1.1.3. Kondensatoriai [1,2]

Dviejų laidininkų (plokštelių), atskirtų dielektriku, sistema sudaro elektrinį kondensatorių.

Natūralūs kondensatoriai yra, pavyzdžiui, du elektros tinklo laidai, dvi kabelio gyslos, kabelio gysla ir šarvas, perėjimo izoliatorius (izoliuojantis laidą nuo sienos arba metalinio korpuso sienelės). Naudojami įvairių konstrukcijų kondensatoriai, gana dažnai – plokštieji, kuriuos sudaro dvi lygiagrečios metalinės, izoliuotos viena nuo kitos plokštelės.

Sutartinai grafiniai kondensatorių žymėjimai yra:

                            

        a)                                                        b)

                              Pastovios talpos                              Kintamos talpos

 Kondensatoriai kaupia ir išlaiko savo plokštelėse vienodo didumo ir priešingų ženklų elektros krūvius. Kiekvienos kondensatoriaus plokštelės elektros krūvis Q proporcingas įtampai U tarp plokštelių, taigi:

Q = CU.

Dydis C, lygus vienos kondensatoriaus plokštelės krūvio ir įtampos tarp plokštelių santykiui, vadinamas kondensatoriaus elektrine talpa ir yra vienas iš jo parametrų. Vadinasi, talpa

C = Q/U.

Kadangi SI sistemoje krūvio vienetas yra kulonas, o įtampos vienetas – voltas, tai talpos vienetas yra kulonas, padalytas iš volto. Jis vadinamas faradu (F):

1 F = 1 C/1 V.

Paprastai vartojami smulkesni vienetai – mikrofaradas (1mF = 10-6 F) arba pikofaradas (1pF = 10-12 F).

Kondensatoriaus talpa priklauso nuo jo plokštelių – elektrodų – formos ir matmenų, jų tarpusavio padieties, taip pat nuo dielektriko, skiriančio tas plokšteles, savybių .

Pavyzdžiui, plokščiojo kondensatoriaus, tarp kurio plokštelių yra vakuumas, talpa

C = e0S/d;

Čia S – vienos plokštelės plotas m2, d – atstumas tarp plokštelių m, e0 – elektrinė konstanta, nusakanti elektrinį lauką tuštumoje (vakuume).

Elektrinės konstantos matavimo vienetas randamas šitaip:

[e0] = [Cd/S] = Fm/m2 = F/m.

Vadinasi, elektrinė konstanta išreiškiama faradais metrui.

Elektrinė konstanta priklauso nuo vienetų sistemos. Jos vertė SI vienetų sistemoje šitokia:

e0 = 10-9/36p»8,85*10-12 F/m.

Įvairių medžiagų dielektrines savybes galima palyginti su vakuumo savybėmis.

Erdvę tarp kondensatoriaus plokštelių užpildžius kokia nors medžiaga – dielektriku, kondensatoriaus talpa padidės e kartų. Tuomet ją bus galima rasti iš formulės

C = e0eS/d = eaS/d.

Daugiklis e, vadinamas medžiagos santykine dielektrine skvarba, yra bematis dydis. Kai kurių dielektrikų santykinės dielektrinės skvarbos vertės pateikiamos lentelėse.

Santykinės dielektrinės skvarbos ir elektrinės konstantos sandauga vadinama absoliutine dielektrine skvarba:

ea = ee0.

Pramonė išleidžia įvairios konstrukcijos bei paskirties, įvairios talpos (1 pF – 1000 mF) kondensatorius iki 10 kV vardinės įtampos.

Kintamosios srovės grandinėse naudojami popieriniai , žėrutiniai , keraminiai  kondensatoriai , o elektrolitiniai kondensatoriai naudojami tiktai nuolatinės srovės grandinėse.

Popierinį kondensatorių sudaro dvi ilgos aliuminio folijos juostos, izoliuotos parafinuoto popieriaus juostomis.

Elektrolitinio kondensatoriaus viena plokštelė yra aliuminio folija, o kita – popierius ar audinys, impregnuotas tirštu elektrolito tirpalu; dielektrikas – labai plonas oksido sluoksnis ant aliuminio folijos.

Kondensatorių jungimas

Norint gauti tam tikrą talpą arba kai tinklo įtampa viršija vardinę kondensatoriaus įtampą, keli kondensatoriai jungiami nuosekliai, lygiagrečiai arba mišriai.

Sujungus kondensatorius nuosekliai, visų kondensatorių elektrodų krūviai bus vienodi, nes iš maitinimo šaltinio jie patenka tik į išorinius elektrodus, o vidiniuose elektroduose jie gaunami tik pasiskirsčius krūviams, anksčiau neutralizavusiems vieni kitus.  

                   

Nuosekliai sujungti                                          Lygiagrečiai sujungti

kondensatoriai                                                      kondensatoriai

Vieno kondensatoriaus elektrodo krūvį pažymėjus Q, dviem nuosekliai sujungtiems kondensatoriams galima parašyti:

U1 = Q/C1     ir     U2 = Q/C2,

t. y. Esant nevienodoms talpoms, kondensatorių įtampos bus skirtingos.

Išreiškę įtampą grandinės gnybtuose

U = U1 + U2

Krūvių ir talpų santykiu, gauname

Q/C = Q/C1 + Q/C2

arba, suprastinus iš Q,

1/C = 1/C1 + 1/ C2:

iš čia bendroji, arba ekvivalentinė, dviejų nuosekliai sujungtų kondensatorių talpa

C = C1C2/C1 + C2.

Lygiagrečiai sujungus kondensatorius, visų kondensatorių įtampos bus vienodos, o krūviai bendru atveju bus skirtingi:

Q1 = C1U   ir   Q2 = C2U.

Visų lygiagrečiai sujungtų kondensatorių bendras krūvis yra lygus atskirų kondensatorių krūvių sumai, t. y. Dviejų lygiagrečiai sujungtų kondensatorių krūvis

Q = Q1 + Q2;

iš čia bendroji, arba ekvivalentinė, talpa

C = Q/U = Q1 + Q2/U = C1 + C2,

t. y. ekvivalentinė talpa lygi atskirų kondensatorių talpų sumai.

 Jei nuosekliai ar lygiagrečiai sujungta daugiau kondensatorių, pasinaidojus formulėmis, nesunkiai galima rasti ekvivalentines talpas.

Kondensatoriaus įkrovimas ir iškrovimas

a)    Kondensatoriaus įkrovimas

Išnagrinėkime grandinę, sudarytą iš neįkrauto C talpos kondensatoriaus ir varžos rezistoriaus, prijungtų prie nuolatinės įtampos U maitinimo šaltinio.

Kondensatoriaus įkrovimas

Kadangi įjungimo momentu kondensatorius dar neįkrautas, tai jo įtampa uc = 0. Todėl pradiniu laiko momentu (t = 0) įtampos kritimas rezistoriuje R lygus U, ir atsiranda srovė, kurios stiprumas

i = U/R = I.

Tekant srovei i, kondensatoriuje palaipsniui kaupiasi krūvis Q, ir jame atsiranda įtampa uc = Q/C, o įtampos kritimas rezistoriuje R, pagal antrąjį Kirchhofo dėsnį, mažėja:

iR = U – uc.

Vadinasi, srovė

i = U – uc/R

mažėja, mažėja ir krūvio kaupimosi greitis, nes grandine tekanti srovė

i = dQ/dt.

Laikui bėgant, krūvis Q ir įtampa uc didėja vis lėčiau, o srovė grandinėje palaipsniui mažėja proporcingai skirtumui U – uc.

Per pakankamai ilgą laiką (teoriškai per be galo ilgą laiką) įtampa kondensatoriuje pasiekia maitinimo šaltinio įtampą, srovė pasidaro lygi nuliui, ir kondensatoriaus įkrovimo procesas pasibaigia.

Praktiškai susitarta laikyti, jog kondensatoriaus įkrovimas baigtas, kai srovė sumažėja iki 1% nuo pradinės vertės U/R, arba kondensatoriaus įtampa pasiekia 99% maitinimo šaltinio įtampos U.

Kondensatoriaus įkrovimas vyksta juo lėčiau, juo didesnė srovę ribojanti grandinės varža R ir juo didesnė kondensatoriaus talpa C, nes, esant didesnei talpai, reikia sukaupti didesnį krūvį. Proceso greitis apibūdinamas grandinės laiko konstanta

t = RC;

juo didesnė t, tuo lėtesnis procesas.

Grandinės laiko konstanta turi laiko dimensiją, nes

[t] = [RC] = W*C/V = W*A*s/V = s.

Įjungus grandinę, per laiką, lygų t, kondensatoriaus įtampa pasiekia maždaug 63% nuo maitinimo šaltinio įtampos, o per 5 t laiką kondensatoriaus įkrovimo procesą galima laikyti baigtu.

Įkraunant kondensatorių, jo įtampa

Uc = U – Ue-t/t = U (1 – e-t/t),

t. y. ji lygi maitinimo šaltinio nuolatinės įtampos ir laisvosios įtampos Ue-t/t, kuri, laikui bėgant, mažėja rodiklinės funkcijos (eksponentės) dėsniu nuo U iki nulio.

Kondensatoriaus įkrovimo srovė

ic = (U/R)e-t/t = Ie-t/t.

Srovė ic rodiklinės funkcijos dėsniu mažėja nuo pradinės vertės I = U/R.

b)    Kondensatoriaus iškrovimas

Dabar išnagrinėkime kondensatoriaus C, kuris buvo įkrautas iš maitinimo šaltinio iki įtampos U, iškrovimo per rezistorių R procesą. Pradiniu momentu grandinėje atsiranda srovė i = U/R = I, kondensatorius pradeda mažėti. Įtampai uc mažėjant, mažėja ir srovė grandinėje i = uc/R. Per laiką 5t = 5RC kondensatoriaus įtampa ir srovė grandinėje sumažėja maždaug iki 1% nuo pradinių verčių, ir kondensatoriaus iškrovimo procesą galima laikyti baigtu.

                                  

Kondensatoriaus iškrovimas.

Kondensatoriui išsikraunant, jo įtampa lygi:

uc = Ue-t/t,

t. y. ji mažėja rodiklinės funkcijos dėsniu.

Kondensatoriaus iškrovimo srovė

ic = – uc/R = –Ie-t/t,

t. y. ji mažėja tuo pačiu dėsniu, kaip ir įtampa.

Visa įkrovimo metu kondensatoriaus elektriniame lauke sukaupta energija iškrovimo metu išsiskiria kaip šiluma rezistoriuje R.

Atjungus nuo maitinimo šaltinio įkrautą kondensatorių, jo elektrinis laukas negali ilgai išlikti nepakitęs, nes kondensatoriaus dielektrikas ir izoliacija tarp jo gnybtų turi tam tikrą laidumą.

Kondensatoriaus iškrovimas, kuris vyksta dėl blogo dielektriko ir izoliacijos, vadinamas saviiškrova. Kondensatoriaus saviiškrovos laiko konstanta t  nepriklauso nuo plokštelių formos ir atstumo tarp jų.

Kondensatoriaus įkrovimo ir iškrovimo procesai vadinami perėjimo procesais.

Kondensatorių rūšys

1. Vakuuminiai pastovios talpos kondensatoriai.

Tokio tipo kondensatoriai naudojami darbui su kintamos ir pastovios srovės grandinėmis.

Bendra techninė charakteristika.

1)     Leidžiami talpos didumo nukrypimai yra +(-)5; +(-)10; +(-)20%

2)     Kondensatoriaus patvarumas – 2000 val.

3)     Kondensatoriuas laikymas sandėlių sąlygomis – 12 metų.

4)     Baigiantis galiojimui talpos pakeitimas virš nustatyto leidžiamo nukrypimo ne daugiau +(-)20%.

2. Pastovios talpos kondensatoriai su organiniu sintetiniu dielektriku.

Tokio tipo kondensatoriai naudojami nuslopinti radioryšio trukdžiams.

Bendra techninė charakteristika.

1)     Leidžiami talpos didumo nukrypimai yra +100% ir –10%

2)     Leidžiami talpos pakeitimai kraštutinėmis sąlygomis dirbamoje temperatūroje  atžvilgiu  išmatuotos  normaliomis  sąlygomis  yra +(-)10%.

3)     Kintamos talpos bandomosios įtampos dažnumas – 1000

4)     Izoliacijos pasipriešinimas tarp išvedimų:

normaliomis sąlygomis ne mažiau 10000 MΩ;

esant +1250 C temperatūrai ne mažiau 500 MΩ.

5)     Garantinis kondensatoriaus galiojimo laikas 500 val.

6)     Garantinis saugojimo laikas 8,5 metai.

7)     Baigiantis laikymo laikotarpiui izoliacijos pasipriešinimas ne mažiau 5000 MΩ.

3. Kombinuoti kondensatoriai.

Šio tipo kondensatoriai su įtampos nukrypimais nuo 3 iki 20 kV naudojami darbui pastovios ir pulsuojančios srovės grandinėse. Priklausomai nuo kondensatoriaus konstrukcijos korpuso kondensatoriai gaminami keraminiuose cilindriniuose korpusuose.

 Bendra techninė charakteristika.

1)     Talpos didumo leidžiami nukrypimai - +(-)5; +(-)10; +(-)20%

2)     Leidžiami talpos pakeitimai kraštutinėmis sąlygomis dirbamoje temperatūroje  atžvilgiu  išmatuotos  normaliomis  sąlygomis  yra +(-)10%.

