Download
1 / 49
610 likes | 1.7k Views
Kondensatory. Autor: Len Kaganime. Kondensator. Kondensator jest to układ dwóch przewodników przedzielonych dielektrykiem, na których zgromadzone są ładunki elektryczne jednakowej wartości ale o przeciwnych znakach. Budowa. Najprostsze kondensatory zbudowane są z dwóch
E N D
Kondensatory Autor: Len Kaganime
Kondensator Kondensator jest to układ dwóch przewodników przedzielonych dielektrykiem, na których zgromadzone są ładunki elektryczne jednakowej wartości ale o przeciwnych znakach.
Budowa Najprostsze kondensatory zbudowane są z dwóch płytek metalowych, między którymi znajduje się np. powietrze, materiał ceramiczny, papier impregnowany dielektrykiem. Te płytki nazywa się okładkami kondensatora.
Działanie I Doprowadzenie napięcia do okładek kondensatora powoduje zgromadzenie się na nich ładunku elektrycznego. Po odłączeniu od źródła napięcia ładunki utrzymują się na okładkach siłami przyciągania elektrostatycznego. Ładunki równe są co do wartości bezwzględnej, lecz o przeciwnych znakach. Doprowadzenie napięcia stałego U do końcówek kondensatora o pojemności C powoduje zgromadzenie w nim ładunku: Q =C * U
Działanie II W tym obwodzie kondensator połączony jest z baterią i żarówką. Zakładając że kondensator jest w miarę duży, po podłączeniu baterii żarówka się zaświeci ponieważ prąd zacznie przepływać przez nią do kondensatora. Żarówka stopniowo będzie przygasać aż zgaśnie, w momencie kiedy kondensator się naładuje. Jeśli zamiast baterii podłączymy kabel, prąd zacznie płynąć od plusowej okładki do minusowej, więc początkowo żarówka się zaświeci a następnie będzie przygasać w miarę rozładowywania się kondensatora.
Historia Pierwszy kondensator został skonstruowany w 1746 roku w laboratorium Uniwersytetu w Lejdzie. Został on wykonany z butli zawierającej wodę, która była połączona drutem z maszyną elektrostatyczną. Po pewnym czasie pracy maszyny zgromadził się bardzo duży ładunek. Tak, więc pierwszy kondensator nosił nazwę "butelka lejdejowska".
Jednostki Jednostką pojemności jest farad, który ma wymiar. Pojemność 1 farada posiada kondensator, w którym ładunek 1 Coulomba powoduje powstanie napięcia 1 volta. Jeden farad to bardzo duża jednostka, dlatego w praktyce spotyka się kondensatory o pojemnościach piko-, nano-, mikro- i milifaradów.
Parametry I • Parametry kondensatora Podstawowymi parametrami kondensatora są pojemność znamionowa wraz z tolerancją oraz napięcie znamionowe i stratność dielektryczna (tangens kąta strat d). Do ważniejszych parametrów kondensatora zalicza się napięcie probiercze, dopuszczalne napięcie przemienne, rezystancję izolacji, temperaturowy współczynnik pojemności, kategorię klimatyczną i rozmiary. W niektórych zastosowaniach istotne znaczenie mają również takie parametry jak: temperaturowa stałość pojemności, moc znamionowa, częstotliwość maksymalna (graniczna), dopuszczalne obciążenie impulsowe itp.
Parametry II Pojemność elektryczna – zdolność kondensatora do gromadzenia ładunku. Pojemność kondensatora określają przenikalność elektryczna, oraz rozmiary (grubość i powierzchnia) materiału dielektrycznego wypełniającego przestrzeń między elektrodami przewodzącymi. Gdzie: C – pojemność, w faradach Q – ładunek zgromadzony na jednej okładce, w kulombach U – napięcie elektryczne między okładkami, w woltach.
