Elektrický kondenzátor je jedným z prvkov elektrického obvodu akéhokoľvek elektronického zariadenia, ktorého hlavnou funkciou je uchovávať energiu a potom ju vrátiť späť do obvodu. Priemysel ponúka širokú škálu kondenzátorov, ktoré sa líšia typmi, kapacitami, veľkosťami a aplikáciami.
Princíp činnosti a vlastnosti kondenzátorov
Zariadenie kondenzátora pozostáva z dvoch kovových platní oddelených tenkou vrstvou dielektrika. Pomer veľkostí a usporiadania dosiek a charakteristiky dielektrického materiálu určuje kapacitný index.
Konštrukčný vývoj akéhokoľvek typu kondenzátora je zameraný na získanie maximálnej kapacity na základe minimálnych rozmerov, aby sa ušetrilo miesto na doske plošných spojov zariadenia. Jedna z najpopulárnejších foriem vzhľadu je vo forme suda, vo vnútri ktorého sú kovové platne skrútené s dielektrikom medzi nimi.Prvý kondenzátor, vynájdený v meste Leiden (Holandsko) v roku 1745, sa nazýval „Leiden jar“.
Princípom fungovania súčiastky je schopnosť nabíjania a vybíjania. Nabíjanie je možné vďaka prítomnosti dosiek v malej vzdialenosti od seba. Blízke náboje, oddelené dielektrikom, sa k sebe priťahujú a zotrvávajú na doskách a samotný kondenzátor tak ukladá energiu. Po odpojení zdroja energie je súčiastka pripravená na návrat energie do obvodu, výboj.
Parametre a vlastnosti, ktoré určujú výkon, kvalitu a životnosť práce:
- elektrická kapacita;
- špecifická kapacita;
- prípustná odchýlka;
- elektrická pevnosť;
- vlastná indukčnosť;
- dielektrická absorpcia;
- straty;
- stabilita;
- spoľahlivosť.
Schopnosť uchovávať náboj určuje kapacitu kondenzátora. Pri výpočte kapacity potrebujete vedieť:
- oblasť pokrytia;
- vzdialenosť medzi doskami;
- dielektrická konštanta dielektrického materiálu.
Na zvýšenie kapacity je potrebné zväčšiť plochu dosiek, zmenšiť vzdialenosť medzi nimi a použiť dielektrikum, ktorého materiál má vysokú dielektrickú konštantu.
Farad (F) sa používa na označenie kapacity - mernej jednotky, ktorá dostala svoje meno na počesť anglického fyzika Michaela Faradaya. 1 Farad je však príliš veľký. Napríklad kapacita našej planéty je menšia ako 1 farad. V rádiovej elektronike sa používajú menšie hodnoty: mikrofarad (µF, milióntina farada) a pikofarad (pF, milióntina mikrofaradu).
Špecifická kapacita sa vypočíta z pomeru kapacity k hmotnosti (objemu) dielektrika.Tento indikátor je ovplyvnený geometrickými rozmermi a zvýšenie špecifickej kapacity sa dosiahne znížením objemu dielektrika, čo však zvyšuje riziko poruchy.
Prípustná odchýlka pasovej hodnoty kapacity od skutočnej určuje triedu presnosti. Podľa GOST existuje 5 tried presnosti, ktoré určujú budúce použitie. V obvodoch s vysokou zodpovednosťou sa používajú komponenty najvyššej triedy presnosti.
Dielektrická pevnosť určuje schopnosť udržať náboj a zachovať pracovné vlastnosti. Náboje zostávajúce na doskách majú tendenciu k sebe navzájom a pôsobia na dielektrikum. Elektrická pevnosť je dôležitou vlastnosťou kondenzátora, ktorá určuje dobu jeho používania. V prípade nesprávnej prevádzky dôjde k poruche dielektrika a komponent zlyhá.
Vlastná indukčnosť sa berie do úvahy v striedavých obvodoch s tlmivkami. Pre jednosmerné obvody sa to neberie do úvahy.
Dielektrická absorpcia - vzhľad napätia na doskách počas rýchleho vybíjania. Absorpčný jav sa berie do úvahy pre bezpečnú prevádzku vysokonapäťových elektrických zariadení, od r v prípade skratu hrozí ohrozenie života.
