Πυκνωτής

Πυκνωτής (συμβ. C) ονομάζεται ένα σύστημα δύο γειτονικών αγωγών ανάμεσα στους οποίους παρεμβάλλεται μονωτικό υλικό. Αυτό το μονωτικό υλικό μπορεί να είναι αέρας, πλαστικό, μίκα κ.α. Οι δύο αγωγοί ονομάζονται οπλισμοί του πυκνωτή, ενώ το παρεμβαλλόμενο υλικό ονομάζεται διηλεκτρικό του πυκνωτή. Βασικό χαρακτηριστικό κάθε πυκνωτή είναι η ιδιότητά του να αποθηκεύει ηλεκτρικό φορτίο, επομένως ηλεκτρική ενέργεια. Όταν ένας πυκνωτής είναι φορτισμένος, οι οπλισμοί του έχουν ηλεκτρικά φορτία κατά μέτρο ίσα και αντίθετα. Ονομάζουμε φορτίο του πυκνωτή (Qc) το φορτίο του θετικά φορτισμένου οπλισμού του. Μεταξύ των οπλισμών ενός φορτισμένου πυκνωτή αναπτύσσεται διαφορά δυναμικού, την οποία ονομάζουμε τάση του πυκνωτή (Vc). Το σταθερό πηλίκο του φορτίου ενός πυκνωτή προς την τάση του ονομάζεται χωρητικότητα του πυκνωτή και συμβολίζεται με το αγγλικό γράμμα C, που είναι το αρχικό γράμμα της λέξης Capacity: Ισχύει ότι: C = Q V {\displaystyle C={\frac {Q}{V}}} Μονάδα μέτρησης της χωρητικότητας του πυκνωτή είναι το 1 Φαράντ Farad (F). Πρόκειται όμως για μεγάλη μονάδα, που σπάνια χρησιμοποιείται στην πράξη. Συνήθως χρησιμοποιούνται τα υποπολλαπλάσιά του: μικροφαράντ (μF), νανοφαράντ (nF) και πικοφαράντ (pF).

 Η χωρητικότητα του πυκνωτή ΔΕΝ εξαρτάται από το φορτίο Qc, ούτε από την τάση του (Vc). Η χωρητικότητα του πυκνωτή είναι δεδομένη, ακόμα και στην περίπτωση που ο πυκνωτής είναι αφόρτιστος. Η χωρητικότητα ενός πυκνωτή εξαρτάται από τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά του και από τη φύση του διηλεκτρικού του, είναι όμως ανεξάρτητη από το υλικό των οπλισμών του. Αποδεικνύεται ότι η χωρητικότητα του επίπεδου πυκνωτή, δίνεται από τη σχέση: C = ϵ ⋅ ϵ 0 A d {\displaystyle C=\epsilon \cdot \epsilon _{0}{\frac {A}{d}}} όπου: C {\displaystyle C} η χωρητικότητα του πυκνωτή ϵ {\displaystyle \epsilon } η σχετική διηλεκτρική σταθερά του διηλεκτρικού ϵ 0 {\displaystyle \epsilon _{0}} η απόλυτη διηλεκτρική σταθερά του κενού και έχει τιμή ϵ 0 = 8 , 85 ⋅ 10 − 12 C 2 ⋅ N − 1 ⋅ m − 2 {\displaystyle \epsilon _{0}=8,85\cdot 10^{-12}\ C^{2}\cdot N^{-1}\cdot m^{-2}} στο S.I. A {\displaystyle A} το εμβαδόν του κάθε οπλισμού d {\displaystyle d} η απόσταση μεταξύ των δυο οπλισμών Για να φορτιστεί ένας πυκνωτής απαιτείται ενέργεια, η οποία αποθηκεύεται σε αυτόν. Αποδεικνύεται ότι η ενέργεια είναι ανεξάρτητη από τον τρόπο φόρτισης του πυκνωτή και αποθηκεύεται με τη μορφή ενέργειας ηλεκτρικού πεδίου U e {\displaystyle U_{e}} . Η τιμή της δίνεται από τον τύπο: U e = 1 2 C ⋅ V C 2 {\displaystyle U_{e}={\frac {1}{2}}C\cdot V_{C}^{2}} ή U e = 1 