Kondenzátory: účel, zařízení, princip činnosti

Ve všech rádiových a elektronických zařízeních, s výjimkou tranzistorů a mikroobvodů, se používají kondenzátory. V některých obvodech je jich více, v jiných méně, ale prakticky neexistují žádné elektronické obvody bez kondenzátorů.

V tomto případě mohou kondenzátory v zařízeních provádět různé úkoly. Nejprve to jsou kontejnery ve filtrech usměrňovačů a stabilizátorů. Pomocí kondenzátorů je přenášen signál mezi fázemi zesílení, jsou vytvářeny filtry nízkých a vysokých frekvencí, jsou nastaveny časové intervaly v časových zpožděních a je vybrána kmitočet kmitání v různých generátorech.

Kondenzátory vedou od banky Leidenkterý v polovině 18. století použil při svých experimentech nizozemský vědec Peter van Mushenbrook. Bydlel ve městě Leiden, takže je snadné uhodnout, proč byla tato banka nazývána.

Ve skutečnosti šlo o obyčejnou skleněnou nádobu, uvnitř i vně lemovanou cínovou fólií - staniolem. To bylo používáno pro stejné účely jako moderní hliník, ale pak hliník ještě nebyl otevřený.

Jediným zdrojem elektřiny v těchto dnech byl stroj na elektroforézu, schopný vyvinout napětí až několik set kilovoltů. Právě od ní obvinili Leydenovu sklenici. V učebnicích fyziky je popsán případ, kdy Mushenbrook vypustil svou plechovku prostřednictvím řetězu deseti strážců, kteří drželi ruce.

V té době nikdo nevěděl, že důsledky mohou být tragické. Úder se ukázal být docela citlivý, ale ne fatální. K tomu nedošlo, protože kapacita nádoby Leyden byla zanedbatelná, impuls se ukázal být velmi krátkotrvající, takže vypouštěcí síla byla malá.

Jak je kondenzátor

Zařízení kondenzátoru se prakticky neliší od Leydenovy nádoby: všechny stejné dvě desky oddělené dielektrikem. Takto jsou kondenzátory zobrazeny na moderních elektrických obvodech. Obrázek 1 ukazuje schematickou strukturu plochého kondenzátoru a vzorec pro jeho výpočet.

Obrázek 1. Ploché kondenzátorové zařízení

Zde S je plocha desky v metrech čtverečních, d je vzdálenost mezi deskami v metrech, C je kapacita v faradech, ε je dielektrická konstanta média. Všechny hodnoty obsažené ve vzorci jsou uvedeny v systému SI. Tento vzorec platí pro nejjednodušší plochý kondenzátor: můžete jednoduše umístit vedle sebe dvě kovové desky, ze kterých jsou vyvozeny závěry. Vzduch může sloužit jako dielektrikum.

Z tohoto vzorce je zřejmé, že kondenzátor je větší, čím větší je plocha desek a čím menší je vzdálenost mezi nimi. U kondenzátorů s odlišnou geometrií může být vzorec odlišný, například pro kapacitu jednoho vodiče nebo elektrický kabel. Závislost kapacitance na ploše desek a vzdálenost mezi nimi je stejná jako závislost plochého kondenzátoru: čím větší je plocha a čím menší je vzdálenost, tím větší je kapacita.

Ve skutečnosti desky nejsou vždy ploché. Pro mnoho kondenzátorů, například z kovu, jsou desky hliníkovou fólií válcované spolu s papírovým dielektrikem v těsné kouli ve tvaru kovového pouzdra.

Pro zvýšení elektrické pevnosti je tenký kondenzátorový papír impregnován izolačními kompozicemi, nejčastěji transformátorovým olejem. Tato konstrukce umožňuje výrobu kondenzátorů s kapacitou až několika stovek mikrofarad. Kondenzátory s jinými dielektriky jsou uspořádány podobně.

Vzorec neobsahuje žádná omezení týkající se plochy desek S a vzdálenosti mezi deskami d.Pokud předpokládáme, že destičky mohou být rozprostřeny velmi daleko a zároveň učiní plochu desek docela zanedbatelnou, zůstane nějaká kapacita, byť malá, stále. Toto zdůvodnění naznačuje, že i jen dva vodiče umístěné v sousedství mají elektrickou kapacitu.

Tato okolnost je široce používána ve vysokofrekvenční technologii: v některých případech jsou kondenzátory vyráběny jednoduše ve formě stop tištěných obvodů, nebo dokonce jen dva dráty stočené dohromady v izolaci polyethylenu. Obyčejné drátěné nudle nebo kabel mají také kapacitu a se zvyšující se délkou se zvětšuje.

