Filtracja i kondensatory: rodzaje i zastosowania
- Szczegóły
Przez kilkadziesiąt lat rozwoju elektroniki na rynku pojawiły się tysiące grup i odmian elementów elektronicznych. Niektóre z nich są wręcz egzotyczne, stosowane jedynie w ściśle określonych, wąskich grupach zastosowań i dostępne jedynie dla określonych przedsiębiorstw. Inne natomiast stanowią bazę, bez której nie można wyobrazić sobie żadnego, nawet najprostszego układu elektronicznego.
Co to jest kondensator?
Budowa i zasada działania kondensatora są banalnie proste - dwie płaszczyzny przewodnika (najczęściej metalu), zwane fachowo okładkami, oddzielone są od siebie cienką warstwą dielektryka (izolatora). Po przyłożeniu do nich napięcia stałego, ładunki o przeciwnych znakach gromadzą się na odpowiednich okładkach - jest to efekt wytworzonego pomiędzy nimi jednorodnego pola elektrycznego. Miarą ilości ładunków, które może zgromadzić dany kondensator, jest jego pojemność.
Wyrażamy ją w faradach (F), choć zdecydowana większość kondensatorów ma pojemności znacznie mniejsze, rzędu bilionowych (pF - pikofarad), miliardowych (nF - nanofarad) czy milionowych (uF - mikrofarad) części jednostki podstawowej.
przy czym stała ε0 oznacza tzw. przenikalność dielektryczną próżni (równą w przybliżeniu 8,85 * 10-12 F/m), zaś εr to względna przenikalność dielektryczna zastosowanego dielektryka. Jak widać, na pojemność kondensatora możemy wpłynąć modyfikując trzy parametry: powierzchnię okładek, odległość pomiędzy nimi oraz przenikalność izolatora. Jeżeli chcemy uzyskać kondensator o dużej pojemności, powinniśmy zastosować duże okładki, zmniejszyć odległość pomiędzy nimi oraz zastosować możliwie „dobry” dielektryk.
Nie ma jednak nic za darmo: zwiększając powierzchnię okładek, nieuchronnie zwiększamy gabaryty kondensatora, zaś zmniejszając odległość pomiędzy okładkami, obniżamy maksymalne napięcie, z jakim może pracować kondensator.
Przeczytaj także: Definicja i pomiar filtracji kłębuszkowej
Kondensator - budowa
Jak zatem poradzili sobie z tymi problemami konstruktorzy kondensatorów? W przypadku tzw. kondensatorów foliowych, okładki mają postać długich pasków cienkiej, metalowej folii, przedzielonych równie długim i cienkim paskiem folii z odpowiedniego tworzywa sztucznego.
Nieco inną budowę mają kondensatory elektrolityczne - ich pojemności są wielokrotnie wyższe, ponieważ rolę dielektryka pełni wytworzona chemicznie, cienka warstwa tlenku na powierzchni jednej z okładek. Dzięki niezwykle małej grubości tlenku oraz dużej powierzchni okładek (uzyskanej poprzez chemiczne trawienie metalowej folii), pojemności kondensatorów elektrolitycznych są bardzo wysokie - generalną zasadą jest przy tym, że jeżeli dwa kondensatory o zbliżonej kubaturze różnią się pojemnością, to najczęściej kondensator o dużej pojemności będzie miał niższe dopuszczalne napięcie pracy.
Pamiętajmy, że symbol kondensatora w schematach elektrycznych to najczęściej dwie pionowe, równoległe kreski.
Rodzaje kondensatorów
Kondensatory występują w różnych kształtach i rozmiarach, które wpływają na ich zdolność do magazynowania ładunku. Te elementy są wszechstronne.
Wspomniane wcześniej kondensatory foliowe charakteryzują się dobrą stabilnością parametrów (przede wszystkim pojemności), potrafią też pracować przy wysokich napięciach (rzędu kilkuset woltów). Z tego względu są chętnie stosowane przede wszystkim w sieciowych obwodach zasilania.
