Szczegółowe podstawy dotyczące kondensatorów

1. Definicja

Kondensator jest elementem elektrycznym służącym do magazynowania i uwalniania energii w polu elektrycznym. Kiedy napięcie zostanie przyłożone do jego zacisków, pomiędzy przewodnikami (płytami) powstaje pole elektryczne, umożliwiając kondensatorowi magazynowanie energii.

 

Jednostką pojemności jest farad (F). W zastosowaniach praktycznych częściej stosuje się mniejsze jednostki, takie jak mikrofarady (μF), nanofarady (nF) i pikofarady (pF).

 

2. Zasada działania

Kondensator składa się z dwóch płytek przewodzących oddzielonych materiałem izolacyjnym zwanym dielektrykiem. Kiedy do płytek przyłożone jest napięcie prądu stałego, elektrony gromadzą się na jednej płytce, nadając jej ładunek ujemny, podczas gdy taka sama liczba elektronów jest usuwana z przeciwległej płytki, powodując, że jest ona naładowana dodatnio.

 

To oddzielenie ładunku wytwarza pole elektryczne w dielektryku. Kondensator magazynuje energię w tym polu elektrycznym i utrzymuje ładunek tak długo, jak długo jest przyłożone napięcie i nie jest zapewniona ścieżka rozładowania. Po wprowadzeniu ścieżki przewodzącej zmagazynowana energia jest uwalniana w miarę przepływu prądu przez obwód zewnętrzny.

 

3. Pojemność

Pojemność C kondensatora zależy od następujących czynników:

 

Powierzchnia płytyA:Większa powierzchnia płytki skutkuje wyższą pojemnością.

 

Rozstaw płytd:Mniejsza odległość między płytami zwiększa pojemność.

 

Przepuszczalnośćε:Rodzaj materiału dielektrycznego wpływa na pojemność; materiały o wyższej przenikalności dają wyższą pojemność.

 

Związek jest dany przez:

 

 

Gdzie:

• Ε jest przenikalnością materiału dielektrycznego

 

• A jest efektywną powierzchnią płytek

 

• d jest odległością między płytami

 

4. Jednostka pojemności

 

Jednostką pojemności jest farad (F). Ponieważ farad jest bardzo dużą jednostką, większość praktycznych kondensatorów jest podawana w mniejszych jednostkach, takich jak pikofarady (pF), nanofarady (nF) i mikrofarady (μF).

Pojemność wskazuje, ile ładunku elektrycznego kondensator może zgromadzić na jednostkę napięcia. Definiuje ją zależność:

Gdzie:

 

• Q to zmagazynowany ładunek,

 

• C to pojemność i

 

• V to przyłożone napięcie.

 

Zatem wyższa pojemność oznacza, że ​​przy tym samym napięciu można zmagazynować więcej ładunku.

 

Należy zauważyć, że pojemność sama w sobie nie stanowi bezwzględnej pojemności ładunku; opisuje raczej związek między ładunkiem i napięciem. Dla danej pojemności stała ilość ładunku odpowiada proporcjonalnej zmianie napięcia.

 

Napięcie znamionowe kondensatora odnosi się do maksymalnego napięcia, jakie może bezpiecznie wytrzymać bez uszkodzeń. Ilość zmagazynowanego ładunku wzrasta zarówno wraz z pojemnością, jak i przyłożonym napięciem.

 

Ogólnie rzecz biorąc, większe kondensatory (o wyższych wartościach pojemności) mają zwykle większe rozmiary fizyczne i wyższe koszty.

 

5.Klasyfikacja kondensatorów

Kondensatory spolaryzowane

Kondensatory spolaryzowane mają wyraźnie określone zaciski dodatnie i ujemne. Muszą być podłączone z zachowaniem właściwej polaryzacji; w przeciwnym razie odwrotne podłączenie może spowodować przegrzanie, wyciek, a nawet pęknięcie i eksplozję.

 

Kondensatory elektrolityczne

Kondensatory elektrolityczne ciekłe są rodzajem kondensatorów spolaryzowanych. Oferują stosunkowo dużą pojemność i mogą wytrzymać wyższe poziomy napięcia, ale zazwyczaj są większe, mają ograniczoną wydajność w zakresie wysokich-częstotliwości i umiarkowaną żywotność.

 

Kondensatory te są szeroko stosowane w obwodach zasilających do filtrowania i wygładzania napięcia.

 

Typowym przykładem jest aluminiowy kondensator elektrolityczny. Często instaluje się go w pobliżu zasilaczy, aby zapewnić magazynowanie energii i stabilizację napięcia.

 

Półprzewodnikowe-kondensatory elektrolityczne

 

Kondensatory tantalowe to rodzaj kondensatorów elektrolitycznych, w których wykorzystuje się tantal jako anodę i stały elektrolit. Należą do kategorii półprzewodnikowych-kondensatorów elektrolitycznych.

