Πώς συνδέονται οι πυκνωτές

Η θεμελίωση ενός κυκλώματος εξαρτάται από τα τρία θεμελιώδη ηλεκτρονικά στοιχεία. Είναι οι αντιστάσεις, οι επαγωγείς και οι πυκνωτές. Οι πυκνωτές είναι συσκευές που έχουν την ικανότητα να αποθηκεύουν ενέργεια, όπως μια κανονική ηλεκτρική μπαταρία. Το μέγεθος ενός πυκνωτή ποικίλλει ανάλογα με τον σκοπό του. Σε αυτό το υλικό μελέτης, θα μάθετε την έννοια του πυκνωτή, τη λειτουργία καθώς και την χωρητικότητα ενός πυκνωτή και τις εφαρμογές του.

Εισαγωγή στους πυκνωτές 

Ένας πυκνωτής είναι ένα εξάρτημα που χρησιμοποιείται για την αποθήκευση ηλεκτρικού φορτίου. Αποτελείται από δύο μεταλλικές πλάκες (γνωστές και ως αγωγοί) που χωρίζονται από ένα μονωτικό υλικό. Το μονωτικό υλικό που χρησιμοποιείται εδώ μπορεί να είναι είτε πλαστικό, γυαλί ή κεραμικό. Το μονωτικό στρώμα που υπάρχει μεταξύ των μεταλλικών πλακών είναι γνωστό ως διηλεκτρικό.

Με τη σύνδεση των μεταλλικών πλακών του πυκνωτή στους δύο ακροδέκτες μιας εξωτερικής μπαταρίας, θα αρχίσουν να συσσωρεύουν θετικό και αρνητικό φορτίο, αντίστοιχα. Μπορείτε να συνδέσετε τον πυκνωτή είτε σε σειρά είτε παράλληλα σε ένα κύκλωμα.

Πώς λειτουργεί ένας πυκνωτής;

Όταν συνδέετε τον πυκνωτή σε ένα κύκλωμα συνεχούς ρεύματος, το φορτίο που συσσωρεύεται στις μεταλλικές πλάκες προκαλεί αύξηση της τάσης σε αυτές αλλά περιορίζει το ρεύμα. Είναι επειδή το διηλεκτρικό που χρησιμοποιείται είναι μονωτικό υλικό. Από την άλλη πλευρά, όταν ένας πυκνωτής είναι συνδεδεμένος σε ένα κύκλωμα Εναλλασσόμενου Ρεύματος, η ροή του ρεύματος δεν θα επηρεαστεί και θα περάσει εύκολα μέσα από τον πυκνωτή.

Η χωρητικότητα ενός πυκνωτή 

Όπως συζητήθηκε παραπάνω, ένας πυκνωτής έχει δύο αγωγούς που χωρίζονται από έναν μονωτή.

Έστω τα φορτία των δύο αγωγών Q1 και Q2 και οι δυνατότητές τους είναι V1 και V2, αντίστοιχα.

Στην πράξη, οι χρεώσεις των δύο αγωγών θα είναι Q και -Q.

Η διαφορά δυναμικού μεταξύ των δύο αγωγών είναι V=V1- V2. Τώρα μπορείτε να φορτίσετε τους δύο αγωγούς συνδέοντας καθεμία από τις μεταλλικές πλάκες στους δύο ακροδέκτες μιας μπαταρίας φόρτισης. Οι φορτισμένες μεταλλικές πλάκες δημιουργούν ένα ηλεκτρικό πεδίο στην περιοχή μεταξύ των δύο αγωγών. Το ηλεκτρικό πεδίο που δημιουργείται είναι ευθέως ανάλογο με το φορτίο Q. Η διαφορά δυναμικού, που συμβολίζεται με V, είναι το έργο που γίνεται ανά μονάδα θετικού φορτίου. Το φορτίο Q είναι ευθέως ανάλογο με τη διαφορά δυναμικού V. Επομένως, ο λόγος QV δίνεται από, 

C =QV

Όπου το C είναι σταθερά και είναι η χωρητικότητα του πυκνωτή.

Η μονάδα SI της χωρητικότητας είναι Farad, που πήρε το όνομά της από τον διαπρεπή επιστήμονα Michael Faraday.

1 Farad ισοδυναμεί με 1 coulomb volt-1. Με άλλα λόγια, 1F =1C V-1.

Ένας πυκνωτής μπορεί να αποθηκεύσει μόνο μια περιορισμένη ποσότητα φόρτισης για να αποτρέψει τη διαρροή. Δεδομένου ότι το Farad είναι μια μεγάλη μονάδα, τα υποπολλαπλάσια Farad – Microfarad, Nanofarad και Picofarad χρησιμοποιούνται ως τυπικές μονάδες χωρητικότητας.

• 1 Microfarad (1F) =10-6F
• 1 Nanofarad (1nF) =10-9F
• 1 Picofarad (1pF) =10-12F

Η χωρητικότητα ενός πυκνωτή εξαρτάται από το μέγεθος, το σχήμα και την απόσταση των αγωγών. Μερικές φορές, το μονωτικό υλικό που χρησιμοποιείται στον πυκνωτή μπορεί επίσης να επηρεάσει την χωρητικότητα.

Μια υψηλότερη διαφορά δυναμικού θα οδηγήσει σε ισχυρότερο ηλεκτρικό πεδίο μεταξύ των αγωγών. Η ικανότητα του διηλεκτρικού μέσου να αντέχει στο μέγιστο ηλεκτρικό πεδίο χωρίς να διασπάται ονομάζεται διηλεκτρική του ισχύς. Η διηλεκτρική ισχύς για τον αέρα είναι περίπου 3 × 106 Vm-1.

Προκειμένου ένας πυκνωτής να αποθηκεύει το μέγιστο φορτίο χωρίς διαρροή, η χωρητικότητά του πρέπει να είναι αρκετά μεγάλη ώστε η διαφορά δυναμικού (V) και το ηλεκτρικό πεδίο να μην διασπάται.

Εφαρμογές πυκνωτών 

Ο πυκνωτής είναι ένα κρίσιμο μέρος οποιασδήποτε ηλεκτρονικής συσκευής και έχει πολλές εφαρμογές. Υπάρχουν διάφοροι τύποι πυκνωτών διαθέσιμοι και η σωστή επιλογή του πυκνωτή καθορίζει την απόδοσή του. Παρακάτω δίνονται ορισμένες εφαρμογές των πυκνωτών.

• Οι πυκνωτές με υψηλές τιμές χωρητικότητας είναι γνωστοί ως Supercapacitors. Χρησιμοποιείται σε λεωφορεία, αυτοκίνητα και γερανούς. Οι σούπερ πυκνωτές χρησιμοποιούνται επίσης για εφεδρική μνήμη και αναγεννητική πέδηση.
• Οι ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές είναι πολωμένοι πυκνωτές που προσφέρουν μεγαλύτερες τιμές χωρητικότητας. Χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές σύζευξης και αποσύνδεσης ήχου και σε τροφοδοτικά που έχουν όριο χαμηλής συχνότητας.
• Οι κεραμικοί πυκνωτές είναι γενικά φθηνοί και οι εφαρμογές τους βρίσκονται σε κυκλώματα υψηλής συχνότητας, όπως ήχου σε RF. Οι κεραμικοί πυκνωτές είναι επίσης γνωστοί ως πυκνωτές δίσκου.

Συμπέρασμα

Οι πυκνωτές είναι εξαρτήματα που χρησιμοποιούνται σε ηλεκτρονικά κυκλώματα για την αποθήκευση ενέργειας. Σε έναν πυκνωτή, δύο αγωγοί που χωρίζονται από έναν μονωτή (που ονομάζεται διηλεκτρικό) αποθηκεύουν ενέργεια. Οι πυκνωτές διατίθενται σε διαφορετικά μεγέθη ανάλογα με την ποσότητα φορτίου που κρατούν. Εδώ, μελετήσαμε πώς λειτουργούν οι πυκνωτές, βήματα για να βρούμε την αποτελεσματική χωρητικότητα και τις διάφορες εφαρμογές των πυκνωτών.