Kurs elektroniki – #4 – kondensatory, filtrowanie zasilania

Kurs elektroniki – #4 – kondensatory, filtrowanie zasilania

Ta część kursu jest poświęcona następnej grupie elementów biernych, które również pojawiają się w prawie każdym urządzeniu elektronicznym.

Mowa o kondensatorach, które mogą działać jak małe akumulatory gromadzące energię na zapas. Dzięki temu sprawdzają się świetnie w roli filtrów zasilania i niwelują zakłócenia.

Czym są kondensatory?

Kondensatory można podzielić na dwa rodzaje: biegunowe i bezbiegunowe (można mówić również o spolaryzowanych i niespolaryzowanych). Czyli dla niektórych kondensatorów istotny jest kierunek włączenia ich do obwodu, a dla pozostałych jest to całkowicie obojętne. Poniżej widoczne są różne przykłady elementów tego typu.

Różne typy kondensatorów. Najczęściej używane są kondensatory elektrolityczne i ceramiczne (3 pierwsze od lewej)

Kondensatory włączamy równolegle do zasilanego urządzenia, dzięki czemu zachowują się podobnie do akumulatorów: ładują się podczas normalnej pracy i rozładowują, kiedy nasze źródło zasilania jest chwilowo niewystarczające (np. gdy urządzenie przez małą chwilę próbuje pobrać duży prąd).

Zastosowanie kondensatorów i wykorzystanie powyższych właściwości powoduje, że wahania napięcia zasilającego układ zmniejszają się, o czym przekonasz się wykonując odpowiednie ćwiczenia. Często mówi się więc, że kondensatory filtrują zasilanie.

Zestaw elementów do kursu

 999+ pozytywnych opinii  Gwarancja pomocy  Wysyłka w 24h

Chcesz zrozumieć elektronikę? Zamów zestaw elementów do wykonania wszystkich ćwiczeń z kursu i przejdź do praktyki!

Zamów w Botland.com.pl »

Taniej w pakiecie: Mistrz ElektronikiMistrz Majsterkowania

Kondensatory biegunowe

Do kondensatorów biegunowych zaliczają się m.in. bardzo popularne kondensatory elektrolityczne. Elementy te mają odpowiednio opisane wyprowadzenia, najczęściej na obudowie opisana jest nóżka, którą należy podłączyć do masy układu (czyli "minusa" z baterii).

Z kolei na schematach znakiem plusa oznacza się wyprowadzenie, które powinno być podłączone do dodatniej szyny zasilania ("plusa" z baterii).

Przykładowy kondensator elektrolityczny wraz z opisanym symbolem

Jak zbudowany jest kondensator elektrolityczny?

Wnętrze takiego kondensatora stanowią dwie okładki przełożone dielektrykiem (czyli np. papierem nasączonym elektrolitem). Całość jest ciasno zwinięta i wciśnięta do aluminiowego kubeczka, który jest uszczelniony gumowym korkiem. Okładki różnią się od siebie: jedna z nich jest elektrodą metalową, a druga elektrolitową. Dlatego ważne jest, która z nich zostanie podłączona do wyższego potencjału (do „plusa”), a która do niższego (czyli „minusa”).

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

Rozwinięte okładki kondensatora.

Rozwinięte okładki kondensatora

W zestawie elementów do kursu znajduje się kilka kondensatorów elektrolitycznych. Jednak abyś nie musiał niszczyć swoich kondensatorów, przeprowadziliśmy taki eksperyment za Ciebie. Jak widać, bardzo łatwo można wyróżnić elementy z jakich jest on zbudowany. Wyraźnie widoczne są okładki, dielektryk oraz opakowanie, czyli aluminiowy "kubeczek".

Zawsze sprawdzaj dokładnie biegunowość!

Nie ignoruj powyższej uwagi! Dobierając kondensatory musisz wybrać elementy o odpowiednim napięciu pracy, a szczególnie na podłączenie ich we właściwy sposób.

Poniższy eksperyment odwrotnego podłączenia kondensatora został przeprowadzony w bezpiecznych, kontrolowanych warunkach. Nie wykonuj go samodzielnie, a już na pewno nie bez odpowiedniego sprzętu oraz doświadczonego opiekuna! Poniższy film demonstruje, co dzieje się z kondensatorem elektrolitycznym, do którego napięcie zostało podłączone odwrotnie.

Wystarczy pomyśleć, co stałoby się gdybyśmy 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 działać. Objawia się to często jego "spuchnięciem" (wybrzuszeniem). Większe kondensatory wyposażone są w mechanizmy zabezpieczające, w formie nacięć na górnej części zamknięcia.

Zabezpieczenie kondensatorów elektrolitycznych.

Zabezpieczenie kondensatorów elektrolitycznych

Należy rozumieć je jako zawór bezpieczeństwa, który przy wzroście wewnętrznego ciśnienia rozszczelni się zanim dojdzie do wybuchu. Wyżej widoczny jest kondensator elektrolityczny, w którym zadziałał właśnie taki mechanizm bezpieczeństwa.

Kondensatory bezbiegunowe

Kondensatorów bezbiegunowych, czyli niespolaryzowanych jest dość 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 np. w układach, gdzie napięcia mogą zmieniać się bardzo, bardzo często, a foliowych w układach pracujących przy napięciu sieciowym, z uwagi na ich dużą wytrzymałość napięciową (rzędu setek woltów) i małe straty.

Niezależnie od typu kondensatora niespolaryzowanego, na schemacie przedstawia się je w taki sam sposób. Kondensatory bezbiegunowe, w zależności od metody ich wykonania, występują również w różnych obudowach.

Popularne kondensatory ceramiczne występują jako małe, brązowe "pastylki". Właśnie takie elementy znajdziesz w naszych zestawach do tego kursu.

Przykładowy kondensator ceramiczny wraz z opisanym symbolem

Warto również wiedzieć, w ramach ciekawostki, jak wyglądają elementy, którymi nie będziemy się teraz zajmować. Kondensatory foliowe są 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.

Pojemność kondensatorów

Kondensatory cechują się głównie dwoma parametrami: pojemnością i napięciem pracy. Pierwszy określa zdolność do gromadzenia ładunku i wyraża się go w faradach, symbol F. Jest to jednak bardzo duża jednostka, dlatego w praktyce 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)

Napięcie pracy kondensatorów

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 elementy na napięcia wyższe niż te, jakie są przewidywane w układzie. Najpopularniejsze wartości napięć pracy kondensatorów to: 10V, 16V, 25V, 35V, 50V, 63V i 100V.

Maksymalne napięcie pracy wpływa znacząco na rozmiar kondensatorów. Przykładowo, największy (fizycznie) kondensator na poniższym zdjęciu charakteryzuje się najmniejszą pojemnością, ale za to jest w stanie wytrzymać bardzo duże napięcie (330V).

Jak widać rozmiar kondensatora nie zależy tylko od jego pojemności

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

Wykorzystanie kondensatorów w praktyce

Kondensatory nie są efektownymi elementami (no, może poza powyższym wybuchem). Najbardziej docenia się te elementy, gdy ich zabraknie, a urządzenie zacznie "wariować" przez skoki zasilania. Jest to częste zjawisko, gdy źle podłączy się sterowniki silników np. do Arduino.

Przeprowadźmy jednak prosty eksperyment, który pozwoli naocznie zaobserwować, że kondensatory gromadzą energię. 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 diodę podłączysz zgodnie z powyższym schematem, czyli: krótszą nóżkę diody podłączamy do masy (minusa), natomiast dłuższą przez rezystor do plusa.

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 naładowuje, a w drugim oddaje swoją energię diodzie świecącej. Poprawne działanie układu widoczne jest na poniższej animacji:

Działanie układu z kondensatorem

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. A jak wygląda sytuacja z kondensatorem 100nF (ceramiczny z zestawu)? Czy widoczne jest jakiekolwiek świecenie po odcięciu baterii? Swoimi obserwacjami podziel się w komentarzu.

Łączenie kondensatorów

Kondensatory, podobnie jak rezystory, można ze sobą łączyć szeregowo oraz równolegle. Skutki tych połączeń są jednak odwrotne!

Połączenie szeregowe zawsze daje kondensator o pojemności mniejszej niż pojemność najmniejszego użytego elementu. Z kolei połączenie równoległe zawsze daje kondensator o pojemności większej niż największa użyta. Wzory do obliczenia wartości wypadkowych nie są trudne i warto mieć je pod ręką.

Łączenie równolegle kondensatorów (po lewej) oraz szeregowe (po prawej)

Tutaj też należy zwracać uwagę na wielkości i ujednolicać je przed podstawieniem do wzoru! Warto pamiętać o możliwościach łączenia kondensatorów, ale w praktyce nie korzysta się z tego często.

Dla testu możesz teraz pokusić się o przetestowanie wcześniejszego układu, gdy na płytce wepniesz równolegle połączone kondensatory:

Przykład równoległego łączenia kondensatorów

Niektóre droższe multimetry posiadają funkcję pomiaru pojemności. Mierzony kondensator należy wcześniej rozładować poprzez zwarcie jego wyprowadzeń, w przeciwnym razie miernik zostanie uszkodzony! Miernik polecany do zestawów nie posiada takiej funkcji - jednak szczerze mówiąc, z praktycznego punktu widzenia, funkcja ta wykorzystywana jest bardzo rzadko... więc nie musisz żałować, że jej nie masz.

Zastosowanie kondensatorów

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

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 nie potrafią skutecznie odfiltrować zakłóceń o niewielkich częstotliwościach.

Przykładowy filtr złożony z kondensator elektrolitycznego i ceramicznego

Jakie pojemności stosować?

Nie ma tutaj jednoznacznej odpowiedzi. Jako kondensatory ceramiczne najczęściej są stosowane 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 mieć już kilkaset mikrofaradów.

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.

Filtry RC

Kondensatory w odpowiednim połączeniu z rezystorami tworzą filtry RC. Zagadnienie to wykracza jednak poza materiał poruszany w tej serii artykułów. Więcej informacji na ich temat znajdziesz podczas wykonywania ćwiczeń z II poziomu kursu elektroniki:

Kurs elektroniki II – #3 – przyciski, diody RGB, kontaktron
Kurs elektroniki II – #3 – przyciski, diody RGB, kontaktron

Nasz kurs elektroniki został podzielony na części, które omawiają przeważnie… Czytaj dalej »

Podsumowanie

W tej części kursu zapoznałeś się z kondensatorami. Pomimo prostoty działania, ich rola w elektronice jest bardzo duża. Tak naprawdę zalety kondensatorów poznasz później, gdy zaczniesz budować układy wyposażone w mikrokontrolery, sterowniki silników i inne układy scalone. Tam, bez odpowiedniej liczby kondensatorów, nic nie będzie działało prawidłowo.

Czy artykuł był pomocny? Oceń go:

Średnia ocena / 5. Głosów łącznie:

As you found this post useful...

Follow us on social media!

Nie zapomnij, że elektronikę trzeba sprawdzać w praktyce. Nie oszczędzaj czasu na eksperymentach. Wszystkie testy przeprowadzisz dzięki elementom dostępnym w naszym zestawie. Gwarantujemy, że te kilkanaście minut poświęcone na testy praktyczne zaowocuje znacznie lepszym poznaniem tematu!

Nawigacja kursu

Aktualna wersja kursu:
redakcja: Damian Szymański
ilustracje: Piotr Adamczyk

Autor pierwszej wersji kursu:
Michał Kurzela

biegunowość, ceramiczny, elektrolityczny, fard, kondensator, kursElektroniki, pojemność, tantal