Kondensator

Kondensator (C) to element bierny zbudowany z dwóch przewodzących okładek rozdzielonych izolatorem, czyli dielektrykiem. Po przyłożeniu napięcia gromadzi ładunek i energię w polu elektrycznym między okładkami, a jego podstawowym parametrem jest pojemność podawana w faradach (F).

---

Jak zbudowany jest kondensator i jak działa?

Nazwa pochodzi od łacińskiego condensare, czyli „zagęszczać”. Każdy kondensator ma te same trzy części: dwie okładki (folia metalowa, napylona warstwa metalu albo płytki), dielektryk między nimi (powietrze, ceramika, folia z tworzywa, papier, warstwa tlenku) oraz wyprowadzenia do podłączenia w obwodzie. W kondensatorach foliowych okładki i izolator zwija się w ciasny wałek, żeby zmieścić dużą powierzchnię w małej obudowie.

Po podłączeniu źródła elektrony odpływają z jednej okładki i gromadzą się na drugiej. Ładunki się przyciągają, ale nie mogą przejść przez izolator, więc między okładkami narasta pole elektryczne. Gdy napięcie na kondensatorze zrówna się z napięciem źródła, ładowanie się kończy i przy prądzie stałym przez element przestaje płynąć prąd. Przy prądzie przemiennym kondensator ładuje się i rozładowuje w rytmie zmian napięcia, więc w obwodzie stale płynie prąd, ograniczany przez reaktancję pojemnościową.

Energię zgromadzoną w naładowanym elemencie obliczysz ze wzoru:

W = ½ · C · U²

• W – energia zgromadzona w polu elektrycznym [J],
• C – pojemność kondensatora [F],
• U – napięcie na okładkach [V].

Napięcie występuje tu w kwadracie, więc dwa razy wyższe napięcie oznacza cztery razy więcej energii. Ten szczegół wraca przy ocenie, jak groźny jest naładowany element.

Rodzaje kondensatorów

Kondensatory dzieli się przede wszystkim według rodzaju dielektryka, bo od niego zależą osiągalna pojemność, dopuszczalne napięcie i trwałość.

Rodzaj	Typowe pojemności	Biegunowość	Gdzie go spotkasz
Ceramiczny	od pF do kilkudziesięciu µF	nie	elektronika, filtrowanie zakłóceń wysokiej częstotliwości
Foliowy (np. polipropylenowy MKP)	od nF do kilkuset µF	nie	silniki jednofazowe, baterie do kompensacji, filtry sieciowe
Elektrolityczny aluminiowy	od 1 µF do dziesiątek mF	tak	zasilacze, obwody pośrednie DC falowników
Superkondensator	od ułamków F do tysięcy F	tak	podtrzymanie pamięci, magazyny energii o krótkim czasie pracy

Osobną grupę tworzą kondensatory przeciwzakłóceniowe klas X i Y. Typ X łączy się między fazą a neutralnym, a typ Y między przewodem czynnym a obudową lub przewodem PE. Kondensator klasy Y musi przy uszkodzeniu przerwać obwód, a nie zewrzeć, bo inaczej na obudowie urządzenia pojawiłoby się napięcie fazowe.

Jak się oznacza kondensator?

Na schematach zgodnych z normą PN-EN 60617 kondensator to dwie równoległe kreski, a kondensator elektrolityczny ma dodatkowo zaznaczony biegun dodatni. Na schemacie elementy numeruje się literą C: C1, C2 i dalej.

Na obudowie znajdziesz pojemność, napięcie znamionowe i tolerancję. Małe elementy ceramiczne mają kod trzycyfrowy w pikofaradach: dwie pierwsze cyfry to wartość, a trzecia to liczba zer. Kod 104 oznacza więc 100 000 pF, czyli 100 nF, a 472 to 4,7 nF. Kondensatory silnikowe mają czytelny opis, np. „20 µF 450 V AC”, oraz klasę pracy.

Czy ma znaczenie, jak podłączyć kondensator?

Przy elektrolitach ma znaczenie kluczowe. Kondensator elektrolityczny podłączony odwrotnie traci warstwę tlenku, nagrzewa się, a obudowa może się rozszczelnić albo rozerwać. Biegun ujemny producenci znaczą paskiem na obudowie i krótszą nóżką.

Druga reguła dotyczy napięcia. Napięcie robocze nie może przekraczać znamionowego, bo grozi przebiciem dielektryka. W sieci 230 V wartość szczytowa wynosi około 325 V, dlatego kondensatory pracujące bezpośrednio w sieci przemiennej dobiera się z napięciem znamionowym AC, a nie DC.

Gdzie kondensatory pracują w instalacjach elektrycznych?

Najbardziej znane zastosowanie to kompensacja mocy biernej. Silniki i transformatory pobierają moc bierną indukcyjną, a bateria kondensatorów dostarcza ją lokalnie, co poprawia współczynnik mocy i odciąża linię zasilającą. W zakładach baterie mają regulator, który dołącza kolejne stopnie przez specjalne styczniki kondensatorowe.

Drugie miejsce to silniki jednofazowe 230 V w pompach, sprężarkach i wentylatorach. Kondensator pracy przesuwa prąd w uzwojeniu pomocniczym, dzięki czemu powstaje pole wirujące, a większy kondensator rozruchowy dołącza się tylko na czas rozruchu. Uszkodzony kondensator objawia się tym, że silnik buczy, ale nie rusza. Spotkasz je też w filtrach przeciwzakłóceniowych, zasilaczach LED i obwodach pośrednich falowników.

Jak długo kondensator trzyma ładunek i jak go bezpiecznie rozładować?

Idealny kondensator po odłączeniu zasilania zachowałby napięcie bez końca. Rzeczywisty traci je powoli przez upływność dielektryka, co może trwać od sekund do wielu godzin. Szybkość rozładowania przez rezystor opisuje stała czasowa:

τ = R · C

• τ – stała czasowa [s],
• R – rezystancja obwodu rozładowania [Ω],
• C – pojemność kondensatora [F].

Po upływie 5τ napięcie spada poniżej 1% wartości początkowej. Kondensator 20 µF z rezystorem rozładowczym 1 MΩ ma τ = 20 s, więc rozładuje się w niecałe dwie minuty. Norma PN-EN 60831-1 wymaga, by kondensatory do kompensacji miały układ rozładowczy, który obniży napięcie do 75 V lub mniej w ciągu 3 minut.

Bez rezystora albo przy jego przerwie element potrafi długo trzymać napięcie szczytowe sieci. Dotknięcie zacisków grozi porażeniem prądem, mimo że urządzenie jest odłączone od zasilania. Przed pracą zmierz napięcie na zaciskach i rozładuj kondensator przez rezystor o odpowiedniej mocy, nigdy przez zwarcie śrubokrętem. Producenci falowników podają na obudowie czas oczekiwania po wyłączeniu, zwykle kilka minut, bo w obwodzie DC napięcie sięga około 560 V. Pytanie o sprawdzanie braku napięcia przed dotknięciem części czynnych może pojawić się na egzaminie SEP grupy 1, a kondensator dobrze pokazuje, dlaczego samo wyłączenie zasilania nie wystarcza.

Najczęściej zadawane pytania