Egyszerű elektronika: Kondenzátor

Beszéljünk a kapacitásról. Vagy pontosabban: a kondenzátorról. Mik ezek és tulajdonképp mire jók?
Maradjunk a szokásos analógiánknál: ha az áram folyása egy csővezetékben áramló víz, akkor a kapacitás egy üres vödör.

vagy 

A kondenzátor nem más, mint egy tároló, egy tokozásban levő, elekromos energiát raktározó eszköz. De mennyi villamos energiát képes tárolni (betölthető víz mennyisége) és milyen feszültségen (milyen magasan fér el tárolt mennyiség)?
Példaképp: ha van egy tele vödrünk az Eiffel torony tetején, akkor ha kiöntjük belőle a vizet - az a földig esik és jó nagy csattanással tócsát hagy a földön... És lesz egy üres vödrünk a torony tetején...

Ha az analógiát villamosságra ültetjük át, akkor a kondenzátorban valamiféle szigetelőnek kell lennie - különben a töltés elfolydogál (vödör nélkül sem tudjuk az áramló vizet felfogni).
A kapacitást Farad-ban mérjük - mely tisztelgés Michael Faraday fizikus előtt.

Ok, de mi az a kapacitás - valójában?

A kapacitás vagy más néven kondenzátor egy érdekes állatfaj. Amikor a feszültség vagy az áram megváltozik, akkor az eszköz ezt a változást "megköti". Ezt a vizes példán keresztül könnyen lehet szemléltetni: köss egy lufit a vízvezeték végére. Legyen zárt, de legyen összekötve folyamatosan a csővel. Most nyisd ki a vizet (adj rá feszültséget az áramkörre). A lufi feltöltődik. Persze, ha túl nagy a víznyomás, kidurran! Ekkor cseréld le autogumira :) .


A cső végén jön ki a víz, szépen egyenletesen. Mi van, ha a csapot elzárod? Az autotömlőben tárolt víz az elzárás után is még visszafele kifolyik...
Ha a víznyomás lüktet, a tömlő nélkül a kifolyás is lüktetni fog. Azonban, ha a tömlő rajta van, akkor a lüktetést kiegyenlíti. Egyfajta pufferhatást tölt be.

Villamos rendszereknél a víznyomás a feszültséggel, a vízáramlás mennyisége pedig az áramerősséggel analóg. A kapacitás pedig az eltárolt vízmennyiséget jelenti.

Komplex valóság

Ha a valósággal összefüggésben a kapacitást, a dinamikus viselkedést, a töltési időt kezdjük számolgatni, nagyon hamar belefutunk az ún. komplex számokba. A matematikai szépségei így öltenek fizikai alakot - mint szokták a jobb tanárok mondani: nem tantárgyat tanít, hanem szemléletet...

A komplex számok... őőő, izé.... Nem kell hozzá azért kvantumfizikus agy, de kissé komplexek:):
A komplex számok a valós számok kiterjesztései. Elképzelni úgy tudjuk őket, hogy állnak egy valós (számegyenesen ábrázolható) és egy immagináris (számegyenes alatti vagy feletti) részből. Egy példán keresztül talán könnyebben elképzelhető:

A négyzetgyök -1 értéke mennyi? Azaz azt a számot keressük, amit önmagával szorozva -1-t kapunk. Mi a válasz? Az 1, gyök kettő (1.4142...) és a -1 nem jó. Szorozd őket önmagukkal:) és nem a -1-t kapod eredményül (ez lenne ugyebár az ellenőrzés)...
A négyzetgyök -1 jele: i. Azaz az immaginárius szám egységét ha ábrázoljuk az ábrán: "i".

Ne keseredj el. Lesz még rosszabb:). De a leírásokban nem szerepelnek (itt) többet a komplex számok...

Nézzük meg a gyermeket, amint hintázik. Akár szemből, akár oldalról nézzük - egy hintázó gyermek. De elektronikus szemmel? Bárhonnan is nézzük, a sebessége folyamatosan változik. De ezzel összefüggésben a magassága is folyton más... Ebben a csodálatos világban sikerült meglátni a komplex számokat - egy ingán keresztül!

Most képzeld el, hogy hogy látod magadat kívülről. (Nem, nem a testen kívüli élmény. Az egy másik tudományterület.) A hintával szemben állsz, így a jobboldali ábrát szemlélheted. Ekkor a mozgásnak csak egy kis szeletét vagy képes látni!
De mit is látsz valójában? Egy fel-le oszcilláló mozgást - némi rejtett dologgal. Az információnak csak töredéke jut el hozzád. Nem látod például a forgás szögsbességét és a helyzeti (magassági) energiát is csak áttételesen. Ezeket a rejtett dimenziókat nem tudod közvetlenül megvizsgálni. Gyakorlatilag a teljes egésznek csak egy szeletét látod (valós rész), míg a többit csak hozzá tudod következtetni (immaginárius vagy képzetes rész) - a grafikonon az "a" a valós, míg az "i" a képzetes rész és a tényleges érték az "R"-t jelenti.
Ezen a modellen keresztül felépítve a kondenzátor már jó közelítéssel leírható.  A modell viszonylag jó közelítéssel ábrázolja a valóságot. Az esetek legnagyobb részében a kapacitás ábrázolásáből elegendő a valós rész!
Szerencsére megúszhatjuk az apró, részletekbe menő leírást, mivel a legtöbb feladat a vízvezeték és tároló analógiával is nagyon jól közelíthető.

A vödör (tároló) és az áramló folyadék modellel a kapacitás felhasználása könnyen átlátható

A low-pass filter (aluláteresztő szűrő) egy jelentős alkalmazási területe a kondenzátornak. Nagyon sok helyen a PWM jelből például analóg jelszintre való átalakítás eszköze.

A kondenzátor másik alkalmazási területe a töltés átvitele így folyamatos áramlás részére gátként, változó áramlás részére elválasztóként/szigetelőként viselkedik. Ha a vízanalógiát vesszük figyelembe, akkor egy vékony gumihártya az áramlás útjában.

Ez a felüláteresztő szűrő. Az egyenáramú komponens leválasztásra kerül, a fel- és lefutó él kerül csak átvitelre.
A következő leckében még mindig a kapacitásról, töltésről és a valóban nagy kapacitásokról lesz szó.

TavIR-Facebook