Kondenzator

Кондензатор је електронска компонента која служи за складиштење електрицитета. Способност кондензатора да прими наелектрисање назива се електрични капацитет. Што је вредност већа, то у једном тренутку кондензатор може да ускладишти више електрона. Ускладиштени електрицитет се може искористити по потреби.

Кондензатор

Различите врсте кондензатора
Тип компоненте	пасивна
Принцип рада	електрични капацитет
Изумитељ	Еwалд Георг вон Клеист Пиетер ван Муссцхенброек
Прва производња	1745.
Пинови	два, електролитски имају пол, керамички не
Електронски симбол

Способност кондензатора да прикупљају и отпуштају електроне може се искористити да „испеглају" колебања напона. Одређени ниво напона примењеног на кондензатор производи одређени број ускладиштених електрона. Када напон почне да расте, кондензатор складишти више електрона, чиме се умањује пораст напона. У случају да напон почне опадати, кондензатор ослобађа одређен број „заробљених" електрона и тиме се поново "пегла" промена напона. У изворима напајања која претварају наизменичну струју у једносмерну често се користе кондензатори за стабилизовање напона.^[1]

Постоји неколико врста кондензатора, од којих се најчешће користе керамички и електролитски. Електролитски може ускладиштити нешто више струје, али је уједно и поларизован, што значи да треба правилно спојити плус и минус поларитет напајања, иначе може да прегори, за разлику керамичког где то није потребно.^[2]

Кондензатори за различите пројекте се бирају на основу њихових диелектричних материјала. Неки материјали су бољи за одређене примене. Најчешће се користе алуминијумски електролит, танталов електролит, керамика, лискун, полипропилен, полиестар, папир и полистирен. Полипропиленски, полиестарски и полистиренски кондензатори обично се зову блок кондензатори.^[3] Кондензатори с папирним и алуминијумским диелектриком најчешће су ваљкастог облика. Кондензатори с танталом, керамиком, лискуном и полистиреном лоптастији су, јер се урањају да би се оформио спољни омотач. Међутим, не може се увек на основу облика одредити врста кондензатора.

Кондензатори су, после отпорника, најчешће коришћене компоненте у електронским уређајима.^[4] Променљиви кондензатори омогућавају подешавање капацитивности.

Хисторија

Лајденска боца

Главни чланак: Леиденска боца

Први описани електрични кондензатор је назван Лајденска боца из 1745.

У октобру 1745. године, Евалд Георг фон Флајст из Помераније, Немачка, открио је да се наелектрисање може ускладиштити повезујући високонапонски електростатички генератор жицом са водом у стакленој чаши.^[5] Његова рука и вода су деловали као проводници, а чаша као изолатор (мада су детаљи механизма тада погрешно идентификовани). Фон Клајст је утврдио да је додиривање жице доводило од јаких варница, много јачих од оних које су добијене електростатичком машином. Наредне године, холандски физичар Питер ван Мушенбрук је независно изумео сличан кондензатор, који је он назвао Лајденском боцом, по Лајденском универзитету где је он радио.^[6] Он је исто тако био импресиониран снагом шока који је примио, пишући, „Не бих поднео други шок за краљевство Француске”.^[7]

Данијел Гралат је први паралелно комбиновао неколико Лајденских боца ради повећања капацитета.^[8] Бенџамин Френклин је истраживао Лајденску боцу и дошао до закључка да је наелектрисање било ускладиштено на стаклу, не у води како су други претпостављали. Он је такође користио термин „батерија”^[9] (у смислу повећања моћи са редом јединица као у батерији топова), што је накнадно примењено на електрохемијске ћелије.^[10] Лајденске боце су касније облагане изнутра и извана металном фолијом, изостављајући простор при врху да би се спречио настанак електричних лукова између фолија. Најранија јединица капацитивности је био џар, еквивалентан са око 1,11 нанофарада.^[11]

Рани кондензатори

Рани кондензатори су били познати као кондензери, термин који се повремено још увек користи у данашње време, посебно у високонапонским применама, као што су аутомобилски системи. Термин је први пут кориштио за ту сврху Алесандро Волта 1782. године, у смислу способности овог уређаја да складишти већу густину електричног наелектрисања него што је то могуће у изолованом проводнику.^[12]

Лајденска боца и њени моћнији насленици, у којима се користе равне стаклене плоче наизменично са фолијским проводницима, су кориштене до краја 19. века. Од почетка изучавања електрицитета изолациони материјали попут стакла, порцелана, папира и лискуна, кориштени су као изолатори. Ти материјали су касније били веома подесни за употребу као диелектрици за прве кондензаторе.

1876. године почела је производња папирних кондензатора, направљених у виду сендвича трака импрегнираног папира између трака метала и умотаних у цилиндре. Они су били у широкој употреби у касном 19. веку, а од раног 20. века су кориштени као раздвајајући кондензатори у телефонији.^[13]

Од 1895. године изум радио-телеграфа створио је потребу за стандардним кондензаторима, а стални помак ка вишим фреквенцијама стварао потребу за кондензаторима са нижом индуктанцом. Дошло је до компактнијих метода конструкције, као што су флексибилне диелектричне плоче (попут науљеног папира) између плоча металне фолије, увијене или савијене у мали пакет.

Карол Поллак изумитељ је првих електролитичких кондензатора. Он је установио да су слојеви оксида на алумињумској аноди остајали стабилни у неутралном или алкалином електролиту, чак и кад се напон искључи. 1896. године њему је издат САД патент бр. 672,913 за „Електрични течни кондензатор са алуминијумским електродама”.

Савремени период

Порцелан је кориштен у првим керамичким кондензаторима. Почетком 20. века, у раним годинама Марконијевог бежичног трансмисионог апарата порцелански кондензатори су кориштени за високо-напонске и високо-фреквенционе сврхе у трансмиторима. На пријемничкој страни мањи лискунски кондензатори су кориштени за резонантна кола. Те диелектричне кондензаторе је измео Вилијам Дубилијер 1909. године. Пре Другог светског рата, лискун је био најзаступљенији диелектрик за кондензаторе у Сједињеним Државама.^[13]

Са развојем пластичних материјала током Другог светског рата, индустрија кондензатора је почела да замењује папир тањим полимерним филмовима. Један веома рани развој у области филмских кондензатора је описан у британском патенту 587,953 из 1944. године.^[13]

Танталске кондензаторе са чврстим електролитом су изумеле Белове лабораторије почетком 1950-их као минијатурне и поузданије ниско-волтне кондензаторе који су били подесни за уклапање у кола са њиховим новоизумљним транзисторима.

Последњи изумљени су електрични двослојни кондензатори (сад суперкондензатори). Године 1957 Х. Бекер је развио „нисконапонски електролитички кондензатор са порозним угљеничним електродама”.^[14] Он је сматрао да је енергија била ускладиштена као наелектрисање у угљеничним порама кориштеним у његовиом кондензатору, као у порама угравираних фолија електролитичких кондензатора. Пошто механизам двоструког слоја није био познат у то време, он је написао у патенту: „Није познато тачно шта се дешава у компоненти ако се користи за складиштење енергије, али доводи до изузетно великог капацитета”.

Принцип рада

Прост кондензатор направљен од две паралелне металне плоче, користећи ваздушни размак као изолатор.

Кондензатори су врло једноставне направе. Типичан кондензатор има у себи две металне плочице. Оне се не додирују, већ их раздваја диелектрични материјал, односно изолатор. У кондензаторима се најчешће као изолатори користе пластика, лискун и папир.

Кондензатори складиште електроне тако што их привлаче ка позитивном полу. Чим се напон смањи или нестане, електрони се ослобађају. Када кондензатор на тај начин уклања или додаје електроне, он заправо омогућава регулисање промена напона.^[4]

Својства

Капацитивност

Главни чланак: Електрични капацитет

Капацитет је способност кондензатора да у себе прими наелектрисање. Дефинира се као однос количине наелектрисања и напона који при том настаје. Мјерна јединица за електрични капацитет је фарад. Фарад је прилично велика јединица мере, па се капацитивност већине кондензатора изражава микрофарадима (μФ), то јест, милионитим деловима фарада. У пракси се наилази и на мање вредности капацитивности - пикофараде (пФ) или милионити део милионитог дела микрофарада.^[4]

Капацитивност неких кондензатора одштампана је директно на њима. На великим кондензаторима има довољно простора да се одштампају вредности капацитивности и радног напона. Обично су то кондензатори са алуминијумским електролитом. За навођење капацитивности мањих кондензатора, као што су кондензатори с диском од лискуна капацитивности 0,1 или 0,01 пФ, користи се троцифрени систем означавања. Основа тог система су пикофаради. Прва два броја су цифре, а трећи количина нула које се додају. На пример, ознака 103, коришћена у том систему, означава број 10 за којим следе 3 нуле, значи 10.000 пикофарада. Да би превели вредност из пикофарада у микрофараде, померите децимални зарез шест места улево. На пример, 10.000 пФ било би 0,01 пФ.^[15]

Толеранција

Полиестерски кондензатор толеранције ±5%.

