Elementy

Drugim po oporniku elementem elektronicznym jest kondensator (ang. capacitor). Jest to element magazynujący ładunki elektryczne. W najprostszej postaci kondensator powstaje z dwóch płytek metalowych rozdzielonych warstwą nieprzewodzącą prąd elektryczny (czyli tzw. izolatorem, którym może być nawet powietrze).

 

Na schematach elektronicznych kondensator przedstawiamy za pomocą poniższego symbolu, który nawiązuje do konstrukcji takiego najprostszego kondensatora:

Gdy do wyprowadzeń kondensatora przyłożymy napięcie, to przez krótką chwilę popłynie w obwodzie prąd elektryczny. Prąd ten dostarczy ładunków elektrycznych, które zgromadzą się na okładkach kondensatora. Zgromadzone ładunki same zaczną wytwarzać napięcie U_C, które będzie posiadało zwrot przeciwny do napięcia zasilającego. Jest to tzw. faza ładowania. Napięcie U_C będzie stopniowo rosło, aż osiągnie wartość napięcia zasilającego. Prąd będzie stopniowo malał aż do zera, gdy kondensator nasyci się ładunkami elektrycznymi. Gdy kondensator jest naładowany, to nie przewodzi prądu elektrycznego (w przypadku idealnym – rzeczywiste kondensatory zawsze posiadają malutkie upływy, chociażby z tego powodu, że nie istnieje idealny izolator między ich okładkami, jednakże zwykle upływy te możemy pominąć). Proces ten przedstawia poniższy rysunek:

Na samym początku kondensator nie jest naładowany, czyli nie posiada żadnego ładunku. Pomiędzy jego okładkami panuje napięcie U_C = 0V. Gdy umieścimy kondensator w obwodzie elektrycznym, to popłynie prąd i rozpocznie się proces ładowania kondensatora ładunkiem. W chwili t = 0 sekund prąd ładowania jest równy prądowi zwarciowemu I_Z (w przypadku idealnym, gdy kondensator ma zerową oporność wewnętrzną). Powód jest prosty. Skoro napięcie na okładkach kondensatora C ma wartość 0V, to na oporności wewnętrznej R_W zasilacza musi się odłożyć całe napięcie siły elektromotorycznej U_E. Napięcie to spowoduje przepływ prądu zwarciowego:

Na nasze szczęście prąd taki nie będzie płynął przez cały czas. Prąd jest strumieniem ładunków. Ładunki te przedostają się na okładki kondensatora i tworzą pomiędzy nimi napięcie tym wyższe, im więcej ładunków się zgromadzi. Skoro tak, to napięcie U_C na kondensatorze zacznie rosnąć, a to z kolei obniży napięcie na oporności wewnętrznej R_W zgodnie z równaniem:

Skoro napięcie na oporności wewnętrznej R_W spadnie, to zmniejszy się również prąd płynący w tym obwodzie:

Z ostatniego wzoru wynika, że gdy napięcie na kondensatorze U_C osiągnie wartość U_E, to natężenie prądu spadnie do 0A i kondensator dalej nie będzie się ładował. Określenie przebiegu napięć i prądu w tym obwodzie jest dla ucznia liceum trochę skomplikowane, ponieważ wymaga rachunku całkowego, który poznawany jest dopiero na studiach wyższych.

Podstawowym parametrem kondensatora jest jego pojemność wyrażona w faradach F. Określa ona zdolność kondensatora do gromadzenia ładunku i wyraża się wzorem:

Farad F jest bardzo dużą pojemnością. W praktyce stosuje się jednostki mniejsze:

milifarad	–	10-3 farada, mF
mikrofarad	–	10-6 farada, µF
nanofarad	–	10-9 farada, nF
pikofarad	–	10-12 farada, pF

Pojemność kondensatora zależy od wielu parametrów: wielkości okładek, odległości między nimi, rodzaju izolatora, itp. Ponieważ kondensatory kupuje się o określonej pojemności, nie będziemy musieli jej wyliczać.

Kondensatory, podobnie jak oporniki, możemy łączyć ze sobą równolegle i szeregowo.

W połączeniu równoległym na kondensatory jest przyłożone to samo napięcie. Ładunek zgromadzony w tym układzie jest równy sumie ładunków kondensatorów:

Jak widzisz pojemność zastępcza układu jest równa sumie pojemności poszczególnych kondensatorów.

Przy połączeniu szeregowym suma napięć na kondensatorach jest równa napięciu zasilającemu ten układ:

Piszemy zatem:

Odwrotność pojemności zastępczej układu jest sumą odwrotności pojemności poszczególnych kondensatorów.

