Ta strona używa ciasteczek (plików cookies), dzięki którym może działać lepiej. Dowiedz się więcejRozumiem i akceptuję
PROMOCJA30% rabatu na wszystkie książki Grupy Helion, kod: FORBOT30 Przejdź na stronę księgarni »

Kurs elektroniki – #4 – kondensatory

Podstawy 07.04.2015 Futrzaczek, Treker

KursElektronikiKolejna, czwarta część kursu elektroniki jest w całości poświęcona następnej grupie elementów biernych, czyli kondensatorom.

Posiadają one mnóstwo ciekawych właściwości, jednak tutaj omówiona zostanie podstawowa – zdolność do gromadzenia ładunku elektrycznego.

 

Nawigacja serii artykułów:
« poprzednia częśćnastępna część »

Kup zestaw elementów i zacznij naukę w praktyce! Przejdź do strony dystrybutora »

Kondensator jako element gromadzący ładunek

Kondensatory można podzielić na dwa rodzaje: biegunowe i bezbiegunowe (można mówić również o polaryzowanych i niepolaryzowanych). Odstawiając na bok semantykę, idea jest jasna – dla niektórych kondensatorów istotny jest kierunek włączenia ich do obwodu, a dla niektórych jest to całkowicie obojętne.

Po lewej: kondensatory bezbiegunowe (ceramiczny na górze, foliowy na dole) Po prawej: kondensatory biegunowe (elektrolityczne na górze, tantalowy na dole)

Po lewej: kondensatory bezbiegunowe (foliowy i ceramiczny)
Po prawej: kondensatory biegunowe (elektrolityczne i tantalowy)

Kondensatory włączamy równolegle do zasilanego urządzenia, dzięki czemu zachowuję się podobnie do akumulatorów: ładują się podczas normalnej pracy i rozładowują, kiedy źródło zasilania jest chwilowo niewystarczające.

Takie cykle mogą zachodzić bardzo szybko, nawet miliony razy na sekundę.

Zastosowanie kondensatorów i wykorzystanie powyższych właściwości powoduje to, że wahania napięcia zasilającego układ zmniejszają się o czym przekonasz się dalej wykonując ćwiczenie.

Pamiętaj, że podstawą w zrozumieniu elektroniki jest praktyka. Nie będziesz umiał wykorzystać zdobytej tu wiedzy, jeśli nie wykonasz ćwiczeń z kursu.

Zestaw elementów do przeprowadzenia ćwiczeń

Gwarancja pomocy na forum dla osób, które kupią poniższy zestaw!

Zestaw ponad 90 elementów do przeprowadzenia wszystkich ćwiczeń z kursu dostępny jest u naszych dystrybutorów już od 47zł!


Kup w Botlandzie »

Kondensatory biegunowe

Do kondensatorów biegunowych można zaliczyć, przede wszystkim, szeroko rozpowszechnione kondensatory elektrolityczne. Dwie okładki przełożone są dielektrykiem (np. papierem nasączonym elektrolitem), ciasno zwinięte i wciśnięte do aluminiowego kubeczka. Całość jest uszczelniana gumowym korkiem.

Okładki różnią się od siebie. Jedna z nich jest elektrodą metalową, a druga elektrolitową. Dlatego ważne jest, która zostanie podłączona do wyższego potencjału (do „plusa”), a która do niższego (czyli „minusa”).

Biegunowość jest najczęściej oznaczana poprzez nadrukowanie znaku „-” na folii powlekającej obudowę – nie należy zatem jej zdzierać!

Często nóżki nowych kondensatorów są różnej długości. Wtedy dłuższa to plus, a krótsza, to minus.

W zestawie elementów do kursu znajduje się kilka kondensatorów elektrolitycznych. Warto dla własnej ciekawości sprawdzić jak taki element wygląda w środku. Abyś nie musiał niszczyć swoich kondensatorów przeprowadziłem taki eksperyment za Ciebie.

Na poniższych zdjęciach widoczny jest rozłożony kondensator o pojemności 100uF:

Rozwinięte okładki kondensatora.

Rozwinięte okładki kondensatora.

Jak widać, bardzo łatwo możemy wyróżnić elementy z jakich jest on zbudowany. Czyli dwie okładki, dielektryk oraz opakowanie, czyli aluminiowy „kubeczek”.

Zawsze sprawdzaj biegunowość dwa razy!

Odwrotne włączenie kondensatora biegunowego może grozić jego uszkodzeniem, a nawet zwarciem lub wybuchem!

Powyższej uwagi nie wolno ignorować! Dobierając kondensatory musisz zawsze zwracać uwagę na dobranie elementów o odpowiednim napięciu pracy (o tym jeszcze później), a następnie na podłączenie ich we właściwy sposób.

Poniższy eksperyment został przeprowadzony w kontrolowanych warunkach! Nie wykonuj go samodzielnie bez odpowiedniego sprzętu oraz doświadczonego opiekuna!

Aby uzmysłowić jak bardzo niebezpieczne może być odwrotne podłączenie kondensatora przygotowałem prosty eksperyment. Poniższy film demonstruje, co dzieje się z kondensatorem elektrolitycznym, do którego podłączono napięcie w sposób odwrotny.

Robi wrażenia, prawda? Wystarczy pomyśleć, co stałoby się gdybyśmy nieświadomie wmontowali w układ 20 takich kondensatorów, a po uruchomieniu wszystkie by wybuchły? Poniżej zdjęcia przed oraz po włączeniu zasilacza:

Zdarza się, że poprawnie wlutowany kondensator z czasem może przestać poprawnie działać. Objawia się to najczęściej „spuchnięciem” (wybrzuszeniem) elementu. Większe kondensatory wyposażone są w mechanizmy zabezpieczające w formie nacięć na górnej części zamknięcia.

Należy rozumieć je, jako zawór bezpieczeństwa, który przy wzroście wewnętrznego ciśnienia rozszczelni się, zanim dojdzie do wybuchu. Przykładowy kondensator, w którym zadziałał opisywany mechanizm widoczny jest poniżej.

Zabezpieczenie kondensatorów elektrolitycznych.

Zabezpieczenie kondensatorów elektrolitycznych.

Kondensatory bezbiegunowe

Kondensatorów bezbiegunowych jest bardzo dużo, a ich zróżnicowanie wynika z materiałów, jakie są stosowane na dielektryki między okładkami. Używa się, między innymi:

  • ceramiki (kondensatory ceramiczne)
  • folii (kondensatory poliestrowe i polipropylenowe)

Każda grupa ma różne zastosowania. Kondensatorów ceramicznych używa się w układach wielkiej częstotliwości.

Kondensatorów foliowych w układach pracujących przy napięciu sieciowym z uwagi na dużą wytrzymałość napięciową (rzędu setek woltów) i małe straty.

Do elektroniki opierającej się na mikrokontrolerach (oraz większości układów cyfrowych), wystarczą kondensatory ceramiczne.

Kondensatory bezbiegunowe, w zależności od wykonania, występują również w różnych obudowach. Ceramiczne można spotkać jako małe, brązowe „pastylki” – takie znajdziesz w zestawie. Foliowe są z kolei znane jako prostopadłościenne kostki w różnych kolorach.

Istnieją również kondensatory tantalowe, które łączą zalety kondensatorów elektrolitycznych (duże pojemności) i ceramicznych (brak wysychania, małe straty), ale nie są one rozpowszechnione wśród początkujących z uwagi na relatywnie wysokie ceny. Zapewne będziesz je wykorzystywał, gdy zaczniesz budować bardziej skomplikowane urządzenia.

Już teraz zapamiętaj jednak bardzo ważną uwagę!

W przypadku kondensatorów tantalowych kolorowy pasek na obudowie oznacza biegun dodatni!

Jeśli wlutujesz te elementy w sposób odwrotny będą powodowały zwarcia!

Pojemność kondensatorów

Kondensatory cechują się dwiema podstawowymi parametrami: pojemnością i napięciem pracy. Ten pierwszy określa zdolność do gromadzenia ładunku (im większa, tym więcej) i wyraża się go w faradach, symbol F. Jest to bardzo duża jednostka, dlatego spotkasz się głównie z:

  • pikofaradami [pF] (1pF = 0,000 000 000 001F)
  • nanofaradami [nF] (1nF = 0,000 000 001F)
  • mikrofaradami [μF] (1μF = 0,000 001F)

Grecka litera „mi” [μ] jest problematyczna do napisania na komputerze, dlatego, przez podobieństwo, często stosuje się łacińską literę „u”.

Napięcie pracy

Ten parametr wyrażany jest w woltach [V] i określa, jakie napięcie może panować między okładkami kondensatora bez ryzyka jego uszkodzenia.

Jest to wartość graniczna, dlatego należy stosować kondensatory na napięcia wyższe niż te, jakie są przewidywane w układzie.

Najpopularniejsze wartości napięć to: 10V, 16V, 25V, 35V, 50V, 63V i 100V.

Przykładowo, do układu zasilanego z akumulatora samochodowego (napięcie typowo 12,8V, maksymalnie 14,4V lub ponad 15V przy uszkodzonym układzie ładowania) można zastosować kondensatory na napięcie 16V, ale pozostanie bardzo mały margines. Lepiej będzie użyć kondensatorów przystosowanych do napięcia 25V.

Nie ma jednoznacznej odpowiedzi na pytanie, o ile większe ma być napięcie pracy kondensatora od przewidywanego, jakie na nim wystąpi w czasie pracy. Często przyjmuje się, co najmniej, 20% zapasu powyżej maksymalnego spodziewanego napięcia.

Niektóre kondensatory elektrolityczne o małych pojemnościach, jak 1μF czy 2,2μF są produkowane na napięcia 50V i większe. Nie ma przeciwwskazań, by stosować je w układach zasilanych napięciami rzędu kilku woltów.

Przykład praktyczny

Niestety, ale w fazie początkowej nauki, kondensatory nie są fascynującymi elementami (no, może poza powyższym wybuchem…). Ciężko przeprowadzić na nich ciekawe eksperymenty, jednak poniższy powinien oswoić Cię z tymi układami przynajmniej w minimalnym stopniu.

O tym, jak działa pojemność, możesz przekonać się wykonując poniższe doświadczenie. Potrzebne będą:

  • płytka stykowa
  • bateria 9V wraz z klipsem
  • rezystor o wartości 1kΩ
  • zielona dioda świecąca
  • kondensatory 1000μF, 220μF i 100nF
  • jeden przewód do płytki stykowej
Schemat do przykładu 1.

Schemat do przykładu.

Diodami święcącymi zajmiemy się szerzej dopiero w następnych częściach. W skrócie element ten świeci (w tym przypadku na zielono), gdy płynie przez niego prąd o niewielkim natężeniu (1-30mA).

Na ten moment wystarczy, że podłączysz ją zgodnie z powyższym schematem. Krótszą nóżkę diody podłącz do masy (minusa), natomiast dłuższą przez rezystor do plusa. Jeśli chcesz poznać więcej szczegółów dotyczących tych elementów półprzewodnikowych koniecznie przeczytaj później 6 część kursu.

Pamiętaj o prawidłowej polaryzacji kondensatora elektrolitycznego. Minus jest oznaczony pionowym paskiem na obudowie!

Układ zmontowany na płytce stykowej.

Układ zmontowany na płytce stykowej.

Włączenie zasilania (w postaci baterii) powoduje rozbłysk diody – nie natychmiastowy, ale szybki. Odłączenie baterii skutkuje powolnym zanikaniem świecenia. Efekt ten jest zasługą pojemności w naszym układzie. W pierwszym etapie kondensator się naładował, a w drugim oddawał swoją energię diodzie.

Sprawdź jak zachowa się układ, gdy będziesz bardzo szybko podłączał i odłączał baterię. Dioda cały czas będzie świeciła. Czyli… kondensator filtruje zaniki napięcia na wejściu układu.