Kromě kapacity C má jakýkoli kabel také odpor R. Obě tyto fyzikální vlastnosti jsou rozloženy po délce kabelu a při přenosu pulzních signálů fungují jako integrující řetězec RC, znázorněný na obrázku 2.

Obrázek 2

Na obrázku je vše jednoduché: tady je obvod, zde je vstupní signál, ale tady to je na výstupu. Impulz je zkreslen mimo rozpoznávání, ale to se děje záměrně, pro který je obvod sestaven. Mezitím mluvíme o vlivu kapacitní kapacity kabelu na pulzní signál. Namísto impulsu se takový „zvonek“ objeví na druhém konci kabelu, a pokud je impuls krátký, nemusí dosáhnout druhého konce kabelu vůbec, je úplně pryč.

Historický fakt

Zde je docela vhodné si vzpomenout na příběh o tom, jak byl položen transatlantický kabel. První pokus v roce 1857 selhal: telegrafní body - pomlčky (obdélníkové pulsy) byly zkresleny, takže na druhém konci 4000 km čáry nebylo možné nic rozebrat.

Druhý pokus byl učiněn v roce 1865. Do této doby anglický fyzik W. Thompson vyvinul teorii přenosu dat přes dlouhé linky. Ve světle této teorie se vedení kabelů ukázalo jako úspěšnější a byli jsme schopni přijímat signály.

Za tento vědecký čin udělila královna Viktorie vědci rytířství a titul lorda Kelvina. To bylo jméno malého města na pobřeží Irska, kde začalo pokládání kabelů. Ale to je jen slovo a nyní se vracíme k poslednímu písmenu ve vzorci, konkrétně k dielektrické konstantě média ε.

Trochu o dielektrikách

Toto ε je ve jmenovateli vzorce, proto jeho zvýšení bude znamenat zvýšení kapacity. Pro většinu použitých dielektrik, jako je vzduch, lavsan, polyethylen, fluoroplast, je tato konstanta téměř stejná jako u vakua. Zároveň ale existuje mnoho látek, jejichž dielektrická konstanta je mnohem vyšší. Pokud je vzduchový kondenzátor naplněn acetonem nebo alkoholem, jeho kapacita se zvyšuje každých 15 ... 20.

Ale takové látky, kromě vysokých e, mají také dostatečně vysokou vodivost, takže takový kondenzátor nebude držet náboj dobře, bude se rychle vybíjet skrze sebe. Tento škodlivý jev se nazývá svodový proud. Proto se vyvíjejí speciální materiály pro dielektrika, které s vysokou měrnou kapacitou kondenzátorů poskytují přijatelné svodové proudy. To vysvětluje rozmanitost typů a typů kondenzátorů, z nichž každý je navržen pro specifické podmínky.

Elektrolytický kondenzátor

Největší měrná kapacita (poměr kapacita / objem) elektrolytické kondenzátory. Kapacita „elektrolytů“ dosahuje až 100 000 mikrofarad a provozní napětí je až 600V. Takové kondenzátory dobře fungují pouze při nízkých frekvencích, nejčastěji ve filtrech napájecích zdrojů. Elektrolytické kondenzátory jsou zapnuty v polaritě.

Elektrody v takových kondenzátorech jsou tenké vrstvy oxidu kovu, takže se tyto kondenzátory často nazývají oxidy. Tenká vrstva vzduchu mezi takovými elektrodami není velmi spolehlivým izolátorem, proto je mezi oxidové desky zavedena vrstva elektrolytu. Nejčastěji se jedná o koncentrované roztoky kyselin nebo zásad.

Obrázek 3 ukazuje jeden z těchto kondenzátorů.

Obrázek 3. Elektrolytický kondenzátor

Pro vyhodnocení velikosti kondenzátoru byla vedle něj vyfotografována jednoduchá krabička. Kromě dostatečně velké kapacity na obrázku můžete také vidět procentuální toleranci: ne méně než 70% nominální hodnoty.

V těch dnech, kdy byly počítače velké a nazývané počítače, byly takové kondenzátory v jednotkách (v moderním HDD). Informační kapacita těchto jednotek může nyní vyvolat pouze úsměv: 5 megabajtů informací bylo uloženo na dvou discích o průměru 350 mm a samotné zařízení vážilo 54 kg.

Hlavním účelem superkondenzátorů znázorněných na obrázku bylo stažení magnetických hlav z pracovní oblasti disku během náhlého výpadku proudu. Takové kondenzátory mohly ukládat náboj několik let, což bylo v praxi testováno.