Straty sú spôsobené nízkym prúdovým prenosom dielektrika. Pri prevádzke komponentov elektronických zariadení v rôznych teplotných podmienkach a rôznej vlhkosti má vplyv kvalitatívny faktor strát. Ovplyvňuje to aj prevádzková frekvencia. Pri nízkych frekvenciách ovplyvňujú straty v dielektriku, pri vysokých frekvenciách - v kove.
Stabilita je parameter kondenzátora, ktorý je tiež ovplyvnený teplotou okolia.Jeho účinky sa delia na reverzibilné, charakterizované teplotným koeficientom, a nevratné, charakterizované koeficientom teplotnej nestability.
Spoľahlivosť kondenzátora závisí predovšetkým od prevádzkových podmienok. Analýza porúch naznačuje, že v 80 % prípadov je príčinou zlyhania porucha.
V závislosti od účelu, typu a oblasti použitia sa líšia aj veľkosti kondenzátorov. Najmenšie a najmenšie s veľkosťou od niekoľkých milimetrov do niekoľkých centimetrov sa používajú v elektronike, zatiaľ čo najväčšie v priemysle.
Účel
Vlastnosť ukladania a uvoľňovania energie predurčila široké použitie kondenzátorov v modernej elektronike. Spolu s odpormi a tranzistormi sú základom elektrotechniky. Neexistuje jediné moderné zariadenie, kde by sa v nejakej kapacite nevyužívali.
Ich schopnosť nabíjania a vybíjania sa spolu s indukčnosťou s rovnakými vlastnosťami aktívne využíva v rozhlasovej a televíznej technike. Základom pre vysielanie a prijímanie signálov je oscilačný obvod kondenzátora a indukčnosti. Zmena kapacity kondenzátora umožňuje zmeniť frekvenciu oscilačného obvodu. Napríklad rádiové stanice môžu vysielať na vlastných frekvenciách a rádiá sa môžu na tieto frekvencie pripojiť.
Dôležitou funkciou je vyhladenie vlnenia striedavého prúdu. Akékoľvek elektronické zariadenie napájané striedavým prúdom potrebuje na výrobu kvalitného jednosmerného prúdu filtračné elektrické kondenzátory.
Mechanizmus nabíjania a vybíjania sa aktívne používa vo fotografických zariadeniach.Všetky moderné fotoaparáty používajú na snímanie blesk, ktorý je realizovaný vďaka vlastnosti rýchleho výboja. V tejto oblasti je nerentabilné používať batérie, ktoré dokážu energiu dobre skladovať, no pomaly ju uvoľňujú. A naopak kondenzátory okamžite uvoľnia všetku uloženú energiu, čo stačí na jasný záblesk.
Schopnosť generovať vysokovýkonné impulzy pomocou kondenzátorov sa využíva pri radare a tvorbe laserov.
Kondenzátory plnia úlohu zhášacích kontaktov v telegrafii a telefónii, ako aj v telemechanike a automatizácii, kde je potrebné spínanie vysoko zaťažených relé.
Regulácia napätia dlhých elektrických vedení sa vykonáva pomocou kompenzačných nádrží.
Moderné kondenzátory sa vďaka svojim schopnostiam používajú nielen v oblasti rádiovej elektroniky. Používajú sa v kovoobrábaní, baníctve, uhoľnom priemysle.
Hlavné odrody
Vzhľadom na rôznorodosť aplikácií a prevádzkových podmienok elektronických zariadení existuje široká škála komponentov, ktoré sa líšia typmi a vlastnosťami. Hlavné rozdelenie je podľa triedy a podľa typu použitého dielektrika.
Typy kondenzátorov, rozdelené podľa tried:
- s konštantnou kapacitou;
- s variabilnou kapacitou;
- ladenie.
Komponenty s konštantnou kapacitou sa používajú v každom elektronickom zariadení.
Na zmenu kapacity a parametrov obvodu, napríklad frekvencie v oscilačných obvodoch, sa používajú kondenzátory s premenlivou kapacitou.Vo svojom zariadení majú niekoľko sekcií kovových pohyblivých dosiek, čo zaisťuje trvanlivosť ich práce.
Trimovacie kondenzátory sa používajú na jednorazové nastavenie zariadenia. Sú dostupné v rôznych kapacitných hodnotách (od niekoľkých pikofaradov po niekoľko stoviek pikofaradov) a sú dimenzované pre napätie do 60 voltov. Bez ich použitia nie je možné doladiť vybavenie.
