Kondensatora kapacitāte, veidi, aprēķini, pārbaude un izvēle

Kondensatora kapacitāte norāda, cik daudz lādiņa komponents var uzkrāt pie noteiktas sprieguma vērtības. Kondensatora kapacitātes formula: C = Q / V, kur C – kapacitāte farados, Q – lādiņš kulonos, bet V – spriegums voltos.

Viens farads ir ļoti liela kapacitāte, tāpēc parastajos komponentos visbiežāk redzēsim mikrofaradus (µF), nanofaradus (nF) un pikofaradus (pF). 1 µF = 1000 nF, bet 1 nF = 1000 pF.

Kas ir kondensators un kā tas darbojas?

Kondensators ir pasīva elektriskās ķēdes sastāvdaļa, kas uzkrāj elektrisko lādiņu un enerģiju elektriskajā laukā. Vienkāršākais kondensatora modelis sastāv no diviem vadošiem elektrodiem, kurus atdala dielektriķis.

Dielektriķis neļauj elektrodiem savienoties, taču elektriskais lauks ļauj sistēmā uzkrāt enerģiju. Plakanā kondensatora kapacitāte palielinās, palielinoties elektrodu platībai un dielektriskajai caurlaidībai, un samazinās, palielinoties attālumam starp elektrodiem.

Ideālā līdzstrāvas ķēdē uzlādēts kondensators, sasniedzot stabilu stāvokli, vairs neļauj plūst strāvai. Reālā komponente nav ideāla: tajā pastāv noplūde, tāpēc lādiņš laika gaitā var samazināties.

Maiņstrāvas un mainīgu signālu ķēdēs kondensators tiek nepārtraukti uzlādēts un izlādēts. Tādēļ to izmanto signāla saistīšanai, barošanas filtrēšanai, trokšņu slāpēšanai, RC ķēdēs un enerģijas īslaicīgai uzkrāšanai. Analog Devices šīs funkcijas ierindo kondensatoru galvenajās lietošanas grupās.

Kondensatoru veidi

Nav viena „labākā” kondensatora veida. Analog Devices norāda, ka reālās detaļas noplūde, ESR, ESL, dielektriskā absorbcija un citas īpašības var noteikt, ka vienai ķēdei piemērots kondensators nebūs piemērots citai.

Tabulā atradīsiet kondensatoru tipu salīdzinājumu, bet zemāk – sīkāku aprakstu.

Keramiskie C0G/NP0 kondensatori

C0G, kas pazīstami arī kā NP0, ir pirmās klases keramiskie kondensatori, kam raksturīgas ļoti stabilas elektriskās īpašības. To kapacitāte gandrīz nemainās atkarībā no temperatūras, frekvences vai pieslēgtā līdzstrāvas sprieguma, tāpēc tie ir piemēroti ķēdēm, kurās ir svarīga precizitāte.

Galvenais trūkums ir salīdzinoši neliela kapacitāte, tāpēc C0G/NP0 kondensatorus visbiežāk izmanto RF ķēdēs, precīzos filtros, ģeneratoros, rezonanses un laika noteikšanas ķēdēs.

Izvēloties kondensatoru, jāpārbauda kapacitātes pielaide, darba spriegums, korpusa izmērs un temperatūras diapazons. „Murata“ norāda, ka C0G kondensatoru kapacitāte mainās atkarībā no pieslēgtā sprieguma ievērojami mazāk nekā X5R vai X7R kondensatoriem.

Keramiskie X7R un citi 2. klases MLCC kondensatori

X7R, X5R un citi 2. klases daudzslāņu keramiskie kondensatori ļauj ietilpināt samērā lielu kapacitāti ļoti mazā SMD korpusā. Pateicoties zemajam ESR un ESL, tie ir īpaši efektīvi augstfrekvences trokšņu slāpēšanā.

Jāņem vērā, ka dokumentācijā norādītā nominālā kapacitāte ne vienmēr saglabājas reālos apstākļos: to var samazināt līdzstrāvas nobīde, temperatūra, novecošanās un maiņstrāvas amplitūda. Piemēram, 10 µF kondensatoram, uz kuru iedarbojas spriegums, kas ir tuvs tā nominālajai vērtībai, efektīvā kapacitāte var būt ievērojami mazāka.

Tāpēc X7R kondensatoru nevajadzētu izvēlēties, vadoties tikai pēc nominālajiem mikrofaradiem – ir vērts pārbaudīt ražotāja DC nobīdes diagrammas, paredzēt sprieguma rezervi un izvēlēties lielāku korpusu vai vairākus kondensatorus, kas savienoti paralēli.

Alumīnija elektrolītiskie kondensatori

Alumīnija elektrolītiskie kondensatori nodrošina lielu kapacitāti — no dažiem līdz tūkstošiem mikrofaradiem — par salīdzinoši nelielu cenu. Tāpēc tos bieži izmanto enerģijas uzkrāšanai, izlīdzinātāja pulsāciju izlīdzināšanai, barošanas maģistrāļu stabilizēšanai un lēnāku slodzes izmaiņu kompensēšanai.

Lielākā daļa no tiem ir polāri, tāpēc nepareiza pieslēgšana vai pieļaujamā sprieguma pārsniegšana var izraisīt pārkaršanu, elektrolīta noplūdi vai bojājumu. Izvēloties akumulatoru, ir jāņem vērā ne tikai kapacitāte un nominālā sprieguma vērtība, bet arī ESR, pieļaujamā impulsu strāva, darba temperatūra un norādītais kalpošanas laiks.

Laika gaitā elektrolīts iztvaiko, tāpēc kapacitāte samazinās, bet ESR palielinās. „Panasonic“ norāda, ka alumīnija elektrolītisko kondensatoru kalpošanas laikam bieži tiek piemērota aptuvena „10 °C – divkāršs kalpošanas laiks“ likums: samazinot darba temperatūru aptuveni par 10 °C, ekspluatācijas ilgums var aptuveni dubultoties.

Plēves kondensatori

Plēves kondensatoros kā dielektriķis tiek izmantota polipropilēna, poliestera vai cita plastmasas plēve. Šie kondensatori parasti ir nepolāri, stabili, tiem raksturīgi mazi zudumi, un tie spēj izturēt lielas impulsu un maiņstrāvas.

Polipropilēna kondensatori tiek īpaši novērtēti to mazo dielektrisko zudumu, labo stabilitāti un spēju darboties ar augstu spriegumu dēļ. Tos izmanto DC-link ķēdēs, impulsu pārveidotājos, audio tehnikā, maiņstrāvas filtros utt. Zems ESR rādītājs ļauj plēves kondensatoriem izturēt lielāku pulsējošo strāvu, taču, salīdzinot ar MLCC vai elektrolītiskajiem kondensatoriem, plēves komponents ar tādu pašu kapacitāti parasti būs fiziski lielāks.

Polimēra un tantala kondensatori

Polimēra un tantala kondensatorus izmanto gadījumos, kad nepieciešama samērā liela kapacitāte kompakta SMD korpusā. Tantala kondensatoriem raksturīga stabila kapacitāte, neliela noplūdes strāva un labas frekvences īpašības, taču tie ir polāri un jutīgi pret pārspriegumiem un lielām ieslēgšanās strāvām. Tāpēc projektēšanas laikā ir jāparedz atbilstoša sprieguma rezerve.

Klasiskie MnO₂ tantala kondensatori bojājuma gadījumā var nonākt īsslēgumā, tāpēc to aizsardzībai var būt nepieciešama strāvas ierobežošana. Polimēra kondensatoros izmantotais vadītspējīgais polimērs nodrošina ievērojami mazāku ESR, labāku pulsāciju slāpēšanu un lielāku pieļaujamo pulsācijas strāvu. Tāpēc tie ir piemēroti procesoru, serveru, sakaru iekārtu un DC/DC pārveidotāju barošanas līnijām.

Motoru kondensatori

Motoru kondensatori ir paredzēti vienfāzes maiņstrāvas motoru palaišanas momenta radīšanai vai to darbības uzturēšanai. Palaišanas („motor start“) kondensatoram parasti ir lielāka kapacitāte, un to pieslēdz ķēdei tikai uz īsu brīdi, kamēr motors uzņem apgriezienus. Darba („motor run“) kondensators paliek pieslēgts pastāvīgi, tāpēc tam jābūt piemērotam ilgstošai maiņstrāvas slodzei, temperatūrai un pulsējošai strāvai.

Motora kondensators: start vai run?

Latvija tirgotāji bieži izmanto vispārīgo terminu „motora palaišanas kondensators”, taču no tehniskā viedokļa izvēli nedrīkst veikt, vadoties tikai pēc produkta nosaukuma. IEC ir noteikušas atsevišķas prasības maiņstrāvas motoru kondensatoru darbībai un atsevišķi – palaišanas kondensatoriem.

Standarts IEC 60252-1 attiecas uz kondensatoriem, kas tiek pieslēgti vienfāzes asinhronajiem motoriem, kā arī uz noteiktiem gadījumiem, kad trīsfāzu motori darbojas vienfāzes sistēmā. Standarts apraksta darbību, testus, nominālos parametrus, drošības un ekspluatācijas prasības.

Tāpēc, nomainot ventilatora, sūkņa, vārtu piedziņas vai kompresora kondensatoru, vispirms jāvadās pēc oriģinālās detaļas marķējuma un iekārtas dokumentācijas, nevis pēc principa „līdzīgs izmērs un 450 V – tātad derēs”.

Šos tipa kondensatorus nedrīkst patvaļīgi aizstāt pat tad, ja to kapacitāte ir līdzīga. Mainot motora kondensatoru, ir jāizvēlas tāds pats vai ražotāja atļautais µF lielums, ne mazāks VAC spriegums, atbilstošs start/run pielietojums, darba klase un mehāniskais savienojums. Palaišanas kondensatoriem ir svarīgs arī pieļaujamais ieslēgšanās reižu skaits un darba cikls – KEMET specifikācijās darba ilgums ir tieši saistīts ar ieslēgšanās reižu skaitu stundā. Šādus kondensatorus izmanto ventilatoros, sūkņos, kompresoros, gaisa kondicionieros un citos vienfāzes piedziņas mehānismos.

X un Y klases drošības kondensatori

X un Y klases drošības kondensatori ir paredzēti EMI slāpēšanas ķēdēm, kas ir tieši saistītas ar elektrotīklu. X klases kondensators tiek pieslēgts starp fāzi un neitrālo vadu – ja tas sabojājas, galvenais uzdevums ir samazināt ugunsgrēka risku. Y klases kondensators tiek pieslēgts starp fāzi vai neitrālo vadu un aizsargzemējumu, tāpēc tā bojājums varētu radīt elektriskās strāvas trieciena risku.

Šī iemesla dēļ Y klases kondensatoriem tiek piemērotas stingrākas prasības attiecībā uz izolāciju, impulsa spriegumu un noplūdes strāvu. Nav atļauts izmantot parastu, tikai atbilstoši spriegumam aprēķinātu kondensatoru sertificētas X vai Y klases komponenta vietā.

Izvēloties kondensatoru, ir jāpārbauda konkrētā klase – piemēram, X1, X2, Y1 vai Y2 –, nominālais VAC spriegums, impulsa sprieguma izturība, sertifikācijas marķējumi un piemērojamais IEC standarts. KEMET skaidrojumā ir sniegts X un Y kondensatoru savienošanas veidu salīdzinājums, kā arī to dažādo bojājumu risku salīdzinājums.

