Kondensators: kas tas ir, darbība, veidi un pielietojumi

Uzzini, kas ir kondensators — darbība, galvenie veidi un praktiskie pielietojumi elektronijā; salīdzini tipiskos risinājumus un drošas lietošanas padomus.

Kondensators ir elektroniska ierīce, kas uzglabā elektroenerģiju elektriskajā laukā. To bieži salīdzina ar akumulatoru, taču kondensatori ir parasti mazāki, vieglāki un spēj uzlādēties un izlādēties daudz ātrāk. Viens no pirmajiem kondensatoru veidiem bija Leidenes burka, kas demonstrēja uzglabātas elektriskās enerģijas principu.

Kas tas ir un kā tas strādā

Vienkāršākais kondensators sastāv no divām tuvām, bet savstarpēji neskarto metāla plāksnēm (elektrodām), starp kurām ir dielektrisks materiāls (izolators). Kad pielieto spriegumu, vienā plāksnē uzkrājas pozitīvs lādiņš, otrā — negatīvs, veidojot elektrisko lauku. Kondensatora spēju uzglabāt lādiņu mēra ar kapacitāti, kuras SI vienība ir farads (F). Saistība starp lādiņu Q, kapacitāti C un spriegumu V ir Q = C · V.

Uzglabātās enerģijas daudzums kondensatorā ir E = 1/2 · C · V². Dielektrisks materiāls starp elektrodām palielina kapacitāti, ļaujot vairāk enerģijas uzkrāt pie tāda paša izmēra.

Ja divi vadītāji atrodas ļoti tuvu viens otram, kondensatora efekts var parādīties arī bez speciāla elementa — šis ir jāņem vērā gan konstrukcijās, gan traucējumu avotu meklēšanā.

Īpašības un parametri

• Kapacitāte — mērvienība faradi (F), parasti izteikta piko- (pF), nano- (nF) vai mikrofarados (µF).
• Darba spriegums — maksimālais spriegums, ko drīkst pielietot; pārsniegšana var bojāt kondensatoru vai izraisīt eksploziju (īpaši elektrolītiskajos).
• ESR (Equivalent Series Resistance) — iekšējais pretestības ekvivalents, kas ietekmē siltuma izkliedi un impulsu piegādi.
• Leakage (noplūde) — lēna uzkrātā lādiņa izlāde caur dielektriku.
• Tolerance — kapacitātes pieļaujamā novirze no nominālvērtības.
• Polaritāte — daudzi elektrolītiskie kondensatori ir polarizēti (jāievēro plus/mīnus), bet citi, piemēram keramiskie, — nav.

Uzbūve un izmēri

Kondensatoru parasti veido divas metāla plāksnes vai folijas ar dielektriku starp tām. Lai palielinātu laukumu un ietaupītu vietu, plāksnes bieži savijas vai saplacina, piemēram, iekšējā konstrukcijā veidojot cilindra veida tinumu. Pastāv arī citas konstrukcijas atkarībā no pielietojuma: plāksnes, multilayer (MLCC) slāņu tipa, folijas tinumi utt.

Kondensatoru izmēri var būt ārkārtīgi dažādi — no ļoti maziem komponentiem, kas burtiski ir mazāki par skudru, līdz lieliem enerģijas uzkrātājiem, kas mērogā atgādina atkritumu tvertni. Ir arī regulējami (trimmer) kondensatori, kuros kapacitāti var mainīt manuāli vai ar mehānismu.

Galvenie veidi

• Keramiskie kondensatori — bieži izmanto augstas frekvences un signālu ķēdēs; nav polarizēti.
• Elektrolītiskie kondensatori (alumīnija, tantalā) — liela kapacitāte salīdzinoši mazā tilpumā, bet ir polarizēti un jutīgi pret pārspriegumu.
• Folio kondensatori (polipropilēna u.c.) — laba stabilitāte un zems zudumu koeficients; izmanto filtrēšanai un precīzās lietošanas vietās.
• Stikla/mika kondensatori — lieliska termiskā un elektriskā stabilitāte speciālām vajadzībām.
• Multilayer ceramic (MLCC) — ļoti izplatīti modernajās PCB montāžās (SMT), plašs kapacitātes un spriegumu klāsts.
• Superkondensatori (ultracapacitors) — ļoti liela kapacitāte (sekundēs/Minūtēs liela enerģija), izmanto īstermiņa lielu jaudu piegādei un enerģijas rekuperācijā.

Pielietojumi

• Barošanas avotu filtrēšana un izlīdzināšana (smoothing) — samazina sprieguma pulsācijas.
• Decoupling/Bypass — stabilizē spriegumu integrētajām shēmām, novērš trokšņus.
• Signālu virknēšanas/atdalīšanas (coupling) — ļauj pārsūtīt AC signālus, bloķējot DC komponenti.
• RC laika konstanšu veidošana — taimeri, pulsa ģeneratori un frekvences noteikšana.
• Impulsa enerģijas piegāde — ierīcēs, kur nepieciešama ātra, īslaicīga jauda, piemēram, defibrilators vai foto zibspuldzes kondensators.
• Motora starta un darba kondensatori elektromotoros un HVAC sistēmās.
• Power factor correction lielos industrilos barošanas tīklos.
• Uzglabāšanas sistēmas un enerģijas rekuperācija — īpaši ar superkondensatoriem.

Mērīšana un izvēle

Kondensatoru kapacitāti parasti mēra ar LCR metriem vai multimetrām ar kapacitātes mērīšanas režīmu. Izvēloties kondensatoru, jāpievērš uzmanība kapacitātei, darba spriegumam, tolerancēm, ESR, darbmājībai pie temperatūras un nepieciešamajai polaritātei.

Drošība un pareiza lietošana

• Elektrolītiskie kondensatori ir polarizēti — nepareiza polaritāte vai pārspriegums var izraisīt viņu bojāeju un sprādzienu. Tos jāizmanto tikai paredzētajos virzienos.
• Pirms apstrādes vai uzstādīšanas jāpārliecinās, ka kondensators ir izlādēts; daži var saglabāt bīstamu lādiņu arī ilgāku laiku.
• Superkondensatori satur lielu enerģiju — nepieciešami aizsardzības un uzlādes pārvaldības risinājumi.
• Ja kondensators ir fiziski bojāts (uzpūšanās, šķidruma noplūde, plaisas), to nevajadzētu lietot.

Kondensatori ir būtiska elektronikas sastāvdaļa ar plašu pielietojumu spektru — no mazām signālu ķēdēm līdz lielām enerģijas uzkrāšanas sistēmām. Pareiza kondensatora izvēle un lietošana nodrošina ierīču stabilu un drošu darbību.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir kondensators?

J: Kāds bija viens no pirmajiem izgudrotajiem kondensatoriem?

J: Kā kondensatori uzglabā enerģiju?

J: Kāda veida kondensators jāizmanto atkarībā no lietojuma?

J: Cik daudz savienojumu ir kondensatoram?

J: Vai ir viegli nomainīt lielāko daļu kondensatoru veidu?

J: Ar ko kondensators atšķiras no akumulatora?

Meklēt pēc burta