Parametry III Jak łatwo zauważyć pomiędzy okładkami naładowanego kondensatora powstaje jednorodne pole elektryczne, którego natężenie zależy od różnicy potencjałów i odległości między okładkami: E = ΔV / d E - natężenie pola elektrycznegoΔV - różnica potencjałówd - odległość między okładkami
Parametry IV • Pojemność znamionowa Cn kondensatora jest to wartość pojemności założona przy wytwarzaniu kondensatora, która z uwzględnieniem tolerancji podawana jest jako jego cecha. W określonych warunkach różnica między pojemnością rzeczywistą a znamionową kondensatora, tj. odchyłka pojemności, nie może być większa niż wartość wynikająca z tolerancji. Wartości pojemności znamionowej tworzą ciągi liczb, które oznacza się symbolami E3, E6, El 2, E24 itd. • Tolerancja pojemności podawana w procentach możliwa odchyłka rzeczywistej wartości opornika od jego wartości nominalnej
Parametry V • Napięcie znamionowe Un kondensatora jest to wartość napięcia stałego (dla niektórych kondensatorów wartość napięcia przemiennego o określonej częstotliwości, zwykle 50 Hz), które może być długotrwale doprowadzone do kondensatora nie powodując jego uszkodzenia ani jakiejkolwiek trwałej zmiany jego parametrów. Wartości napięcia znamionowego są znormalizowane, są to więc np. wartości 25V, 63V, 100V, 160V, 250V itd. Przez określony czas (zwykle l minutę) kondensator powinien także bez żadnej szkody wytrzymać napięcie o większej wartości, nazywane napięciem probierczym równym, w zależności od typu kondensatora, 1,4-2,5 Un. Wartość obu tych napięć zależy również od warunków pracy kondensatora, tj. rodzaju doprowadzonego napięcia (stałe, przemienne, impulsowe) oraz temperatury otoczenia, przy czym zmniejsza się ona ze wzrostem zarówno częstotliwości jak i temperatury. Jeżeli do kondensatora jest doprowadzone napięcie zmienne, to w pierwszym przybliżeniu można przyjąć warunek, aby suma składowej stałej i składowej przemiennej nie przekraczała wartości napięcia znamionowego określonego dla przebiegu prądu stałego (zalecenia szczegółowe dla danego kondensatora są podawane w warunkach technicznych.)
Parametry VI • Stratność kondensatora, tj. jednostkowe straty energii wynikające z pracy kondensatora przy napięciu przemiennym, charakteryzuje tangens kata strat (czyli tg). Straty kondensatora są zazwyczaj większe niż straty samego dielektryka ze względu na występowanie również strat w elektrodach i doprowadzeniach. Wartość strat zależy od częstotliwości i temperatury, przy czym przebieg tej zależności jest złożoną funkcją polaryzacji dielektryka oraz rezystancji kondensatora. W katalogach wartość tg d podaje się dla ściśle określonej częstotliwości pomiarowej, zwykle l kHz lub l MHz (dla kondensatorów elektrolitycznych — 100 Hz).
Parametry VII • Kondensator dla prądu stałego stanowi element charakteryzujący się pewną rezystancją nazywaną rezystancją izolacji, która zależy przede wszystkim od rodzaju dielektryka, a także konstrukcji i pojemności kondensatora. Dla kondensatorów stałych o niezbyt dużej pojemności (Cn < 0,1 mF) znaczący wpływ na rezystancję izolacji ma materiał obudowy (sposób izolacji). W kondensatorach o większej pojemności (Cn > 0,1 mF), ze względu na coraz silniej uwidaczniającą się zależność od Cn (rozmiary dielektryka), bardziej reprezentatywnym parametrem jest iloczyn rezystancji izolacji i pojemności, określający tzw. stałą czasową kondensatora t. Szczególnie duże wartości rezystancji izolacji mają kondensatory polistyrenowe i polipropylenowe. Dla kondensatorów elektrolitycznych zamiast wartości rezystancji izolacji podaje się wartość tzw. prądu upływu Iu .
