Co je to kondenzátor, typy kondenzátorů a jejich použití

Základna elektronických součástek pro konstrukci elektronických zařízení je stále složitější. Zařízení jsou spojena do integrovaných obvodů s definovanou funkčností a softwarovým řízením. Jádrem vývoje jsou však základní zařízení: kondenzátory, rezistory, diody a tranzistory.

Co je to kondenzátor?

Přístroj, který uchovává elektrickou energii ve formě elektrických nábojů, se nazývá kondenzátor.

Ve fyzice se množství elektřiny nebo elektrického náboje měří v coulombech (Cl). Elektrická kapacita se měří ve faradech (F).

Osamělý vodič s elektrickou kapacitou 1 farad je kovová koule o poloměru rovném 13 slunečním poloměrům. Kondenzátor tedy obsahuje nejméně 2 vodiče, které jsou odděleny dielektrikem. V jednoduchých konstrukcích zařízení je to papír.

Činnost kondenzátoru ve stejnosměrném obvodu probíhá při zapínání a vypínání zdroje. Pouze při přechodných jevech se mění potenciál na cívkách.

Kondenzátor ve střídavém obvodu se dobíjí s frekvencí rovnou frekvenci napájecího napětí. V důsledku nepřetržitého nabíjení a vybíjení protéká prvkem proud. Vyšší frekvence znamená rychlejší dobíjení zařízení.

Odpor obvodu s kondenzátorem závisí na frekvenci proudu. Při nulové frekvenci stejnosměrného proudu se hodnota odporu blíží nekonečnu. S rostoucí frekvencí střídavého proudu se odpor snižuje.

V případě použití kondenzátorů

Provoz elektronických, rádiových a elektrických zařízení není možný bez kondenzátorů.

V elektrotechnice se používají k fázovému posunu při spouštění asynchronních motorů. Bez fázového posunu nebude třífázový asynchronní motor ve střídavé jednofázové síti fungovat.

Kondenzátory s kapacitou několika faradů - iontové kondenzátory - se používají v elektrických vozidlech jako zdroje energie pro motory.

Abychom pochopili, proč je kondenzátor potřeba, je důležité vědět, že 10-12 % měřicích zařízení pracuje na principu změny elektrické kapacity při změnách vnějšího prostředí. Kapacitní odezva speciálních zařízení se používá k:

• registrace slabých pohybů zvětšením nebo zmenšením vzdálenosti mezi skořápkami;
• detekce vlhkosti záznamem změn dielektrického odporu;
• měření hladiny kapaliny, která při naplnění prvku mění jeho kapacitu.

Je obtížné si představit konstrukci automatiky a reléové ochrany bez kondenzátorů. Některá logika ochrany zohledňuje násobnost přebíjení zařízení.

Kapacitní prvky se používají v obvodech mobilních telefonů, rádiových a televizních zařízení. Kondenzátory se používají v:

• Vysokofrekvenční a nízkofrekvenční zesilovače;
• napájecí jednotky;
• frekvenční filtry;
• zesilovače zvuku;
• procesory a další mikroobvody.

Odpověď na otázku, k čemu slouží kondenzátor, lze snadno najít při pohledu na schémata zapojení elektronických zařízení.

Princip kondenzátoru

Ve stejnosměrném obvodu se na jedné desce shromažďují kladné náboje a na druhé záporné. Částice jsou v zařízení drženy pohromadě díky vzájemné přitažlivosti a dielektrikum mezi nimi zabraňuje jejich spojení. Čím tenčí je dielektrikum, tím silněji jsou náboje spojeny.

Kondenzátor odebírá množství elektřiny potřebné k naplnění kapacity a proud se zastaví.

Při konstantním napětí v obvodu udržuje prvek náboj až do vypnutí napájení. Poté se vybíjí přes zátěže v obvodu.

Střídavý proud protéká kondenzátorem jiným způsobem. První ¼ periody kmitů je okamžikem nabití zařízení. Amplituda nabíjecího proudu exponenciálně klesá a na konci čtvrtletí klesne na nulu. EMP v tomto bodě dosáhne amplitudy.

Ve druhé ¼ periody se EMF sníží a článek se začne vybíjet. Pokles EMF na začátku je malý a stejně tak i vybíjecí proud. Zvyšuje se podle stejného exponenciálního vztahu. Na konci periody je EMF nulové a proud se rovná jeho amplitudě.

Ve třetí ¼ periody kmitů změní EMF směr, překročí nulu a vzroste. Znaménko náboje na cívkách je obrácené. Proud se zmenšuje a zachovává si svůj směr. V tomto okamžiku je elektrický proud ve fázi 90° před napětím.

U induktorů je tomu naopak: napětí předbíhá proud. Tato vlastnost je na prvním místě při rozhodování, zda použít RC nebo RL obvody.

Na konci cyklu, v poslední ¼ oscilace, klesne EMF na nulu a proud dosáhne své amplitudové hodnoty.

"Kapacita se vybíjí a nabíjí 2krát za periodu a vede střídavý proud.

Jedná se o teoretický popis procesů. Chcete-li pochopit, jak funguje prvek v obvodu přímo v zařízení, vypočítejte indukční a kapacitní odpor obvodu, parametry ostatních účastníků a zohledněte vliv vnějšího prostředí.

Hlavní charakteristiky a vlastnosti

Mezi parametry kondenzátorů, které se používají při konstrukci a opravách elektronických zařízení, patří:

1. Kapacita - C. Určuje množství náboje, které zařízení udrží. Hodnota jmenovité kapacity je uvedena na pouzdře. Články se zapojují do obvodu paralelně nebo sériově, aby se vytvořily požadované hodnoty. Provozní hodnoty se neshodují s vypočtenými hodnotami.
2. Rezonanční frekvence je fp. Pokud je frekvence proudu vyšší než rezonanční frekvence, projeví se indukční vlastnosti prvku. To ztěžuje obsluhu. Pro zajištění jmenovitého výkonu v obvodu je vhodné použít kondenzátor při frekvencích nižších, než jsou rezonanční hodnoty.
3. Jmenovité napětí je Un. Aby se předešlo průrazu prvku, je provozní napětí nastaveno nižší než jmenovité napětí. To je uvedeno na těle kondenzátoru.
4. Polarita. Při nesprávném zapojení dojde k poruše a selhání.
5. Elektrický izolační odpor - Rd. Určuje svodový proud zařízení. V zařízeních jsou části umístěny blízko sebe. Vysoké svodové proudy mohou způsobit parazitní spojení v obvodech. To vede k poruchám. Unikající proud zhoršuje kapacitní vlastnosti prvku.
6. Teplotní koeficient - TKE. Tato hodnota určuje, jak se mění kapacita zařízení v důsledku změn teploty prostředí. Tento parametr se používá při navrhování zařízení pro použití v náročných podmínkách.
7. Parazitní piezoelektrický efekt. Některé typy kondenzátorů vytvářejí v zařízeních šum, když jsou deformovány.

Typy a druhy kondenzátorů

Kapacitní prvky se dělí podle typu dielektrika použitého v jejich konstrukci.

Papírové a kovové kondenzátory

Prvky se používají v obvodech se stejnosměrným nebo slabě pulzujícím napětím. Jednoduchost konstrukce má za následek o 10-25 % nižší stabilitu charakteristik a zvýšenou hodnotu ztrát.

U papírových kondenzátorů jsou kryty z hliníkové fólie odděleny papírem. Sestavy jsou stočeny a umístěny ve válcovém nebo obdélníkovém krytu ve tvaru rovnoběžníku.

Zařízení pracují při teplotách od -60 °C do 125 °C, se jmenovitým napětím do 1600 V u nízkonapěťových zařízení a nad 1600 V u vysokonapěťových zařízení a s kapacitou až desítky μF.

V zařízeních papír-kov je na dielektrický papír místo fólie nanesena tenká vrstva kovu. To pomáhá vyrábět menší součásti. V případě menší poruchy se dielektrikum může samo opravit. Kovovo-papírové články jsou z hlediska izolačního odporu horší než papírové články.

Elektrolytické kondenzátory

Konstrukce těchto výrobků je podobná konstrukci papírových kondenzátorů. Při výrobě elektrolytických článků se však papír impregnuje oxidy kovů.

V případě výrobku s elektrolitem bez papíru je oxid nanesen na kovovou elektrodu. Oxidy kovů mají jednosměrnou vodivost, což činí zařízení polárním.

U některých modelů elektrolytických článků jsou kryty vyrobeny s drážkami, které zvětšují povrch elektrody. Mezery mezi deskami se odstraní jejich vyplněním elektrolytem. Tím se zlepšují kapacitní vlastnosti výrobku.

Vysoká kapacita elektrolytických zařízení, stovky μF, se používá ve filtrech k vyhlazení zvlnění napětí.

Hliníkové elektrolytické

U tohoto typu přístroje je anodová deska vyrobena z hliníkové fólie. Povrch je pokryt oxidem kovu, dielektrikem. Katodovou podložkou je pevný nebo kapalný elektrolyt, který je zvolen tak, aby se oxidová vrstva na fólii během provozu regenerovala. Samooprava dielektrika prodlužuje provozní dobu prvku.

Kondenzátory této konstrukce vyžadují dodržení polarity. Obrácením polarity dojde k roztržení pouzdra.

Zařízení, která mají uvnitř protiběžné polární sestavy, se používají ve dvou směrech. Hliníkové elektrolytické články mají kapacitu až několik tisíc µF.

Tantalové elektrolytické

Anodová elektroda těchto zařízení je vyrobena z porézní struktury, která se získává zahřátím tantalového prášku na teplotu až 2000 °C. Materiál má houbovitý vzhled. Pórovitost zvětšuje povrch.

Pomocí elektrochemické oxidace se na anodu nanese vrstva pentoxidu tantalu o tloušťce až 100 nanometrů. Pevné dielektrikum je vyrobeno z oxidu manganičitého. Hotová konstrukce je zalisována do směsi, speciální pryskyřice.

Tantalové výrobky se používají při frekvencích proudu nad 100 kHz. Kapacity jsou konstruovány až do stovek μF, s provozním napětím až 75 V.

Polymer

V kondenzátorech se používá pevný polymerní elektrolyt, který má několik výhod:

• životnost je prodloužena na 50 000 hodin;
• parametry jsou při zahřívání zachovány;
• širší rozsah zvlnění proudu;
• odpor svorek a elektrod nezmenšuje kapacitu.

Typ filmu

Dielektrikem těchto modelů je teflonová, polyesterová, fluoroplastová nebo polypropylenová fólie.

Kryty jsou tvořeny fólií nebo kovovým nástřikem na fólii. Konstrukce slouží k vytváření vícevrstvých sestav se zvětšeným povrchem.

Fóliové kondenzátory mají kapacitu stovek μF při miniaturních rozměrech. V závislosti na uspořádání vrstev a kontaktních vodičů se vyrábějí výrobky axiálního nebo radiálního tvaru.

Některé modely mají jmenovité napětí 2 kV nebo vyšší.

Rozdíl mezi polárním a nepolárním

Nepolární provedení umožňuje zapojení kondenzátorů do obvodu bez ohledu na směr proudu. Prvky se používají ve filtrech pro střídavé zdroje, vysokofrekvenční zesilovače.

Polární výrobky jsou připojeny v souladu s označením. Při opačném zapojení zařízení selže nebo nebude správně fungovat.

Polární a nepolární kondenzátory s vysokou a nízkou kapacitou se liší v provedení dielektrika. Pokud je u elektrolytických kondenzátorů oxid nanesen na 1 elektrodu nebo 1 stranu papíru, fólie, je prvek polární.

Modely nepolárních elektrolytických kondenzátorů, u nichž je oxid kovu nanesen symetricky na oba povrchy dielektrika, jsou zahrnuty do obvodů střídavého proudu.

Polární kondenzátory mají na plášti označení kladné nebo záporné elektrody.

Na čem závisí kapacita kondenzátoru

Hlavní funkcí a úlohou kondenzátoru v obvodu je uchovávat náboje a další úlohou je zabránit úniku.

Kapacita kondenzátoru je přímo úměrná dielektrické konstantě média a ploše desek a nepřímo úměrná vzdálenosti mezi elektrodami. Vznikají dva rozpory:

1. Aby se zvýšila kapacita, musí být elektrody co nejtlustší, nejširší a nejdelší. Zároveň se nesmí zvětšit velikost zařízení.
2. Aby se nálože udržely a poskytly potřebnou přitažlivou sílu, musí být vzdálenost mezi deskami co nejmenší. Současně se nesmí snížit průrazný proud.

K vyřešení rozporů vývojáři používají.

• vícevrstvé struktury páru dielektrikum-elektroda;
• porézní anodové struktury;
• nahrazení papíru oxidy a elektrolyty;
• paralelní spojení prvků;
• vyplnění volného prostoru látkami s vyšší dielektrickou konstantou.

Velikost kondenzátorů je stále menší a jejich vlastnosti se s každým novým vynálezem zlepšují.

Související články: