Kondensator - Capacitor

Kondensator
Kondensatory (7189597135).jpg
Rodzaj Bierny
Wynaleziony Ewald Georg von Kleist , Pieter van Musschenbroek (1745-46, niezależnie)
Symbol elektroniczny
Rodzaje kondensatora.svg

Kondensator jest urządzeniem, które przechowuje energię elektryczną w polu elektrycznym . Jest to pasywny element elektroniczny z dwoma zaciskami .

Efekt kondensatora jest znany jako pojemność . Podczas gdy pomiędzy dowolnymi dwoma przewodami elektrycznymi w pobliżu obwodu występuje pewna pojemność, kondensator jest elementem zaprojektowanym w celu zwiększenia pojemności obwodu. Kondensator był pierwotnie znany jako kondensator lub kondensator . Ta nazwa i jej pokrewne są nadal powszechnie używane w wielu językach , ale rzadko w języku angielskim, jednym godnym uwagi wyjątkiem są mikrofony pojemnościowe , zwane również mikrofonami kondensatorowymi.

Fizyczna forma i budowa praktycznych kondensatorów są bardzo zróżnicowane i wiele typów kondensatorów jest w powszechnym użyciu. Większość kondensatorów zawiera co najmniej dwa przewodniki elektryczne, często w postaci metalowych płyt lub powierzchni oddzielonych medium dielektrycznym . Przewodnikiem może być folia, cienka warstwa, spiekana kulka metalowa lub elektrolit . Nieprzewodzący dielektryk działa w celu zwiększenia pojemności ładowania kondensatora. Materiały powszechnie stosowane jako dielektryki obejmują warstwy szkła , ceramiki , folii z tworzywa sztucznego , papieru , miki , powietrza i tlenków . Kondensatory są szeroko stosowane jako części obwodów elektrycznych w wielu popularnych urządzeniach elektrycznych. W przeciwieństwie do rezystora , idealny kondensator nie rozprasza energii, chociaż rzeczywiste kondensatory rozpraszają jej niewielką ilość (patrz Nieidealne zachowanie ). Kiedy różnica potencjałów elektrycznych ( napięcie ) jest przyłożona do zacisków kondensatora, na przykład gdy kondensator jest podłączony do akumulatora, pole elektryczne rozwija się na dielektryku, powodując gromadzenie się dodatniego ładunku netto na jednej płytce i netto ujemnego ładunek do zebrania na drugiej płycie. W rzeczywistości przez dielektryk nie przepływa żaden prąd. Jednak w obwodzie źródłowym przepływa ładunek. Jeśli stan utrzymuje się wystarczająco długo, prąd płynący przez obwód źródłowy ustaje. Jeśli napięcie zmienne w czasie zostanie przyłożone do przewodów kondensatora, źródło doświadcza ciągłego prądu z powodu cykli ładowania i rozładowania kondensatora.

Najwcześniejsze formy kondensatorów powstały w latach czterdziestych XVIII wieku, kiedy europejscy eksperymentatorzy odkryli, że ładunek elektryczny może być przechowywany w wypełnionych wodą szklanych słojach, które stały się znane jako słoje lejdejskie . Obecnie kondensatory są szeroko stosowane w obwodach elektronicznych do blokowania prądu stałego przy jednoczesnym przepuszczaniu prądu przemiennego . W sieciach filtrów analogowych wygładzają wyjście zasilaczy . W obwodach rezonansowych dostrajają radia do określonych częstotliwości . W układach elektroenergetycznych stabilizują napięcie i przepływ mocy. Właściwość magazynowania energii w kondensatorach była wykorzystywana jako pamięć dynamiczna we wczesnych komputerach cyfrowych i nadal jest stosowana we współczesnej pamięci DRAM .

Historia

W październiku 1745 r. Ewald Georg von Kleist z Pomorza w Niemczech odkrył, że ładunek można przechowywać przez podłączenie wysokonapięciowego generatora elektrostatycznego przewodem do objętości wody w ręcznym szklanym słoju. Ręka von Kleista i woda działały jako przewodniki, a słój jako dielektryk (choć szczegóły mechanizmu zostały wówczas błędnie zidentyfikowane). Von Kleist odkrył, że dotknięcie drutu spowodowało potężną iskrę, znacznie bardziej bolesną niż ta uzyskana z maszyny elektrostatycznej. W następnym roku holenderski fizyk Pieter van Musschenbroek wynalazł podobny kondensator, który nazwano słoikiem Leyden , na cześć Uniwersytetu w Leiden, w którym pracował. Był również pod wrażeniem siły szoku, jaki doznał, pisząc: „Nie zniosę drugiego szoku dla królestwa Francji”.

Daniel Gralath jako pierwszy połączył kilka słoików równolegle, aby zwiększyć pojemność wsadu. Benjamin Franklin zbadał słoik Leyden i doszedł do wniosku, że ładunek był przechowywany na szkle, a nie w wodzie, jak zakładali inni. Przyjął też termin „bateria” (oznaczający wzrost mocy szeregiem podobnych jednostek jak w baterii armat ), następnie stosowany do klastrów ogniw elektrochemicznych . Słoiki lejdejskie zostały później wykonane przez powlekanie wewnętrznej i zewnętrznej strony słoików metalową folią, pozostawiając przestrzeń przy otworze, aby zapobiec iskrzeniu między foliami. Najwcześniejszą jednostką pojemności był słój , odpowiadający około 1,11 nanofaradom .

Słoje lejdejskie lub mocniejsze urządzenia wykorzystujące płaskie szklane płytki na przemian z przewodnikami foliowymi były używane wyłącznie do około 1900 roku, kiedy wynalazek łączności bezprzewodowej ( radiowej ) stworzył zapotrzebowanie na standardowe kondensatory, a ciągłe przechodzenie na wyższe częstotliwości wymagało kondensatorów o niższej indukcyjności . Zaczęto stosować bardziej zwarte metody konstrukcyjne, takie jak elastyczny arkusz dielektryczny (jak naoliwiony papier) umieszczony pomiędzy arkuszami folii metalowej, zwinięty lub złożony w małe opakowanie.

Reklama z wydania z 28 grudnia 1923 r. The Radio Times dla kondensatorów Dubilier, do użytku w bezprzewodowych zestawach odbiorczych

Wczesne kondensatory były znane jako kondensatory , termin, który jest nadal okazjonalnie używany dzisiaj, szczególnie w zastosowaniach o dużej mocy, takich jak układy samochodowe. Termin ten został po raz pierwszy użyty w tym celu przez Alessandro Voltę w 1782 roku, w odniesieniu do zdolności urządzenia do przechowywania ładunku elektrycznego o większej gęstości niż było to możliwe w przypadku izolowanego przewodnika. Termin ten został przestarzały z powodu niejednoznacznego znaczenia kondensatora pary , a kondensator stał się zalecanym terminem od 1926 roku.

Od początku badań nad elektrycznością materiały nieprzewodzące , takie jak szkło , porcelana , papier i mika , były stosowane jako izolatory . Materiały te kilkadziesiąt lat później nadawały się również do dalszego wykorzystania jako dielektryk dla pierwszych kondensatorów. Kondensatory papierowe wykonane przez umieszczenie paska impregnowanego papieru między paskami metalu i zwinięcie wyniku w cylinder były powszechnie używane pod koniec XIX wieku; ich produkcję rozpoczęto w 1876 roku, a od początku XX wieku były używane jako kondensatory odsprzęgające w telekomunikacji (telefonii).

W pierwszych kondensatorach ceramicznych zastosowano porcelanę . We wczesnych latach bezprzewodowego aparatu nadawczego Marconiego kondensatory porcelanowe były używane do zastosowań wysokiego napięcia i wysokiej częstotliwości w nadajnikach . Po stronie odbiornika zastosowano mniejsze kondensatory mikowe w obwodach rezonansowych. Kondensatory dielektryczne Mica zostały wynalezione w 1909 roku przez Williama Dubiliera. Przed II wojną światową mika była najpopularniejszym dielektrykiem kondensatorów w Stanach Zjednoczonych.

Charles Pollak (ur. Karol Pollak ), wynalazca pierwszych kondensatorów elektrolitycznych , odkrył, że warstwa tlenku na anodzie aluminiowej pozostaje stabilna w elektrolicie obojętnym lub alkalicznym , nawet po wyłączeniu zasilania. W 1896 otrzymał patent USA nr 672 913 na „Elektryczny kondensator cieczowy z aluminiowymi elektrodami”. Kondensatory tantalowe ze stałym elektrolitem zostały wynalezione przez Bell Laboratories na początku lat pięćdziesiątych jako zminiaturyzowany i bardziej niezawodny kondensator niskonapięciowy jako uzupełnienie nowo wynalezionego tranzystora .

Wraz z rozwojem tworzyw sztucznych przez chemików organicznych podczas II wojny światowej przemysł kondensatorów zaczął zastępować papier cieńszymi foliami polimerowymi. Jeden bardzo wczesny rozwój kondensatorów foliowych został opisany w patencie brytyjskim 587,953 w 1944 roku.

Elektryczne kondensatory dwuwarstwowe (obecnie superkondensatory ) zostały wynalezione w 1957 roku, kiedy H. Becker opracował „kondensator elektrolityczny niskiego napięcia z porowatymi elektrodami węglowymi”. Uważał, że energia jest magazynowana jako ładunek w porach węgla użytych w jego kondensatorze, podobnie jak w porach wytrawionych folii kondensatorów elektrolitycznych. Ponieważ mechanizm podwójnej warstwy nie był wówczas przez niego znany, napisał w patencie: „Nie wiadomo dokładnie, co dzieje się w komponencie, jeśli jest on używany do magazynowania energii, ale prowadzi to do wyjątkowo dużej pojemności. "

Metal-tlenek-półprzewodnik kondensator ( MOS kondensator ) wywodzi się z tlenku metalu, półprzewodnika tranzystor polowy wzorze (MOSFET), gdzie kondensator MOS flankowany przez dwa regiony domieszkowane. Struktura MOSFET została wynaleziona przez Mohameda M. Atallę i Dawona Kahnga w Bell Labs w 1959 roku. Kondensator MOS został później szeroko zaadoptowany jako kondensator pamięci w układach pamięci oraz jako podstawowy element konstrukcyjny urządzenia ze sprzężeniem ładunkowym (CCD) w technologia przetwornika obrazu . W dynamicznej pamięci o dostępie swobodnym ( DRAM ) każda komórka pamięci zazwyczaj składa się z kondensatora MOSFET i MOS.

Teoria operacji

Przegląd

Separacja ładunku w kondensatorze z płytą równoległą powoduje wewnętrzne pole elektryczne. Dielektryk (pomarańczowy) zmniejsza pole i zwiększa pojemność.
Prosty kondensator demonstracyjny wykonany z dwóch równoległych płytek metalowych, wykorzystujący szczelinę powietrzną jako dielektryk.

Kondensator składa się z dwóch przewodów oddzielonych obszarem nieprzewodzącym. Obszarem nieprzewodzącym może być próżnia lub materiał izolatora elektrycznego, znany jako dielektryk . Przykładami mediów dielektrycznych są szkło, powietrze, papier, plastik, ceramika, a nawet obszar zubożenia półprzewodników chemicznie identyczny z przewodnikami. Z prawem Coulomba opłata na jednego przewodnika będzie wywierać nacisk na nośników ładunku wewnątrz drugiego przewodu, przyciągając ładunek przeciwnej polaryzacji i odpychania ładunków jak polaryzacja, więc przeciwny ładunek polaryzacji zostaną wywołane na powierzchni drugiego dyrygenta. W ten sposób przewodniki utrzymują równe i przeciwne ładunki na swoich zwróconych powierzchniach, a dielektryk wytwarza pole elektryczne.

Idealny kondensator charakteryzuje się stałą pojemnością C , w faradach w układzie miar SI , definiowaną jako stosunek ładunku dodatniego lub ujemnego Q na każdym przewodzie do napięcia V między nimi:

Pojemność jednego farada (F) oznacza, że ​​jeden kulomb ładunku na każdym przewodzie powoduje napięcie 1 wolta na urządzeniu. Ponieważ przewodniki (lub płyty) są blisko siebie, przeciwne ładunki na przewodnikach przyciągają się nawzajem ze względu na ich pola elektryczne, dzięki czemu kondensator może przechowywać więcej ładunku dla danego napięcia niż gdy przewodniki są oddzielone, co daje większą pojemność.

W praktycznych urządzeniach nagromadzenie ładunku czasami wpływa mechanicznie na kondensator, powodując zmianę jego pojemności. W tym przypadku pojemność definiowana jest w kategoriach zmian przyrostowych:

Analogia hydrauliczna

W analogii hydraulicznej kondensator jest analogiczny do gumowej membrany zamkniętej wewnątrz rury – ta animacja ilustruje membranę wielokrotnie rozciąganą i nierozciąganą przez przepływ wody, co jest analogiczne do wielokrotnego ładowania i rozładowywania kondensatora przez przepływ opłata

W analogii hydraulicznej nośniki ładunku przepływające przez drut są analogiczne do wody przepływającej przez rurę. Kondensator jest jak gumowa membrana zamknięta wewnątrz rury. Cząsteczki wody nie mogą przejść przez membranę, ale część wody może się poruszać, rozciągając membranę. Analogia wyjaśnia kilka aspektów kondensatorów:

  • Te obecne zmienia ładunek na kondensatorze , podobnie jak przepływ wody zmienia położenie membrany. Dokładniej, działanie prądu elektrycznego polega na zwiększeniu ładunku jednej płytki kondensatora i zmniejszeniu ładunku drugiej płytki o równą wartość. Dzieje się tak, gdy przepływ wody porusza gumową membranę, zwiększa ilość wody po jednej stronie membrany i zmniejsza ilość wody po drugiej stronie.
  • Im bardziej kondensator jest naładowany, tym większy jest jego spadek napięcia ; tj. im bardziej „odpycha” się pod prąd ładowania. Jest to analogiczne do tego, że im bardziej membrana jest rozciągnięta, tym bardziej odpycha się od wody.
  • Ładunek może przepływać „przez” kondensator, chociaż żaden pojedynczy elektron nie może przedostać się z jednej strony na drugą. Jest to analogiczne do wody przepływającej przez rurę, chociaż żadna cząsteczka wody nie może przejść przez gumową membranę. Przepływ nie może trwać wiecznie w tym samym kierunku; kondensator ulega przebiciu dielektryka i analogicznie membrana w końcu pęknie.
  • Pojemność opisuje ile opłata mogą być przechowywane na jednej płytce kondensatora dla danej „push” (spadek napięcia). Bardzo rozciągliwa, elastyczna membrana odpowiada większej pojemności niż membrana sztywna.
  • Naładowany kondensator magazynuje energię potencjalną , analogicznie do rozciągniętej membrany.

Równoważność obwodów przy ograniczeniu krótkoterminowym i długoterminowym

W obwodzie kondensator może zachowywać się różnie w różnych chwilach czasu. Zwykle jednak łatwo jest pomyśleć o limicie krótkoterminowym i długoterminowym:

  • W długim okresie czasu, po tym, jak prąd ładowania/rozładowania nasyci kondensator, żaden prąd nie wejdzie (ani nie wydostanie się) z żadnej strony kondensatora; Dlatego długotrwała równoważność kondensatora jest obwodem otwartym.
  • W krótkim czasie, jeśli kondensator startuje z określonym napięciem V, ponieważ spadek napięcia na kondensatorze jest w tej chwili znany, możemy go zastąpić idealnym źródłem napięcia V. Konkretnie, jeśli V=0 ( kondensator jest rozładowany), krótkotrwałym odpowiednikiem kondensatora jest zwarcie.

Kondensator z płytą równoległą

Model kondensatora z płytą równoległą składa się z dwóch płytek przewodzących, każda o powierzchni A , oddzielonych szczeliną o grubości d zawierającą dielektryk.

Najprostszy model kondensatora składa się z dwóch cienkich, równoległych płytek przewodzących, każda z obszarem oddzielonym jednolitą szczeliną o grubości wypełnionej dielektrykiem o przenikalności elektrycznej . Zakłada się, że szczelina jest znacznie mniejsza niż wymiary płyt. Model ten ma zastosowanie do wielu praktycznych kondensatorów, które są zbudowane z blach oddzielonych cienką warstwą izolującego dielektryka, ponieważ producenci starają się zachować bardzo jednolitą grubość dielektryka, aby uniknąć cienkich plam, które mogą spowodować awarię kondensatora.

Ponieważ separacja między płytami jest równomierna na całej powierzchni płyty, pole elektryczne między płytami jest stałe i skierowane prostopadle do powierzchni płyty, z wyjątkiem obszaru przy krawędziach płyt, gdzie pole zmniejsza się, ponieważ linie pola elektrycznego” wybrzuszenie” z boków kondensatora. Ten obszar „obramowania” ma w przybliżeniu taką samą szerokość jak separacja płyt i zakładając, że jest mały w porównaniu do wymiarów płyty, jest na tyle mały, że można go zignorować. W związku z tym, jeśli ładunek zostanie umieszczony na jednej płytce i na drugiej (sytuację dla płyt nierównomiernie naładowanych omówiono poniżej), ładunek na każdej płytce będzie rozłożony równomiernie w warstwie ładunku powierzchniowego o stałej gęstości ładunku w kulombach na metr kwadratowy , na wewnętrznej powierzchni każdej płyty. Z prawa Gaussa wielkość pola elektrycznego pomiędzy płytami jest . Napięcie (różnica) między płytami jest definiowana jako całka liniowa pola elektrycznego na linii (w kierunku z) od jednej płyty do drugiej

Pojemność jest zdefiniowana jako . Podstawiając powyższe do tego równania

Dlatego w kondensatorze najwyższą pojemność uzyskuje się przy użyciu materiału dielektrycznego o wysokiej przenikalności , dużej powierzchni płytki i małej separacji między płytami.

Ponieważ powierzchnia płytek rośnie wraz z kwadratem wymiarów liniowych, a separacja rośnie liniowo, pojemność rośnie wraz z wymiarem liniowym kondensatora ( ) lub jako pierwiastek sześcienny objętości.

Kondensator z płytą równoległą może przechowywać tylko skończoną ilość energii, zanim nastąpi przebicie dielektryka . Materiał dielektryczny kondensatora ma wytrzymałość dielektryczną U d, która ustawia napięcie przebicia kondensatora na V  = V bd = U d d . Maksymalna energia, jaką kondensator może przechowywać, wynosi zatem

Maksymalna energia jest funkcją objętości dielektrycznej, przenikalności elektrycznej i wytrzymałości dielektrycznej . Zmiana powierzchni płyt i separacji między płytami przy zachowaniu tej samej objętości nie powoduje zmiany maksymalnej ilości energii, jaką kondensator może magazynować, o ile odległość między płytami pozostaje znacznie mniejsza niż zarówno długość, jak i szerokość płyt. Ponadto równania te zakładają, że pole elektryczne jest całkowicie skoncentrowane w dielektryku między płytami. W rzeczywistości na zewnątrz dielektryka znajdują się pola brzegowe, na przykład między bokami płyt kondensatora, które zwiększają pojemność skuteczną kondensatora. Nazywa się to czasem pojemnością pasożytniczą . W przypadku niektórych prostych geometrii kondensatorów ten dodatkowy składnik pojemności można obliczyć analitycznie. Staje się ona pomijalnie mała, gdy stosunek szerokości płyty do separacji i długości do separacji jest duży.

W przypadku nierównomiernie naładowanych płyt:

  • Jeśli jedna płytka jest naładowana, podczas gdy druga jest naładowana , i jeśli obie płyty są oddzielone od innych materiałów w środowisku, wtedy wewnętrzna powierzchnia pierwszej płytki będzie miała , a wewnętrzna powierzchnia drugiej płytki będzie miała ładunek. Dlatego napięcie między płytami wynosi . Zauważ, że zewnętrzna powierzchnia obu płyt będzie miała , ale te ładunki nie wpływają na napięcie między płytami.
  • Jeśli jedna płytka jest naładowana, podczas gdy druga jest naładowana , i jeśli druga płyta jest połączona z ziemią, to wewnętrzna powierzchnia pierwszej płytki będzie miała , a wewnętrzna powierzchnia drugiej płytki będzie miała . Dlatego napięcie między płytami wynosi . Zwróć uwagę, że zewnętrzna powierzchnia obu płyt będzie miała zerowy ładunek.

Kondensator z przeplotem

Kondensator z przeplotem może być postrzegany jako połączenie kilku równolegle połączonych kondensatorów.

Dla liczby płytek w kondensatorze całkowita pojemność wynosiłaby

gdzie jest pojemność dla pojedynczej płytki i jest liczbą przeplatanych płytek.

Jak pokazano na rysunku po prawej, przeplatane płyty mogą być postrzegane jako równoległe płyty połączone ze sobą. Każda para sąsiednich płytek działa jak oddzielny kondensator; liczba par jest zawsze o jeden mniejsza od liczby płytek, stąd mnożnik.

Energia zmagazynowana w kondensatorze

Aby zwiększyć poziom naładowania i napięcie na kondensatorze, prace muszą być wykonane za pomocą zewnętrznego źródła zasilania, aby przenieść ładunek z ujemnej do dodatniej płyty przeciwko przeciwnej siły pola elektrycznego. Jeśli napięcie na kondensatorze wynosi , to praca wymagana do przeniesienia małego przyrostu ładunku z ujemnej na dodatnią jest . Energia jest magazynowana w zwiększonym polu elektrycznym między płytami. Całkowita energia zmagazynowana w kondensatorze (wyrażona w dżulach ) jest równa całkowitej pracy wykonanej w celu ustalenia pola elektrycznego ze stanu nienaładowanego.

gdzie jest ładunek zmagazynowany w kondensatorze, jest napięciem na kondensatorze i jest pojemnością. Ta energia potencjalna pozostanie w kondensatorze do momentu usunięcia ładunku. Jeżeli pozwolimy na cofnięcie się ładunku z płyty dodatniej na ujemną, na przykład poprzez podłączenie obwodu z oporem pomiędzy płytkami, ładunek poruszający się pod wpływem pola elektrycznego zadziała na obwód zewnętrzny.

Jeśli szczelina między płytami kondensatora jest stała, jak w powyższym modelu równoległych płyt, pole elektryczne między płytami będzie jednorodne (pomijając pola brzegowe) i będzie miało stałą wartość . W takim przypadku zmagazynowaną energię można obliczyć na podstawie natężenia pola elektrycznego

Ostatni wzór powyżej jest równy gęstości energii na jednostkę objętości w polu elektrycznym pomnożonej przez objętość pola między płytami, co potwierdza, że ​​energia w kondensatorze jest zmagazynowana w jego polu elektrycznym.

Zależność prąd-napięcie

Prąd I ( t ) płynący przez dowolny element obwodu elektrycznego jest zdefiniowany jako prędkość przepływu ładunku Q ( t ) przechodzącego przez niego, ale rzeczywiste ładunki – elektrony – nie mogą przejść przez warstwę dielektryczną kondensatora. Zamiast tego jeden elektron gromadzi się na płycie ujemnej dla każdego, który opuszcza płytkę dodatnią, co powoduje ubytek elektronów i w konsekwencji ładunek dodatni na jednej elektrodzie, który jest równy i przeciwny do nagromadzonego ładunku ujemnego na drugiej. Tak więc ładunek na elektrodach jest równy całce prądu, a także proporcjonalny do napięcia, jak omówiono powyżej. Jak w przypadku każdej pochodnej pierwotnej , dodawana jest stała całkowania reprezentująca początkowe napięcie V ( t 0 ). To jest integralna postać równania kondensatora:

Wzięcie pochodnej tego i pomnożenie przez C daje postać pochodnej:

dla C niezależnie od czasu, napięcia i ładunku elektrycznego.

Podwójnego kondensatora jest cewka , która magazynuje energię w polu magnetycznym , a nie pola elektrycznego. Jego zależność prąd-napięcie uzyskuje się przez zamianę prądu i napięcia w równaniach kondensatora i zastąpienie C indukcyjnością  L .

obwody prądu stałego

Prosty obwód rezystor-kondensator demonstruje ładowanie kondensatora.

Układ zawiera szereg tylko rezystor , kondensator, przełącznik i stałe źródło stałego napięcia V 0 jest znana jako obwód ładowania . Jeśli kondensator jest początkowo rozładowany, gdy przełącznik jest otwarty, a przełącznik jest zamknięty w t=0 , to z prawa napięciowego Kirchhoffa wynika, że

Biorąc pochodną i mnożąc przez C , otrzymujemy równanie różniczkowe pierwszego rzędu :

W t = 0 napięcie na kondensatorze wynosi zero, a napięcie na rezystorze wynosi V 0 . Prąd początkowy wynosi wtedy I (0) = V 0 / R . Przy takim założeniu rozwiązanie równania różniczkowego daje

gdzie τ 0  = RC stała czasowa układu. Gdy kondensator osiągnie równowagę z napięciem źródła, napięcia na rezystorze i prąd w całym obwodzie zanikają wykładniczo . W przypadku kondensatora rozładowującego napięcie początkowe kondensatora (V Ci ) zastępuje V 0 . Równania stają się

obwody prądu przemiennego

Impedancja , suma wektorowa reaktancji i rezystancji , opisuje różnicę faz i stosunek amplitud między sinusoidalnie zmiennym napięciem a sinusoidalnie zmiennym prądem przy danej częstotliwości. Analiza Fouriera pozwala na skonstruowanie dowolnego sygnału z widma częstotliwości, w którym można znaleźć reakcję układu na różne częstotliwości. Reaktancja i impedancja kondensatora wynoszą odpowiednio

gdzie j jest jednostką urojoną, a ω jest częstotliwością kątową sygnału sinusoidalnego. Faza − j oznacza, że ​​napięcie przemienne V  = ZI opóźnia się o 90 ° od prądu przemiennego: dodatnia faza prądu odpowiada wzrostowi napięcia w miarę ładowania kondensatora; prąd zerowy odpowiada chwilowemu stałemu napięciu itp.

Impedancja maleje wraz ze wzrostem pojemności i wzrostem częstotliwości. Oznacza to, że sygnał o wyższej częstotliwości lub większy kondensator powoduje niższą amplitudę napięcia na amplitudę prądu – „zwarcie” prądu przemiennego lub sprzężenie prądu przemiennego . I odwrotnie, dla bardzo niskich częstotliwości reaktancja jest wysoka, tak że kondensator jest prawie otwartym obwodem w analizie prądu przemiennego – te częstotliwości zostały „odfiltrowane”.

Kondensatory różnią się od rezystorów i cewek indukcyjnych tym, że impedancja jest odwrotnie proporcjonalna do charakterystyki definiującej; czyli pojemność .

Kondensator podłączony do sinusoidalnego źródła napięcia powoduje przepływ przez niego prądu przesunięcia. W przypadku, gdy źródłem napięcia jest V 0 cos(ωt), prąd przesunięcia można wyrazić jako:

Przy sin(ωt) = -1, kondensator ma maksymalny (lub szczytowy) prąd, przy czym I 0 = ωCV 0 . Stosunek napięcia szczytowego do prądu szczytowego wynika z reaktancji pojemnościowej (oznaczonej X C ).

X C zbliża się do zera, gdy ω zbliża się do nieskończoności. Jeśli X C zbliża się do 0, kondensator przypomina krótki przewód, który silnie przepuszcza prąd o wysokich częstotliwościach. X C zbliża się do nieskończoności, gdy ω zbliża się do zera. Jeśli X C zbliża się do nieskończoności, kondensator przypomina otwarty obwód, który słabo przepuszcza niskie częstotliwości.

Prąd kondensatora można wyrazić w postaci cosinusów, aby lepiej porównać z napięciem źródła:

W tej sytuacji prąd jest przesunięty w fazie z napięciem o +π/2 radianów lub +90 stopni, tzn. prąd wyprzedza napięcie o 90°.

Analiza obwodu Laplace'a (domena s)

Używając transformaty Laplace'a w analizie obwodu, impedancja idealnego kondensatora bez ładunku początkowego jest reprezentowana w domenie s przez:

gdzie

  • C to pojemność, a
  • s jest częstotliwością zespoloną.

Analiza obwodu

Dla kondensatorów równolegle
Kilka kondensatorów równolegle
Ilustracja równoległego połączenia dwóch kondensatorów
Każdy z kondensatorów w konfiguracji równoległej ma takie samo przyłożone napięcie. Ich pojemności sumują się. Opłata jest dzielona między nich według rozmiaru. Korzystając ze schematu ideowego do wizualizacji płytek równoległych, widać, że każdy kondensator ma swój udział w całkowitej powierzchni.
Do kondensatorów szeregowych
Kilka kondensatorów szeregowo
Ilustracja połączenia szeregowego dwóch kondensatorów
Połączony szeregowo schemat pokazuje, że odległość separacji, a nie powierzchnia płyty, sumuje się. Każdy z kondensatorów przechowuje chwilowe nagromadzenie ładunku równe nagromadzeniu każdego innego kondensatora w serii. Całkowita różnica napięcia od końca do końca jest rozdzielana na każdy kondensator zgodnie z odwrotnością jego pojemności. Cała seria działa jak kondensator mniejszy niż którykolwiek z jej elementów.
Kondensatory są łączone szeregowo, aby uzyskać wyższe napięcie robocze, na przykład w celu wygładzenia zasilania wysokonapięciowego. Wartości znamionowe, oparte na separacji płyt, sumują się, jeśli pojemność i prądy upływowe dla każdego kondensatora są identyczne. W takiej aplikacji czasami ciągi szeregowe są połączone równolegle, tworząc macierz. Celem jest maksymalizacja magazynowania energii w sieci bez przeciążania żadnego kondensatora. W przypadku magazynowania dużej energii z kondensatorami połączonymi szeregowo, należy wziąć pod uwagę pewne względy bezpieczeństwa, aby upewnić się, że jeden kondensator ulegnie awarii, a prąd upływu nie przyłoży zbyt dużego napięcia do innych kondensatorów szeregowych.
Połączenie szeregowe jest również czasami używane w celu dostosowania spolaryzowanych kondensatorów elektrolitycznych do bipolarnego zastosowania prądu przemiennego.
Rozdział napięcia w sieciach równoległych do szeregowych.
Aby zamodelować rozkład napięć z pojedynczego naładowanego kondensatora połączonego równolegle z szeregiem kondensatorów  :
Uwaga: Jest to poprawne tylko wtedy, gdy wszystkie wartości pojemności są równe.
Moc przekazywana w tym układzie to:

Nieidealne zachowanie

Rzeczywiste kondensatory odbiegają od idealnego równania kondensatora na wiele sposobów. Niektóre z nich, takie jak prąd upływu i efekty pasożytnicze, są liniowe lub mogą być analizowane jako prawie liniowe i można sobie z nimi poradzić, dodając wirtualne komponenty do równoważnego obwodu idealnego kondensatora. Można wtedy zastosować zwykłe metody analizy sieci . W innych przypadkach, np. przy napięciu przebicia, efekt jest nieliniowy i nie można zastosować zwykłej (normalnej, np. liniowej) analizy sieci, efekt należy rozpatrywać osobno. Jest jeszcze inna grupa, która może być liniowa, ale podważa założenie w analizie, że pojemność jest stała. Takim przykładem jest zależność temperaturowa. Wreszcie, połączone efekty pasożytnicze, takie jak indukcyjność własna, rezystancja lub straty dielektryczne, mogą wykazywać niejednorodne zachowanie przy zmiennych częstotliwościach pracy.

Napięcie przebicia

Powyżej określonego natężenia pola elektrycznego, znanego jako wytrzymałość dielektryczna E ds , dielektryk w kondensatorze staje się przewodzący. Napięcie, przy którym to następuje, nazywa się napięciem przebicia urządzenia i jest iloczynem wytrzymałości dielektrycznej i separacji między przewodami,

Maksymalna energia, którą można bezpiecznie przechowywać w kondensatorze, jest ograniczona przez napięcie przebicia. Ze względu na skalowanie pojemności i napięcia przebicia wraz z grubością dielektryka, wszystkie kondensatory wykonane z określonym dielektrykiem mają w przybliżeniu równą maksymalną gęstość energii , do tego stopnia, że ​​dielektryk dominuje nad ich objętością.

W przypadku kondensatorów z dielektrykiem powietrznym natężenie pola przebicia jest rzędu 2–5 MV/m (lub kV/mm); dla miki rozkład wynosi 100–300 MV/m; dla oleju 15–25 MV/m; może być znacznie mniej, gdy do dielektryka stosuje się inne materiały. Dielektryk jest stosowany w bardzo cienkich warstwach, dzięki czemu bezwzględne napięcie przebicia kondensatorów jest ograniczone. Typowe wartości znamionowe kondensatorów stosowanych w ogólnych zastosowaniach elektronicznych wahają się od kilku woltów do 1 kV. Wraz ze wzrostem napięcia dielektryk musi być grubszy, co powoduje, że kondensatory wysokonapięciowe są większe na pojemność niż te przeznaczone dla niższych napięć.

Na napięcie przebicia krytycznie wpływają takie czynniki, jak geometria przewodzących części kondensatora; ostre krawędzie lub punkty zwiększają natężenie pola elektrycznego w tym punkcie i mogą prowadzić do lokalnego przebicia. Gdy to się zacznie, przebicie szybko przechodzi przez dielektryk, aż dotrze do przeciwnej płyty, pozostawiając węgiel za sobą i powodując zwarcie (lub stosunkowo niską rezystancję) obwodu. Wyniki mogą być wybuchowe, ponieważ zwarcie w kondensatorze pobiera prąd z otaczających obwodów i rozprasza energię. Jednak w kondensatorach o określonych dielektrykach i cienkich elektrodach metalowych po przebiciu nie powstają zwarcia. Dzieje się tak, ponieważ metal topi się lub odparowuje w pobliżu awarii, izolując go od reszty kondensatora.

Zwykła droga przebicia polega na tym, że natężenie pola staje się wystarczająco duże, aby wyciągnąć elektrony z dielektryka z ich atomów, powodując w ten sposób przewodzenie. Możliwe są inne scenariusze, takie jak zanieczyszczenia w dielektryku, a jeśli dielektryk ma naturę krystaliczną, niedoskonałości struktury kryształu mogą spowodować przebicie lawinowe, jak widać w urządzeniach półprzewodnikowych. Na napięcie przebicia ma również wpływ ciśnienie, wilgotność i temperatura.

Obwód równoważny

Dwa różne modele obwodów prawdziwego kondensatora

Idealny kondensator przechowuje i uwalnia tylko energię elektryczną, nie rozpraszając jej. W rzeczywistości wszystkie kondensatory mają niedoskonałości w materiale kondensatora, które powodują opór. Jest to określane jako równoważna rezystancja szeregowa lub ESR komponentu. To dodaje prawdziwy składnik do impedancji:

Gdy częstotliwość zbliża się do nieskończoności, impedancja pojemnościowa (lub reaktancja) zbliża się do zera, a ESR staje się znaczący. Gdy reaktancja staje się nieistotna, rozpraszanie mocy zbliża się do P RMS = V RMS 2 / R ESR .

Podobnie jak w ESR, wyprowadzenia kondensatora dodają elementowi równoważną indukcyjność szeregową lub ESL . Ma to zwykle znaczenie tylko przy stosunkowo wysokich częstotliwościach. Ponieważ reaktancja indukcyjna jest dodatnia i wzrasta wraz z częstotliwością, powyżej pewnej częstotliwości pojemność jest redukowana przez indukcyjność. Inżynieria wysokiej częstotliwości obejmuje uwzględnienie indukcyjności wszystkich połączeń i komponentów.

Jeśli przewodniki są oddzielone materiałem o małej przewodności, a nie doskonałym dielektrykiem, wówczas bezpośrednio między nimi przepływa niewielki prąd upływu. Kondensator ma zatem skończoną rezystancję równoległą i powoli się rozładowuje z czasem (czas może się znacznie różnić w zależności od materiału i jakości kondensatora).

Współczynnik Q

Współczynnik jakości (lub Q ) kondensatora jest stosunkiem jego reaktancji do jego rezystancji przy danej częstotliwości i jest miarą jego wydajności. Im wyższy współczynnik Q kondensatora, tym bardziej zbliża się do zachowania idealnego kondensatora.

Współczynnik Q kondensatora można znaleźć za pomocą następującego wzoru:

gdzie jest częstotliwością kątową , jest pojemnością, jest reaktancją pojemnościową i jest równoważną rezystancją szeregową (ESR) kondensatora.

Prąd tętnienia

Prąd tętnienia jest składową prądu zmiennego zastosowanego źródła (często zasilacza impulsowego ), której częstotliwość może być stała lub zmienna. Prąd tętniący powoduje wytwarzanie ciepła w kondensatorze z powodu strat dielektrycznych spowodowanych zmianą natężenia pola wraz z przepływem prądu przez lekko rezystancyjne przewody zasilające lub elektrolit w kondensatorze. Równoważna rezystancja szeregowa (ESR) to wartość wewnętrznej rezystancji szeregowej, którą można by dodać do idealnego kondensatora, aby to zamodelować.

Niektóre typy kondensatorów , głównie kondensatory elektrolityczne tantalowe i aluminiowe , a także niektóre kondensatory foliowe, mają określoną wartość znamionową dla maksymalnego prądu tętnienia.

  • Kondensatory elektrolityczne tantalowe ze stałym elektrolitem z dwutlenkiem manganu są ograniczone przez prąd tętnienia i generalnie mają najwyższe oceny ESR w rodzinie kondensatorów. Przekroczenie ich limitów tętnienia może prowadzić do szortów i palenia części.
  • Aluminiowe kondensatory elektrolityczne, najpowszechniejszy typ kondensatorów elektrolitycznych, charakteryzują się skróceniem oczekiwanej żywotności przy wyższych prądach tętnienia. Jeśli prąd tętnienia przekracza wartość znamionową kondensatora, może to spowodować awarię wybuchową.
  • Kondensatory ceramiczne na ogół nie mają ograniczenia prądu tętnienia i mają jedne z najniższych wartości ESR.
  • Kondensatory foliowe mają bardzo niskie wartości ESR, ale przekroczenie znamionowego prądu tętnienia może spowodować awarię degradacji.

Niestabilność pojemności

Pojemność niektórych kondensatorów zmniejsza się wraz ze starzeniem się podzespołu. W kondensatorach ceramicznych jest to spowodowane degradacją dielektryka. Rodzaj dielektryka, temperatury otoczenia pracy i przechowywania są najważniejszymi czynnikami starzenia, podczas gdy napięcie robocze ma zwykle mniejszy wpływ, tj. zwykle konstrukcja kondensatora ma na celu zminimalizowanie współczynnika napięcia. Proces starzenia można odwrócić przez podgrzanie elementu powyżej punktu Curie . Starzenie się jest najszybsze na początku okresu użytkowania komponentu, a urządzenie stabilizuje się z czasem. Kondensatory elektrolityczne starzeją się wraz z parowaniem elektrolitu . W przeciwieństwie do kondensatorów ceramicznych ma to miejsce pod koniec okresu eksploatacji komponentu.

Zależność pojemności od temperatury jest zwykle wyrażana w częściach na milion (ppm) na °C. Zwykle może być traktowana jako funkcja szeroko liniowa, ale może być zauważalnie nieliniowa w skrajnych temperaturach. Współczynnik temperaturowy może być dodatni lub ujemny, czasami nawet wśród różnych próbek tego samego typu. Innymi słowy, rozrzut w zakresie współczynników temperaturowych może wynosić zero.

Kondensatory, zwłaszcza kondensatory ceramiczne i starsze konstrukcje, takie jak kondensatory papierowe, mogą pochłaniać fale dźwiękowe, dając efekt mikrofonowania . Wibracje poruszają płytkami, powodując zmianę pojemności, co z kolei indukuje prąd przemienny. Niektóre dielektryki wytwarzają również piezoelektryczność . Powstające zakłócenia są szczególnie problematyczne w aplikacjach audio, potencjalnie powodując sprzężenie zwrotne lub niezamierzone nagrywanie. W odwróconym efekcie mikrofonowania zmienne pole elektryczne między płytami kondensatora wywiera siłę fizyczną, poruszając je jak głośnik. Może to generować słyszalny dźwięk, ale pochłania energię i obciąża dielektryk i elektrolit, jeśli występują.

Odwrócenie prądu i napięcia

Odwrócenie prądu następuje, gdy prąd zmienia kierunek. Odwrócenie napięcia to zmiana polaryzacji w obwodzie. Odwrócenie jest ogólnie opisywane jako procent maksymalnego napięcia znamionowego, które powoduje odwrócenie polaryzacji. W obwodach prądu stałego jest to zwykle mniej niż 100%, często w zakresie od 0 do 90%, podczas gdy obwody prądu przemiennego doświadczają 100% odwrócenia.

W obwodach prądu stałego i obwodach impulsowych tłumienie układu ma wpływ na odwrócenie prądu i napięcia . Odwrócenie napięcia występuje w obwodach RLC, które są niedotłumione . Kierunek prądu i napięcia odwraca się, tworząc oscylator harmoniczny między indukcyjnością a pojemnością. Prąd i napięcie mają tendencję do oscylowania i mogą kilkakrotnie odwracać kierunek, przy czym każdy szczyt jest niższy niż poprzedni, aż system osiągnie równowagę. Nazywa się to często dzwonieniem . Dla porównania, systemy krytycznie tłumione lub nadmiernie tłumione zwykle nie doświadczają odwrócenia napięcia. Odwrócenie występuje również w obwodach prądu przemiennego, gdzie prąd szczytowy jest równy w każdym kierunku.

Aby zapewnić maksymalną żywotność, kondensatory zwykle muszą być w stanie obsłużyć maksymalną ilość odwrócenia, jakiej może doświadczyć system. Obwód prądu przemiennego doświadcza 100% odwrócenia napięcia, podczas gdy niedotłumione obwody prądu stałego doświadczają mniej niż 100%. Odwrócenie tworzy nadmierne pola elektryczne w dielektryku, powoduje nadmierne nagrzewanie zarówno dielektryka, jak i przewodników, i może radykalnie skrócić oczekiwaną żywotność kondensatora. Oceny odwrócenia często wpływają na rozważania projektowe kondensatora, od wyboru materiałów dielektrycznych i ocen napięcia po rodzaje stosowanych połączeń wewnętrznych.

Absorpcja dielektryczna

Kondensatory wykonane z dowolnego materiału dielektrycznego wykazują pewien poziom „ absorpcji dielektrycznej ” lub „wysiąkania”. Po rozładowaniu kondensatora i odłączeniu go, po krótkim czasie może wytworzyć się napięcie z powodu histerezy w dielektryku. Efekt ten jest nie do przyjęcia w zastosowaniach, takich jak precyzyjne obwody próbkowania i trzymania lub obwody czasowe. Poziom absorpcji zależy od wielu czynników, od aspektów projektowych po czas ładowania, ponieważ absorpcja jest procesem zależnym od czasu. Jednak głównym czynnikiem jest rodzaj materiału dielektrycznego. Kondensatory takie jak elektrolityczne tantalowe lub folia polisulfonowa wykazują stosunkowo wysoką absorpcję, podczas gdy polistyren lub teflon pozwalają na bardzo małe poziomy absorpcji. W niektórych kondensatorach, w których występują niebezpieczne napięcia i energie, takich jak lampy błyskowe , telewizory i defibrylatory , absorpcja dielektryczna może naładować kondensator do niebezpiecznego napięcia po jego zwarciu lub rozładowaniu. Każdy kondensator zawierający ponad 10 dżuli jest ogólnie uważany za niebezpieczny, podczas gdy 50 dżuli lub więcej jest potencjalnie śmiertelny. Kondensator może odzyskać od 0,01 do 20% swojego pierwotnego ładunku w ciągu kilku minut, dzięki czemu pozornie bezpieczny kondensator staje się zaskakująco niebezpieczny.

Przeciek

Wyciek jest równoważny rezystorowi połączonemu równolegle z kondensatorem. Stała ekspozycja na ciepło może powodować przebicie dielektryka i nadmierny wyciek, problem często spotykany w starszych obwodach lamp próżniowych, szczególnie tam, gdzie zastosowano kondensatory papierowe i foliowe z olejem. W wielu obwodach lamp próżniowych kondensatory sprzęgające międzystopniowe są używane do przewodzenia zmiennego sygnału z płytki jednej lampy do obwodu siatki następnego stopnia. Nieszczelny kondensator może spowodować, że napięcie w obwodzie siatki wzrośnie z normalnego ustawienia polaryzacji, powodując nadmierny prąd lub zniekształcenie sygnału w rurze za nią. We wzmacniaczach mocy może to spowodować świecenie płytek na czerwono lub przegrzanie rezystorów ograniczających prąd, a nawet ich uszkodzenie. Podobne rozważania dotyczą wzmacniaczy półprzewodnikowych (tranzystorowych) wytwarzanych z komponentów, ale ze względu na mniejszą produkcję ciepła i zastosowanie nowoczesnych poliestrowych barier dielektrycznych ten powszechny problem stał się stosunkowo rzadki.

Awaria elektrolityczna spowodowana nieużywaniem

Kondensatory elektrolityczne aluminiowekondycjonowane podczas produkcji poprzez przyłożenie napięcia wystarczającego do zainicjowania właściwego wewnętrznego stanu chemicznego. Stan ten jest utrzymywany dzięki regularnemu użytkowaniu sprzętu. Jeżeli system wykorzystujący kondensatory elektrolityczne nie jest używany przez dłuższy czas, może stracić kondycję . Czasami zawodzą z powodu zwarcia przy następnym działaniu.

Długość życia

Wszystkie kondensatory mają różną żywotność, w zależności od ich konstrukcji, warunków pracy i warunków środowiskowych. Ceramiczne kondensatory półprzewodnikowe mają zazwyczaj bardzo długą żywotność w normalnym użytkowaniu, która w niewielkim stopniu zależy od takich czynników, jak wibracje lub temperatura otoczenia, ale czynniki takie jak wilgotność, naprężenia mechaniczne i zmęczenie odgrywają główną rolę w ich awarii. Tryby awarii mogą się różnić. Niektóre kondensatory mogą doświadczać stopniowej utraty pojemności, zwiększonego upływu lub wzrostu równoważnej rezystancji szeregowej (ESR), podczas gdy inne mogą nagle zawieść lub nawet katastrofalnie . Na przykład kondensatory z metalową folią są bardziej podatne na uszkodzenia spowodowane stresem i wilgocią, ale samoczynnie się naprawiają, gdy nastąpi awaria dielektryka. Powstawanie wyładowania jarzeniowego w miejscu awarii zapobiega powstawaniu łuku elektrycznego poprzez odparowanie metalicznej powłoki w tym miejscu, neutralizując wszelkie zwarcia przy minimalnej utracie pojemności. Gdy w folii zgromadzi się wystarczająca liczba porów, w kondensatorze z metalową folią następuje całkowita awaria, która zwykle następuje nagle bez ostrzeżenia.

Kondensatory elektrolityczne mają na ogół najkrótszą żywotność. Na kondensatory elektrolityczne w niewielkim stopniu wpływają wibracje i wilgotność, ale dużą rolę w ich awarii odgrywają takie czynniki, jak temperatura otoczenia i temperatura pracy, która stopniowo objawia się wzrostem ESR (do 300%) i nawet 20% spadkiem pojemność. Kondensatory zawierają elektrolity, które ostatecznie dyfundują przez uszczelki i odparowują. Wzrost temperatury zwiększa również ciśnienie wewnętrzne i zwiększa szybkość reakcji chemikaliów. Tak więc żywotność kondensatora elektrolitycznego jest ogólnie definiowana przez modyfikację równania Arrheniusa , które służy do określania szybkości reakcji chemicznych:

Producenci często używają tego równania, aby podać oczekiwaną żywotność w godzinach dla kondensatorów elektrolitycznych, gdy są używane w zaprojektowanej temperaturze pracy, na którą wpływa zarówno temperatura otoczenia, ESR, jak i prąd tętnienia. Jednak te idealne warunki mogą nie istnieć we wszystkich zastosowaniach. Ogólna zasada przewidywania żywotności w różnych warunkach użytkowania jest określona przez:

Oznacza to, że żywotność kondensatora zmniejsza się o połowę na każde 10 stopni Celsjusza wzrostu temperatury, gdzie:

  • to żywotność znamionowa w warunkach znamionowych, np. 2000 godzin
  • to znamionowa maksymalna/minimalna temperatura pracy
  • to średnia temperatura pracy
  • to oczekiwana żywotność w danych warunkach

Typy kondensatorów

Praktyczne kondensatory są dostępne na rynku w wielu różnych formach. Rodzaj dielektryka wewnętrznego, budowa płyt oraz opakowanie urządzenia – wszystko to ma duży wpływ na charakterystykę kondensatora i jego zastosowania.

Dostępne wartości wahają się od bardzo niskich (zakres pikofaradów; podczas gdy w zasadzie możliwe są arbitralnie niskie wartości, błądząca (pasożytnicza) pojemność w dowolnym obwodzie jest czynnikiem ograniczającym) do około 5 kF superkondensatorów .

Kondensatory elektrolityczne powyżej około 1 mikrofarada są zwykle używane ze względu na ich małe rozmiary i niski koszt w porównaniu z innymi typami, chyba że ich stosunkowo słaba stabilność, żywotność i spolaryzowany charakter sprawiają, że są nieodpowiednie. Superkondensatory o bardzo dużej pojemności wykorzystują porowaty materiał elektrodowy na bazie węgla.

Materiały dielektryczne

Materiały kondensatorów. Od lewej: ceramika wielowarstwowa, dysk ceramiczny, wielowarstwowa folia poliestrowa, ceramika rurkowa, polistyren, metalizowana folia poliestrowa, aluminium elektrolityczne. Podziałki w skali durowej podane są w centymetrach.

Większość kondensatorów posiada przekładkę dielektryczną, która zwiększa ich pojemność w porównaniu z powietrzem lub próżnią. Aby zmaksymalizować ładunek, jaki może utrzymać kondensator, materiał dielektryczny musi mieć możliwie wysoką przenikalność elektryczną , a jednocześnie mieć możliwie wysokie napięcie przebicia . Dielektryk musi mieć również jak najmniejszą stratę częstotliwości, jak to tylko możliwe.

Jednak kondensatory o niskiej wartości są dostępne z próżnią między płytami, aby umożliwić pracę przy ekstremalnie wysokim napięciu i niskich stratach. Kondensatory zmienne z płytkami otwartymi do atmosfery były powszechnie stosowane w obwodach strojenia radiowego. Późniejsze projekty wykorzystują dielektryk z folii polimerowej między ruchomymi i nieruchomymi płytami, bez znaczącej przestrzeni powietrznej między płytami.

Dostępnych jest kilka stałych dielektryków, w tym papier , plastik , szkło , mika i ceramika .

Papier był szeroko stosowany w starszych kondensatorach i zapewnia stosunkowo wysokie napięcie. Jednak papier pochłania wilgoć i został w dużej mierze zastąpiony kondensatorami z folii z tworzywa sztucznego .

Większość obecnie stosowanych folii z tworzyw sztucznych zapewnia lepszą stabilność i odporność na starzenie się niż starsze dielektryki, takie jak olejowany papier, co czyni je przydatnymi w obwodach czasowych, chociaż mogą być ograniczone do stosunkowo niskich temperatur pracy i częstotliwości, ze względu na ograniczenia tworzywa sztucznego używany film. Duże kondensatory foliowe z tworzywa sztucznego są szeroko stosowane w obwodach tłumiących, obwodach rozruchowych silników i obwodach korekcji współczynnika mocy .

Kondensatory ceramiczne są na ogół małe, tanie i przydatne w zastosowaniach o wysokiej częstotliwości, chociaż ich pojemność znacznie się zmienia wraz z napięciem i temperaturą oraz słabo się starzeją. Mogą również cierpieć z powodu efektu piezoelektrycznego. Kondensatory ceramiczne są szeroko klasyfikowane jako dielektryki klasy 1 , które mają przewidywalne zmiany pojemności wraz z temperaturą lub dielektryki klasy 2 , które mogą pracować przy wyższym napięciu. Współczesna ceramika wielowarstwowa jest zwykle dość mała, ale niektóre typy mają z natury szerokie tolerancje wartości, problemy z mikrofonowaniem i zazwyczaj są fizycznie kruche.

Kondensatory szklane i mikowe są niezwykle niezawodne, stabilne i odporne na wysokie temperatury i napięcia, ale są zbyt drogie dla większości popularnych zastosowań.

Kondensatory elektrolityczne i superkondensatory służą do magazynowania odpowiednio małych i większych ilości energii, kondensatory ceramiczne są często stosowane w rezonatorach , a pasożytnicza pojemność występuje w obwodach wszędzie tam, gdzie prosta struktura przewodnik-izolator-przewodnik powstaje w sposób niezamierzony przez konfigurację układu obwodów .

Trzy aluminiowe kondensatory elektrolityczne o różnej pojemności.

Kondensatory elektrolityczne wykorzystują płytę aluminiową lub tantalową z warstwą dielektryka tlenkowego. Druga elektroda jest ciekłym elektrolitem , połączonym z obwodem kolejną płytką foliową. Kondensatory elektrolityczne oferują bardzo wysoką pojemność, ale mają słabe tolerancje, wysoką niestabilność, stopniową utratę pojemności, zwłaszcza pod wpływem ciepła, oraz wysoki prąd upływu. Z kondensatorów niskiej jakości może wyciekać elektrolit, który jest szkodliwy dla płytek drukowanych. Przewodność elektrolitu spada w niskich temperaturach, co zwiększa równoważną rezystancję szeregową. Chociaż są szeroko stosowane do kondycjonowania zasilania, słabe charakterystyki wysokich częstotliwości sprawiają, że nie nadają się do wielu zastosowań. Kondensatory elektrolityczne ulegają samodegradacji, jeśli nie są używane przez pewien okres (około roku), a przy zastosowaniu pełnej mocy może dojść do zwarcia, trwale uszkadzając kondensator i zwykle powodując przepalenie bezpiecznika lub awarię diod prostownikowych. Na przykład w starszym sprzęcie może to powodować wyładowanie łukowe w lampach prostownikowych. Można je przywrócić przed użyciem przez stopniowe przyłożenie napięcia roboczego, często wykonywanego na zabytkowym sprzęcie lampowym przez okres trzydziestu minut, przy użyciu zmiennego transformatora do zasilania prądem przemiennym. Zastosowanie tej techniki może być mniej zadowalające w przypadku niektórych urządzeń półprzewodnikowych, które mogą ulec uszkodzeniu w wyniku działania poniżej normalnego zakresu mocy, co wymaga uprzedniego odizolowania zasilacza od obwodów zużywających energię. Takie środki zaradcze mogą nie mieć zastosowania do nowoczesnych zasilaczy o wysokiej częstotliwości, ponieważ wytwarzają one pełne napięcie wyjściowe nawet przy zmniejszonej mocy wejściowej.

Kondensatory tantalowe oferują lepszą charakterystykę częstotliwościową i temperaturową niż aluminiowe, ale mają wyższą absorpcję dielektryczną i upływ.

Kondensatory polimerowe (OS-CON, OC-CON, KO, AO) wykorzystują stały przewodzący polimer (lub spolimeryzowany półprzewodnik organiczny) jako elektrolit i oferują dłuższą żywotność i niższy ESR przy wyższych kosztach niż standardowe kondensatory elektrolityczne.

Przepust kondensator jest komponentem, a nie służą jako jego głównego zadania, ma pojemność i jest wykorzystywany do przeprowadzania sygnałów z blachy przewodzącej.

Dostępnych jest kilka innych typów kondensatorów do zastosowań specjalistycznych. Superkondensatory magazynują duże ilości energii. Superkondensatory wykonane z aerożelu węglowego, nanorurek węglowych lub wysoce porowatych materiałów elektrodowych oferują wyjątkowo wysoką pojemność (do 5 kF od 2010 r.) i mogą być używane w niektórych zastosowaniach zamiast akumulatorów . Kondensatory prądu przemiennego są specjalnie zaprojektowane do pracy w obwodach prądu przemiennego o napięciu sieciowym. Są one powszechnie stosowane w obwodach silników elektrycznych i często są zaprojektowane do obsługi dużych prądów, więc zwykle są duże fizycznie. Zwykle są solidnie zapakowane, często w metalowych obudowach, które można łatwo uziemić. Są one również zaprojektowane z napięciami przebicia prądu stałego co najmniej pięciokrotnie większymi od maksymalnego napięcia AC.

Kondensatory zależne od napięcia

Stała dielektryczna wielu bardzo użytecznych dielektryków zmienia się w funkcji przyłożonego pola elektrycznego, na przykład materiałów ferroelektrycznych , więc pojemność tych urządzeń jest bardziej złożona. Na przykład podczas ładowania takiego kondensatora różnicowy wzrost napięcia z ładunkiem zależy od:

gdzie napięciowa zależność pojemności, C ( V ), sugeruje, że pojemność ta jest funkcją natężenia pola elektrycznego, które w przypadku urządzenia z płytką równoległą o dużej powierzchni wyraża ε = V/d . Pole to polaryzuje dielektryk, która to polaryzacja w przypadku ferroelektryka jest nieliniową funkcją pola elektrycznego w kształcie litery S , co w przypadku urządzenia z płytą równoległą o dużej powierzchni przekłada się na pojemność, która jest funkcją nieliniową napięcia.

Zgodnie z pojemnością zależną od napięcia, aby naładować kondensator do napięcia V, występuje zależność całkowa:

co zgadza się z Q = CV tylko wtedy, gdy C nie zależy od napięcia V .

Z tego samego powodu energia zmagazynowana w kondensatorze jest teraz dana przez

Integracja:

gdzie stosowana jest zamiana kolejności integracji .

Nieliniowa pojemność sondy mikroskopowej skanowanej wzdłuż powierzchni ferroelektrycznej służy do badania struktury domenowej materiałów ferroelektrycznych.

Inny przykład pojemności zależnej od napięcia występuje w urządzeniach półprzewodnikowych, takich jak diody półprzewodnikowe , gdzie zależność napięcia wynika nie ze zmiany stałej dielektrycznej, ale z zależności napięciowej odległości między ładunkami po obu stronach kondensatora. Efekt ten jest celowo wykorzystywany w urządzeniach przypominających diody, znanych jako varicaps .

Kondensatory zależne od częstotliwości

Jeśli kondensator jest zasilany napięciem zmiennym w czasie, które zmienia się wystarczająco szybko, przy pewnej częstotliwości polaryzacja dielektryka nie może podążać za napięciem. Przykładem powstania tego mechanizmu jest to, że wewnętrzne mikroskopijne dipole przyczyniające się do stałej dielektrycznej nie mogą poruszać się natychmiast, a więc wraz ze wzrostem częstotliwości przyłożonego napięcia przemiennego odpowiedź dipolowa jest ograniczona, a stała dielektryczna maleje. Zmieniająca się stała dielektryczna z częstotliwością nazywana jest dyspersją dielektryczną i jest zarządzana przez procesy relaksacji dielektrycznej , takie jak relaksacja Debye'a . W warunkach nieustalonych pole przemieszczenia można wyrazić jako (patrz podatność elektryczna ):

wskazuje na opóźnienia w odpowiedzi przez zmiany w czasie ε R , w przeliczeniu na zasadę z bazowego analizy mikroskopowej, na przykład dipol z zachowaniem w dielektryku. Zobacz na przykład liniowa funkcja odpowiedzi . Całka rozciąga się na całą przeszłą historię, aż do teraźniejszości. Transformaty Fouriera w czasie potem skutkuje:

gdzie ε r ( ω ) jest teraz funkcją złożoną , z częścią urojoną związaną z pochłanianiem energii z pola przez ośrodek. Zobacz przenikalność . Pojemność, będąca proporcjonalna do stałej dielektrycznej, również wykazuje to zachowanie częstotliwościowe. Transformacja Fouriera prawa Gaussa z tą postacią dla pola przemieszczenia:

gdzie j jest jednostką urojoną , V ( ω ) jest składową napięcia przy częstotliwości kątowej ω , G ( ω ) jest rzeczywistą częścią prądu, nazywaną konduktancją , a C ( ω ) określa urojoną część prądu i jest pojemność . Z ( ω ) to impedancja zespolona.

Gdy kondensator równoległy jest wypełniony dielektrykiem, pomiar właściwości dielektrycznych medium opiera się na zależności:

gdzie pojedyncza liczba pierwsza oznacza część rzeczywistą, a podwójna liczba pierwotna część urojona, Z ( ω ) jest impedancją zespoloną z obecnym dielektrykiem, C cmplx ( ω ) jest tak zwaną pojemnością zespoloną z obecnym dielektrykiem, a C 0 jest pojemność bez dielektryka. (Pomiar „bez dielektryka” w zasadzie oznacza pomiar w wolnej przestrzeni , cel nieosiągalny, ponieważ przewiduje się, że nawet próżnia kwantowa będzie wykazywać nieidealne zachowanie, takie jak dichroizm . Ze względów praktycznych, gdy brane są pod uwagę błędy pomiaru, często jest to pomiar w próżni ziemskiej lub po prostu obliczenie C 0 , jest wystarczająco dokładne.)

Stosując tę ​​metodę pomiaru, stała dielektryczna może wykazywać rezonans przy pewnych częstotliwościach odpowiadających charakterystycznym częstotliwościom odpowiedzi (energii wzbudzenia) elementów składowych stałej dielektrycznej. Te rezonanse są podstawą wielu eksperymentalnych technik wykrywania defektów. Metoda przewodnictwa mierzy absorpcję w funkcji częstotliwości. Alternatywnie, odpowiedź czasowa pojemności może być wykorzystana bezpośrednio, jak w spektroskopii stanów przejściowych głębokiego poziomu .

Inny przykład pojemności zależnej od częstotliwości występuje w przypadku kondensatorów MOS , gdzie powolne generowanie nośnych mniejszościowych oznacza, że ​​przy wysokich częstotliwościach pojemność mierzy tylko odpowiedź nośną większości, podczas gdy przy niskich częstotliwościach reagują oba typy nośnych.

Przy częstotliwościach optycznych w półprzewodnikach stała dielektryczna wykazuje strukturę związaną ze strukturą pasmową ciała stałego. Zaawansowane metody pomiaru spektroskopii modulacyjnej oparte na modulowaniu struktury krystalicznej przez ciśnienie lub inne naprężenia oraz obserwowanie powiązanych zmian w absorpcji lub odbiciu światła poszerzyły naszą wiedzę na temat tych materiałów.

Style

Pakiety kondensatorów: ceramika SMD w lewym górnym rogu; Tantal SMD w lewym dolnym rogu; tantal przelotowy w prawym górnym rogu; elektrolityczny otwór przelotowy w prawym dolnym rogu. Podziały w skali durowej to cm.

Układ płytek i dielektryka ma wiele odmian w różnych stylach, w zależności od pożądanych wartości znamionowych kondensatora. W przypadku niewielkich wartości pojemności (mikrofaradów i mniejszych) w dyskach ceramicznych stosuje się powłoki metaliczne, z wyprowadzeniami drutu związanymi z powłoką. Większe wartości można uzyskać za pomocą wielu stosów płyt i dysków. Kondensatory o większej wartości zwykle wykorzystują folię metalową lub warstwę folii metalowej osadzonej na powierzchni folii dielektrycznej w celu wykonania płyt oraz folię dielektryczną z impregnowanego papieru lub tworzywa sztucznego – są one zwijane w celu zaoszczędzenia miejsca. Aby zmniejszyć rezystancję szeregową i indukcyjność dla długich płyt, płyty i dielektryk są przesunięte tak, że połączenie jest wykonane na wspólnej krawędzi zwiniętych płyt, a nie na końcach folii lub metalizowanych pasków folii, które składają się na płyty.

Zespół jest obudowany, aby zapobiec przedostawaniu się wilgoci do dielektryka – wczesne urządzenia radiowe wykorzystywały tekturową tubę uszczelnioną woskiem. Nowoczesne kondensatory dielektryczne papierowe lub foliowe są zanurzane w twardym termoplastiku. Duże kondensatory do zastosowań wysokonapięciowych mogą mieć formę zwoju skompresowaną tak, aby pasowała do prostokątnej metalowej obudowy, ze skręcanymi zaciskami i tulejami do połączeń. Dielektryk w większych kondensatorach jest często impregnowany cieczą w celu poprawy jego właściwości.

Kilka kondensatorów elektrolitycznych z ołowiem osiowym

Kondensatory mogą mieć swoje przewody łączące rozmieszczone w wielu konfiguracjach, na przykład osiowo lub promieniowo. „Axial” oznacza, że ​​wyprowadzenia znajdują się na wspólnej osi, zazwyczaj osi cylindrycznego korpusu kondensatora – wyprowadzenia wystają z przeciwległych końców. Promieniste przewody rzadko są ustawione wzdłuż promienia koła ciała, więc termin jest konwencjonalny. Przewody (aż do wygięcia) są zwykle w płaszczyznach równoległych do płaskiego korpusu kondensatora i przebiegają w tym samym kierunku; często są one równoległe do produkcji.

Małe, tanie, ceramiczne kondensatory dyskoidalne istniały od lat 30. XX wieku i nadal są w powszechnym użyciu. Po latach 80. szeroko stosowano pakiety do montażu powierzchniowego kondensatorów. Opakowania te są niezwykle małe i pozbawione przewodów połączeniowych, dzięki czemu można je lutować bezpośrednio na powierzchni płytek drukowanych . Komponenty do montażu powierzchniowego zapobiegają niepożądanym efektom wysokiej częstotliwości ze względu na wyprowadzenia i upraszczają zautomatyzowany montaż, chociaż ręczna obsługa jest utrudniona ze względu na ich niewielkie rozmiary.

Kondensatory zmienne sterowane mechanicznie umożliwiają regulację odstępu między płytami, na przykład poprzez obracanie lub przesuwanie zestawu płytek ruchomych do wyrównania z zestawem płytek nieruchomych. Niedrogie kondensatory zmienne ściskają śrubą naprzemiennie warstwy aluminium i plastiku . Kontrola pojemności elektrycznej jest osiągalne z varactors (lub waraktorów), które są z odwróconymi odchylać diodami półprzewodnikowymi , których obszar zubożenia szerokość zależy od przyłożonego napięcia. Są one używane między innymi w pętlach z blokadą fazową .

Oznaczenia kondensatorów

Większość kondensatorów ma nadrukowane oznaczenia wskazujące ich właściwości elektryczne. Większe kondensatory, takie jak typy elektrolityczne, zwykle wyświetlają pojemność jako wartość z określoną jednostką, na przykład 220 μF . Mniejsze kondensatory, takie jak ceramiczne, używają zapisu skróconego składającego się z trzech cyfr i litery, gdzie cyfry ( XYZ ) oznaczają pojemność w pikofaradach (pF), obliczoną jako XY × 10 Z , a litera wskazuje tolerancję. Typowe tolerancje to ±5%, ±10% i ±20%, co oznacza odpowiednio J, K i M.

Kondensator może być również oznaczony jego napięciem roboczym, temperaturą i innymi istotnymi cechami.

Ze względów typograficznych niektórzy producenci drukują MF na kondensatorach, aby wskazać mikrofarady (μF).

Przykład

Kondensator oznaczony lub oznaczony jako 473K 330V ma pojemność 47 × 10 3  pF = 47 nF (±10%) z maksymalnym napięciem roboczym 330 V. Napięcie robocze kondensatora jest nominalnie najwyższym napięciem, które może być przyłożone to bez nadmiernego ryzyka uszkodzenia warstwy dielektrycznej.

Kod RKM

Notacja określająca wartość kondensatora na schemacie obwodu jest różna. Kod RKM po IEC 60062 oraz BS 1852 jest uniknięcie stosowania do separatora dziesiętnej i zastępuje separator dziesiętny z prefiksu symbolu SI dla danej wartości (a literą F na wadze 1). Przykład: 4n7 dla 4,7 nF lub 2F2 dla 2,2 F.

Historyczny

W tekstach sprzed lat 60. i na niektórych pakietach kondensatorów do niedawna przestarzałe jednostki pojemności były wykorzystywane w książkach elektronicznych, czasopismach i katalogach elektronicznych. Stare jednostki „mfd” i „mf” oznaczały mikrofarad (μF); a stare jednostki „mmfd”, „mmf”, „uuf”, „μμf”, „pfd” oznaczały pikofarad (pF); ale są już rzadko używane. Również „mikromikrofarad” lub „mikro-mikrofarad” to przestarzałe jednostki, które można znaleźć w niektórych starszych tekstach, które są równoważne pikofaradowi (pF).

Podsumowanie przestarzałych jednostek pojemności: (nie są pokazywane odmiany pisane małymi/dużymi literami)

  • μF (mikrofarad) = mf, mfd
  • pF (pikofarad) = mmf, mmfd, pfd, μμF

Aplikacje

Ten wypełniony olejem kondensator z folią mylarową ma bardzo niską indukcyjność i niską rezystancję, aby zapewnić wysoką moc (70 megawatów) i wysoką prędkość (1,2 mikrosekundy) wyładowanie potrzebne do działania lasera barwnikowego .

Magazynowanie energii

Kondensator może magazynować energię elektryczną, gdy jest odłączony od obwodu ładowania, dzięki czemu może być używany jako tymczasowa bateria lub jako inne rodzaje systemu magazynowania energii wielokrotnego ładowania . Kondensatory są powszechnie stosowane w urządzeniach elektronicznych do podtrzymania zasilania podczas wymiany baterii. (Zapobiega to utracie informacji w pamięci ulotnej).

Kondensator może ułatwiać konwersję energii kinetycznej naładowanych cząstek na energię elektryczną i magazynować ją.

Konwencjonalne kondensatory dostarczają mniej niż 360 dżuli na kilogram energii właściwej , podczas gdy konwencjonalna bateria alkaliczna ma gęstość 590 kJ/kg. Istnieje rozwiązanie pośrednie: superkondensatory , które mogą przyjmować i dostarczać ładunek znacznie szybciej niż akumulatory i tolerować znacznie więcej cykli ładowania i rozładowania niż akumulatory. Są jednak 10 razy większe niż konwencjonalne baterie na jednym ładowaniu. Z drugiej strony wykazano, że ilość ładunku zgromadzonego w warstwie dielektrycznej kondensatora cienkowarstwowego może być równa lub nawet przekroczyć ilość ładunku zgromadzonego na jego płytkach.

W samochodowych systemach audio duże kondensatory przechowują energię, którą wzmacniacz może wykorzystać na żądanie. Również w lampie błyskowej kondensator jest używany do utrzymywania wysokiego napięcia .

Pamięć cyfrowa

W latach trzydziestych John Atanasoff zastosował zasadę magazynowania energii w kondensatorach do skonstruowania dynamicznych pamięci cyfrowych dla pierwszych komputerów binarnych, które wykorzystywały lampy elektronowe do celów logicznych.

Impulsowa moc i broń

Grupy dużych, specjalnie skonstruowanych kondensatorów wysokonapięciowych o niskiej indukcyjności ( zestawy kondensatorów ) są używane do dostarczania ogromnych impulsów prądu dla wielu impulsowych zastosowań energetycznych . Należą do nich formowanie elektromagnetyczne , generatory Marksa , lasery impulsowe (zwłaszcza lasery TEA ), sieci formujące impulsy , radary , badania syntezy jądrowej i akceleratory cząstek .

Duże baterie kondensatorów (zbiorniki) są wykorzystywane jako źródła energii dla detonatorów z eksplodującym drutem mostkowym lub detonatorów udarowych w broni jądrowej i innej broni specjalistycznej. Praca eksperymentalna jest w toku przy użyciu banki kondensatorów jako źródła energii dla zbroi elektromagnetycznego i elektromagnetycznych railguns i coilguns .

Kondycjonowanie mocy

Kondensator 10 000  mikrofaradów w zasilaczu wzmacniacza

Kondensatory zbiornikowe są stosowane w zasilaczach, gdzie wygładzają wyjście prostownika pełno- lub półfalowego . Mogą być również stosowane w obwodach pomp ładunkowych jako element magazynujący energię w generowaniu napięć wyższych niż napięcie wejściowe.

Kondensatory są połączone równolegle z obwodami zasilania większości urządzeń elektronicznych i większych systemów (takich jak fabryki) w celu bocznikowania i ukrywania wahań prądu z głównego źródła zasilania w celu zapewnienia „czystego” zasilania dla obwodów sygnałowych lub sterujących. Na przykład sprzęt audio wykorzystuje w ten sposób kilka kondensatorów, aby wyeliminować szum linii zasilającej, zanim dostanie się on do obwodów sygnałowych. Kondensatory pełnią rolę lokalnej rezerwy dla źródła prądu stałego i omijają prądy zmienne z zasilacza. Jest to wykorzystywane w aplikacjach car audio, gdy kondensator usztywniający kompensuje indukcyjność i rezystancję przewodów do akumulatora samochodowego kwasowo-ołowiowego .

Korekcja współczynnika mocy

Wysokonapięciowy zespół kondensatorów służący do korekcji współczynnika mocy w systemie przesyłu energii

W dystrybucji energii elektrycznej kondensatory służą do korekcji współczynnika mocy . Takie kondensatory często występują jako trzy kondensatory połączone jako obciążenie trójfazowe . Zwykle wartości tych kondensatorów nie są podawane w faradach, ale jako moc bierna w woltoamperach reaktywnych (var). Celem jest przeciwdziałanie obciążeniu indukcyjnemu urządzeń, takich jak silniki elektryczne i linie przesyłowe, aby obciążenie wydawało się w większości rezystancyjne. Poszczególne obciążenia silników lub lamp mogą mieć kondensatory do korekcji współczynnika mocy lub większe zestawy kondensatorów (zwykle z automatycznymi urządzeniami przełączającymi) mogą być instalowane w centrum obciążenia w budynku lub w dużej podstacji .

Tłumienie i sprzężenie

Łączenie sygnału

Kondensatory z folii poliestrowej są często używane jako kondensatory sprzęgające.

Ponieważ kondensatory przepuszczają prąd przemienny, ale blokują sygnały prądu stałego (po naładowaniu do przyłożonego napięcia prądu stałego), są często używane do oddzielania składowych sygnału prądu przemiennego i stałego. Ta metoda jest znana jako sprzężenie AC lub „sprzęganie pojemnościowe”. Tutaj wykorzystuje się dużą wartość pojemności, której wartość nie musi być dokładnie kontrolowana, ale której reaktancja jest mała przy częstotliwości sygnału.

Oddzielenie

Oddzielenia kondensatora jest kondensator stosowane do ochrony jednej części obwodu, z działaniem drugiego, na przykład na szum zahamować lub stanów przejściowych. Hałas powodowany przez inne elementy obwodu jest przepuszczany przez kondensator, zmniejszając ich wpływ na resztę obwodu. Najczęściej stosuje się go między zasilaczem a ziemią. Alternatywną nazwą jest kondensator obejściowy, ponieważ służy do ominięcia zasilacza lub innego elementu obwodu o wysokiej impedancji.

Kondensatory odsprzęgające nie zawsze muszą być elementami dyskretnymi. Kondensatory używane w tych aplikacjach mogą być wbudowane w płytkę drukowaną pomiędzy różnymi warstwami. Są one często określane jako wbudowane kondensatory. Warstwy w płytce przyczyniające się do właściwości pojemnościowych działają również jako płaszczyzny zasilania i uziemienia, a między nimi mają dielektryk, dzięki czemu mogą działać jako równoległy kondensator płytowy.

Filtry górnoprzepustowe i dolnoprzepustowe

Tłumienie hałasu, kolce i tłumiki

Kiedy obwód indukcyjny jest otwarty, prąd płynący przez indukcyjność szybko zapada, tworząc duże napięcie w otwartym obwodzie przełącznika lub przekaźnika. Jeśli indukcyjność jest wystarczająco duża, energia może wytworzyć iskrę, powodując utlenienie, zniszczenie lub czasami zespawanie się punktów styku lub zniszczenie przełącznika półprzewodnikowego. Amortyzujący kondensator poprzek nowo otwartym obwodzie tworzy ścieżkę dla tego impulsu na ominięcie punktów styku, tym samym zachowując swoje życie; były one powszechnie spotykane na przykład w układach zapłonowych wyłączników stykowych . Podobnie w obwodach o mniejszej skali iskra może nie wystarczyć do uszkodzenia przełącznika, ale nadal może emitować niepożądane zakłócenia o częstotliwości radiowej (RFI), które pochłania kondensator filtra . Kondensatory tłumiące są zwykle używane szeregowo z rezystorem o niskiej wartości, aby rozproszyć energię i zminimalizować RFI. Takie kombinacje rezystor-kondensator są dostępne w jednym pakiecie.

Kondensatory są również używane równolegle z jednostkami przerywającymi wyłącznika wysokiego napięcia , aby równomiernie rozłożyć napięcie między tymi jednostkami. Są to tak zwane „kondensatory klasyfikujące”.

Na schematach ideowych kondensator używany głównie do przechowywania ładunku DC jest często rysowany pionowo na schematach obwodów z dolną, bardziej ujemną płytą rysowaną jako łuk. Prosta tabliczka wskazuje dodatni zacisk urządzenia, jeśli jest spolaryzowany (patrz kondensator elektrolityczny ).

