Αυτοσχέδιος Επίπεδος Πυκνωτής

Ευάγγελος Λαμπρινίδης 2025

Εισαγωγή

Ένας επίπεδος πυκνωτής αποτελείται από δύο ηλεκτρικά αγώγιμες πλάκες που χωρίζονται από έναν μονωτή. Εδώ θα χρησιμοποιήσουμε δύο κομμάτια αλουμινόχαρτο μέσα σε ένα βιβλίο φτιάχνοντας έναν πυκνωτή και στη συνέχεια θα δοκιμάσουμε να μετρήσουμε με διάφορους τρόπους τη χωρητικότητά του.

Κατασκευή

Για τις δύο ηλεκτρικά αγώγιμες πλάκες, τους οπλισμούς του πυκνωτή μας χρησιμοποιούμε δύο κομμάτια αλουμινόχαρτο. Για να μπορούμε να συνδέουμε ευκολότερα τα καλώδια, κόβουμε τα κομμάτια αλουμινόχαρτο σε σχήμα ορθογωνίου αφήνοντας μικρές περιοχές να εξέχουν τις οποίες και ενισχύουμε βάζοντας από τη μια πλευρά ένα κομμάτι σελοτέιπ.

Τοποθετούμε τα φύλλα αλουμινόχαρτου μέσα σε ένα βιβλίο αφήνοντας μεταξύ τους ένα φύλλο χαρτί του βιβλίου που θα είναι ο μονωτής μεταξύ των οπλισμών. Θα πρέπει τα αλουμινόχαρτα να βρίσκονται το ένα απέναντι από το άλλο έτσι ώστε όλη η επιφάνεια του ενός να είναι απέναντι από όλη την επιφάνεια του άλλου. Οι μικρές περιοχές που εξέχουν, με το σελοτέιπ βρίσκονται έξω από το βιβλίο.

Στη συνέχεια συνδέουμε δυο καλώδια με άκρες “κροκοδειλάκια” σε καθέναν οπλισμό και ο πυκνωτής μας είναι έτοιμος. Προσοχή χρειάζεται μην ακουμπήσουν μεταξύ τους τα κροκοδειλάκια ή τα αλουμινόχαρτα μεταξύ τους και γίνει βραχυκύκλωμα.

Μέτρηση χωρητικότητας

Για να μετρήσουμε τη χωρητικότητα του πυκνωτή μας μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε ένα πολύμετρο με μέτρηση χωρητικότητας.
Μια άλλη ιδέα είναι να χρησιμοποιήσουμε την φόρτιση ή εκφόρτιση του πυκνωτή μας μετρώντας τον χρόνο που απαιτείται να φτάσει η τάση στα άκρα του από μια συγκεκριμένη τιμή σε κάποια άλλη συγκεκριμένη τιμή. Η χωρητικότητα του πυκνωτή είναι ανάλογη με αυτόν το χρόνο.

Μέτρηση χρόνου εκφόρτισης – 1η προσέγγιση

Η μέτρηση του χρόνου φόρτισης-εκφόρτισης και έμμεσα της χωρητικότητας του πυκνωτή μας μπορεί να γίνει με οποιαδήποτε πλακέτα μικροελεγκτή όπως το Arduino Uno ή άλλες της πλατφόρμας Arduino, το micro:bit, το Raspberry Pi Pico ή και άλλες αρκεί να ορίσουμε ένα Pin για την φόρτιση ή εκφόρτιση και ένα άλλο για τη μέτρηση της τάσης.
Στο δικό μας παράδειγμα χρησιμοποιούμε το Arduino Uno R3, και τα GPIO Pins 9, 11 και GND για να μετρήσουμε τον χρόνο εκφόρτισης και έτσι έμμεσα τη χωρητικότητα.
Μεταξύ του Pin 9 και του 11 υπάρχει αντίσταση 1kΩ και μεταξύ του 11 και του GND αντίσταση 1MΩ. Ο πυκνωτής συνδέεται μεταξύ των Pin 11 και GND, παράλληλα δηλαδή με την μεγάλη αντίσταση. Το Pin 11 μένει πάντα ως Input, μετράει τάση και δεν άγει ρεύμα, ενώ το Pin 9 βρίσκεται σε δύο καταστάσεις: είτε ως Output για να δώσει τάση και να φορτιστεί ο πυκνωτής, είτε ως Input οπότε δεν άγει ρεύμα για να αφήσει τον πυκνωτή να εκφορτιστεί μέσω της μεγάλης αντίστασης.

Η επαναληπτική διαδικασία είναι η παρακάτω:

• Το GPIO Pin 9 ορίζεται ως output με την τιμή HIGH (5V) και ο πυκνωτής αρχίζει να φορτίζεται
• Περιμένουμε 500ms – θα αρκούσαν κλάσματα του ms για να φορτιστεί
• Το GPIO Pin 9 ορίζεται ως input , ο πυκνωτής αρχίζει να εκφορτίζεται και ξεκινά η μέτρηση του χρόνου
• Όταν το GPIO pin 11 μετρήσει τάση κάτω από το κατώφλι του LOW παρουσιάζεται ο χρόνος και η διαδικασία ξεκινά από την αρχή

Μέτρηση χρόνου φόρτισης – 2η προσέγγιση

Για να αποφύγουμε τη χρήση εξωτερικών αντιστατών, μια καλή λύση είναι η χρήση του micro:bit.
Η συγκεκριμένη πλακέτα διαθέτει εσωτερικούς αντιστάτες για pull up και pull down όπως επίσης και ένα weak pull up με πολύ μεγάλη αντίσταση 10MΩ που κανονικά χρησιμοποιείται για να ανιχνεύει την αφή.

Εδώ χρησιμοποιούμε μόνο δύο καλώδια για να συνδέσουμε τους οπλισμούς του πυκνωτή με τα pins P0 και GND και η διαδικασία είναι παρόμοια μόνο που τώρα μετράμε τον χρόνο φόρτισης:

• To Pin 0 γίνεται pull down και με εσωτερική αντίσταση ο πυκνωτής αρχίζει να εκφορτίζεται
• Περιμένουμε 500ms – θα αρκούσαν κλάσματα του ms για να εκφορτιστεί
• Το Pin 0 γίνεται weak pull up (pull to none) και με την μεγάλη εσωτερική αντίσταση ο πυκνωτής αρχίζει να φορτίζεται και συνεχώς η τάση του ελέγχεται
• Όταν το Pin 0 ξεπεράσει το κατώφλι του HIGH παρουσιάζεται ο χρόνος και η διαδικασία ξεκινά από την αρχή

Χρειάζεται μόνο προσοχή γιατί το web περιβάλλον του microbit (https://makecode.microbit.org/) περιλαμβάνει έναν simulator που παρεμβαίνει στη λειτουργία του κώδικά μας. Κλείνοντάς τον, το πρόγραμμα λειτουργεί κανονικά.

Μέτρηση χρόνου φόρτισης – 3η προσέγγιση

Για μια διαφορετική μέτρηση της χωρητικότητας, μπορούμε να μεταβάλλουμε τη συχνότητα ενός κυκλώματος ταλαντωτή.
Χρησιμοποιώντας το ολοκληρωμένο κύκλωμα 555 σε λειτουργία ασταθούς πολυδονητή συνδέουμε τον πυκνωτή μας παράλληλα με τον πυκνωτή του κυκλώματος του ταλαντωτή.
Επιλέγοντας κατάλληλες τιμές σε αντιστάσεις και χωρητικότητες μπορούμε να έχουμε συχνότητες στην έξοδο του κυκλώματος που να μπορούν να ακουστούν ως ήχος σε ηχείο.

Αλλάζοντας τη χωρητικότητα, μπορεί να αλλάζει και η συχνότητα. Ανοίγοντας για παράδειγμα τη σελίδα μεταξύ των αλουμινόχαρτων ή πιέζοντας το βιβλίο ο πυκνωτής μας αλλάζει την χωρητικότητά του και ο 555 αλλάζει τη συχνότητα στο ηχείο. Με τον συγκεκριμένο τρόπο φτιάχνουμε ένα πρωτότυπο synthesizer, ένα μουσικό όργανο!

Μέτρηση χωρητικότητας

Στις δύο πρώτες προσεγγίσεις, η χωρητικότητα μετριέται έμμεσα μέσα από τον χρόνο φόρτισης ή εκφόρτισης του πυκνωτή μας.

Μπορούμε να μετρήσουμε το χρόνο για έναν γνωστό πυκνωτή και έτσι να κάνουμε τη βαθμονόμηση βρίσκοντας τη σχέση χρόνου και χωρητικότητας.

Στη συνέχεια μπορούμε να αλλάξουμε τα χαρακτηριστικά του πυκνωτή μας και να δούμε πώς αυτά επηρεάζουν τη χωρητικότητά του, όπως:

• Το εμβαδόν της επιφάνειας S των οπλισμών, κόβοντας τα αλουμινόχαρτα σε  σχήματα συγκεκριμένων διαστάσεων
• Το υλικό του μονωτή, αλλάζοντας τη σχετική διηλεκτρική σταθερά ε παρεμβάλλοντας φύλλα από πλαστικό ή άλλα υλικά
• Την απόσταση l μεταξύ των οπλισμών παρεμβάλλοντας φύλλα με διαφορετικό πάχος

Συμπεράσματα

Με τον αυτοσχέδιο πυκνωτή μας μπορούμε να δούμε πώς αλλάζοντας τα φυσικά του χαρακτηριστικά αλλάζουμε τη χωρητικότητά του, να πειραματιστούμε, ακόμα και να παίξουμε μουσική. Ακόμη και άλλες μορφές πυκνωτών που μπορούμε να κατασκευάσουμε γίνεται να τις δοκιμάσουμε με τις παραπάνω διατάξεις. Η εργασία μπορεί να βοηθήσει στη φαντασία, τη μελέτη και τον πειραματισμό.

Παρουσίαση