Kondensatorius: kas tai, kaip veikia ir kur naudojamas
Kondensatorius: kas tai, kaip veikia ir kur naudojamas — aiškus paaiškinimas, tipai, veikimo principas ir praktiškos taikymo sritys elektronikoje.
Kondensatorius (taip pat vadinamas kondensatoriumi — senesnis terminas) yra elektroninis prietaisas, kuriame kaupiama ir trumpam laikui saugoma elektros energija. Jis veikia panašiai į akumuliatorių, tačiau dažniausiai būna mažesnis, lengvesnis ir gali būti įkraunamas arba iškraunamas daug greičiau. Kondensatoriai plačiai naudojami elektronikoje ir elektrotechnikos įrenginiuose; jie gaminami iš įvairių medžiagų ir konstrukcijų. Vienas pirmųjų išrastų kondensatorių buvo Leydeno stiklainis.
Kaip veikia kondensatorius
Paprastai kondensatorius susideda iš dviejų laidžių plokštelių (elektrodų), atskirtų izoliacine medžiaga — dielektriku. Kai prie plokštelių prijungiama įtampa, ant jų susikaupia priešingi elektros krūviai, o energija laikoma elektriniame lauke dielektriko sluoksnyje. Pagrindinė fizikinė kondensatoriaus charakteristika yra talpa, matuojama faradais (F), o paprasta lygtis yra:
C = Q / V — kur C yra talpa, Q — sukauptas krūvis, V — įtampa tarp plokštelių.
Dėl didelio plokštelių paviršiaus ploto net ir nedidelė talpa gali reikalauti supakuotos formos — todėl plokštelės dažnai būna susuktos į cilindrą arba kitą kompaktišką pavidalą. Panašus efektas gali atsirasti ir tada, kai du laidininkai yra arti vienas kito — tai vadinama parazitinė arba talpinė sąveika, apie kurią užsimenama ir tekste: du laidininkai gali suformuoti nenorimą kondensatoriaus efektą.
Pagrindiniai parametrai ir savybės
- Talpa (C) — matuojama faradais (F), praktiškai dažnai mikrofaradais (µF), nanofaradais (nF) arba pikofaradais (pF).
- Darbinė įtampa (V) — maksimalus įtampos lygis, kurį kondensatorius gali saugiai atlaikyti.
- Poliarumas — kai kurie kondensatoriai (pvz., elektrolitiniai) yra polarizuoti ir turi būti jungti teisinga kryptimi.
- Izoliacijos srovė / nuotėkis — silpna srovė, tekanti per dielektiką; ilgainiui lemia energijos praradimą.
- Įtampos ir temperatūros priklausomybė — talpa gali keistis priklausomai nuo temperatūros ir taikomos įtampos.
- Equivalent Series Resistance (ESR) — vidiniai nuostoliai, svarbūs aukštų srovių arba impulsinių programų atvejais.
- Laiko konstanta τ = R·C — nusako, kaip greitai kondensatorius kraunasi arba išsikrauna per rezistorių R.
Tipai ir konstrukcijos
Kondensatoriai būna įvairių rūšių, priklausomai nuo dielektriko medžiagos ir konstrukcijos:
- Keraminiai — maži, stabilūs, dažnai naudojami aukštų dažnių grandinėse ir filtravime.
- Elektrolitiniai — didelės talpos, dažnai polarizuoti; tinka maitinimo filtravimui, bet reikalauja teisingo prijungimo (priešingu atveju gali sprogti ar išbėgti).
- Tantalio — mažesni ir patikimesni už aliuminio elektrolitinius tam tikrose taikose, bet taip pat jautrūs viršįtampiams.
- Plėveliniai (film) — geras elektrinis stabilumas ir mažas nuotėkis; naudojami audio grandinėse ir impulsinėse taikose.
- Reguliuojami (varikondensatoriai) — keičiamo talpumo kondensatoriai, kurių reikia, pavyzdžiui, radijo derinimui.