O něco nižší s elektrolytickými kondenzátory bude nabídnuto několik jednoduchých experimentů k pochopení toho, co kondenzátor dokáže.

Pro práci v obvodech střídavého proudu se vyrábějí nepolární elektrolytické kondenzátory, což je jen z nějakého důvodu jen velmi obtížné. Aby se tento problém nějak vyřešil, obyčejné polární „elektrolyty“ zahrnují protisekvenční: plus-mínus-plus-plus.

Pokud je v obvodu se střídavým proudem zapojen polární elektrolytický kondenzátor, nejprve se zahřeje a poté se ozve výbuch. Domácí staré kondenzátory rozptýlené ve všech směrech, zatímco dovážené mají speciální zařízení, které zabraňuje hlasitým výstřelům. To je obvykle buď křížový zářez na dně kondenzátoru, nebo otvor s gumovou zátkou umístěnou na stejném místě.

Nemají rádi elektrolytické kondenzátory se zvýšeným napětím, i když je dodržena polarita. Proto byste nikdy neměli dávat „elektrolyty“ do obvodu, kde se očekává napětí blízké maximu pro daný kondenzátor.

Někdy se na některých, dokonce renomovaných fórech, ptají začátečníci otázku: „Kondenzátor 470µF * 16V je uveden na diagramu a mám 470µF * 50V, mohu to uvést?“ Ano, samozřejmě můžete, ale zpětná výměna je nepřijatelná.

Kondenzátor může ukládat energii

K řešení tohoto tvrzení pomůže jednoduchý diagram znázorněný na obrázku 4.

Obrázek 4. Obvod s kondenzátorem

Protagonistou tohoto obvodu je elektrolytický kondenzátor C s dostatečně velkou kapacitou, takže procesy vybíjení probíhají pomalu a dokonce velmi jasně. To umožňuje vizuálně sledovat provoz obvodu pomocí konvenčního světla z baterky. Tato světla již dávno ustoupila moderním LED, ale žárovky pro ně se stále prodávají. Proto je velmi snadné sestavit obvod a provést jednoduché experimenty.

Možná někdo řekne: „Proč? Koneckonců, všechno je zřejmé, i když si přečtete popis ... “ Zdá se, že zde není co argumentovat, ale cokoli, i to nejjednodušší, zůstává v hlavě po dlouhou dobu, pokud její porozumění přišlo rukama.

Takže obvod je sestaven. Jak pracuje?

V poloze spínače SA, znázorněného na schématu, je kondenzátor C nabíjen ze zdroje energie GB přes odpor R v obvodu: + GB __ R __ SA __ C __ -GB. Nabíjecí proud v diagramu je znázorněn šipkou s indexem iз. Proces nabíjení kondenzátoru je znázorněn na obrázku 5.

Obrázek 5. Proces nabíjení kondenzátoru

Obrázek ukazuje, že napětí na kondenzátoru roste podél křivky, v matematice zvané exponent. Nabíjecí proud přímo odráží nabíjecí napětí. S rostoucím napětím na kondenzátoru se nabíjecí proud snižuje. A pouze v počátečním okamžiku odpovídá vzorci uvedenému na obrázku.

Po nějaké době bude kondenzátor nabíjen od 0 V do napětí zdroje energie, v našem obvodu na 4,5 V. Celá otázka zní, jak je čas určit, jak dlouho čekat, kdy se kondenzátor nabije?

Časová konstanta Tau τ = R * C

V tomto vzorci se odpor a kapacita sériově zapojeného odporu a kondenzátoru jednoduše násobí.Pokud bez zanedbání systému SI nahradíte odpor v Ohmech, kapacitu ve Faradech, bude výsledek za několik sekund. Tentokrát je potřeba, aby kondenzátor nabil až 36,8% napětí zdroje energie. V souladu s tím bude pro poplatek téměř 100% vyžadován čas 5 * τ.

Často, zanedbáním systému SI, je odpor v Ohmech nahrazen vzorcem a kapacita je v mikrofaradách, pak se čas ukáže v mikrosekundách. V našem případě je výhodnější získat výsledek v sekundách, za který musíte jednoduše vynásobit mikrosekundy milionem, nebo, jednoduše řečeno, posunout čárku o šest znaků doleva.

Pro obvod znázorněný na obrázku 4, s kondenzátorem 2000 μF a odporem odporu 500 Ω bude časová konstanta τ = R * C = 500 * 2000 = 1 000 000 mikrosekund nebo přesně jedna sekunda. Budete tedy muset počkat asi 5 sekund, dokud nebude kondenzátor plně nabitý.

