Električni kondenzator je eden od elementov v električnem tokokrogu vsake elektronske naprave, katerega glavna funkcija je shranjevanje energije in njeno nato oddajanje nazaj v tokokrog. Industrija ponuja široko paleto kondenzatorjev, ki se razlikujejo po vrsti, zmogljivosti, velikosti in uporabi.
Načelo in značilnosti kondenzatorja
Kondenzator je sestavljen iz dveh kovinskih lupin, ločenih s tanko dielektrično plastjo. Razmerje med velikostjo in razporeditvijo pokrovov ter karakteristiko dielektričnega materiala določa vrednost kapacitivnosti.
Zasnova katere koli vrste kondenzatorja je namenjena pridobitvi največje kapacitivnosti glede na najmanjšo velikost, da prihranite prostor na tiskanem vezju naprave. Ena najbolj priljubljenih oblik glede na videz je v obliki soda, s kovinskimi pokrovi, zvitimi skupaj z dielektrikom med njimi. Prvi kondenzator, izumljen v Leidnu na Nizozemskem leta 1745, se je imenoval "Leiden Can".
Načelo komponente je sposobnost polnjenja in praznjenja. Polnjenje je omogočeno tako, da so elektrode na kratki razdalji druga od druge. Tesno razporejeni naboji, ločeni z dielektrikom, se med seboj privlačijo in ujamejo na sponkah, sam kondenzator pa tako hrani energijo.Ko je napajanje izklopljeno, je komponenta pripravljena za sprostitev energije v vezje, za praznjenje.
Parametri in lastnosti, ki določajo zmogljivost, kakovost in dolgo življenjsko dobo:
- električna kapacitivnost;
- specifična kapacitivnost;
- strpnost;
- električna trdnost;
- intrinzična induktivnost;
- dielektrična absorpcija;
- izgube;
- stabilnost;
- zanesljivost.
Sposobnost shranjevanja naboja določa električno kapacitivnost kondenzatorja. Pri izračunu kapacitivnosti morate vedeti:
- območje navitij;
- razdalja med ploskvami;
- dielektrična prepustnost dielektričnega materiala.
Če želite povečati kapacitivnost, morate povečati površino pokrovov, zmanjšati razdaljo med njimi in uporabiti dielektrični material z visoko dielektrično konstanto.
Merska enota za kapacitivnost je Farad (F), poimenovana po angleškem fiziku Michaelu Faradayu. Vendar je 1 Farad prevelika vrednost. Na primer, kapacitivnost našega planeta je manjša od 1 Farada. V radijski elektroniki se uporabljajo manjše vrednosti: mikrofaradi (µF, milijoninka farada) in pikofaradi (pF, milijoninka mikrofarada).
Specifična kapacitivnost se izračuna iz razmerja med kapacitivnostjo in dielektrično maso (prostornino). Na to številko vplivajo geometrijske dimenzije, povečanje specifične kapacitivnosti pa se doseže z zmanjšanjem prostornine dielektrika, vendar poveča tveganje za okvaro.
Dovoljeno odstopanje vrednosti kapacitivnosti na imenski tablici od dejanske vrednosti kapacitivnosti določa razred točnosti. V skladu z GOST obstaja 5 razredov točnosti, ki določajo prihodnjo uporabo. V vezjih visoke odgovornosti se uporabljajo komponente najvišjega razreda točnosti.
Električna trdnost določa sposobnost zadrževanja naboja in ohranitve lastnosti delovanja. Naboji, ki ostanejo na tuljavah, se nagibajo drug k drugemu, kar vpliva na dielektrik.Električna trdnost je pomembna lastnost kondenzatorja, ki določa, kako dolgo bo trajal. Nepravilno delovanje bo povzročilo razpad dielektrika in okvaro komponent.
Lastna induktivnost je upoštevana v AC tokokrogih z induktivnimi tuljavami. Za tokokroge DC se ne upošteva.
Dielektrična absorpcija - pojav napetosti na tuljavah med hitrim praznjenjem. Pojav absorpcije je upoštevan za varno delovanje visokonapetostnih električnih naprav, ker je v primeru kratkega stika življenjska nevarnost.
Izgube nastanejo zaradi nizke tokovne nosilnosti dielektrika. Ko elektronske komponente delujejo pri različnih temperaturah in vlažnosti, vpliva faktor kakovosti izgub. Nanjo vpliva tudi frekvenca delovanja. Pri nizkih frekvencah vplivajo na dielektrične izgube, pri visokih frekvencah pa na kovinske izgube.
Stabilnost je parameter kondenzatorja, na katerega vpliva tudi temperatura okolja. Njegove učinke delimo na reverzibilne, ki jih označuje temperaturni koeficient, in ireverzibilne, ki jih označuje koeficient temperaturne nestabilnosti.
Zanesljivost kondenzatorja je odvisna predvsem od pogojev delovanja. Analiza napak kaže, da so okvare vzrok za okvaro v 80% primerov.
Glede na namen, vrsto in uporabo so kondenzatorji tudi različno dimenzionirani. Najmanjši in najmanjši, veliki od nekaj milimetrov do nekaj centimetrov, se uporabljajo v elektroniki, največji pa v industriji.
Namen
Lastnost shranjevanja in sproščanja energije je določila široko uporabo kondenzatorjev v sodobni elektroniki. Skupaj z upori in tranzistorji so hrbtenica elektrotehnike. Ni ene sodobne naprave, kjer se ne bi uporabljali v določeni vlogi.
Njihova sposobnost polnjenja in praznjenja se skupaj z induktivnostjo, ki ima enake lastnosti, aktivno uporablja v radijski in televizijski tehnologiji. Nihajni krog kondenzatorja in induktivnosti je osnova za prenos in sprejem signalov. Spreminjanje kapacitivnosti kondenzatorja omogoča spreminjanje frekvence nihajnega kroga. Na primer, radijske postaje lahko oddajajo na svojih frekvencah in radijski sprejemniki se lahko povežejo s temi frekvencami.
Pomembna funkcija je glajenje AC pulzacij. Vsaka elektronska naprava, ki se napaja z izmeničnim tokom, potrebuje filtrirne električne kondenzatorje za proizvodnjo enosmernega toka dobre kakovosti.
Mehanizem za polnjenje in praznjenje se aktivno uporablja v fotografski opremi. Vsi sodobni fotoaparati za fotografiranje uporabljajo bliskavico, ki se uresničuje z lastnostjo hitrega praznjenja. Na tem področju je nerentabilna uporaba baterij, ki lahko dobro hranijo energijo, vendar jo počasi oddajajo. Kondenzatorji pa v trenutku oddajo vso shranjeno energijo, kar zadostuje za svetel blisk.
Sposobnost kondenzatorjev za ustvarjanje impulzov visoke moči se uporablja pri radiolokaciji in ustvarjanju laserjev.
Kondenzatorji opravljajo vlogo kontaktov za gašenje isker v telegrafiji in telefoniji, pa tudi v telemehaniki in avtomatiki, kjer je treba preklopiti visoko obremenjene releje.
Regulacija napetosti dolgih daljnovodov se izvaja z uporabo kompenzacijskih kondenzatorjev.
Sodobni kondenzatorji se zaradi svojih zmogljivosti uporabljajo ne le na področju radijske elektronike. Uporabljajo se v predelavi kovin, rudarstvu, premogovništvu.
Glavne sorte
Zaradi raznolikosti aplikacij in pogojev delovanja elektronskih naprav obstaja velika raznolikost komponent, ki se razlikujejo po vrstah in lastnostih. Glavna delitev poteka po razredih in po vrsti uporabljenega dielektrika.
Vrste kondenzatorjev, razdeljene po razredih:
- S konstantno kapacitivnostjo;
- s spremenljivo kapacitivnostjo;
- trimerji.
V vsaki radioelektronski napravi se uporabljajo komponente s konstantno kapacitivnostjo.
Spremenljivi kondenzatorji se uporabljajo za spreminjanje kapacitivnosti in parametrov vezja, kot je frekvenca v nihajnih vezjih. V svoji konstrukciji imajo več delov kovinskih gibljivih plošč, kar zagotavlja njihovo dolgo življenjsko dobo.
Nastavitveni kondenzatorji se uporabljajo za enkratno prilagoditev opreme. Na voljo so v različnih kapacitivnostih (od nekaj pikofaradov do več sto pikofaradov) in so zasnovani za napetosti do 60 voltov. Brez njihove uporabe je fina nastavitev opreme nemogoča.
Vrste kondenzatorjev, razdeljene glede na vrsto dielektrika:
- S keramičnim dielektrikom;
- s filmskim dielektrikom;
- elektrolitsko;
- ionistorji.
Keramični kondenzatorji so izdelani v obliki majhne plošče iz keramičnega materiala, na katero so nabrizgani kovinski vodniki. Takšni kondenzatorji imajo različne lastnosti in se uporabljajo tako za visokonapetostna kot nizkonapetostna vezja.
Za nizkonapetostna vezja se najpogosteje uporabljajo večplastne majhne komponente v epoksi ali plastičnih ohišjih z zmogljivostjo od deset pikofaradov do enot mikrofaradov. Uporabljajo se v visokofrekvenčnih tokokrogih radioelektronske opreme in lahko delujejo v težkih podnebnih razmerah.
Za visokonapetostna vezja se izdelujejo keramični kondenzatorji večjih velikosti in kapacitivnosti od desetin do tisoč pikofaradov. Uporabljajo se v impulznih tokokrogih in opremi za pretvorbo napetosti.
Filmski dielektriki so različnih vrst. Najpogostejši je lavsan, ki je zelo vzdržljiv. Manj pogost je polipropilenski dielektrik, ki ima nižje izgube in se uporablja v visokonapetostnih tokokrogih, kot so avdio ojačevalci in srednjetonci.
Ločena vrsta filmskih kondenzatorjev so zagonski kondenzatorji, ki se uporabljajo pri zagonu motorjev in zaradi svoje visoke kapacitivnosti in posebnega dielektričnega materiala zmanjšajo obremenitev elektromotorja.Zanje je značilna visoka delovna napetost in električna jalova moč.
Elektrolitski kondenzatorji so izdelani v klasični izvedbi. Ohišje je izdelano iz aluminija, v notranjosti pa so kovinski pokrovi. Eden od pokrovov je kemično prevlečen s kovinskim oksidom, drugi pa je prevlečen s tekočim ali trdnim elektrolitom, da tvori dielektrik. Zaradi te konstrukcije imajo elektrolitski kondenzatorji visoko kapacitivnost, vendar je posebnost njihove uporabe skozi čas njena sprememba.
V nasprotju s keramičnimi in filmskimi kondenzatorji imajo elektrolitski kondenzatorji polarnost. Ti pa so razdeljeni na nepolarne, brez te pomanjkljivosti, radialne, miniaturne, aksialne. Njihovo področje uporabe je tradicionalna računalniška in sodobna mikroračunalniška tehnologija.
Posebna vrsta, ki se je pojavila relativno nedavno, so ionistorji. Njihova zgradba je podobna elektrolitskim kondenzatorjem, vendar imajo visoko kapaciteto (do nekaj faradov). Vendar je njihova uporaba omejena z majhno največjo napetostjo nekaj voltov. Ionistorji se uporabljajo za shranjevanje pomnilnika: če se baterija v mobilnem telefonu ali miniaturnem računalniku izprazni, shranjene informacije ne bodo nepovratno izgubljene.
Poleg pin komponent, ki so se pojavile že davno in so se tradicionalno uporabljale, obstajajo sodobne komponente v izvedbi SMD ali, kot se imenuje tudi, za površinsko montažo. Na primer, keramični kondenzatorji so lahko na voljo v različnih velikostih, od najmanjših (1 mm x 0,5 mm) do največjih (5,7 mm x 5 mm) in z ustreznimi napetostmi od desetin voltov do stotin voltov.
Elektrolitske kondenzatorje je mogoče izdelati tudi v paketih za površinsko montažo. To so lahko standardni aluminijasti elektrolitski kondenzatorji ali pa tantalovi kondenzatorji, ki po videzu nekoliko spominjajo na keramične kondenzatorje, vendar se od njih razlikujejo po večji kapacitivnosti in manjših izgubah. Na voljo so v izvedbah SMD brez svinca in brez svinca.
Za tantalove kondenzatorje je značilna dolga življenjska doba in minimalne izgube z nekoliko nižjo mejo kapacitete, a so tudi zelo dragi. Uporabljajo se v tokokrogih z visoko odgovornostjo, kjer je potrebna velika kapacitivnost.
Povezani članki:
