Τετάρτη, 20 Φεβρουαρίου 2013

Πυκνωτές



Ορισμός του πυκνωτή - μονάδες χωρητικότητας
Πυκνωτής ονομάζεται η διάταξη εκείνη που αποτελείται από δύο αγώγιμες πλάκες οι οποίες χωρίζονται μεταξύ τους από κάποιο μονωτικό υλικό. Οι αγώγιμες πλάκες ονομάζονται οπλισμοί και το μονωτικό υλικό ονομάζεται διηλεκτρικό. Ο πυκνωτής έχει την ιδιότητα να συγκρατεί στους οπλισμούς του ηλεκτρικό φορτίο, όταν εφαρμοστεί μια τάση στα άκρα του. Η ποσότητα του φορτίου που μπορεί να συγκρατήσει ο πυκνωτής εξαρτάται από την επιφάνεια των οπλισμών του και την απόσταση μεταξύ των οπλισμών. όσο μεγαλύτερη είναι η επιφάνεια των οπλισμών και όσο μικρότερη η απόσταση των οπλισμών μεταξύ τους, τόσο μεγαλύτερο φορτίο μπορεί να συγκρατήσει. Το είδος του διηλεκτρικού υλικού παίζει πολύ μεγάλο ρόλο στην συγκράτηση του φορτίου που εκφράζεται με τον όρο χωρητικότητα.  Η ικανότητα ενός πυκνωτή να αποθηκεύει ενέργεια ονομάζεται χωρητικότητα.
Η χωρητικότητα ενός πυκνωτή συμβολίζεται με το γράμμα C και μονάδα μέτρησής της είναι το Farad. Επειδή το Farad (F), είναι μεγάλη χωρητικότητα στους πυκνωτές χρησιμοποιούνται υποδιαιρέσεις του Farad όπως βλέπουμε παρακάτω:
1F=1000mF, 1mF=1000μF, 1μF=1000nF, 1nF=1000pF. Για να είναι ποιο εύκολα κατανοητές οι μονάδες φανταστείτε μια σκάλα, με κορυφή την μέγιστη μονάδα χωρητικότητας και τελευταία την μικρότερη, όπως βλέπουμε κατά σειρά παρακάτω: F>mF>μF>nF>pF
Κάθε σκάλα που κατεβαίνουμε προς τα κάτω πολλαπλασιάζουμε Χ1000, ενώ όταν ανεβαίνουμε από κάτω προς τα πάνω διαιρούμε :1000. Έτσι για παράδειγμα ένας πυκνωτής που είναι 470nF είναι ίσος με 0,47μF, ή ένας πυκνωτής που είναι 2,2nF είναι ίσος με 2200pF.
 
Η ενέργεια που μπορούν να αποθηκεύσουν έχει σχέση με ένα από τα χαρακτηριστικά του πυκνωτή που  ονομάζεται χωρητικότητα (=Q/ΔV)* .  Η χωρητικότητα εξαρτάται από :

  • Την επιφάνεια των αγωγών γιατί όσο μεγαλύτερη είναι αυτή τόσο περισσότερα φορτία μπορούν αυτές να συγκεντρωθούν πάνω της. 
  •  Το υλικό που υπάρχει ανάμεσα στους οπλισμούς.  Στην περίπτωση μας αυτό είναι αέρας,  αλλά εάν χρησιμοποιήσουμε κατάλληλο μονωτικό υλικό  (διηλεκτρικό) τότε μπορούμε να συμβαίνουν τα εξής 

 


Εάν θεωρήσουμε ένα  άτομο το οποίο αποτελείται από ίσο αριθμό πρωτονίων αυτό θα είναι ουδέτερο.  Κάτω όμως από την επίδραση ηλεκτρικού πεδίου τα θετικά ή τα αρνητικά  φορτισμένα σωματίδια επηρεάζονται και μετακινούνται από τη θέση ισορροπίας τους με αποτέλεσμα το άτομο να πολώνεται και να δημιουργείται νέο  ηλεκτρικό πεδίο το οποίο αντιτίθεται στο αρχικό (c) .  Αλλαγή στο ηλεκτρικό πεδίο σημαίνει φυσικά και αλλαγή τόσο στο δυναμικό όσο και στη διαφορά δυναμικού. Τέλος από τον τύπο που αναφέρθηκε προηγουμένως διαπιστώνουμε ότι η μεταβολή της τάσης επηρεάζει και τη χωρητικότητα του συστήματος. Έτσι πολλές φορές προσθέτουμε τους πυκνωτές διηλεκτρικό για να αυξήσουμε τη χωρητικότητα τους.
Κάθε πυκνωτής χαρακτηρίζεται από ένα νούμερο που δείχνει τη μέγιστη φόρτιση που μπορεί να δεχτεί.
Υπάρχουν μικροί πυκνωτές που μπορούν να δεχτούν μικρά φορτία (συχνά συναντάμε τέτοιους σε ηλεκτρονικές συσκευές) και μεγάλοι πυκνωτές που μπορούν να δεχτούν μεγαλύτερα φορτία.
Ο πυκνωτής μπορεί να χάσει πλήρως το φορτίο του πολύ γρήγορα δηλαδή σε κλάσματα του δευτερολέπτου.
Το φλας των φωτογραφικών μηχανών λειτουργεί χρησιμοποιώντας έναν πυκνωτή. 
Η μπαταρία ή ο μετασχηματιστής φορτίζει τον πυκνωτή για κάποιο διάστημα. Αυτός ο χρόνος που χρειάζεται για να φορτίσει ο πυκνωτής, είναι και ο λόγος που δεν μπορούμε να τραβήξουμε συνεχόμενες φωτογραφίες χρησιμοποιώντας το ίδιο φλας.Όταν «τραβάμε» την φωτογραφία, ο πυκνωτής αδειάζει αστραπιαία παρέχοντας ηλεκτρική ενέργεια στη λάμπα του φλας








 
Κατασκευή πυκνωτή
Όπως αναφέραμε παραπάνω τα υλικά για την κατασκευή ενός πυκνωτή, καθώς και τον τρόπο κατασκευής του καθορίζουν την χωρητικότητά του. Συνήθως ως οπλισμοί ενός πυκνωτή χρησιμοποιούνται μέταλλα από ορείχαλκο, επικαδμιωμένο σίδηρο ή αλουμίνιο. Για την κατασκευή του διηλεκτρικού σε έναν πυκνωτή, χρησιμοποιούνται μη αγώγιμα υλικά όπως χαρτί, λάδι, γυαλί, αέρας, ταντάλιο, πολυπροπυλαίνιο, μίκα και πολλά άλλα υλικά. Το στοιχείο που χρησιμοποιεί ο πυκνωτής ως διηλεκτρικό, τον κατατάσσει σε διάφορες ονομασίες, (πυκνωτές πολυπροπυλαινίου, πυκνωτές τανταλίου, κτλ), όπου παρουσιάζουν κάποια ιδιαίτερα χαρακτηριστικά και γι' αυτό χρησιμοποιούνται σε κυκλώματα με ειδικές εφαρμογές.
Συμπεριφορά πυκνωτή σε συνεχές και εναλλασσόμενο ρεύμα.
Ο πυκνωτής σε ένα κύκλωμα συνεχούς ρεύματος δημιουργεί διακοπή ρεύματος στο κύκλωμα, με εξαίρεση το αρχικό χρονικό διάστημα της φόρτισής του. Σε κύκλωμα εναλλασσόμενου ρεύματος ο πυκνωτής φορτίζεται και εκφορτίζεται ανάλογα με την κατεύθυνση του ρεύματος και προβάλει μια αντίσταση που ονομάζεται χωρητική αντίσταση Xc. Η χωρητική αντίσταση Xc εξαρτάται από την χωρητικότητα του πυκνωτή και την συχνότητα του εναλλασσόμενου ρεύματος και δίνεται από την σχέση:
Xc=1/2πFC, όπου π=3,14, F η συχνότητα του ρεύματος σε Hz, και C η χωρητικότητα του
 Χαρακτηριστικά μεγέθη πυκνωτών
α) Ονομαστική χωρητικότητα. Είναι η χωρητικότητα για την οποία έχει υπολογιστεί και κατασκευαστεί ένας πυκνωτής σε συγκεκριμένη περιοχή θερμοκρασιών και συχνοτήτων λειτουργίας. Οι τιμές της χωρητικότητας είναι τυποποιημένες και για ενδιάμεσες τιμές γίνεται υπολογισμός με συνδεσμολογία. Σε πυκνωτές μικρών διαστάσεων που χρησιμοποιούνται στα ηλεκτρονικά κυκλώματα η χωρητικότητα δεν αναγράφεται αριθμητικά αλλά χρησιμοποιείται χρωματικός κώδικας

β) Ανοχή χωρητικότητας. Η τιμή της ονομαστικής χωρητικότητας είναι η ιδανική τιμή για την οποία έχει κατασκευαστεί ο πυκνωτής. Στην πράξη όμως υπάρχει μια πολύ μικρή ολίσθηση της ονομαστικής τιμής, είτε προς τα πάνω, είτε προς τα κάτω που εκφράζεται ως ανοχή της τιμής του πυκνωτή. Συνήθως οι ανοχές στους πυκνωτές κυμαίνονται από ±0.5% και ±1% (πυκνωτές ακριβείας), ±2%, ±5%, ±10% έως και ±20%.

γ) Τάση λειτουργίας. Είναι η μέγιστη τάση την οποία δίνει ο κατασκευαστής για την σωστή λειτουργία του πυκνωτή, η οποία αναγράφεται στο κέλυφος του πυκνωτή μαζί με την ονομαστική χωρητικότητα και μέγιστη θερμοκρασία λειτουργίας. Η εφαρμογή πολύ μεγαλύτερης τάσης στα άκρα του από την μέγιστη που δίνει ο κατασκευαστής προκαλεί θέρμανση και καταστροφή του διηλεκτρικού του πυκνωτή. Σε V ή KV η οποία μπορεί να αναφέρεται ξεχωριστά σε DC ή AC

δ) Τάση δοκιμής. Είναι μια συνεχή τάση λίγο μεγαλύτερη από την μέγιστη που δίνει ο κατασκευαστής η οποία εφαρμόζεται για ένα πολύ μικρό χρονικό διάστημα (1 λεπτό περίπου) για να δοκιμαστεί η αντοχή του διηλεκτρικού υλικού στο εργοστάσιο κατασκευής του.

ε) Συχνότητα αναφοράς. Η ονομαστική χωρητικότητα του πυκνωτή δίνεται για ένα ορισμένο φάσμα συχνοτήτων, διότι σε πολύ υψηλές συχνότητες ένας πυκνωτής μπορεί να παρουσιάζει μεγάλη απόκλιση της ονομαστικής χωρητικότητάς του.

στ) Ωμική αντίσταση. Που παρουσιάζει ο πυκνωτής αν συνδεθεί σε συνεχή τάση. Ο ιδανικός πυκνωτής θεωρείται και ο τέλειος μονωτής. Στην πραγματικότητα υπάρχει πάντα ένα μικρό ωμικό ρεύμα που περνά το διηλεκτρικό του πυκνωτή. Η ωμική αντίσταση των πυκνωτών κυμαίνεται από μερικά ΜΩ έως μερικές χιλιάδες ΜΩ.

ζ) Θερμοκρασιακά όρια λειτουργίας (π.χ -40°C έως +85°C) η μέγιστη επιτρεπτή θερμοκρασία λειτουργίας του.
Είδη πυκνωτών
Τους πυκνωτές του χωρίζουμε σε δύο κατηγορίες στους διηλεκτρικούς πυκνωτές και τους ηλεκτρολυτικούς πυκνωτές. Η αρχή λειτουργίας είναι η ίδια και στις δύο κατηγορίες πυκνωτών, όμως διαφέρουν στην κατασκευή τους και στον τρόπο χρήσης τους.


Χρωματικός κώδικας πολυεστερικών πυκνωτών
 
Υπολογισμός τιμής πολυεστερικού πυκνωτή
Ο υπολογισμός της ονομαστικής τιμής ενός πυκνωτή πολυεστέρα, είναι παρόμοιος με την μέθοδο υπολογισμού των αντιστάσεων, βασιζόμενος στο χρωματικό κώδικα του πίνακα χρωμάτων πολυεστερικών πυκνωτών. Οι πολυεστερικοί πυκνωτές έχουν 5 οριζόντιες χρωματικές λωρίδες που δίνουν την ονομαστική τιμή, την ανοχή και την μέγιστη τάση λειτουργίας τους. Ξεκινώντας από πάνω προς τα κάτω οι δύο πρώτες ζώνες δίνουν την τιμή της ονομαστικής χωρητικότητας και η τρίτη ζώνη τον πολλαπλασιαστή σε pF. Η τέταρτη ζώνη μας δίνει την ανοχή του πυκνωτή και η τελευταία τη μέγιστη τάση λειτουργίας του. Σε περίπτωση που ένας πυκνωτής πολυεστέρα δεν έχει χρωματικό κώδικα, τότε η τιμή του θα αναγράφεται με συμβολισμό. Δηλαδή η τιμή του θα αναγράφεται σε μF και θα ακολουθείται από το γράμμα J, K ή Μ που δηλώνει την ανοχή του πυκνωτή, J=±5%, Κ=±10% και Μ=±20%. Στη συνέχεια, θα ακολουθεί η τάση λειτουργίας του σε Volt .
Παράδειγμα

    Απάντηση :
Βλέπουμε έναν πυκνωτή πολυεστέρα, όπου οι δύο πρώτες ζώνες έχουν πορτοκαλί χρώμα και η τρίτη ζώνη κίτρινο. Σύμφωνα με τον παραπάνω πίνακα η ονομαστική του τιμή θα είναι 330.000 pF ή αλλιώς 330nF. Η ανοχή του είναι το τέταρτο χρώμα (άσπρο), οπότε σύμφωνα με τον χρωματικό πίνακα είναι ±10% και το τελευταίο χρώμα (καφέ), μας δίνει μέγιστη τάση λειτουργίας τα 100V
Ανάγνωση τιμής κεραμικού πυκνωτή
Οι κεραμικοί πυκνωτές συνήθως αναγράφουν στο σώμα τους με ειδικό συμβολισμό την ονομαστική τους τιμή. Οι πυκνωτές ιαπωνικής κατασκευής αναγράφουν την τιμή τους στο σώμα τους με τριψήφιο νούμερο, όπου τα δύο πρώτα δηλώνουν την ονομαστική τους τιμή και το τρίτο κατά σειρά νούμερο είναι ο πολλαπλασιαστής. Το τρίτο νούμερο δηλαδή δηλώνει τον αριθμό των μηδενικών που ακολουθούν τα δύο πρώτα νούμερα και η τιμή αυτή είναι σε pF.
Ενδεικτικά παραδείγματα τιμών κεραμικών πυκνωτών.
        101=100pF
  331=330pF
        472=4.700pF ή 4,7nF
        224=220.000pF ή 220nF
Σε ορισμένους τύπους πυκνωτών η ονομαστική τιμή τους αναγράφεται με μια τελεία μπροστά ακολουθούμενη από έναν αριθμό. Είναι η τιμή του πυκνωτή σε μF.
Παραδείγματα:
        .047=47000pF ή 47nF
        .0022=2200pF ή 2,2nF
Συνδεσμολογίες πυκνωτών
α) Σύνδεση πυκνωτών σε σειρά. Η σύνδεση πυκνωτών σε σειρά επιτυγχάνεται ενώνοντας τον έναν ακροδέκτη του πυκνωτή με τον έναν ακροδέκτη του άλλου και η συνολικοί χωρητικότητα θα είναι ίση με:
1/C=1/C1 + 1/C2 + 1/C3.
Από την παραπάνω σχέση προκύπτει ότι η συνολική χωρητικότητα σε πυκνωτές σε σειρά μειώνεται, ενώ αντίθετα αυξάνεται η τάση λειτουργίας τους.
        Άσκηση
Έστω ότι έχουμε τρεις πυκνωτές συνδεδεμένους σε σειρά C1 = 20 μF, C2 = 40 μF και
C3 =120 μF. Ποια θα είναι η ισοδύναμη χωρητικότητα ;
        Λύση
1/C=1/C1 + 1/C2 + 1/C3 = 1/20 + 1/40 +1/120
Άρα, 1/C = 10/120 ↔ C = 12 μF

β) Σύνδεση πυκνωτών παράλληλα. Η σύνδεση πυκνωτών σε παράλληλη διάταξη επιτυγχάνεται ενώνοντας τους ακροδέκτες των πυκνωτών μεταξύ τους. Η συνολική χωρητικότητα στην περίπτωση αυτή θα ισούται με το άθροισμα των χωρητικοτήτων όλων των πυκνωτών. Οπότε στην περίπτωση θα έχουμε:
C=C1 + C2 + C3.
Για μια συνδεσμολογία n πυκνωτών θα έχουμε:
C=C1 + C2 + C3 +...+ Cn.
Στην συνδεσμολογία πυκνωτών σε παράλληλη διάταξη η μέγιστη τάση λειτουργίας στην συνολική χωρητικότητα καθορίζεται από την τάση λειτουργίας του κάθε πυκνωτή
Άσκηση
Έστω ότι έχουμε τρεις πυκνωτές σε παράλληλη σύνδεση C1 = 15 μF, C2 = 60 μF και
C3 =80 μF. Ποια θα είναι η ισοδύναμη χωρητικότητα ;
Λύση
C ολ  = C1 + C2 + C3 =15 +60 +80 = 155 Μf
Η μέγιστη τάση που μπορεί να εφαρμοσθεί στα άκρα της συνδεσμολογίας είναι η τάση λειτουργίας του πυκνωτή με τη μικρότερη τάση λειτουργίας.
Παράδειγμα
Αν έχουμε τέσσερις πυκνωτές με αντίστοιχες τάσεις λειτουργίας : VC1= 25 V, VC2 =  15 V
VC3 = 10 V και VC4 = 30 V η μέγιστη τάση λειτουργίας της συνδεσμολογίας θα είναι :
VC  = 10 V