2 Q 2 C {\displaystyle U_{e}={\frac {1}{2}}{\frac {Q^{2}}{C}}} ή U e = 1 2 Q ⋅ V C {\displaystyle U_{e}={\frac {1}{2}}Q\cdot V_{C}} Λόγω της δυνατότητάς τους να αποθηκεύουν ηλεκτρικό φορτίο και να το αποδίδουν κατόπιν αποφορτιζόμενοι σε ένα κύκλωμα (δρώντας έτσι ουσιαστικά ως πηγές ρεύματος), οι πυκνωτές αποτελούν βασικά στοιχεία κάθε σύγχρονου ηλεκτρονικού κυκλώματος. Μερικές χρήσεις τους είναι σε κυκλώματα εξομάλυνσης τάσης, στη διαμόρφωση της συχνότητας εκπομπής ραδιοφωνικών πομπών, στις εισόδους και εξόδους των τρανζίστορς κ.α. Ο πρώτος πυκνωτής κατασκευάστηκε στο πανεπιστήμιο του Λέιντεν στην Ολλανδία το 1745. Μέχρι και τις αρχές του εικοστού αιώνα, ο πυκνωτής λεγόταν στα ελληνικά Λουγδουνική Λάγηνος (δηλαδή δοχείο του Λέιντεν). Υπάρχουν δύο βασικοί τύποι πυκνωτών ο σταθερός και ο μεταβλητός, πού χρησιμοποιούνται σ' ένα ευρύτατο πεδίο τηλεφωνικών συσκευών. Οι σταθεροί πυκνωτές μπορούν ακόμη να υποδιαιρεθούν σε ηλεκτρολυτικούς και μη ηλεκτρολυτικούς, μαζί δε αποτελούν μέχρι τώρα τη μεγαλύτερη αναλογία στην αγορά. Οι πυκνωτές αναφέρονται μερικές φορές με την ονομασία συμπυκνωτές, πού ήταν και ή αρχική τους ονομασία. Όλοι οι πυκνωτές παρουσιάζουν κάποια αντίσταση και κάποια επαγωγή, λόγω της κατασκευής τους. Αυτές ακριβώς οι ανεπιθύμητες ιδιότητες θέτουν περιορισμούς, πού συχνά καθορίζουν το πεδίο εφαρμογής τους. Ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές. Οι ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές έχουν πολύ υψηλότερη αντίσταση από οποιοδήποτε άλλο τύπο. Αυτό επιτυγχάνεται, κατασκευάζοντας την ωφέλιμη διαχωριστική πλάκα (οπλισμός) εξαιρετικά μικρή, χρησιμοποιώντας ένα πολύ μικρό διηλεκτρικό (μονωτή) πάχους μεταξύ 200 και 10.000 Ώνγκστρεμ (δύο εκατοντάκις χιλιοστά του mm μέχρι ένα χιλιοστό του mm). Το διηλεκτρικό είναι ένα στρώμα οξειδίου, πού σχηματίζεται με ηλεκτρόλυση επάνω σε μια πλάκα τανταλίου ή αλουμινίου. Κατά την ηλεκτρόλυση έχουμε διέλευση ηλεκτρικού ρεύματος δια μέσου ενός υγρού (πού ονομάζεται ηλεκτρολύτης). Ό πυκνωτής έχει πληρωθεί με ηλεκτρολυτικά υγρά και ή διαδικασία της ηλεκτρολύσεως συνεχίζεται καθ' όλο το χρονικό διάστημα της λειτουργίας του. Στους ηλεκτρολυτικούς πυκνωτές ή πλάκα του τανταλίου ή αλουμινίου αποτελεί το θετικό οπλισμό (την άνοδο) και ή διαδικασία της οξειδώσεως ονομάζεται ανοδική οξείδωση. Ο αρνητικός οπλισμός (κάθοδος) αποτελείται συνήθως από χαλκό. Επειδή ο ηλεκτρολύτης είναι καλός αγωγός του ηλεκτρισμού, ή ωφέλιμη διαχωριστική πλάκα αποτελείται μόνο από το στρώμα του οξειδίου, το όποιο είναι εξαιρετικά καλό διηλεκτρικό υλικό. Τυχόν ατέλειες στο στρώμα του οξειδίου αυτοαναιρούνται με την ηλεκτρολυτική δράση ενός ρεύματος διαρροής μικρής εντάσεως, το όποιο οδεύει δια μέσου του ηλεκτρολύτη και των ατελειών του οξειδίου, με την προϋπόθεση ότι το ρεύμα έχει την ορθή φορά (η αντίστροφη φορά θα προκαλούσε την ταχύτατη καταστροφή του πυκνωτή). Οι κατασκευαστές πυκνωτών έχουν τα δικά τους ηλεκτρολυτικά μίγματα. Συνήθως, όμως, χρησιμοποιούν είτε οξέα, όπως το θειικό οξύ, είτε διαλύματα άλατος, όπως το γλυκολικό άλας του βορίου. Οι ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές αλουμινίου αποτελούνται από τυλιγμένες εναλλάξ μεταλλικές λωρίδες, μια από αλουμίνιο για την άνοδο και μια από χαλκό για την κάθοδο. Οι λωρίδες είναι διάσπαρτες μ' έναν πορώδη ιστό, πού εμβαπτίζεται σ' έναν ηλεκτρολύτη και περιτυλίσσονται σ' ένα κυλινδρικό πηνίο. Το αρχικά διαμορφωμένο φύλλο αλουμινίου χαράσσεται με οξύ, για να δημιουργηθούν πόροι στην επιφάνεια του φύλλου. Ή κατεργασία αυτή αυξάνει μέχρι και 50 φορές παραπάνω την ωφέλιμη επιφάνεια. Οι λωρίδες αλουμινίου συγκολλώνται επάνω στα φύλλα, πού αποτελούν την ηλεκτρική επαφή, ενώ ο αριθμός των λωρίδων εξαρτάται από το μήκος του φύλλου, πού χρησιμοποιείται. Το φύλλο της καθόδου (πού είναι κατασκευασμένο από χαλκό) χαράσσεται κατά τον ίδιο τρόπο και επικαλύπτεται προσθέτοντας ένα πολύ λεπτό στρώμα οξειδίου, πού αυξάνει σημαντικά τη χωρητικότητα του. Αν τα δύο φύλλα συνδεθούν σε σειρά στη συνολική χωρητικότητα θα επικρατεί τελικά ή χωρητικότητα της ανόδου. Κατασκευάζονται επίσης πυκνωτές τανταλίου με τη μορφή φύλλου, οι όποιοι είτε έχουν χαραχθεί με οξύ, είτε όχι. Μέχρι σήμερα τη μεγαλύτερη ζήτηση έχουν οι στερεοί πυκνωτές τανταλίου. Το ταντάλιο με τη μορφή σκόνης λιώνεται σε φούρνο και παίρνουμε ένα πορώδες σώμα πού διαμορφώνεται κυλινδρικά ή ως δίσκος. Το πορώδες σώμα στην περίπτωση αυτή αποτελεί την άνοδο του ηλεκτρολύτη. Το διηλεκτρικό στρώμα του οξειδίου του τανταλίου σχηματίζεται με ανοδική οξείδωση. Το ηλεκτρόδιο της καθόδου μπορεί να είναι είτε υγρός είτε στερεός ηλεκτρολύτης. Ο στερεός ηλεκτρολύτης παρασκευάζεται με εμβάπτιση της πορώδους ανόδου, πού σχηματίσθηκε σε νιτρικό μαγγάνιο. Ακολουθεί χημική διάσπαση του νιτρικού μαγγανίου με θέρμανση της ανόδου σε φούρνο και σχηματισμός στερεού στρώματος οξειδίου του μαγγανίου. Ή διαδικασία αυτή επαναλαμβάνεται αρκετές φορές, για να πάρουμε ικανοποιητικά παχύ στρώμα, ώστε να παρουσιάζει χαμηλή αντίσταση. Βυθίζοντας τελικά το οξείδιο του μαγγανίου σε συγκολλητικό λουτρό, σχηματίζεται επαφή, πού προσκολλάται στο μεταλλικό περίβλημα του πυκνωτή. Το στρώμα οξειδίου στους πυκνωτές τανταλίου είναι πολύ σταθερό και δεν φθείρεται μετά από μεγάλες χρονικές περιόδους ακινησίας. "Έτσι, η ιδιότητα του αυτή κάνει τους πυκνωτές ιδανικούς για στρατιωτικές και τηλεπικοινωνιακές εφαρμογές, όπου βασική απαίτηση είναι ή αξιοπιστία. Μη ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές. Από τους μη ηλεκτρολυτικούς πυκνωτές, ενδιαφέρον παρουσιάζουν μόνο οι τύποι χάρτου, μεμβράνης, μίκας και ο κεραμικός πυκνωτής. Παλιότεροι τύποι, όπως σμάλτου, υαλώδους σμάλτου και ορισμένων κεραμικών, αναμένεται ότι θα εξαφανιστούν στα αμέσως επόμενα χρόνια. Τελικά, οι πυκνωτές μεμβράνης θα αντικαταστήσουν και τους πυκνωτές μίκας και χάρτου. Ή μίκα είναι ένα φυσικό διηλεκτρικό με πολύ χαμηλό συντελεστή διαχύσεως, δηλαδή πολύ υψηλή αντίσταση. ΟΙ πυκνωτές κατασκευάζονται είτε από στοιβαγμένα φύλλα μίκας μ' επικάλυψη από ασήμι, πού χρησιμεύει για ηλεκτρόδια, είτε με ηλεκτρόδια από ελάσματα κασσιτέρου, τα όποια εισάγονται μεταξύ των στρωμάτων της μίκας. Οι πυκνωτές αυτοί είναι ιδιαίτερα χρήσιμοι σε εφαρμογές υψηλών τάσεων ή υψηλών συχνοτήτων, όπως στην ασύρματη επικοινωνία. Λόγω του ελέγχου πού μπορούμε να ασκήσουμε στη χημική σύνθεση των κεραμικών διηλεκτρικών, προκύπτει μια μεγάλη ποικιλία χρήσιμων ιδιοτήτων για τους πυκνωτές. ΟΙ υψηλές διαπερατότητες (διηλεκτρικές σταθερές) πού μπορούν να επιτευχθούν, έχουν ως αποτέλεσμα πολύ υψηλή χωρητικότητα ανά μονάδα όγκου, εφαρμόζονται όμως συνήθως σε τύπους χαμηλής τάσεως. Ένας συνηθισμένος τύπος κατασκευής αποτελείται από έναν κεραμικό σωλήνα με επιμεταλλωμένα ηλεκτρόδια μέσα και έξω από το σωλήνα με πολύ καλές ιδιότητες στις υψηλές συχνότητες. Ένα από τα ευρύτατα χρησιμοποιούμενα κεραμικά υλικά είναι και ο τύπος ρουτιλίου. Αυτό περιέχει οξείδιο του τιτανίου και ορθοτιτανικό μαγνήσιο σε ρυθμιζόμενες αναλογίες, με τις οποίες επιτυγχάνεται ο έλεγχος του θερμικού συντελεστή χωρητικότητας (δηλαδή της μεταβολής της χωρητικότητας ως προς τις μεταβολές της θερμοκρασίας). Οι πυκνωτές αυτοί αποτελούνται από μικρά ορθογώνια κομμάτια κεραμικού υλικού με μεταλλικά ηλεκτρόδια στις απέναντι επιφάνειες. Οι πυκνωτές χαρτιού και μεμβράνης κατασκευάζονται χρησιμοποιώντας μια παρόμοια τεχνική, περιτυλίγοντας δηλαδή το διηλεκτρικό και τα μεταλλικά ηλεκτρόδια και δίνοντας τους κυλινδρικό σχήμα. Τα ηλεκτρόδια μπορούν να είναι από φύλλα αλουμινίου ή κασσιτέρου, είτε εναλλακτικά ένα στρώμα αλουμινίου ή ψευδαργύρου, πού επικάθεται σε περιβάλλον κενού επάνω στο χαρτί ή στη μεμβράνη. Όλοι οι πυκνωτές πού χρησιμοποιούν το χαρτί ως διηλεκτρικό εμποτίζονται σε κάποιο λάδι, για να αντικαταστήσουν τον αέρα και να αποφευχθούν οι ηλεκτρικές εκκενώσεις, ή διάσπαση του διηλεκτρικού κατά την εφαρμογή υψηλών τάσεων. Μερικές φορές χρησιμοποιούνται κατασκευές με αναμεμιγμένο χαρτί και μεμβράνη και ενώ οι πυκνωτές επιμεταλλωμένης μεμβράνης δεν εμποτίζονται σε λάδι, δεν ισχύει το ίδιο για τους πυκνωτές μεμβράνης-φύλλου, ακόμη και όταν δεν έχουν χαρτί. Οι πυκνωτές χαρτιού και μεμβράνης έχουν ευρύτατες εφαρμογές και αναμένεται, ότι τελικά οι πυκνωτές μεμβράνης θα αντικαταστήσουν όλους τους άλλους τύπους. Ό ευρύτερα χρησιμοποιούμενος πυκνωτής μεμβράνης είναι ο επιμεταλλωμένος τύπος τερεφθαλικού πολυαιθυλενίου. Ή μεγάλη περιοχή χωρητικοτήτων και θερμοκρασιών (-55° Ο μέχρι +125° Ο) των διαθέσιμων πυκνωτών επιτρέπει τη χρήση τους σε μια μεγάλη περιοχή εφαρμογών. Μεμβράνες, όπως το πολυστυρόλιο, πολυανθρακικό και πολυσουλφονικό έχουν πολύ ειδικές χρήσεις. Το πολυπροπυλένιο φαίνεται, ότι είναι ή μεμβράνη πού έχει τις περισσότερες πιθανότητες ν' αντικαταστήσει τους δυο τύπους πυκνωτών χαρτιού, τόσο στην επιμεταλλωμένη, όσο και στην εμποτισμένη κατασκευή. Μεταβλητοί πυκνωτές. Οι μεταβλητοί πυκνωτές χρησιμοποιούν γενικά ως διηλεκτρικό τον αέρα ή το κενό, ενώ μερικές φορές χρησιμοποιούνται κεραμικά υλικά. Χωρίζονται σε δύο βασικές υποομάδες τους πυκνωτές συντονισμού και τους πυκνωτές ακριβούς ρυθμίσεως (trimmer). Οι πυκνωτές συντονισμού πήραν αυτή την ονομασία τους, γιατί χρησιμοποιούνται σε κυκλώματα συντονισμού υψηλών συχνοτήτων. Αποτελούνται από δύο ομάδες παράλληλων μεταλλικών πλακών, από τις όποιες μια μονώνεται από το πλαίσιο συναρμολογήσεως με κεραμικά στηρίγματα, ενώ ή άλλη στερεώνεται σ' έναν άξονα, πού δίνει τη δυνατότητα στη μια ομάδα να στρέφεται και να εισέρχεται ή να εξέρχεται στην άλλη ομάδα. Τα επίπεδα των πλακών αλληλοεμπλέκονται όπως τα δάκτυλα, αλλά δεν αγγίζουν μεταξύ τους. Οι πυκνωτές ακριβούς ρυθμίσεως κατασκευάζονται από επίπεδα μεταλλικά φύλλα, πού διαχωρίζονται από μια πλαστική μεμβράνη και βιδώνονται μεταξύ τους. Έχουν μικρότερο πεδίο μεταβολής από τους πυκνωτές συντονισμού και για το λόγο αυτό χρησιμοποιούνται εκεί, όπου απαιτούνται μικρές μεταβολές. Θεωρητικά για την εκλογή ενός πυκνωτή θα μπορούσε να καθοριστεί μια μεγάλη ποικιλία παραμέτρων, όπως χωρητικότητα, μέγιστη τάση, ρεύματα διαρροής, αντίσταση μονώσεως (ως προς την ανοχή και την ακρίβεια), μέγεθος, κόστος, θερμοκρασίες λειτουργίας, θερμικός συντελεστής χωρητικότητας, αξιοπιστία, επίδραση υγρασίας, τύπος περιβλήματος και τύπος ακροδεκτών. Κατά τη σχεδίαση ενός πυκνωτή για συγκεκριμένη εφαρμογή, θα πρέπει να γίνει κάποιος συμβιβασμός ως προς τις σπουδαιότερες απαιτήσεις από τις παραμέτρους του παραπάνω πίνακα.