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

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 ggl yang diberikan dan arus yang ditimbulkannya. Mari kita kenali lebih dekat apa itu komponen reaktif dan reaktansi kapasitif.

Dimasukkannya EMF sinusoidal di sirkuit

Jenis inklusi

Seperti diketahui, kapasitor pada rangkaian arus searah (tanpa komponen bolak-balik) tidak dapat bekerja.

Catatan! Pernyataan ini tidak berlaku untuk filter penghalusan tempat arus berdenyut mengalir, serta sirkuit pemblokiran khusus.

Gambaran yang sama sekali berbeda terlihat 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 DC, selalu ada di setiap rangkaian elektronik;
• Untuk menciptakan hambatan pada 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 uraian di atas, jelas sekali bahwa dalam sebagian besar kasus, kapasitor dalam rangkaian arus bolak-balik digunakan sebagai elemen yang bergantung pada frekuensi yang dapat memberikan efek tertentu pada sinyal yang mengalir melaluinya.

Jenis inklusi yang paling sederhana

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

Hal tersebut dapat dijelaskan dengan memperkenalkan konsep ggl harmonik (sinusoidal), yang dinyatakan sebagaikamu = Uo karena ω T, dan terlihat seperti ini:

• Ketika variabel EMF meningkat, kapasitor diisi oleh arus listrik I yang mengalir melaluinya, yang maksimum pada saat awal. Saat kapasitas diisi, nilai arus pengisian secara bertahap berkurang dan menjadi nol sepenuhnya pada saat EMF mencapai maksimum;

Penting! Perubahan arus dan tegangan multi arah seperti itu mengarah pada pembentukan karakteristik pergeseran fasa 90 derajat dari elemen ini di antara keduanya.

• Ini mengakhiri kuartal pertama dari osilasi periodik;
• Selanjutnya, EMF sinusoidal secara bertahap berkurang, akibatnya kapasitor mulai melepaskan diri, dan pada saat ini arus yang amplitudonya meningkat mengalir dalam rangkaian. Dalam hal ini, jeda fase yang sama diamati seperti pada kuartal pertama periode tersebut;
• Setelah menyelesaikan tahap ini, kapasitor benar-benar habis (dengan EMF sama dengan nol), dan arus dalam rangkaian mencapai maksimum;
• Ketika arus balik (pengosongan) meningkat, kapasitas diisi ulang, akibatnya arus secara bertahap berkurang menjadi nol, dan EMF mencapai nilai puncaknya (yaitu, seluruh proses kembali ke titik awal).

Selanjutnya, semua proses yang dijelaskan diulangi dengan frekuensi yang ditentukan oleh frekuensi EMF eksternal. Pergeseran fasa antara arus dan EMF dapat dianggap sebagai semacam resistensi terhadap perubahan tegangan pada kapasitor (ketertinggalan dari fluktuasi arus).

Kapasitansi

Konsep kapasitas

Ketika mempelajari proses yang terjadi di sirkuit dengan kapasitor yang terhubung dengannya, ditemukan bahwa waktu pengisian dan pengosongan untuk sampel yang berbeda dari 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 tertentu:

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

Tapi sejak ituQ= C.U., maka melalui perhitungan sederhana kita peroleh:

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

yaitu, arus mengalir melalui kapasitor sedemikian rupa sehingga mulai memimpin tegangan sebesar 90 derajat dalam satu fasa. Hasil yang sama diperoleh ketika menggunakan pendekatan matematika lain untuk proses kelistrikan ini.

Representasi vektor

Untuk lebih jelasnya, 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 mendahului tegangan dalam fasa 90 derajat.

Informasi tambahan. Ketika mempelajari “perilaku” kumparan dalam rangkaian arus sinusoidal, ditemukan bahwa di dalamnya, sebaliknya, ia tertinggal fasa dengan tegangan.

Dalam kedua kasus tersebut, terdapat perbedaan karakteristik fasa proses, yang menunjukkan sifat reaktif beban dalam rangkaian EMF bolak-balik.

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

Oleh karena itu, resistansi yang diciptakan oleh kapasitor berbanding terbalik dengan frekuensi sinyal bolak-balik dan kapasitansi elemen yang dipasang di rangkaian. Ketergantungan ini memungkinkan Anda untuk membangun rangkaian yang bergantung pada frekuensi berdasarkan kapasitor seperti:

• Mengintegrasikan dan membedakan rantai (bersama 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, dengan menggunakan kapasitansi, dimungkinkan untuk mengubah bentuk pulsa persegi panjang secara sewenang-wenang, meningkatkan durasinya (integrasi) atau memperpendeknya (diferensiasi).

Rantai filter dan rangkaian resonansi banyak digunakan pada rangkaian linier dari berbagai kelas (penguat, konverter, generator, dan perangkat serupa).

Grafik kapasitansi

Telah terbukti bahwa arus mengalir melalui kapasitor hanya di bawah pengaruh tegangan yang bervariasi secara harmonis. Dalam hal ini kuat arus pada rangkaian ditentukan oleh kapasitansi suatu elemen, sehingga semakin besar kapasitansi kapasitor maka semakin besar nilainya.

Tetapi kita juga dapat menelusuri hubungan terbalik, yang menurutnya resistansi kapasitor meningkat seiring dengan menurunnya parameter frekuensi. Sebagai contoh, perhatikan grafik yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini.

