Kalkulator Kapasitans

Kapasitor menyimpan tenaga elektrik dalam medan elektrik di antara dua konduktor. Komponen ini digunakan di mana-mana sahaja:

• meratakan riak bekalan kuasa
• menyambungkan isyarat AC di antara peringkat litar
• menghalang arus terus (DC)
• menetapkan pemasaan dalam penjana ayunan dan penapis
• membekalkan lonjakan tenaga untuk lampu kilat kamera dan pemula motor

Memahami kapasitans membolehkan anda menentukan saiz kapasitor dengan betul untuk sebarang aplikasi ini tanpa perlu mencuba-cuba.

Satu perkara yang sering mengelirukan jurutera elektronik baharu: kapasitor digabungkan secara BERBALIKAN daripada perintang.

Perintang secara siri ditambah; kapasitor secara siri digabungkan seperti perintang secara selari (menjadi lebih kecil). Perintang secara selari digabungkan seperti 1/(1/R₁+1/R₂); kapasitor secara selari hanya perlu ditambah.

Jika anda terlupa, ingatlah bahawa kapasitor siri 'ditarik menjauhi antara satu sama lain' secara geometri, lalu mengurangkan kapasitans efektif, manakala kapasitor selari menimbunkan luas efektif, lalu meningkatkannya.

Kapasitans plat selari dikira dengan C = ε₀ × εᵣ × A / d, dengan:

• ε₀ ialah ketelapan ruang bebas
• εᵣ ialah pemalar dielektrik
• A ialah luas plat dalam meter persegi
• d ialah jarak antara plat dalam meter

NIST menetapkan ε₀ pada 8.8541878188×10⁻¹² F/m. Untuk luas plat 0.01 m², jurang 0.001 m, dan vakum (εᵣ = 1), C = 8.854×10⁻¹² × 1 × 0.01 / 0.001 = 8.854×10⁻¹¹ F, atau 88.5 pF.

Kapasitans meningkat apabila luas plat lebih besar dan pemalar dielektrik lebih tinggi, serta menurun apabila plat bergerak semakin jauh, seperti yang dijelaskan oleh HyperPhysics (Georgia State University).

Unit SI bagi kapasitans ialah farad (F), yang ditakrifkan oleh BIPM sebagai satu coulomb caj tersimpan bagi setiap volt perbezaan keupayaan (1 F = 1 C/V).

Unit farad adalah terlalu besar untuk penggunaan elektronik harian, jadi kebanyakan kapasitor sebenar dinilai dalam:

• mikrofarad (1 µF = 10⁻⁶ F)
• nanofarad (1 nF = 10⁻⁹ F)
• pikofarad (1 pF = 10⁻¹² F)

Mengikut Brosur SI, farad ialah unit terbitan konsisten yang boleh diungkapkan sebagai s⁴·A²·kg⁻¹·m⁻². Kalkulator ini melaporkan setiap keputusan dalam F, µF, nF, dan pF secara serentak supaya anda boleh memadankannya dengan sebarang notasi pada lembaran data atau skematik.

Untuk kapasitor secara siri, nilai rekalas ditambah: 1/C_jumlah = 1/C₁ + 1/C₂ + 1/C₃, jadi jumlahnya sentiasa lebih kecil daripada nilai terkecil. Dua kapasitor 2 µF bernilai sama secara siri memberikan 1 µF.

Untuk kapasitor secara selari, nilainya ditambah secara langsung: C_jumlah = C₁ + C₂ + C₃, jadi 1 µF ditambah 2 µF bersamaan dengan 3 µF.

Seperti yang dicatatkan oleh HyperPhysics, ini berbalikan sepenuhnya daripada peraturan gabungan perintang. Sambungan siri mengurangkan kapasitans tetapi meningkatkan nilai voltan efektif; sambungan selari meningkatkan kapasitans sambil mengekalkan nilai voltan bagi kapasitor terlemah.

The pemalar masa RC ialah τ = R × C, memberikan masa dalam saat untuk kapasitor mengecas sehingga kira-kira 63.2% daripada voltan bekalan atau menyahcas sehingga 36.8% daripada nilai asalnya melalui perintang.

Dengan R = 1000 Ω dan C = 1 µF, τ = 1000 × 1×10⁻⁶ = 0.001 s (1 ms). Selepas lima pemalar masa (5τ = 5 ms dalam contoh ini), kapasitor dikira bertambah cas kira-kira 99.3% dan dianggap stabil sepenuhnya.

Seperti yang dijelaskan oleh Khan Academy, tindak balas eksponen ini mengawal litar pemasaan, penapisan, dan penjana ayunan, menjadikan τ parameter reka bentuk teras dalam elektronik analog.

Kapasitor bermuatan menyimpan tenaga dalam medan elektriknya mengikut formula E = ½ × C × V², diukur dalam joule. Untuk kapasitor 1000 µF (0.001 F) yang dicas kepada 12 V, E = ½ × 0.001 × 12² = ½ × 0.001 × 144 = 0.072 J.

Disebabkan tenaga meningkat secara berkadar dengan kuasa dua voltan, menggandakan voltan akan melipatgandakan tenaga tersimpan sebanyak empat kali ganda. Caj tersimpan yang berkaitan ialah Q = C × V, jadi kapasitor yang sama pada 12 V memegang Q = 0.001 × 12 = 0.012 C.

Encyclopaedia Britannica mencatatkan bahawa hubungan kuasa dua voltan ini menjadi sebab kapasitor voltan tinggi kekal berbahaya walaupun mempunyai kapasitans yang rendah.

Bahan dielektrik ialah bahan penebat di antara plat kapasitor, dan ketelapan relatifnya εᵣ mendarabkan kapasitans vakum secara langsung dalam C = ε₀ × εᵣ × A / d.

• Vakum mempunyai εᵣ = 1 mengikut takrifan
• udara kering kira-kira 1.0006
• kaca sekitar 5
• air menghampiri 80
• seramik kejuruteraan boleh melebihi 1000

Memilih dielektrik εᵣ tinggi memuatkan lebih banyak kapasitans dalam isi padu fizikal yang sama, membolehkan kapasitor seramik bersaiz syiling menandingi reka bentuk jurang udara yang jauh lebih besar.

Pihak IEC mengikut piawaian kelas dielektrik (seperti C0G/NP0 dan X7R) yang mengimbangi ketelapan dengan kestabilan suhu, seperti yang turut dibincangkan oleh HyperPhysics.

Dalam litar AC, kapasitor menentang perubahan voltan dengan reaktans kapasitif Xc = 1 / (2πfC), diukur dalam ohm, di mana f ialah frekuensi dalam hertz dan C ialah kapasitans dalam farad.

Reaktans berkurangan apabila frekuensi atau kapasitans meningkat, jadi kapasitor menyekat isyarat frekuensi rendah dan DC sambil membenarkan isyarat frekuensi tinggi melaluinya. Bagi kapasitor 1 µF pada 60 Hz, Xc = 1 / (2π × 60 × 1×10⁻⁶) ≈ 2653 Ω.

Seperti yang dijelaskan dalam rujukan litar IEEE, kebergantungan frekuensi ini menjadikan kapasitor amat penting untuk penapis, rangkaian gandingan, dan pembetulan faktor kuasa dalam sistem kuasa AC.

Pengiraan kapasitans menjadi asas kepada kebanyakan keputusan reka bentuk elektronik. Jurutera menentukan saiz kapasitor penyahsulur untuk mengehadkan riak bekalan kuasa, memilih kapasitor gandingan yang membenarkan audio lalu sambil menyekat pincang DC, dan menetapkan pemalar masa RC untuk pengayun, litar 'debounce', serta peringkat pemasa 555.

Jurutera kuasa menambah bank kapasitor selari untuk pembetulan faktor kuasa, manakala jurufoto bergantung pada kapasitor bertenaga tinggi yang melepaskan jul tenaga tersimpan ke dalam tiub kilat xenon. Sistem automotif dan tenaga boleh baharu menggunakan tatasusunan kapasitor elektrolit dan superkapasitor yang besar untuk pemampan tenaga.

Seperti yang ditunjukkan oleh Encyclopaedia Britannica dan Khan Academy, formula teras yang sama digunakan daripada penyelarasan RF skala pikofarad hingga penyimpanan tenaga skala farad.

• Kesilapan paling kerap berlaku ialah tertukar peraturan siri dan selari — ingat bahawa kapasitor dalam siri mengurangkan jumlah kapasitans manakala kapasitor dalam selari menambahnya.
• Kesilapan lain ialah ketidakpadanan unit: formula plat selari memerlukan luas dalam meter persegi dan jarak pemisahan dalam meter, jadi plat yang diukur dalam cm² atau jurang dalam mm mesti ditukar terlebih dahulu.
• Terlupa tentang pemalar dielektrik (menggunakan εᵣ = 1 untuk komponen seramik) akan menyebabkan anggaran kapasitans jauh lebih rendah daripada nilai sebenar.
• Dalam kerja berkaitan tenaga, ada yang terlepas pandang faktor ½ atau terlupa bahawa E bergantung pada V², bukannya V.
• Akhir sekali, memasang kapasitor elektrolit berpolariti secara terbalik boleh menyebabkan kegagalan teruk tanpa mengira ketepatan pengiraan.