Kondenzátor

Z Multimediaexpo.cz

Ukázka elektrolytických kondenzátorů

Kondenzátor je elektrotechnická součástka používaná v elektrických obvodech k dočasnému uchování elektrického náboje, a tím i k uchování potenciální elektrické energie. Základní vlastností pro hodnocení kondenzátoru je jeho elektrická kapacita, technicky je kondenzátor určen maximálním povoleným napětím, druhem dielektrika a provedením vývodů (axiální, radiální, bezvývodový). Někdy se také užívá pojmu kapacitor. Pokud se mluví o kapacitoru, je tím myšlena ideální součástka jejíž jedinou vlastností je kapacita. Jako kondenzátor se označuje součástka skutečná, která má kromě kapacity i další parazitní vlastnosti.

Princip kondenzátoru

Kondenzátor se skládá ze dvou vodivých desek (elektrod) oddělených dielektrikem. Na každou z desek se přivádí elektrické náboje opačné polarity, které se vzájemně přitahují elektrickou silou. Dielektrikum mezi deskami nedovolí, aby se částice s nábojem dostaly do kontaktu, a tím došlo k neutralizaci, jinak vybití elektrických nábojů. Přitom dielektrikum svou polarizací zmenšuje sílu elektrického pole nábojů na deskách a umožňuje tak umístění většího množství náboje. Vzhledem k elektrostatické indukci je velikost náboje na obou deskách stejná.

Základní vlastnosti kondenzátoru

Pokud budeme vybírat kondenzátor pro konkrétní užití, budou nás zajímat především následující vlastnosti:

• kapacita
• maximální povolené napětí
• činitel jakosti
• další vlastnosti jako cena, hmotnost, trvanlivost, teplotní stálost, tvar…

Kapacita kondenzátoru

Kapacita C kondenzátoru závisí na ploše S jeho desek, vzájemné vzdálenosti d desek mezi sebou a permitivitě ε dielektrika mezi deskami:

\(C = \varepsilon_0\varepsilon_r \frac {S}{d} \) (platí jen pro deskový kondenzátor)

Na desku kondenzátoru s kapacitou C lze uložit elektrický náboj:

\(Q = C U\)

kde U je elektrické napětí mezi deskami kondenzátoru. Jednotkou kapacity v soustavě SI je farad.

Napětí kondenzátoru

Napětí na celé součástce lze vypočítat jednoduše:

\(U = \frac {Q}{C}\)

Napětí na nabitém kondenzátoru je stejné, jako je napětí zdroje. Napětí mezi elektrodami je stejné jak v součástce, tak na vodiči, kterým bychom je spojili zvenčí. Napětí můžeme vyjádřit jako rozdíl elektrostatických potenciálů obou elektrod:

\(U = \int_{\mathbf{r}_1}^{\mathbf{r}_2} \mathbf{E}\cdot\mathrm{d}\mathbf{l} =\varphi_1-\varphi_2\)

kde E je vektor elektrického pole mezi elektrodami, r₁ a r₂ jsou polohové vektory a l je vzdálenost desek. Ve střídavém obvodu proud na kondenzátoru předbíhá napětí o 90°.

Energie nabitého kondenzátoru

Je-li dielektrikum kondenzátoru lineární, pak pro energii elektrického pole akumulovanou v nabitém kondenzátoru platí \(W = \frac {1}{2} C U^2\)

Druhy kondenzátorů

vzduchový otočný kapacitní trimr

ladicí kondenzátor

svitkové kondenzátory v různých provedeních

Leydenská láhev je historicky první kondenzátor. Jedná se o skleněnou nádobu, na jejíž vnější i vnitřní straně jsou přilepeny (příp. napařeny) kovové vrstvy. Používala se k uchování náboje vzniklého ve Whimhurstově indukční elektrice. Podle tvaru lze rozlišit kondenzátory deskové, válcové, kulové, svitkové (svinutý dlouhý vodivý pás oddělený izolantem). Podle použitého dielektrika se kondenzátory dělí

• otočný vzduchový
• papírový (často papír napuštěný voskem) (svitkové)
• elektrolytický (dielektrikem je tenká oxidační vrstva na jedné z elektrod, druhou elektrodu tvoří samotný elektrolyt)
• keramický
• kapacitní dioda – varikap
• slídový
• plastový

Otočný vzduchový

• Je nejstarší typ proměnného kondenzátoru. Má dvě hlavní součásti. rotor a stator Na rotoru i statoru jsou umístěny desky které se otáčením zasouvají a vysouvají do sebe. Tím se mění aktivní S desek a současně i C. Jako dielektrikum je použit vzduch, někdy můžeme najít i polystyren, olej nebo jiné látky.

Otočný kondenzátor umožňuje zasouváním desek mezi sebe měnit účinnou plochu desek, a tím i měnit kapacitu kondenzátoru. Desky mohou mít tvar polokruhu (kapacita pak závisí lineárně na natočení) nebo ledvinovitý (obvykle logaritmický průběh změny kapacity) Pro podobné účely se dnes využívá varikap, kde je kapacita měněna vstupním napětím.

Fóliový (papírový, svitkový)

• Dielektrikum tvoří kondenzátorový papír. (jeho Ε_r mívá hodnotu 4–10)
• Elektrody jsou tvořeny hliníkovou folií s vývody. Kondenzátorový papír včetně elektrod je svinut do válce.
• Někdy je hliník nahrazen pokovením fólie (z obou stran), takový kondenzátor je označován jako metalizovaný (MP). Toto provedení je odolné proti průrazu napěťovými špičkami a dochází k obnovení funkčnosti po průrazu vypálením poškozeného místa na fólii.

Elektrolytický

Je podstatně odlišný od jiných typů kondenzátorů. Katoda je tvořena vodivým elektrolytem, který může být jak tekutý, polosuchý nebo pevný. Anoda je tvořena čistou hliníkovou fólií na které je vrstvička Al₂O₃ (oxid hlinitý), tato vrstvička je dielektrikum. Pokud kondenzátor není dlouhou dobu pod napětím, C se zmenší. Do jisté úrovně se dá zase obnovit připojením stejnosměrného proudu. Elektrody mají velký povrch, který je tvořen nepravidelně naleptanou strukturou povrchu hliníku. Jeho výhodou je vysoká měrná kapacita, nevýhodou naopak to, že nesmí být přepólován a obvykle snese oproti jiným typům jen velmi nízké napětí.

Ukázka poněkud většího olejového kondenzátoru 100 μF na napětí 15 000 V. Kondenzátor má hmotnost 60 kg a olejovou náplň o objemu 13 l

Keramický

• Speciální keramika s velkou permitivitou a malým ztrátovým činitelem. Většinou se vyrábí sintrováním keramického prachu při 1 100 až 1 900 °C do požadovaného tvaru. Vyrábí se jak pro vývodovou montáž, tak i pro povrchovou montáž SMD.
• Dle tvaru na
  • terčové
  • destičkové
  • průchodkové

Kondenzátor v elektrickém obvodu

K zakreslení kondenzátoru v elektrickém obvodu se používá elektrotechnická značka: Elektrotechnické značky kondezátoru

Nabíjení kondenzátoru

Při zapojení kondenzátoru do obvodu se zdrojem stejnosměrného napětí se na deskách kondenzátoru začne hromadit elektrický náboj - kondenzátor se nabíjí. Nabíjení probíhá, dokud se nevyrovná elektrický potenciál na každé z desek s potenciálem příslušného pólu zdroje. Po nabití je mezi deskami kondenzátoru stejné elektrické napětí jako mezi svorkami zdroje a obvodem neprochází elektrický proud.

Vybíjení kondenzátoru

Jestliže se desky kondenzátoru vodivě propojí, elektrický náboj z desek se odvede, kondenzátor se vybije. Tento přesun elektrického náboje způsobí v obvodu elektrický proud. Vybíjecí proud může v případě malého odporu vybíjecího obvodu dosáhnout obrovských špičkových hodnot. To má většinou nejen škodlivé účinky na vybíjecí obvod a kondenzátor samotný, ale vede to i k částečnému vyzáření jeho energie ve formě interferenčního rušení.

Kondenzátor v obvodu střídavého proudu

V obvodu střídavého proudu se kondenzátor opakovaně nabíjí a vybíjí, což má za následek předbíhání elektrického proudu před napětím (fázový posun) a vznik kapacitance, tj. zdánlivého odporu proti průchodu střídavého proudu. Kapacita kondenzátoru spolu s indukčností cívky jsou předpokladem vzniku elektromagnetického kmitání – periodické změny elektrického pole na magnetické pole a opačně. Změnou kapacity lze dosáhnout změny frekvence elektromagnetických kmitů.

Sériové zapojení kondenzátoru

Sériovým zapojením dvou a více kondenzátorů se celková kapacita snižuje. Převrácenou hodnotu výsledné kapacity lze vypočítat jako součet převrácených hodnot jednotlivých kapacit:

\( \frac {1}{C} = \frac {1}{C_1} + \frac {1}{C_2} + ...\)

Paralelní zapojení kondenzátorů

Paralelním zapojením kondenzátoru se celková kapacita zvyšuje. Výsledná kapacita se vypočte součtem jednotlivých kapacit :

\(C = C_1 + C_2 + ...\)

Hodnoty kapacity

Hodnota kapacity spolu s hodnotou maximálního napětí jsou základními hodnotami kondenzátoru. U hodnot kapacity se vychází z řady E6, to je 1,0; 1,5; 2,2; 3,3; 4,7 a 6,8, popis na součástce je třímístný, např. 473 znamená 47 000 pF. Toto značení se používá u kondenzátorů keramických a svitkových. Pro keramické kondenzátory je praktický rozsah hodnot od 1 pF do 1 µF. Pro elektrolytické kondenzátory od 1 µF do 1 F. Moderní tzv. superkapacitory mají kapacity až několik F a mohou skoužit jako doplněk akumulátorů.

Využití kondenzátoru

• Fotografický blesk – nahromaděná elektrická energie v kondenzátoru se v krátkém časovém okamžiku vybije a způsobí silný světelný záblesk.
• Stabilizační prvek v elektrických obvodech – paralelním zapojením do elektrického obvodu lze dosáhnout vyhlazení napěťových špiček, a tím rovnoměrnějšího průběhu elektrického proudu.
• Odstranění stejnosměrné složky elektrického proudu – větví s kondenzátorem nemůže projít stejnosměrný elektrický proud, ale střídavý proud ano.
• Odrušovací kondenzátor je nedílnou součástí všech elektrospotřebičů. Používá se samostatně nebo v kombinaci s tlumivkami. Omezuje elektromagnetické rušení vzniklé spínáním nebo rozpojováním elektrického obvodu pod napětím.
• Ladicí součástka v přijímači – změnou kapacity v oscilačním obvodu přijímače se vlastní frekvence obvodu vyrovná vnější frekvenci a dojde k rezonanci, tj. k zesílení přijímaného signálu.
• Počítačová paměť – paměť složená z velkého množství miniaturních kondenzátorů je schopna uchovat informaci ve formě 0 a 1 (0 = není náboj, 1 = je náboj).
• Defibrilátor – přístroj používaný v lékařství k provádění elektrických šoků při zástavě srdce, kdy velké množství náboje projde během krátké doby přes srdeční sval a může tak obnovit srdeční činnost.
• Časovače – většina generátorů střídavého signálu využívá kondenzátory jako součástky, jejichž střídavé nabíjení a vybíjení určuje periodu kmitů.

Literatura

• Doleček Jaroslav: Moderní učebnice elektroniky 1.díl – základy, ideální a reálné prvky: rezistor, kondenzátor a cívka, BEN – technická literatura, 2005, ISBN 80-7300-146-2

Kondenzátory na webu

• praktika.fjfi.cvut.cz