Pokud se po uplynutí stanoveného času přepne spínač SA do správné polohy, kondenzátor C se vybije přes žárovku EL. V tuto chvíli dojde ke krátkému záblesku, kondenzátor se vybije a světlo zhasne. Směr vybíjení kondenzátoru je znázorněn šipkou s indexem ip. Čas vybíjení je také určen časovou konstantou τ. Výtokový graf je znázorněn na obrázku 6.

Obrázek 6. Graf výboje kondenzátoru

Kondenzátor neprochází stejnosměrným proudem

K ověření tohoto tvrzení pomůže ještě jednodušší schéma znázorněné na obrázku 7.

Obrázek 7. Obvod s kondenzátorem v stejnosměrném obvodu

Pokud zavřete spínač SA, následuje krátký záblesk žárovky, což znamená, že kondenzátor C je nabíjen žárovkou. Je zde také zobrazen graf nabíjení: v okamžiku sepnutí spínače je proud maximální, protože se kondenzátor nabíjí, snižuje se a po chvíli se zcela zastaví.

Pokud je kondenzátor dobré kvality, tj. při malém svodovém proudu (samovybíjení) nebude opakované uzavření spínače vést k záblesku. K získání dalšího blesku bude nutné vybít kondenzátor.

Kondenzátor ve výkonových filtrech

Kondenzátor je obvykle umístěn za usměrňovačem. Usměrňovače jsou nejčastěji tvořeny půlvlnami. Nejobvyklejší usměrňovací obvody jsou znázorněny na obrázku 8.

Obrázek 8. Usměrňovací obvody

Usměrňovače s půlvlnami se obvykle používají také zpravidla v případech, kdy je zátěžová kapacita zanedbatelná. Nejcennější kvalitou těchto usměrňovačů je jednoduchost: pouze jedno vinutí diod a transformátorů.

U polovičního vlnového usměrňovače lze kapacitanci filtračního kondenzátoru vypočítat podle vzorce

C = 1 000 000 * Po / 2 * U * f * dU, kde C je kondenzátor μF, Po je zátěžový výkon W, U je napětí na výstupu usměrňovače V, f je frekvence střídavého napětí Hz, dU je vlnová amplituda V.

Velké číslo v čitateli 1 000 000 převádí kapacitu kondenzátoru ze systému Farads na mikrofarady. Dva ve jmenovateli představují počet půlsekund usměrňovače: u půlvlny na jeho místě se objeví jednotka

C = 1 000 000 * Po / U * f * dU,

a pro třífázový usměrňovač bude mít vzorec tvar C = 1 000 000 * Po / 3 * U * f * dU.

Superkondenzátor - Ionistor

V poslední době nová třída elektrolytických kondenzátorů, tzv ionistor. Svými vlastnostmi je podobný baterii, avšak s několika omezeními.

Ionistor se nabije na jmenovité napětí v krátkém čase, doslova v několika minutách, takže je vhodné jej použít jako záložní zdroj energie. Ve skutečnosti je ionistor nepolární zařízení, jediné, co určuje jeho polaritu, je nabíjení v továrně. Abychom si tuto polaritu v budoucnu nezaměnili, je to označeno znaménkem +.

Důležitou roli hrají provozní podmínky ionistorů. Při teplotě 70˚C při napětí 0,8 jmenovité zaručené trvanlivosti ne více než 500 hodin.Pokud bude zařízení pracovat při napětí 0,6 od jmenovité hodnoty a teplota nepřesáhne 40 stupňů, je možné řádné fungování po dobu 40 000 hodin nebo více.

Nejběžnější ionistorové aplikace jsou záložní zdroje energie. Jsou to hlavně paměťové čipy nebo elektronické hodiny. V tomto případě je hlavním parametrem ionistoru nízký svodový proud, jeho samovybíjení.

Zcela slibné je použití ionistorů ve spojení se solárními panely. Ovlivňuje také nekritičnost stavu nabití a téměř neomezený počet cyklů vybíjení a vybití. Další cennou vlastností je, že ionistor je bezúdržbový.

Doposud se ukázalo, jak a kde elektrolytické kondenzátory fungují, a hlavně v stejnosměrných obvodech. Činnost kondenzátorů v střídavých obvodech bude popsána v dalším článku - Kondenzátory pro AC elektrické instalace.

Boris Aladyshkin 

P.S. Zajímavý případ použití kondenzátorů: kondenzátorové svařování