Као и отпорници, кондензатори имају толеранцију (одступање), изражено у процентима. На многим кондензаторима, на толеранцију указује последње слово у ознаци. Оно се понекад штампа одвојено од других ознака, а некада као последње слово, на пример, 103З. Слово З означава толеранцију од +80 процената до -20 процената. То значи да кондензатор чија је номинална капацитивност 0,01 пФ има стварну капацитивност 80 процената већу или 20 процената мању од наведене вредности.^[16]

Ознаке толеранције кондензатора

Ознака	Толеранција
Б	± 0,1 пФ
C	± 0,25 пФ
D	± 0,5 пФ
Ф	± 1%
Г	± 2%
Ј	± 5%
К	± 10%
M	± 20%
З	+ 80%, - 20%

Вредност капацитивности кондензатора мења је с променом температуре, и то се назива температурни коефицијент. Уколико је температурни коефицијент наведен на телу кондензатора, онда је то ознака од три знака, која се такође тумачи помоћу одговарајуће табеле.

Радни напон

Кондензатор након прегрејавања и експлозије.

Радни напон, који се некад обележава енглеском скраћеницом WВ (wоркинг волтаге), највећи је напон који кондензатор може издржати пре него што се оштети. При напону већем од радног, струја може направити лук између плочица, попут муње током олује. Ако кондензатор није пројектован да издржи високе напоне, у њему настаје варница која се „пробија“ кроз диелектрик и кондензатор постаје неупотребљив (пробијен).^[17]

Кондензатори за кола једносмерне струје углавном подносе до 16 или 35 волти, а та кола се најчешће напајају напоном између 3,3 и 12 волти.^[17]

Најбоље је изабрати кондензатор с радним напоном најмање 10 до 15% већим од напона у колу.

Поларитет

Главни чланак: Електрична поларизација

Још једна ознака која се налази на неким кондензаторима, посебно с танталовим и алуминијумским електролитом, јесте симбол поларитета. По конвенцији, на већини кондензатора користи се само знак минус (-) за негативан пол, док се знак плус (+) подразумева.

Битно је знати да су поларизовани само кондензатори веће капацитивности (1 пФ и више), најчешће електролитички (иако постоје и неполаризовани електролитички кондензатори, најчешће у стерео звучницима). Мањи кондензатори, они с диелектриком од лискуна, керамике и мyлара, нису поларизовани, па на њима и не постоји одговарајућа ознака.

Ако је кондензатор поларизован, мора се у електронско коло инсталирати правилно. Ако се помешају прикључци кондензатора, повезивањем позитивног пола с уземљењем, на пример, кондензатор се може уништити. При том се могу оштетити и друге компоненте, а кондензатор може чак и експлодирати.^[18]

Примена

Кондензатори омогућавају конструисање свих типова електричних кола, као што су појачавачи и многи други. У неким случајевима кондензатори се у комбинацији са отпорницима могу користити као мерачи времена (тајмери). Неке од примена кондензатора укључују:^[4]

• Прављење мерача времена: То је нека врста електронског метронома, у коме се кондензатор упарује са отпорником да би се бројали откуцаји.
• Исправљање напона: Уређаји који претварају наизменичну струју у једносмерну често користе кондензаторе да би се напон „испеглао“ и његова вредност остала на стабилном нивоу.
• Блокирање једносмерне струје: Када су редно повезани са извором сигнала, као што је микрофон, кондензатори блокирају једносмерну струју али пропуштају наизменичну. У већини појачавача се, на пример, користи та особина кондензатора.
• Подешавање фреквенције: Кондензатори се користе за прављење једноставних филтара који одбијају наизменичне сигнале учестаности веће или мање од жељене. Подешавањем вредности кондензатора могуће је подешавати вршне фреквенције филтра.

На пример, када искључите или укључите рачунар, и када видите тачно време на екрану, за то заслужен кондензатор који напаја дигитални часовник рачунара (као мала батерија) док је он искључен из струје.^[2]

Променљиви кондензатори мање капацитивности често се користе у радиопријемницима и предајницима.

Симбол

Кондензатор се означава словом C. Електронски симбол кондензатора одсликава његову унутрашњу конструкцију: две проводне плочице раздвојене малом празнином. Тај простор и његов садржај назива се диелектрик. Диелектрик може бити ваздух, течност или неки облик изолатора (пластика или лискун). Кондензатори могу да буду поларизовани и неполаризовани. На шемама се поларитет приказује знаком плус, иако на самом кондензатору поларитет може бити означен или знаком плус или минус поред једног од два извода.^[19]

Литература

• Гордон МцЦомб и Еарл Боyсен, Електроника за неупућене, Београд, 2007.