Kondensatory

Niektóre kondensatory wygładzają kształt przebiegu prądu. Inne przepuszczają sygnały i sprzęgają je ze sobą. Specjalne kondensatory o zmiennej pojemności służą do przestrajania radia i wyszukiwania stacji

Kondensator to układ dwóch przewodników (elektrody, opłatki, okładziny) przedzielonych dielektrykiem (materiałem izolacyjnym).

Jeżeli do kondensatora doprowadzimy napięcie zasilające (U) to na jego okładkach gromadzi się ładunek równy, co do wartości, lecz przeciwnego znaku. Proces gromadzenia ładunku nazywamy ładowaniem kondensatora. Trwa on do chwili, gdy napięcie miedzy okładkami osiągnie wartość napięcia zasilającego. Ładunek jednej elektrody nazywamy, ładunkiem kondensatora, a zdolność kondensatora do gromadzenia ładunku nazywamy pojemnością kondensatora C, która wyrażamy jako stosunek ładunku zgromadzonego w kondensatorze do napięcia, przy którym został zgromadzony. Czyli C=Q/U. Jednostka jest jeden farad(1F)

C - jest to podstawowy parametr (podstawowa wielkość) kondensatora, podawana przez producenta. Pojemność nie zależy od ładunku i napięcia. Stosunek Q do U jest stały dla danego kondensatora. Pojemność zależy od konstrukcji kondensatora:

a) rodzaju dielektryka (E)

b) wymiarów kondensatora



Wytrzymałością elektryczna dielektryka nazywamy maksymalna wartość natężenia pola, która jeszcze nie niszczy własności izolacyjnych dielektryka.

Kondensatory w układach mogą być łączone:

a) szeregowo:

- ładunki na każdym kondensatorze maja jednakowa wartość

- napięcie całkowite przyłożone do gałęzi jest suma napiec na poszczególnym kondensatorze

- dowolna ilość szeregowo połączonych kondensatorów można zastąpić jednym. Zamiana ta nie może spowodować zmiany napięcia całkowitego U i ładunku zgromadzonego w układzie b) równolegle- napięcie na każdym z kondensatorów jest jednakowe

- ładunek całkowity jest suma ładunków na poszczególnych kondensatorach

- dowolna ilość równolegle połączonych kondensatorów można zastąpić jednym, nie może zmienić się napięcie U i ładunek układu. Pojemność zastępcza Cz obliczamy ze wzoru:



Cz = C1 + C2 + C3 ...



c) mieszanie- to takie, w którym występuje łączenie równolegle i szeregowe.



Kondensator składa się z dwóch płytek przewodzących prąd elektryczny (elektrod), które są od siebie oddalone. Może on zostać naładowany ładunkiem elektrycznym. O zdolności magazynowania ładunku, czyli o pojemności kondensatora decyduje powierzchnia elektrod i odległość miedzy nimi. Większa powierzchnia i mniejsza odległość, daje wyższa pojemność.

W celu zmniejszenia odstępu miedzy elektrodami, stosuje się na izolatory materiały, które można wykonać w formie bardzo cienkiej folii np., tworzywa sztuczne, ceramikę lub warstwy tlenków. Materiały te charakteryzują się cecha fizyczna nazywana przenikalnością elektryczna. Ujawnia się ona, gdy atomy umieszczone w polu elektrycznym ulegają polaryzacji w wyniku odkształcenia orbit elektronów na zewnętrznych powłokach.



Powstają tak zwane dipole, które mogą się obracać i przyjmować ten sam kierunek, jaki ma pole elektryczne. W efekcie tego, zmniejsza się wpływ odległości miedzy elektrodami i pojemność wzrasta. Ta cecha powoduje, że materiał izolacyjny nazywa się dielektrykiem.



Czynnikiem, który w największym stopniu wpływa na pojemność kondensatora, poza powierzchnia i odległością elektrod, jest zdolność dielektryka (w ujęciu makroskopowym) do przyjęcia ujemnego ładunku w pobliże dodatniej elektrody, i dodatniego ładunku w pobliże elektrody ujemnej, co powoduje ze wpływ odległości miedzy elektrodami zmniejsza się.



W celu obliczenia pojemności kondensatora, korzystamy z następującej zależności:



C =  x A/d

gdzie C = pojemność w faradach,

A = powierzchnia w m2,

d = odstęp miedzy elektrodami w m,

= przenikalność, która właściwie jest iloczynem o x r gdzie o jest przenikalnością próżni, i wynosi 8,85 x 10-12 a r jest liczba względna, która określa przenikalność dielektryka w stosunku do przenikalności w próżni r nazywana jest często stała dielektryczna lub liczba pojemnościowa.



Z tego wynika, ze wybór dielektryka w decydującym stopniu wpływa na pojemność kondensatora i jego wymiary. Istnieją jednak inne cechy (zalety i wady) materiałów, które powodują, ze nie zawsze można stosować materiał o najwyższej stałej dielektrycznej.



Kilka przykładów zastosowań kondensatorów:



Jako kondensator sprzęgający, blokujący napięcie stale, ale przepuszcza dalej napięcie zmienne. Jako kondensator blokujący, zwierający napięcie zmienne, które występuje razem z napięciem stałym.



W filtrach i obwodach rezonansowych, gdzie najczęściej wspólnie z elementem indukcyjnym lub rezystorem, stanowi obwód rezonansowy lub obwód filtra np, w oscylatorze albo filtrze separującym głośnika.



Np. w zasilaczu sieciowym znajdują się kondensatory do magazynowania energii, która jest używana do filtrowania (wygładzania) napięcia stałego.



W obwodach czasowych wykorzystuje się ładowanie i rozładowywanie kondensatora do określenia czasu. Przykładem tego jest multiwibrator astabilny.



Jako elementu odkłócającego, używa się kondensatora, który może pochłonąć krótkie impulsy napięcia tak np, jak w obwodzie RC przyłączonym do cewki przekaźnika. Używa się również kondensatorów np. typu X lub Y w celu tłumienia zakłóceń o wysokich częstotliwościach (RFI). Przy prądach zmiennych wysokiego napięcia, używa się często do pomiarów pojemnościowych dzielników napięcia. Nie maja one takich dużych strat jak rezystancyjne dzielniki napięcia.





Kondensator, przy przepływie prądu zmiennego, stanowi opór zależny, od częstotliwości, który jest nazywany reaktancja pojemnościowa (Xc).



Xc = 1/(  x C)

gdzie Xc = reaktancja ,

m = pulsacja (2 x  x f) w Hz,

C = pojemność w faradach.



Energie, którą można magazynować w kondensatorze wylicza się ze wzoru:



E = 1/2 x C x U2

gdzie E = energia w kondensatorze w joulach (Ws),

C = pojemność w faradach,

U = napięcie w voltach.



Pod pojęciem pojemności C, rozumie się zdolność kondensatora do przyjęcia ładunku Q w coulombach, na volt przyłożonego napięcia U. Jest to opisane wzorem :



C=Q/U

Jednostka pojemności jest farad, który ma wymiar A x s/V. Pojemność 1 farada posiada kondensator, w którym ładunek 1 coulomba powoduje powstanie napięcia 1 volta.



Naładowanie i rozładowanie kondensatora zajmuje zawsze pe- wien czas. Zmiany ładunku wiążą się z kolei z przepływem prądu przez jakąś rezystancje. Najniższa rezystancja to rezystancja doprowadzeń elektrod. Przez stałą czasowa  rozumiemy czas, który jest potrzebny żeby ładunek osiągnął 63,2% (1- e-1) maksymalnego napięcia.



 = R x C

gdzie  podany jest w sekundach o ile R podane jest w , a C w faradach. Przyjmuje się, ze kondensator jest całkowicie naładowany, po czasie 5 x .



W celu lepszego zrozumienia zależności miedzy parametrami kondensatora, należy przyjąć następujący uproszczony schemat zastępczy:







gdzie Rs = rezystancja szeregowa wyprowadzeń i elektrod, elektrolitu, jak również straty w dielektryku,

Ls = indukcyjność doprowadzeń i elektrod,

C = pojemność,

Rp = rezystancja izolacji w dielektryku.







Poprzez skrót ESR (zastępcza rezystancja szeregowa) rozumiemy całkowite straty w kondensatorze, które poza rezystancja szeregowa doprowadzeń i elektrod Rs, obejmują straty w dielektryku, powstające przy oddziaływaniu na niego zmiennego pola elektrycznego. ESR jest funkcja częstotliwości i temperatury.



Straty powodują wzrost temperatury, która musi być kontrolowana, o ile jej wzrost jest znaczny. Do opisania rezystancji strat stosuje się współczynnik strat (tan). Wyraża się zależnością:

tan = ESR/Xc



Współczynnik strat jest wiec stosunkiem ESR do reaktancji Xc. Moc wydzielana w kondensatorze wyrażona jest zależnością:



P = U2 x  x C x tan



Gdy częstotliwość przyłożonego napięcia jest równa tej, przy której zmierzono ESR, można powyższy wzór zapisać:



P= U2 x ESR



ESL (szeregowa indukcyjność zastępcza), jest indukcyjnością wyprowadzeń i elektrod Ls. Indukcyjność współczesnych kondensatorów zwykle zawiera się w zakresie 10-100 nH.



