Кондензатор — принцип, видове и приложения за съхранение на енергия

Открийте принципа, видовете и практическите приложения на кондензаторите — от микросхеми до съхранение на енергия, безопасност и реални примери за използване.

Кондензаторът (понякога наричан конденсер — по-стар термин) е електронен елемент, който съхранява електрична енергия в електрическо поле. По функция той наподобява батерия, но обикновено е по-компактен, може да се зарежда и разрежда много по-бързо и има различни характеристики на енергийна и мощностна плътност. Един от първите типове кондензатори е бурканът на Лайден.

Принцип на действие

Кондензаторът се състои най-често от две проводими повърхности (плочи или фолиа), разделени с изолатор — диелектрик. Когато към изводите се приложи напрежение, на едната плоча се натрупват положителни, а на другата — отрицателни заряди. Енергията се съхранява в електрическото поле между плочите. Ако плочите са близо една до друга и имат голяма площ, кондензаторът може да съхранява по-голям заряд.

Конструкция и материали

Кондензаторите могат да бъдат направени от различни материали и в много форми. Най-често срещаните елементи са:

• метални плочи или фолиа (алуминий, тантал и др.);
• диелектрици като керамика, полиестер, полипропилен, слюда, хартиени и електролитни слоеве;
• при малки искащи голяма капацитивност плочи често се навиват на руло (образуват цилиндър);
• съвременните суперкондензатори използват въглеродни материали и електролити за много висока капацитивност.

Единици и основни формули

Капацитетът се измерва в фаради (F). Често използвани по-малки мерни единици са микрофарад (µF), нанофарад (nF) и пикофарад (pF). Основните формули, които описват поведението на кондензаторите, са:

• Капацитет: C = ε·A / d, където ε е пропускливостта на диелектрика, A — площта на плочите, d — разстоянието между тях;
• Енергия, съхранена в кондензатора: E = 1/2 · C · V², където V е напрежението между плочите;
• Съединяване: в паралел общата капацитивност е Cобщ = C1 + C2 + ...; в серия 1/Cобщ = 1/C1 + 1/C2 + ... .

Видове кондензатори

Изборът на тип кондензатор зависи от приложението. Най-разпространените видове са:

• Керамични (MLCC) — стабилни, с малки размери, често за високи честоти и филтри. Подходящи за декуплиране и високочестотни вериги.
• Филмови (полиестер, полипропилен) — добри за аудио, тампониране и като сигнални кондензатори; имат ниска загуба и добра дълготрайност.
• Електролитни (алуминиеви, танталови) — предлагат големи капацитети при относително малък размер; често използвани за изглаждане на захранвания. Имат полярност — трябва да се свързват правилно.
• Слюдени и керамични с висока прецизност — за радиофреквентни и измервателни приложения.
• Суперкондензатори (ултракапацитори) — много големи капацитети за краткосрочно съхранение на енергия и за приложения с висока мощност (регениране, захранване при спиране на напрежение).
• Регулируеми/перемемни — използват се в радиоприемници и в настройки на честоти.

Приложения

Кондензаторите имат широка употреба в електрониката и електротехниката:

• Филтриране и изглаждане на пулсации в захранвания;
• Декуплиране на захранващи релси — стабилизиране на напрежението при внезапни товарни пикове;
• Времеви и осцилаторни вериги (заедно с резистори/индуктивности);
• Електрическо свързване/изолиране на сигнали (AC-коплинги и DC-блокиране);
• Съхранение на енергия и подаване на мощни импулси — фото-светкавици, дефибрилатори, силови импулсни устройства;
• Системи за буфериране и бързо съхранение на енергия — суперкондензатори в хибридни задвижвания, при регенеративно спиране и като краткосрочни резерви;
• Измервателни вериги, RF-апаратура и телекомункации.

Сравнение с акумулаторни батерии

Кондензаторите и батериите служат и за съхранение на енергия, но имат различни характеристики:

• Енергийна плътност: батериите съдържат повече енергия на единица маса/обем (по-добри за дълготрайно съхранение);
• Мощностна плътност: кондензаторите могат да отдават и приемат енергия много по-бързо (по-подходящи за импулсни и високомощни приложения);
• Живот и цикли: суперкондензаторите издържат много повече цикли на зареждане/разреждане от повечето акумулаторни клетки;
• Напрежение: отделни суперкондензатори имат ниско номинално напрежение и често се свързват в серия за по-високи стойности, изисква се баланс.

Съединяване и характеристични параметри

Важно е да се внимава с някои параметри при проектиране:

• Номинално напрежение: не го надвишавайте — това може да доведе до пробив и повреда.
• Полярност: електролитните кондензатори са полярни и трябва да се свързват правилно.
• ESR (еквивалентно сериозно съпротивление): нисък ESR е важен за приложения с големи токове и бързи разряди.
• Ток на утечка: небезинтересен при дълготрайно съхранение на заряд (особено при електролити и суперкондензатори).
• Температурна стабилност: капацитетът и характеристиките зависят от температурата и типовете диелектрик.

Безопасност и поддръжка

Електролитните кондензатори могат да експлодират или да изтекат при неправилна експлоатация. Основни указания:

• Преди работа върху платка разредете големите кондензатори с помощта на съпротивление или специален инструмент;
• Не свързвайте полярен кондензатор обратно на напрежението;
• Не надвишавайте номиналното напрежение и избягвайте силни импулсни претоварвания;
• При свързване в серия използвайте балансиращи резистори при нужда;
• Съхранявайте на сухо и с подходящи температури; повишената температура намалява живота.

Измерване и маркировка

Капацитетът може да се измери с мултицет с функция за капацитет или с LCR-метър. На корпусите обикновено са означени стойността (в µF, nF или pF), номиналното напрежение и полярността (при полярни кондензатори). Някои кондензатори имат и толеранс, температурен коефициент и ESR като допълнителни данни.

Кондензаторите са основна част от съвременната електроника — от най-малките сигнали към сложните системи за хранене и за съхранение на енергия. При правилен избор и експлоатация те осигуряват надеждност и ефективност в широк спектър от приложения.

Въпроси и отговори

Въпрос: Какво представлява кондензаторът?

В: Кой е един от първите изобретени кондензатори?

В: Как кондензаторите съхраняват енергия?

Въпрос: Какъв тип кондензатор трябва да се използва в зависимост от приложението?

В: Колко връзки има един кондензатор?

В: Лесно ли е да се подменят повечето видове кондензатори?

В: По какво кондензаторът се различава от батерията?

Търсене по буква