Kondensator elektryczny jest jednym z elementów obwodu elektrycznego dowolnego urządzenia elektronicznego. Jego główną funkcją jest magazynowanie energii, a następnie uwalnianie jej z powrotem do obwodu. Przemysł oferuje szeroką gamę kondensatorów różnego typu, o różnych pojemnościach, rozmiarach i zastosowaniach.
Zasada działania i charakterystyka kondensatora
Kondensator składa się z dwóch płytek metalowych przedzielonych cienką warstwą dielektryka. Stosunek wielkości i rozmieszczenia okładzin oraz właściwości materiału dielektrycznego decyduje o wartości pojemności.
Konstrukcja każdego typu kondensatora ma na celu uzyskanie maksymalnej pojemności w stosunku do minimalnych wymiarów, aby zaoszczędzić miejsce na płytce drukowanej urządzenia. Jednym z najpopularniejszych pod względem wyglądu kształtów jest kształt beczki, w którym metalowe osłony są skręcone razem, a pomiędzy nimi znajduje się dielektryk. Pierwszy kondensator, wynaleziony w 1745 r. w Lejdzie (Holandia), nazwano "słojem lejdejskim".
Zasada działania tego elementu polega na zdolności do ładowania i rozładowywania. Ładowanie jest możliwe dzięki utrzymywaniu elektrod w niewielkiej odległości od siebie. Oddzielone od siebie dielektrykiem ładunki przyciągają się wzajemnie i zostają uwięzione na stykach, a kondensator magazynuje w ten sposób energię. Po wyłączeniu zasilania element jest gotowy do oddania energii do obwodu, czyli do rozładowania.
Parametry i właściwości, które decydują o wydajności, jakości i trwałości
- pojemność elektryczna;
- pojemność właściwa;
- tolerancja;
- wytrzymałość elektryczna;
- indukcyjność własna;
- absorpcja dielektryczna;
- straty;
- stabilność;
- niezawodność.
Zdolność do gromadzenia ładunku określa pojemność elektryczną kondensatora. Przy obliczaniu pojemności należy znać
- powierzchnia uzwojenia;
- odległość między zwojami;
- Stała dielektryczna materiału dielektrycznego.
W celu zwiększenia pojemności należy zwiększyć powierzchnię uzwojeń, zmniejszyć odległość między nimi oraz zastosować dielektryk, którego materiał ma wysoką stałą dielektryczną.
Jednostką miary używaną do określania pojemności jest Farad (F), nazwany tak na cześć angielskiego fizyka Michaela Faradaya. Jednak 1 Farad to zbyt duża wartość. Na przykład pojemność naszej planety jest mniejsza niż 1 Farad. Mniejsze wartości są stosowane w elektronice radiowej: mikrofarady (µF, jedna milionowa część farada) i pikofarady (pF, jedna milionowa część mikrofarada).
Pojemność właściwą oblicza się na podstawie stosunku pojemności do masy (objętości) dielektryka. Wpływ na to mają wymiary geometryczne, a wzrost pojemności właściwej uzyskuje się przez zmniejszenie objętości dielektryka, co jednak zwiększa ryzyko awarii.
Dopuszczalne odchylenie wartości znamionowej pojemności od wartości rzeczywistej określa klasę dokładności. Zgodnie z normą GOST istnieje 5 klas dokładności, które określają przyszłe zastosowanie. Elementy o najwyższej klasie dokładności są stosowane w obwodach o wysokiej odpowiedzialności.
Wytrzymałość elektryczna określa zdolność do utrzymywania ładunku i zachowania wydajności. Ładunki zgromadzone na uzwojeniach mają tendencję do przesuwania się względem siebie, ponieważ oddziałują na dielektryk. Wytrzymałość elektryczna jest ważną właściwością kondensatora, która decyduje o czasie jego użytkowania. Niewłaściwa eksploatacja spowoduje uszkodzenie dielektryków i elementów.
Indukcyjność własna jest uwzględniana w obwodach prądu przemiennego z cewkami indukcyjnymi. W obwodach prądu stałego nie jest ona brana pod uwagę.
Absorpcja dielektryczna to pojawienie się napięcia na cewkach podczas gwałtownego rozładowania. Zjawisko absorpcji jest brane pod uwagę przy bezpiecznej eksploatacji urządzeń elektrycznych wysokiego napięcia, ponieważ w przypadku zwarcia istnieje zagrożenie dla życia.
Straty są spowodowane niską obciążalnością prądową dielektryka. Gdy elementy elektroniczne są eksploatowane w różnych temperaturach i warunkach wilgotności, wpływa to na współczynnik jakości strat. Ma na to również wpływ częstotliwość pracy. Przy niskich częstotliwościach występują straty dielektryczne, a przy wyższych częstotliwościach - straty w metalu.
Stabilność jest parametrem kondensatora, na który wpływa również temperatura otoczenia. Jego efekty dzieli się na odwracalne, charakteryzujące się współczynnikiem temperaturowym, i nieodwracalne, charakteryzujące się współczynnikiem niestabilności temperaturowej.
Niezawodność działania kondensatora zależy przede wszystkim od warunków pracy. Analiza awarii pokazuje, że awarie są odpowiedzialne za 80% wszystkich awarii.
W zależności od zastosowania, typu i obszaru wykorzystania, kondensatory mają różne rozmiary. Najmniejsze z nich, o rozmiarach od kilku milimetrów do kilku centymetrów, są stosowane w elektronice, natomiast największe w przemyśle.
Cel
Właściwość magazynowania i uwalniania energii zadecydowała o szerokim zastosowaniu kondensatorów we współczesnej elektronice. Podobnie jak rezystory i tranzystory, stanowią one podstawę elektrotechniki. Nie ma ani jednego nowoczesnego urządzenia, które by ich w jakimś stopniu nie wykorzystywało.
Ich zdolność do ładowania i rozładowywania, wraz z indukcyjnością o tych samych właściwościach, jest szeroko wykorzystywana w technice radiowej i telewizyjnej. Obwód drgający złożony z kondensatora i indukcyjności jest podstawą nadawania i odbierania sygnałów. Zmiana pojemności kondensatora umożliwia zmianę częstotliwości oscylacji obwodu. Na przykład stacje radiowe mogą nadawać na swoich częstotliwościach, a radioodbiorniki mogą łączyć się z tymi częstotliwościami.
Ważną funkcją jest wygładzanie tętnień prądu przemiennego. Każde urządzenie elektroniczne zasilane prądem zmiennym potrzebuje filtrujących kondensatorów elektrycznych do wytwarzania dobrej jakości prądu stałego.
Mechanizm ładowania i rozładowywania jest aktywnie wykorzystywany w sprzęcie fotograficznym. Wszystkie nowoczesne aparaty fotograficzne wykorzystują do robienia zdjęć lampę błyskową, która wykorzystuje właściwość szybkiego rozładowywania. Baterie, które magazynują energię, ale wolno się rozładowują, nie są korzystne w tej dziedzinie. Z drugiej strony kondensatory natychmiast uwalniają całą zgromadzoną energię, co wystarcza do uzyskania jasnego błysku.
Zdolność kondensatorów do generowania impulsów o dużej mocy jest wykorzystywana w radiolokacji i laserach.
Kondensatory pełnią rolę styków gaszących iskry w telegrafii i telefonii, a także w telemechanice i automatyce, gdzie konieczne jest przełączanie bardzo obciążonych przekaźników.
Regulacja napięcia w długich liniach przesyłowych jest możliwa dzięki zastosowaniu kondensatorów kompensacyjnych.
Nowoczesne kondensatory, dzięki swoim możliwościom, są wykorzystywane nie tylko w dziedzinie radioelektroniki. Są one stosowane w przetwórstwie metali, górnictwie i przemyśle węglowym.
Główne odmiany
Ze względu na różnorodność zastosowań i warunków pracy urządzeń elektronicznych istnieje duża różnorodność elementów, które różnią się typami i właściwościami. Główny podział opiera się na klasach oraz na rodzaju zastosowanego dielektryka.
Rodzaje kondensatorów z podziałem na klasy:
- o stałej pojemności;
- o zmiennej pojemności;
- regulowane.
Elementy o stałej pojemności są stosowane w każdym urządzeniu radioelektronicznym.
Kondensatory zmienne są używane do zmiany pojemności i parametrów obwodu, np. częstotliwości w obwodach oscylacyjnych. Mają one w swojej konstrukcji kilka sekcji metalowych płyt ruchomych, co zapewnia ich długowieczność.
Kondensatory trymera służą do pojedynczej regulacji aparatu. Są one dostępne w wersjach o różnych pojemnościach znamionowych (od kilku pikofaradów do kilkuset pikofaradów) i są przeznaczone do pracy przy napięciu do 60 V. Bez nich nie byłoby możliwe dostrojenie sprzętu.
Typy kondensatorów, sklasyfikowane według rodzaju dielektryka:
- dielektryk ceramiczny;
- z dielektrykiem w postaci folii;
- elektrolityczne;
- wymieniacze jonowe.
Kondensatory ceramiczne są wykonywane w postaci niewielkiej płytki z materiału ceramicznego, na którą napylane są metalowe końcówki. Kondensatory te mają różne właściwości i są stosowane zarówno w obwodach wysokonapięciowych, jak i niskonapięciowych.
W obwodach niskiego napięcia najczęściej stosowane są wielowarstwowe małe elementy w obudowach epoksydowych lub plastikowych o pojemnościach od kilkudziesięciu pikofaradów do kilku mikrofaradów. Są one stosowane w obwodach wysokiej częstotliwości w urządzeniach radioelektronicznych i mogą pracować w trudnych warunkach klimatycznych.
Do obwodów wysokonapięciowych dostępne są większe kondensatory ceramiczne o pojemnościach od kilkudziesięciu pikofaradów do tysięcy pikofaradów. Są one stosowane w obwodach impulsowych i urządzeniach przetwarzających napięcie.
Dielektryki foliowe są dostępne w różnych typach. Najbardziej rozpowszechniony jest lavsan, który jest bardzo trwały. Mniej popularny jest dielektryk polipropylenowy, który ma mniejsze straty i jest stosowany w obwodach wysokonapięciowych, takich jak obwody wzmacniające dźwięk i obwody średniotonowe.
Oddzielnym rodzajem kondensatora foliowego jest kondensator rozruchowy, który jest stosowany podczas rozruchu silników i dzięki dużej pojemności oraz specjalnemu materiałowi dielektrycznemu zmniejsza obciążenie silnika elektrycznego. Charakteryzują się one wysokimi napięciami roboczymi i mocą bierną elektryczną.
Kondensatory elektrolityczne są wykonane w klasycznej konstrukcji. Obudowa jest wykonana z aluminium, a w jej wnętrzu znajdują się zwinięte metalowe powłoki. Jedna z osłon jest chemicznie powlekana tlenkiem metalu, a druga ciekłym lub stałym elektrolitem w celu utworzenia dielektryka. Dzięki takiej budowie kondensatory elektrolityczne mają dużą pojemność, ale osobliwością ich użytkowania jest jej zmiana w czasie.
W przeciwieństwie do kondensatorów ceramicznych i foliowych, kondensatory elektrolityczne mają polaryzację. Te z kolei dzielą się na niepolarne, pozbawione tej wady, promieniowe, miniaturowe i osiowe. Ich obszary zastosowań to tradycyjna technika komputerowa i nowoczesna technika mikrokomputerowa.
Szczególnym typem, który pojawił się stosunkowo niedawno, są wymienniki jonitowe. Ich budowa jest podobna do kondensatorów elektrolitycznych, ale mają one dużą pojemność (do kilku Faradów). Ich zastosowanie jest jednak ograniczone niewielkim napięciem maksymalnym, wynoszącym kilka woltów. Jonizatory są wykorzystywane do przechowywania pamięci: jeśli bateria w telefonie komórkowym lub miniaturowym komputerze wyczerpie się, zapisane informacje nie zostaną bezpowrotnie utracone.
Oprócz komponentów w obudowach typu pin-out, które są dostępne od dawna i tradycyjnie stosowane, nowoczesne komponenty są dostępne w obudowach SMD lub, jak to się określa, do montażu powierzchniowego. Na przykład, kondensatory ceramiczne mogą być produkowane w różnych rozmiarach, od najmniejszych (1 mm na 0,5 mm) do największych (5,7 mm na 5 mm), i z odpowiadającymi im napięciami w zakresie od kilkudziesięciu do kilkuset woltów.
Kondensatory elektrolityczne mogą być również produkowane w obudowach do montażu powierzchniowego. Mogą to być standardowe aluminiowe kondensatory elektrolityczne lub kondensatory tantalowe, które wyglądają trochę jak kondensatory ceramiczne, ale różnią się od nich większą pojemnością i mniejszymi stratami. Są one dostępne w wersjach SMD zarówno bezołowiowych, jak i ołowiowych.
Kondensatory tantalowe charakteryzują się długą żywotnością i minimalnymi stratami przy nieco niższym limicie pojemności, ale są też bardzo drogie. Są one stosowane w obwodach o wysokiej odpowiedzialności, gdzie wymagana jest duża pojemność.
Powiązane artykuły:
