Το εξάρτημα: πυκνωτής

Ορισμός

Ο πυκνωτής είναι ένα άλλο πολύ συχνά χρησιμοποιούμενο είδος ηλεκτρονικού εξαρτήματος. Ο πυκνωτής είναι ένα παθητικό ηλεκτρονικό εξάρτημα που αποτελείται από ένα σύστημα δυο αγώγιμων πλακών που βρίσκονται σε μικρή απόσταση μεταξύ τους και ανάμεσα τους παρεμβάλλεται μονωτικό υλικό. Οι δυο αυτοί αγωγοί ονομάζονται οπλισμοί του πυκνωτή, ενώ το μονωτικό υλικό ονομάζεται διηλεκτρικό.

Η εφαρμογή μιας τάσης V σε ένα πυκνωτή έχει σαν αποτέλεσμα την αποθήκευση ηλεκτρικών φορτίων στους οπλισμούς του. Το φορτίο Q που φέρει κατ' απόλυτη τιμή ο κάθε οπλισμός του πυκνωτή λέγεται φορτίο του πυκνωτή και δίνεται από τη σχέση Q=CV όπου C το χαρακτηριστικό μέγεθος των πυκνωτών, που λέγεται χωρητικότητα. Συγκεκριμένα ο λόγος Q/V φορτίου προς τάση του πυκνωτή είναι σταθερός και ίσος με τη χωρητικότητα  του C.

Μονάδα χωρητικότητας είναι το Farad. Όταν ένας πυκνωτής φέρει φορτίο 1 Cb και είναι υπο τάση 1V, τότε η χωρητικότητα του είναι 1 Farad. Το ένα Farad είναι πολύ μεγάλη μονάδα μέτρησης της χωρητικότητας, γι' αυτό στην πράξη συνήθως χρησιμοποιoύμε υποπολλαπλάσια του: 1μF, 1nF, 1pF τα οποία ορίζονται ως εξής: 1μF=10^-6F , 1nF=10^-9F , 1pF=10^-12F.

Η χωρητικότητα ενός πυκνωτή εξαρτάται από τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά του, δηλαδή το μέγεθος και την απόσταση των οπλισμών του και από τη φύση του διηλεκτρικού.

Ισοδύναμη χωρητικότητα

Όταν δύο πυκνωτές C₁ και C₂ είναι συνδεδεμένει παράλληλα, μπορούν να αντικατασταθούν απο ισοδύναμη χωρητικότητα (πυκνωτή) με τιμή το άθροισμα τους C₁+C₂.

Όμοια όταν Ν πυκνωτές C₁, C₂, . . . , C_N είναι συνδεμένεi παράλληλα, μπορούν να αντικατασταθούν από ισοδύναμη χωρητικότητα (πυκνωτή) C με τιμή το άθροισμα τους C₁+C₂+ . . . +C_N

Όταν δυο πυκνωτές C₁ και C₂ είναι συνδεμένει σε σειρά, μπορούν να αντικατασταθούν από ισοδύναμη χωρητικότητα (πυκνωτή)με τιμή C₁C₂/(C₁+C₂)

Όμοια όταν Ν αντιστάσεις C₁, C₂, . . . , R_N είναι συνδεμένει σε σειρά, μπορούν να αντικατασταθούν από ισοδύναμη χωρητικότητα (πυκνωτή) με τιμή C για τον οποίο 1/C=1/C₁ + 1/C₂ + . . . +1/C_N

Χαρακτηριστικά μεγέθη πυκνωτών

Η επιλογή ενός πυκνωτή για κάποιο τμήμα ενός κυκλώματος γίνεται με βάση τα χαρακτηριστικά του γνώρίσματα, που τα κυριότερα παρουσιάζονται ακολούθως:

Ονομαστική τιμή χωρητικότητα: Κάθε πυκνωτής σχεδιάζεται και κατασκευάζεται με συγκεκριμένη χωρητικότητα C, η οποία αναγράφεται στην επιφάνεια του πυκνωτή είτε με κώδικα χρωμάτων είτε με κώδικα γραμμάτων και αριθμών.

Ανοχή: Κατά την διαδικασία κατασκευής, η πραγματική χωρητικότητα του προκύπτον πυκνωτή αποκλίνει από την ονομαστική του τιμή. Τα όρια μέσα στα οποία επιτρέπεται η απόκλιση καθορίζεται με την ανοχή που αναγράφεται πάνω στους πυκνωτές σαν ποσοστό μεταβολής. Συνήθως η ανοχή κυμαίνεται στο 20%, 10% ή 5% ανάλογα τον τρόπο κατασκευής.

Τάση λειτουργίας: Είναι η μέγιστη συνεχής τάση που μπορεί να εφαρμοστεί στον πυκνωτή συνεχώς, χωρίς να επιφέρει διάτρηση του διηλεκτρικού υλικού, δηλαδή την καταστροφή του πυκνωτή.

Αντίσταση μόνωσης: Επειδή το διηλεκτρικό ενός πυκνωτή δεν παρουσιάζει άπειρη αντίσταση, αλλά πολύ μεγάλη της τάξης των ΜΩ, εμφανίζεται ένα πολύ μικρό ρεύμα διαρροής που εκφορτίζει τον πυκνωτή. Έτσι τίθεται η αντίσταση μόνωσης, η οποία μετριέται σε ΜΩ Χ μF.

Συντελεστής θερμοκρασίας: Η χωρητικότητα ενός πυκνωτή έχει εξάρτηση από την θερμοκρασία, κυρίως λόγω της μεταβολής της διηλεκτρικής σταθεράς του υλικού του πυκνωτή. Ο συντελεστής θερμοκρασίας δίνεται από την σχέση α=ΔC/(CΔΤ) όπου ΔC είναι η μεταβολή της χωρητικότητας αν μεταβληθεί η θερμοκρασία κατά ΔΤ και C η χωρητικότητα του πυκνωτή.

Ταξινόμηση πυκνωτών

Οι πυκνωτές διακρίνονται σε α)πυκνωτές σταθερής χωρητικότητας β)Μεταβλητής ή ρυθμιζόμενης χωρητικότητας.

Οι πυκνωτές σταθερής χωρητικότητας ταξινομούνται ανάλογα με το διηλεκτρικό τους σε πυκνωτές: Χάρτου, Μίκας, Κεραμικούς-γυαλιού, Πλαστικού. Επίσης μια άλλη κατηγορία πυκνωτών σταθερής τιμής είναι οι ηλεκτρολυτικοί που διακρίνονται σε Αλουμινίου και Τανταλίου.

Πυκνωτές χάρτου

Οι πυκνωτές χάρτου έχουν σαν διηλεκτρικό υλικό χαρτί, το οποίο εμπλουτίζεται με διάφορες μονωτικές ουσίες όπως παραφίνη, βερνίκια, έτσι ώστε να ρυθμίζονται οι διηλεκτρικές του ιδιότητες και το πάχος του. Οι οπλισμοί του κατασκευάζονται, στους φθηνούς από αλουμίνιο και στους ακριβούς πυκνωτές από χαλκό ή άργυρο.

Για την κατασκευή ενός πυκνωτή χάρτου, ταινίες από χαρτί και αλουμίνιο τοποθετούνται εναλλάξ η μια πάνω στην άλλη και μηχανικά τυλίγονται σε κυλινδρική συνήθως μορφή. Στη συνέχεια αφου τοποθετηθούν οι ακροδέκτες γίνεται εμπλουτισμός με ειδικές ρητίνες και τοποθετείται η πλαστική θήκη πάνω στην οποία αναγράφονται οι πληροφορίες για τον πυκνωτή.

Πλεονέκτημα των πυκνωτών χάρτου είναι η σχετικά μεγάλη χωρητικότητα τους από 1nF εως 22μF, ενώ μειονέκτημα είναι η πολύ μικρή αντίσταση μόνωσης, γιαυτό αυτός ο τύπος πυκνωτή δεν έχει καλή απόδοση στις υψηλές συχνότητες, ενώ στις χαμηλές συχνότητες είναι πολύ καλή επιλογή.

Ένας άλλος τύπος πυκνωτή χάρτου, είναι με επιμεταλλωμένο χαρτί όπου η μεταλλική επίστρωση αποτελεί τον οπλισμό του πυκνωτή. Μειονέκτημα είναι η σχετική μικρή τάση λειτουργίας λόγω του μικρού πάχους του διηλεκτρικού και των οπλισμών.

Πυκνωτές μίκας

Οι πυκνωτές μίκας διακρίνονται σε: φύλλων μίκας και ταινίας μίκας. Ο πρώτος τύπος κατασκευάζεται από λωρίδες μεταλλικών φύλλων που χωρίζονται από λωρίδες μίκας, στοιβαγμένα το ένα πάνω στο άλλο, σχηματίζοντας ορθογώνιο παραλληλεπίπεδο. Οι λωρίδες μεταλλικών φύλλων συνδέονται έτσι ώστε να δημιουργηθούν οι δυο οπλισμοί του πυκνωτή. Το σύστημα συμπιέζεται και τοποθετείται μέσα σε μονωτικό περίβλημα.

Ο άλλος τύπος πυκνωτή μίκας κατασκευάζεται από ταινία μίκας η οποία παράγεται από τη μίκα με ειδική κατεργασία. Η ταινία αυτή μοιάζει με χαρτί και έχει καλή συνοχή. Οι πυκνωτές ταινίας μίκας περιελίσσονται όπως και οι πυκνωτές χαρτιού. Μετά την περιέλιξη τους γίνεται απαέρωση και εμπλουτισμός με ουσίες και τέλος η τοποθέτηση τους σε μονωτικό περίβλημα.

Ένας άλλος τύπος είναι οι πυκνωτές επιμεταλλωμένης μίκας. Στους πυκνωτές αυτούς με χημική κατεργασία τοποθετείται στις επιφάνειες της μίκας λεπτό στρώμα οξειδίου του αργύρου για τον σχηματισμό των οπλισμών. Ακολουθεί η τοποθέτηση των ακροδεκτών και το σύστημα αυτό τοποθετείται σε προστατευτικό περίβλημα.

Οι πυκνωτές μίκας χρησιμοποιούνται στα κυκλώματα υψηλών συχνοτήτων των τηλεπικοινωνιών και σ' άλλες περιπτώσεις κυκλωμάτων όπου απαιτείται καλή σταθερότητα, μικρές απώλειες και μεγάλη αντίσταση μονώσεως.

Κεραμικοί πυκνωτές

Οι κεραμικοί πυκνωτές χρησιμοποιούν σαν διηλεκτρικό υλικό κεραμικό υλικό, που είναι πολύπλοκα μίγματα πυριτιούχου μαγνησίου, αλουμίνας, οξείδιο του ζιρκονίου κ.τ.λ. στα οποία προστίθεται τιτάνιο, βάριο, ασβέστιο κ.α.

Το κεραμικό υλικό διαμορφώνεται μέσα σε μήτρες και παίρνει την τελική του μορφή. Στη συνέχεια ψήνεται σε φούρνο σε θερμοκρασία 700 έως 1000 ^oC, οπότε στερεοποιείται το υλικό. Αφού καθαριστεί, στην επιφάνεια του σχηματίζονται με επιμετάλλωση οι οπλισμοί του. Σαν μέταλλο επιμετάλλωσης χρησιμοποιείται ο άργυρος. Οι ακροδέκτες κολλιούνται στην επιμεταλλωμένη επιφάνεια και στη συνέχεια, για προστασία τοποθετείται σε προστατευτικό περίβλημα από σμάλτο ή πλαστικό υλικό.

Οι κεραμικοί πυκνωτές είναι πολύ μικρών διαστάσεων και κατασκευάζονται σε πολλές μορφές, όπως σωληνωτοί, σφαιρικοί, πλάκες, δίσκοι κ.α.

Γενικά οι κεραμικοί πυκνωτές χρησιμοποιούνται πολύ στις υψηλές συχνότητες (μέχρι 10GHz). Οι χωρητικότητες τους κυμαίνονται από 1pF έως 100nF.

Στους κεραμικούς πυκνωτές, η τιμή της χωρητικότητας τους αναγράφεται σαν καθαρός αριθμός. Αν είναι καθαρός ακέραιος η μονάδα μέτρησης είναι το pF π.χ 47 -> 47pF,  22M -> 22pF. Αν ο αριθμός είναι δεκαδικός μονάδα μέτρησης είναι το μF π.χ.  0.05 -> 0.05μF,  .01 -> 0,01μF. Στην περίπτωση που είναι γραμμένη η μονάδα μέτρησης: n10 -> 0.10nF,  2n2 -> 2,2nF, 68n -> 68nF. Στους πυκνωτές που η χωρητικότητα του γράφεται με τρεις αριθμούς ισχύει: Το τρίτο ψηφίο δείχνει τον αριθμό των μηδενικών που ακολουθούν τα δυο πρώτα ψηφία. π.χ. 101 ->100pF,  472 -> 4700pF, 223 -> 22000pF.

Πυκνωτές πλαστικού διηλεκτρικού.

Αυτός ο τύπος πυκνωτή χρησιμοποιεί σαν διηλεκτρικό πλαστικό υλικό. Ο πυκνωτής πλαστικού διηλεκτρικού κατασκευάζεται σε διάφορους τύπους και είναι σήμερα είναι οι περισσότερο χρησιμοποιούμενοι στις ηλεκτρονικές κατασκευές αφού έχει εκτοπίσει τους πυκνωτές χάρτου και μίκας.

Η διαδικασία της κατασκευής τους είναι η ίδια με αυτήν των πυκνωτών χάρτου. Για την κατασκευή ενός πυκνωτή πλαστικού διηλεκτρικού, ταινίες από πλαστικό και αλουμίνιο τοποθετούνται εναλλάξ η μια πάνω στην άλλη και μηχανικά τυλίγονται σε κυλινδρική μορφή. Στη συνέχεια αφού τοποθετηθούν οι ακροδέκτες, τοποθετείται η πλαστική θήκη πάνω στην οποία αναγράφονται οι πληροφορίες για τον πυκνωτή.

Ανάλογα με το υλικό που είναι κατασκευασμένοι διακρίνουμε τις παρακάτω κατηγορίες:

• Πυκνωτές πολυεστέρα (polyester)
• Πυκνωτές πολυπροπυλενίου (polypropylene)
• Πυκνωτές πολυκαρβονικούς (polycarbon)
• Πυκνωτές πολυστερίνης (polystyrene)
• Πυκνωτές τεφλόν (teflon)

Οι πυκνωτές πλαστικού διηλεκτρικού έχουν χαμηλό συντελεστή θερμοκρασίας και πολύ μικρές ανοχές, η χωρητικότητα τους κυμαίνεται από 1nF εως 1μF ενώ συνηθισμένες τιμές τάσης λειτουργίας είναι από 50 έως 1000V

Ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές

Σ' αυτή τη κατηγορία πυκνωτών, η κατασκευή τους και η λειτουργία τους στηρίζεται στο φαινόμενο της ηλεκτρόλυσης. Στους ηλεκτρολυτικούς πυκνωτές, ο ένας οπλισμός είναι μέταλλο (αλουμίνιο ή ταντάλιο) και ο άλλος ηλεκτρολύτης ποτισμένος σε χαρτί. Το μέταλλο είναι οξειδωμένο και το οξείδιο αυτό σαν μονωτικό υλικό αποτελεί το διηλεκτρικό του πυκνωτή.

Χαρακτηριστικό των ηλεκτρολυτικών πυκνωτών είναι η πολικότητα. Είναι κατάλληλοι μόνο για συνεχείς τάσεις.  Στην τοποθέτηση τους πρέπει να δίνεται προσοχή για τη σωστή σύνδεση των ακροδεκτών. Λάθος τοποθέτηση του πυκνωτή σημαίνει εφαρμογή ανάστροφης τάσης στα άκρα του, η οποία θα καταστρέψει τον πυκνωτή.

Ανάλογα το υλικό κατασκευής, οι ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές διακρίνονται σε α)Αλουμινίου και β)Τανταλίου.

Κατασκευή ηλεκτρολυτικών πυκνωτών αλουμινίου: Ένα φύλλο αλουμινίου αφού καθαριστεί οξειδώνεται με τη βοήθεια βορικού οξέος. Με τον τρόπο αυτό σχηματίζεται ένα στρώμα οξειδίου του αλουμινίου σε όλη την επιφάνεια του ελάσματος το οποίο είναι πολύ καλό μονωτικό. Έτσι κατασκευάζεται ο ένας οπλισμός και το διηλεκτρικό του πυκνωτή.

Στη συνέχεια ένα φύλλο οξειδωμένου αλουμινίου ένα φύλλο πορώδους χαρτιού και ένα φύλλο μη οξειδωμένου αλουμινίου τοποθετούνται το ένα πάνω στο άλλο, με το χαρτί ενδιάμεσα, τυλίγεται και βυθίζεται σε υγρό ηλεκτρολύτη για να "ποτίσει" το χαρτί. Τέλος τοποθετείται ο κύλινδρος που έχει σχηματιστεί σε δοχείο αλουμινίου, το οποίο στην συνέχεια κλείνεται ερμητικά με πλαστικό για να μην υπάρχει διαρροή ηλεκτρολύτη.

Ο οξειδωμένος οπλισμός του πυκνωτή ονομάζεται άνοδος και συνδέεται με το θετικότερο τμήμα του κυκλώματος, ενώ ο ηλεκτρολύτης αποτελεί το δεύτερο οπλισμό του πυκνωτή και έχει αγώγιμη επαφή με την επιφάνεια του άλλου ελάσματος του αλουμινίου το οποίο ονομάζεται κάθοδος και είναι ο δεύτερος ακροδέκτης του εξαρτήματος.

Κατασκευή ηλεκτρολυτικών πυκνωτών τανταλίου: Σκόνη τανταλίου συμπιέζεται σε καλούπια σε υψηλή θερμοκρασία έτσι ώστε να αποκτήσει κυλινδρική μορφή. Ο πορώδης κύλινδρος που δημιουργείται κόβεται στο επιθυμητό μέγεθος και με κατάλληλη διεργασία οξειδώνεται επιφανειακά. Με αυτό τον τρόπο καλύπτεται η επιφάνεια του κυλίνδρου με λεπτό στρώμα οξειδίου τανταλίου Τα₂Ο₅ το οποίο θα είναι το διηλεκτρικό του πυκνωτή. Το εσωτερικό μη οξειδωμένο τμήμα του κυλίνδρου θα αποτελέσει την άνοδο του πυκνωτή. Το οξειδωμένο κυλινδρικό κομμάτι του τανταλίου μαζί με τον υγρό ηλεκτρολύτη τοποθετείται σε μεταλλικό δοχείο-θήκη που είναι εσωτερικά επαργυρωμένο. Με το επαργυρωμένο δοχείο συνδέεται ο άλλος ακροδέκτης του πυκνωτή που είναι η κάθοδος. Στη συνέχεια το σύστημα περικλείεται σε μονωτικό περίβλημα.

Το πρόβλημα της διαρροής του υγρού ηλεκτρολύτη οδήγησε στην κατασκευή πυκνωτών με ηλεκτρολύτη στερεάς μορφής, συγκεκριμένα τη χρήση του MnO₂. Επίσης κατασκευάζονται ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές αλουμινίου με ηλεκτρολύτη στερεάς μορφής με χρήση σαν το MnO₂.

Πυκνωτές SMD

Οι πυκνωτές SMD έχουν παρόμοια κατασκευή και σύνθεση με τους κοινούς πυκνωτές με την διαφορά ότι έχουν πολύ μικρό σχήμα μορφής ορθογωνίου παραλληλεπιπέδου. Αντί ακροδεκτών έχουν μεταλλικές δυο από τις απέναντι πλευρές.

Όπως όλα τα SMD εξαρτήματα λόγω του μεγέθους τους και των προδιαγραφών τους για επιφανειακή στήριξη απαιτούν ειδικές τεχνικές συγκόλλησης και αποκόλλησης.

Μεταβλητοί πυκνωτές

Οι μεταβλητοί πυκνωτές χρησιμοποιούνται για τη μεταβολή της χωρητικότητας κατά τη διάρκεια λειτουργίας της συσκευής. Συνήθως συναντιούνται στα κυκλώματα επιλογής ραδιοφωνικών δεκτών.

Ο μεταβλητός πυκνωτής αποτελείται από ένα σύνολο ακίνητων παράλληλων πλακών που αποτελούν τον ένα οπλισμό (στάτη) του πυκνωτή. Ένα άλλο σύνολο κινούμενων παράλληλων πλακών με κοινό άξονα περιστροφής που αποτελούν τον άλλο (ρότορα) οπλισμό του πυκνωτή εισέρχονται στις ακίνητες πλάκες του πυκνωτή. Σαν διηλεκτρικό συνήθως χρησιμοποιείται ο αέρας και σε άλλες περιπτώσεις φυλλα πλαστικού υλικού.

Οι μεταβλητοί πυκνωτές διακρίνονται σε δυο κατηγορίες: α) Γραμμικοί ως προς τη χωρητικότητα και β)Γραμμικοί ως προς τη συχνότητα.

Γραμμικοί ως προς τη χωρητικότητα: Όταν το σχήμα των κινητών οπλισμών του μεταβλητού πυκνωτή είναι γεωμετρικά ημικύκλια που ο άξονας περιστροφής διέρχεται από το γεωμετρικό κέντρο τους είναι γραμμικοί ως προς τη χωρητικότητα. Σ' αυτή τη περίπτωση η μεταβολή της χωρητικότητας είναι ανάλογη της γωνίας περιστροφής, συνεπώς η χωρητικότητα μεταβάλλεται γραμμικά με την στρέψη του άξονα περιστροφής.

Γραμμικοί ως προς τη συχνότητα: Όταν το σχήμα των κινητών οπλισμών του μεταβλητού πυκνωτή είναι ελικοειδή ημικύκλια είναι γραμμικοί ως προς τη συχνότητα. Σ' αυτή τη περίπτωση η μεταβολή της συχνότητας του τμήματος συντονισμού που βρίσκεται ο πυκνωτής είναι ανάλογη της γωνίας περιστροφής, συνεπώς η συχνότητα μεταβάλλεται γραμμικά με την στρέψη του άξονα περιστροφής.

Ρυθμιζόμενοι πυκνωτές

Οι ρυθμιζόμενοι πυκνωτές είναι πυκνωτές μεταβλητής χωρητικότητας που συνδέονται σε σειρά ή παράλληλα με τους σταθερούς πυκνωτές και χρησιμοποιούνται στη  μικρορύθμιση της χωρητικότητας του κυκλώματος, στην φάση της κατασκευής του. Αυτού του είδους οι πυκνωτές είναι γνωστοί σαν πυκνωτές τρίμμερ ή πάντερ.

Ο ρυθμιζόμενος πυκνωτής αποτελείται από δυο δέσμες πτερυγίων, που η μια είναι κινητή και η άλλη ακίνητη. Σαν διηλεκτρικό χρησιμοποιείται πορσελάνη , μίκα ή πολυεστέρα. Ο κινητός οπλισμός μετακινείται περιστροφικά η κατακόρυφα, με τη βοήθεια κατσαβιδιού σε σχισμή άξονα, που είναι στερεωμένος στον οπλισμό του πυκνωτή.

Συμβολισμός πυκνωτών