Widerstand im Schaltkreis ab. Je größer der Widerstand ist, desto kleiner ist die Menge an Ladung, die übertragen wird, und desto länger dauert es, bis der Kondensator aufgeladen oder entladen ist.
Wechselspannung an einem Kondensator
Bisher wurde der Fall betrachtet, dass eine Batterie angeschlossen wurde, um den Kondensator aufzuladen und dann getrennt wurde und ein Widerstand angelegt wurde, um ihn aufzuladen. Wenn eine Wechselspannung, die aufgrund ihrer Natur kontinuierlich wechselt, an den Kondensator angelegt wird, wird er sich in einem kontinuierlichen Zustand des Ladens und Entladens befinden.
Damit dies geschieht, muss ein Strom im Schaltkreis fließen. Auf diese Weise lässt ein Kondensator einen Wechselstrom fließen, blockiert jedoch einen Gleichstrom. Als solche werden Kondensatoren zum Koppeln eines Wechselstromsignals zwischen zwei Schaltungen verwendet, die sich in unterschiedlichen stationären Potenzialen befinden.
Es stellt sich heraus, dass, wenn die Sinuswelle zuerst angewendet wird, die Änderungsrate der Spannung am größten ist, und dies bedeutet, dass die Ladung mit ihrer schnellsten Rate zunimmt und daher der Strom, der in den Kondensator fließt, am größten ist. Mit anderen Worten, der Strom ist maximal.
Wenn die Spannung am Kondensator steigt, nimmt die Änderungsrate der Spannung ab, und infolgedessen nimmt der Anstieg der Ladung und damit der Strom ab. Schließlich wird der Scheitelpunkt der Spannungs-Sinusschwingung erreicht, wo keine Änderung der Spannung vorliegt, und entsprechend ist der Strom an diesem Punkt null.
Nach dem Spannungsspitze beginnt die Spannung abzunehmen, und dementsprechend nimmt die Ladung ab, und dies bedeutet, dass ab diesem Punkt Strom aus dem Kondensator fließt.
Der Rest der Wellenform folgt ähnlich. Es zeigt sich, dass Spannung und Strom nicht in Phase miteinander sind. Der Strom hängt der Spannung um ein Viertelzyklus nach, das heißt um 90°.
Es ist möglich, die Beziehung zwischen Strom und Spannung für einen perfekten Kondensator wie folgt auszudrücken:
Vt=sin(ωt)It=sin(ωt+90)
Reale Kondensatoren
Kondensatoren sind die elektronischen Bauteile, die die in elektrischen und elektronischen Schaltkreisen benötigte Kapazität bereitstellen.
Kondensatoren gibt es in einer Vielzahl von Formen, jede mit ihren eigenen Eigenschaften. Die physischen Kondensatoren können entweder Oberflächenmontage oder die traditionellen bedrahteten Varianten sein und haben auch unterschiedliche Formfaktoren und elektrische Leistungseigenschaften.
Die Auswahl des richtigen Kondensators ist nicht nur eine Frage der Auswahl des richtigen Kapazitätswerts, sondern auch vieler anderer Aspekte, einschließlich des Dielektrikums, der Größe, der Werte des äquivalenten Serienwiderstands und vieler weiterer Punkte.
Angesichts all dieser Anforderungen gibt es eine sehr breite Auswahl dieser elektronischen Bauteile, die für den Einsatz in elektrischen und elektronischen Schaltungsentwürfen usw. zur Verfügung stehen.
Kapazität ist einer der Hauptparameter, die mit der elektrischen und elektronischen Wissenschaft verbunden sind. Kapazitätsgleichungen und -berechnungen werden täglich in der elektronischen Schaltungsentwicklung und vielen anderen Bereichen verwendet, und Kapazität ist keine Maßnahme, die nur mit Kondensatoren verbunden ist. Es kann Kapazitätsstufen in vielen anderen elektronischen Bauteilen geben, einschließlich Widerständen, Induktivitäten, Drähten, Leiterplatten und vielen anderen Elementen.