- Superkondensatoriai (ultracap) — labai didelė talpa, naudojami trumpalaikei energijos saugojimui ir greitam iškrovimui.
Praktiniai panaudojimai
Kondensatoriai turi labai platų taikymą, tarp kurių:
- Galios tiekimuose — filtravimas ir išlyginimas (smoothing), kad pašalintų maitinimo įtampos bangavimus.
- Signalo grandinėse — signalo persiuntimui arba atskyrimui (coupling/decoupling), aukštų dažnių triukšmo šalinimui.
- Laiko grandinėse — kartu su rezistoriais sudaro RC grandines, naudojamas laiko nustatymui ir osciliatorių formavimui.
- Radijo dažnių grandinėse — derinimo elementai imtuvuose ir siųstuvuose.
- Energijos impulsams — įrenginiai, kuriems reikia didelės energijos per trumpą laiką, pavyzdžiui, defibriliatorius arba fotoblykstės kondensatorius.
- Mechaniniuose varikliuose — starto kondensatoriai padeda sukurti sukimo momentą.
Kaip pasirinkti kondensatorių
Renkantis kondensatorių reikia atsižvelgti į:
- Reikalingą talpą (µF, nF, pF).
- Minimalią darbinę įtampą (rinkitės su atsarginiu koeficientu, pvz., >25–50 % didesnę už realią).
- Toleranciją ir temperatūrinį stabilumą, jei grandinėje reikalingas tikslus arba stabilus veikimas.
- ESR ir leistiną srovę impulsams — svarbu maitinimo kondensatoriams ir impulsinėms apkrovoms.
- Poliarumą — ar kondensatorius gali būti pajungtas bet kuria kryptimi (nepolarizuotas), ar yra polarizuotas (elektrolitinis).
Matuoklė, remontas ir sauga
Kondensatorių galima matuoti multimetrų režimu talpos matuokliu arba LCR-matavimo įranga. Paprastas įkrovimo / iškrovimo testas arba vizualinė apžiūra (išsipūtimas, nuotėkis) gali padėti nustatyti gedimus.
Sauga:
- Poliarizuoti kondensatoriai turi būti jungti teisinga kryptimi — priešingu atveju gali sprogti arba išbėgti elektrolitas.
- Visada atjunkite maitinimą ir iškraukite didelės energijos kondensatorius prieš darbus prie grandinės — net po atjungimo kondensatoriuje gali būti išsaugota pavojinga įtampa.
- Nenaudokite kondensatorių virš jų darbinės įtampos; aukšta įtampa arba impulsai gali pažeisti dielektriką.
- Dideli elektrolitiniai kondensatoriai gali užtikrinti ventiliaciją (įmontuoti saugos angą). Jų negalima kaitinti ar trumpinti be tinkamos apsaugos.
Įdomūs faktai
- Kondensatoriai gali būti labai maži (palyginami su skruzdėle) arba labai dideli (kai kurie pramoniniai yra dideli kaip šiukšlių dėžė).
- Kai kuriuose prietaisuose naudojami reguliuojami kondensatoriai, leidžiantys tiksliai derinti talpą radijo imtuvuose ar kituose rezonansiniuose tinkluose.
Apskritai, kondensatorius yra vienas iš kertinių komponentų elektronikoje — nuo paprastų filtrų iki aukšto našumo energijos saugojimo sprendimų. Teisingai parinktas ir eksploatuojamas kondensatorius užtikrina patikimą ir ilgalaikį įrangos darbą.
Šiuolaikiniai kondensatoriai pagal cm liniuotę
Kondensatoriaus simbolis
Kondensatoriai, panardinti į plastiką
Kondensatoriai kaip dėžutė
Superkondensatorius
Superkondensatoriai išlaiko didesnį krūvį nei įprasti kondensatoriai. Jie naudojami elektros energijai kaupti varikliuose ir kitais tikslais, kai akumuliatoriai nepakankamai greitai išsikrauna.
