La fel ca rezistorul, condensatorul este un dispozitiv simplu pasiv care este folosit pentru a "stoca energie electrică" pe plăcile sale.

Condensatorul este o componentă care are abilitatea sau "capacitatea" de a stoca energie sub forma unei sarcini electrice care produce o diferență de potențial (tensiune statică) pe plăcile sale, la fel ca o mică baterie reîncărcabilă.

Există multe tipuri diferite de condensatoare disponibile de la margele de condensatori foarte mici folosite în circuitele de rezonanță la condensatoare mari de corecție a factorului de putere, dar toate fac același lucru, stochează sarcina.

În forma sa de bază, un condensator este alcătuit din două sau mai multe plăci conductive (metalice) paralele, care nu sunt conectate sau se ating una de altat, ci sunt separate electric fie de aer, fie de o formă de material bun izolator, cum ar fi hârtie cerată, mică, ceramică, plastic sau o formă de gel lichid, așa cum este utilizat în condensatoare electrolitice. Stratul izolator dintre plăcile condensatoarelor este numit în mod obișnuit dielectric.

Datorită acestui strat izolator, curentul DC nu poate trece prin condensator, deoarece este blocat, permițând în schimb să existe o tensiune pe plăci sub forma unei sarcini electrice.

Plăcile metalice conductive ale unui condensator pot fi pătrate, circulare sau dreptunghiulare, fie pot fi de formă cilindrică sau sferică, având forma generală, mări-mea și construcția unui condensator cu plăci paralele, în funcție de aplicație și de tensiunea nominală.

Atunci când este utilizat într-un circuit de curent continuu sau DC, un condensator se încarcă până la tensiunea de alimentare, dar blochează curentul prin el, deoarece dielectricul unui condensator este neconductiv și practic un izolator. Cu toate acestea, atunci când un condensator este conectat la un circuit de curent alternativ, sau AC, curentul pare să treacă direct prin condensator cu rezistență mică sau deloc.

Există două tipuri de sarcină electrică, sarcină pozitivă sub formă de protoni și sarcină negativă sub formă de electroni. Atunci când o tensiune DC este plasată pe un condensator, sarcina pozitivă (+ve) se acumulează rapid pe o placă, în timp ce o sarcina negativă (-ve) corespunzătoare și opusă se acumulează pe cealaltă placă. Pentru fiecare particulă de sarcină +ve, care ajunge la o placă, o sarcină cu același semn se va îndepărta de la placa -ve.

Astfel, plăcile rămân încărcate neutru și o diferență de potențial datorată acestei sarcini se stabilește între cele două plăci. Odată ce condensatorul atinge condiția sa de stare constantă, un curent electric nu este capabil să curgă prin condensatorul însuși și prin circuit datorită proprietăților izolatoare ale dielectricului folosit pentru separarea plăcilor.

Fluxul de electroni pe plăci este cunoscut sub numele de curent de încărcare al condensatorului care continuă să curgă până când tensiunea pe ambele plăci (și, prin urmare, condensator) este egală cu tensiunea aplicată Vc. În acest moment condensatorul se spune că este "complet încărcat" cu electroni.

Energie sau viteza acestui curent de încărcare este la valoarea sa maximă atunci când plăcile sunt complet descărcate (starea inițială) și se reduce lent la valoarea zero, deoarece plăcile se încarcă până la o diferență de potențial pe plăcile condensatorului egală cu tensiunea sursei.

Cantitatea de diferență de potențial prezentă pe condensator depinde de cât de multă sarcină a fost depusă pe plăci prin lucrul efectuat de tensiunea sursei și de cât de multă capacitate are condensatorul și aceasta este ilustrată mai jos.

Condensatorul cu plăci paralele este cea mai simplă formă de condensator. Acesta poate fi construit folosind două plăci metalice sau folii metalizate la o distanță paralelă una cu cealaltă, valoarea lor de capacitate în Farazi fiind fixată de suprafața plăcilor conductive și distanța de separare dintre ele. Modificarea oricăror două dintre aceste valori modifică valoarea capacității sale și aceasta formează baza funcționării condensatoarelor variabile.

Deoarece condensatoarele stochează energia electronilor sub forma unei sarcini electrice pe plăci, cu cât plăcile sunt mai mari și/sau mai mică separația lor, cu atât mai mare va fi sarcina pe care condensatorul o ține pentru orice tensiune dată pe plăcile sale. Cu alte cuvinte, plăci mai mari, distanțe mai mici, capacitate mai mare.

Prin aplicarea unei tensiuni la un condensator și măsurarea sarcinii pe plăci, raportul dintre sarcina Q și tensiunea V va da valoarea capacității condensatorului și, prin urmare, este dată de: C = Q/V. Această ecuație poate fi rearanjată pentru a da o formulă mai familiară pentru cantitatea de sarcină pe plăci: Q = C x V.

Deși am spus că sarcina este stocată pe plăcile unui condensator, este mai corect să spunem că energia din sarcină este stocată într-un "câmp electrostatic" între cele două plăci. Când un curent electric curge în condensator, încărcându-l, câmpul electrostatic devine mai puternic, deoarece stochează mai multă energie.

De asemenea, deoarece curentul curge din condensator, descărcându-l, diferența de potențial dintre cele două plăci scade, iar câmpul electrostatic scade, pe măsură ce energia se deplasează din plăci.

Proprietatea unui condensator de a stoca sarcina pe plăcile sale sub forma unui câmp electrostatic este numită capacitate a condensatorului. Capacitatea este, de asemenea, proprietatea unui condensator care rezistă variației de tensiune pe el.

Capacitatea unui condensator

Capacitatea este proprietatea electrică a unui condensator și este măsura abilității unui condensator de a stoca o sarcină electrică pe cele două plăci, unitatea de capacitate fiind Farad (abreviat la F) numită după fizicianul britanic Michael Faraday.

Capacitatea este definită ca fiind aceea că un condensator are capacitatea de 1 Farad când o sarcină de 1 Coulomb este stocată pe plăci printr-o tensiune de 1 volt. Rețineți că capacitatea C este întotdeauna pozitivă în valoare și nu are unități negative. Cu toate acestea, Farad-ul este o unitate de măsurare foarte largă de utilizat ca atare, astfel încât sub-multiplii de Farad sunt utilizați în general, cum ar fi microfarad, nanofarad și picofarad, de exemplu.

Unități standard de capacitate

Microfarazi (μF) 1μF = 1 / 1.000.000 = 0,000001 = 10^-6 F

Nanofarad (nF) 1nF = 1 / 1.000.000.000 = 0,00000000001 = 10^-9 F

Picofarad (pF) 1pF = 1 / 1.000.000.000.000 = 0,000000000001 = 10^-12 F

Atunci, folosind informațiile de mai sus, putem construi un tabel simplu care să ne ajute să convertim între picoFarad (pF), nanoFarad (nF), microFarad (μF) și Farad (F).

Capacitatea unui condensator cu plăci paralele

Capacitatea unui condensator cu plăci paralele este proporțională cu aria A, în metri², a celei mai mici dintre cele două plăci și invers proporțională cu distanța sau separația d (adică grosimea dielectricului) dată în metri, între aceste două plăci conductive.

Ecuația generalizată pentru capacitatea unui condensator cu plăci paralele este dată de: C = ε(A/d), unde ε reprezintă permitivitatea absolută a materialului dielectric utilizat. Permitivitatea vidului εo, cunoscută sub numele de „permitivitatea spațiului liber“ are valoarea constantă 8,84 x 10^-12 farazi per metru.

Pentru a face matematica un pic mai ușoară, această constantă dielectrică a spațiului liber εo, care poate fi scrisă ca: 1/(4π x 9 × 10⁹), poate avea, de asemenea, unități de picofarad (pF) pe metru, dând: 8,84 pentru valoarea spațiului liber. Observați că valoarea capacității rezultată va fi în picofarad și nu în farad.

În general, plăcile conductive ale unui condensator sunt separate mai degrabă de un tip de material izolant sau de gel decât de un vid perfect. Atunci când se calculează capacitatea unui condensator, putem considera permitivitatea aerului și, în special, a aerului uscat ca fiind aceeași valoare ca un vid, deoarece acestea sunt foarte apropiate.

Capacitate. Exemplul nr. 1

Un condensator este construit din două plăci metalice conductive de 30cm x 50cm care sunt distanțate la 6 mm între ele și utilizează aerul uscat drept singurul său material dielectric. Calculați capacitatea condensatorului.

Atunci, valoarea condensatorului constând din două plăci separate prin aer se calculează ca 221pF sau 0,221nF.

Dielectricul unui condensator

Pe lângă mărimea totală a plăcilor conductive și distanța dintre ele, un alt factor care afectează capacitatea totală a dispozitivului este tipul de material dielectric utilizat. Cu alte cuvinte, "permitivitatea" (ε) a dielectricului.

Plăcile conductive ale unui condensator sunt în general realizate dintr-o folie metalică sau dintr-o peliculă metalică care permite fluxul de electroni și sarcină, dar materialul dielectric folosit este întotdeauna un izolator. Diferitele materiale izolatoare utilizate ca dielectric într-un condensator diferă în capacitatea lor de a bloca sau de a trece o sarcină electrică.

Acest material dielectric poate fi fabricat dintr-un număr de materiale izolante sau combinații ale acestor materiale, cele mai obișnuite tipuri fiind: aer, hârtie, poliester, polipropilenă, Mylar, ceramică, sticlă, ulei sau o varietate de alte materiale.

Factorul prin care materialul dielectric sau izolatorul mărește capacitatea condensatorului comparativ cu aerul este cunoscut ca Constanta dielectricului k și un material dielectric cu o constantă dielectrică înaltă este un izolator mai bun decât un material dielectric cu o constantă dielectrică inferioară. Constanta dielectrică este adimensională, deoarece este relativă la spațiul liber.

Permitivitatea efectivă sau "permitivitatea complexă" a materialului dielectric dintre plăci este produsul permitivității spațiului liber (εo) și permitivitatea relativă (εr) a materialului utilizat ca dielectric și este dată de:

Permitivitatea complexă

ε = ε_o x ε_r

Cu alte cuvinte, dacă luăm permitivitatea spațiului liber εo ca nivel de bază și îl facem egal cu unu, atunci când vidul spațiului liber este înlocuit cu un alt tip de material izolator, permitivitatea dielectricului său se referă la dielectricul de bază al spațiului liber care dă un factor de multiplicare cunoscut sub denumirea de "permitivitate relativă" εr. Deci, valoarea permitivității complexe ε va fi întotdeauna egală cu permitivitatea relativă înmulțită cu unu.

Unități tipice de permitivitate dielectrică ε sau constantă dielectrică pentru materialele obișnuite sunt: ​​Vid absolut = 1,0000, Aer = 1,0006, Hârtie = 2,5 până la 3,5, Sticlă = 3 până la 10, Mică = 5 până la 7, Lemn = 3 până la 8 și Pulberi = 6 la 20 etc Acest lucru ne dă o ecuație finală pentru capacitatea unui condensator:

O metodă utilizată pentru a mări capacitatea globală a unui condensator, menținând dimensiuni mici, este "intercalarea" mai multor plăci într-un singur corp de condensator. În locul unui singur set de plăci paralele, un condensator poate avea multe plăci individuale conectate împreună, mărind astfel suprafața A a plăcilor.

Pentru un condensator standard cu plăci paralele, după cum se arată mai sus, condensatorul are două plăci, etichetate A și B. Prin urmare, deoarece numărul plăcilor de condensator este doi, putem spune că n = 2, unde "n" reprezintă numărul plăcilor.

Atunci, ecuația noastră de mai sus pentru un singur condensator cu plăci paralele ar trebui să fie în realitate:

Condensatorul poate avea două plăci paralele, dar numai o parte a fiecărei plăci este în contact cu dielectricul dintre ele pe când cealaltă parte formează exteriorul condensatorului. Dacă luăm cele două jumătăți ale plăcilor și le îmbinăm, avem în realitate doar o singură placă în contact cu dielectricul.

În ceea ce privește un singur condensator cu plăci paralele, n - 1 = 2 - 1, care este egal cu 1 și C = (εo.εr x 1 x A)/d este exact la fel ca și a spune: C = (εo.εr.A)/d care este ecuația standard de mai sus.

Acum presupunem că avem un condensator alcătuit din 9 plăci intercalate, deci n = 9 așa cum se vede.

Condensator multi-placă

Acum avem cinci plăci conectate la un conductor (A) și patru plăci la celălalt conductor (B). Atunci, ambele laturi ale celor patru plăci conectate la conductorul B sunt în contact cu dielectricul, în timp ce numai o parte a fiecărei plăci exterioare conectate la A este în contact cu dielectricul. Astfel, ca mai sus, suprafața utilă a fiecărui set de plăci este de numai opt și, prin urmare, capacitatea sa este dată de:

Condensatoarele moderne pot fi clasificate în funcție de caracteristicile și proprietățile dielectricului lor izolator:

• Pierdere mică, stabilitate ridicată, cum ar fi Mica, Ceramica Low-K, Polistiren.

• Pierdere medie, stabilitate medie, cum ar fi hârtie, film plastic, ceramică high-K.

• Condensatoare polarizate, cum ar fi Electrolitic, Tantal.

Tensiunea nominală a unui condensator

Toate condensatoarele au o valoare maximă a tensiunii nominale și atunci când se selectează un condensator trebuie luată în considerare cantitatea de tensiune care trebuie aplicată pe condensator. Cantitatea maximă de tensiune care poate fi aplicată condensatorului fără deteriorarea materialului său dielectric este dată, în general, în fișele de date ca: WV , (tensiune de lucru) sau WV DC (tensiune de lucru DC).

Dacă tensiunea aplicată pe condensator devine prea mare, dielectricul se va străpunge (cunoscut sub denumirea de străpungere electrică), iar arcul va apărea între plăcile condensatoarelor rezultând un scurtcircuit. Tensiunea de lucru a condensatorului depinde de tipul de material dielectric utilizat și de grosimea acestuia.

Tensiunea de lucru DC a unui condensator este tocmai acea tensiune maximă DC și NU tensiunea maximă AC deoarece condensatorul cu o tensiune nominală de 100 VDC nu poate fi supus în siguranță unei tensiuni alternative de 100 volți, dat fiind că o tensiune alternativă are o valoare rms de 100 volți, dar o valoare de vârf de peste 141 volți!.

Astfel, un condensator care trebuie să funcționeze la 100 volți AC trebuie să aibă o tensiune de lucru de cel puțin 200 volți. În practică, un condensator ar trebui să fie selectat astfel încât tensiunea de lucru fie DC, fie AC să fie cu cel puțin 50% mai mare decât cea mai mare tensiune efectivă care trebuie aplicată.

Un alt factor care afectează funcționarea unui condensator este scurgerea dielectrică. Scurgerile dielectrice au loc într-un condensator ca urmare a unui curent de scurgere nedorit care curge prin materialul dielectric.

În general, se presupune că rezistența dielectricului este extrem de ridicată și un bun izolator care blochează fluxul de curent continuu prin condensator (ca într-un condensator perfect) de la o placă la alta.

Cu toate acestea, în cazul în care materialul dielectric se deteriorează datorită tensiunii excesive sau a temperaturii excedentare, curentul de scurgere prin dielectric va deveni extrem de ridicat, rezultând o pierdere rapidă a sarcinii pe plăci și o supraîncălzire a condensatorului care poate duce la defectarea prematură a condensatorului. Deci, nu utilizați niciodată un condensator într-un circuit cu tensiuni mai mari decât cea pentru care este evaluat condensatorul, altfel ar putea deveni fierbinte și ar putea exploda.

Rezumat Condensatoare

Am văzut că sarcina unui condensator este de a stoca sarcina electrică pe plăcile sale. Cantitatea de sarcină electrică pe care un condensator o poate stoca pe plăcile sale este cunoscută ca valoarea capacității sale și depinde de trei factori principali.

• Aria suprafeței - A, a celor două plăci conductive care alcătuiesc condensatorul, cu atât este mai mare suprafața, cu atât este mai mare capacitatea.

• Distanța - d între cele două plăci, cu cât este mai mică distanța cu atât este mai mare capacitatea.

• Materialul dielectric - tipul de material care separă cele două plăci denumit "dielectric", cu cât este mai mare permitivitatea dielectricului, cu atât este mai mare capacitatea.

Am văzut că un condensator constă din plăci metalice care nu se ating, dar sunt separate printr-un material numit dielectric. Dielectricul unui condensator poate fi aer sau chiar vid, dar în general este un material izolant neconductor, cum ar fi hârtie cerată, sticlă, mică, diferite tipuri de materiale plastice etc. Dielectricul oferă următoarele avantaje:

• Constanta dielectrică este proprietatea materialului dielectric și variază de la un material la altul, mărind capacitatea cu un factor k.

• Dielectricul oferă suport mecanic între cele două plăci, permițând plăcuțelor să se apropie mai mult fără a se atinge.

• Permitivitatea dielectricului mărește capacitatea.

• Dielectricul crește tensiunea maximă de funcționare în comparație cu aerul.

Condensatoarele pot fi utilizate în multe aplicații și circuite diferite, cum ar fi blocarea curentului DC, în timp ce se trec semnale audio, impulsuri sau curent alternativ sau alte forme de undă variabile în timp. Această capacitate de a bloca curenții DC permite condensatoarelor să fie utilizate pentru a netezi tensiunile de ieșire ale surselor de alimentare, pentru a elimina vârfurile nedorite din semnale, care altfel ar avea tendința de a provoca deteriorarea sau declanșarea falsă a semiconductorilor sau a componentelor digitale.

Condensatoarele pot fi utilizate pentru reglarea răspunsului în frecvență al unui circuit audio sau pentru cuplarea împreună a etajelor de amplificare separate care trebuie protejate de transmisia curentului DC.

La DC, un condensator are impedanță infinită (circuit deschis), la frecvențe foarte înalte un condensator are impedanță zero (scurt-circuit). Toate condensatoarele au o valoare maximă a tensiunii de lucru, WV DC, selectând astfel un condensator cu o valoare cu cel puțin 50% mai mare decât tensiunea de alimentare.

Există o mare varietate de stiluri și tipuri de condensatoare, fiecare având avantajul, dezavantajul și caracteristicile sale. Pentru a include toate tipurile, ar face această secțiune de tutorial foarte mare, astfel încât în ​​următorul tutorial despre Introducere în condensatoare mă voi limita la cele mai frecvent utilizate tipuri.