Parametry VIII Do ważniejszych parametrów kondensatora zalicza się m.in. : • napięcie nominalne Suma napięć stałych i zmiennych na zaciskach kondensatora w żadnym momencie nie powinna przekroczyć jego napięcia nominalnego. Wartość tego napięcia zależy od wielu czynników m. in. od wytrzymałości elektrycznej dielektryka, jego grubości, odległości między elektrodami i wyprowadzeniami, rodzaju obudowy. • odporność na napięcia impulsowe Określa częstotliwość z jaką kondensator może być ładowany lub rozładowywany • temperaturowy współczynnik pojemności współczynnik określający zmiany rezystancji pod wpływem zmian temperatury opornika, wartość współczynnika podaje się w %/K, ppm/K lub 10-6/K
Kondensatory stałe • Kondensatory stałe mają właściwości zależne przede wszystkim od rodzaju zastosowanego dielektryka oraz konstrukcji i technologu wytwarzania. Dlatego też, omawiając właściwości kondensatorów stałych, jest najdogodniej korzystać z klasyfikacji dokonanej ze względu na cechy materiałowo-konstrukcyjne.
Przykłady Przykłady konstrukcji kondensatorów stałych Kondensator zwijkowy Kondensator wielowarstwowy Kondensator płytkowy Kondensator rurkowy Kondensator SDM do montażu powierzchniowego
Kondensatory Tworzywowe Kondensatory Tworzywowe mają dielektryk wykonany z folii z tworzywa sztucznego najczęściej polistyrenu, poliestru lub polipropylenu, rzadziej poliwęglanu lub teflonu. Okładziny (elektrody) kondensatora są wykonywane zazwyczaj z cienkiej folii aluminiowej, niekiedy cynowej (kondensatory foliowe), bądź stanowi je cienka warstwa aluminium naniesiona próżniowo na folię dielektryczną jedno- lub dwustronnie (kondensatory metalizowane). Całość (dielektryk wraz z elektrodami) jest zwijana (kondensatory zwijkowe) lub układana w warstwy (kondensatory wielowarstwowe). Obudowę stanowi zwykle tworzywo sztuczne w postaci taśmy klejącej lub kubka (niekiedy stosuje się kubek metalowy, np. aluminiowy lub stalowy) uszczelniane żywicą fenolową lub epoksydową.
Kondensator Polistyrenowy Kondensatory polistyrenowe wyróżniają się dużą stabilnością, dużą rezystancją izolacji, małym tangensem kąta strat, małym (a przy tym stałym) ujemnym temperaturowym współczynnikiem pojemności oraz możliwością uzyskania wąskich tolerancji pojemności. W pewnym stopniu wadą tych kondensatorów jest dość niska górna dopuszczalna temperatura pracy ( +70°C). Są przeznaczone do pracy w urządzeniach profesjonalnych i powszechnego użytku, . (przy wykonaniu tzw. bezindukcyjnym, charakteryzującym się tym, że wyprowadzenia są przylutowane do całej powierzchni występujących części elektrod). Kondensatory te stosowane są między innymi w bardzo odpowiedzialnych miejscach obwodów elektrycznych np. w filtrach.
Kondensatory poliestrowe i polipropylenowe Kondensatory poliestrowe i polipropylenowe, w porównaniu z kondensatorami polistyrenowymi, są mniej stabilne i mają większą stratność, ale szerszy zakres temperatury pracy (-55 ¸ +85 °C) oraz zdolność do samoregeneracji, gdy są metalizowane. Kondensatory poliestrowe są przeznaczone do pracy przede wszystkim w obwodach prądu stałego (mogą pracować w obwodach prądu przemiennego, lecz przy napięciu znacznie niższym od napięcia znamionowego i malejącym ze wzrostem częstotliwości). Kondensatory polipropylenowe stosuje się w układach impulsowych (np. półprzewodnikowych układach odchylania odbiorników telewizyjnych) oraz układach prądu przemiennego (np. układach lamp wyładowczych i jednofazowych silnikach elektrycznych malej mocy). Kondensatory prądu przemiennego bardzo często wykonuje się z dielektrykiem uwarstwionym (podwójnym) złożonym z folii polipropylenowej i bibułki kondensatorowej (kondensatory polipropylenowo-papierowe).
