Kondensator elektryczny jest jednym z elementów obwodu elektrycznego dowolnego urządzenia elektronicznego, którego główną funkcją jest magazynowanie energii, a następnie zwracanie jej z powrotem do obwodu. Przemysł oferuje szeroką gamę kondensatorów, różniących się typami, pojemnościami, rozmiarami, zastosowaniami.
Zasada działania i charakterystyka kondensatorów
Urządzenie kondensatora składa się z dwóch metalowych płytek oddzielonych cienką warstwą dielektryka. Stosunek rozmiarów i rozmieszczenia płytek oraz charakterystyka materiału dielektrycznego określa wskaźnik pojemności.
Rozwój konstrukcji dowolnego typu kondensatora ma na celu uzyskanie maksymalnej pojemności w oparciu o minimalne wymiary, aby zaoszczędzić miejsce na płytce drukowanej urządzenia. Jedną z najpopularniejszych form w wyglądzie jest beczka, wewnątrz której metalowe płytki są skręcone z dielektrykiem między nimi.Pierwszy kondensator, wynaleziony w mieście Leiden (Holandia) w 1745 roku, nosił nazwę „słoik Leiden”.
Zasada działania elementu to możliwość ładowania i rozładowania. Ładowanie jest możliwe dzięki obecności płytek w niewielkiej odległości od siebie. Pobliskie ładunki, oddzielone dielektrykiem, przyciągają się do siebie i pozostają na płytkach, dzięki czemu sam kondensator magazynuje energię. Po odłączeniu źródła zasilania, element jest gotowy do zwrotu energii w obwodzie, rozładowania.
Parametry i właściwości decydujące o wydajności, jakości i trwałości pracy:
- pojemność elektryczna;
- pojemność właściwa;
- dopuszczalne odchylenie;
- siła elektryczna;
- indukcyjność własna;
- absorpcja dielektryczna;
- straty;
- stabilność;
- niezawodność.
Zdolność do przechowywania ładunku określa pojemność kondensatora. Obliczając pojemność, musisz wiedzieć:
- obszar pokrycia;
- odległość między płytami;
- stała dielektryczna materiału dielektrycznego.
Aby zwiększyć pojemność, konieczne jest zwiększenie powierzchni płytek, zmniejszenie odległości między nimi i zastosowanie dielektryka, którego materiał ma wysoką stałą dielektryczną.
Farad (F) jest używany do oznaczenia pojemności - jednostki miary, która ma swoją nazwę na cześć angielskiego fizyka Michaela Faradaya. Jednak 1 Farad jest za duży. Na przykład pojemność naszej planety jest mniejsza niż 1 farad. W radioelektronice stosuje się mniejsze wartości: mikrofarad (µF, milionowa część farada) i pikofarad (pF, milionowa część mikrofarada).
Pojemność właściwa jest obliczana ze stosunku pojemności do masy (objętości) dielektryka.Na ten wskaźnik wpływają wymiary geometryczne, a wzrost pojemności właściwej osiąga się poprzez zmniejszenie objętości dielektryka, ale zwiększa to ryzyko awarii.
Dopuszczalne odchylenie wartości paszportowej pojemności od rzeczywistej określa klasę dokładności. Według GOST istnieje 5 klas dokładności, które określają przyszłe użycie. W obwodach o wysokiej odpowiedzialności stosowane są komponenty o najwyższej klasie dokładności.
Wytrzymałość dielektryczna określa zdolność do utrzymywania ładunku i zachowania właściwości roboczych. Ładunki pozostałe na płytach mają tendencję do wzajemnego oddziaływania na dielektryk. Wytrzymałość elektryczna jest ważną właściwością kondensatora, która decyduje o czasie jego użytkowania. W przypadku nieprawidłowego działania nastąpi awaria dielektryka i podzespół ulegnie awarii.
Indukcyjność własna jest brana pod uwagę w obwodach prądu przemiennego z cewkami indukcyjnymi. W przypadku obwodów prądu stałego nie jest to brane pod uwagę.
Absorpcja dielektryczna - pojawienie się napięcia na płytkach podczas szybkiego rozładowania. Zjawisko absorpcji jest brane pod uwagę dla bezpiecznej pracy urządzeń elektrycznych wysokiego napięcia, ponieważ w przypadku zwarcia istnieje zagrożenie życia.
Straty spowodowane są niskim prądem przepuszczania dielektryka. Przy eksploatacji elementów urządzeń elektronicznych w różnych warunkach temperaturowych i różnej wilgotności wpływ ma współczynnik jakości strat. Wpływa na to również częstotliwość robocza. Przy niskich częstotliwościach straty w dielektryku, przy wysokich – w metalu.
Stabilność to parametr kondensatora, na który wpływa również temperatura otoczenia.Jego skutki dzielą się na odwracalne, charakteryzujące się współczynnikiem temperaturowym oraz nieodwracalne, charakteryzujące się współczynnikiem niestabilności temperaturowej.
Niezawodność kondensatora zależy przede wszystkim od warunków pracy. Analiza awarii wskazuje, że w 80% przypadków przyczyną awarii jest awaria.
W zależności od przeznaczenia, rodzaju i zakresu zastosowania różnią się również rozmiary kondensatorów. Najmniejsze i najmniejsze, o rozmiarach od kilku milimetrów do kilku centymetrów, stosowane są w elektronice, a największe w przemyśle.
Zamiar
Właściwość magazynowania i uwalniania energii zdeterminowała szerokie zastosowanie kondensatorów we współczesnej elektronice. Wraz z rezystorami i tranzystorami stanowią podstawę elektrotechniki. Nie ma ani jednego nowoczesnego urządzenia, w którym nie byłyby one używane w jakimś stopniu.
Ich zdolność do ładowania i rozładowywania wraz z indukcyjnością o tych samych właściwościach jest aktywnie wykorzystywana w technologii radiowej i telewizyjnej. Podstawą do nadawania i odbierania sygnałów jest obwód oscylacyjny kondensatora i indukcyjności. Zmiana pojemności kondensatora pozwala na zmianę częstotliwości obwodu oscylacyjnego. Na przykład stacje radiowe mogą nadawać na własnych częstotliwościach, a radia mogą łączyć się z tymi częstotliwościami.
Ważną funkcją jest wygładzanie tętnień AC. Każde urządzenie elektroniczne zasilane prądem przemiennym wymaga filtrowania kondensatorów elektrycznych, aby wytworzyć dobrej jakości prąd stały.
Mechanizm ładowania i rozładowywania jest aktywnie wykorzystywany w sprzęcie fotograficznym.Wszystkie nowoczesne aparaty fotograficzne wykorzystują do fotografowania lampę błyskową, co jest realizowane dzięki właściwości szybkiego rozładowania. W tym obszarze nieopłacalne jest stosowanie baterii, które dobrze przechowują energię, ale powoli ją uwalniają. Wręcz przeciwnie, kondensatory natychmiast uwalniają całą zmagazynowaną energię, co wystarcza na jasny błysk.
Zdolność do generowania impulsów o dużej mocy przez kondensatory jest wykorzystywana w radarach i tworzeniu laserów.
Kondensatory pełnią rolę styków gaszących iskry w telegrafii i telefonii oraz telemechanice i automatyce, gdzie konieczne jest przełączanie wysoko obciążonych przekaźników.
Regulacja napięcia długich linii elektroenergetycznych realizowana jest poprzez zastosowanie zbiorników kompensacyjnych.
Nowoczesne kondensatory ze względu na swoje możliwości znajdują zastosowanie nie tylko w dziedzinie elektroniki radiowej. Znajdują zastosowanie w obróbce metali, górnictwie, przemyśle węglowym.
Główne odmiany
Ze względu na różnorodność zastosowań i warunków pracy urządzeń elektronicznych istnieje wiele różnych komponentów różniących się rodzajem i charakterystyką. Główny podział jest według klasy i rodzaju użytego dielektryka.
Rodzaje kondensatorów z podziałem na klasy:
- o stałej pojemności;
- o zmiennej pojemności;
- strojenie.
W każdym urządzeniu elektronicznym stosowane są elementy o stałej pojemności.
Aby zmienić pojemność i parametry obwodu, na przykład częstotliwość w obwodach oscylacyjnych, stosuje się kondensatory o zmiennej pojemności.W swoim urządzeniu posiadają kilka sekcji metalowych ruchomych płyt, co zapewnia trwałość ich pracy.
Kondensatory trymera służą do jednorazowej regulacji sprzętu. Są one dostępne w różnych pojemnościach (od kilku pikofaradów do kilkuset pikofaradów) i są przystosowane do napięć do 60 woltów. Bez ich użycia niemożliwe jest dostrojenie sprzętu.
Rodzaje kondensatorów podzielone według rodzaju dielektryka:
- z ceramicznym dielektrykiem;
- z dielektrykiem folii;
- elektrolityczny;
- jonizatory.
Ceramiczne wykonane są w postaci niewielkiej płytki z materiału ceramicznego, na którą napylane są metalowe wyprowadzenia. Takie kondensatory mają różne właściwości i są stosowane zarówno w obwodach wysokiego, jak i niskiego napięcia.
W przypadku obwodów niskiego napięcia najczęściej stosuje się wielowarstwowe elementy o małych rozmiarach w obudowach z żywicy epoksydowej lub tworzyw sztucznych o pojemności od kilkudziesięciu pikofaradów do jednostek mikrofaradów. Stosowane są w obwodach wysokiej częstotliwości sprzętu radioelektronicznego i mogą pracować w trudnych warunkach klimatycznych.
W przypadku obwodów wysokiego napięcia wykonuje się większe kondensatory ceramiczne o pojemności od dziesiątek pikofaradów do tysięcy pikofaradów. Stosowane są w obwodach impulsowych i urządzeniach do konwersji napięcia.
Dielektryk folii jest różnych typów. Najczęstszym z nich jest lavsan, który ma wysoką wytrzymałość. Mniej powszechny jest dielektryk polipropylenowy, który ma mniejsze straty i jest stosowany w obwodach wysokiego napięcia, takich jak obwody wzmacniające dźwięk i obwody średniej częstotliwości.
Odrębnym rodzajem kondensatorów foliowych są kondensatory rozruchowe, które stosowane są w momencie rozruchu silników, a dzięki dużej pojemności i specjalnemu materiałowi dielektrycznemu zmniejszają obciążenie silnika elektrycznego. Charakteryzują się wysokim napięciem roboczym i elektryczną mocą bierną.
Kondensatory elektrolityczne wykonane są w klasycznej konstrukcji. Korpus wykonany jest z aluminium, wewnątrz znajdują się walcowane blachy. Tlenek metalu jest chemicznie osadzany na jednej płycie, a ciekły lub stały elektrolit jest osadzany na drugiej, tworząc dielektryk. Dzięki takiemu urządzeniu kondensatory elektrolityczne mają dużą pojemność, ale osobliwością ich zastosowania z biegiem czasu jest jego zmiana.
W przeciwieństwie do kondensatorów ceramicznych i foliowych, kondensatory elektrolityczne mają polaryzację. Te z kolei dzielą się na niepolarne, pozbawione tej wady, promieniowe, miniaturowe, osiowe. Zakres ich zastosowania to tradycyjna technologia komputerowa oraz nowoczesna technologia mikrokomputerowa.
Szczególnym typem, który pojawił się stosunkowo niedawno, są jonizatory. W swojej konstrukcji są podobne do kondensatorów elektrolitycznych, ale wyróżnia je duża pojemność (do jednostek Farada). Jednak ich użycie jest ograniczone do małego napięcia maksymalnego wynoszącego kilka woltów. Superkondensatory służą do przechowywania pamięci: jeśli bateria w telefonie komórkowym lub miniaturowym komputerze wyczerpie się, przechowywane informacje nie zostaną bezpowrotnie utracone.
Oprócz elementów w wersji wyjściowej, które pojawiły się dawno temu i które były tradycyjnie stosowane, nowoczesne elementy produkowane są w wersji SMD, czyli jak to się nazywa, do montażu natynkowego. Na przykład ceramika może być produkowana w różnych rozmiarach skrzynek, od najmniejszych (1 mm na 0,5 mm) do największych (5,7 mm na 5 mm) i przy odpowiednich napięciach od kilkudziesięciu woltów do setek.
Kondensatory elektrolityczne mogą być również produkowane w pakietach do montażu powierzchniowego. Mogą to być standardowe aluminiowe kondensatory elektrolityczne lub mogą to być kondensatory tantalowe, które wyglądają trochę jak ceramiczne, ale różnią się od nich większą pojemnością i niskimi stratami. Mogą być zarówno przypięte, jak i nieprzypięte SMD.
Cechą kondensatorów tantalowych jest długa żywotność i minimalne straty przy nieco niższej granicy pojemności, ale jednocześnie wyróżniają się wysoką ceną. Stosowane są w obwodach o dużej odpowiedzialności, gdzie wymagana jest duża pojemność.
Podobne artykuły:
