Kondensator

Z Wikipedii

Kondensatory stałe różnych typów i o różnych pojemnościach

Kondensator zmiennej pojemności z odbiornika Pionier

Kondensator to element elektryczny (elektroniczny) zbudowany z dwóch przewodników (okładzin) rozdzielonych dielektrykiem.

Spis treści

1 Działanie
2 Zastosowanie
3 Symbole kondensatorów
4 Rodzaje konstrukcji kondensatorów
5 Straty energii
6 Zobacz też

[edytuj] Działanie

Doprowadzenie napięcia do okładzin kondensatora powoduje zgromadzenie się na nich ładunku elektrycznego. Jeżeli kondensator jako całość nie jest naelektryzowany, to cały ładunek zgromadzony na jego okładkach jest jednakowy, ale przeciwnego znaku. Kondensator charakteryzuje pojemność określająca zdolność kondensatora do gromadzenia ładunku:

$C = \frac Q U$

gdzie:

C - pojemność, w faradach
Q - ładunek zgromadzony na jednej okładce, w kulombach
U - napięcie elektryczne między okładkami, w woltach.

Pojemność wyrażana jest w faradach. Jeden farad to bardzo duża jednostka, dlatego w praktyce spotyka się kondensatory o pojemnościach piko-, nano-, mikro- i milifaradów.

Ogólnie, napięcie $u C$ i prąd $i C$ kondensatora w chwili t związane są zależnością:

$u_c=\frac Q C = {1 \over C} \int_{-\infty}^t i_c(\tau) \mbox{d} \tau$

Pracę dW, jaką trzeba wykonać by przenieść niewielki ładunek dq z jednej okładki kondensatora, o pojemności C, na drugą, przy założeniu, że jedna z okładek jest naładowana ładunkiem q.

$\mbox{d}W=U(q) \mbox{d}q = \frac q C \mbox{d}q$

Energię zmagazynowaną w kondensatorze oblicza się przez scałkowanie powyższego wzoru, uzyskując:

$W=\int_0^Q {q \over C} \mbox{d}q={1 \over 2} {Q^2 \over C}={1 \over 2} CU_C^2$

przy czym Q jest ładunkiem, do którego naładowano kondensator.

Prąd elektryczny to zmiana ładunku w czasie, co można zapisać:

$i_c(t)={{\mbox{d}Q} \over {\mbox{d}t}}= C {{\mbox{d}u_c} \over {\mbox{d}t}}$

Kondensator podłączony do napięcia stałego po pewnym czasie naładuje się do tego napięcia ${{\mbox{d}u_C} \over {\mbox{d}t}}=0$ kondensator jest wówczas równoważny przerwie w obwodzie ( $i c (t) = 0$ ). Dla prądu przemiennego przez kondensator płynie prąd określony wzorem:

$u_c(t) = U_0 \sin(\omega t) \,$

$i_c= C {{\mbox{d}u_C} \over {\mbox{d}t}}= C U_0 \omega \cos(\omega t)$

Wielkość, wiążąca prąd i napięcie na kondensatorze nazywa się reaktancją, która jest tym mniejsza, im większa jest pojemność kondensatora i częstotliwość prądu. Kondensator charakteryzuje się tym, że (dla sygnałów sinusoidalnych) napięcie jest opóźnione w fazie względem prądu o kąt $\frac{\pi}{2}$ (inaczej: prąd wyprzedza napięcie o kąt $\frac{\pi}{2}$ ). Z tego względu impedancja kondensatora jest liczbą zespoloną i opisana jest wzorem:

$Z= \frac 1 {j\omega C}= \frac {1} {j2 \pi f C}$

gdzie:ω to częstość, f to częstotliwość w hercach.

[edytuj] Zastosowanie

Kondensator wraz z rezystorem jest jednym z podstawowych elektronicznych elementów pasywnych, służy do przechowywania, gromadzenia ładunku elektrycznego. Wykorzystywany we wszystkich typach układów, razem z cewką tworzy obwód rezonansowy. W niektórych podzespołach komputerowych wykorzystywane są powszechnie kondensatory elektrolityczne niskoimpendancyjne, a ściślej low ESR (Equivalent Series Resistance). Kondensatory low ESR zazwyczaj specyfikowane są dla 100kHz, a oznaczone jako low impedance mogą być w paśmie audio. Kondensator elektrolityczny "idealny" nie posiada żadnej rezystancji, jedynie pojemność. Jednak w układach rzeczywistych materiał z którego zbudowano kondensator posiada skończony opór. Kondensatory low ESR mają niski opór (ścislej impendancję) i dziękim temu m.in. mniej się nagrzewają i nie wprowadzają do układu zbędnej, nadmiernej rezystancji.

[edytuj] Symbole kondensatorów

Zwykły napięciowy

Spolaryzowany (Elektrolityczny)

Zmienny

[edytuj] Rodzaje konstrukcji kondensatorów

Ze względu na różną konstrukcję kondensatory można podzielić na:

elektrolityczne (dielektrykiem jest cienka warstwa tlenku, a osadzona elektrolitycznie na okładzinie dodatniej, drugą okładziną jest elektrolit), właściwości:
- pracują poprawnie tylko dla małych częstotliwości,
- mają duże pojemności,
- mają małe rozmiary,
- mała rezystancja szeregowa,
- mała indukcyjność szeregowa
poliestrowe - foliowe (dielektrykiem jest folia poliestrowa)
- pracują poprawnie przy dużym prądzie,
- mają dużą wytrzymałość napięciową,
- mają relatywnie małą pojemność,
- używane w obwodach rezonansowych i układach typu Snubber,
- materiałem, z którego są wykonane jest najczęściej polipropylen i poliwęglan
ceramiczne (dielektrykiem jest specjalna ceramika), znakomicie pracują przy wielkich częstotliwościach, bywają wykonywane też jako kondensatory o zmiennej pojemności
tantalowe
- wysoka odporność na warunki zewnętrzne
- niewielkie rozmiary w porównaniu do kondensatorów elektrolitycznych o tej samej pojemności i maksymalnym napięciu przebicia
powietrzne (dielektrykiem jest powietrze) - znakomicie pracują przy wysokich częstotliwościach i bardzo dużych napięciach, często wykonywane jako kondensatory zmienne.

[edytuj] Straty energii

Schemat zastępczy kondensatora stratnego

Rzeczywiste kondensatory nie są w stanie utrzymać ładunku dowolnie długo. Rzeczywisty kondensator można sobie wyobrazić jako układ idealnego kondensatora z przyłączoną do niego równolegle rezystancją R o dużej wartości. Zjawisko strat energii spowodowane niedoskonałościami konstrukcji kondensatora i własnościami użytego materiału dielektryka nazywa się upływnością kondensatora. Upływność wyraża się za pomocą tzw. tangensa kąta strat $\operatorname{tg} \delta$ definiowanego jako stosunek prądów gałęziowych w układzie zastępczym kondensatora: płynącego przez opornik $R$ do płynącego przez kondensator $C$ . Tangens strat jest tym samym ułamkiem energii rozpraszanej w rzeczywistym kondensatorze.