Alat Elektronik: Kapasitor

Sebuah kapasitor (sebelumnya dikenal sebagai kondensator ) adalah perangkat untuk menyimpan muatan listrik.Bentuk-bentuk kapasitor praktis sangat bervariasi, tetapi semuanya mengandung setidaknya dua konduktor yang dipisahkan oleh sebuah konduktor-non. Kapasitor digunakan sebagai bagian dari sistem listrik, misalnya, terdiri dari foil logam dipisahkan oleh sebuah lapisan isolasi film.

Sebuah kapasitor adalah pasif komponen elektronik yang terdiri dari sepasang konduktor yang dipisahkan oleh sebuah dielektrik (isolator). Ketika ada beda potensial (tegangan) di konduktor, sebuah statis medan listrikberkembang di dielektrik, menyebabkan muatan positif untuk mengumpulkan di satu piring dan muatan negatif di piring lain. Energi disimpan dalam medan elektrostatik. Sebuah kapasitor ideal adalah ditandai dengan nilai konstan tunggal, kapasitansi , diukur dalam farad . Ini adalah rasio dari muatan listrik pada masing-masing konduktor dengan beda potensial antara mereka.

Kapasitor digunakan secara luas dalam sirkuit elektronik untuk menghalangi arus searah sementara memungkinkan alternating current untuk lulus, dalam jaringan filter, untuk merapikan output dari pasokan listrik , disirkuit resonan yang radio menyetel ke tertentu frekuensi dan untuk tujuan lainnya.

kapasitansi ini terbesar ketika ada pemisahan sempit di antara daerah yang luas konduktor, maka konduktor kapasitor sering disebut "piring", mengacu pada sarana awal konstruksi. Dalam prakteknya dielektrik antara pelat melewati sejumlah kecil kebocoran arus dan juga memiliki batas kuat medan listrik, menghasilkan tegangan tembus , sedangkan konduktor dan memimpin memperkenalkan diinginkan induktansi dan resistansi .

Fungsi

Kapasitor menyimpan muatan listrik. Mereka digunakan dengan resistordalam rangkaian waktu karena butuh waktu untuk kapasitor untuk mengisidengan biaya. Mereka digunakan untuk kelancaran pasokan berbagai DCdengan bertindak sebagai reservoir biaya. Mereka juga digunakan dalamsirkuit filter karena mudah lulus kapasitor AC (mengubah) sinyal tetapimereka blok DC (konstan) sinyal.
Kapasitansi

Ini adalah ukuran dari kemampuan kapasitor untuk menyimpan muatan.Sebuah kapasitansi yang besar berarti biaya lebih dapat disimpan.Kapasitansi diukur dalam farad, simbol F. Namun 1F sangat besar, sehinggaprefiks yang digunakan untuk menunjukkan nilai-nilai yang lebih kecil.
Tiga prefiks (multiplier) digunakan, μ (mikro), n (nano) dan p (pico):

μ berarti 10-6 (juta), sehingga 1000000μF = 1F
n berarti 10-9 (seribu juta), jadi 1000nF = 1μF
p berarti 10-12 (juta-juta), jadi 1000pF = 1NF
Nilai Capacitor bisa sangat sulit untuk menemukan karena ada banyak jeniskapasitor dengan sistem pelabelan berbeda!

Kode warna yang digunakan pada kapasitor polyester selama bertahun-tahun. Sekarang usang, tapi tentu saja ada banyak masih ada. Warna harus dibaca seperti kode resistor, pita warna atas tiga memberikan nilai pF.Abaikan band 4 (toleransi) dan band 5 (voltase).Sebagai contoh:

coklat, hitam, oranye berarti 10000pF = 10nF = 0.01μF.
Perhatikan bahwa tidak ada kesenjangan antara band warna, jadi 2 band identik benar-benar muncul sebagai band lebar.
Sebagai contoh:

lebar merah, kuning berarti 220nF = 0.22μF.

Sejarah

Fungsi

Kapasitor menyimpan muatan listrik. Mereka digunakan dengan resistordalam rangkaian waktu karena butuh waktu untuk kapasitor untuk mengisidengan biaya. Mereka digunakan untuk kelancaran pasokan berbagai DCdengan bertindak sebagai reservoir biaya. Mereka juga digunakan dalamsirkuit filter karena mudah lulus kapasitor AC (mengubah) sinyal tetapimereka blok DC (konstan) sinyal.
Kapasitansi

Ini adalah ukuran dari kemampuan kapasitor untuk menyimpan muatan.Sebuah kapasitansi yang besar berarti biaya lebih dapat disimpan.Kapasitansi diukur dalam farad, simbol F. Namun 1F sangat besar, sehinggaprefiks yang digunakan untuk menunjukkan nilai-nilai yang lebih kecil.
Tiga prefiks (multiplier) digunakan, μ (mikro), n (nano) dan p (pico):

μ berarti 10-6 (juta), sehingga 1000000μF = 1F
n berarti 10-9 (seribu juta), jadi 1000nF = 1μF
p berarti 10-12 (juta-juta), jadi 1000pF = 1NF
Nilai Capacitor bisa sangat sulit untuk menemukan karena ada banyak jeniskapasitor dengan sistem pelabelan berbeda!

Kode warna yang digunakan pada kapasitor polyester selama bertahun-tahun. Sekarang usang, tapi tentu saja ada banyak masih ada. Warna harus dibaca seperti kode resistor, pita warna atas tiga memberikan nilai pF.Abaikan band 4 (toleransi) dan band 5 (voltase).Sebagai contoh:

coklat, hitam, oranye berarti 10000pF = 10nF = 0.01μF.Perhatikan bahwa tidak ada kesenjangan antara band warna, jadi 2 band identik benar-benar muncul sebagai band lebar.Sebagai contoh:

lebar merah, kuning berarti 220nF = 0.22μF.

Sejarah

Baterai dari empat botol Leiden diMuseum Boerhaave , Leiden , para Belanda .

Pada bulan Oktober 1745, Ewald Georg von Kleist dari Pomerania di Jerman menemukan biaya yang dapat disimpan dengan menghubungkan tegangan tinggi generator listrik oleh kawat ke volume air dalam memegang gelas tabung-tangan. Kleist tangan Von dan air bertindak sebagai konduktor dan tabung sebagai dielektrik (meskipun rincian mekanisme itu salah diidentifikasi pada saat itu). Von Kleist ditemukan, setelah mengeluarkan generator, yang menyentuh kawat menghasilkan percikan yang menyakitkan. Dalam sebuah surat yang menjelaskan percobaan itu, ia berkata, "Saya tidak akan mengambil kejutan kedua untuk Kerajaan Perancis." Pada tahun berikutnya, fisikawan Belanda Pieter van Musschenbroek diciptakan serupa kapasitor, yang bernama jar Leiden , setelah di Universitas Leidendi mana ia bekerja.

Daniel Gralath adalah yang pertama untuk menggabungkan beberapa guci paralel menjadi sebuah "baterai" untuk meningkatkan kapasitas penyimpanan biaya. Benjamin Franklin menyelidiki tabung Leyden dan "membuktikan" bahwa tuduhan itu disimpan pada kaca, bukan di air yang lain telah diasumsikan . Dia juga mengadopsi "istilah" baterai, (yang menunjukkan meningkatnya daya dengan deretan unit serupa di dalam baterai meriam ), kemudian diterapkan untuk kelompok sel elektrokimia . Leiden botol kemudian dibuat oleh lapisan dalam dan luar botol dengan kertas logam, meninggalkan ruang di mulut untuk mencegah busur antara foil. ^{[ rujukan? ]}Unit awal dari kapasitansi adalah 'tabung', sama dengan 1 nanofarad .

guci Leyden atau perangkat yang lebih kuat menggunakan kaca datar piring bergantian dengan konduktor foil digunakan secara eksklusif sampai sekitar tahun 1900, ketika penemuan nirkabel ( radio ) menciptakan permintaan untuk kapasitor standar, dan bergerak mantap untuk lebih tinggi frekuensi yang dibutuhkan kapasitor dengan rendah induktansi . Sebuah kompak konstruksi lebih mulai digunakan dari lembaran dielektrik yang fleksibel seperti kertas minyak terjepit di antara lembar kertas logam, digulung atau dilipat ke dalam paket kecil.

Awal kapasitor juga dikenal sebagai kondensor , sebuah istilah yang masih sering digunakan saat ini. Istilah ini pertama kali digunakan untuk tujuan ini olehAlessandro Volta pada tahun 1782, dengan mengacu pada kemampuan perangkat untuk menyimpan kerapatan yang lebih tinggi dari muatan listrik dari konduktor terisolasi yang normal.

Teori Operasi

Sebuah kapasitor terdiri dari dua konduktor yang dipisahkan oleh sebuah wilayah non-konduktif. The-konduktif daerah yang tidak disebut dielektrik atau kadang-kadangmedia dielektrik . Dalam istilah sederhana, dielektrik hanyalah sebuah isolator listrik .Contoh media dielektrik adalah kaca, udara, kertas, vakum , dan bahkansemikonduktor daerah deplesi kimia identik dengan konduktor. Sebuah kapasitor dianggap mandiri dan terisolasi, dengan tidak bersih muatan listrik dan tidak ada pengaruh dari medan listrik eksternal. Konduktor demikian terus dan berlawanan sama biaya menghadap permukaan mereka, dan dielektrik mengembangkan sebuah medan listrik. Dalam SI unit, kapasitansi dari satu farad berarti bahwa satu coulombbiaya pada setiap konduktor menyebabkan tegangan dari satu volt di perangkat.

Kapasitor adalah model umum yang cukup untuk medan listrik dalam rangkaian listrik.Sebuah kapasitor ideal adalah sepenuhnya ditandai dengan kapasitansi konstanta C , yang didefinisikan sebagai rasio biaya ± Q pada setiap konduktor tegangan V antara mereka:

$C= \frac{Q}{V}$

Kadang-kadang biaya membangun-up mempengaruhi kapasitor mekanis, sehingga kapasitansi untuk bervariasi. Dalam hal ini, kapasitansi didefinisikan dalam hal perubahan incremental:

$C= \frac{\mathrm{d}q}{\mathrm{d}v}$

[

Penyimpanan Energi

Pekerjaan harus dilakukan oleh pengaruh eksternal untuk "bergerak" biaya antara konduktor dalam sebuah kapasitor. Ketika pengaruh luar akan dihapus pemisahan biaya tetap di bidang listrik dan energi disimpan akan dirilis ketika tuduhan diperbolehkan untuk kembali ke yang keseimbangan posisi. Kerja yang dilakukan dalam membangun medan listrik, dan karenanya jumlah energi yang tersimpan, diberikan oleh:

$W= \int_{q=0}^Q V \text{d}q = \int_{q=0}^Q \frac{q}{C} \text{d}q = {1 \over 2} {Q^2 \over C} = {1 \over 2} C V^2 = {1 \over 2} VQ.$

Tegangan hubungan Lancar

Arus i ( t ) melalui komponen dalam sebuah sirkuit listrik didefinisikan sebagai laju aliran muatan q ( t ) melewatinya, tapi sebenarnya biaya, elektron, tidak dapat melewati lapisan dielektrik yang agak, elektron kapasitor terakumulasi pada plat negatif untuk setiap satu yang meninggalkan plat positif, yang mengakibatkan deplesi elektron dan muatan positif akibat pada satu elektroda yang sama dan berlawanan dengan akumulasi muatan negatif di sisi lain. Dengan demikian muatan pada elektroda adalah sama dengan integral dari arus serta proporsional dengan tegangan seperti didiskusikan di atas. Seperti halnya antiturunan , sebuahkonstanta integrasi ditambahkan untuk mewakili tegangan awal v ( t ₀ ). Ini adalah bentuk integral dari persamaan kapasitor.

$v(t)= \frac{q(t)}{C} = \frac{1}{C}\int_{t_0}^t i(\tau) \mathrm{d}\tau+v(t_0)$ .

Mengambil turunan dari ini, dan mengalikannya dengan C , menghasilkan bentuk derivatif.

$i(t)= \frac{\mathrm{d}q(t)}{\mathrm{d}t}=C\frac{\mathrm{d}v(t)}{\mathrm{d}t}$ .

Para ganda dari kapasitor adalah induktor , yang menyimpan energi di dalam medan magnet bukan medan listrik. hubungan arus-tegangan adalah diperoleh dengan mempertukarkan arus dan tegangan di persamaan kapasitor dan mengganti C dengan induktansi L .

Sirkuit DC

$V_0= v_\text{resistor}(t) + v_\text{capacitor}(t) = i(t)R + \frac{1}{C}\int_0^t i(\tau)\mathrm{d}\tau.$
Sebuah rangkaian seri hanya mengandung resistor , sebuah, switch kapasitor dan sumber tegangan DC konstan V ₀dikenal sebagai sirkuit pengisian. Jika kapasitor awalnya bermuatan sementara saklar terbuka, dan saklar ditutup pada t = 0, maka berikut dari tegangan Kirchhoff undang-undang yang

Mengambil derivatif dan mengalikan oleh C , memberikan persamaan diferensial pertama ,

$RC\frac{\mathrm{d}i(t)}{\mathrm{d}t} + i(t) = 0.$

Pada t = 0, tegangan kapasitor adalah nol dan tegangan resistor adalah V ₀ . Arus awal ini kemudian i (0) = V ₀ / R .Dengan asumsi ini, menghasilkan persamaan diferensial

$i(t)= \frac{V_0}{R} e^{\,^{\textstyle -t/\tau_0}}$

$v(t)= V_0 \left( 1 - e^{\,^{\textstyle -t/\tau_0}}\right),$

dimana τ ₀ = RC adalah waktu yang konstan dari sistem.

Sebagai keseimbangan mencapai kapasitor dengan tegangan sumber, resistor tegangan dan arus yang melalui seluruh rangkaian peluruhan eksponensial . Kasuspemakaian kapasitor yang dikenakan juga menunjukkan peluruhan eksponensial, tetapi dengan tegangan kapasitor awal menggantikan V ₀ dan tegangan akhir menjadi nol.

Rangkaian AC

Impedansi , jumlah vektor dari reaktansi dan resistansi , menggambarkan perbedaan fasa dan rasio amplitudo antara sinusoida berbagai tegangan dan sinusoida bervariasi arus pada frekuensi yang diberikan. analisis Fourier memungkinkan sinyal apapun yang akan dibangun dari spektrum frekuensi, mana sirkuit reaksi untuk berbagai frekuensi dapat ditemukan. Reaktansi dan impedansi kapasitor yang masing-masing

$X= - \frac{1}{\omega C} = - \frac{1}{2\pi f C}$

$Z= \frac{1}{j\omega C}= - \frac{j}{\omega C} = - \frac{j}{2\pi f C}$

dimana j adalah unit imajiner dan ω adalah kecepatan sudut dari sinyal sinusoidal. The - j fasa menunjukkan bahwa tegangan AC V = ZI tertinggal AC saat ini dengan 90 °: fase saat ini positif sesuai dengan tegangan meningkat sebagai tuntutan kapasitor; nol saat ini sesuai dengan tegangan konstan sesaat, dll

Perhatikan bahwa impedansi menurun dengan meningkatnya kapasitansi dan meningkatkan frekuensi. Ini berarti bahwa frekuensi sinyal yang lebih tinggi atau hasil kapasitor yang lebih besar dalam amplitudo tegangan yang lebih rendah per arus-amplitudo sebuah "AC singkat" sirkuit atau coupling AC . Sebaliknya, untuk frekuensi yang sangat rendah, reaktansi akan tinggi, sehingga sebuah kapasitor hampir satu sirkuit terbuka di AC-analisis frekuensi mereka telah "disaring keluar".

Kapasitor berbeda dari resistor dan induktor dalam impedansi adalah terbalik sebanding dengan karakteristik mendefinisikan, yaitu kapasitansi .

Model plat paralel

Paling sederhana kapasitor terdiri dari dua pelat konduktif paralel yang dipisahkan oleh dielektrik dengan permitivitas ε(seperti udara). Model ini juga dapat digunakan untuk membuat prediksi kualitatif untuk geometri perangkat lain. Pelat dianggap untuk memperpanjang seragam di area A dan densitas muatan ± nilai p = ± Q / A ada pada permukaannya.Dengan asumsi bahwa lebar pelat jauh lebih besar daripada perpisahan mereka d , medan listrik di dekat pusat perangkat akan seragam dengan besarnya E = ρ / ε . Tegangan didefinisikan sebagai garis integral dari medan listrik antara pelat

$V= \int_0^d E \mathrm{d}z = \int_0^d \frac{\rho}{\varepsilon} \mathrm{d}z = \frac{\rho d}{\varepsilon} = \frac{Qd}{\varepsilon A}.$

Penyelesaian ini untuk C = Q / V mengungkapkan bahwa kapasitansi meningkat dengan luas dan menurun dengan pemisahan

$C= \frac{\varepsilon A}{d}$ .

kapasitansi Oleh sebab itu terbesar dalam perangkat terbuat dari bahan dengan permitivitas tinggi, daerah piring besar, dan kecil jarak antar pelat. Namun pemecahan untuk penyimpanan energi maksimum menggunakan Vd sebagai kekuatan dielektrik per jarak

$E=\frac{1}{2}CV^2=\frac{1}{2} \frac{\varepsilon A}{d} (V_d d)^2=\frac{1}{2} \varepsilon A d V_d^2$

kita melihat bahwa energi maksimum merupakan fungsi dari volume dielektrik, permitivitas , dan kekuatan dielektrik per jarak. Jadi peningkatan area plat sementara penurunan pemisahan antara pelat dengan tetap menjaga volume yang sama telah ada perubahan pada jumlah energi kapasitor dapat menyimpan. Perawatan harus diambil ketika meningkatkan pemisahan lempeng sehingga asumsi di atas jarak antara pelat yang jauh lebih kecil daripada luas pelat tetap berlaku bagi persamaan ini harus akurat.

Beberapa kapasitor secara paralel.

Jaringan

Untuk kapasitor secara paralel: Kapasitor dalam konfigurasi paralel masing-masing memiliki tegangan yang diberikan sama. kapasitansi mereka menambahk`n. Muatan dibagi antara mereka berdasarkan ukuran. Menggunakan diagram skematik untuk memvisualisasikan plat paralel, jelas bahwa setiap kapasitor kontribusi total luas permukaan.

$C_{eq}= C_1 + C_2 + \cdots + C_n$

Untuk kapasitor dalam seri

Beberapa kapasitor secara seri.

Connected dalam seri, diagram skematik menunjukkan bahwa jarak pemisahan, bukan daerah piring, bertambah.Masing-masing kapasitor menyimpan muatan sesaat build-up sama dengan setiap kapasitor lain dalam seri.Perbedaan tegangan total dari ujung ke ujung y`ng dibagi untuk setiap kapasitor sesuai dengan kebalikan dari kapasitansi nya. Seluruh rangkaian bertindak sebagai kapasitor lebih kecil daripada komponen-komponennya.

$\frac{1}{C_{eq}} = \frac{1}{C_1} + \frac{1}{C_2} + \cdots + \frac{1}{C_n}$

Kapasitor digabungkan dalam serial untuk mencapai tegangan kerja lebih tinggi, misalnya untuk merapikan catu daya tegangan tinggi. Peringkat tegangan, yang didasarkan pada pemisahan piring, menambahkan. Dalam aplikasi, koneksi beberapa seri pada gilirannya dihubungkan secara paralel, membentuk matriks. Tujuannya adalah untuk memaksimalkan utilitas energi penyimpanan setiap kapasitor tanpa overloading itu.

Seri koneksi juga digunakan untuk beradaptasi kapasitor elektrolit untuk menggunakan AC.

Ideal Perilaku Non

Kapasitor menyimpang dari persamaan kapasitor ideal dalam beberapa cara. Beberapa, seperti saat ini dan parasit efek kebocoran yang linear, atau dapat diasumsikan linier, dan dapat ditangani dengan dengan menambahkan komponen virtual dengan rangkaian dkivalen dari kapasitor. Metode yang biasa analisis jaringan kemudian dapat diterapkan. Dalam kasus lain, seperti dengan tegangan tembus, efeknya adalah non-linear dan normal (misalnya, linear) analisis jaringan tidak dapat digunakan, efeknya harus ditangani secara terpisah. Masih ada kelompok lain, yang mungkin linier tetapi membatalkan asumsi dalam analisa yang kapasitansi adalah konstanta. Seperti contoh adalah ketergantungan suhu.

Tegangan Breakdown

Di atas medan listrik tertentu, yang dikenal sebagai kekuatan dielektrik E _ds , dielektrik dalam kapasitor menjadi konduktif. Tegangan di mana ini terjadi disebut tegangan rincian perangkat, dan diberikan oleh produk dari kekuatan dielektrik dan pemisahan antara konduktor.