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

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

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

Kerja (daya) pada beban kapasitif

Mirip dengan kasus induktansi, ketika mempelajari “perilaku” kapasitor pada rangkaian EMF variabel, ditemukan bahwa tidak ada konsumsi daya di dalamnya karena pergeseran fasa U dan I. Yang terakhir ini 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 termasuk dalam kategori beban reaktif, atau tanpa watt. Namun, kesimpulan seperti itu dapat dianggap murni teoretis, karena dalam rangkaian nyata selalu ada elemen pasif biasa yang tidak memiliki resistansi reaktif, tetapi aktif atau watt. Ini termasuk:

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

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

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

Di akhir ulasan ini, menarik untuk mengikuti salah satu analogi yang mewakili proses yang terjadi pada rangkaian kapasitor dengan pegas mekanis elastis. Dan memang benar bahwa pegas, seperti elemen ini, mengumpulkan energi potensial dalam dirinya sendiri selama satu bagian osilasi periodik, dan pada fase kedua ia melepaskannya kembali dalam bentuk kinetik. Berdasarkan analogi ini, gambaran keseluruhan tentang perilaku kapasitor pada rangkaian dengan EMF variabel dapat disajikan.

Video

Banyak yang telah ditulis tentang kapasitor, apakah layak menambahkan beberapa ribu kata lagi ke jutaan kata yang sudah ada? Saya akan menambahkannya! Saya yakin presentasi saya akan bermanfaat. Bagaimanapun, ini akan dilakukan dengan mempertimbangkan.

Apa itu kapasitor listrik

Berbicara dalam bahasa Rusia, kapasitor dapat disebut sebagai “perangkat penyimpanan”. Lebih jelas lagi dengan cara ini. Terlebih lagi, begitulah nama ini diterjemahkan ke dalam bahasa kita. Gelas juga bisa disebut kapasitor. Hanya saja ia mengumpulkan cairan di dalam dirinya sendiri. Atau tas. Ya, sebuah tas. Ternyata itu juga merupakan perangkat penyimpanan. Itu mengumpulkan semua yang kita masukkan ke sana. Apa hubungannya kapasitor listrik dengan itu? Sama halnya dengan gelas atau tas, hanya saja ia hanya mengakumulasi muatan listrik.

Bayangkan sebuah gambar: arus listrik melewati suatu rangkaian, resistor dan konduktor bertemu di sepanjang jalurnya dan, bam, sebuah kapasitor (kaca) muncul. Apa yang akan terjadi? Seperti diketahui, arus adalah aliran elektron, dan setiap elektron mempunyai muatan listrik. Jadi, ketika seseorang mengatakan bahwa ada arus yang melewati suatu rangkaian, Anda membayangkan jutaan elektron mengalir melalui rangkaian tersebut. Elektron inilah yang terakumulasi ketika kapasitor muncul di jalurnya. Semakin banyak elektron yang kita masukkan ke dalam kapasitor, semakin besar muatannya.

Timbul pertanyaan: berapa banyak elektron yang dapat diakumulasikan dengan cara ini, berapa banyak yang akan masuk ke dalam kapasitor dan kapan akan “cukup”? Mari kita cari tahu. Sangat sering, untuk penjelasan sederhana tentang proses kelistrikan sederhana, perbandingan dengan air dan pipa digunakan. Mari gunakan pendekatan ini juga.

Bayangkan sebuah pipa tempat air mengalir. Pada salah satu ujung pipa terdapat pompa yang secara paksa memompa air ke dalam pipa tersebut. Kemudian secara mental letakkan selaput karet di seberang pipa. Apa yang akan terjadi? Membran akan mulai meregang dan tegang di bawah pengaruh tekanan air di dalam pipa (tekanan yang dihasilkan oleh pompa). Ini akan meregang, meregang, meregang, dan akhirnya gaya elastis membran akan menyeimbangkan gaya pompa dan aliran air akan berhenti, atau membran akan pecah (Jika tidak jelas, bayangkan sebuah balon yang akan meledak jika dipompa terlalu banyak)! Hal yang sama terjadi pada kapasitor listrik. Hanya di sana, alih-alih membran, medan listrik digunakan, yang meningkat seiring pengisian kapasitor dan secara bertahap menyeimbangkan tegangan sumber listrik.

Jadi, kapasitor mempunyai muatan pembatas tertentu yang dapat terakumulasi dan, setelah terlampaui, akan terjadi kerusakan dielektrik pada kapasitor itu akan rusak dan tidak lagi menjadi kapasitor. Mungkin ini saatnya memberi tahu Anda cara kerja kapasitor.

Bagaimana cara kerja kapasitor listrik?

Di sekolah Anda diberitahu bahwa kapasitor adalah benda yang terdiri dari dua pelat dan ada ruang kosong di antara keduanya. Pelat ini disebut pelat kapasitor dan kabel dihubungkan dengannya untuk menyuplai tegangan ke kapasitor. Jadi kapasitor modern tidak jauh berbeda. Mereka semua juga memiliki pelat dan ada dielektrik di antara pelat tersebut. Berkat kehadiran dielektrik, karakteristik kapasitor ditingkatkan. Misalnya saja kapasitasnya.

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

Prinsip operasi

Prinsip umum pengoperasiannya cukup sederhana: tegangan diterapkan dan muatan diakumulasikan. Proses fisika yang terjadi sekarang seharusnya tidak terlalu menarik minat Anda, tetapi jika Anda mau, Anda dapat membacanya di buku fisika mana pun di bagian elektrostatika.

Kapasitor pada rangkaian DC

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

Kita asumsikan bahwa sebelum arus dialirkan ke rangkaian, kapasitor dalam keadaan kosong (habis), dan ketika arus dialirkan, kapasitor mulai terisi dengan sangat cepat, dan ketika diisi (medan listrik antara pelat kapasitor menyeimbangkan sumber listrik. ), kemudian arus terhenti (berikut adalah grafik muatan kapasitor).

Inilah sebabnya mengapa mereka mengatakan bahwa kapasitor tidak memungkinkan arus searah melewatinya. Sebenarnya lewat, tapi dalam waktu yang sangat singkat, yang bisa dihitung dengan rumus t = 3*R*C (Waktu pengisian kapasitor hingga 95% dari volume nominal. R adalah resistansi rangkaian, C adalah kapasitansi kapasitor) Ini adalah bagaimana kapasitor berperilaku dalam arus rangkaian DC Ia berperilaku sangat berbeda dalam rangkaian variabel!

Kapasitor pada rangkaian AC

Apa itu arus bolak-balik? Ini adalah saat elektron “berlari” terlebih dahulu ke sana, lalu kembali. Itu. arah gerakan mereka berubah sepanjang waktu. Kemudian, jika arus bolak-balik mengalir melalui rangkaian dengan kapasitor, maka muatan “+” atau muatan “-” akan terakumulasi pada masing-masing pelatnya. Itu. Arus AC justru akan mengalir. Artinya arus bolak-balik mengalir “tanpa hambatan” melalui kapasitor.

Keseluruhan proses ini dapat dimodelkan dengan menggunakan metode analogi hidrolik. Gambar di bawah menunjukkan analog rangkaian AC. Piston mendorong cairan ke depan dan ke belakang. Hal ini menyebabkan impeler berputar maju mundur. Ternyata aliran cairan bolak-balik (kita membaca arus bolak-balik).

Sekarang mari kita letakkan medel kapasitor berupa membran antara sumber gaya (piston) dan impeller dan analisa apa yang akan berubah.

Sepertinya tidak akan ada yang berubah. Sebagaimana zat cair melakukan gerakan osilasi, maka ia terus melakukan hal tersebut, sebagaimana impeler berosilasi karenanya, maka ia akan terus berosilasi. Artinya membran kita bukanlah penghalang aliran variabel. Hal yang sama juga berlaku untuk kapasitor elektronik.

Faktanya adalah bahwa meskipun elektron-elektron yang berjalan dalam suatu rantai tidak melintasi dielektrik (membran) antara pelat-pelat kapasitor, di luar kapasitor pergerakannya bersifat osilasi (bolak-balik), yaitu. arus bolak-balik mengalir. Eh!

Dengan demikian, kapasitor melewatkan arus bolak-balik dan memblokir arus searah. Ini sangat berguna ketika Anda perlu melepas komponen DC dalam sinyal, misalnya, pada output/input penguat audio atau ketika Anda hanya perlu melihat bagian variabel dari sinyal (riak pada output DC sumber tegangan).

Reaktansi kapasitor

Kapasitor mempunyai hambatan! Pada prinsipnya, hal ini dapat diasumsikan dari kenyataan bahwa arus searah tidak melewatinya, seolah-olah itu adalah resistor dengan resistansi yang sangat tinggi.

Arus bolak-balik adalah masalah lain - ia mengalir, tetapi mengalami hambatan dari kapasitor:

f - frekuensi, C - kapasitansi kapasitor. Jika Anda perhatikan rumusnya dengan cermat, Anda akan melihat bahwa jika arusnya konstan, maka f = 0 dan kemudian (semoga ahli matematika militan memaafkan saya!) X c = ketakterbatasan. Dan tidak ada arus searah yang melalui kapasitor.

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

Omong-omong, fitur lain dari kapasitor adalah ia tidak melepaskan daya dan tidak memanas! Oleh karena itu, kadang-kadang digunakan untuk meredam tegangan dimana resistor akan mengeluarkan asap. Misalnya untuk menurunkan tegangan jaringan dari 220V menjadi 127V. Dan selanjutnya:

Arus dalam kapasitor sebanding dengan kecepatan tegangan yang diberikan pada terminalnya

Di mana kapasitor digunakan?

Ya, di mana pun sifat-sifatnya diperlukan (tidak membiarkan arus searah, kemampuan untuk mengakumulasi energi listrik dan mengubah resistansinya tergantung pada frekuensi), dalam filter, dalam rangkaian osilasi, dalam pengganda tegangan, dll.

Jenis kapasitor apa yang ada?

Industri ini memproduksi berbagai jenis kapasitor. Masing-masing mempunyai kelebihan dan kekurangan tertentu. Ada yang mempunyai arus bocor yang rendah, ada yang berkapasitas besar, dan ada yang lain. Tergantung pada indikator ini, kapasitor dipilih.

Amatir radio, terutama pemula seperti kami, tidak terlalu repot dan bertaruh pada apa yang bisa mereka temukan. Meskipun demikian, Anda harus mengetahui jenis utama kapasitor yang ada di alam.

Gambar menunjukkan pemisahan kapasitor yang sangat konvensional. Saya menyusunnya sesuai selera saya dan saya menyukainya karena langsung jelas apakah ada kapasitor variabel, jenis kapasitor permanen apa, 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, dan mampu beroperasi pada frekuensi tinggi dan dalam rangkaian arus searah, berdenyut dan bolak-balik.

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

Sejujurnya, saya tidak tahu apakah mereka akan dibebaskan sekarang. Namun sebelumnya, mika digunakan sebagai dielektrik pada kapasitor tersebut. Dan kapasitor itu sendiri terdiri dari sebungkus pelat mika, yang masing-masing pelat diaplikasikan di kedua sisinya, dan kemudian pelat tersebut dikumpulkan ke dalam sebuah "paket" dan dikemas ke dalam sebuah wadah.

Mereka biasanya memiliki kapasitas beberapa ribu hingga puluhan ribu picoforad dan dioperasikan pada 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 potongan kertas yang diapit di antara keduanya digulung dan dimasukkan ke dalam wadah. Itulah triknya.

Kapasitor tersebut mempunyai kapasitas mulai dari ribuan picoforad hingga 30 mikroforad, dan dapat menahan tegangan dari 160 hingga 1500 V.

Rumor mengatakan bahwa mereka sekarang dihargai oleh audiophiles. Saya tidak terkejut - mereka juga memiliki kabel konduktor satu sisi...

Pada prinsipnya kapasitor biasa dengan bahan polyester sebagai dielektriknya. Kisaran kapasitansi adalah dari 1 nF hingga 15 mF pada tegangan operasi dari 50 V hingga 1500 V.

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

Kapasitor elektrolitik

Kapasitor ini berbeda dari kapasitor lainnya karena hanya dapat dihubungkan ke rangkaian arus searah atau berdenyut. Mereka bersifat kutub. Mereka punya plus dan minus. Hal ini disebabkan oleh desain mereka. Dan jika kapasitor tersebut dihidupkan secara terbalik, kemungkinan besar kapasitor tersebut akan membengkak. Dan sebelumnya mereka juga meledak dengan riang, tapi tidak aman. Ada kapasitor elektrolitik yang terbuat dari aluminium dan tantalum.

Kapasitor elektrolit aluminium dirancang hampir seperti kapasitor kertas, dengan satu-satunya perbedaan adalah pelat kapasitor tersebut berupa kertas dan strip aluminium. Kertas diresapi dengan elektrolit, dan lapisan tipis oksida diaplikasikan pada strip aluminium, yang bertindak sebagai dielektrik. Jika Anda menerapkan arus bolak-balik ke kapasitor tersebut atau mengembalikannya ke polaritas keluaran, elektrolit akan mendidih dan kapasitor akan rusak.

Kapasitor elektrolit mempunyai kapasitas yang cukup besar, oleh karena itu sering digunakan misalnya dalam rangkaian penyearah.

Mungkin itu saja. Yang tertinggal adalah kapasitor dengan dielektrik yang terbuat dari polikarbonat, polistiren, dan mungkin banyak jenis lainnya. Tapi menurut saya ini tidak berguna.

Bersambung...

Pada bagian kedua saya berencana untuk menunjukkan contoh penggunaan kapasitor secara umum.

Tegangan konstan dan atur tegangan pada buaya nya menjadi 12 Volt. Kami juga mengambil bola lampu 12 Volt. Sekarang kita memasukkan kapasitor antara satu probe catu daya dan bola lampu:

Tidak, itu tidak terbakar.

Tetapi jika Anda melakukannya secara langsung, maka akan menyala:

Ini menimbulkan kesimpulan: Arus DC tidak mengalir melalui kapasitor!

Sejujurnya, pada saat awal pemberian tegangan, arus masih mengalir selama sepersekian detik. Itu semua tergantung pada kapasitansi kapasitor.

Kapasitor pada rangkaian AC

Jadi untuk mengetahui apakah arus AC mengalir melalui kapasitor maka diperlukan alternator. Saya rasa generator frekuensi ini akan berfungsi dengan baik:

Karena generator Cina saya sangat lemah, alih-alih menggunakan bola lampu, kami akan menggunakan generator sederhana 100 Ohm. Mari kita ambil juga kapasitor dengan kapasitas 1 mikrofarad:

Kami menyolder sesuatu seperti ini dan mengirim sinyal dari generator frekuensi:

Lalu dia mulai berbisnis. Apa itu osiloskop dan kegunaannya, baca disini. Kami akan menggunakan dua saluran sekaligus. Dua sinyal akan ditampilkan pada satu layar sekaligus. Di sini, di layar Anda sudah dapat melihat gangguan dari jaringan 220 Volt. Jangan memperhatikan.

Kami akan menerapkan tegangan bolak-balik dan memperhatikan sinyal, seperti yang dikatakan insinyur elektronik profesional, pada input dan output. Serentak.

Semuanya akan terlihat seperti ini:

Jadi, jika frekuensi kita nol, berarti arusnya konstan. Seperti yang telah kita lihat, kapasitor tidak mengalirkan arus searah. Tampaknya hal ini sudah terselesaikan. Namun apa jadinya jika diterapkan sinusoidal dengan frekuensi 100 Hertz?

Pada tampilan osiloskop saya menampilkan parameter seperti frekuensi dan amplitudo sinyal: F adalah frekuensinya Bu – amplitudo (parameter ini ditandai dengan panah putih). Saluran pertama ditandai dengan warna merah, dan saluran kedua dengan warna kuning, untuk memudahkan persepsi.

Gelombang sinus merah menunjukkan sinyal yang diberikan oleh generator frekuensi Tiongkok. Gelombang sinus kuning inilah yang sudah kita dapatkan pada beban. Dalam kasus kami, bebannya adalah resistor. Ya, itu saja.

Seperti terlihat pada osilogram di atas, saya mensuplai sinyal sinusoidal dari generator dengan frekuensi 100 Hertz dan amplitudo 2 Volt. Pada resistor kita sudah melihat sinyal dengan frekuensi yang sama (sinyal kuning), tetapi amplitudonya sekitar 136 milivolt. Apalagi sinyalnya ternyata agak “shaggy”. Hal ini disebabkan oleh apa yang disebut “”. Kebisingan adalah sinyal dengan amplitudo kecil dan perubahan tegangan acak. Bisa disebabkan oleh elemen radio itu sendiri, atau bisa juga karena interferensi yang tertangkap dari ruang sekitar. Misalnya, sebuah resistor “mengeluarkan suara” dengan sangat baik. Ini berarti bahwa “shaggyness” sinyal adalah jumlah dari sinusoid dan noise.

Amplitudo sinyal kuning menjadi lebih kecil, bahkan grafik sinyal kuning bergeser ke kiri, yaitu mendahului sinyal merah, atau dalam bahasa ilmiah muncul pergeseran fasa. Yang ada di depan adalah fasenya, bukan sinyalnya sendiri. Jika sinyalnya sendiri berada di depan, maka sinyal pada resistor akan muncul lebih awal daripada sinyal yang diberikan melalui kapasitor. Hasilnya adalah semacam perjalanan waktu :-), yang tentu saja tidak mungkin.

Pergeseran fasa- Ini perbedaan antara fase awal dari dua besaran terukur. Dalam hal ini, ketegangan. Untuk mengukur pergeseran fasa, harus ada kondisi bahwa sinyal-sinyal ini frekuensi yang sama. Amplitudonya bisa berapa saja. Gambar di bawah menunjukkan pergeseran fasa ini atau, disebut juga, perbedaan fasa:

Mari kita naikkan frekuensi pada generator menjadi 500 Hertz

Resistor sudah menerima 560 milivolt. Pergeseran fasa berkurang.

Kami meningkatkan frekuensi menjadi 1 KiloHertz

Pada output kita sudah memiliki 1 Volt.

Atur frekuensi ke 5 Kilohertz

Amplitudonya 1,84 Volt dan pergeseran fasa jelas lebih kecil

Tingkatkan menjadi 10 Kilohertz

Amplitudonya hampir sama dengan pada input. Pergeseran fasa kurang terlihat.

Kami menetapkan 100 Kilohertz:

Hampir tidak ada pergeseran fasa. Amplitudonya hampir sama dengan pada input yaitu 2 Volt.

Dari sini kami menarik kesimpulan mendalam:

Semakin tinggi frekuensinya, semakin kecil resistansi kapasitor terhadap arus bolak-balik. Pergeseran fasa berkurang dengan meningkatnya frekuensi hingga hampir nol. Pada frekuensi yang sangat rendah, besarnya adalah 90 derajat atauπ/2 .

Jika Anda memplot sepotong grafik, Anda akan mendapatkan sesuatu seperti ini:

Saya memplot tegangan secara vertikal dan frekuensi secara horizontal.

Jadi, kita telah belajar bahwa hambatan suatu kapasitor bergantung pada frekuensi. Tapi apakah itu hanya bergantung pada frekuensi? Mari kita ambil kapasitor dengan kapasitas 0,1 mikrofarad, yaitu nilai nominal 10 kali lebih kecil dari yang sebelumnya, dan jalankan kembali pada frekuensi yang sama.

Mari kita lihat dan analisa nilainya:

Bandingkan dengan cermat nilai amplitudo sinyal kuning pada frekuensi yang sama, tetapi dengan nilai kapasitor berbeda. Misalnya, pada frekuensi 100 Hertz dan nilai kapasitor 1 F, amplitudo sinyal kuning adalah 136 milivolt, dan pada frekuensi yang sama, amplitudo sinyal kuning, tetapi dengan kapasitor 0,1 F, sudah 101 milivolt (pada kenyataannya, bahkan lebih sedikit lagi karena gangguan ). Pada frekuensi 500 Hertz - masing-masing 560 milivolt dan 106 milivolt, pada frekuensi 1 Kilohertz - 1 Volt dan 136 milivolt, dan seterusnya.

Oleh karena itu kesimpulannya menunjukkan dirinya sendiri: Ketika nilai kapasitor menurun, resistansinya meningkat.

Dengan menggunakan transformasi fisika dan matematika, fisikawan dan matematikawan telah memperoleh rumus untuk menghitung hambatan kapasitor. Mohon cinta dan hormat:

Di mana, X C adalah hambatan kapasitor, Ohm

P - konstan dan sama dengan sekitar 3,14

F– frekuensi, diukur dalam Hertz

DENGAN– kapasitansi, diukur dalam Farad

Jadi, masukkan frekuensi dalam rumus ini pada nol Hertz. Frekuensi nol Hertz adalah arus searah. Apa yang akan terjadi? 1/0=tak terhingga atau resistansi sangat tinggi. Singkatnya, sirkuit rusak.

Kesimpulan

Ke depan, saya dapat mengatakan bahwa dalam percobaan ini kami memperoleh (filter lolos tinggi). Dengan menggunakan kapasitor dan resistor sederhana, dan menerapkan filter seperti itu ke speaker di suatu tempat di perlengkapan audio, kita hanya akan mendengar nada tinggi yang melengking di speaker. Namun frekuensi bass akan teredam oleh filter seperti itu. Ketergantungan resistansi kapasitor pada frekuensi sangat banyak digunakan dalam elektronik radio, terutama pada berbagai filter yang memerlukan penekanan satu frekuensi dan melewatkan frekuensi lainnya.

Hal ini dapat dengan mudah dikonfirmasi melalui eksperimen. Anda dapat menyalakan bola lampu dengan menghubungkannya ke catu daya AC melalui kapasitor. Loudspeaker atau handset akan tetap berfungsi jika dihubungkan ke receiver tidak secara langsung, tetapi melalui kapasitor.

Kapasitor terdiri dari dua atau lebih pelat logam yang dipisahkan oleh dielektrik. Dielektrik ini paling sering berupa mika, udara atau keramik, yang merupakan isolator terbaik. Wajar jika arus searah tidak dapat melewati isolator seperti itu. Tapi mengapa arus bolak-balik melewatinya? Hal ini nampaknya semakin aneh karena keramik yang sama dalam bentuk, misalnya, rol porselen dengan sempurna mengisolasi kabel arus bolak-balik, dan mika dengan sempurna berfungsi sebagai isolator pada setrika listrik dan perangkat pemanas lainnya yang beroperasi dengan baik pada arus bolak-balik.

Melalui beberapa percobaan kita dapat “membuktikan” fakta yang lebih aneh lagi: jika dalam sebuah kapasitor suatu dielektrik dengan sifat isolasi yang relatif buruk digantikan oleh dielektrik lain yang merupakan isolator yang lebih baik, maka sifat-sifat kapasitor akan berubah sehingga aliran arus bolak-balik melalui kapasitor tidak akan terhambat, malah sebaliknya dipermudah. Misalnya, jika Anda menyambungkan bola lampu ke rangkaian arus bolak-balik melalui kapasitor dengan dielektrik kertas dan kemudian mengganti kertas tersebut dengan isolator yang sangat baik; seperti kaca atau porselen dengan ketebalan yang sama, bola lampu akan mulai menyala lebih terang. Eksperimen seperti itu akan mengarah pada kesimpulan bahwa arus bolak-balik tidak hanya mengalir melalui kapasitor, tetapi arus bolak-balik juga mengalir semakin mudah, semakin baik isolator dielektriknya.

Namun, terlepas dari semua eksperimen tersebut yang meyakinkan, arus listrik - baik searah maupun bolak-balik - tidak melewati kapasitor. Dielektrik yang memisahkan pelat kapasitor berfungsi sebagai penghalang yang andal terhadap jalur arus, apa pun itu - bolak-balik atau searah. Tetapi ini tidak berarti bahwa tidak akan ada arus di seluruh rangkaian yang dihubungkan dengan kapasitor.

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

Bagaimana perilaku kapasitor dalam rangkaian DC?

“Pompa listrik” kami akan memompa muatan ke salah satu pelatnya dan memompanya keluar dari pelat lainnya. Kemampuan suatu kapasitor untuk menahan perbedaan jumlah muatan tertentu pada pelat-pelatnya disebut kapasitas. Semakin besar kapasitansi kapasitor, semakin banyak muatan listrik pada satu pelat dibandingkan pelat lainnya.

Pada saat arus dihidupkan, kapasitor tidak terisi - jumlah muatan pada pelatnya sama. Tapi arusnya menyala. “Pompa listrik” mulai bekerja. Dia mengarahkan muatannya ke satu piring dan mulai memompanya keluar dari piring lainnya. Begitu pergerakan muatan dimulai di sirkuit, itu berarti arus mulai mengalir di dalamnya. Arus akan mengalir hingga kapasitor terisi penuh. Ketika batas ini tercapai, arus akan berhenti.

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

Jika resistansi rangkaian yang dilalui kapasitor untuk diisi relatif kecil, maka waktu pengisian sangat singkat: hanya berlangsung sepersekian detik, setelah itu aliran arus berhenti.

Situasinya berbeda pada rangkaian arus bolak-balik. Di sirkuit ini, “pompa” memompa muatan listrik ke satu arah atau yang lain. Setelah hampir tidak menghasilkan kelebihan muatan pada satu pelat kapasitor dibandingkan dengan jumlah muatan pada pelat lainnya, pompa mulai memompanya ke arah yang berlawanan. Muatan akan bersirkulasi terus menerus dalam rangkaian, yang berarti bahwa meskipun terdapat kapasitor non-konduktif, akan ada arus di dalamnya - arus pengisian dan pengosongan kapasitor.

Besarnya arus ini bergantung pada apa?

Yang kami maksud dengan besaran arus adalah jumlah muatan listrik yang mengalir per satuan waktu melalui penampang suatu konduktor. Semakin besar kapasitansi kapasitor, semakin banyak muatan yang dibutuhkan untuk “mengisinya”, yang berarti semakin kuat arus dalam rangkaian. Kapasitansi kapasitor bergantung pada ukuran pelat, jarak antara pelat dan jenis dielektrik yang memisahkannya, serta konstanta dielektriknya. Porselen memiliki konstanta dielektrik yang lebih besar daripada kertas, sehingga ketika kertas diganti dengan porselen dalam kapasitor, arus dalam rangkaian meningkat, meskipun porselen merupakan isolator yang lebih baik daripada kertas.