Mnemotechnicznie zapamiętaj, że pojemność kondensatorów liczy się odwrotnie w porównaniu z obliczaniem oporności oporników:

Istnieje specjalny rodzaj kondensatorów: kondensatory elektrolityczne (ang. polarised capacitors). Posiadają one stosunkowo duże pojemności od kilku mikrofaradów do farada. Wewnątrz takiego kondensatora znajduje się elektrolit, który pełni rolę jednej z elektrod. Izolatorem zaś jest warstwa tlenku glinu Al₂O₃ (aluminium) lub tlenku tantalu Ta₂O₅ powstała podczas tzw. formowania w procesie produkcji. Duża pojemność takich kondensatorów wynika z tego, że warstwa dielektryka jest bardzo cienka. Jednocześnie zaś właśnie z tego powodu kondensatory te są przeznaczone do pracy przy stosunkowo niskich napięciach pracy.

Cechą charakterystyczną tych kondensatorów jest to, że muszą być włączane w obwód zgodnie z polaryzacją elektrod. Jedno z wyprowadzeń jest oznaczone jako ujemne ze znakiem minus (na zdjęciu u góry jest to lewa nóżka). Wyprowadzenie to powinno być połączone z ujemnym biegunem napięcia zasilającego, a drugie wyprowadzenie z dodatnim biegunem. Kolejnym ważnym parametrem kondensatorów elektrolitycznych jest napięcie pracy. Tym nie będziemy się musieli zbytnio przejmować, ponieważ wszystkie nasze układy będą pracowały z napięciem poniżej 6V. Wystarczy zatem kupować kondensatory na napięcie 6,3V, 10V... , a te są bez problemu dostępne w każdym sklepie z częściami elektronicznymi. Na schematach elektrycznych kondensatory elektrolityczne oznaczamy następująco:

Do czego są stosowane kondensatory elektrolityczne? To trudne pytanie, ponieważ posiadają tysiące zastosowań w elektronice.

Kondensatory elektrolityczne o dużych pojemnościach używa się do niwelowania nagłych skoków napięcia (nazywamy to wygładzaniem napięcia), łącząc je równolegle z zasilanym obwodem. Ponieważ kondensator magazynuje ładunek elektryczny, to przy chwilowym zaniku napięcia zachowa się jak ogniwo elektryczne i dostarczy prądu do obwodu (czyli zasili chwilowo układ). W efekcie ten chwilowy spadek napięcia zasilania będzie mniej odczuwany przez układ elektroniczny, ponieważ napięcie nie spadnie nagle, lecz będzie się obniżało stopniowo w miarę rozładowywania się kondensatora. Podobnie dzieje się ze skokiem napięcia wzwyż: kondensator ładuje się i minie chwila, zanim napięcie na nim osiągnie wartość nowego napięcia zasilającego. W obu przypadkach dzięki kondensatorowi zmiana napięcia nie będzie nagła, lecz stopniowa, wygładzona. A to z kolei poprawia stabilność pracy układu elektronicznego.

Pewnie zastanawiasz się, skąd może się wziąć taki spadek lub skok napięcia. Powodów może być kilka. Na przykład, chwilowe spadki napięcia wywołują same układy elektroniczne w momencie nagłego wzrostu poboru prądu. Wzrost prądu powoduje zwiększenie napięcia odkładającego się na oporności wewnętrznej źródła zasilania, a to przekłada się bezpośrednio na spadek napięcia zasilającego. Innym czynnikiem są różnego rodzaju zakłócenia, które mogą się pojawić w czasie pracy urządzenia.

Kondensatory zwykłe stosuje się w generatorach (układach tworzących ciąg impulsów), filtrach itp. Poznasz to wszystko, gdy twoja wiedza elektroniczna odpowiednio wzrośnie. Więcej na ten temat znajdziesz tutaj.

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 przewlekane

Podobnie 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 SMD

Kondensatory 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 × 103 = 1000 pF = 1 nF = 0,001 µF S2: 4,7 × 102 = 470 pF

Czasami na początku dodawana jest litera oznaczająca producenta:

KA2: 1,0 × 102 = 100 pF wyprodukowany przez firmę Kemet

Wartości pojemności mniejsze od 1 pF 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 = 0,7 pF

Jeśli miejsca jest więcej, stosuje się kodowanie trzycyfrowe. Pierwsze dwie cyfry oznaczają pojemność w pF, a trzecia cyfra jest mnożnikiem:

104: = 10 × 104 = 100000 pF = 100nF = 0,1 µF 473: = 47 × 103 = 47000 pF = 47 nF

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 × 10⁵ = 4700000pF = 4,7µF i o napięciu pracy do 10V.

Kondensatory elektrolityczne posiadają dodatkowo oznaczenie elektrody (+). Wyróżnia się ją w różny sposób:

Trymer (ang. trimmer) jest małym kondensatorem o regulowanej pojemności. Najczęściej stosowany jest równolegle z większym kondensatorem do dostrojenia jego pojemności. Zasada działania wynika z zasady działania kondensatora. Dwie okładki kondensatora, które oddziela izolator, są nasuwane na siebie, co powoduje wzrost pojemności.

Trymery posiadają bardzo małą pojemność (kilka pikofaradów). Na schematach elektronicznych oznacza się je symbolem: