Kondensatory: cel, urządzenie, zasada działania

We wszystkich urządzeniach radiowych i elektronicznych, z wyjątkiem tranzystorów i mikroukładów, stosowane są kondensatory. W niektórych obwodach jest ich więcej, w innych mniej, ale praktycznie nie ma obwodów elektronicznych bez kondensatorów.

W takim przypadku kondensatory mogą wykonywać różne zadania w urządzeniach. Przede wszystkim są to pojemniki w filtrach prostowników i stabilizatorów. Za pomocą kondensatorów sygnał jest przesyłany między stopniami wzmacniacza, budowane są filtry niskiej i wysokiej częstotliwości, ustawiane są przedziały czasowe opóźnień czasowych i wybierana jest częstotliwość oscylacji w różnych generatorach.

Kondensatory prowadzą od banki leidenktóry w połowie XVIII wieku wykorzystał w swoich eksperymentach holenderski naukowiec Peter van Mushenbrook. Mieszkał w mieście Leiden, więc łatwo odgadnąć, dlaczego ten bank został nazwany.

W rzeczywistości był to zwykły szklany słoik, wyłożony wewnątrz i na zewnątrz folią cynową - staniol. Był używany do tych samych celów, co nowoczesne aluminium, ale wtedy aluminium nie było jeszcze otwarte.

Jedynym źródłem energii elektrycznej w tamtych czasach była maszyna elektroforowa, zdolna do wytworzenia napięcia do kilkuset kilowoltów. To od niej naładowali słoik Leyden. W podręcznikach fizyki opisany jest przypadek, gdy Mushenbrook rozładował swoją puszkę przez łańcuch dziesięciu strażników trzymających się za ręce.

W tym czasie nikt nie wiedział, że konsekwencje mogą być tragiczne. Cios okazał się dość wrażliwy, ale nie śmiertelny. Nie doszło do tego, ponieważ pojemność słoika Leyden była niewielka, impuls okazał się bardzo krótkotrwały, więc moc rozładowania była niewielka.

Jak tam kondensator

Urządzenie kondensatora praktycznie nie różni się od słoika Leydena: wszystkie te same dwie płyty, oddzielone dielektrykiem. W ten sposób kondensatory są przedstawiane w nowoczesnych obwodach elektrycznych. Rysunek 1 pokazuje schematyczną budowę płaskiego kondensatora i wzór do jego obliczenia.

Rysunek 1. Płaskie urządzenie kondensatorowe

Tutaj S jest powierzchnią płyty w metrach kwadratowych, d jest odległością między płytami w metrach, C jest pojemnością w faradach, ε jest stałą dielektryczną ośrodka. Wszystkie wartości zawarte we wzorze są wskazane w układzie SI. Ta formuła obowiązuje dla najprostszego płaskiego kondensatora: możesz po prostu umieścić obok siebie dwie metalowe płytki, z których wyciąga się wnioski. Powietrze może służyć jako dielektryk.

Z tego wzoru można zrozumieć, że kondensator jest większy, im większy jest obszar płytek i mniejsza odległość między nimi. W przypadku kondensatorów o innej geometrii wzór może być inny, na przykład dla pojemności jednego przewodu lub kabel elektryczny. Jednak zależność pojemności od powierzchni płytek i odległości między nimi jest taka sama jak w przypadku płaskiego kondensatora: im większy obszar i im mniejsza odległość, tym większa pojemność.

W rzeczywistości płyty nie zawsze są płaskie. W przypadku wielu kondensatorów, na przykład papieru, płytki są zrolowane z folią aluminiową wraz z papierowym dielektrykiem w ciasną kulkę w kształcie metalowej obudowy.

Aby zwiększyć wytrzymałość elektryczną, cienki papier kondensatorowy impregnuje się kompozycjami izolacyjnymi, najczęściej olejem transformatorowym. Ta konstrukcja pozwala na wykonanie kondensatorów o pojemności do kilkuset mikrofaradów. Kondensatory z innymi dielektrykami są podobnie rozmieszczone.