Besarnya arus juga bergantung pada frekuensinya. Semakin tinggi frekuensinya maka arus yang dihasilkan akan semakin besar. Mengapa hal ini mudah dipahami dengan membayangkan kita mengisi wadah yang berkapasitas, misalnya 1 liter, dengan air melalui sebuah tabung lalu memompanya keluar dari sana. Jika proses ini diulangi sekali setiap detik, maka 2 liter air akan mengalir melalui tabung per detik: 1 liter dalam satu arah dan 1 liter dalam arah yang lain. Tetapi jika kita melipatgandakan frekuensi proses: kita mengisi dan mengosongkan bejana 2 kali per detik, maka 4 liter air akan mengalir melalui tabung per detik - meningkatkan frekuensi proses dengan kapasitas bejana yang sama menyebabkan a peningkatan yang sesuai dalam jumlah air yang mengalir melalui tabung.

Dari uraian di atas, dapat diambil kesimpulan sebagai berikut: arus listrik - baik searah maupun bolak-balik - tidak melewati kapasitor. Namun pada rangkaian yang menghubungkan sumber AC dengan kapasitor, mengalir arus pengisian dan pengosongan kapasitor ini. Semakin besar kapasitansi kapasitor dan semakin tinggi frekuensi arus, semakin kuat arusnya.

Fitur arus bolak-balik ini sangat banyak digunakan dalam teknik radio. Emisi gelombang radio juga didasarkan pada hal itu. Untuk melakukan ini, kami membangkitkan arus bolak-balik frekuensi tinggi di antena pemancar. Tetapi mengapa arus mengalir pada antena, padahal antena bukan merupakan rangkaian tertutup? Mengalir karena ada kapasitansi antara antena dan kabel penyeimbang atau ground. Arus dalam antena mewakili arus pengisian dan pengosongan kapasitor ini, kapasitor ini.

Itu berbicara tentang kapasitor elektrolitik. Mereka terutama digunakan di sirkuit DC, sebagai tangki filter di penyearah. Selain itu, Anda tidak dapat melakukannya tanpanya dalam memisahkan rangkaian catu daya tahap transistor, stabilisator, dan filter transistor. Pada saat yang sama, seperti disebutkan dalam artikel, mereka tidak mengalirkan arus searah, dan mereka tidak ingin bekerja dengan arus bolak-balik sama sekali.

Terdapat kapasitor non-polar untuk rangkaian arus bolak-balik, dan banyaknya jenisnya menunjukkan bahwa kondisi pengoperasiannya sangat beragam. Dalam kasus di mana diperlukan stabilitas parameter yang tinggi dan frekuensi yang cukup tinggi, kapasitor udara dan keramik digunakan.

Parameter kapasitor tersebut tunduk pada peningkatan persyaratan. Pertama-tama, ini adalah akurasi tinggi (toleransi kecil), serta koefisien suhu kapasitansi TKE yang tidak signifikan. Biasanya, kapasitor tersebut ditempatkan di sirkuit osilasi peralatan radio penerima dan transmisi.

Jika frekuensinya rendah, misalnya frekuensi jaringan penerangan atau frekuensi jangkauan audio, maka sangat mungkin untuk menggunakan kapasitor kertas dan kertas logam.

Kapasitor dengan dielektrik kertas memiliki lapisan yang terbuat dari kertas logam tipis, paling sering aluminium. Ketebalan pelat berkisar antara 5...10 µm, yang bergantung pada desain kapasitor. Di antara pelat terdapat dielektrik yang terbuat dari kertas kapasitor yang diresapi dengan komposisi isolasi.

Untuk meningkatkan tegangan operasi kapasitor, kertas dapat diletakkan dalam beberapa lapisan. Keseluruhan bungkusan ini digulung seperti karpet dan ditempatkan dalam badan berbentuk bulat atau persegi panjang. Dalam hal ini, tentu saja, kesimpulan diambil dari pelat, tetapi badan kapasitor tersebut tidak terhubung ke apa pun.

Kapasitor kertas digunakan dalam rangkaian frekuensi rendah pada tegangan operasi tinggi dan arus signifikan. Salah satu aplikasi yang sangat umum adalah menghubungkan motor tiga fasa ke jaringan satu fasa.

Dalam kapasitor kertas logam, peran pelat dimainkan oleh lapisan tipis logam, aluminium yang sama, yang disemprotkan dalam ruang hampa ke kertas kapasitor. Desain kapasitor sama dengan kapasitor kertas, hanya saja dimensinya jauh lebih kecil. Ruang lingkup penerapan kedua jenis ini kira-kira sama: rangkaian arus searah, berdenyut, dan bolak-balik.

Desain kapasitor kertas dan kertas logam, selain kapasitansi, juga memberikan kapasitor ini induktansi yang signifikan. Hal ini mengarah pada fakta bahwa pada frekuensi tertentu kapasitor kertas berubah menjadi rangkaian osilasi resonansi. Oleh karena itu, kapasitor tersebut hanya digunakan pada frekuensi tidak lebih dari 1 MHz. Gambar 1 menunjukkan kapasitor kertas dan kertas logam yang diproduksi di Uni Soviet.

Gambar 1.

Kapasitor kertas logam antik memiliki kemampuan untuk menyembuhkan diri sendiri setelah rusak. Ini adalah kapasitor tipe MBG dan MBGCh, tetapi sekarang telah digantikan oleh kapasitor dengan dielektrik keramik atau organik tipe K10 atau K73.

Dalam beberapa kasus, misalnya, pada perangkat penyimpanan analog, atau perangkat sampel-dan-tahan (SSD), persyaratan khusus dikenakan pada kapasitor, khususnya, arus bocor yang rendah. Kemudian kapasitor datang untuk menyelamatkan, yang dielektriknya terbuat dari bahan dengan resistansi tinggi. Pertama-tama, ini adalah kapasitor fluoroplastik, polistiren, dan polipropilen. Kapasitor mika, keramik, dan polikarbonat memiliki ketahanan isolasi yang sedikit lebih rendah.

Kapasitor yang sama ini digunakan dalam rangkaian pulsa ketika diperlukan stabilitas tinggi. Terutama untuk pembentukan berbagai waktu tunda, pulsa dengan durasi tertentu, serta untuk pengaturan frekuensi operasi berbagai generator.

Untuk membuat parameter timing rangkaian lebih stabil, dalam beberapa kasus disarankan untuk menggunakan kapasitor dengan tegangan operasi yang lebih tinggi: tidak ada salahnya memasang kapasitor dengan tegangan operasi 400 atau bahkan 630V pada rangkaian dengan tegangan dari 12V. Kapasitor seperti itu tentu saja akan memakan lebih banyak ruang, tetapi stabilitas seluruh rangkaian secara keseluruhan juga akan meningkat.

Kapasitansi listrik kapasitor diukur dalam Farad F (F), namun nilai ini sangat besar. Cukuplah dikatakan bahwa kapasitas bumi tidak melebihi 1F. Bagaimanapun, inilah yang tertulis di buku teks fisika. 1 Farad adalah kapasitansi dimana, dengan muatan q sebesar 1 coulomb, beda potensial (tegangan) melintasi pelat kapasitor adalah 1V.

Dari apa yang baru saja dikatakan, Farad adalah nilai yang sangat besar, sehingga dalam praktiknya lebih sering digunakan satuan yang lebih kecil: mikrofarad (μF, μF), nanofarad (nF, nF) dan pikofarad (pF, pF). Nilai-nilai ini diperoleh dengan menggunakan prefiks submultiple dan multiple, yang ditunjukkan pada tabel pada Gambar 2.

Gambar 2.

Bagian-bagian modern menjadi semakin kecil, sehingga tidak selalu mungkin untuk menerapkan penandaan penuh pada bagian tersebut; berbagai sistem simbol semakin banyak digunakan. Semua sistem ini dalam bentuk tabel dan penjelasannya dapat ditemukan di Internet. Kapasitor yang dimaksudkan untuk pemasangan SMD seringkali tidak memiliki tanda sama sekali. Parameternya dapat dibaca pada kemasannya.

Untuk mengetahui bagaimana perilaku kapasitor dalam rangkaian arus bolak-balik, diusulkan untuk melakukan beberapa percobaan sederhana. Pada saat yang sama, tidak ada persyaratan khusus untuk kapasitor. Kapasitor kertas atau kertas logam yang paling umum cukup cocok.

Kapasitor menghantarkan arus bolak-balik

Untuk melihatnya dengan mata kepala sendiri, cukup dengan merakit rangkaian sederhana yang ditunjukkan pada Gambar 3.

Gambar 3.

Pertama, Anda perlu menyalakan lampu melalui kapasitor C1 dan C2 yang dihubungkan secara paralel. Lampunya akan menyala, tapi tidak terlalu terang. Jika sekarang kita menambahkan kapasitor C3 lain, cahaya lampu akan meningkat secara nyata, yang menunjukkan bahwa kapasitor menahan aliran arus bolak-balik. Selain itu, koneksi paralel, mis. Meningkatkan kapasitansi mengurangi resistensi ini.

Oleh karena itu kesimpulannya: semakin besar kapasitansi, semakin rendah resistansi kapasitor terhadap aliran arus bolak-balik. Resistansi ini disebut kapasitif dan dilambangkan dalam rumus sebagai Xc. Xc juga bergantung pada frekuensi arus; semakin tinggi arusnya, semakin kecil Xc. Ini akan dibahas nanti.

Percobaan lain dapat dilakukan dengan menggunakan meteran listrik, setelah terlebih dahulu memutus semua konsumen. Untuk melakukan ini, Anda perlu menghubungkan tiga kapasitor 1 μF secara paralel dan cukup mencolokkannya ke stopkontak. Tentu saja, Anda harus sangat berhati-hati, atau bahkan menyolder steker standar ke kapasitor. Tegangan pengoperasian kapasitor harus minimal 400V.

Setelah sambungan ini, cukup dengan mengamati meteran untuk memastikan bahwa meteran tersebut berada di tempatnya, meskipun menurut perhitungan, kapasitor tersebut memiliki resistansi yang setara dengan lampu pijar dengan daya sekitar 50 W. Pertanyaannya, kenapa counternya tidak berputar? Hal ini juga akan dibahas pada artikel berikutnya.