Kondensatory ceramiczne Produkowane z jednej lub z wielu płytek ceramicznych z nałożoną elektrodą metalową. W ich obrębie wyróżnia się kondensatory płytkowe („single plate”) -z pojedynczą warstwą dielektryka, oraz kondensatory wielowarstwowe (monolityczne) -zbudowane z wielu warstw dielektryka. Właściwości kondensatorów ceramicznych w istotny sposób zależą od rodzaju dielektryka. Zazwyczaj wyróżnia się dwie podstawowe grupy tych kondensatorów, różniące się zasadniczo właściwościami, a w wyniku tego i przeznaczeniem: typ 1 i typ 2.
Kondensatory ceramiczne typ 1 Kondensatory typu 1, charakteryzują się małą stratnością oraz liniową zależnością pojemności w funkcji temperatury (przy normalizowanym temperaturowym współczynniku pojemności), zwykle przeznaczone do pracy w obwodach rezonansowych jako kondensatory kompensacyjne. Zakres ich pojemności jest jednak mocno ograniczony do co najwyżej kilkunastu nanofaradów.
Kondensatory ceramiczne typ 2 Kondensatory typu 2 (ferroelektryczne), charakteryzujące się dużą stratnością oraz silnie nieliniową zależnością pojemności od temperatury i napięcia, najczęściej stosowane jako kondensatory sprzęgające, blokujące itp Mają znaczną pojemność przy stosunkowo niewielkiej objętości, co jednak okupione jest pogorszeniem wielu parametrów.
Kondensatory mikowe • Kondensatory mikowe mimo wielu znakomitych właściwości (m.in. dużej stałości pojemności w czasie, ściśle określonego temperaturowego współczynnika pojemności) — są powoli wycofywane z produkcji ze względów materiałowo-technologicznych. Kondensatory mikowe zbudowane są podobnie jak ceramiczne kondensatory wielowarstwowe, ale ponieważ nie podlegają wygrzewaniu w wysokich temperaturach, elektrody można wykonać ze srebra. Mika jest minerałem wydobywanym w kopalniach indyjskich, gdzie jego jakość jest szczególnie wysoka. Jest to minerał twardy i odporny, charakteryzujący się tym, ze rozdziela się na cienkie płytki, które można wyposażyć w elektrody. Właściwości elektryczne np. rezystancja izolacji, stratność i stabilność są doskonale i całkowicie porównywalne z najlepszymi tworzywami sztucznymi i ceramika. Kondensatory mikowe są jednak względnie duże i drogie, co powoduje, ze w znacznym stopniu zastępowane są miedzy innymi, przez kondensatory polipropylenowe. Stosuje się je często w układach wielkiej częstotliwości, gdzie wymagane są nie tylko niskie straty, ale również wysoka stabilność częstotliwości i temperatury. Produkowane są o wartościach pojemności od 1pF do 0,1 mF
Inne rodzaje kondensatorów • Niekiedy wyróżnia się jeszcze jedną grupę kondensatorów ceramicznych, tj.kondensatory typu 3, charakteryzujące się dużą pojemnością jednostkową, przy jednak znacznie gorszych pozostałych parametrach. Kondensatory ceramiczne są wykonywane jako płytkowe, rurkowe (w tym przepustowe), foliowe i monolityczne. Szczególnie korzystne cechy (dużą pojemność jednostkową, dużą niezawodność) mają kondensatory monolityczne. Są one wykonywane przez spieczenie sprasowanego pakietu wielu warstw bardzo cienkiej folii ceramicznej z naniesionymi na nich elektrodami metalowymi. • Kondensatory papierowe Kondensatory z dielektrykiem papierowym są stosowane od wielu lat, jednak obecnie ich znaczenie maleje — najczęściej znajdują zastosowanie jako elementy przeciwzakłóceniowe.
Kondensatorem elektrolitycznym nazywa się kondensator, którego jedna z elektrod, tzw. anoda, jest wykonana z metalu (aluminium lub tantal) i pokryta cienką warstwą tlenku, drugą zaś elektrodę, tzw. katodę, stanowi elektrolit i stykające się z nim wyprowadzenie metalowe.. Kondensatory elektrolityczne I Schemat budowy kondensatora elektrolitycznego i symbole: a) biegunowego; b)niebiegunowego; l - anoda; 2 - tlenek; 3 - elektrolit; 4 - katoda
Kondensatory elektrolityczne II Cechą właściwą kondensatora o takiej konstrukcji jest ściśle określona biegunowość napięcia doprowadzonego do jego końcówek - w związku z tym nazywa się go kondensatorem elektrolitycznym biegunowym. Podanie napięcia o biegunowości odwrotnej niż wymagana wywołuje procesy elektrochemiczne, prowadzące do intensywnego wydzielania gazów oraz ciepła i w wyniku, na ogół w krótkim czasie, zniszczenie kondensatora. Kondensatory elektrolityczne biegunowe są przeznaczone do pracy w obwodach napięcia stałego lub pulsującego (wolno-zmiennego), przy czym amplituda napięcia przemiennego nie może przewyższać napięcia stałego, suma zaś tych napięć - napięcia znamionowego kondensatora. Kondensatory elektrolityczne niebiegunowe wytwarza się, składając je z dwóch elektrod „anodowych" Taki kondensator może pracować zarówno w obwodzie prądu stałego (przy dowolnej biegunowości napięcia stałego), jak i w obwodzie prądu przemiennego. Jednak przy pracy ciągłej w obwodzie prądu przemiennego amplituda napięcia przemiennego musi być znacznie (wielokrotnie) mniejsza niż napięcie znamionowe (stałe) kondensatora. Większe wartości napięć przemiennych (lecz nie przekraczające napięcia znamionowego) mogą być doprowadzane do kondensatora jedynie w sposób okresowo przerywany
Przekrój kondensatora elektrolitycznego aluminiowego Elektrodę dodatnią (anoda) stanowi aluminiowa okładzina o chropowatej, szorstkiej powierzchni, uzyskiwanej w wyniku trawienia chemicznego. Dzięki temu rzeczywista powierzchnia dodatniej elektrody jest znacznie większa niż wynikałoby to z wymiarów folii .Elektrodą ujemną (katoda) jest tak naprawdę elektrolit, pozwala to wykorzystać zalety chropowatej powierzchni anody. Izolatorem jest warstwa tlenku glinu (Al2O3) o grubości (d) znacznie mniejszej niż 1 um oraz o dużej wartości stałej dielektrycznej (ε).
Kondensator elektrolityczny tantalowy W kondensatorach elektrolitycznych tantalowych anoda wykonana jest ze spiekanego proszku tantalowego. W wyniku spiekania otrzymuje się strukturę porowatą, przypominającą gąbkę .Izolatorem jest warstewka tlenku tantalu Ta2O5. Najczęściej spotyka się tzw. „tantale suche” w których elektrolitem jest MnO2.Podobnie jak elektrolity aluminiowe, powinny być one polaryzowane napięciem o określonej biegunowości. Upływność kondensatorów tantalowych jest mniejsza niż aluminiowych a prądy upływu nie zmieniają się nawet po kilkuletnim okresie składowania bez napięcia. Produkowane są również kondensatory elektrolityczne bipolarne (niebiegunowe), jednakże w porównaniu z typowymi elektrolitami mają zdecydowanie większe prądy upływu oraz przy danych wymiarach, dwukrotnie mniejszą pojemność.
Krótkie porównanie typów Poniższy wykres prezentuje zakresy pojemności produkowanych kondensatorów:
Kondensatorem zmiennym nazywa się kondensator, którego pojemność może być zmieniana w sposób ciągły w określonym zakresie. Na rysunku przedstawiono schematycznie budowę kondensatora zmiennego (nastawnego), zwanego ze względu na swoją budowę kondensatorem obrotowym (pojemność tego kondensatora zmienia się bowiem w wyniku zmiany wzajemnego położenia elektrod w ruchu obrotowym). Ponieważ kondensatory nastawne są najpowszechniejszym rodzajem kondensatorów zmiennych, to zazwyczaj w praktyce obie nazwy są traktowane zamiennie Kondensatory zmienne Kondensator nastawny obrotowy: a) schematyczna konstrukcja; b) charakterystyka pojemności
Zastosowanie I • Kondensator wraz z rezystorem jest jednym z podstawowych elektronicznych elementów pasywnych. Służy do gromadzenia ładunku elektrycznego. Wykorzystywany we wszystkich typach układów. Połączony z cewką tworzy obwód rezonansowy. W niektórych podzespołach komputerowych wykorzystywane są kondensatory elektrolityczne niskoimpendancyjne, Kondensatory tezazwyczaj przeznaczone są do pracy w częstotliwościach 100 kHz, a oznaczone jako low impedance mogą być stosowane w zakresie częstotliwości audio. Idealny Kondensator elektrolityczny nie posiada żadnej rezystancji, jedynie pojemność. Jednak w układach rzeczywistych materiał, z którego zbudowano kondensator posiada skończony opór. Kondensatory elektrolityczne mają niski opór (ściślej impedancję) i dzięki temu m.in. mniej się nagrzewają i nie wprowadzają do układu zbędnej, nadmiernej rezystancji (oporności). Kondensatory mają też zastosowanie w sieciach elektroenergetycznych do kompensacji mocy biernej (poprawy współczynnika mocy).
Zestawienie kondensatorów z tworzyw sztucznych Temperaturowy współczynnik pojemności
Oznaczenia I Oznaczenia kondensatorów. Wartość pojemności i dopuszczalnego napięcia pracy jest oznakowana na każdym kondensatorze bądź w postaci opisu cyfrowego bądź też za pomocą kodu paskowego. W pierwszym przypadku stosuje się nadruk liczbowy wraz z jednostkami, np. 10m /16 V. Zwykle w oznaczeniu jednostki pomija się literę F. W drugim przypadku stosuję się kod paskowy naniesiony na kondensatorze . Kondensator może być oznaczony trzema, czterema lub pięcioma paskami.
Superkondensatory I Superkondensator lub ultrakondensator jest rodzajem kondensatora elektrolitycznego, który z uwagi na sposób konstrukcji wykazuje niezwykle dużą pojemność elektryczną (rzędu kilku tysięcy faradów) w porównaniu do klasycznych kondensatorów elektrolitycznych dużej pojemności. Największą zaletą superkondensatorów jest bardzo krótki czas ładowania w porównaniu z innymi urządzeniami do przechowywania energii (np. akumulatorami). Dlatego też, superkondensatory są coraz częściej stosowane równolegle z innymi źródłami energii, np. ogniwami paliwowymi, w celu krótkotrwałego dostarczania mocy szczytowej, co pozwala na znaczne zmniejszenie rozmiarów całego układu. Próby z takimi rozwiązaniami są przeprowadzane m.in. w prototypach samochodów hybrydowych lub do wspomagania zasilania robotów. Supekondensatory stosowane są również jako źródła zasilania ciągłego w urządzeniach o niewielkiej mocy: pamięciach komputerowych, elektrycznych szczoteczkach do zębów, itp.