Wzór nie zawiera żadnych ograniczeń dotyczących powierzchni płytek S i odległości między płytkami d.Jeśli założymy, że płytki można rozłożyć bardzo daleko, a jednocześnie sprawią, że powierzchnia płytek będzie nieznaczna, wówczas pewna pojemność, choć niewielka, pozostanie. Takie rozumowanie sugeruje, że nawet tylko dwa przewodniki znajdujące się w sąsiedztwie mają pojemność elektryczną.

Ta okoliczność jest szeroko stosowana w technologii wysokiej częstotliwości: w niektórych przypadkach kondensatory są wykonane po prostu w postaci ścieżek obwodu drukowanego lub nawet tylko dwóch drutów skręconych razem w izolacji z polietylenu. Zwykły makaron lub kabel mają również pojemność, a wraz ze wzrostem długości rośnie.

Oprócz pojemności C każdy kabel ma również rezystancję R. Obie te właściwości fizyczne są rozłożone na długości kabla, a podczas przesyłania sygnałów pulsacyjnych działają one jako integrujący łańcuch RC, pokazany na rysunku 2.

Rycina 2

Na rysunku wszystko jest proste: tutaj jest obwód, tutaj jest sygnał wejściowy, ale tutaj jest on na wyjściu. Impuls jest zniekształcony nie do poznania, ale odbywa się to celowo, dla którego obwód jest zmontowany. Tymczasem mówimy o wpływie pojemności kabla na sygnał impulsowy. Zamiast impulsu taki „dzwonek” pojawi się na drugim końcu kabla, a jeśli impuls jest krótki, może w ogóle nie dotrzeć do drugiego końca kabla, całkowicie zniknął.

Fakt historyczny

W tym miejscu należy przypomnieć historię układania kabla transatlantyckiego. Pierwsza próba w 1857 r. Zakończyła się niepowodzeniem: punkty telegraficzne - myślniki (prostokątne impulsy) zostały zniekształcone, tak że nic nie można było rozmontować na drugim końcu linii o długości 4000 km.

Druga próba została podjęta w 1865 roku. W tym czasie angielski fizyk W. Thompson rozwinął teorię transmisji danych na długich liniach. W świetle tej teorii okablowanie okazało się bardziej skuteczne i byliśmy w stanie odbierać sygnały.

Za ten wyczyn naukowy królowa Wiktoria przyznała naukowcowi rycerstwo i tytuł lorda Kelvina. Tak nazywało się małe miasto na wybrzeżu Irlandii, w którym rozpoczęto układanie kabli. Ale to tylko słowo, a teraz wracamy do ostatniej litery we wzorze, a mianowicie do stałej dielektrycznej ośrodka ε.

Trochę o dielektrykach

To ε jest mianownikiem wzoru, dlatego jego wzrost pociągnie za sobą wzrost pojemności. W przypadku większości stosowanych dielektryków, takich jak powietrze, lavsan, polietylen, fluoroplast, stała ta jest prawie taka sama jak próżni. Ale jednocześnie istnieje wiele substancji, których stała dielektryczna jest znacznie wyższa. Jeśli skraplacz powietrza jest wypełniony acetonem lub alkoholem, jego pojemność będzie się zwiększać co 15 ... 20.

Ale takie substancje, oprócz wysokiego ε, mają również wystarczająco wysoką przewodność, dlatego taki kondensator nie będzie dobrze utrzymywał ładunku, szybko rozładuje się sam. To szkodliwe zjawisko nazywa się prądem upływowym. Dlatego opracowywane są specjalne materiały na dielektryki, które przy wysokiej właściwej pojemności kondensatorów zapewniają akceptowalne prądy upływowe. To wyjaśnia różnorodność typów i typów kondensatorów, z których każdy jest przystosowany do określonych warunków.

Kondensator elektrolityczny

Największa pojemność właściwa (stosunek pojemności do objętości) kondensatory elektrolityczne. Pojemność „elektrolitów” dochodzi do 100 000 mikrofaradów, a napięcie robocze wynosi do 600 V. Takie kondensatory działają dobrze tylko przy niskich częstotliwościach, najczęściej w filtrach zasilaczy. Kondensatory elektrolityczne są włączone zgodnie z polaryzacją.

Elektrody w takich kondensatorach są cienką warstwą tlenku metalu, więc często kondensatory te nazywane są tlenkiem. Cienka warstwa powietrza między takimi elektrodami nie jest bardzo niezawodnym izolatorem, dlatego warstwa elektrolitów jest wprowadzana między płyty tlenkowe. Najczęściej są to skoncentrowane roztwory kwasów lub zasad.

Rysunek 3 pokazuje jeden z tych kondensatorów.

Rysunek 3. Kondensator elektrolityczny

Aby ocenić rozmiar kondensatora, sfotografowano obok niego prostą zapałkę. Oprócz wystarczająco dużej pojemności na rysunku można również zobaczyć tolerancję procentową: nie mniej niż 70% wartości nominalnej.

W czasach, gdy komputery były duże i nazywane komputerami, takie kondensatory znajdowały się w napędach (we współczesnym dysku twardym). Pojemność informacyjna takich napędów może teraz wywołać tylko uśmiech: 5 megabajtów informacji przechowywano na dwóch dyskach o średnicy 350 mm, a samo urządzenie ważyło 54 kg.

Głównym celem przedstawionych na rysunku superkondensatorów było wycofanie głowic magnetycznych z obszaru roboczego dysku podczas nagłego zaniku zasilania. Takie kondensatory mogą przechowywać ładunek przez kilka lat, co zostało przetestowane w praktyce.

Nieco niższe z kondensatorami elektrolitycznymi zostaną zaoferowane do przeprowadzenia prostych eksperymentów, aby zrozumieć, co może zrobić kondensator.

Do pracy w obwodach prądu przemiennego wytwarzane są niepolarne kondensatory elektrolityczne, więc ich uzyskanie z jakiegoś powodu jest bardzo trudne. Aby jakoś obejść ten problem, zwykłe polarne „elektrolity” obejmują przeciwsekwencyjne: plus-minus-minus-plus.

Jeśli biegunowy kondensator elektrolityczny zostanie włączony do obwodu prądu przemiennego, najpierw się nagrzeje, a następnie usłyszy wybuch. Stare kondensatory domowe rozrzucone we wszystkich kierunkach, podczas gdy importowane mają specjalne urządzenie, które pozwala uniknąć głośnych zdjęć. Zwykle jest to albo wycięcie krzyżowe u dołu kondensatora, albo otwór z gumowym korkiem znajdującym się w tym samym miejscu.

Nie lubią kondensatorów elektrolitycznych o podwyższonym napięciu, nawet jeśli obserwowana jest polaryzacja. Dlatego nigdy nie należy umieszczać „elektrolitów” w obwodzie, w którym oczekiwane jest napięcie zbliżone do maksymalnego dla danego kondensatora.

Czasami na niektórych, nawet renomowanych forach, początkujący zadają pytanie: „Kondensator 470µF * 16V jest wskazany na schemacie, a ja mam 470µF * 50V, czy mogę to powiedzieć?” Tak, oczywiście, że tak, ale odwrotna wymiana jest niedopuszczalna.

Kondensator może magazynować energię

Aby poradzić sobie z tym stwierdzeniem, pomoże prosty schemat pokazany na rysunku 4.

Rysunek 4. Obwód z kondensatorem

Bohaterem tego obwodu jest kondensator elektrolityczny C o wystarczająco dużej pojemności, aby procesy rozładowania przebiegały powoli, a nawet bardzo wyraźnie. Umożliwia to wizualną obserwację działania obwodu za pomocą konwencjonalnego światła z latarki. Te światła dawno ustąpiły miejsca nowoczesnym diodom LED, ale żarówki do nich nadal są sprzedawane. Dlatego bardzo łatwo jest złożyć obwód i przeprowadzić proste eksperymenty.

Może ktoś powie: „Dlaczego? W końcu wszystko jest oczywiste, a nawet jeśli przeczytasz opis ... ” Wydaje się, że nie ma tu żadnych argumentów, ale każda, nawet najprostsza rzecz, pozostaje w głowie przez długi czas, jeśli jej zrozumienie nastąpi przez ręce.

Tak więc obwód jest zmontowany. Jak ona działa?

W pozycji przełącznika SA pokazanej na schemacie kondensator C jest ładowany ze źródła zasilania GB przez rezystor R w obwodzie: + GB __ R __ SA __ C __-GB. Prąd ładowania na schemacie jest pokazany strzałką z indeksem iз. Proces ładowania kondensatora pokazano na rysunku 5.

Rysunek 5. Proces ładowania kondensatora

Rysunek pokazuje, że napięcie na kondensatorze rośnie wzdłuż krzywej, w matematyce zwanej wykładnikiem wykładniczym. Prąd ładowania bezpośrednio odzwierciedla napięcie ładowania. Wraz ze wzrostem napięcia na kondensatorze prąd ładowania staje się coraz mniejszy. I tylko w początkowej chwili odpowiada formule pokazanej na rysunku.

Po pewnym czasie kondensator zostanie naładowany od 0 V do napięcia źródła zasilania, w naszym obwodzie do 4,5 V. Całe pytanie brzmi: jak pora określić, jak długo czekać, kiedy kondensator się naładuje?

Stała czasowa Tau τ = R * C

W tym wzorze rezystancja i pojemność połączonego szeregowo rezystora i kondensatora są po prostu mnożone.Jeśli, nie zaniedbując układu SI, zastąpisz rezystancję w omach, pojemność w faradach, wynik będzie w sekundach. W tym czasie kondensator musi naładować do 36,8% napięcia źródła zasilania. Odpowiednio, dla opłaty prawie 100% wymagany będzie czas 5 * τ.

Często, pomijając układ SI, rezystancja w omach zostaje podstawiona do formuły, a pojemność jest w mikrofaradach, wtedy czas okaże się w mikrosekundach. W naszym przypadku wygodniej jest uzyskać wynik w kilka sekund, przez co musisz po prostu pomnożyć mikrosekundy przez milion lub, po prostu, przesunąć przecinek o sześć znaków w lewo.

Dla obwodu pokazanego na rysunku 4, z kondensatorem 2000 μF i opornością rezystora 500 Ω, stała czasowa będzie wynosić τ = R * C = 500 * 2000 = 1 000 000 mikrosekund lub dokładnie jedną sekundę. Dlatego będziesz musiał poczekać około 5 sekund, aż kondensator zostanie w pełni naładowany.

Jeśli po upływie określonego czasu przełącznik SA zostanie ustawiony we właściwej pozycji, wówczas kondensator C zostanie rozładowany przez żarówkę EL. W tym momencie nastąpi krótki błysk, kondensator rozładuje się, a światło zgaśnie. Kierunek rozładowania kondensatora jest pokazany strzałką z indeksem ip. Czas rozładowania zależy również od stałej czasowej τ. Wykres rozładowania pokazano na rysunku 6.

Rysunek 6. Wykres rozładowania kondensatora

Kondensator nie przepuszcza prądu stałego

Aby zweryfikować to stwierdzenie, pomoże jeszcze prostszy schemat, pokazany na rysunku 7.

Rysunek 7. Obwód z kondensatorem w obwodzie prądu stałego

Jeśli zamkniesz przełącznik SA, nastąpi krótki błysk żarówki, co oznacza, że ​​kondensator C jest ładowany przez żarówkę. Pokazany jest również wykres ładowania: w momencie zamknięcia przełącznika prąd jest maksymalny, ponieważ kondensator ładuje się, zmniejsza się, a po chwili całkowicie się zatrzymuje.

Jeśli kondensator jest dobrej jakości, tj. przy małym prądzie upływowym (samorozładowanie) powtarzające się zamykanie przełącznika nie spowoduje błysku. Aby uzyskać kolejny błysk, kondensator będzie musiał zostać rozładowany.

Kondensator w filtrach mocy

Kondensator zwykle umieszcza się za prostownikiem. Najczęściej prostowniki są wykonane w kształcie półfali. Najczęstsze obwody prostownika pokazano na rysunku 8.

Rysunek 8. Obwody prostownika

Prostowniki półfalowe są również z reguły dość często stosowane w przypadkach, w których moc obciążenia jest niewielka. Najcenniejszą jakością takich prostowników jest prostota: tylko jedna dioda i uzwojenie transformatora.

W przypadku prostownika półfalowego pojemność kondensatora filtrującego można obliczyć według wzoru

C = 1 000 000 * Po / 2 * U * f * dU, gdzie C to kondensator μF, Po to moc obciążenia W, U to napięcie na wyjściu prostownika V, f to częstotliwość napięcia przemiennego Hz, dU to amplituda tętnienia V.

Duża liczba w liczniku 1 000 000 przekształca pojemność kondensatora z Faradów systemowych na mikrofarady. Dwa w mianowniku reprezentują liczbę półokresów prostownika: dla półfali na swoim miejscu pojawi się jednostka

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

a dla prostownika trójfazowego wzór będzie miał postać C = 1 000 000 * Po / 3 * U * f * dU.

Supercapacitor - Ionistor

Ostatnio nowa klasa kondensatorów elektrolitycznych, tzw jonistor. Jednak ze względu na swoje właściwości jest podobny do akumulatora z kilkoma ograniczeniami.

Jonistor ładuje się do napięcia znamionowego w krótkim czasie, dosłownie za kilka minut, dlatego zaleca się stosowanie go jako rezerwowego źródła zasilania. W rzeczywistości jonistor jest urządzeniem niepolarnym, jedyną rzeczą, która decyduje o jego polaryzacji, jest ładowanie w fabryce. Aby nie mylić tej polaryzacji w przyszłości, jest to oznaczone znakiem +.

Ważną rolę odgrywają warunki pracy jonizatorów. W temperaturze 70˚C przy napięciu 0,8 nominalnej gwarantowanej trwałości nie większej niż 500 godzin.Jeśli urządzenie będzie działało przy napięciu 0,6 od wartości nominalnej, a temperatura nie przekroczy 40 stopni, wówczas prawidłowe działanie jest możliwe przez 40 000 godzin lub dłużej.

Najczęstszymi zastosowaniami jonistorowymi są zapasowe źródła zasilania. Są to głównie układy pamięci lub zegary elektroniczne. W tym przypadku głównym parametrem jonistora jest niski prąd upływowy, jego samorozładowanie.

Dość obiecujące jest zastosowanie jonizatorów w połączeniu z panelami słonecznymi. Wpływa również na niekrytyczność stanu naładowania i prawie nieograniczoną liczbę cykli rozładowania. Inną cenną właściwością jest to, że jonistor nie wymaga konserwacji.

Do tej pory okazało się, jak powiedzieć, jak i gdzie działają kondensatory elektrolityczne, głównie w obwodach prądu stałego. Działanie kondensatorów w obwodach prądu przemiennego zostanie opisane w innym artykule - Kondensatory do instalacji elektrycznych prądu przemiennego.

Boris Aladyshkin 

P.S. Ciekawy przypadek użycia kondensatorów: spawanie kondensatorowe