Wyjście Spis treści Poprzedni Następny
Prezentowane materiały są przeznaczone dla uczniów szkół ponadgimnazjalnych. Autor artykułu: mgr Jerzy Wałaszek Konsultacja: Wojciech Grodowski, mgr inż. Janusz Wałaszek |
©2015 mgr
Jerzy Wałaszek
|
Tematy pokrewne | Podrozdziały | |
(w budowie) |
Podstawy Parametry kondensatorów Upływność kondensatorów |
Parametry kondensatorów |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Podobnie jak oporniki, kondensatory są produkowane
w wersji przewlekanej oraz SMD. Nie będziemy tutaj zajmować się
budową wewnętrzną kondensatorów, ponieważ nie jest to nam
potrzebne. Zainteresowanych tym zagadnieniem odsyłam do źródeł w
Internecie. Kondensatory przewlekanePodobnie jak oporniki, kondensatory przewlekane składają się z korpusu oraz dwóch wyprowadzeń. Istnieje bardzo wiele typów kondensatorów, a co za tym idzie rodzajów obudów.
Pojemności produkowanych przez przemysł elektroniczny kondensatorów są pogrupowane wg szeregów tolerancji, podobnie jak oporniki:
Do większości zastosowań wystarcza szereg E6 lub E12. Kondensatory oznacza się w różny sposób. Pojemność koduje się często za pomocą 3 cyfr, jak w opornikach SMD. Pierwsze dwie cyfry oznaczają wartość z szeregu w pF, a trzecia cyfra jest mnożnikiem (potęgą liczby 10).
Można też spotkać oznaczenia z literą p (pF) lub n (nF), która pełni rolę przecinka oraz mnożnika Na przykład:
33p2 = 33,2 pF
4n7 = 4,7 nF n47 = 0,47 nF
Jeśli na kondensatorze pojawi się duża litera przy oznaczeniu pojemności, to oznacza ona tolerancję pojemności:
Mogą pojawić się również małe literki (z wyjątkiem p i n, które oznaczają przecinek i mnożnik pF/nF). Informują one o dopuszczalnym napięciu pracy kondensatora.
Zamiast liter napięcie może być podane bezpośrednio:
82nJ63: 82nF, tolerancja 5%, napięcie 63V
33nK100V: 33nF, tolerancja 10%, napięcie 100V
Kondensatory elektrolityczne posiadają zaznaczoną na korpusie elektrodę (–).
W obwodzie elektrycznym do elektrod należy doprowadzić odpowiedni biegun zasilania. Na obudowie kondensatora elektrolitycznego umieszczona jest informacja o pojemności oraz dopuszczalnym napięciu pracy. W naszych zastosowaniach wystarczą ci kondensatory elektrolityczne na napięcie 6,3V. Jeśli nie uda ci się zdobyć takich właśnie kondensatorów, to możesz zakupić inne o wyższym napięciu pracy: 10V, 16V... Jednakże wyższe napięcie powoduje, że kondensator jest większy.
Kondensatory SMDKondensatory SMD są oznaczane w różny sposób. Czasami na obudowie wcale nie umieszcza się żadnych oznaczeń, ponieważ elementy SMD są montowane automatycznie z taśmy przez robota, a ten nie potrzebuje przecież oznaczeń. Wystarczy, że dostanie odpowiednią taśmę. Elementy oznaczone wymagają dodatkowego etapu produkcji i są nieco droższe. Dzisiaj oszczędza się na wszystkim. Kupując takie kondensatory trzymaj je w odpowiednio oznaczonym pudełku lub zapisz ich pojemność na taśmie. Elementy SMD są zwykle bardzo małe i posiadają niewiele miejsca na napisy. Dlatego używane systemy są zwykle kodami. Jednym z takich kodów jest kod E.I.A. Pojemność kondensatora koduje się w nim za pomocą litery oraz cyfry. Cyfra oznacza mnożnik jak w rezystorach. Natomiast litera koduje pojemność w pF wg poniższych tabel:
Przykłady:
A3: 1,0 x 103 = 1000pF = 1nF = 0,001µF
S2: 4,7 x 102 = 470pF
Czasami na początku dodawana jest litera oznaczająca producenta:
KA2: 1,0 x 102 = 100pF wyprodukowany przez firmę Kemet
Wartości pojemności mniejsze od 1pF używają cyfry "9", która oznacza podział przez 10 (cyfra 8 oznacza podział przez 100). Na przykład:
f9 = 5,0 / 10 = 0,5 pF
n9 = 7,0 / 10 = 0,7pF
Jeśli miejsca jest więcej, stosuje się kodowanie trzycyfrowe. Pierwsze dwie cyfry oznaczają pojemność w pF, a trzecia cyfra jest mnożnikiem:
104: = 10 x 104 = 100000pF = 100nF =
0,1µF
473: = 47 x 103 = 47000pF = 47nF
Przy kondensatorach elektrolitycznych podaje się często napięcie pracy oraz pojemność. Kody składają się z litery (kodowanie napięcia) oraz 3 cyfr (2 pierwsze oznaczają pojemność w pF, trzecia jest mnożnikiem). Napięcia kodowane są zgodnie z poniższą tabelką:
Na przykład A475 oznacza kondensator o pojemności 47 x 105 = 4700000pF = 4,7µF i o napięciu pracy do 10V. Kondensatory elektrolityczne posiadają dodatkowo oznaczenie elektrody (+). Wyróżnia się ją w różny sposób:
|
Upływność kondensatorów |
||
W świecie rzeczywistym nic nie jest idealne.
Kondensator idealny po naładowaniu potrafi utrzymywać ładunek
dowolnie długo. W rzeczywistości izolator rozdzielający jego
okładki posiada pewną oporność elektryczną, która powoduje
przepływ pomiędzy okładkami małego prądu, zwanego prądem upływu.
Im lepszy izolator, tym mniejszy jest ten prąd upływu, ale
zawsze występuje. W rezultacie kondensator powoli rozładowuje
się.
Schemat zastępczy kondensatora rzeczywistego składa się z kondensatora idealnego oraz połączonego z nim równolegle opornika, który symbolizuje opór izolacji:
Opór RW jest bardzo duży, rzędu kilku, kilkudziesięciu megaomów (dla dobrych jakościowo kondensatorów). Ćwiczenie nr 1Wbrew pozorom rozwiązanie matematyczne tego układu elementów jest dla ucznia liceum praktycznie niewykonalne, ponieważ musi być tutaj zastosowany rachunek różniczkowy, który w liceum nie jest przerabiany. Problem polega na tym, że po naładowaniu kondensatora ładunkiem QC, utrzymuje się na nim napięcie UC:
Jednakże oporność wewnętrzna kondensatora RW powoduje przepływ prądu:
Prąd ten powoduje zmniejszanie się ładunku QC, co z kolei wywołuje obniżenie napięcia UC, a to dalej wpływa na obniżenie natężenie prądu IC. Jak widzisz, wielkości te są od siebie nawzajem zależne. Normalne obliczenia dają nam błędne koło. Czy to się zatem da jakoś policzyć bez matematyki wyższej? Tak, lecz tylko z pewnym przybliżeniem. Musimy bowiem zastosować uproszczenie, że w pewnym małym przedziale czasu dt napięcie i prąd się nie zmieniają. Jednakże w następnym przedziale czasu dt musimy uwzględnić ubytek ładunku, który powstał w poprzednim przedziale czasu. Napiszemy zatem:
Równania te wyznaczają pewien ciąg rekurencyjny, gdzie Q0, U0, I0 to wartości początkowe, a Qi, Ui i Ii są kolejnymi wartościami tego ciągu dla i = 1,2,... Qi powstaje z poprzedniej wartości Qi-1 przez odjęcie od niej ładunku przeniesionego w czasie dt przez poprzedni prąd upływu. Ręczne wykonanie takich rachunków jest kłopotliwe. Lepiej wykorzystać arkusz kalkulacyjny. Najpierw umieszczamy w komórkach wartości parametrów kondensatora:
Teraz w trzech kolumnach będziemy obliczać kolejne wyrazy Qi, Ui oraz Ii. W pierwszym wierszu tych kolumn umieszczamy formuły które wyliczą wartości początkowe. W komórce A7 wstawiamy formułę pobierającą z komórki B1 wartość początkową ładunku przechowywanego przez kondensator. W komórce B7 umieszczamy formułę wyznaczającą chwilowe napięcie na kondensatorze, które jest zawsze zależne od wartości ładunku. W komórce C7 umieszczamy formułę wyliczającą chwilową wartość prądu upływu.
W kolejnym wierszu tabeli wyznaczamy nowy ładunek Q, który jest ładunkiem z poprzedniej komórki A7 pomniejszonym o ładunek zneutralizowany przez prąd płynący w poprzednim okresie dt. Na podstawie nowego ładunku w komórce A8 wyliczane jest nowe napięcie w B8 oraz nowy prąd w C8.
Teraz wystarczy komórki A8, B8 i C8 zaznaczyć i skopiować w dół odpowiednią liczbę razy, a otrzymamy wartości wielkości Q, U oraz I w kolejnych przedziałach czasu dt. Oczywiście będą to wartości przybliżone, lecz dla naszych potrzeb zupełnie wystarczające, jeśli dodatkowo liczba przedziałów dt będzie wystarczająco duża. Dobieramy odpowiednie wartości Q, C, RW oraz dt:
Teraz na podstawie otrzymanych wyników tworzymy sobie wykresy: Q(t) z kolumny A
U(t) z kolumny B
I(t) z kolumny C
Wykresy wszystkich trzech wielkości są podobne, maleją w taki sam sposób. Na podstawie takich wykresów można wyznaczyć wartości ładunku, napięcia i prądu upływu po zadanym czasie t, sumując kolejne przedziały dt. Dokładne wzory są następujące (otrzymano je poprzez rozwiązanie odpowiednich równań różniczkowych):
e jest podstawą logarytmów naturalnych, e = 2,71828...
Podane wyżej funkcje są funkcjami wykładniczymi, które maleją wraz z upływem czasu t. Z tego prostego przykładu widać, że bez matematyki się w elektronice nie da obejść, a niektóre obliczenia są bardzo skomplikowana. Na szczęście my takich obliczeń nie będziemy musieli robić zbyt często, więc się nie przerażaj. Zwróć uwagę, że w podanych wzorach pojawia się iloczyn RC. W elektronice jest on nazwany stałą czasową i pojawia się często we wzorach, gdzie z kondensatorem współpracuje opornik. W typowych zastosowaniach oporność wewnętrzną kondensatora pomija się, ponieważ jest ona zwykle bardzo duża i, jeśli kondensator nie musi długo utrzymywać swojego ładunku, nie wpływa praktycznie na działanie układu. Większe znaczenie będą miały oporniki zewnętrzne. |
I Liceum Ogólnokształcące |
Pytania proszę przesyłać na adres email: i-lo@eduinf.waw.pl
W artykułach serwisu są używane cookies. Jeśli nie chcesz ich otrzymywać,
zablokuj je w swojej przeglądarce.
Informacje dodatkowe