Polistireno plėvelės kondensatoriai
Šio tipo kondensatorius nėra skirtas naudoti aukšto dažnio grandinėse, nes jo viduje yra ritė. Jie gali būti įkraunami ir iškraunami dar greičiau nei kiti kondensatoriai. Jie naudojami filtrų grandinėse arba laikmačio grandinėse, kurios veikia keliais šimtais KHz ar mažesniu dažniu.
Elektrolitiniai kondensatoriai
Elektrolitiniuose kondensatoriuose laidus paviršius yra skystame elektrolite. Jie ne taip greitai įkraunami ir iškraunami kaip plėveliniai kondensatoriai. Jie turi poliškumą, todėl turi būti tinkamai prijungti. Yra du išvadai; vienas iš jų turi +, o kitas -. Tai reiškia, kad vienas išvadas yra teigiamas, o kitas - neigiamas. Yra du skirtingi tipai: ašinis, kai išvadai jungiami prie abiejų galų, ir radialinis, kai išvadai jungiami prie vieno galo. Ant elektrolitinių kondensatorių yra atspausdinta talpa ir vardinė įtampa.
Kadangi vardinė įtampa gali būti maža, svarbu patikrinti, ar elektrolitinis kondensatorius nėra perkrautas. Kondensatoriai gali būti atskirti nuo akumuliatoriaus ir sujungti nuosekliai. Kadangi kondensatorius yra poliarizuotas, teigiamasis gnybtas turi būti prijungtas prie neigiamo gnybto. Taip sukuriamas teisingas poliariškumas elektros grandinėje ir išvengiama gedimo.
Kai kurie elektrolitiniai kondensatoriai yra nepoliarizuoti, t. y. bet kuri jų pusė gali būti teigiama arba neigiama. Jie dažniausiai naudojami garsiakalbiuose, kad žemo dažnio signalai (žemieji dažniai) nepasiektų aukšto dažnio (aukštų dažnių) garsiakalbių.
Klausimai ir atsakymai
Klausimas: Kas yra kondensatorius?
A: Kondensatorius yra elektroninis prietaisas, kuriame kaupiama elektros energija. Jis panašus į bateriją, bet gali būti mažesnis ir lengvesnis, o įkraunamas arba iškraunamas daug greičiau.
K: Koks buvo vienas iš pirmųjų išrastų kondensatorių?
A: Vienas pirmųjų išrastų kondensatorių buvo Leydeno stiklainis.
K: Kaip kondensatoriai kaupia energiją?
A: Kondensatoriai kaupia energiją elektriniame lauke, kurį sukuria dvi metalinės plokštelės, esančios viena ant kitos ir netoli viena kitos, bet iš tikrųjų nesiliečiančios. Kartais specialiems tikslams naudojami kitų formų kondensatoriai. Į kondensatorių panašus poveikis gali atsirasti ir dėl to, kad du laidininkai yra arti vienas kito, nepriklausomai nuo to, ar norite, ar ne.
Klausimas: Kokio tipo kondensatorių reikėtų naudoti atsižvelgiant į paskirtį?
A: Naudojamo kondensatoriaus tipas priklauso nuo taikymo srities. Kondensatoriai būna įvairių dydžių, o kai kurie yra reguliuojami.
K: Kiek jungčių turi kondensatorius?
A: Visi kondensatoriai turi dvi jungtis arba išvadus.
K: Ar lengva pakeisti daugumą kondensatorių rūšių?
A: Daugumą kondensatorių rūšių gali lengvai pakeisti žmogus, turintis pagrindinius elektronikos įgūdžius. Tačiau vieną iš galingesnių tipų - elektrolitinį kondensatorių - reikia naudoti teisingai, kitaip jie gali smarkiai sprogti.
K: Kuo kondensatorius skiriasi nuo baterijos?
A: Kondensatorius įkraunamas arba iškraunamas daug greičiau nei baterijos ir visą sukauptą energiją gali išleisti labai greitai, net greičiau nei per sekundę, o baterijoms reikia daugiau laiko sukauptai energijai iškrauti.
Ieškoti