Az Elektromos Energia Tárolása és Átalakítása: Kondenzátorok, Tekercsek és a Rezgőkörök Működése

Az elektromos áramkörök és eszközök működésének megértéséhez alapvető fontosságúak az elektromos energia tárolására és átalakítására szolgáló komponensek, mint az ellenállások, a kondenzátorok és a tekercsek. Az elektromos eszközök elektromos árammal működnek. Az elektronika rendkívül gyorsan fejlődik, és ma már a korábban elképzelhetetlennek tartott berendezések, készülékek kerülnek le a tervezők asztaláról, rögtön gyártásra kész állapotban, végül a késztermékek a mindennapi életben kerülnek alkalmazásra. Sorozatban készülnek a biztonságos üzemvitelhez nélkülözhetetlen szünetmentes áramforrások, az aktív és passzív szűrők, a híradástechnikai „csodák” stb.

Az Elektromos Áram és Alapvető Fogalmak

Ahhoz, hogy megértsük az elektromos áramkörök működését, elengedhetetlen néhány alapvető fogalom tisztázása. Gondoljunk a vízre: a víz nem folyik önmagától sehova - nem fog kifolyni a pohárból, hanem állni fog. Ezen akkor tudunk változtatni, ha olyan állapotba hozzuk/lehetőséget adunk neki/ösztönözzük, hogy tudjon folyni, például egy üvegből, ami magasabban van, mint a pohár, ahova kitöltenénk. Ezt a lehetőséget nevezzük az elektromosságtanban potenciálnak. Ugyanakkor a potenciál egy adott helyre vonatkozik, kifejezetten fix helye nincs. Adott helyen a föld potenciálját szokás nullának venni.

Ahhoz, hogy valami folyni tudjon, ahhoz kell egy kiindulópont és egy megérkezési hely. Két ilyen hely potenciáljának a különbségét nevezzük elektromos feszültségnek, aminek U a jele és szintén volt a mértékegysége. Fontos észrevenni, hogy nem mindegy, hogy a két pont melyike a kezdőpont és melyike a végpont. Ettől függően a feszültség lehet pozitív és negatív is! Ugye az áram akkor tud folyni, ha van egy ösztönző erő, ami a feszültség.

Egy tökéletes világban minden, ami árammal menne, nem melegedne, nem fogyasztana sok energiát, nem kéne sosem tölteni, és nem menne tönkre. Az első és legnagyobb probléma, amit meg kell oldani, hogy minden anyag, amit le tudunk gyártani, egy kissé érdes, és a rajtuk áthaladni akaró elektronok beleütköznek, lelassulnak. Ezt nevezzük elektromos ellenállásnak. Az ellenállás egy ellenerő, tehát minél nagyobb az ellenállás, annál kevésbé tud folyni az áram. A vezető alapvetően elég egyértelmű - olyan anyag, amiben aránylag gond nélkül tud áram folyni. Ide tartozik a legtöbb fém, de például a szigetelő ezzel szemben olyan anyag, amiben nagyon rosszul vagy egyáltalán nem tud folyni az áram. Az ellenállás (az elektronikai alkatrész) egy olyan rosszul vezető anyag, aminek pontosan ki van számítva az ellenállása. Általában ezt úgy érik el, hogy egy ellenálláshuzalból adott átmérőjű és hosszú darabot levágnak. Egy huzalnak az ellenállása arányos a hosszával és fordítva arányos az átmérőjével.

A Kondenzátor - Töltéstartályok az Elektromos Világban

Az elektromos töltések tárolására készített technikai eszközöket kondenzátoroknak (régies nevén „sűrítő”-nek) nevezzük. Minden kondenzátor legalább két párhuzamos vezető anyagból (fegyverzet) és a közöttük lévő szigetelőanyagból (dielektrikum) áll. A kondenzátor két vezető réteg között egy szigetelőanyagot tartalmaz. Az első kondenzátor a leydeni palack volt, amelyet Pieter von Musschenbroek készített 1746-ban a leydeni egyetemen.

A kondenzátor alapvető tulajdonsága, hogy maga körül egy erőteret hoz létre. Két vezető réteg között egy szigetelőanyag (dielektrikum) található, ahol az egyik oldalon elektronok halmozódnak fel, azaz töltés jön létre. Ezáltal a kondenzátor képes elektronokat áramoltatni. A kapacitás a kondenzátor legfontosabb jellemzője. Minden test alkalmas töltések fogadására, tárolására, ezt nevezzük idegen szóval kapacitásnak, C-vel jelöljük (capacitor). A kapacitás definíció szerint a kondenzátorban felhalmozódott töltések és az ezek által létrehozott feszültség hányadosa, vagyis: C = Q/U. A kapacitás jellemző az adott rendszerre. Főként annak szerkezeti kialakításától és a benne található dielektrikumtól függ, illetve kisebb mértékben a saját feszültségétől, töltésétől. Ha ez a függés jellemzővé válik, akkor nemlineáris kondenzátorról beszélünk. Bizonyos alkalmazásokban ezt az összefüggést használják ki. Például ilyen a variocap dióda, bár ez valójában nem tipikus kondenzátor, de a működési elve szerint valóban egy dióda belsejében kialakult feszültségfüggő síkkondenzátorról van szó.

A vonatkozó összefüggés alapján a kapacitás mértékegysége a Farad (F): 1 F kapacitása van annak a rendszernek, amelybe 1 As töltést téve 1 V feszültség lép fel. A kondenzátor legegyszerűbb változata a síkkondenzátor. Ezt két párhuzamos fémlemez (fegyverzet) képezi, amik között szigetelőanyag található. Bonyolultabb megvalósítása a tömbkondenzátor, ami több síkkondenzátor egymás mellé helyezését jelenti. Tekercselt kivitelű kondenzátorokat használnak olcsó, kevésbé igényes alkalmazásokban, például fénycsőgyújtóknál.

A dielektrikum anyagától és vastagságától függő legnagyobb feszültséget, amelynél a kondenzátor dielektrikuma még biztosan nem károsodik, a kondenzátor névleges feszültségének nevezzük. A gyakorlatban ez jóval nagyobb szokott lenni a kondenzátor üzemi feszültségénél. Értékének túllépése esetén - egyszerűen szólva - a kondenzátor tönkremegy. Valójában a dielektrikum megváltozása (károsodása) okozza a tönkremenetelt (átütést). A károsodás hatására a belső feszültségviszonyok megváltoznak, nagyobb igénybevételnek teszik ki a tekercset, amely további átütésekhez vezethet.

A mai technikai színvonalon már elvárás minden nagyteljesítményű kondenzátor robbanás elleni védelme, amit a túlnyomás elve alapján kialakított valamilyen mechanikai vagy elektronikus kialakítás lát el. Legelterjedtebb módja túlnyomásos szakadó szállal történő biztosítás. A fém vagy műanyag házon belül keletkező túlnyomás hatására a rugalmas kialakítással rendelkező fedél („membrán”) megemelkedik és a kondenzátor tekercs (háromfázis esetében tekercsek) kivezetőit (amelyeket ékalakban meggyengítettek) a kidomborodó membrán elszakítja. Ezáltal teljesen leválik a hálózatról, és nem okoz környezeti károsodást a meghibásodott kondenzátor.

Kondenzátor Típusok és Alkalmazásuk

Az elektronika szakadatlan fejlődése „rendet vágott” a kondenzátorok gyártásában, felépítésében, kivitelében, szerkezeti kialakításában egyaránt. Előtérbe kerültek a speciális, egyedi célra kialakított kondenzátorok, amelyeket általánosan különleges kondenzátoroknak nevezünk.

Elektrolit Kondenzátorok

Az alumíniumfóliás elektrolit kondenzátorok egyik fegyverzete alumíniumfólia, amelyre elektrokémiai eljárással alumíniumoxid kerül. Az alumíniumoxid dielektrikumként működik. Így a kondenzátor egyik fegyverzete az alumíniumfólia, a másik fegyverzet az elektrolit (folyadék vagy gél formájában). Ennek különlegessége, hogy a szigetelő réteg egy papírlap, amit átitatnak egy speciális folyadékkal, az elektrolittal. Ezeknek a kondenzátoroknak kis térfogat mellett nagy kapacitásuk van (0,5 mikrofarádtól kezdve ma már akár 100 mF-ig is terjedhetnek), de veszteségeik jelentékenyek lehetnek.