Impedancja kondensatora jest przedstawiona zależnością:



Z= ESR2 + (Xc - XL)2

gdzie Z = impedancja w ,

Xc i XL jest odpowiednio reaktancja pojemnościowa i indukcyjna przy danej częstotliwości.



Wiele parametrów kondensatora zależy od temperatury np, stała dielektryczna, ESR i upływu prądu. Dlatego w zależności od zakresu temperatury, w którym kondensator będzie pracował należy wybierać odpowiedni rodzaj dielektryka.



Do opisu zmian pojemności w funkcji temperatury służy współczynnik temperaturowy. Można go podać w ppm/oC (milionowa część na stopień Celsjusza).

Poza tym wiele parametrów jest mniej lub bardziej zależnych od częstotliwości i napięcia, co może być również czynnikiem wpływającym na wybór dielektryka.

Odporność na napięcie impulsowe określa, z jaka częstotliwością kondensator może być ładowany i rozładowywany. Zmiany napięcia powodują przepływ prądu przez elektrody i doprowadzenia, w rezystancji, których następuje wydzielenie pewnej mocy. Gdy gęstość prądu w elektrodach będzie duża, wzrasta oporność własną, a w związku z tym straty mocy. Przy bardzo wysokich prądach może nastąpić stopienie i wyparowanie elektrod i wówczas w kondensatorze powstaje ciśnienie gazów, które może mieć fatalne skutki. Zmiany napięcia prowadza ponadto do strat w dielektryku, które wspólnie ze stratami w rezystancji powodują wzrost temperatury kondensatora. Odporność na napięcie impulsowe jest podawane łącznie z napięciem pracy, które jest równe nominalnemu.







Odporność na napięcie impulsowe jest parametrem katalogowym i zależy, od przyjetych warunków badania. W zależności od przyjętej metody (zgodnej z obowiązującymi normami) ilość impulsów, ich częstotliwość, wzrost temperatury itd., mogą być różne.



Prąd, wywołany zmiana napięcia można wyliczyć z następującego wzoru:



l = C x (V/t)



Jeżeli pojemność C i odporność na napięcie impulsowe V/t podana jest odpowiednio w F i V/s to prąd I otrzymujemy w A.



Maksymalne napięcie pracy zależy od wielu czynników m.in. od wytrzymałości elektrycznej dielektryka, jego grubości, odległości miedzy elektrodami i wyprowadzeniami, rodzaju obudowy. Odporność na przebicie zależy od temperatury i częstotliwości. Dlatego należy uważać, żeby nie przekroczyć maksymalnego napięcia w danych warunkach. Nawet, gdy nie nastąpi bezpośrednie przebicie dielektryka zbyt wysokie natężenie pola elektrycznego może spowodować długotrwałe zmiany w dielektryku. Kiedy kondensator został naładowany a dipole dielektryka powstały i zostały obrócone w kierunku napięcia pola, to po rozładowaniu kondensatora nie wszystkie powracają do swojej pierwotnej pozycji. Te dipole, które pozostały w swoim nowym położeniu powodują, ze w rozładowanym kondensatorze pozostaje pewne napięcie. Zjawisko to nazywa się absorpcja dielektryczna i występuje w większym lub mniejszym stopniu we wszystkich kondensatorach. W niektórych zastosowaniach np. w obwodach próbkujących, podtrzymujących i w układach audio, wymaga się, żeby była ona tak niska jak tylko to jest możliwe. Absorpcje dielektryczna mierzy się w procentach napięcia początkowego, po pewnym czasie od początku zwarcia. Istnieje cały szereg znormalizowanych metod pomiaru tego parametru.



Kondensatory z tworzywa sztucznego, w których warstwie dielektryka stanowi tworzywo sztuczne maja małe straty dzięki niskiej rezystancji elektrod i wysokiej rezystancji izolacji. Technologiczność konstrukcji umożliwia automatyzacje produkcji i w efekcie niskie ceny. Są one niepolaryzowane (nie odgrywa roli, która z elektrod będzie dodatnia a która ujemna) i maja bardzo mały prąd upływu.



Używa się ich jako kondensatorów szeregowych lub blokujących w układach analogowych i cyfrowych, w obwodach czasowych i filtrach Lc. Produkowane pojemności zawierają się w granicach od 10 pF do 100 F.



Elektrody wykonuje się w postaci folii metalowej lub folii metalizowanej. Folia metalizowana powstaje w wyniku naparowania próżniowego cienkiej warstwy metalu na dielektryk. Zaleta tego rozwiązania jest to, ze przy przebiciu elektrycznym naparowany metal wyparowuje wokół miejsca przebicia i w ten sposób nie dochodzi do ewentualnemu zwarcia.