3) Izoliacijos pasipriešinimas +200 C temperatūroje:

tarp sujungtų kartu išvedimų ir korpuso ne mažiau 5000 MΩ.

     tarp išvedimų, dėl kondensatoriaus nukrypimų

                   iki 0,1 мкф ne daugiau 10000 MΩ.

                        0,2  мкф ir virš  ne daugiau 2000 MΩ· мкф

     1000 C temperatūroje:

tarp išvedimų dėl kondensatoriaus nukrypimų

                   iki 0,1 мкф ne daugiau 1000 MΩ.

                        0,2 мкф ir virš  ne daugiau 200 MΩ· мкф

4)Garantinis kondensatoriaus galiojimo laikas +700 C temperatūroje – 5000 val.

5)     Garantinis laikymo sandėliuose laikas – 12 metų.

6)     Baigiantis galiojimo laikui:

talpos pakeitimas virš   nustatytų nukrypimų ne daugiau +(-)10%

izoliacijos pasipriešinimas ne mažiau 50%

4. Vakuuminiai (polikarbonatiniai) kondensatoriai.

Šio tipo kondensatoriai su įtampos nukrypimais nuo 63 iki 400 V naudojami darbui pastoviose, kintamose ir pulsuojančiose grandinėse. Šie kondensatoriai gaminami darbui sauso ir drėgno klimato sąlygomis.

5. Vakuuminiai kintamos talpos kondensatoriai.

Tokio tipo kondensatoriai gaminami nominalios įtampos 25 kV ir naudojami darbui pastovios ir kintamos srovės, dažniu iki 60 Мгц, grandinėse.

Bendra techninė charakteristika.

1)     Leidžiami talpos didumo nukrypimai pagal nominalią vertę:

Minimali talpa +10%;

Maksimali talpa –10%.

2)     talpos temperatūrinis koeficientas 10 C temperatūros intervale nuo –60 iki +1250 C, priklausomai nuo drėgnumo iki 80 %, yra +30 (+(-)10)·10-6 .

3)     Bandomoji įtampa pastovios ar kintamos srovės, dažniu 50гц, yra 30kV.

4)     Izoliacijos pasipriešinimas normaliomis sąlygomis ne mažiau 10000 GΩ.

5)     Sukimosi momentas ne daugiau 0,05 кгц·м

6)     Leidžiamas pertvarkymų skaičius nuo minimalios iki maksimalios talpos ir atvirkščiai ne daugiau 2000.

7)     Pilnų talpos pertvarkymų ciklų per minutę skaičius ne daugiau 5.

8)     Ilgaamžiškumas – 1000 val.

9)     Garantinis kondensatoriaus laikymas 5 metai.

6. Kondensatoriai su oro dielektrikais.

Jie naudojami darbui pastovios ir kintamos srovės grandinėse.

 Bendra techninė charakteristika.

1)     Pastovios srovės leidžiama darbinė įtampa 160V.

2)     talpos temperatūrinis koeficientas 10 C temperatūros intervale nuo –60 iki +1250 C, priklausomai nuo drėgnumo iki 80 %, yra ne daugiau +300 · 10-6

3)     Pastovios srovės bandomoji įtampa 500V.

4)     Izoliacijos psipriešinimas:

normaliomis sąlygomis ne mažiau 1000 MΩ;

kai temperatūra +1250 C ne mažiau 500 MΩ.

5)     Sukimosi momentas nuo 60 iki 400 гц·цм.

6)     Pilnas sukimosi kampas 3600 .

7)     Kondensatoriaus ilgaamžiškumas veikiant 160V įtampai – 5000val.

8)     Kondensatoriuas laikymas sandėliuose 12 metų.

Daugiau ar mažiau panašūs yra šie kondensatorių tipai: kondensatoriai su kietais dielektrikais, kondensatoriai su žėrutiniais dielektrikais, kondensatoriai su popieriniu dielektriku, kondensatoriai su dielektriku iš oksidinio sluoksnio ant ventilinio metalo ir t.t.

 Dažniausiai naudojamas kondensatorių žymėjimas: K61-3;KT-2ir t.t.

 Literatūra:

1. V.Popovas, S. Nikolajevas  “Bendroji elektrotechnika ir elektronikos pagrindai”.

2. МИНИСТЕРСТВО ЭЛЕКТРОННОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ СССР, “КОНДЕНСАТОРЫ” – СПРАВОЧНИК, 1977.