Kurs elektroniki – #4 – kondensatory

Kurs elektroniki – #4 – kondensatory

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

Posiadają one mnóstwo ciekawych właściwości. Teraz zajmiemy się zdolnością do gromadzenia ładunku elektrycznego.

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.

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

Zestaw elementów do kursu

Gwarancja pomocy na forum Błyskawiczna wysyłka

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

Kup w Botland.com.pl

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”).

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!

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.

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.

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!

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)

Napięcie pracy

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

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.

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 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!

*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).

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.

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.

Nawigacja kursu

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!

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

Komentarze

Dodaj komentarz