Kondensatory, budowa i zasada działania

Kondensator to urządzenie, które występuje w każdym nawet najmniejszym układnie elektronicznym. Zapotrzebowanie na kondensatory jest bardzo duże, dlatego produkuje się je w bilionach sztuk rocznie na całym świecie.

Co to są kondensatory?

Kondensator jest niewielkim urządzeniem, które zostało skonstruowane w 1745 roku w laboratorium Uniwersytetu w Lejdzie w Holandii. Są trzy grupy elementów biernych (pasywnych) – kondensatory, rezystory i cewki. Ze względu na swoją budowę kondensatory to elementy, które są używane w każdym najmniejszym i najprostszym układzie elektronicznym. Kondensator jest zatem elementem elektrycznym, który przechowuje ładunek elektryczny i działa jak mały akumulator gromadzący energię na zapas, dzięki czemu dobrze radzi sobie w roli filtra zasilania. Jest również urządzeniem pasywnym do kompensacji mocy biernej indukcyjnej.

Rodzaje kondensatorów:

Kondensatory można podzielić ze względu na wiele różnych parametrów i właściwości. Oprócz kształtu lub materiału z jakiego zostały wykonane, istotny jest obszar zastosowania tych urządzeń.

Podział ze względu na budowę / kondensator:

• Płaski
• Kulisty
• Walcowy

Podział ze względu na zastosowanie / kondensator:

• Ceramiczny
• Elektrolityczny
• Superkondensator
• Nastawny
• Foliowy
• Polipropylenowy
• Poliestrowy

Budowa kondensatora

Budowa kondensatora jest bardzo prosta, choć różni się nieco w zależności od zastosowanego do budowy materiału. Na konstrukcję składają się dwie okładki (płaszczyzny przewodnika najczęściej z metalu), które są oddzielone od siebie cieniutką warstwą izolatora (dielektryka).

I tak dla kondensatora foliowego będą to dwa długie, cienkie paski z folii metalowej, które są przedzielone takim samym paskiem folii. Do ciasno zwiniętych i upakowanych elementów są doprowadzone druciki (wyprowadzenia). Produkt finalny powstaje po zalaniu całości żywicą.

Budowa kondensatorów elektrolitycznych wygląda nieco inaczej. Izolatorem w tym przypadku jest cienka warstwa tlenku umieszczona na powierzchni jednej z okładek. Drugą okładką i zarazem połączeniem staje się wtedy elektrolit, którym pokryty jest tlenek. Dzięki niezwykle małej grubości tlenku i dużej powierzchni okładek kondensatory te cechują się bardzo wysoką pojemnością.

Pojemność kondensatora

Wielkością przypisaną do kondensatorów jest pojemność, ponieważ prąd nie przepływa przez urządzenie. Im więcej ładunku może zgromadzić się na płaszczyznach kondensatora, tym większą ma on pojemność. Kondensator jest naładowany, gdy ładunek zgromadzony na okładkach na nich pozostaje.

Pojemność kondensatora wyrażamy w faradach (F). Większość tych urządzeń ma zdecydowanie mniejszą pojemność, która wyrażana jest w częściach jednostki podstawowej takich jak pikofarady (pF) lub nanofarady (nF). Pojemność kondensatora (C) możemy wyliczyć wzorem, gdy mamy podaną powierzchnię okładek (S) i odległość okładek (d).

Zasada działania kondensatora

Jaka zatem jest zasada działania kondensatora? Kondensator ma gromadzić ładunek elektryczny o tej samej wartości, ale przeciwnym potencjale. Ładunek w kondensatorze zaczyna się gromadzić, gdy na elektrodach podpiętych do okładek zostanie podpięte źródło zasilania. Po odłączeniu zasilania ładunek nie znika, a pozostaje wewnątrz urządzenia dzięki przyciąganiu elektrostatycznemu.

Symbole kondensatorów - Przykłady

Symbol kondensatora w schematach elektrycznych to zwyczajowo dwie pionowe, równoległe kreski w różnych wariacjach zależnych od kondensatorów, który reprezentują. Poniżej kilka przykładowych symboli.

Jak połączyć kondensatory?

Kondensatory można ze sobą łączyć. Po połączeniu ich otrzymamy pojemność wypadkową, którą bardzo łatwo określić znając pojemności składowe.

Wyróżniamy dwa podstawowe sposoby na połączenie kondensatorów:

• Równoległe
• Szeregowe

W połączeniu równoległym kondensatory z każdej strony połączone są ze sobą okładkami. Oznacza to, że potencjał połączonych ze sobą okładkami kondensatorów jest jednakowy po każdej ze stron, dzięki czemu na każdym z kondensatorów różnica potencjałów jest taka sama. Pojemność całkowita kondensatorów w połączeniu równoległym jest sumą ich pojemności.

W połączeniu szeregowym kondensatory są naładowane takim samym ładunkiem, ponieważ ładunek dodatni doprowadzony do pierwszego kondensatora wytwarza pole przyciągające ten sam ładunek przeciwnego znaku. Z kolei po przeciwnej stronie ładunek minusowy dopływa z zewnątrz. Pojemność całkowita kondensatorów w połączeniu szeregowym jest sumą odwrotności pojemności każdego kondensatora. 

Rozładowywanie kondensatora

Proces rozładowywania kondensatora zależy od jego rodzaju i pojemności. Im większa pojemność, tym większe niebezpieczeństwo przy nieodpowiednim procesie rozładowywania, które może zakończyć się nawet wybuchem.

Do rozładowania kondensatora potrzebne jest przyłączenie do obciążenia rezystancyjnego, dzięki któremu zgromadzone ładunki zostaną przeniesione z naszego kondensatora. Obciążeniem może być na przykład żarówka lub rezystor. Czas rozładowywania zależeć będzie od pojemności naszego urządzenia, a także elementu obciążeniowego, który musi być odpowiednio dobrany do kondensatora. Zbyt duży rezystor to ryzyko spalenia kondensatora, a zbyt mały to ryzyko zniszczenia rezystora. 

Zachęcamy, również do przeczytania artykułu: Co to jest kondensator elektrolityczny?