Rozruszniki silnikowe

W jednofazowych silnikach klatkowych uzwojenie pierwotne w obudowie silnika nie jest w stanie uruchomić ruchu obrotowego na wirniku, ale jest w stanie go podtrzymać. Aby uruchomić silnik, uzwojenie wtórne „start” ma szeregowy niespolaryzowany kondensator rozruchowy, który wprowadza wyprowadzenie do prądu sinusoidalnego. Gdy uzwojenie wtórne (startowe) jest ustawione pod kątem w stosunku do uzwojenia pierwotnego (biegowego), powstaje wirujące pole elektryczne. Siła pola wirującego nie jest stała, ale wystarcza do rozpoczęcia wirowania wirnika. Gdy wirnik zbliża się do prędkości roboczej, przełącznik odśrodkowy (lub przekaźnik prądowy połączony szeregowo z uzwojeniem głównym) odłącza kondensator. Kondensator rozruchowy jest zwykle montowany z boku obudowy silnika. Są to tak zwane silniki z rozruchem kondensatorowym, które mają stosunkowo wysoki moment rozruchowy. Zazwyczaj mogą mieć do czterech razy większy moment rozruchowy niż silnik rozdzielony i są używane w aplikacjach takich jak sprężarki, myjki ciśnieniowe i wszelkie małe urządzenia wymagające wysokich momentów rozruchowych.

Silniki indukcyjne z kondensatorem mają podłączony na stałe kondensator przesuwający fazę połączony szeregowo z drugim uzwojeniem. Silnik jest podobny do dwufazowego silnika indukcyjnego.

Kondensatory rozruchowe silnika są zwykle niespolaryzowanymi typami elektrolitów, podczas gdy kondensatory robocze są konwencjonalnymi typami dielektryków papierowych lub z folii z tworzywa sztucznego.

Przetwarzanie sygnałów

Energia zmagazynowana w kondensatorze może być wykorzystana do reprezentowania informacji w postaci binarnej, jak w pamięciach DRAM , lub w postaci analogowej, jak w analogowych filtrach próbkujących i przetwornikach CCD . Kondensatory mogą być stosowane w obwodach analogowych jako elementy integratorów lub bardziej złożonych filtrów oraz w stabilizacji ujemnego sprzężenia zwrotnego. Obwody przetwarzania sygnału również wykorzystują kondensatory do integracji sygnału prądowego.

Obwody strojone

Kondensatory i cewki są stosowane razem w obwodach strojonych do selekcji informacji w poszczególnych pasmach częstotliwości. Na przykład odbiorniki radiowe wykorzystują zmienne kondensatory do dostrajania częstotliwości stacji. Głośniki wykorzystują pasywne zwrotnice analogowe , a korektory analogowe wykorzystują kondensatory do wyboru różnych pasm audio.

Częstotliwość rezonansowa C tego obwodu jest funkcją indukcyjności ( L ) i pojemność ( C ) połączone szeregowo, a to ze wzoru:

gdzie L jest w henrach, a C w faradach.

Wyczuwanie

Większość kondensatorów jest zaprojektowana tak, aby utrzymać stałą strukturę fizyczną. Jednak różne czynniki mogą zmienić strukturę kondensatora, a wynikającą z tego zmianę pojemności można wykorzystać do wykrycia tych czynników.

Zmiana dielektryka:

Efekty zmiany właściwości dielektryka mogą być wykorzystane do celów wykrywania. Kondensatory z odsłoniętym i porowatym dielektrykiem mogą być używane do pomiaru wilgotności powietrza. Kondensatory służą do dokładnego pomiaru poziomu paliwa w samolotach ; gdy paliwo pokrywa więcej pary płytek, pojemność obwodu wzrasta. Ściśnięcie dielektryka może zmienić kondensator przy ciśnieniu kilkudziesięciu barów na tyle, że może być używany jako czujnik ciśnienia. Wybrany, ale poza tym standardowy, polimerowy kondensator dielektryczny, po zanurzeniu w kompatybilnym gazie lub cieczy, może pracować jako bardzo tani czujnik ciśnienia do kilkuset barów.

Zmiana odległości między płytami:

Kondensatory z elastyczną płytą mogą być używane do pomiaru odkształceń lub ciśnienia. Przemysłowe przetworniki ciśnienia stosowane do sterowania procesem wykorzystują membrany ciśnieniowe, które tworzą płytkę kondensatora obwodu oscylatora. Kondensatory są używane jako czujnik w mikrofonach pojemnościowych , w których jedna płyta jest przesuwana pod wpływem ciśnienia powietrza względem ustalonej pozycji drugiej płyty. Niektóre akcelerometry wykorzystują kondensatory MEMS wytrawione na chipie do pomiaru wielkości i kierunku wektora przyspieszenia. Służą do wykrywania zmian w przyspieszeniu, w czujnikach przechyłu lub do wykrywania swobodnego spadania, jako czujniki wyzwalające poduszkę powietrzną oraz w wielu innych zastosowaniach. Niektóre czujniki odcisków palców wykorzystują kondensatory. Dodatkowo, użytkownik może regulować wysokość tonu thereminowego instrumentu muzycznego, poruszając ręką, ponieważ zmienia to efektywną pojemność między ręką użytkownika a anteną.

Zmiana efektywnej powierzchni płyt:

Pojemnościowe przełączniki dotykowe są obecnie używane w wielu produktach elektroniki użytkowej.

Oscylatory

Przykład prostego oscylatora zawierającego kondensator

Kondensator może mieć właściwości sprężynowe w obwodzie oscylatora. W przykładzie obrazu kondensator wpływa na napięcie polaryzacji na podstawie tranzystora npn. Wartości rezystancji rezystorów dzielnika napięcia i wartość pojemności kondensatora wspólnie kontrolują częstotliwość drgań.

Produkcja światła

Kondensator emitujący światło jest wykonany z dielektryka, który wykorzystuje fosforescencję do wytwarzania światła. Jeśli jedna z płytek przewodzących jest wykonana z przezroczystego materiału, światło jest widoczne. Kondensatory elektroluminescencyjne wykorzystywane są do budowy paneli elektroluminescencyjnych, m.in. do podświetlania laptopów. W tym przypadku cały panel to kondensator służący do generowania światła.

Zagrożenia i bezpieczeństwo

Zagrożenia stwarzane przez kondensator są zwykle określane przede wszystkim przez ilość zmagazynowanej energii, która jest przyczyną takich rzeczy, jak oparzenia elektryczne lub migotanie serca . Czynniki takie jak napięcie i materiał obudowy mają znaczenie drugorzędne, które są bardziej związane z tym, jak łatwo można zainicjować wstrząs, niż z tym, jak duże może być uszkodzenie. Pod pewnymi warunkami, w tym przewodnością powierzchni, wcześniej istniejącymi schorzeniami, wilgotnością powietrza lub drogami, jakie przechodzi przez ciało (tj. wstrząsy przemieszczające się w głębi ciała, a zwłaszcza w sercu, są bardziej niebezpieczne niż tych ograniczonych do kończyn), wstrząsy tak niskie jak jeden dżul mogą powodować śmierć, chociaż w większości przypadków mogą nawet nie pozostawić oparzenia. Wstrząsy powyżej dziesięciu dżuli zazwyczaj uszkadzają skórę i są zwykle uważane za niebezpieczne. Każdy kondensator, który może pomieścić 50 dżuli lub więcej, powinien być uważany za potencjalnie śmiertelny.

Kondensatory mogą utrzymywać ładunek długo po odłączeniu zasilania od obwodu; ten ładunek może spowodować niebezpieczne, a nawet potencjalnie śmiertelne porażenie prądem lub uszkodzenie podłączonego sprzętu. Na przykład nawet pozornie nieszkodliwe urządzenie, takie jak lampa błyskowa z jednorazowym aparatem, zasilana 1,5-woltową baterią AA , ma kondensator, który może zawierać ponad 15 dżuli energii i być ładowany do ponad 300 woltów. To z łatwością może wywołać szok. Procedury serwisowe urządzeń elektronicznych zwykle obejmują instrukcje dotyczące rozładowywania dużych lub wysokonapięciowych kondensatorów, na przykład za pomocą patyczka Brinkley . Kondensatory mogą również mieć wbudowane rezystory rozładowujące, które rozpraszają zgromadzoną energię do bezpiecznego poziomu w ciągu kilku sekund po odłączeniu zasilania. Kondensatory wysokonapięciowe są przechowywane ze zwartymi zaciskami , jako ochrona przed potencjalnie niebezpiecznymi napięciami spowodowanymi absorpcją dielektryczną lub napięciami przejściowymi, które kondensator może odebrać od ładunków statycznych lub przechodzących zdarzeń pogodowych.

Niektóre stare, duże kondensatory z papieru lub folii z tworzywa sztucznego wypełnione olejem zawierają polichlorowane bifenyle (PCB). Wiadomo, że odpady PCB mogą przedostawać się do wód gruntowych pod składowiskami odpadów . Kondensatory zawierające PCB zostały oznaczone jako zawierające „Askarel” i kilka innych nazw handlowych. Kondensatory papierowe wypełnione PCB znajdują się w bardzo starych (sprzed 1975 r.) statecznikach do lamp fluorescencyjnych i innych zastosowaniach.

Kondensatory mogą ulec katastrofalnej awarii, gdy zostaną poddane działaniu napięć lub prądów przekraczających ich wartości znamionowe lub gdy osiągną swój normalny koniec życia. Awarie połączeń dielektrycznych lub metalowych mogą powodować wyładowania łukowe, które odparowują płyn dielektryczny, powodując wybrzuszenie, pęknięcie, a nawet eksplozję . Kondensatory używane w zastosowaniach RF lub długotrwałych zastosowaniach wysokoprądowych mogą się przegrzewać, szczególnie w środku rolek kondensatora. Kondensatory stosowane w wysokoenergetycznych bateriach kondensatorów mogą gwałtownie eksplodować, gdy zwarcie w jednym kondensatorze powoduje nagłe zrzucenie energii zmagazynowanej w pozostałej części baterii do uszkodzonej jednostki. Kondensatory próżniowe wysokiego napięcia mogą generować miękkie promieniowanie rentgenowskie nawet podczas normalnej pracy. Właściwe zabezpieczenie, bezpieczniki i konserwacja zapobiegawcza mogą pomóc zminimalizować te zagrożenia.

Kondensatory wysokonapięciowe mogą korzystać ze wstępnego ładowania w celu ograniczenia prądów rozruchowych przy uruchamianiu obwodów wysokiego napięcia prądu stałego (HVDC). Wydłuża to żywotność komponentu i może złagodzić zagrożenia związane z wysokim napięciem.

Zobacz też

Bibliografia

Bibliografia

Dalsza lektura

  • Kondensatory tantalowe i niobowe – nauka, technologia i zastosowania ; 1-sze wydanie; Jurij Freeman; Skoczek; 120 stron; 2018; ISBN  978-3319678696 .
  • Kondensatory ; 1-sze wydanie; Pokładka RPD; McGraw-Hill; 342 strony; 2014; ISBN  978-0071848565 .
  • Podręcznik kondensatorów ; 1-sze wydanie; Cletus Kaiser; Van Nostranda Reinholda; 124 strony; 1993; ISBN  978-9401180924 .
  • Zrozumienie kondensatorów i ich zastosowań ; 1-sze wydanie; Williama Mullina; Wydawnictwo Sams; 96 stron; 1964. (archiwum)
  • Kondensatory stałe i zmienne ; 1-sze wydanie; GWA Dummer i Harold Nordenberg; Prasa do klonu; 288 stron; 1960. (archiwum)
  • Kondensator elektrolityczny ; 1-sze wydanie; Aleksander Georgiew; Książki Murray Hill; 191 stron; 1945. (archiwum)

Zewnętrzne linki