Kondensatora marķējums – kas jāzina?

Aplūkosim reālu piemēru, kas piedāvāts Latvijas tirgū: produkta aprakstā norādīts 16 µF ±5 %, 450 VAC, –40…+70 °C. Šie četri parametri atbild uz četriem dažādiem jautājumiem:

kāda ir kapacitāte,

kāda ir tās pielaide,

kādam spriegumam komponents ir paredzēts,

kādā temperatūrā to ir atļauts lietot.

16 µF ir nominālā kapacitāte. Tas nenozīmē, ka katrai jaunai detaļai laboratorijā ir jāuzrāda tieši 16,000 µF – tam ir paredzēta pielaide.

Ja kondensatora nominālā vērtība ir 16 µF ±5 %, aritmētiskais nominālais diapazons ir:

Tātad jaunās detaļas specifikācijas pielaides diapazons ir 15,2–16,8 µF. Tomēr šis tests vien nepietiek, lai noteiktu visus defektus, jo paliek ESR, noplūde un citi parametri.

450 VAC norāda maiņstrāvas darba sprieguma klasi. To nedrīkst mehāniski pielīdzināt marķējumam „450 VDC“. Piemēram, „Lemona“ 330 µF elektrolītiskajai detaļai norāda 400 VDC, bet LT dzinēju produktos bieži norāda 450 VAC – tās ir detaļas, kas paredzētas atšķirīgiem darbības režīmiem.

–40…+70 °C ir temperatūra, kurā kondensators drīkst darboties.

Citi marķējumi:

Polaritāte ir īpaši svarīga alumīnija elektrolītiskajiem kondensatoriem un daudziem tantala kondensatoriem. Aizvietotāju jāuzstāda saskaņā ar konkrētā komponenta marķējumu, nedrīkst vadīties tikai pēc korpusa formas.

ESR – ekvivalentā secīgā pretestība. Jo lielāka mainīgā vai pulsējošā strāva plūst caur kondensatoru, jo svarīgāki kļūst ESR zudumi un siltuma izdalīšanās. Analog Devices ESR uzskata par vienu no galvenajiem reālās darbības parametriem.

ESL – ekvivalentā indukivitāte. Augstos frekvences apstākļos tas var būt īpaši svarīgs, lai kondensatora parametri neatšķirtos no ideālajiem rādītājiem. Tāpēc liels elektrolītiskais kondensators un mazs keramiskais kondensators nav automātiski savstarpēji aizvietojami tikai tāpēc, ka to nominālā kapacitāte sakrīt.

Kā izvēlēties kondensatoru?

Praktiskākais veids – novērtēt aizvietotāju nevis pēc viena skaitļa, bet gan pēc kritēriju sistēmas.

Piemēram, uz jautājumu „vai es varu aizstāt 16 V elektrolītisko kondensatoru ar 25 V?” nav viennozīmīgas atbildes. Parastā zema sprieguma līdzstrāvas ķēdē tas ir iespējams, ja sakrīt kapacitāte ( ), polaritāte, ESR, ripple-current prasības, temperatūra, izmērs un citi ķēdes nosacījumi.

Tomēr šo loģiku nevar attiecināt uz X/Y drošības vai maiņstrāvas (AC) motora kondensatoriem. Šajos gadījumos vienkārši „lielāks V” neaizstāj atbilstošo tehnoloģiju, maiņstrāvas klasi, ekspluatācijas režīmu un atbilstību standartiem.

Tāpat nevajadzētu automātiski aizstāt elektrolītisko komponentu ar MLCC ar tādu pašu nominālo kapacitāti. TDK norāda, ka MLCC ir mazāks ESR un tas var samazināt pulsācijas, taču tas var ietekmēt atgriezeniskās saites ķēdes stabilitāti, turklāt 2. klases MLCC efektīvā kapacitāte ir atkarīga no līdzstrāvas ietekmes.

Kā pārbaudīt kondensatorus ar multimetru?

Pirmais diagnostikas posms ir vizuāls. Uzpūsts korpuss, elektrolīta noplūde, plīsumi vai termiskā bojājuma pazīmes ir nopietns brīdinājums. Tomēr normāli izskatīgs kondensators vēl nav pierādījums tam, ka tā kapacitāte un ESR ir labi.

Uzņēmums „Fluke“ norāda, ka digitālais multimetrs nosaka kapacitāti, uzlādējot kondensatoru ar zināmu strāvu un aprēķinot kapacitāti pēc sprieguma izmaiņām.

Pilnībā atslēdziet barošanu un pārliecinieties, ka ķēdē vairs nav barošanas sprieguma.

Izlādējiet kondensatoru un ar multimetru pārliecinieties, ka tas patiešām ir izlādēts.

Atvienojiet kondensatoru no ķēdes, jo citi komponenti var izkropļot rezultātu.

Ieslēdziet multimetra kapacitātes režīmu un pagaidiet, līdz mērījums stabilizēsies.

Salīdziniet iegūto rezultātu ar nominālo kapacitāti un pieļaujamo pielaidi; ja ķēde ir jutīga pret ESR, veiciet papildu ESR/LCR mērījumu.

Piemēram, 470 µF kondensatoram ar 20 kΩ rezistoru izlādes laikam vajadzētu būt apmēram 9,4 s. Ja kondensatoram sākumā būtu 400 V, pēc piecām sekundēm joprojām paliktu apmēram 235 V. Tāpēc drošības nolūkā tiek mērīts atlikušais spriegums, nevis gaidīts, kamēr pagājušas dažas sekundes.

Kondensatoru aprēķini praksē

Kondensatoru savienošana paralēli

Paralēli savienotu kondensatoru kapacitātes summējas:

Tātad 10 µF un 100 nF, jeb 0,1 µF, paralēli savienojot, dod ideālu kopējo kapacitāti 10,1 µF. Šis savienošanas likums ir iekļauts OpenStax fizikas vienādojumos.

Praksē šādu kombināciju var izmantot ne tikai nominālās kapacitātes palielināšanai. Kondensatoriem ar atšķirīgu konstrukciju var būt ļoti atšķirīgi ESR un ESL rādītāji, tāpēc to frekvences raksturlielumi nav identiski.

Divi vienādi kondensatori secīgā

Sērijveida savienojumam:

Ja abu kondensatoru kapacitāte ir 100 µF, ideāla kopējā kapacitāte ir 50 µF.

Tas nenozīmē, ka jebkurus divus kondensatorus var vienkārši savienot secīgi, lai „divkāršotu pieļaujamo spriegumu”. Reālā projektā ir jākontrolē sprieguma sadalījums, noplūde un citi parametri, tāpēc augstsprieguma konstrukcijās tiek ievērota konkrētā projektēšanas dokumentācija.

Enerģija un drošība

100 µF kondensators pie 24 V uzkrāj:

Tas pats 100 µF pie 400 V uzkrāj:

Kapacitāte palika nemainīga, bet enerģija palielinājās vairāk nekā 270 reizes, jo tā ir atkarīga no V². Tieši tāpēc, balstoties tikai uz kondensatora µF skaitli, nevar spriest par drošību.

Visbiežāk sastopamās kļūmes un jautājumi

Īsa kondensatora izvēles loģika: vispirms nosakiet kondensatora funkciju, tad kapacitāti un darba spriegumu, pēc tam AC/DC un drošības klasi, polaritāti, ESR/ripple un temperatūru, bet pēdējā posmā – fiziskos izmērus un savienojumus. Sarežģītākas shēmas gadījumā galīgo izvēli apstiprina ražotāja specifikācija, nevis komponenta krāsa vai vienkārši uzraksts „µF”.