Az elektrolit kondenzátorok legfontosabb felhasználási területe a váltakozófeszültségből egyenirányított egyenfeszültségek stabilizálása tápegységekben, valamint szűrőkondenzátorként az alacsony frekvenciás váltóáramú összetevők kiszűrése. Általánosságban elmondható róluk, hogy nagyfrekvenciás tulajdonságaik rosszak, veszteségi tényezőjük viszonylag magas, értékük bizonytalan, ugyanakkor fajlagos kapacitás értékük magas. Komoly hátrányuk, hogy polaritás érzékenyek. Léteznek váltakozó áramú változatok is, ezekben kettős anódfólián van oxidréteg.

Tantál Kondenzátorok

Tulajdonságaik hasonlóak az alumínium-elektrolit kondenzátorokéhoz. Fajlagos kapacitásuk még magasabb, nagy frekvenciás tulajdonságaik pedig sokkal jobbak. Kevésbé öregszik és szélesebb hőmérséklet-tartományt visel el.

Fóliakondenzátorok

Leggyakrabban tömb, illetve tekercselt kivitelben készülnek. A tömb kivitel szórt induktivitása és ekvivalens soros ellenállása alacsonyabb, ezért magasabb frekvenciákon jobban használható. A tekercselt kivitelt egyszerűbb gyártani, ezért ára alacsonyabb. A felhasznált fólia anyagától függően különböző tulajdonságokra lehet optimalizálni.

• Polisztirol: Viszonylag rossz fajlagos kapacitású kondenzátor, korlátozott hőmérséklettűréssel. Kedvező öregedési tulajdonságai miatt precíziós analóg elektronikában alkalmazzák. Veszteségi tényezője alacsony.
• Polipropilén (MKP, MKPg, MSD):
  • MKP öngyógyuló kisfeszültségű kondenzátor: Hosszú élettartam, öngyógyuló képesség, alacsony veszteségi tényező (általában <0,2 W/kvar).
  • MKPg öngyógyuló kisfeszültségű kondenzátor: Az MKP-nek megfelelő tulajdonságokon kívül térkitöltő anyagként semleges gáz (általában nitrogén) védi a levegő káros hatásaitól a tekercselemeket, és meghibásodás esetén a gáz távozik a kondenzátorból: „teljesen száraz kivitel”.
  • MSD öngyógyuló középfeszültségű kondenzátor: MKP elemekből álló száraz kivitelű középfeszültségű kondenzátorok akár 10000 V AC-ig. Szilárd anyagokból felépített „száraz” kondenzátor, túlnyomás védelemmel.
  • Radiális, kis induktivitású DC kondenzátorok: Rendkívül kis soros ellenállással és nagy impulzusállósággal rendelkező kondenzátorok általában 500-1600 V DC tartományban. Elsősorban puffer kondenzátornak ajánlhatók, magas effektív áramértéknél. Szintén nagyon jó öngyógyító jellemzőkkel bírnak.
  • Axiális, kis induktivitású DC kondenzátorok: A viszonylag magas feszültségig alkalmazott 5000 V DC ellenére száraz technológiával rendelkező, jó impulzus állóképességgel és kapacitás-térfogat aránnyal rendelkező kondenzátorok. Elsősorban puffer kondenzátorként használhatók, de megszakító áramkörökhöz is megfelelőek. A házban a kondenzátor részeit szilárd gyanta (PUR) veszi körül. Nagyon jó öngyógyító jellemzőkkel bírnak.
• Poliészter: Leginkább magasfeszültségű alkalmazásra javasolt. Veszteségi tényezője viszonylag magas, ezért nagy frekvenciákon nem használják.
• Poliamid: A poliészterhez hasonló, de magasabb működési hőmérsékletet is tolerál.
• Polikarbonát: Kiváló szigetelési tulajdonságai miatt nagy feszültségeknél népszerű.
• Teflon: Nagyon kedvező magas frekvenciás tulajdonságokkal rendelkezik, ezért gyakran alkalmazzák mikrohullámú, illetve rádiófrekvenciás alkalmazásokban. Nagyon jó stabilitás, magas átütési szilárdság és kis veszteségi tényező jellemzi, még magas hőmérsékletek mellett is. Hátránya, hogy alacsony dielektromos állandója miatt a fajlagos kapacitása alacsony, valamint igen drága.

Kerámiakondenzátorok

Kis méretű, fémezett kerámialemezekből álló kondenzátor. Az egyszerűbbek egy darab tárcsa alakú kerámia lemezből állnak. A magasabb értékeket több téglalap alakú lemezből készítik (ún. multilayer). A felhasznált kerámiaanyagtól függően osztályokba sorolják őket.

Különleges Kondenzátorok

• AC/DC kondenzátorok: Köszönhetően a nagy AC feszültség-terhelhetőségüknek és áram-terhelhetőségüknek ezek általában a teljesítményelektronikában használatosak. Rendre műgyantával vannak töltve, így meggátolható, hogy a ház belsejében levegő káros ionizációt („részletörést”) okozzon. Ezen kondenzátorok rendkívül jó kapacitás/térfogat aránnyal és öngyógyuló képességgel rendelkeznek. A biztonságos működést a beépített túlnyomás védelem biztosítja. Névleges feszültségük 420-5000 V AC, illetve 700-5000 V DC tartományban mozoghat.
• Radiális kis induktivitású DC kondenzátorok: Jellemzőjük a rendkívül kicsi soros ellenállás, nagy impulzusállóság és jó öngyógyító képesség.
• Axiális, kis induktivitású kondenzátorok: Nagy feszültségük ellenére száraz technológiával és drága szigetelők nélkül készülnek. A kondenzátorelemeket műgyanta (PUR) veszi körül, jellemzőjük az impulzusállóság, kedvező kapacitás/arány és jó öngyógyító képesség. Kis induktivitásuk miatt optimálisak nagy áramú (200-400 A) alkalmazások számára közepes frekvenciákon.
• Elöregedett áramátalakítók karbantartásához tervezett kondenzátorok: Léteznek kifejezetten az elöregedett áramátalakítók karbantartásához tervezett kondenzátorok is. Ezek olyan öngyógyuló, kiemelkedő teljesítménystabilitással bíró DC-kondenzátorok, amelyek a hagyományos MP-kondenzátorokhoz hasonlóan szabvány méretekkel rendelkeznek. A kis veszteségű polipropilén dielektrikum jóval magasabb AC terhelést tesz lehetővé, mint az MP-kondenzátorok papír dielektrikuma. A biztonságról az olaj helyett alkalmazott szilárd gyanta gondoskodik. Gyanta esetében nincs impregnáló olaj szivárgás és a külső behatások ellen is erősebb védelmet nyújt.
• Egyedi rendelésre gyártott kondenzátorok: Ma már lehetőségünk van nem csak a vasúti vontatásban alkalmazott speciális kondenzátorok egyedi rendelésére, hanem lényegében bármilyen paraméterű kondenzátort gyártathatunk, ugyanolyan minőségben, mint a szériagyártású kondenzátorok. A nagyon alacsony önellenállástól kezdve a magas impulzusáramon vagy magas működési áramerősségen keresztül a ház anyagáig bezárólag meghatározhatjuk, pontosan mire van szükségünk.

Összességében, az előbbiekben ismertetett kondenzátorok jellemzői a következők: nagy áramterhelhetőség, kiváló térfogat/kapacitás arány, nagy túlfeszültségállóság, jó öngyógyuló képesség, az élettartam végéig stabil, állandó értékű kapacitás, biztonságos üzemvitel (túlnyomásos védelem), nagy energiasűrűségüknek köszönhetően alkalmasak sorba kötött elektrolit kondenzátorok és hasábházas fóliakondenzátorok kiváltására, kialakításuk: kompakt cilinderes kivitel, alumínium vagy műanyag házzal.

A Kondenzátorok Alkalmazási Területei

A kondenzátorokat igen sok helyen és sokféle feladatra alkalmazzák, ennek megfelelően számos kiviteli formájuk van. A fóliakondenzátorokat széleskörűen használják a kisfrekvenciás tartományban, például a távbeszélő technikában vagy a váltakozó áramú körökben zavarszűrő kondenzátorként. A különleges váltakozó áramú kondenzátorokat (fémezett papírfegyverzet és műanyag fólia kombinációja) 630V-ig az energetikában meddőkompenzálásra (ún. fázisjavító kondenzátor) vagy motorok indítókondenzátoraiként alkalmazzák. A nagyfrekvenciás tartományban (rezgőkörök, szűrők) a kis veszteségű kerámiakondenzátorok használhatók előnyösen. Az erősáramú berendezésekben, ahol nagy kapacitásértékre van szükség (pl. egyenirányító berendezések szűrőkapcsolása) csak az elektrolit kondenzátorok jöhetnek számításba. Az elektronikus áramkörökben, ahol speciális követelményeket támasztanak (pl. nagy üzembiztonság, kis helyigény) tantál elektrolit kondenzátorokat alkalmaznak. Ahol mérés vagy hangolás céljából folyamatosan változtatható vagy pontosan beállítható kapacitásértékre van szükség, ott változtatható kapacitású (forgó vagy trimmer) kondenzátorokat kell használni.

A kondenzátorok szerepe a hűtéstechnikában is kiemelkedő. A kondenzátor a légkondicionáló berendezés gépe, amely nagyon gyorsan képes a csővezetékben lévő levegőt a cső közelében elhelyezni. A legtöbb autó a kondenzátort a tartály elé helyezi. A kondenzátorok olyan készülékek, amelyek gázt vagy gőzt folyadékká alakítanak át. Az erőművek számos kondenzátort használnak a turbina által kibocsátott gőz kondenzálására. A kondenzátorokat hűtőgázok, például ammónia és freonok kondenzálására használják hűtőberendezésben. Kondenzátort használnak a petrolkémiai iparban a szénhidrogének és egyéb kémiai gőzök kondenzálására. Azok a készülékek, amelyek a lepárlás során gőzből folyadékká alakítják át, kondenzátorok.

Az összes kondenzátor a gáz vagy gőz hőjének eltávolításával működik. A kompresszor a párologtatóból kilépő alacsony nyomású közeggőzbe meríti a nyomást, és ezáltal a nyomást, majd a kondenzátort. A kondenzátorban kondenzált gőz magasabb nyomású folyadékba, a fojtó fojtószelep alacsony nyomású folyadékká alakulása céljából az elpárologtatóba jutott. Végül elnyeli a hőt az elpárologtatóban, és az alacsony nyomású gőzbe párolja a hűtési ciklus befejezéséhez. Egyes alkalmazásoknál a gáznak egy hosszú csövön (általában egy mágnesszelepen) kell keresztülmennie, hogy a hőt a környező levegőre szétoszlassa. A vezetőképes fémeket, például a rézeket gyakran gőz szállítására használják. A kondenzátor hatékonyságának növelése érdekében az emberek gyakran csatlakoztatják a hűtőbordákat a csöveken, hogy felgyorsítsák a hőelvezetést. A hűtőborda a fémlemez jó hővezető képességéből készül. Az ilyen kondenzátorok általában ventilátorokat használnak arra, hogy a levegőt a hűtőbordákon keresztül kényszerítsék, és távolítsák el a hőt. Az általános hűtőszekrény hűtési elvében a kompresszor szerepe, hogy az alacsonyabb nyomású gőzt nagynyomású gőzbe nyomja, hogy a gőz térfogata csökkenjen, a nyomás növekedjen.

A Tekercs - Az Elektronok Gyorsítója és a Mágneses Tér Alkotója

A tekercs egy darab vezeték, körkörösen, feltekercselve. A kondenzátornál már volt szó róla, hogy az elektromos áram egy erőteret hoz létre maga körül. Tekerccsel ezt az erőteret lehet felerősíteni. Ellentétben viszont a kondenzátorral, a tekercs egyfajta katapultként gyorsítja a rajta áthaladó elektronokat, nem pedig megakadályozza a továbbfolyásukat. A tekercsek elektromos hatását (azt, hogy milyen nagy elektromos teret tud létrehozni) indukciónak nevezzük, mértékegysége a henry.

A transzformátorok (vagy trafók) célja, hogy mágneses úton alakítsuk át a feszültséget és az áramerősséget. A primer oldalon a váltakozó áram egy mágneses teret hoz létre, ami a vasmagon keresztül záródik. Ennek hatására a szekunder oldalon feszültség fog indukálódni. Ezt az adatlapon is lehet látni, amire például 230/40 V van írva. Fontos megjegyezni, hogy mindig oda kell figyelni, melyik tekercsre mit kötünk rá, mert fordítva is működik a trafó. A transzformátornak van egy második, talán még fontosabb tulajdonsága is - mivel a primer és a szekunder tekercsek között nincsen fizikai összeköttetés, ezért bizonyos értelemben két külön áramkörről is beszélhetünk. Ennek legfontosabb következménye, hogy ha bármi okból a transzformátor vagy az eszköz, amibe beépítették, megsérül, a primer oldal feszültsége nem tud a szekunder oldalra kerülni átalakítás nélkül. Kisfeszültségnél ez nem tűnik fontosnak, de a konnektorban lévő 230 V életveszélyes!

A Tekercsek Alkalmazási Területei

Tekercsekkel a mindennapi életben szinte mindenütt lehet találkozni. A vasmagos tekercsek működtető mágnesként előfordulnak ajtók, kapuk mágneses zárában; hajtómotorként különböző háztartási készülékekben (turmixgépek, darálók, mosógépek, centrifugák, különböző magnók, videó berendezések stb.). Számos tekercs (relék, motorok) található a gépjárművekben is (elektromos ablakemelő, központi ajtózár, ablaktörlő mozgatása, irányjelzés, szervokormány, indítómotor stb.). A gyárak, üzemek gépsorainak hajtómotorjaiban is tekercsek találhatók. Az energetikai rendszer szinte minden pontján megtalálhatók a tekercsek (erőművek generátorai, transzformátorok, fázisjavító szinkronkompenzátor, zárlatkorlátozó fojtótekercs). Az erősáramú elektronikában simító fojtóként használatos, de megtalálható a híradástechnikában is (rezgőkörök).

A Kondenzátor és a Tekercs Együttműködése: A Rezgőkörök Titka

Az elektronika egyik legérdekesebb és legfontosabb jelensége a rezgőkörök működése, mely a kondenzátor és a tekercs együttes viselkedésén alapul. A rezgőkörök alapvetően egy tekercsből (L, induktivitás) és egy kondenzátorból (C, kapacitás) állnak. Ebben a rendszerben az elektromos energia két különböző formában tárolódik és alakul át egymásba: a kondenzátor az elektromos erőtérben (potenciális energia), míg a tekercs a mágneses erőtérben (kinetikus energia, áramként megjelenítve) tárolja az energiát. E két alkatrész egymást kiegészítve tárolja és adja le az energiát, ami váltakozó feszültséget és váltakozó áramot eredményez.

A Rezgőkör Működése Lépésről Lépésre

Vizsgáljuk meg az LC rezgőkör működését egy hirtelen feszültségimpulzus hatására:

1. Kezdeti állapot (kondenzátor feltöltése): Amikor a két alkatrészt egy hirtelen feszültségimpulzusnak tesszük ki, például egyenáramú forrásról, a tekercs eleinte nagy ellenállást fog kifejteni a hirtelen áramváltozással szemben. Ez idő alatt a kondenzátor elkezd feltöltődni.

   

2. Kondenzátor kisülése, áram folyása: Ezt követően a kondenzátor elkezd kisülni, a feszültsége csökken, és áram kezd el folyni a tekercsen keresztül. Az áram erőssége növekedni kezd, ahogy a kondenzátor elveszti töltését.

3. Tekercs energialeadása: A tekercs a mágneses terében tárolt energiát arra fordítja, hogy az elektronok áramlását ugyanabba az irányban biztosítsa, még akkor is, ha a kondenzátor feszültsége már nullára csökkent. A tekercs ilyenkor egyfajta áramforrásként funkcionál.

4. Kondenzátor feltöltése ellenkező polaritással: A tekercs által fenntartott áram hatására a kondenzátor elkezd feltöltődni, de ezúttal az eredetihez képest ellenkező polaritással. Az áram erőssége ekkor csökken, majd nullára esik, amikor a kondenzátor teljesen feltöltődik az ellenkező irányban.

   

5. Teljes feltöltött állapot, nulla áramerősség: Ekkor a kondenzátor teljesen feltöltődött és az áramerősség nulla az áramkörben. Az energia ismét az elektromos erőtérben tárolódik, most ellenkező polaritással.

6. Kondenzátor kisülése az ellenkező irányba: A kondenzátor ismét kisülni kezd, ezúttal az ellenkező irányba. Ez az áramfolyás okozza az áram irányának megváltozását.

7. Tekercs újra energialeadása: Az áram folyik a tekercsen keresztül, ami mágneses teret hoz létre, majd a tekercs ismét biztosítja az áramot a mágneses tér révén, még a kondenzátor feszültségének csökkenésekor is.

   

8. Kondenzátor feltöltése az eredeti polaritással: Végül a tekercs biztosítja az elektronáramot, ami ahhoz vezet, hogy a kondenzátor újra feltöltődik az eredeti polaritással.

9. Vissza az eredeti állapotba: Amikor az áramkör áramerőssége ismét nullára esik, a kondenzátor a pozitív csúcson lesz feltöltve, és a ciklus újra kezdődik.

Analógia az Ingával

Az LC rezgőkör működése hasonló egy fizikai inga mozgásához, amely folyamatosan átalakítja a potenciális energiát kinetikus energiává és vissza.

• Inga a legmagasabb ponton: Amikor az inga a legmagasabb pontján van, a tömeg miatt az inga megáll és irányt változtat. Ebben a pillanatban a kinetikus (mozgási) energia nulla lesz, és minden energia potenciális energiaként van tárolva (a gravitációs térben, a talajhoz képest). Ez az állapot analóg az LC rezgőkörben a kondenzátor maximális feltöltöttségével, amikor az áramerősség nulla.

• Inga a legalacsonyabb ponton: Ahogy az inga lefelé lendül, sebessége növekszik. A legalacsonyabb ponton a potenciális energia nulla, és a kinetikus (mozgási) energia pedig a maximumon van. Ez analóg az LC rezgőkörben azzal az állapottal, amikor a kondenzátor teljesen kisült, és a tekercsen maximális áramerősség folyik, maximális mágneses energiát tárolva.

• Csillapodás: A valóságban az inga mozgása lecseng a légellenállás során elnyelt energia miatt, azaz csillapított mozgást láthatunk. Ugyanez igaz az LC rezgőkörre is: az ellenállás miatt (még ha csak a vezeték ellenállása is) az elektromos energia disszipálódik hő formájában, ami az oszcilláció amplitúdójának csökkenéséhez vezet. Ezt nevezzük csillapított rezgésnek.

• Saját frekvencia: Az inga lengésének gyakorisága, vagyis a saját frekvenciája, a tartó fonal hosszától függ, nem a golyó súlyától. Egy hosszú fonálon lógó inga lassabban fog lengeni, mint egy rövid fonálon lógó inga. Egy adott inga ugyanazon a frekvencián fog hintázni, miközben az amplitúdó csökken. Ugyanez igaz az LC rezgőkörre is. A rezgőkörnek van egy saját rezonanciafrekvenciája, amelyen a rendszer természetesen oszcillálni próbál. Ez a frekvencia a tekercs induktivitásától (L) és a kondenzátor kapacitásától (C) függ, nem pedig a kiindulási feszültségtől vagy áramerősségtől.

Rezonancia - Amikor a Rendszer Összhangba Kerül

A rezonancia nem csak azokra az áramkörökre jellemző, amelyeket direkt erre a célra terveztek. Rezonanciáról akkor beszélünk, amikor a váltakozó áramú jelforrás frekvenciája eléri azt a természetes frekvenciát, amelyen az LC áramkör energiát cserél. Ezen a frekvencián az induktív reaktancia (XL) és a kapacitív reaktancia (XC) egyenlővé válik egymással, és kioltják egymás hatását.

Párhuzamos rezgőkör

Vegyünk egy példát: a 11. ábrán egy 10 µF-os kondenzátort és egy 100 mH-es tekercset kötünk párhuzamosan egy váltakozó áramú forráshoz. A rezonanciafrekvencia kiszámítható a Thomson-képlet alapján: f = 1 / (2π√LC). Ha behelyettesítjük az értékeket, kiderül, hogy egy ilyen áramkör rezonanciafrekvenciája 159 Hz körül van.

De mi történik a rezonancián? Ez igen érdekes! A rezonanciafrekvencián a párhuzamos rezgőkör nagyon nagy impedanciát mutat a külső áramkör felé, ami azt jelenti, hogy gyakorlatilag egyáltalán nem vesz fel áramot a jelgenerátorból! A kondenzátoron és a tekercsen azonban nagyon nagy áramok folynak, de ezek egymással ellentétes fázisban vannak, így az áramkör „önmagában” cseréli az energiát. Ezért a párhuzamos rezgőkört "rezonancia körnek" is nevezik.

Soros rezgőkör

Hasonló effektust figyelhetünk meg a tekercs és kondenzátor sorba kötésekor. Egy soros rezgőkörben a rezonanciafrekvencián az induktív és kapacitív reaktancia továbbra is kiegyenlíti egymást, de ezúttal az áramkör impedanciája minimális lesz. Ez azt jelenti, hogy a soros rezgőkör gyakorlatilag rövidzárlatként viselkedik a rezonanciafrekvencián, maximális áramot engedve át. Ezt a jelenséget használják fel például szűrőáramkörökben, ahol bizonyos frekvenciákat ki akarnak emelni vagy el akarnak nyomni.

tags: #kondenzator #tekercs #energiaja