KONDENSATORY cz.2

Niektóre kondensatory wygładzają kształt przebiegu prądu. Inne przepuszczają sygnały i sprzęgają je ze sobą. Specjalne kondensatory o zmiennej pojemności służą do przestrajania radia i wyszukiwania stacji. Niezależnie jednak od zastosowania wszystkie kondensatory składają się z dwóch przewodników, zwanych okładzinami lub elektrodami, rozdzielonych dielektrykiem.

Jeżeli do okładzin kondensatora doprowadzimy napięcie elektryczne U, to na okładzinach zacznie się gromadzić ładunek elektryczny Q, przy czym na jednej okładzinie zgromadzi się ładunek dodatni, a na drugiej - ujemny. Ładunek zgromadzony na jednej z okładzin nazywamy ładunkiem kondensatora.

Doświadczalnie stwierdzono, że pomiędzy przyłożonym napięciem a ładunkiem kondensatora istnieje związek, a mianowicie ładunek jest wprost proporcjonalny do napięcia, czyli:

Q = CU

przy czym wielkość C nazywamy pojemnością kondensatora.

Pojemnością kondensatora nazywamy więc stosunek ładunku kondensatora do napięcia występującego pomiędzy jego okładzinami. czyli:

C = Q/U

Jednostką pojemności jest 1 farad (1 F).

Pojemność jest własnością kondensatora określającą jego zdolność do gromadzenia ładunku elektrycznego.

Zmiany napięcia doprowadzonego do kondensatora wywołują zmiany ładunku kondensatora, w wyniku tego przez kondensator płynie prąd o natężeniu:

Doprowadzenie napięcia o kształcie sinusoidalnym powoduje przepływ przez kondensator prądu o takim samym kształcie, lecz przesuniętego w fazie względem napięcia o pewien kąt.

PARAMETRY KONDENSATORÓW

Podstawowymi parametrami kondensatora są pojemność znamionowa wraz z tolerancją oraz napięcie znamionowe i stratność dielektryczna(tangens kąta strat). Do ważniejszych parametrów kondensatora zalicza się napięcie probiercze, dopuszczalne napięcie przemienne, rezystancję izolacji, temperaturowy współczynnik pojemności.

• Pojemność znamionowa C kondensatora jest to wartość pojemności założona przy wytwarzananiu kondensatora, która z uwzględnieniem tolerancji jest podawana jako jego cecha. W określonych warunkach różnica między pojemnością rzeczywistą a znamionową kondensatora, tj. odchyłka pojemności kondensatora, nie może być większa niż wartość wynikająca z tolerancji.
  Wartości pojemności znamionowej tworzą ciągli liczb, które (podobnie jak dla rezystorów) oznacza się symbolami E3, E6, E12 itd.
  
  Czynnikiem, który w największym stopniu wpływa na pojemność kondensatora, poza powierzchnią i odległością elektrod, jest zdolność dielektryka (w ujęciu makroskopowym) do przyjęcia ujemnego ładunku w pobliże dodatniej elektrody, i dodatniego ładunku w pobliże elektrody ujemnej, co powoduje że wpływ odległości między elektrodami zmniejsza się.
  
  W celu obliczenia pojemności kondensatora, korzystamy z następującej zależności:

C = E x A/d

gdzie:
C - pojemność w faradach,
A - powierzchnia w m²,
d - odstęp miedzy elektrodami w m,
E - przenikalność, która właściwie jest iloczynem E_o x E_r
gdzie E_o jest przenikalnością próżni i wynosi 8,85 x 10^-12 a E_r jest liczbą względną, która określa przenikalność dielektryka w stosunku do przenikalności w próżni E_r nazywana jest często stałą dielektryczną lub liczbą pojemnościową.

Z tego wynika, że wybór dielektryka w decydującym stopniu wpływa na pojemność kondensatora i jego wymiary. Istnieją jednak inne cechy (zalety i wady) materiałów, które powodują, że nie zawsze można stosować materiały o najwyższej stałej dielektrycznej.

• Napięcie znamionowa U_n kondensatora jest to wartość napicia stałego (dla niektórych kondensatorów wartość napięcia przemiennego o określonej częstotliwości, zwykle 50 Hz), które może być długotrwale doprowadzone do kondensatora nie powodując jego uszkodzenia ani jakiejkolwiek trwałej zmiany jego parametrów. Wartości napięcia znamionowego są znormalizowane, przykładowo biorąc, są to wartości 25 V, 63 V, 100 V, 160 V, 250 V, itd. Przez określony czas (zwykle 1 minutę) kondensator powinien także bez żadnej szkody wytrzymać napięcie o większej wartości, nazywane napięciem probierczym U_p (w zależności od typu kondensatora U_p = 1,4 - 2,5 U_n). Wartość obu tych napięć dla danego typu kondensatora zależy również od warunków pracy kondensatora, tj. rodzaju doprowadzonego napięcia (stałe, przemienne, impulsowe) oraz temperatury otoczenia, przy czym zmniejsza się ona ze wzrostem zarówno częstotliwości, jak i temperatury. Jeżeli do kondensatora jest doprowadzone napięcie zmienne, to w pierwszym przybliżeniu można przyjąć warunek, aby suma składowej stałej i składowej przemiennej nie przekraczała wartości napięcia znamionowego określonego dl przebiegu prądu stałego.

• Stratność kondensatora, tj. jednostkowe straty energii wynikające z pracy kondensatora przy napięciu przemiennym, charakteryzuje tangens kąta strat (czyli tg ). Straty kondensatora są zazwyczaj większe niż samego dielektryku ze względu na występowanie strat w elektrodach i doprowadzeniach. Wartość strat zależy od częstotliwości i temperatury, przy czym przebieg tej zależności jest złożoną funkcją polaryzacji i konduktancji (przewodności) dielektryku kondensatora. W katalogach wartość tg podaje się dla ściśle określonej częstotliwości pomiarowej, zwykle 1 kHz lub 1 MHz (dla kondensatorów elektrolitycznych - 100 Hz).

• Kondensator dla prądu stałego stanowi element charakteryzujący się pewną rezystancją R_i, nazywaną rezystancją izolacji, której wartość zależy przede wszystkim od rodzaju dielektryku, a często także od konstrukcji kondensatora. Dla kondensatorów stałych o niezbyt dużej pojemności, znaczący wpływ na rezystancję izolacji ma materiał obudowy (sposób izolacji). W kondensatorach o większej pojemności, ze względu na coraz silniej uwidaczniający się wpływ rozmiarów dielektryku, bardziej reprezentatywnym parametrem staje się iloczyn rezystancji izolacji i pojemności znamionowej, tj. R_i*C, określający tzw. stałą czasową kondensatora. W przypadku kondensatorów elektrolitycznych zwykle zamiast rezystancji izolacji podaje się prąd upływu I_u. Powoduje on samorozładowanie kondensatora. Może to być czynnikiem krytycznym np. w obwodach czasowych.

Naładowanie i rozładowanie kondensatora zajmuje zawsze pewien czas. Zmiany ładunku wiążą się z kolei z przepływem prądu przez jakąś rezystancję. Przez stałą czasową t rozumiemy czas, który jest potrzebny żeby ładunek osiągnął 63,2% (1 - e^-1) maksymalnego napięcia. t = RC gdzie: t podany jest w sekundach o ile R podane jest w omach, a C w faradach. Przyjmuje się, że kondensator jest całkowicie naładowany, po czasie 5t.

• W celu lepszego zrozumienia zależności między parametrami kondensatora, należy przyjąć następujący uproszczony schemat zastępczy:

gdzie:
Rs - rezystancja szeregowa wyprowadzeń i elektrod, elektrolitu, jak również straty w dielektryku,
Ls - indukcyjność doprowadzeń i elektrod,
C - pojemność,
Rp - rezystancja izolacji w dielektryku.

• ESR (zastępcza rezystancja szeregowa) reprezentuje całkowite straty w kondensatorze, które poza rezystancją szeregową doprowadzeń i elektrod Rs, obejmują straty w dielektryku, powstające przy oddziaływaniu na niego zmiennego pola elektrycznego. ESR jest funkcją częstotliwości i temperatury.
  
  Straty powodują wzrost temperatury, która musi być kontrolowana, o ile jej wzrost jest znaczny.
  
  Zastępczą rezystancje szeregową możemy powiązać ze współczynnikiem strat kondensatora następującym równaniem:

tg = ESR/X_c

Współczynnik strat jest więc stosunkiem ESR do reaktancji X_c.

Kondensator, przy przepływie prądu zmiennego, stanowi opór zależny od częstotliwości, który jest nazywany reaktancją pojemnościową (Xc). Xc = 1/(wC) gdzie: w - omega - pulsacja (2 * pi * f) w Hz, Xc - reaktancja w omach, C - pojemność w faradach.

Moc wydzielana w kondensatorze wyrażona jest zależnością:

P = U² * w * C * tg

Gdy częstotliwość przyłożonego napięcia jest równa tej, przy której zmierzono ESR, można powyższy wzór zapisać:

P = U² * ESR

• Właściwości kondensatorów zalezą od temperatury, dlatego istotne znaczenie ma określenie przedziału dopuszczalnych zmian temperatury, czyli tzw. znamionowego zakresu temperatury pracy, w którym kondensator może pracować w sposób ciągły. Na szczególną uwagę zasługuje temperaturowy współczynnik pojemności TWP, wyrażający względną zmianę pojemności wywołaną jednostkowym przyrostem temperatury, równy dC/(C*dT),określany zwykle w jednostkach 10^-6/^oC czyli ppm/^oC (milionowa część na stopień Celsjusza). Współczynnik ten może mieć wartość dodatnią, ujemną lub nawet równą zeru w zależności od typu kondensatora i rozpatrywanego zakresu temperatur. Niekiedy podaje się współczynnik wyrażający temperaturową zmianę pojemności TZP = dC/C określany w %.

• ESL (szeregowa indukcyjność zastępcza), jest indukcyjnością wyprowadzeń i elektrod L_S. Indukcyjność współczesnych kondensatorów zwykle zawiera się w zakresie 10-100 nH.

• Energię którą można magazynować w kondensatorze wylicza się ze wzoru:

E = 1/2 * C * U²

gdzie: E - energia w kondensatorze w joulach (Ws),
C - pojemność w faradach,
U - napięcie w woltach.

• Jednym z parametrów kondensatora jest częstotliwość rezonansu własnego, który występuje gdy wartości bezwzględne X_C i X_L są sobie równe i kompensują się wzajemnie. Przy tej częstotliwości impedancja jest równa ESR.

Impedancja kondensatora jest przedstawiona zależnością: gdzie: Z - impedancja w omach, XC i XL jest odpowiednio reaktancją pojemnościową i indukcyjną przy danej częstotliwości.

• Odporność na napięcie impulsowe określa, z jaką częstotliwością kondensator może być ładowany i rozładowywany. Zmiany napięcia powodują przepływ prądu przez elektrody i doprowadzenia, w rezystancji których następuje wydzielenie pewnej mocy. Gdy gęstość prądu w elektrodach będzie duża, wzrasta oporność własna, a w związku z tym straty mocy. Przy bardzo wysokich prądach może nastąpić stopienie i wyparowanie elektrod i wówczas w kondensatorze powstaje ciśnienie gazów, które może mieć fatalne skutki. Zmiany napięcia prowadzą ponadto do strat w dielektryku, które wspólnie ze stratami w rezystancji powodują wzrost temperatury kondensatora.
  
  Odporność na napięcie impulsowe jest podawane łącznie z napięciem pracy, które jest równe nominalnemu. Odporność na napięcie impulsowe jest parametrem katalogowym i zależy od przyjętych warunków badania. W zależności od przyjętej metody (zgodnej z obowiązującymi normami) ilość impulsów, ich częstotliwość, wzrost temperatury itd., mogą być różne.
  
  Maksymalne napięcie pracy zależy od wielu czynników m.in. od wytrzymałości elektrycznej dielektryka, jego grubości, odległości między elektrodami i wyprowadzeniami, rodzaju obudowy. Odporność na przebicie zależy od temperatury i częstotliwości. Dlatego należy uważać, żeby nie przekroczyć maksymalnego napięcia w danych warunkach. Nawet gdy nie nastąpi bezpośrednie przebicie dielektryka zbyt wysokie natężenie pola elektrycznego może spowodować długotrwałe zmiany w dielektryku. Kiedy kondensator został naładowany a dipole dielektryka powstały i zostały obrócone w kierunku napięcia pola, to po rozładowaniu kondensatora nie wszystkie powracają do swojej pierwotnej pozycji. Te dipole, które pozostały w swoim nowym położeniu powodują, że w rozładowanym kondensatorze pozostaje pewne napięcie. Zjawisko to nazywa się absorpcją dielektryczną i występuje w większym lub mniejszym stopniu we wszystkich kondensatorach. W niektórych zastosowaniach np. w obwodach próbkujących, podtrzymujących i w układach audio, wymaga się, żeby była ona tak niska jak tylko to jest możliwe. Absorpcję dielektryczną mierzy się w procentach napięcia początkowego, po pewnym czasie od początku zwarcia. Istnieje cały szereg znormalizowanych metod pomiaru tego parametru.

POŁĄCZENIA KONDENSATORÓW

Kondensatory w układach mogą być łączone:

• szeregowo

• równolegle

• mieszanie

• Cechy charakterystyczne połączenia szeregowego:

  • ładunki na każdym kondensatorze mają jednakową wartość

  • napięcie całkowite przyłożone do gałęzi jest sumą napięć na poszczególnych kondensatorach

  • dowolną ilość szeregowo połączonych kondensatorów można zastąpić jednym. Zamiana ta nie może spowodować zmiany napięcia całkowitego U i ładunku zgromadzonego w układzie. Pojemność zastępczego kondensatora czyli pojemność zastępczą C_Z obliczamy ze wzoru:

• Cechy charakterystyczne połączenia równoległego:

  • napięcie na każdym z kondensatorów jest jednakowe

  • ładunek całkowity jest sumą ładunków na poszczególnych kondensatorach

  • dowolną ilość równolegle połączonych kondensatorów można zastąpić jednym. Pojemność zastępczą C_Z obliczamy ze wzoru:

C_Z = C₁ + C₂ + C₃ ...

• Połączenie mieszane to takie, w którym występują łączenia równoległe i szeregowe.

Copyright (c) 2003-2005 ERES S.I.