Kondensator odgrywa znaczącą rolę w rodzinie pasywnych elementów elektronicznych, a jego zastosowanie jest wszędzie. Pamiętasz lampę błyskową w swoim aparacie cyfrowym? lub możliwość zmiany kanału w telewizorze? Odpowiadają za to kondensatory.
Spis treści (kliknij aby szybko przejść)
- Budowa kondensatora
- Rodzaje kondensatorów
- Kondensatory ceramiczne
- Kondensatory elektrolityczne
- Superkondensatory
- Symbole kondensatorów
- Kto wynalazł kondensator?
- Jak działa kondensator?
- Pomiar ładunku na kondensatorze
- Pojemność kondensatora w obwodach równoległych i szeregowych
- Kondensator cena
- Dobór kondensatora
Budowa kondensatora
Mówiąc prościej – kondensator przechowuje ładunek elektryczny, podobnie jak akumulator. Znajdziesz je tam, gdzie, wymagane jest magazynowanie energii, tłumienie napięcia, a nawet filtrowanie sygnału. A jak wyglądają kondensatory? Cóż, trochę jak lodowa kanapka 🙂
Pomyśl o tej pysznej kanapce lodowej, którą smakowałeś w upalny letni dzień. Z dwóch stron masz wafelek i kremową warstwę lodów waniliowych pośrodku. Ta kompozycja dwóch warstw zewnętrznych i jednej warstwy wewnętrznej, identycznie wygląda kondensator.
Przedstawiamy budowę kondensatora:
Zaczynając od zewnątrz: Na górze i na dole kondensatora znajdziesz zestaw metalowych płytek, zwanych również przewodnikami. Ładunek elektryczny sprawia, że metalowe płytki przyciągają się do siebie.
Pośrodku: Pośrodku tych dwóch metalowych płyt znajdziesz izolator lub materiał elektrycznie obojętny. Ten izolator będzie powszechnie określany jako dielektryk i może być wykonany z papieru, szkła, gumy, plastiku itp.
Łącząc to razem: Dwie metalowe płytki na górze i na dole nasadki są połączone dwoma zaciskami elektrycznymi, które łączą ją z resztą obwodu. Jeden koniec kondensatora jest podłączony do zasilania, a drugi do masy
Rys. 1. Wewnętrzna anatomia kondensatora, mamy nasze dwie metalowe płytki, wewnętrzny dielektryk i zaciski połączeniowe.
Rodzaje kondensatorów
Kondensatory mają różne kształty i rozmiary, z których wszystkie określają, jak dobrze mogą utrzymać ładunek. Trzy najczęstsze rodzaje kondensatorów, z którymi się spotkasz, to kondensator ceramiczny, kondensator elektrolityczny i superkondensator. Poniżej pokrótce opisujemy każdy rodzaje kondensatora.
Kondensatory ceramiczne
W przeciwieństwie do swoich elektrolitycznych odpowiedników, kondensatory ceramiczne mają mniejszy ładunek, ale również „tracą” mniej prądu. Są najtańszymi kondensatorami z całej dostępnej gamy. Kondensator ceramiczny przewlekany można szybko zidentyfikować, szukając małych żółtych lub czerwonych punktów z dwoma wystającymi końcówkami.
Kondensatory elektrolityczne
Te wyglądają jak małe puszki, które można znaleźć na płytce drukowanej i mogą pomieścić ogromny ładunek elektryczny w swojej niewielkiej powierzchni. Są również jedynym typem kondensatora, który jest spolaryzowany, co oznacza, że będą działać tylko wtedy, gdy są podłączone w określonej orientacji. Na tych kondensatorach elektrolitycznych znajduje się styk dodatni, zwany anodą, oraz styk ujemny, zwany katodą. Anoda zawsze musi być podłączona do wyższego napięcia. Jeśli podłączysz go na odwrót, gdy katoda uzyska wyższe napięcie, przygotuj się na eksplodującą niespodziankę!
Kondensator elektrolityczny, zwróć uwagę na dodatni i dłuższy pin (anoda) oraz krótszy, ujemny pin (katodę).
Pomimo tego, że są w stanie utrzymać dużą ilość ładunku elektrycznego, kondensatory elektrolityczne są również dobrze znane z szybszego upływu prądu niż kondensatory ceramiczne. Z tego powodu nie są najlepszym wyborem, gdy trzeba przechowywać energię.
Pomimo tego, że są w stanie utrzymać dużą ilość ładunku elektrycznego, kondensatory elektrolityczne są również dobrze znane z szybszego upływu prądu niż kondensatory ceramiczne. Z tego powodu nie są najlepszym wyborem, gdy trzeba przechowywać energię.
Superkondensatory
Superkondensatory są super bohaterami z rodziny kondensatorów i mogą przechowywać duże ilości energii! Niestety superkondensatory nie radzą sobie zbyt dobrze z nadmiernymi napięciami, a jeśli przekroczysz maksymalne napięcie podane w charakterystyce, stracisz kondensator.
W przeciwieństwie do kondensatorów elektrolitycznych superkondensatory są używane do przechowywania i rozładowywania energii, podobnie jak w przypadku baterii. Ale w przeciwieństwie do baterii, superkondensatory uwalniają cały ładunek naraz i nigdy nie osiągniesz żywotności większej niż zwykła bateria.
Rys. 2 Superkondensator! Ma ogromną pojemność 3000F.
Symbole kondensatorów
Identyfikacja kondensatora na pierwszym schemacie jest bardzo łatwa, ponieważ występują tylko w dwóch typach, standardowe lub spolaryzowane. Sprawdź poniżej symbol kondensatora standardowego. Zauważysz, że to tylko dwie proste linie z odstępem pomiędzy nimi. Są to dwie metalowe płytki, które znajdziesz na górze i na dole fizycznego kondensatora.
Spolaryzowany kondensator wygląda nieco inaczej i zawiera w dolnej części wygiętą linię, a na górze dodatni biegun. Ten dodatni zacisk jest bardzo ważny i określa sposób podłączenia spolaryzowanego kondensatora. Dodatnia strona jest zawsze podłączona do zasilania, a strona łuku do uziemienia.
Kto wynalazł kondensator?
Angielski fizyk-chemik Michael Faraday przez wielu uważany za pioniera dzisiejszego kondensatora, nie był on pierwszym, który go wynalazł. Ważne było to, co zrobił Faraday – w swoich eksperymentach zademonstrował pierwsze praktyczne przykłady kondensatora i jego wykorzystania do przechowywania ładunku elektrycznego. To dzięki Faradayowi mamy również sposób na zmierzenie ładunku, jaki może utrzymać kondensator, znanego jako pojemność i mierzonego w Faradach!
Rys. 3 Michael Faraday
Przed Michaelem Faradayem niektóre zapisy wskazują, że nieżyjący już niemiecki naukowiec Ewald Georg von Kleist wynalazł pierwszy kondensator w 1745 roku. Kilka miesięcy później holenderski profesor nazwiskiem Pieter van Musschenbroek wymyślił podobny projekt, znany obecnie jako słój lejdejski. Dziwne wyczucie czasu, prawda? Wszystko to był jednak tylko zbieg okoliczności i obaj naukowcy otrzymali równe uznanie za ich początkowe wynalazki kondensatora.
Słynny Benjamin Franklin później ulepszył projekt Leyden Jar stworzony przez Musschenbroek. Franklin był również w stanie odkryć, że użycie płaskiego kawałka szkła jest świetną alternatywą dla całego projektu. Tak oto narodził się pierwszy płaski kondensator, nazwany Franklin Square.
Jak działa kondensator?
Przyjrzyjmy się szczegółowo działaniu tych potężnych kondensatorów na praktycznym przykładzie. Używałeś wcześniej aparatu cyfrowego, prawda? Wiesz więc, że między naciśnięciem przycisku, aby zrobić zdjęcie, a wyłączeniem lampy błyskowej, mija kilka krótkich chwil.
Co tu się dzieje? Do lampy błyskowej dołączony jest kondensator, który ładuje się po naciśnięciu przycisku, zrobienia zdjęcia. Gdy kondensator zostanie w pełni naładowany przez akumulator aparatu, cała ta energia eksploduje na zewnątrz w oślepiającym błysku światła!
Poniżej krok po kroku opisujemy jak działa kondensator:
1. Zasadę działania kondensatora zaczynamy od ładunku. Prąd elektryczny ze źródła zasilania najpierw przepływa do kondensatora i utknął na pierwszej płycie. Dlaczego się zacina? Ponieważ istnieje izolator, który nie przepuszcza żadnej ujemnie naładowanej elektroniki.
2. Narastają ładunki. Ponieważ coraz więcej elektronów przykleja się do tej pierwszej płytki, staje się ona naładowana ujemnie i ostatecznie odpycha wszystkie nadmiarowe elektrony, których nie może obsłużyć, na drugą płytkę. Druga płyta zostaje wtedy naładowana dodatnio.
3. Ładunek jest przechowywany. Gdy dwie płytki kondensatora nadal się ładują, ujemne i dodatnie elektrony gorączkowo próbują się połączyć, ale ten nieznośny izolator pośrodku im na to nie pozwala, tworząc pole elektryczne. Właśnie dlatego kondensator nadal utrzymuje i przechowuje ładunek, ponieważ istnieje nieskończone źródło napięcia między ujemną i dodatnią stroną dwóch płytek, które nie są rozdzielone.
4. Ładunek puszcza. Wcześniej czy później dwie płytki w naszym kondensatorze nie będą w stanie utrzymać ładunku, ponieważ mają pełną pojemność. Ale co się teraz dzieje? Jeśli w twoim obwodzie jest ścieżka, w której ładunek elektryczny może płynąć gdzie indziej, wszystkie elektrony rozładowują się, ostatecznie kończąc swoje napięcie, gdy szukają innej ścieżki do siebie.
Pomiar ładunku na kondensatorze
Jak zmierzyć, ile ładunku jest przechowywane w kondensatorze? Każdy kondensator ma na celu utrzymywanie określonej pojemności. Jest to mierzone w Faradaych. Ponieważ jeden Farad będzie zawierał tonę ładunku elektrycznego, zwykle zobaczysz kondensatory mierzone w pikofaradach lub mikrofaradach.
Teraz, aby dowiedzieć się, ile ładunku przechowuje kondensator, potrzebujesz tego równania:
Q = CV
W tym równaniu całkowity ładunek jest oznakowany przez (Q), a zależność tego ładunku można znaleźć mnożąc pojemność kondensatora (C) i napięcie zastosowane do niego (V). Należy zauważyć, że pojemność kondensatora ma bezpośredni związek z jego napięciem. Więc im bardziej zwiększysz lub zmniejszysz źródło napięcia w obwodzie, tym mniej/więcej będzie miał ładunek kondensatora.
Pojemność kondensatora w obwodach równoległych i szeregowych
Kiedy umieścisz kondensatory równolegle w obwodzie, możesz znaleźć całkowitą pojemność, dodając wszystkie poszczególne pojemności razem.
Uzyskanie całkowitej pojemności w obwodzie równoległym jest proste jak 1+1, wystarczy dodać je wszystkie razem!
Umieszczając kondensatory szeregowo, całkowita pojemność obwodu jest odwrotnością wszystkich zsumowanych pojemności. Szybki przykład, jeśli masz dwa kondensatory 10F połączone szeregowo, wytworzą one całkowitą pojemność 5F.
Uzyskanie całkowitej pojemności w obwodzie szeregowym jest nieco trudniejsze. Pojemność zostaje zmniejszona o połowę.
Kondensator cena
Cena kondensatora waha się przeważnie od kilkunastu groszy do kilku złoty. Wydajniejsze kondensatory kosztują nawet kilkadziesiąt złoty. Mogą Państwo kupić zestaw kondensatorów, którego cena wynosi około 40zł.
Dobór kondensatora
Sprowadźmy sprawy do praktyki i porozmawiajmy o tym, na co zwrócić uwagę przy wyborze kondensatora. Należy wziąć pod uwagę pięć zmiennych przy doborze kondensatora w tym:
1. Rozmiar – obejmuje zarówno fizyczny rozmiar kondensatora, jak i jego całkowitą pojemność. Nie zdziw się, jeśli wybrany kondensator jest największą częścią płytki, ponieważ im więcej potrzebujesz pojemności, tym kondensatory są większe.
2. Tolerancja – Podobnie jak ich odpowiedniki oporowe, kondensatory również mają zmienną tolerancję. Znajdziesz tolerancję dla kondensatorów w zakresie od ±1% do ±20% ich deklarowanej wartości.
3. Maksymalne napięcie – Każdy kondensator ma maksymalne napięcie, które może obsłużyć. W przeciwnym razie wybuchnie! Sprawdzisz maksymalne napięcia w dowolnym miejscu od 1,5 V do 100 V.
4. Równoważna rezystancja szeregowa – Jak każdy inny materiał fizyczny, zaciski kondensatora mają bardzo małą rezystancję. Stanowić może to problem, jeśli musisz liczyć się z utratą ciepła i mocy.
5. Prąd upływu – W przeciwieństwie do akumulatorów, kondensatory przepuszczają zgromadzony ładunek. I chociaż powoli się wyczerpuje, warto zwrócić uwagę na to, jak bardzo kondensator „przecieka”, jeśli jego podstawową funkcją jest magazynowanie energii.
Kondensator gotowy? Można zaczynać?
Kondensatory to fascynujące urządzenia, zdolne do przechowywania ładunku elektrycznego do różnych zastosowań, a nawet mogą działać jako wtórne źródło zasilania dla wrażliwych układów scalonych. Podczas pracy z kondensatorami zwracaj szczególną uwagę na maksymalne możliwe napięcie.
Jeżeli nadal masz pytania jak dobrać kondensator, bądź inne szczegółowe kwestie techniczne, pomoże Ci w tym nasz dział elektroniki https://www.ebmia.pl/kontakt
W kolejnych artykułach opisaliśmy:
Tranzystor – co to jest, zastosowanie rodzaje, budowa
Płytka PCB – co to jest, parametry, jaka najlepsza?
Spray do styków elektrycznych czy do elektroniki – co wybrać?