Typy kondenzátorov, rozdelené podľa typu dielektrika:
- s keramickým dielektrikom;
- s filmovým dielektrikom;
- elektrolytické;
- ionistory.
Keramické sú vyrobené vo forme malej platničky z keramického materiálu, na ktorú sú nastriekané kovové vývody. Takéto kondenzátory majú rôzne vlastnosti a používajú sa pre vysokonapäťové aj nízkonapäťové obvody.
Pre nízkonapäťové obvody sa najčastejšie používajú viacvrstvové súčiastky malých rozmerov v epoxidových živicových alebo plastových obaloch s kapacitou od desiatok pikofaradov až po jednotky mikrofaradov. Používajú sa vo vysokofrekvenčných obvodoch rádioelektronických zariadení a môžu pracovať v náročných klimatických podmienkach.
Pre vysokonapäťové obvody sa vyrábajú väčšie keramické kondenzátory s kapacitami od desiatok pikofaradov až po tisíce pikofaradov. Používajú sa v impulzných obvodoch a zariadeniach na konverziu napätia.
Dielektrikum filmu je rôznych typov. Najbežnejším z nich je lavsan, ktorý má vysokú pevnosť. Menej bežné je polypropylénové dielektrikum, ktoré má nižšie straty a používa sa vo vysokonapäťových obvodoch, ako sú obvody na zosilnenie zvuku a stredofrekvenčné obvody.
Samostatným typom je štartovanie fóliových kondenzátorov, ktoré sa používajú v čase štartovania motorov a vďaka svojej vysokej kapacite a špeciálnemu dielektrickému materiálu znižujú zaťaženie elektromotora. Vyznačujú sa vysokým prevádzkovým napätím a elektrickým jalovým výkonom.
Elektrolytické kondenzátory sú vyrobené v klasickom dizajne. Telo je vyrobené z hliníka, vo vnútri sú valcované plechy. Na jednej platni sa chemicky nanáša oxid kovu a na druhej sa nanáša tekutý alebo tuhý elektrolyt, čím sa vytvára dielektrikum. Vďaka takémuto zariadeniu majú elektrolytické kondenzátory veľkú kapacitu, ale zvláštnosťou ich použitia v priebehu času je jeho zmena.
Na rozdiel od keramických a filmových kondenzátorov majú elektrolytické kondenzátory polaritu. Na druhej strane sú rozdelené na nepolárne, bez tejto nevýhody, radiálne, miniatúrne, axiálne. Rozsah ich aplikácie je tradičná počítačová a moderná mikropočítačová technika.
Špeciálnym typom, ktorý sa objavil pomerne nedávno, sú ionistory. Vo svojom dizajne sú podobné elektrolytickým kondenzátorom, ale vyznačujú sa veľkou kapacitou (až do jednotiek Farad). Ich použitie je však obmedzené na malé maximálne napätie niekoľkých voltov. Superkondenzátory slúžia na ukladanie pamäte: ak sa vybije batéria v mobilnom telefóne alebo miniatúrnom počítači, uložené informácie sa nenávratne nestratia.
Okrem komponentov vo výstupnom prevedení, ktoré sa objavili už dávno a ktoré sa tradične používali, sa moderné komponenty vyrábajú vo verzii SMD, alebo, ako sa tomu hovorí, pre povrchovú montáž. Napríklad keramiku je možné vyrábať v rôznych veľkostiach puzdier, od najmenších (1 mm x 0,5 mm) po najväčšie (5,7 mm x 5 mm) a so zodpovedajúcimi napätiami od desiatok voltov až po stovky.
Elektrolytické kondenzátory je možné vyrábať aj v baleniach na povrchovú montáž. Môžu to byť štandardné hliníkové elektrolytické kondenzátory, alebo to môžu byť tantalové kondenzátory, ktoré vyzerajú trochu ako keramické, ale líšia sa od nich vyššou kapacitou a nízkymi stratami. Môžu byť pripnuté aj nepripnuté SMD.
Charakteristickým rysom tantalových kondenzátorov je dlhá životnosť a minimálne straty s mierne nižším kapacitným limitom, ale zároveň sa vyznačujú vysokou cenou. Používajú sa v obvodoch s vysokou zodpovednosťou, kde sa vyžaduje vysoká kapacita.
Podobné články:
