Kondensators

Kondensatora attēlojums elektriskajās shēmās. No kreisās puses uz labo: kondensators ar nemainīgu kapacitāti, polarizēts kondensators, maiņkondensators

Kondensators (no Veidne:Val — 'sablīvēt') jeb, precīzāk, elektriskais kondensators ir ierīce elektriskā lauka enerģijas uzkrāšanai — pasīvais elektronikas komponents (radiodetaļa) ar noteiktu elektriskās kapacitātes vērtību un lielu reaktīvo pretestību. Tam ir vismaz divi klājumi, kas izgatavoti no elektriskajiem vadītājiem. Klājumi atdalīti ar dielektriķi (strāvu nevadošu vielu) un tiem pievienoti izvadi ieslēgšanai elektriskajā ķēdē. Jo lielāks ir klājumu laukums un jo tuvāk tie atrodas viens otram, jo lielāku lādiņu iespējams uzkrāt kondensatorā, jeb, citiem vārdiem sakot, ir lielāka tā elektriskā kapacitāte.

Vēsture

Pirmo kondensatoru 1745. gadā izgatavoja vācu fiziķis Evalds Jurgens fon Kleists un holandiešu fiziķis Pīters van Mušenbruks. Tā kā tas notika Leidenes pilsētā un izgatavotā ierīce sastāvēja no stikla trauka, kam iekšpusē un ārpusē bija folijas klājumi, to nosauca par "Leidenes trauku". Šo kondensatoru varēja uzlādēt ar elektrostatisko mašīnu un tas spēja uzkrāt visai ievērojamu augstsprieguma lādiņu.

Attēls:VEF kondensators.jpg

Latvijā ražots kondensators (20. gadsimta 30. gadi)

Kondensatora īpašības

Kondensatora galvenā īpašība — tas vada tikai maiņstrāvu, bet līdzstrāvai tas ir izolators. Tādēļ līdzstrāvas ķēdes shēmā, kurā ir kondensators, tā apzīmējums ir aizstājams ar pārrāvumu. Līdzstrāvu kondensators nevada tādēļ, ka tā klājumi ir atdalīti ar dielektriķi (ieslēdzot kondensatoru līdzstrāvas ķēdē, tajā īsu brīdi plūst tā saucamā uzlādes strāva). Savienojot uzlādēta kondensatora klājumus ar vadītāju, ķēdē plūst izlādes strāva (notiek kondensatora izlādēšanās). Šo strāvu stiprums un ilgums atkarīgs no kondensatora kapacitātes un ķēdes pretestības. Savukārt maiņstrāvu kondensators spēj vadīt, jo notiek cikliska klājumu pārlādēšanās un elektriskajā ķēdē plūst strāva. Maiņstrāvas vadīšanas spēja ir atkarīga arī no strāvas frekvences.

Kapacitāte

Kapacitāte ir galvenais kondensatora raksturlielums. Kapacitātes mērvienība ir farads. Praksē lietojamo kondensatoru kapacitāte ir no dažiem pikofaradiem līdz desmitiem un simtiem tūkstošu mikrofaradu. Ir arī speciāli kondensatori (jonistori) ar sevišķi lielu kapacitāti — desmitiem faradu. Lai iegūtu lielāku kapacitāti, var saslēgt paralēli vairākus kondensatorus. Kapacitāte atkarīga ne tikai no klājumu izmēra un savstarpējā attāluma, bet arī no starpklājumu vides dielektriskās caurlaidības. Kondensatora kapacitātes attiecību pret tā masu vai tilpumu sauc par īpatnējo kapacitāti.

Attēls:Augstsprieguma kondensators.jpg

Augstsprieguma kondensators ar darba spriegumu 25 000 V

Darba spriegums

Kondensatora darba spriegums ir spriegums, pie kura kondensators spēj ilgstoši darboties, nemainot savas īpašības. Parasti darba spriegums samazinās, paaugstinoties temperatūrai.

Uzlādējot kondensatoru ar pārāk liela sprieguma strāvu, var notikt dielektriķa caursišana — tad kondensators iziet no ierindas. Tādēļ augstsprieguma kondensatoros lieto biezāku dielektriķa slāni un šādiem kondensatoriem mēdz būt lielāki izmēri. Kondensatorus var saslēgt virknē, lai iegūtu lielāku darba spriegumu.

Temperatūras koeficients

Kondensatora kapacitātes temperatūras koeficients raksturo kapacitātes atkarību no temperatūras. To izsaka kā kapacitātes izmaiņu, temperatūrai mainoties par 1 °C. Šis koeficients var būt kā negatīvs, tā pozitīvs. Tas ir svarīgs mazas kapacitātes kondensatoriem, ko lieto augstfrekvences ķēdēs. Termokondensatoriem ir sevišķi liels un precīzi normēts temperatūras koeficients.

Kondensatoru tipi

Attēls:Mazi kondensatori.jpg

Nelielas kapacitātes keramiskie cauruļveida kondensatori

Lielas kapacitātes elektrolītiskie kondensatori

Kondensatorus klasificē galvenokārt pēc dielektriķa veida, jo no tā atkarīgi svarīgi kondensatora parametri.

• Kondensatori ar gāzveida dielektriķi
• Kondensatori ar cietu neorganisku dielektriķi
  • Stikla (stikla-emaljas, stikla-keramiskie) kondensatori
  • Vizlas kondensatori
  • Keramiskie kondensatori
• Kondensatori ar cietu organisku dielektriķi
  • Papīra kondensatori
  • Metāla-papīra kondensatori
  • Plēves (polistirola, teflona, lavsāna u.c.) kondensatori
  • Kombinētie papīra-plēves kondensatori
• Elektrolītiskie un oksīdu-pusvadītāju kondensatori (izceļas ar sevišķi lielu īpatnējo kapacitāti, mēdz būt polāri)

Kondensatorus iedala arī pēc iespējas mainīt to kapacitāti:

• pastāvīgajiem kondensatoriem kapacitāti mainīt nav paredzēts,
• maiņkondensatoriem kapacitāte ir mehāniski maināma, tos bieži apvieno maiņkondensatoru blokos,
• varikondiem kapacitāti var mainīt ar elektrisko spriegumu,
• termokondensatoriem kapacitāte mainās atkarībā no temperatūras,
• pieskaņošanas kondensatoriem kapacitāti paredzēts mainīt nedaudzas reizes un nelielās robežās.

Bez tam mūsdienās ir lietojami dažādi speciāli kondensatori.

• Augstsprieguma kondensatori
• Impulskondensatori
• Atbalsta kondensatori
• Caurejamie kondensatori

Plakņu kondensatori

Plakņu kondensatora attēlojums

Vienkāršākais plakņu kondensators ir divas paralēlas vadītāja plaknes (klājumi), starp kurām ir dielektriķa starplika. Ja plaknes uzlādē ar pretēju zīmju lādiņiem $q^{+}=q^{-}$, tad plakņu potenciālu starpību (spriegumu) $U_{12}$, kondensatora klājuma lādiņu $q^{+}$ un tā kapacitāti $C$ saista sakarība $C=\frac{q^{+}}{U_{12}}$. Spriegums starp klājumiem $U_{12}=\frac{{\sigma }^{+}d}{\epsilon }$, kur ${\sigma }^{+}$ ir plaknes virsmas lādiņa blīvums, $d$ ir attālums starp plaknēm, $\epsilon$ ir dielektriķa absolūtā dielektriskā caurlaidība. Tā kā ${\sigma }^{+}=\frac{q^{+}}{S}$, kur $S$ ir kondensatora klājuma laukums, tad $C=\frac{\epsilon S}{d}$. Ja plakņu kondensatoram ir vairāki klājumi un to skaits ir $2N$ un tie pamīšus uzlādēti ar pretēju zīmju lādiņiem, tād kondensatora kapacitāte $C=\frac{\epsilon SN}{d}$.

Sfēriski un cilindriski kondensatori

Sfēriska kondensatora attēlojums

Sfērisku kondensatoru veido koncentriskas vadītāju sfēras. Ja kondensatoru veido divas sfēras, kuru rādiusi ir $r_1$ un $r_2$, tā kapacitāte $C=\frac{\epsilon r_1{r}_2}{r_2-r_1}$.

Cilindrisku kondensatoru veido koncentriski vadītāju cilindri. Ja kondensatoru veido divi cilindri, kuru rādiusi ir $r_1$ un $r_2$ un kuru augstums ir $l$, tā kapacitāte $C=\frac{\epsilon l}{2\ln \frac{r_2}{r_1}}$.

Uzlādēta kondensatora elektriskā lauka enerģija

Uzlādēta kondensatora katrs klājums atrodas cita klājuma elektriskajā laukā. Ja kondensatora klājuma virsmas punktos elektriskā lauka potenciāls $\phi$ un klājuma lādiņš $q$, tad kājuma potenciālā enerģija $W=q\phi$. Kondensatoram ar kapacitāti $C$ potenciālo enerģiju aprēķina šādi: $W=\frac{q^2}{2C}$. Tā kā spriegums starp klājumiem $U_{12}=\frac{q}{C}$, potenciālo enerģiju var aprēķināt šādi: $W=\frac{C{U}_{12}^2}{2}$.

$W$ ir kondensatorā uzkrāta elektriskā lauka enerģija, kondensatoru izlādējot to var pērvērst citos enerģijas veidos.

Kondensatoru slēgumi

Kondensatoru baterijas ir vairāku kondensatoru paralēls, virknes vai jaukts slēgums.

• 

  Divu kondensatoru paralēlslēguma attēlojums

  Saslēdzot divus kondensatorus paralēli, savienoto klājumu potenciāli izlīdzinās un spriegums starp abu kondensatoru klājumiem ir vienāds. Paralēlslēguma kapacitāte $C=\frac{q_1+q_2}{U_{12}}$. $N$ paralēli savienotu kondensatoru kapacitāte $C=C_1+C_2+...+C_N$.

• 

  Divu kondensatoru virknes slēgums

  Saslēdzot divus kondensatorus virknē, spriegumu starp kondensatoru klājumiem summējas $U_{13}=U_{12}+U_{23}$ un abu savstarpēji savienoto kondensatoru klājumu lādiņu absolūtās vērtības ir vienādas. $U_{12}=\frac{q}{C_1}$, $U_{23}=\frac{q}{C_2}$, $U_{13}=\frac{q}{C}$, kur $C$ ir kondensatoru sistēmas kopējā kapacitāte. $N$ virknē savienotu kondensatoru kapacitāte $\frac{1}{C}=\frac{1}{C_1}+\frac{1}{C_2}+...+\frac{1}{C_N}$.
• Kondensatoru jauktajam slēgumam kapacitāti nosaka, atsevišķi aprēķinot paralēli savienoto un virknē savienoto kondensatoru kapacitātes un pakāpeniski vienkāršojot jauktā slēguma shēmu.

Kondensators maiņstrāvas ķēdē

Pieslēdzot kondensatoru maiņspriegumam, kondensators tiek pārmaiņus uzlādēts un izlādēts, un ķēdē plūst maiņstrāva. Ja kondensators, kura kapacitāte ir C pieslēgts sinusoidālam maiņspriegumam, tad jebkurā laika momentā ir spēkā sakarība U=q/C.
Sakarība starp strāvas un sprieguma amplitūdām I_m=ωCU_m ir Oma likums maiņstrāvas ķēdei, kurā ir tikai kondensators (ω — leņķiskā frekvence, rad/sek). Pēc šī likuma kondensatora pretestība maiņstrāvai ir šāda:

$X_C=-\frac{1}{\omega C}$, kur $\omega =2\pi f.$

Pretestību X_c sauc par reaktīvo kapacitīvo pretestību.
Ja C mēra farados, f hercos, tad X_c ir izteikts omos. Pēc sprieguma un strāvas vienādojumiem redzams, ka maiņstrāvas ķēdē, kurā ir tikai kondensators, strāva apsteidz spriegumu fāzē par 90°. Šādu strāvu sauc par reaktīvo kapacitīvo strāvu.

Kondensatoru praktiskā pielietošana

Kondensatorus plaši izmanto gandrīz visās elektrotehnikas un elektronikas jomās. Kopā ar rezistoriem un induktivitātes spolēm tos izmanto tādu elektrisko ķēžu un shēmu veidošanai, kuru īpašības ir atkarīgas no frekvences (svārstību kontūri, filtri, atgriezenisko saišu ķēdes). Izlādējoties lielas kapacitātes augstsprieguma kondensatoriem, var iegūt lieljaudas elektriskos impulsus (piemēram, zibspuldzēs, dažos lāzeru veidos u.c.). Izmantojot kondensatorus, var novērst nevēlamas līdzstrāvas pulsācijas, uzkrāt enerģiju un ātri to vajadzības gadījumā atdot. Mikroskopiskus kondensatorus izmanto kā elektroniskās atmiņas elementus. Rūpnieciskajā elektrotehnikā kondensatorus izmanto reaktīvās jaudas kompensēšanai.

Ārējās saites

• Kondensatori