Spróbuj teraz przeprowadzić ten test z kondensatorem 220μF, czyli z pojemnością ok. pięciokrotnie mniejszą. Dioda gaśnie szybciej, ponieważ kondensator zgromadził mniej energii.

A jak to wygląda z kondensatorem 100nF (ceramiczny, zawarty w zestawie)? Czy widoczne jest jakiekolwiek świecenie po odjęciu baterii? Swoimi obserwacjami podziel się w komentarzu.

Łączenie kondensatorów

Kondensatory, podobnie jak rezystory, można ze sobą łączyć. Również na dwa sposoby: szeregowo i równolegle. Odmienne są tylko skutki tych połączeń.

Połączenie szeregowe zawsze daje kondensator o pojemności mniejszej niż najmniejsza użyta pojemność.

Połączenie równoległe zawsze daje kondensator o pojemności większej niż największa użyta pojemność.

Połączenie szeregowe oraz równolegle kondensatorów.

Połączenie szeregowe oraz równolegle kondensatorów.

Wzory do obliczenia wartości wypadkowych nie są trudne i warto mieć je pod ręką.

Tutaj również należy zwracać uwagę na wielkości i ujednolicić je przed podstawieniem do wzoru!

Niektóre* multimetry posiadają funkcję pomiaru pojemności. Mierzony kondensator należy wcześniej rozładować poprzez zwarcie jego wyprowadzeń, w przeciwnym razie miernik zostanie uszkodzony!

*Niestety funkcja ta dostępna jest tylko w droższych modelach. Dlatego miernik dołączony do zestawu nie posiada takiej funkcji. Jednak mówiąc szczerze (z praktycznego punktu widzenia) funkcja ta wykorzystywana jest bardzo rzadko… więc nie musisz żałować, że jej nie masz!

Teraz, gdy wiesz w jaki sposób można łączyć kondensatory wróć do wcześniejszego przykładu. Spróbuj połączyć wszystkie kondensatory elektrolityczne jakie znajdują się w zestawie. Czy udało Ci się wydłużyć znacząco czas, po którym gaśnie dioda?

Praktyczne zastosowania

Jeżeli chodzi o technikę cyfrową, kondensatory są stosowane przede wszystkim do filtracji napięcia zasilającego. Układy cyfrowe – w tym mikrokontrolery – są wrażliwe na zakłócenia, które mogą powodować ich nieprawidłowe funkcjonowanie (np. zawieszanie się). Stąd, zasilanie każdego układu cyfrowego powinno być filtrowane (np.: przez kondensatory ceramiczne 100nF).

Filtrowanie polega na włączeniu kondensatorów między linię zasilającą, a masę.

Sprawdzają się one w tej roli, ponieważ nie przepuszczają prądu stałego (można je podłączyć do baterii bez obawy o jej zwarcie), za to przewodzą prąd zmienny. Dzięki temu, zakłócenia w postaci napięcia zmiennego, są zwierane do masy.

Kondensatory elektrolityczne, mimo osiągania dużych pojemności, nie są skuteczne w filtrowaniu sygnałów o naprawdę wysokich częstotliwościach. Jest to spowodowane pewną ich niepożądaną cechą, zwaną indukcyjnością szeregową (o indukcyjności w dalszej części kursu).

Z kolei, kondensatory ceramiczne mają niewielkie pojemności, dlatego nie potrafią skutecznie odfiltrować zakłóceń o niewielkich częstotliwościach.

Z wyżej wymienionych powodów, najskuteczniejsze jest równoległe połączenie obu rodzajów kondensatorów: elektrolitycznego i ceramicznego.

Jakie wartości pojemności są stosowane? Nie ma tutaj jednoznacznej odpowiedzi. Jako kondensatory ceramiczne najczęściej są stosowane takie o pojemnościach około 100nF, ale nie jest to wartość krytyczna.

Z kondensatorami elektrolitycznymi jest różnie, zależnie od miejsca jego zamontowania w układzie. Użyty tuż przy mikrokontrolerze, powinien mieć wartość około 10-100μF. Filtrujący zasilanie całego układu, może już mieć kilkaset mikrofaradów. Zbyt duża pojemność nie będzie tutaj, na ogół, szkodliwa.

Kondensatory filtrujące zasilanie przy układzie scalonym.

Kondensatory filtrujące zasilanie przy układzie scalonym.

Duży symbol po prawej stronie schematu to przykładowy mikrokontroler (układ scalony). Na ten moment nie musisz zagłębiać się w informacje o tym elemencie. Najważniejsze, abyś zauważył, że zasilanie jest do niego doprowadzone przez „filtr” składający się z dwóch kondensatorów.

Kondensatory w odpowiednim połączeniu z rezystorami tworzą filtry RC. Temat ten jednak wykracza poza materiał naszego kursu podstaw elektroniki. Trochę informacji na ich temat znajdziesz w artykule: Microswitche jako proste czujniki przeszkód.

Podsumowanie

W tej części kursu zapoznałeś się z kondensatorami. Pomimo prostoty działania, ich rola w elektronice – nawet cyfrowej – jest nadal istotna.

Tak naprawdę zalety kondensatorów poznasz dopiero później, gdy zaczniesz budować układy wyposażone w mikrokontrolery, sterowniki silników i inne układy scalone. Tam, bez odpowiedniej ilości kondensatorów, nic nie będzie działało prawidłowo.

Po tej lekcji szczególnie powinieneś zapamiętać jak działają kondensatory, że służą do filtrowania zasilania oraz sposób w jaki należy je podłączać.

Nie zapomnij również, że elektronikę trzeba sprawdzać w praktyce. Nie oszczędzaj czasu na eksperymenty. Wszystkie testy przeprowadzisz dzięki garstce tanich elementów. Gwarantuję Ci, że kilkanaście minut poświęcone na testy praktyczne zaowocuje lepszym poznaniem tematu!

Na tym zakończymy 4 część kursu elektroniki. W następnej kilka słów o cewkach. Później przejdziemy do ciekawszych elementów – diod i tranzystorów.

Kup zestaw elementów i zacznij naukę w praktyce! Przejdź do strony dystrybutora »

Autorzy: Michał Kurzela, Damian Szymański

P.S. Nie chcesz przeoczyć kolejnych części naszego darmowego kursu podstaw elektroniki? Skorzystaj z poniższego formularza i zapisz się na powiadomienia o nowych publikacjach!

Powiadomienia o nowych, darmowych artykułach!

Komentarze

joda17

20:52, 07.04.2015

#1

Kiedyś na trafiłem na małe wspomnienie, aby uważać na kondensatory tantalowe, ponieważ nie lubią dużego prądu, dlatego nie powinno się ich dawać przy zasilaniu bezpośrednio. Nigdy nie zgłębiłem bardziej tego tematu i szczerze mówiąć liczyłem, że tutaj coś przeczytam, a jednak szkoda. Tak czy tak świetny artykuł.

Treker
Administrator

22:07, 07.04.2015

#2

joda17, uznaliśmy, że kondensatory tantalowe nie są używane przez zupełnie początkujących. Stąd stosowna informacja w tekście. Z tego, co pamiętam jakiś czas temu były dyskusja na forum w tej sprawie... Trzeba ja tylko odnaleźć :)

Synergia

23:02, 06.05.2015

#3

Z obserwacji przeze mnie przeprowadzonych wynika,że nawet 5 kondensatorów ceramicznych nie spowodowało, że dioda świeciła po odłączeniu zasilania :D

Treker
Administrator

23:24, 06.05.2015

#4

Synergia, prawidłowy wniosek. Tak jak napisano w kursie - są one znacznie, znacznie mniejsze (pod względem pojemności). Po drugie dedykowane są do eliminacji zakłóceń innego typu.

A jak poszły testy z łączniem kondensatorów elektrolitycznych?

Synergia

21:58, 07.05.2015

#5

No cóż, oprócz oczywistych obserwacji, że im więcej równolegle połączonych kondensatorów, tym dłużej diody świecą, to jedna rzecz mnie zaciekawiła. Łącząc trzy diody LED (czerwoną, zieloną i niebieską) równolegle, oczywiście z wykorzystaniem kondensatorów elektrolitycznych i po ich odłączeniu, dioda czerwona świeci dłużej niż dwie pozostałe, chociaż może świeci to zbyt dużo powiedziane, bardziej tli się, ale stosunkowo wyraźnie

Treker
Administrator

22:35, 07.05.2015

#6

Synergia, każdy kolor świecenia uzyskiwany jest dzięki innym materiałom, z których zbudowana jest dioda. Dzięki temu, różne kolory wymagają do pracy innego napięcia oraz innego prądu minimalnego. Zapoznałeś się już z najnowszą częścią kursu o diodach LED? Myślę, że to może rozjaśnić więcej :)

Synergia

14:36, 09.05.2015

#7

Jeszcze nie, ale w takim razie czym prędzej tam zajrzę, dzięki :D

Tomaszx

18:58, 30.06.2015

#8

Czy powolny zanik świecenia diody jest faktycznie zauważalny kiedy mamy podłączony równolegle kondensator ? Niestety nie widzę różnicy w gaśnięciu diody z i bez kondensatora. Mowa o kondensatorze 1000 uF.

Treker
Administrator

19:20, 30.06.2015

#9

Tomaszx, tak powinien być zauważalny. Czy dioda jest podłączona przez rezystor, a kondensator podłączyłeś zgodnie z jego polaryzacją? Pokaż zdjęcie układu.

Tomaszx

19:46, 30.06.2015

#10

Sorry, za jakoś zdjęcia, niestety nie mam nic lepszego pod ręką. Diodę podłączyłem przez rezystor, kondensator również podłączyłem zgodnie z polaryzacją (wszystko zmieniłem tak jak na zdjęciu dodanym do przykładu). Sprawdzałem już wszystkie kondensatory elektrolityczne oraz diodę każdego koloru.

Treker
Administrator

20:14, 30.06.2015

#11

A jak odłączasz zasilanie od układu?

Tomaszx

20:33, 30.06.2015

#12

Zgadza się teraz, mój wielki błąd. Źle zrozumiałem czytając. Zamiast odłączać zasilanie (bezpośrednio przy źródle), przerywałem tylko układ za diodą gdzie idzie do masy co powodowało bezpośrednie, natychmiastowe gaszenie diody. Wielkie dzięki za pomoc. Gratulacje również za napisanie tak przejrzystego i ciekawego kursu. ;)

Treker
Administrator

20:39, 30.06.2015

#13

Tomaszx, tak podejrzewałem :) Rozumiesz dlaczego takie działanie nie powodowało wygaszanie diody?

Tomaszx napisał/a:

Gratulacje również za napisanie tak przejrzystego i ciekawego kursu.

Dziękuję :)

Tomaszx

21:11, 30.06.2015

#14

Domyślam się, że pewnie dlatego że przerywałem układ z kondensatorem. A przy odłączaniu samego zasilania (baterii) układ kondensator - rezystor - dioda nie był przerywany i ładunki mogły tak długo krążyć, aż kondensator nie został rozładowany przez obciążenie czyli diodę. Można powiedzieć, że układ przez pewien czas jest wtedy zasilany przez kondensator.

Treker
Administrator

21:49, 30.06.2015

#15

Tomaszx, jest dokładnie tak jak piszesz :)

bridzysta

17:15, 13.08.2015

#16

Cytat:

Odstawiając na bok semantykę

Czy nie powinno być czasem "Odstawiając na bok tematykę" ;) ?

*tekst zaraz na początku

Zobacz wszystkie komentarze (62) na forum

FORBOT Damian Szymański © 2006 - 2017 Zakaz kopiowania treści oraz grafik bez zgody autora. vPRsLH.