V bd = E ds d

Energi maksimum yang dapat disimpan dengan aman dalam sebuah kapasitor dibatasi oleh tegangan breakdown. Karena skala kapasitansi dan tegangan tembus dengan ketebalan dielektrik, semua kapasitor yang dibuat dengan dielektrik tertentu memiliki kira-kira sama maksimum kepadatan energi , sejauh bahwa dielektrik mendominasi volume mereka.

Untuk dielektrik kapasitor udara kekuatan medan breakdown adalah kapal MV 2 sampai 5 order / m, karena mika kerusakan adalah 100 hingga 300 MV / m, untuk minyak 15 sampai 25 MV / m, dan bisa lebih sedikit bila bahan lain yang digunakan untuk dielektrik. The dielektrik digunakan dalam lapisan tipis sangat dan mutlak tegangan tembus kapasitor terbatas. peringkat Khas untuk kapasitor digunakan untuk umum elektronik berbagai aplikasi dari beberapa volt 100V atau lebih.Dengan meningkatnya tegangan, dielektrik harus lebih tebal, pembuatan kapasitor tegangan tinggi lebih besar daripada yang diperingkat untuk tegangan rendah.Gangguan tegangan adalah kritis dipengaruhi oleh faktor-faktor seperti geometri bagian konduktif kapasitor; tepi tajam atau poin meningkatkan kekuatan medan listrik pada titik itu dan dapat menyebabkan gangguan lokal. Setelah ini mulai terjadi, dengan rincian cepat akan "lagu" melalui dielektrik sampai mencapai piring yang berlawanan dan menyebabkan arus pendek.

Rute rincian yang biasa adalah bahwa kekuatan medan menjadi cukup besar untuk menarik elektron dalam dielektrik dari atom-atom mereka sehingga menyebabkan konduksi. Skenario lain yang mungkin, seperti kotoran dalam dielektrik, dan, jika dielektrik adalah sifat kristal, ketidaksempurnaan dalam struktur kristal dapat mengakibatkan kerusakan avalanche seperti yang terlihat dalam perangkat semi konduktor. Breakdown tegangan juga dipengaruhi oleh tekanan, kelembaban dan suhu.

Sirkuit Setara

Sebuah toko yang ideal hanya kapasitor dan melepaskan energi listrik, tanpa menghilang apapun. Pada kenyataannya, semua kapasitor memiliki ketidaksempurnaan di dalam kapasitor's material yang menciptakan perlawanan. Hal ini ditetapkan sebagai resistansi seri setara atau ESR dari komponen. Ini menambahkan komponen nyata untuk impedansi:

$R_\text{C}= Z + R_\text{ESR} = \frac{1}{j\omega C} + R_\text{ESR}$

Sebagai pendekatan infinity frekuensi, impedansi kapasitif (atau reaktansi) mendekati nol dan LED menjadi signifikan. Sebagai reaktansi menjadi diabaikan, disipasi daya pendekatan P _RMS = V _RMS ² / R _ESR .

Demikian pula untuk ESR, kapasitor mengarah add induktansi seri setara atau ESL ke komponen. Ini biasanya signifikan hanya pada frekuensi yang relatif tinggi. Seperti reaktansi induktif adalah positif dan meningkat seiring dengan frekuensi, di atas kapasitansi frekuensi tertentu akan dibatalkan oleh induktansi. Frekuensi tinggi rekayasa melibatkan akuntansi untuk induktansi dari semua koneksi dan komponen.

Jika konduktor dipisahkan oleh bahan dengan konduktivitas kecil daripada sebuah dielektrik sempurna, maka kebocoran arus arus kecil langsung antara mereka. Oleh karena itu kapasitor memiliki ketahanan paralel terbatas, dan perlahan debit dari waktu ke waktu (waktu dapat sangat bervariasi tergantung pada bahan kapasitor dan kualitas).

Kode warna kapasitor
Warna	Nilai
Hitam	0
Cokelat	1
Merah	2
Orange	3
Kuning	4
Hijau	5
Biru	6
Ungu	7
Abu-abu	8
Putih	9

Alat Elektronik

Senin, 02 Mei 2011

Kapasitor