Przeczytaj także: Webber AP8400 - wymiana filtrów
Kondensatory elektrolityczne oferują bardzo wysokie pojemności (od pojedynczych mikrofaradów do kilkudziesięciu faradów - w tym ostatnim przypadku mówimy o tzw. superkondensatorach). Zazwyczaj jednak jest to okupione albo sporymi wymiarami, albo niskim napięciem maksymalnym.
Te rodzaje kondensatorów mają dość małą dokładność pojemności (często rzędu +/- 20 %) i wykazują dość spore wahania tego parametru w funkcji temperatury otoczenia, napięcia pracy oraz… czasu, czyli - prościej mówiąc - mają tendencje do starzenia się.
Rozróżniamy dwie główne grupy kondensatorów elektrolitycznych: aluminiowe (tańsze, ale o nieco gorszych parametrach) i tantalowe (drogie, ale wysokiej klasy). Warto dodać, że czołowi producenci kondensatorów stale pracują nad nowymi rodzajami kondensatorów, zbliżonych budową do obecnie stosowanych elementów, jednak oferujących jeszcze lepsze parametry elektryczne.
Kondensatory elektrolityczne występują zarówno w formie elementów do montażu przewlekanego (THT), jak i powierzchniowego (SMD).
Schematyczne oznaczenie kondensatora elektrolitycznego różni się od oznaczenia innych typów kondensatorów z uwagi na tzw. Trzecią - oprócz wyżej wymienionych - grupą najczęściej stosowanych kondensatorów są kondensatory ceramiczne. Ich budowa jest nieco zbliżona do kondensatorów foliowych, choć - z uwagi na kruchość ceramiki - okładziny nie są oczywiście zwijane w postaci spirali, ale układane niejako „równolegle” w postaci wielowarstwowej „kanapki”.
Przeczytaj także: Optymalne rozcieńczenie bimbru
Kondensatory te charakteryzują się najniższymi spośród wymienionych odmian elementów pojemnościami (od pojedynczych pikofaradów do kilkunastu mikrofaradów), mają jednak inne, bardzo korzystne z praktycznego punktu widzenia cechy: oferują dobrą (lub nawet doskonałą) stabilność temperaturową, małą tolerancję pojemnościową (czyli dokładnie „trzymają” nominalną pojemność, określoną przez producenta) oraz małe straty. Także w tym przypadku kondensatory mogą występować zarówno w obudowach do montażu przewlekanego, jak i powierzchniowego.
Polaryzacja kondensatorów elektrolitycznych
Tak, to prawda - kondensator elektrolityczny (szczególnie o większych wymiarach) potrafi eksplodować, jeżeli zostanie niewłaściwie zastosowany. Istnieją dwa główne scenariusze układowe, których elektrolity „nie znoszą”. Pierwszy z nich, jak zresztą dla każdego kondensatora (i nie tylko) wiąże się z przekroczeniem maksymalnego napięcia pracy.
Kondensatory elektrolityczne są na to szczególnie „wyczulone”, z uwagi na wspomnianą wcześniej bardzo niewielką grubość dielektryka. Ta „wrażliwość” kondensatorów elektrolitycznych wynika z zachowania płynnego elektrolitu - odwrotne napięcie powoduje gwałtowne wytwarzanie gazów, które po przekroczeniu granicy wytrzymałości obudowy kondensatora mogą doprowadzić do jego wybuchu.
Z tego powodu nie należy stosować kondensatorów elektrolitycznych w tych miejscach układu, w których polaryzacja napięcia może osiągać różne znaki (przede wszystkim dotyczy to napięć przemiennych).
Ładowanie i rozładowanie kondensatora
Teoretycznie kondensator powinien utrzymywać stan naładowania dowolnie długo, o ile nie zostanie podłączony do obciążenia, które spowodowałoby przepływ prądu i w efekcie rozładowanie kondensatora (spadek napięcia pomiędzy okładkami kondensatora do zera). Kondensator, nawet jeżeli zostanie całkowicie odłączony od reszty układu, i tak po pewnym czasie ulegnie tzw. samorozładowaniu - wynika to z nieidealnych właściwości dielektryka, przez który zawsze może przepłynąć pewien (znikomy, ale jednak) prąd.
Jeżeli natomiast kondensator zostanie podłączony do obciążenia (np. rezystora), napięcie na nim spadnie, a czas spadku będzie zależny od wartości prądu rozładowania. Im większa jest (zastępcza) rezystancja obciążenia lub pojemność kondensatora, tym dłuższy jest czas rozładowywania do określonej wartości.
gdzie τ oznacza tzw. stałą czasową, określającą czas, w którym napięcie spadnie (podczas rozładowania) lub wzrośnie (podczas ładowania) o ok. 63,2 % wartości maksymalnej. Warto zwrócić uwagę, że (roz)ładowanie kondensatora przez rezystor następuje silnie nieliniowo. Dokładniej rzecz biorąc, przebiegi napięcia (a także prądów) mają kształt krzywej wykładniczej.
W niektórych układach jest jednak możliwe uzyskanie liniowego (jednostajnego) wzrostu lub spadku napięcia na kondensatorze - jest to możliwe przy zastosowaniu źródła prądowego bezpośrednio z kondensatorem.
Łączenie kondensatorów
Podobnie jak w przypadku rezystorów, także kondensatory mogą być łączone zarówno szeregowo, jak i równolegle. Warto zwrócić uwagę, że forma ww.
Kondensator - filtracja zasilania
Jednym z podstawowych, najprostszych i jednocześnie najczęściej stosowanych układów pracy kondensatorów są filtry oraz odsprzęganie zasilania. Filtracja napięcia lub - prościej mówiąc - „wygładzanie” napięcia zasilania jest możliwe dzięki pojemności kondensatora. Naładowany kondensator, włączony równolegle do napięcia zasilania układu lub jego części, jest w stanie szybko oddać potrzebną ilość energii, jeżeli w danym momencie rośnie pobór prądu zasilania danego obwodu.
Dlatego w obwodach zasilania stosuje się równoległe połączenie obu tych rodzajów kondensatorów. Odsprzęganie w to ogólne określenie metod „separowania” poszczególnych bloków urządzenia w taki sposób, aby zakłócenia generowane przez jeden obwód nie przenosiły się na drugi poprzez szyny zasilania. Najczęściej stosowane w praktyce są kondensatory ceramiczne o wartości rzędu 47..100 nF (odsprzęganie oraz filtracja wysokich częstotliwości) oraz elektrolityczne o pojemności, zależnej od pobieranego prądu.
Kondensator - inne zastosowania
Jeżeli masz pod ręką rezystor i kondensator, możesz bez problemu zbudować z pomocą tych dwóch elementów całkiem przyzwoite, choć proste filtry, pozwalające na kształtowanie charakterystyk częstotliwościowych sygnałów. Co ciekawe i ważne, sposób działania filtru zależy od wzajemnego połączenia obu elementów, zaś parametry elektryczne - od oporności rezystora i pojemności kondensatora.
Kondensatory wchodzą w skład obwodów LC - połączenie cewki i kondensatora ma bowiem szczególnie ciekawe właściwości. Parametry takiego obwodu (zarówno szeregowego, jak i równoległego) także - podobnie, jak w przypadku obwodu RC - zmieniają się w zależności od częstotliwości sygnału, jednak w diametralnie inny sposób. Przykładowo, obwód równoległy znacząco zwiększa swoją impedancję dla sygnałów o tzw. częstotliwości rezonansowej i zmniejsza ją dla innych zakresów pasma.
Obwody LC były niegdyś bardzo chętnie stosowane w wielu urządzeniach, szczególnie układach radiowych. Nie sposób w krótkim artykule ująć nawet znacznej części najbardziej klasycznych zastosowań kondensatorów.
Wiedza teoretyczna to nie wszystko - warto wzbogacić ją o praktykę. Właściwie powinny iść w parze.
Zastosowanie kondensatorów w elektryce i nie tylko
Zastosowanie kondensatorów jest tak szerokie, że nie sposób wymienić wszystkich możliwych scenariuszy użycia. Taka lista nie miałaby też większego sensu - dlatego zamiast listy zastosowań, w tym artykule przedstawimy najczęściej spotykane w praktyce układy pracy kondensatorów. Nic bowiem lepiej nie obrazuje właściwości danego elementu jak przykłady realnych aplikacji.
