Wat is condensator en hoe werkt het? – Natuurkunde en toepassingen

In deze tutorial zullen we leren wat condensator is, hoe het werkt en enkele basistoepassingsvoorbeelden bekijken. Je kunt de volgende video bekijken of de schriftelijke tutorial hieronder lezen.

Overzicht

Er is bijna geen circuit zonder condensator, en samen met weerstanden en inductoren zijn dit de passieve basiscomponenten die we in de elektronica gebruiken.

Wat is een condensator?

Een condensator is een apparaat dat energie kan opslaan in de vorm van een elektrische lading. Vergeleken met een batterij van hetzelfde formaat kan een condensator een veel kleinere hoeveelheid energie opslaan, ongeveer 10.000 keer kleiner, maar nuttig genoeg voor zoveel circuitontwerpen.

Constructie condensator

Een condensator is opgebouwd uit twee metalen platen, gescheiden door een isolerend materiaal dat diëlektricum wordt genoemd. De platen zijn geleidend en zijn meestal gemaakt van aluminium, tantaal of andere metalen, terwijl het diëlektricum kan worden gemaakt van elk soort isolatiemateriaal zoals papier, glas, keramiek of iets anders dat de stroom blokkeert.

De capaciteit van een condensator, gemeten in farads, is recht evenredig met het oppervlak van de twee platen, evenals de permittiviteit ε van het diëlektricum, terwijl hoe kleiner de afstand tussen de platen, hoe groter de capaciteit. Dat gezegd hebbende, laten we nu eens kijken hoe een condensator werkt.

Hoe condensator werkt

Ten eerste kunnen we opmerken dat een metaal doorgaans een gelijke hoeveelheid positief en negatief geladen deeltjes heeft, wat betekent dat het elektrisch neutraal is.

Als we een stroombron of een batterij aansluiten op de metalen platen van de condensator, zal er een stroom proberen te vloeien, of de elektronen van de plaat die is aangesloten op de positieve draad van de batterij zullen beginnen te bewegen naar de plaat die is aangesloten op de negatieve draad van de batterij. Door het diëlektricum tussen de platen kunnen de elektronen echter niet door de condensator, waardoor ze zich op de plaat gaan ophopen.

Nadat een bepaald aantal elektronica zich op de plaat heeft verzameld, heeft de batterij onvoldoende energie om nieuwe elektronica de plaat in te duwen vanwege de afstoting van de elektronica die er al is.

Op dit punt is de condensator eigenlijk volledig opgeladen. De eerste plaat heeft een netto negatieve lading ontwikkeld en de tweede plaat heeft een gelijke netto positieve lading ontwikkeld, waardoor een elektrisch veld is ontstaan ​​met een aantrekkende kracht ertussen die de lading van de condensator vasthoudt.

Diëlektrisch werkingsprincipe condensator

Laten we eens kijken hoe het diëlektricum de capaciteit van de condensator kan vergroten. Een diëlektricum bevat moleculen die polair zijn, wat betekent dat ze hun oriëntatie kunnen veranderen op basis van de ladingen op de twee platen. Dus de moleculen richten zich op een zodanige manier op het elektrische veld dat er meer elektronen naar de negatieve plaat kunnen worden aangetrokken, terwijl ze meer elektronen van de positieve plaat afstoten.

Dus als het eenmaal volledig is opgeladen, als we de batterij verwijderen, zal het de elektrische lading voor een lange tijd vasthouden en fungeert als energieopslag.

Als we nu de twee uiteinden van de condensator door een belasting verkorten, zal er een stroom door de belasting gaan vloeien. De verzamelde elektronen van de eerste plaat zullen naar de tweede plaat gaan, totdat beide platen weer elektrisch neutraal worden.

Dat is dus het basiswerkingsprincipe van een condensator en laten we nu enkele toepassingsvoorbeelden bekijken.

Capacitor-toepassingen

Ontkoppel (bypass) condensatoren

Ontkoppelcondensatoren of Bypass-condensatoren zijn een typisch voorbeeld. Ze worden vaak gebruikt in combinatie met geïntegreerde schakelingen en worden tussen de stroombron en de aarde van het IC geplaatst.

Het is hun taak om alle ruis in de voeding te filteren, zoals spanningsrimpels die optreden wanneer de voeding voor een zeer korte periode de spanning laat zakken of wanneer een deel van een circuit wordt geschakeld, waardoor fluctuaties in de voeding ontstaan. Op het moment dat de spanningsval optreedt, zal de condensator tijdelijk fungeren als voeding, waarbij de hoofdvoeding wordt omzeild.

AC naar DC-converter

Een ander typisch toepassingsvoorbeeld zijn condensatoren die worden gebruikt in DC-adapters. Voor het omzetten van de wisselspanning in een gelijkspanning wordt meestal een diodegelijkrichter gebruikt, maar zonder de hulp van condensatoren zal deze het werk niet kunnen doen.

De output van de gelijkrichter is een golfvorm. Dus terwijl de output van de gelijkrichter stijgt, laadt de condensator op, en terwijl de output van de gelijkrichter daalt, ontlaadt de condensator en op die manier wordt de DC-output afgevlakt.

Gerelateerd: Wat is Schmitt Trigger en hoe het werkt

Signaalfiltering

Signaalfiltering is een ander toepassingsvoorbeeld van condensatoren. Door hun specifieke responstijd zijn ze in staat om laagfrequente signalen te blokkeren en hogere frequenties door te laten.

Dit wordt gebruikt in radio-ontvangers om ongewenste frequenties af te stemmen en in crossover-circuits in luidsprekers, om de lage frequenties voor de woofer en de hogere frequenties voor de tweeter te scheiden.

Condensatoren als energieopslag

Een ander nogal voor de hand liggend gebruik van de condensatoren is voor energieopslag en -toevoer. Hoewel ze aanzienlijk minder energie kunnen opslaan in vergelijking met een batterij van hetzelfde formaat, is hun levensduur veel beter en kunnen ze veel sneller energie leveren, waardoor ze meer geschikt zijn voor toepassingen waar een hoge stroomstoot nodig is.

Dat is alles voor deze tutorial. Stel gerust een vraag in de opmerkingen hieronder.