 

Oferują wysoką pojemność na jednostkę objętości (mały rozmiar), dobrą stabilność, niski prąd upływowy i niezawodne działanie w szerokim zakresie temperatur.

Jednak zazwyczaj mają one niższe napięcie znamionowe w porównaniu do niektórych innych typów kondensatorów i są wrażliwe na przepięcie i odwrotną polaryzację.

 

Kondensatory tantalowe są spolaryzowane i muszą być podłączone z zachowaniem właściwej polaryzacji. Są one powszechnie stosowane w niskonapięciowych-kompaktowych urządzeniach elektronicznych do filtrowania, odsprzęgania zasilania i zastosowań audio.

 

Na przykład kondensatory tantalowe są szeroko stosowane w telefonach komórkowych, a także powszechnie spotykane w komputerach.

 

Kondensatory nie-spolaryzowane

 

Kondensatory ceramiczne

Kondensatory ceramiczne (znane również jako kondensatory ceramiczne dyskowe) to elementy-niespolaryzowane, co oznacza, że ​​nie mają biegunów dodatnich ani ujemnych i można je podłączać w dowolnym kierunku.

 

Charakteryzują się małymi wartościami pojemności, wysokim napięciem znamionowym, kompaktowymi rozmiarami i doskonałą-wydajnością w zakresie wysokich częstotliwości. Ze względu na te właściwości kondensatory ceramiczne są szeroko stosowane w zastosowaniach takich jak odsprzęganie, filtrowanie i sprzęganie sygnałów w obwodach elektronicznych.

 

6. Tolerancja wymiarów

 

Kondensatory mają na ogół stosunkowo szerokie tolerancje w porównaniu do innych elementów elektronicznych.

 

W przypadku kondensatorów ceramicznych typowe stopnie tolerancji obejmują:

 

±5% (J)– większa tolerancja

 

±10% (K)– powszechnie stosowane

 

±20% (M)– powszechnie stosowane

 

+80% / −20% (Z)– bardzo luźna tolerancja

 

W rzeczywistości:

 

Kondensatory poziomu pF-często stosują tolerancję ± 5%.

 

Kondensatory poziomu nF-zazwyczaj stosuje się tolerancję ±10%.

 

Kondensatory poziomu μF-powszechnie stosuje się tolerancję ±20%.

 

Kondensatory elektrolitycznesą zwykle oceniane na ± 20% lub więcej

 

Kondensatory o wysokiej-precyzyjności są rzadziej stosowane, ponieważ wiele zastosowań kondensatorów-takich jak filtrowanie zasilania i wygładzanie napięcia-nie wymaga bardzo dokładnych wartości pojemności. Małe odchylenia mają zwykle minimalny wpływ na wydajność obwodu.

 

Jednakże w zastosowaniach takich jak sieci dopasowujące RF i filtrujące, w celu zapewnienia stabilnej charakterystyki częstotliwościowej mogą być wymagane węższe tolerancje (np. ±5%). Nawet w takich przypadkach niezwykle wysoka precyzja jest często niepotrzebna, ponieważ standardowe tolerancje są wystarczające do utrzymania prawidłowego działania.

 

7. Wymiary kondensatora

 

W przypadku kondensatorów ceramicznych i tantalowych wymiarowanie obudowy odbywa się według tych samych standardów, co w przypadku rezystorów. W przypadku mniejszych{1}}komponentów do montażu powierzchniowego stosuje się kody imperialne, takie jak 0201, 0402, 0603 i 0805, podczas gdy większe opakowania mogą być również wyrażane w kodach metrycznych, takich jak 2520, 3525 itp.

 

W przypadku cylindrycznych kondensatorów elektrolitycznych wymiary są zazwyczaj określane jako średnica x wysokość (np. 6 mm x 11 mm).

 

W projektowaniu sprzętu ogólnie zaleca się, jeśli to możliwe, zarezerwowanie nieco większej powierzchni dla kondensatorów. Na przykład, jeśli przydzielona zostanie powierzchnia o wymiarach 6 × 11 mm, maksymalna typowa specyfikacja może wynosić około 100 μF, 25 V. Chociaż w celu zmniejszenia kosztów łatwo jest zastąpić mniejszy kondensator, modernizacja do znacznie większej pojemności w tym samym rozmiarze zwykle nie jest możliwa. Na przykład kondensator 470 μF, 25 V nie może być zazwyczaj wyprodukowany w obudowie o wymiarach 6 × 11 mm.

 

To samo dotyczy kondensatorów ceramicznych. Na przykład w przypadku obudowy 0805 maksymalna powszechnie dostępna specyfikacja wynosi około 22 μF, 6,3 V. Kondensatory o większej pojemności lub wyższym napięciu znamionowym są trudne do uzyskania w obudowie tej wielkości.