Kondensatoriaus Įtampa: Veikimo Principai, Tipai ir Panaudojimas

Kondensatorius - tai elektronikos komponentas, kurį galima rasti beveik kiekviename elektroniniame įrenginyje, nuo paprasčiausių radijo imtuvų iki sudėtingiausių kompiuterių. Nors jo pavadinimas gali skambėti gana techniškai, jo veikimo principas iš esmės yra gana paprastas. Šis komponentas atsirado dar XIX amžiuje ir nuo to laiko tapo neatsiejama elektronikos dalimi. Kondensatorius (lot. condensatus - sutirštintas) - elektros grandinės elementas, galintis kaupti elektros energiją ir tiekti ją elektros grandinei.

Kondensatorius sudaromas iš dviejų laidžių tam tikros formos elektrodų, tarp kurių yra dielektriko (rečiau puslaidininkio) sluoksnis. Prie elektrodų prijungus nuolatinę įtampą jie įkraunami, dielektrikas poliarizuojasi ir susikaupia vienodo dydžio, bet priešingo ženklo krūviai - kondensatoriuje susidaro elektrinis laukas. Įdomu tai, kad elektros srovė per kondensatorių neteka - dielektrikas to neleidžia. Tačiau krūviai kaupiasi ant plokštelių paviršių, sukurdami elektrinį lauką tarp jų.

Kondensatorių 1745 išrado Ewaldas Georgas von Kleistas (Vokietija) ir Pieteris van Musschenbroekas (Nyderlandai).

Pagrindiniai Parametrai ir Elektrinė Talpa

Kondensatoriaus svarbiausias parametras - elektrinė talpa. Dydis C, lygus vienos kondensatoriaus plokštelės krūvio ir įtampos tarp plokštelių santykiui, vadinamas kondensatoriaus elektrine talpa ir yra vienas iš jo parametrų. Kondensatoriaus talpą matuojame faradais (F), nors praktikoje dažniausiai naudojami mikrofaradai (µF) ar pikofaradai (pF).

Elektrinė talpa priklauso nuo kondensatoriaus elektrodų geometrinių matmenų, medžiagos tarp jų sluoksnio storio ir jos dielektrinės skvarbos. Elektrinė konstanta priklauso nuo vienetų sistemos. Erdvę tarp kondensatoriaus plokštelių užpildžius kokia nors medžiaga - dielektriku, kondensatoriaus talpa padidės ε kartų. Daugiklis ε, vadinamas medžiagos santykine dielektrine skvarba, yra bematis dydis. Talpa priklauso nuo plokštelių ploto, atstumo tarp jų ir dielektriko savybių. Kiti svarbūs parametrai - darbinė įtampa, leidžiamasis talpos nuokrypis, temperatūrinis talpos koeficientas. Kondensatoriaus dielektrinius nuostolius nusako nuostolių parametras.

Panagrinėkime du laidininkus, turinčius vienodo didumo, bet priešingų ženklų krūvius. Tokia sistema vadinama kondensatoriumi. Priešingais ženklais įelektrinti krūviai sukuria potencialų skirtumą (arba įtampą ) tarp laidininkų. Dydis, kuris nusako kokį krūvį laidininkai gali sukaupti, vadinamas elektrine talpa C:

q - laidininkuose sukauptas krūvis, U - įtampa tarp laidininkų. [C] = 1F.

Tarkime, turime kondensatorių, kurį sudaro dvi lygiagrečios ploto S plokštės, o atstumas tarp jų d. Kai kondensatorius yra neįkrautas, tai jį prijungus prie šaltinio sukuriamas elektrinis laukas laiduose. Elektrinis laukas verčia judėti elektronus laidais link plokštelės, kuri prijungta prie neigiamo šaltinio gnybto. Elektronai juda tol, kol tarp šaltinio gnybto ir plokštelės nusistovi tas pats potencialas. Tokiu būdu plokštė yra įelektrinama neigiamai. Panašus procesas vyksta ir kitoje plokštėje. Tik čia elektronai juda laidu nuo plokštės link teigiamo šaltinio gnybto, ir tokiu būdu plokštė įelektrinama teigiamai. Potencialų skirtumas tarp kondensatoriaus plokščių tampa lygus potencialų skirtumui tarp šaltinio gnybtų. Kondensatoriaus talpa nepriklauso nei nuo krūvio, sukaupto laidininkuose, nei nuo įtampos tarp laidininkų.

