Zasilanie, Filtracja i Działanie Kondensatorów w Praktyce
- Szczegóły
Dyskusja dotyczy zastosowania kondensatorów i rezystorów w prostych układach elektronicznych, ze szczególnym uwzględnieniem ich roli w generatorach impulsów, migaczach LED oraz filtracji sygnałów. Kondensatory służą do magazynowania ładunku, tłumienia zakłóceń, blokowania składowej stałej oraz wyznaczania częstotliwości w generatorach. Rezystory ograniczają prąd, ustalają napięcie oraz wpływają na częstotliwość pracy układów.
Podstawy Działania Kondensatorów
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. 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.
Rodzaje Kondensatorów
Kondensatory występują w różnych kształtach i rozmiarach, które wpływają na ich zdolność do magazynowania ładunku. Te elementy są wszechstronne. Zastosowanie kondensatorów jest tak szerokie, że nie sposób wymienić wszystkich możliwych scenariuszy użycia.
Przeczytaj także: Nawilżacze powietrza zasilane elektrycznie
- 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.
- 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. Rozróżniamy dwie główne grupy kondensatorów elektrolitycznych: aluminiowe (tańsze, ale o nieco gorszych parametrach) i tantalowe (drogie, ale wysokiej klasy).
- Kondensatory ceramiczne: 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.
Superkondensatory: Nowa Era Magazynowania Energii
Czym jest superkondensator, ultrakondensator, pseudokondensator? Odpowiedź jest prosta zawsze jest to rodzaj kondensatora elektrolitycznego o bardzo dużej pojemności, dochodzącej do kilku tysięcy faradów, przy dopuszczalnym napięciu pracy do kilku woltów (obecnie) na celę. Pojemność ta może być osiągnięta w superkondensatorach za pomocą technologii EDLC bazującej na elektrostatycznym gromadzeniu ładunku lub w przypadku pseudokondensatorów na elektrochemicznym gromadzeniu ładunku.
Parametry Superkondensatorów
Podobnie jak dla wszystkich kondensatorów podstawowymi parametrami są: pojemność, napięcie pracy, zakres temperatur i rezystancja szeregowa. W przypadku superkondensatorów dodatkowo specyfikowane są: maksymalne prądy ładowania i rozładowania [A, kA], często podawana jest moc szczytowa [W, kW], jaką można obciążyć kondensator, liczba cykli ładowania, prąd upływu [mA, μA] oraz wartość przechowanej energii w [Wh] i przeliczenie jej na objętość lub masę kondensatora [Wh/m3, Wh/kg].
Zastosowania Superkondensatorów
Pierwsza przyczyna dotyczy urządzeń konsumenckich, gdzie kondensatory jeszcze nie mogą całkowicie zastąpić, ale już współpracują z bateriami lub akumulatorami, tworząc hybrydowe układy zasilania lub podtrzymania zasilania. Znajdują zastosowania w dyskach SSD, zasilaczach bezprzerwowych UPS, telefonach komórkowych, a nawet w kartach zbliżeniowych, pozwalając połączyć najlepsze cechy ogniw elektrochemicznych, takie jak wysoka gęstość energii, niski koszt, z zaletami superkondensatorów: niską rezystancją wewnętrzną, możliwością przejmowania i oddawania sporych mocy chwilowych, dużą trwałością, brakiem efektu pamięci i odpornością na warunki środowiskowe.
Drugi powód to przemysł transportowy, gdzie tworzone są hybrydowe układy zasilania i to nie tylko jako połączenie ogniw chemicznych z superkondensatorami, co wydaje się rozwiązaniem naturalnym, ale także w transporcie szynowym przy współpracy sieci trakcyjnej (przewodowej) i baterii superkondensatorów. Trzeci powód jest związany z energetyką komercyjną, która ze względu na zwiększającą się ilość kompletnie „nieprzewidywalnych” źródeł energii odnawialnej, takiej jak elektrownie wiatrowe i słoneczne, zmaga się z problemem mocy szczytowych i niezbyt dobrej współpracy źródeł odnawialnych z klasycznymi elektrowniami.
Znaczącymi dostawcami superkondensatorów są Maxwell, Panasonic, Nippon-Chemicon, Eaton, Elna, Murata, TAIYO-Yuden, Samwha, TDK-Epcos, Kemet, Illinois Capacitor, Skeleton Tech, IOXUS, Licaptech, Cornell Dubilier, AVX, CAP-XX, Vinatech (kolejność przypadkowa).
Przeczytaj także: Rodzaje Oczyszczalni Przydomowych
Praktyczne Zastosowania Kondensatorów
Zastosowanie kondensatorów jest szerokie i obejmuje między innymi:
- Filtrowanie napięcia zasilania
- Odsprzęganie zasilania
- Budowę filtrów RC i LC
- Układy czasowe
Filtracja 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.
Odsprzęganie Zasilania
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.
Filtry RC i LC
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.
Symulatory Obwodów Elektronicznych
Istnieją programy symulujące działanie obwodów elektronicznych, które umożliwiają narysowanie schematu i przetestowanie jego działania. Multisim albo Electronic Workbrench są przykładami programów symulacyjnych.
Przeczytaj także: Definicja i pomiar filtracji kłębuszkowej
tags: #zasilanie #filtracja #para #kondensatorow #działanie