Kondensatory jako elementy elektroniczne lub elektryczne są wykorzystywane do filtrowania, a także odsprzęgania zasilania. Co to oznacza w praktyce? Filtrowanie jest niczym innym jak „wygładzaniem” napięcia przy wykorzystaniu pojemności kondensatora.
Kondensatory to elementy elektroniczne lub elektryczne. Do ich produkcji wykorzystano parę przewodników, które są często określane jako okładki. Pomiędzy nimi znajduje się dielektryk, czyli izolator. W momencie, gdy zostanie podane napięcie stałe, ładunki charakteryzujące się przeciwnymi znakami zaczynają się gromadzić na przewodnikach (okładkach). Gdy napięcie zostanie odłączone, wspomniane ładunki nadal znajdują się na okładkach. W takiej sytuacji kondensator jest naładowany.
Jednostką opisującą kondensatory jest farad (F). Kondensatory wyróżniają się bardzo szerokim zastosowaniem nie tylko w elektryce i elektronice, ale również innych w dziedzinach. Kondensatory rozruchowe, jak sama nazwa podpowiada, są wykorzystywane do błyskawicznego rozruchu silnika. Innymi słowy, kondensatory są odpowiedzialne za natychmiastowe dostarczenie dużej ilości energii niezbędnej do uruchomienia jednostki napędowej.
Dobór kondensatora do układu zasilania
Do filtrowania napięcia całkowicie wystarczają zwykłe kondensatory elektrolityczne aluminiowe. W zasilaczach niekiedy stosuje się dodatkowo niewielkie kondensatory ceramiczne umieszczone przed mostkiem prostowniczym, mające za zadanie ograniczenie ewentualnych zakłóceń impulsowych przedostających się z sieci energetycznej przez transformator.
Natomiast w lewej części rysunku 2 pokazałem ci sposób łączenia szeregowego kondensatorów elektrolitycznych w przypadku, gdy trzeba uzyskać kondensator o większym napięciu pracy. Koniecznie należy zastosować rezystory bocznikujące ze względu na możliwość wystąpienia znacznego prądu upływu w kondensatorach, które przez jakiś czas pozostaną bez napięcia.
Zasilacze takie pracują przy częstotliwościach rzędu 15…100kHz. Trzeba koniecznie pamiętać, że w tym zakresie pojemności zwykłe kondensatory elektrolityczne mają pojemność znacznie, nawet kilkakrotnie, mniejszą od pojemności nominalnej; na dodatek, co jeszcze gorsze, przy takich częstotliwościach występują w nich duże straty mocy na rezystancji szeregowej (tgδ > 1). Do filtrów takich zasilaczy produkuje się specjalne kondensatory elektrolityczne o podwyższonej niezawodności, małych strat (low ESR) i wysokiej dopuszczalnej temperaturze pracy.
Dużo, może nawet większość, zagranicznych kondensatorów o większej pojemności ma parametry pozwalające na zastosowanie ich w zasilaczach impulsowych. Zwykle można je poznać po zaznaczonej na obudowie dopuszczalnej górnej temperaturze pracy równej +105°C (zwykłe elektrolity: +70…+85°C).
Warto więc wiedzieć, że w zasilaczach i przetwornicach pracujących z częstotliwościami 15…25kHz można też stosować zwykłe „elektrolity”. Przecież ze względu na znaczną częstotliwość pracy, wymagane pojemności filtru są kilkadziesiąt razy mniejsze niż w zasilaczach sieciowych 50Hz (100Hz).
Zaleca się tu jednak stosowanie kondensatorów na napięcie pracy znacznie wyższe niż rzeczywiste napięcie pracy, ponieważ kondensatory takie przy swych większych gabarytach mają mniejszą wartość rezystancji ESR.
W prostych zasilaczach beztransformatorowych zaprezentowanych na rysunku 3a, elementem ograniczającym prąd jest zwykle kondensator − C1. Jak już wiesz, powinien to być kondensator polipropylenowy KMP (MKP) na napięcie 400V lub poliestrowy MKSE (MKT) na napięcie 630V.
Rezystory R1 i R2 o wartości rzędu megaoma są niezbędne do rozładowania kondensatora po odłączeniu od sieci − bez nich przypadkowe dotknięcie zacisków wejściowych mogłoby spowodować przykry udar prądowy.
Celowo narysowałem ci tu dwa szeregowo połączone rezystory, bowiem miniaturowe rezystorki mają napięcie pracy rzędu 150…250V, tymczasem na kondensatorze występuje napięcie zmienne o wartości szczytowej ponad 300V. Z kolei rezystor R3 jest niezbędny ze względu na ograniczenie do bezpiecznej dla diod wartości prądu w momencie dołączania do sieci.
Bez niego, w przypadku dołączenia do sieci w momencie szczytu napięcia (ponad 300V), przez kondensator i diody popłynąłby przez moment prąd rzędu kilkuset (!) amperów, który uszkodziłby diody prostownicze. Ze względu na możliwość wystąpienia znacznych impulsów prądowych, w zasilaczu powinny być stosowane diody prostownicze o prądzie nominalnym przynajmniej 1A, np.
Oczywiście taki zasilacz nie zapewnia bezpieczeństwa użytkowania zasilanego układu, i w skrajnym przypadku dotknięcie go grozi śmiertelnym porażeniem. Dlatego nie stosuj tego sposobu zasilania, jeśli to nie jest konieczne.
Jak ci wcześniej podałem, odsprzęganie zasilania jest konieczne praktycznie we wszystkich układach elektronicznych zawierających elementy wzmacniające. Bez prawidłowego odsprzężenia szyn zasilających układ może się wzbudzić lub będzie podatny na różne zakłócenia. Chcę ci jednak jeszcze bardziej przybliżyć ten temat. Nie przestrasz się, ale sprawa jest znacznie bardziej skomplikowana.
Popatrz na rysunek 4 − przecież wszystkie przewodzące ścieżki i przewody mają pewną indukcyjność. Dowiedziałeś się też, że w zakresie wysokich częstotliwości nawet kondensatory potrafią zachowywać się jak cewki. Dla częstotliwości bliskich rezonansu, impedancja równoległego obwodu LC jest duża, więc skuteczność odsprzęgania może być znikoma, wręcz żadna!
No i co tu zrobić? Na szczęście takie obwody rezonansowe zawierają zawsze jakieś (szkodliwe) rezystancje. Tym razem rezystancje te są naszym sojusznikiem, bowiem zmniejszają dobroć obwodów rezonansowych oraz ich impedancję. Mam nadzieję, że rozumiesz o co chodzi?
Bardzo często okazuje się więc, iż takie łagodne rezonanse nie mają wpływu na pracę urządzenia. Dlatego też wersja z rysunku 5b jest lepsza niż z rysunku 5a. Trzeba też mieć świadomość, iż jeśli omawiane teraz częstotliwości rezonansu równoległego będą leżeć w zakresie setek megaherców lub jeszcze wyżej, to wtedy niebezpieczeństwo dla układów m.cz.
Czy jednak mamy jakikolwiek wpływ na takie rezonanse? Tak! Czym krótsze ścieżki i wyprowadzenia, tym mniejsze indukcyjności, a więc większe częstotliwości rezonansowe. Najmniejszą indukcyjność, rzędu pojedynczych nanohenrów mają kondenatory ceramiczne typu „chip” − przeznaczone do montażu powierzchniowego oraz ceramiczne „lizaczki”, o ile tylko montowane są jak najbliżej płytki.
Jeśli więc zaprojektujesz „półhektarową” płytkę drukowaną zawierającą szybkie tranzystory czy wzmacniacze operacyjne, a kondensatory odsprzęgające „przezornie” umieścisz tuż przy zasilaczu sieciowym, to nie dziw się, że układ może się wzbudzić, lub pojawią się inne kłopoty.
tags: #filtracja #kondensatory #rodzaje #zastosowanie