Natūralūs kondensatoriai yra, pavyzdžiui, du elektros tinklo laidai, dvi kabelio gyslos, kabelio gysla ir šarvas, perėjimo izoliatorius (izoliuojantis laidą nuo sienos arba metalinio korpuso sienelės). Kondensatoriai kaupia ir išlaiko savo plokštelėse vienodo didumo ir priešingų ženklų elektros krūvius.

Kondensatorių Jungimas

Norint gauti tam tikrą talpą arba kai tinklo įtampa viršija vardinę kondensatoriaus įtampą, kondensatorius reikia jungti. Yra du pagrindiniai kondensatorių jungimo būdai:

• Nuoseklus jungimas;
• Lygiagretus jungimas.

Nuoseklus Jungimas

Sujungus kondensatorius nuosekliai, visų kondensatorių elektrodų krūviai bus vienodi, nes iš maitinimo šaltinio jie patenka tik į išorinius elektrodus, o vidiniuose elektroduose jie gaunami tik pasiskirsčius krūviams, anksčiau neutralizavusiems vieniems kitus.

Lygiagretus Jungimas

Visų lygiagrečiai sujungtų kondensatorių bendras krūvis yra lygus atskirų kondensatorių krūvių sumai.

Kondensatoriaus Įkrovimas ir Iškrovimas

Įkrovimas

Kadangi įjungimo momentu kondensatorius dar neįkrautas, tai jo įtampa uc = 0. Kondensatoriaus įkrovimas vyksta juo lėčiau, juo didesnė srovę ribojanti grandinės varža R ir juo didesnė kondensatoriaus talpa C, nes, esant didesnei talpai, reikia sukaupti didesnį krūvį.

Per pakankamai ilgą laiką kondensatorius įkraunamas.

Iškrovimas

Dabar išnagrinėkime kondensatoriaus C, kuris buvo įkrautas iš maitinimo šaltinio iki įtampos U, iškrovimo per rezistorių R procesą. Sujungus schemą kaip parodyta paveiksliuke, pradiniu momentu grandinėje atsiranda srovė i = U/R = I, kondensatorius pradeda mažėti. Įtampai uc mažėjant, mažėja ir srovė grandinėje i = uc/R. Per kurį laiką, kondensatoriaus įtampa ir srovė grandinėje sumažėja maždaug iki 1 % nuo pradinių verčių, ir kondensatoriaus iškrovimo procesą galima laikyti baigtu.

Kondensatoriaus iškrovimas, kuris vyksta dėl blogo dielektriko ir izoliacijos, vadinamas saviiškrova.

Kondensatorių Tipai

Elektronikos parduotuvėse rasite daugybę skirtingų kondensatorių tipų, ir kiekvienas turi savo paskirtį. Pagal elektrodus kondensatoriai būna paprastieji, elektrolitiniai ir puslaidininkiniai, vienasluoksniai ir daugiasluoksniai, pastovieji, derinamieji ir kintamieji, pagal dielektriką - keraminiai, polimeriniai, oksidiniai, žėrutiniai, popieriniai, oriniai, vakuuminiai ir kiti. Turi apsauginį korpusą arba būna bekorpusiai, t. p. laidinius išvadus arba tik litavimo aikšteles (paviršinio montavimo kondensatorius).

Dažniausiai naudojamas kondensatorių žymėjimas: K61-3;KT-2 ir t. t. Daugiau ar mažiau panašūs yra šie kondensatorių tipai: kondensatoriai su kietais dielektrikais, kondensatoriai su žėrutiniais dielektrikais, kondensatoriai su popieriniu dielektriku, kondensatoriai su dielektriku iš oksidinio sluoksnio ant ventilinio metalo ir t. t.

Štai keletas pagrindinių tipų:

• Elektrolitiniai kondensatoriai - tie dideli, cilindro formos - pasižymi didele talpa ir dažniausiai naudojami maitinimo šaltiniuose.
• Keraminiai kondensatoriai atrodo kaip maži diskeliai ar stačiakampiai gabaliukai. Jie neturi poliarumo ir puikiai tinka aukšto dažnio grandinėms.
• Tantalio kondensatoriai yra kompaktiški ir patikimi, bet brangesni. Juos dažnai naudoja mobiliųjų įrenginių gamintojai.

Kondensatorių Panaudojimas

Kondensatoriai elektronikos grandinėse atlieka kelis svarbius vaidmenis. Vienas iš svarbiausių - energijos kaupimas. Filtravimas - dar viena svarbi funkcija. Maitinimo šaltiniuose kondensatoriai „išlygina” kintamąją srovę, paversdami ją nuolatine. Signalų atskyrimas taip pat neįmanomas be kondensatorių. Jie gali praleisti kintamosios srovės signalus, bet blokuoja nuolatinę srovę. Rezonansiniuose kontūruose kondensatoriai kartu su ritėmis formuoja filtrus, kurie praleidžia tik tam tikrų dažnių signalus.

Nors kondensatoriai gali atrodyti kaip grynai techniniai komponentai, jie paveiks jūsų gyvenimą kiekvieną dieną. Jūsų šaldytuve kondensatorius padeda paleisti kompresoriaus variklį. Kompiuterio maitinimo bloke šimtai kondensatorių užtikrina, kad procesorius ir kiti komponentai gautų stabilų elektros tiekimą. Automobilyje kondensatoriai naudojami uždegimo sistemoje, oro kondicionieriuje, garso sistemoje. Pramonėje kondensatoriai naudojami galios faktorių korekcijoms, variklių paleidimui, suvirinimo aparatuose energijos kaupimui.

Mikrograndynų kondensatorius - tai sluoksniniai metalo ir puslaidininkio, metalų ir dielektrikų dariniai, gaminami daugiasluoksne technologija. Kondensatoriai naudojami elektronikoje, energetikoje, elektrinių matavimų technikoje signalams diferencijuoti, integruoti, uždelsti, įsiminti, t. p.

Šio tipo kondensatoriai su įtampos nukrypimais nuo 3 iki 20 kV naudojami darbui pastovios ir pulsuojančios srovės grandinėse. Šio tipo kondensatoriai su įtampos nukrypimais nuo 63 iki 400 V naudojami darbui pastoviose, kintamose ir pulsuojančiose grandinėse.

Gedimai ir Pavojai

Kondensatoriai, kaip ir visi elektronikos komponentai, gali sugesti. Elektrolitinių kondensatorių gedimas dažnai pats save išduoda - jie išsipučia, pradeda tekėti ar net sprogsta. Keraminiai kondensatoriai genda retai, bet gali įtrūkti nuo mechaninio poveikio ar temperatūros šoko. Kondensatoriaus gedimą galima įtarti, jei įrenginys pradeda veikti nestabiliai, atsiranda triukšmas maitinimo grandinėse, arba įrenginys visai nebeįsijungia.

Kondensatoriai gali būti pavojingi, ypač dideli, aukštos įtampos. Net išjungus įrenginį, kondensatoriai gali išlaikyti krūvį ilgą laiką. Prieš dirbant su elektronika, visada reikia išjungti maitinimą ir palaukti, kol kondensatoriai išsikraus. Keičiant kondensatorius, svarbu atsižvelgti į jų parametrus - talpą, darbo įtampą ir poliarumą.

Elektrolitinių kondensatorių maras

Eletrolitinių kondensatorių maras niekaip nesibaigia, o tiktai stiprėja. Šio maro ekonominės pasekmės kogero dar didesnės nei nuo žvėrelių gripo. Tačiau šis maras yra mažiau pastebimas ir paprasti žmogeliukai net nepastebi jo. Jie tiktai mato, kad jų buitinis prietaisas staiga pradėjo kvailioti, arba išviso nebeįsijungia ar staiga kambaryje užuodžiama specifinė smarvė.

Yra visokių legendų apie šią ligą, tačiau pagrindinė konspiracijos teorija kuria linkiu tikėti yra labai paprasta: vartotojiškos visuomenės skatinimas. Paprasčiausiai elektronikos gamintojams ekonomiškai neapsimoka gaminti patikimą buitinę aparatūrą. Ypač kai elektronikos progresas toks spartus- kam reikalingas koks nors DVD grotuvas, kai už poros metų BlueRay grotuvas ar koks media centras bus žymiai geresnis. Todėl ir projektuojant aparatūrą paprasčiausiai paskaičiuojama, kad prietaisas veiktu jam skirtą garantinį laikotarpį, o toliau gi nesvarbu. Tačiau ne visi žmonės gali sau leisti keisti aparatūrą kaip kojines ir jie bando techniką remontuotis.

Taigi žmonės bando keisti elektrolitinius kondensatorius patys. Ir jiems iškyla klausimai, į kuriuos jie patys negali atsakyti, nes tai patys elementariausi klausimai elektronikos specialistui esantys “naturaliai suprantami”.

Kas yra kondensatorius (kondikas) ir kas yra “elektrolitas” ar elektrolitinis kondensatorius?

Kondensatorius tai elektronikos elementas kuris savyje išlaiko elektros energijos krūvį. Dėl fizikos dėsnių kondikas nepraleidžia pastovios įtampos, tačiau per jį “teka” kintama srovė. Vienas iš kondensatoriaus parametrų yra talpa- kiek jis tos energijos gali sukaupti, kitas parametras- įtampa, tai yra iki kokios įtampos tas prietaisas dirba. Šis apibrėžimas nėra tikslus ir netgi nelabai teisingas, bet “vartotojui” tiek info ir užtenka.

Kondensatorius- tai dvi izoliuotos viena nuo kitos plokštelės (dėl to toks žymėjimas schemoje). Kuo plokštelių plotas didesnis ir kuo mažesnis atstumas tarp plokštelių, tuo didesnė talpa. Kuo plonesnis atstumas, tuo mažesnė įtampa.

Elektrolitiniuose kondensatoriuose “tarpelis” arba izoliacija padaryta chemiškai- tai oksido ar kito brūdo plėvelė ant metalinės plokštelės. Kad atstumas tarp plokštelių būtų minimalus, viena iš plokštelių yra “šlapia” nuo elektrolito ir laidus skystis tikrai arti kitos plokštelės. Teisingai pajungtas kondikas veikia taip, kad įtampa ir pagamina tą izoliacinę plėvelę. Kondikas nėra tobūlas prietaisas ir jis turi savo vidinę varžą (plačiau apie tai mano ESR straipnyje). Kai kada ta varža neturi didelės svarbos (pvz. garso signalo perdavimui), tačiau kai kuriose grandinėse (ypač impulsinėse ir maitinimo šaltiniuose) tai labai svarbus parametras.

Kaip nustatyti kondensatoriaus poliariškumą?

Dažniausiai, ant PCB plokštės būna taip vadinamas silk-screen t.y. atspausdinti detalių numeriai, visokia kita informacija ir poliarinių detalių pajungimas. Ypač schemose, kurias surenka žmonės, o ne robotai. Pagal nusistovėjusią tvarką, kondensatoriai šone turi juostelę kuri žymi neigiamą polių. Ant tos juostelės dažnai būna besikatojantis minuso ženklas ar net parašyta “negative”. Tačiau būna išimčių. Užrašai ant plokščių dažniausiai būna supaprastinti iki užtušuoto pusės apskritimo- tai rodo neigiamą polių.

Mano praktikoje buvo ASRock gamybos kompiuterio pagrindinė plokštė kurios PCB silk screen buvo ATVIRKŠČIAS! Aš sulitavau visus kondikus pagal juosteles ir poto atkreipiau dėmesį, kad neliesti kondikai pajungti “atbulai”. Įjungus plokštę ir pamatavau įtampas ant kondikų ir taip nustačiau teisybę- kondikus teko vėl perlituoti. Kadangi buvo žema įtampa, tai kondikai padirbo ir atvirkščiai pajungti.

Kodėl sprogsta kondikai?

Todėl, kad nuo vienos ar kitos priežasties užverda elektrolitas.

Ką reiškia temperatūra ant detalės šono?

Tai didžiausia darbinė temperatūra prie kurios garantuojams kondiko darbas numatytą valandų kiekį. Jei kondikas dirba šalčiau (bet ne dideliam šaltyje), tai jo darbo laiko didėja. O kuo karsčiau, tuo trumpiau. O ir amžinas didelis karštis viduje nėra gerai- elektrolitas vistiek skverbiasi laukan. Todėl reikia dėti atitinkamos (ar aukštesnės) temperatūros kondensatorius. Taip pat apžiūrėti konstruciją, kad būtų gera ventiliacija ir aušinimas (peržiurėti ar dulkės neužkinšo grotelių, ar sukasi ventiliatoriai ir panašiai).

Kas yra solid capacitors?

Labai dažnai tai būna tik reklaminius triukas. Tačiau tikrai yra solid (kieti) kondensatoriai. Pirmiausia tai tantaliniai kondensatoriai (dabar naudojami rečiau, nes jiems reikalingas retasis metalas tantalas. Ir dar jų parametrai nėra labai stebuklingi). Kondensatoriaus vidinė konstrukcija kiek kitokia- gabaliukas porėto tantalo metalo, truputis elektrolito su sieros rūgšties pagrindu.

Tantaliniai kondikai irgi sprogsta. Tačiau čia poliariškaumas atvirkščiai pažymėtas. Juostelė ant kondiko rodo TEIGIAMĄ polių. Tas pats ir su silk screenu. Nuotraukoje geltoni stačiakampiai yra tantaliniai kondensatoriai.

Čia irgi tikriausiai tantaliniai kondikai. Tik jų korpusas juodas. Ne visi “kvadratiniai” kondikai tantaliniai.

Naujesnėje technikoje, notebukuose, rimtesniuose kompuose ir kitoje aparatūroje aptinkami aliumininiai elektrolitiniai kondensatoriai kvadratiniam korpuse. Ju ESR yra labai mažas, dažnai darbinė įtampa būna vos keli voltai, tačiau jie laiko milžiniškas sroves. Šioje nuotraukoje matosi du kondensatoriai. Tai “automotive” plokštė- su platesnėm darbinėm temperatūrom, didesniu patikimumu.

Tačiau elektrolitinių kondensatorių įvairovė nesibaigė. Kai kurie elektrolitai būna montuojami ant PCB viršaus (SMD- surface mount device). Nuotraukoje yra vienas ne elektrolitinis kondensatorius- ruda detalytė kairėje apačioje. Tai keraminis kondensarius, tikra “solid” detalė. Ji neturi poliariškumo, o pas naujausius modelius, talpa pasiekė ir poliarinių kondensatorių lygi- šioje nuotraukoje esančio keraminio kondiko talpa 47uF. Keraminiai kondikai turi tikrai labai maža ESR ir labai dažnai naudojami prie procesoriaus core kojyčių.

Ateities Tendencijos

Kondensatorių technologijos nuolat tobulėja. Grafeno kondensatoriai žada revoliuciją energijos kaupimo srityje - jie galėtų krauti telefonus per sekundes ir tarnauti dešimtmečiais. Elektromobilių pramonė skatina kurti vis galingesnius kondensatorius, kurie galėtų papildyti ar net pakeisti baterijas. Miniatiūrizacija taip pat nesustoja - kondensatoriai darosi vis mažesni, bet išlaiko ar net didina savo talpą.

Supratimas, kaip veikia kondensatoriai, padeda geriau suprasti elektronikos principus ir net patiems atlikti paprastus remonto darbus. Ateityje kondensatorių technologijos tik tobulės, atveriant naujas galimybes energijos kaupimui ir elektronikos plėtrai.

tags: #kiek #voltu #turi #buti #kondensatorius