Τι είναι ο πυκνωτής;

Τι ονομάζουμε πυκνωτή;

Πυκνωτή ονομάζουμε ένα ηλεκτρολογικό παθητικό στοιχείο το οποίο δεν καταναλώνει ενέργεια, αλλά την αποθηκεύει. Αυτή η ενέργεια αποθηκεύτε υπό τη μορφή ηλεκτρικού φορτιού στους οπλισμούς του, άρα δημιουργεί ένα ηλεκτρικό πεδίο.Το φαινόμενο να αποθηκεύεται ηλεκτρική ενέργεια υπό την μορφή ηλεκτρικού φορτιού άρα κατ΄ επέκταση ηλεκτρικού πεδίου, σε ένα παθητικό στοιχείο ονομάζεται χωρητικότητα. Η βασική αρχή κατασκευής ενός πυκνωτή είναι η εξής: Δυο αγώγιμες πλάκες σε πολύ μικρή απόσταση μεταξύ τους, όπου ενδιάμεσα σε αυτές τις δυο πλάκες υπάρχει ένα διηλεκτρικό υλικό (ένας τύπος μονωτή).

 

Τι μονάδα μέτρησης έχει ο πυκνωτής;

Μονάδα μέτρησης της χωρητικότητας είναι το Farad, το οποίο συμβολίζεται με το κεφάλαιο λατινικό γράμμα F. Η χωρητικότητα (F) είναι ίση με 1F=1*C/1*V. Δηλαδή ένα Farad είναι ίσο με αποθηκευμένο ηλεκτρικό φορτίο στους οπλισμούς του πυκνωτή ενός Coulomb, όταν οι οπλισμοί του πυκνωτή έχουν διαφορά δυναμικού ενός Volt.

Που χρησιμεύει;

Οι πυκνωτές χρησιμοποιούνται με σκοπό να αποθηκεύσουν ενέργεια υπό την μορφή ηλεκτρικού πεδίου και κάποια χρονική στιγμή να την αποδώσουν πίσω στο εκάστοτε κύκλωμα. Πιο απλά κάποια χρονική στιγμή οι πυκνωτές φορτίζονται από κάποια πηγή, και έπειτα όταν απαιτηθεί αυτοί εκφορτίζονται προσδίδοντας στο κύκλωμα την ενέργεια οπού αποθήκευσαν. Δηλαδή, φορτίζονται άρα αυξάνεται η τάση στα άκρα τους, και όταν εκφορτίζονται μειώνεται η τάση τους. Το ηλεκτρικό φορτίο οπού έχει αποθηκεύσει ο πυκνωτής στους οπλισμούς του αρχίζει να καταρρέει για να διατηρήσει την τάση στα άκρα του πυκνωτή την ίδια, δηλαδή ο πυκνωτής αντιστέκεται στις μεταβολές της τάσης.

 

Πως τους χρησιμοποιούμε;

Θα συναντήσουμε πυκνωτές σε κυκλώματα οπού θέλουμε να κρατήσουμε σταθερή τη τάση χωρίς μεταβολές, η σε εφαρμογές όπου θέλουμε να συζεύξουμε σήματα μεταξύ τους. Πιο συγκεκριμένα σε κυκλώματα εξομάλυνσης τάσης, σε κυκλώματα χρονισμού (διάρκεια χρόνου φόρτισης του πυκνωτή), σε φίλτρα, σε ταλαντωτικά κυκλώματα, σε ενισχυτές, σε βαθμίδες σύζευξης σημάτων, και σε άλλες πολλές εφαρμογές.

 

 

Συνδεσμολογία πυκνωτών

Δυο ή παραπάνω πυκνωτές μπορούν να συνδεθούν είτε εν σειρά είτε παράλληλα. Αν συνδεθούν σε σειρά τότε η συνολική χωρητικότητα γίνεται μικρότερη της μικρότερης χωρητικότητας, αλλά αυξάνεται η μέγιστη τάση οπού μπορεί να δεχτεί στα άκρα της η συνδεσμολογία.

 

 

Εάν οι πυκνωτές συνδεθούν παράλληλα η συνολική χωρητικότητα είναι το άθροισμα των επιμέρους χωρητικοτήτων, δηλαδή αυξάνεται η χωρητικότητα. Αρά εν σειρά μειώνεται και παράλληλα αυξάνεται η συνολική χωρητικότητα.

 

 

Επίσης υπάρχουν και μεταβλητοί πυκνωτές οπού η χωρητικότητα τους μεταβάλλεται μέσω ενός δρομέα, όπως είναι και στις αντιστάσεις (ποτενσιόμετρο).

 

Συμπεριφορά πυκνωτή στο συνεχές και στο εναλλασσόμενο

Ο πυκνωτής στο DC συμπεριφέρεται ως ανοικτοκύκλωμα (δηλαδή σαν ένας ανοιχτός διακόπτης), άρα δεν έχουμε ροή ρεύματος μέσω αυτού (μετά το πέρας του μεταβατικού). Ενώ στο AC έχουμε μια διαρκή ροή ρεύματος μέσω αυτού, καθώς μονίμως φορτίζεται και εκφορτίζεται. Οπού για σταθερή τάση καθώς χωρητικότητα και συχνότητα έχει μια σταθερή τιμή το ρεύμα αυτό (ενεργός τιμή, και όχι στιγμιαία). Άρα αντιστέκεται στην ροή του ρεύματος. Ο λόγος τάσης και ρεύματος ονομάζεται χωρητική αντίδραση. Η χωρητική αντίδραση είναι κάτι σαν αντίσταση και μετριέται σε Ω (έχει να κάνει με την αντίσταση στην ροή του ρεύματος μέσω του πυκνωτή λόγω της μεταβολής του ηλεκτρικού του πεδίου). Αν κάποιος θέλει να πει απλά τι διαφορά έχει αντίσταση με την χωρητική αντίδραση, είναι πως και τα δυο αφενός αντιστέκονται στην ροή του ρεύματος αλλά το ένα οφείλεται σε αντιστάτη (αντίσταση), και το άλλο σε πυκνωτή (χωρητικότητα, άρα χωρητική αντίδραση).

Όσον αφορά την χωρητική αντίδραση του πυκνωτή Xc, είναι αντίστροφος ανάλογη της συχνότητας και της χωρητικότητας, δηλαδή

Xc=1/(2*π*f*C)

Οπού :

Xc είναι η χωρητική αντίδραση που παρουσιάζει ο πυκνωτής (Ω)

C είναι η χωρητικότητα του πυκνωτή (F)

f είναι η συχνότητα (Hz)

Άρα για σταθερή χωρητικότητα αν αυξήσουμε την συχνότητα θα μειωθεί η αντίδραση και αντίστοιχα. Επιπλέον ισχύει και ο νομός του Ohm, και έχει την εξής μορφή:

Xc= V/I ή V = I*Xc ή I = V/Xc

 

Ας δούμε δυο παραδείγματα

Πυκνωτής σύζευξης

Αρκετές φορές σε βαθμίδες προενίσχυσης σήματος θα συναντήσουμε ένα ενισχυτή με BJT transistor. Συνήθως είναι ενισχυτές κοινού εκπέμπου και έχουν πόλωση με διαιρέτη τάσης, (μην σας αγχώνουν αν δεν γνωρίζετε ακόμα τι είναι αυτά, τα αναφέρω απλά για την πληρότητα), εκεί στην βάση θα συναντήσουμε έναν πυκνωτή στην είσοδο του ενισχυτή. Αυτός ο πυκνωτής ονομάζεται πυκνωτής σύζευξης, και έχει σκοπό να κάνει σύζευξη το AC σήμα που πάει για ενίσχυση με την DC τάση οπού έχει ο ενισχυτής στη βάση. Επίσης ένας πολύ σημαντικός λόγος οπού χρησιμοποιούμαι πυκνωτές για την σύζευξη σημάτων είναι ότι αν υπάρξει κάποιο εξωτερικό DC σήμα και πάει στην εισόδου του ενισχυτή, υπάρχει μεγάλη πιθανότητα να αλλάξει η πόλωση του transistor, να παραμορφωθεί το σήμα εξόδου καθώς και κίνδυνος να καταστραφεί η πηγή του AC σήματος.

Έτσι για την επιλογή του πυκνωτή σύζευξης θα πρέπει να τηρήσουμε ένα κανόνα, οπού λέει πως κάλος πυκνωτής σύζευξης είναι αυτός οπού στην χαμηλότερη συχνότητα του σήματος εισόδου θα πρέπει να παρουσιάζει μικρότερη αντίδραση από την αντίσταση εισόδου του ενισχυτή(η είσοδος του ενισχυτή, καθώς και όλος ο ενισχυτής με BJT Transistor απλοποιείται με βάσει διαφορά μοντέλα και παραδοχές οπού έχουμε κάνει και μπορούμε να τον προσομοιώσουμε με αντίσταση, όσο πιο μεγάλη είναι η αντίσταση εισόδου τόσο το καλύτερο διότι δεν θα έχουμε πτώση τάσης του σήματος σε αλλά σημεία όπως, η αντίσταση εξόδου της AC πηγής σήματος, στη γραμμή μεταφοράς και στο πυκνωτή σύζευξης). Πιο συγκεκριμένα θα πρέπει στην χαμηλότερη συχνότητα να είναι δέκα φορές μικρότερη η αντίδραση από την αντίσταση εισόδου Xc < 0,1R.

Ας δούμε ένα παράδειγμα στο οποίο αντιμετωπίζουμε πρόβλημα σχεδίασης, και πρέπει να επιλέξουμε χωρητικότητα για τον πυκνωτή σύζευξης.

Υποθέτουμε ότι έχουμε έναν ενισχυτή με αντίσταση εισόδου Rin = 4kΩ, και το σήμα προς ενίσχυση κυμαίνεται μεταξύ 330Hz και 4000Hz.

Άρα βάσει τον κανόνα οπού αναφέραμε προηγουμένους θα πρέπει στη συχνότητα 330Hz να έχει ο πυκνωτής αντίδραση μικρότερη των 400 Ω.

Xc < 400Ω @ 330Hz.

Από τον τύπο της χωρητικής αντίδρασης, λύνουμε ως προς C :

Xc= 1/2 *π*f*C, C= 1/2 *π*f*Xc = 1/ 2*3.14*330*400 = 1,26μF

C = 1,26μF

Άρα θέλουμε έναν πυκνωτή με χωρητικότητα τουλάχιστον 1,26μF. Συνήθως χρησιμοποιούμαι ηλεκτρολυτικούς πυκνωτές σε αυτές τις εφαρμογές.

 

Πυκνωτής εξομάλυνσης

Ας υποθέσουμε ξανά πως έχουμε ένα πρόβλημα σχεδίασης. Έχουμε κάνει υποβιβασμό τάσης με έναν μετασχηματιστή υποβιβασμού και μια δίοδο για ανόρθωση ημικύματος ώστε να  μετατρέψουμε το AC σε DC, και θέλουμε να κάνουμε εξομάλυνση της τάσης, δηλαδή να την κάνουμε όσο πιο πολύ σταθερή στο χρόνο (κυμάτωση). Όταν προσθέσουμε έναν πυκνωτή αυτός θα φορτίζεται κατά την χρονική διάρκεια οπού η τάση αυξάνεται (αποθηκεύει ενέργεια) και θα εκφορτίζεται στο κύκλωμα προσπαθώντας να κρατήσει σταθερή τη τάση το χρονικό διάστημα οπού τάση από μέγιστη αρχίζει και μειώνεται μέχρι και την στιγμή οπού θα αρχίσει να αυξάνεται πάλι, πιο συγκεκριμένα όταν ξαναγίνει μεγαλύτερη από την οπού θα έχει ο πυκνωτής.

Όσον αφορά το πρόβλημα, έχουμε DC τάση 10V και το φορτίο οπού θα τροφοδοτήσουμε είναι 400Ω. Ας υπολογίσουμε τον απαιτούμενο πυκνωτή, ώστε να έχουμε κυμάτωση μικρότερη από 150mVpp.

Vr < 150mVpp

I = V / R, I = 10 / 400, I = 0,025A = 25mA,

Το φορτίο θα απορρόφα ρεύμα 25mA.

Vr = I / f*C για να βρούμε την απαιτούμενη χωρητικότητα η σχέση γίνεται ως εξής :

C = I / f*Vr,

Οπού :

C είναι η χωρητικότητα του πυκνωτή

I είναι το ρεύμα οπού απορρόφα το φορτίο

f είναι η συχνότητα

Vr είναι η κυμάτωση τάσης σε Vpp

C = 0,025 / 50*0,150 = 3.333μF

Αρά χρειαζόμαστε έναν πυκνωτή με χωρητικότητα τουλάχιστον 3.333μF, μπορούμε κάλλιστα να επιλέξουμε και έναν 4.700μF που είναι και τυποποιημένη τιμή. Ο πυκνωτής αυτός θα είναι ηλεκτρολυτικός.

 

Οι πιο κοινοί τύποι πυκνωτών στη πράξη

Στην πράξη θα συναντήσουμε διάφορους τύπους πυκνωτή όπως:

• Πυκνωτές μίκας (χρησιμοποιούνται σε υψηλές συχνότητες)

  

 

• Κεραμικοί πυκνωτές (χρησιμοποιούνται σε υψηλές συχνότητες, καθώς και σε κυκλώματα χρονισμού)

  

 

• Πυκνωτές αέρα (μικρά trimmer πυκνωτή ή μεγάλοι αερόφυλλοι, antenna tuner, και εφαρμογές υψηλής συχνότητας)

 

 

 

• Ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές (σε εφαρμογές οπού υπάρχει απαίτηση μεγάλης χωρητικότητας, και χαμηλές συχνότητες. Επίσης να σημειωθεί πως οι ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές έχουν πολικότητα, δηλαδή το ένα άκρο είναι το θετικό και το άλλο το αρνητικό. Το αρνητικό είναι πιο μικρό σε μήκος. Επίσης στην πλευρά οπού είναι το αρνητικό πάνω στον πυκνωτή υπάρχουν κάποια βέλη τα οποία υποδεικνύουν πως πρόκειται για τον αρνητικό ακροδέκτη.)

 

 

 

 

Αναφορές

ΧΑΤΖΑΡΑΚΗΣ, Γ. (2015). ΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ 3η ΕΚΔΟΣΗ. ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ: ΕΚΔΟΣΕΙΣ ΤΖΙΟΛΑ.

HOROWITZ, P., & HILL, W. (1989). The art of electronics. Cambridge [England], Cambridge University Press.

Albert Malvino – David J. Bates (2014). ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ Αρχές και Εφαρμογές 7η ΕΚΔΟΣΗ. Θεσσαλονίκη: ΕΚΔΟΣΕΙΣ ΤΖΙΟΛΑ.

 

Πολλά 73, de SV1SGV

Αλεξάνδρου Άγγελος