Elektrický kondenzátor je jedním z prvků v elektrickém obvodu jakéhokoli elektronického zařízení. Jeho hlavní funkcí je ukládání energie s jejím následným uvolňováním zpět do obvodu. Průmysl nabízí širokou škálu kondenzátorů různých typů, kapacit, velikostí a použití.
Princip a vlastnosti kondenzátoru
Kondenzátor se skládá ze dvou kovových destiček rozdělených tenkou vrstvou dielektrika. Poměr velikosti a uspořádání povrchů a vlastností dielektrického materiálu určuje hodnotu kapacity.
Cílem návrhu jakéhokoli typu kondenzátoru je získat maximální kapacitu při minimálních rozměrech, aby se ušetřilo místo na desce plošných spojů zařízení. Jedním z nejoblíbenějších tvarů z hlediska vzhledu je soudkovitý tvar, v němž jsou kovové kryty stočeny k sobě a mezi nimi je dielektrikum. První kondenzátor, vynalezený v nizozemském Leidenu v roce 1745, se nazýval "leidenská sklenice".
Principem součástky je schopnost nabíjení a vybíjení. Nabíjení je umožněno tím, že elektrody jsou od sebe v malé vzdálenosti. Těsně od sebe vzdálené náboje oddělené dielektrikem se vzájemně přitahují a zachycují na svorkách, a kondenzátor tak sám o sobě uchovává energii. Po vypnutí napájení je součástka připravena uvolnit energii do obvodu a vybít se.
Parametry a vlastnosti, které určují výkon, kvalitu a trvanlivost
- elektrická kapacita;
- měrná kapacita;
- tolerance;
- elektrická pevnost;
- vlastní indukčnost;
- dielektrická absorpce;
- ztráty;
- stabilitu;
- spolehlivost.
Schopnost uchovávat náboj určuje elektrickou kapacitu kondenzátoru. Při výpočtu kapacity je nutné znát
- plochu vinutí;
- vzdálenost mezi cívkami;
- Dielektrická konstanta dielektrického materiálu.
Pro zvýšení kapacity je nutné zvětšit plochu vinutí, zmenšit vzdálenost mezi nimi a použít dielektrikum, jehož materiál má vysokou dielektrickou konstantu.
Jednotkou pro měření kapacity je Farad (F), pojmenovaný po anglickém fyzikovi Michaelu Faradayovi. 1 Farad je však příliš velká hodnota. Například kapacita naší planety je menší než 1 farad. V radioelektronice se používají menší hodnoty: mikrofarady (µF, miliontina faradu) a pikofarady (pF, miliontina mikrofaradu).
Měrná kapacita se vypočítá z poměru kapacity a hmotnosti (objemu) dielektrika. To je ovlivněno geometrickými rozměry, přičemž zmenšením objemu dielektrika se dosáhne zvýšení měrné kapacity, což však zvyšuje riziko průrazu.
Přípustná odchylka jmenovité hodnoty kapacity od skutečné hodnoty určuje třídu přesnosti. Podle GOST existuje 5 tříd přesnosti, které určují budoucí použití. V obvodech s vysokou odpovědností se používají komponenty nejvyšší třídy přesnosti.
Elektrická pevnost určuje schopnost udržet náboj a zachovat výkon. Náboje uložené na vinutí mají tendenci se při působení na dielektrikum pohybovat směrem k sobě. Elektrická pevnost je důležitou vlastností kondenzátoru, která určuje dobu jeho používání. Nesprávná obsluha vede k průrazu dielektrika a selhání součástek.
Vlastní indukčnost se zohledňuje ve střídavých obvodech s indukčními cívkami. U stejnosměrných obvodů se nebere v úvahu.
Dielektrická absorpce je výskyt napětí na cívkách během rychlého vybíjení. Absorpční jev se bere v úvahu pro bezpečný provoz vysokonapěťových elektrických zařízení, protože v případě zkratu hrozí nebezpečí ohrožení života.
Ztráty jsou způsobeny nízkou proudovou zatížitelností dielektrika. Při provozu elektronických součástek v různých teplotách a vlhkostních podmínkách se projevuje vliv činitele kvality ztrát. Ovlivňuje ji také pracovní frekvence. Při nízkých frekvencích jsou ovlivněny ztráty v dielektriku, při vyšších frekvencích ztráty v kovech.
Stabilita je parametr kondenzátoru, který je rovněž ovlivněn okolní teplotou. Její účinky se dělí na vratné, charakterizované teplotním koeficientem, a nevratné, charakterizované koeficientem teplotní nestability.
Spolehlivost provozu kondenzátoru závisí především na provozních podmínkách. Analýza poruch ukazuje, že poruchy jsou příčinou 80 % všech poruch.
V závislosti na aplikaci, typu a oblasti použití jsou kondenzátory různě dimenzovány. Ty nejmenší, o velikosti od několika milimetrů do několika centimetrů, se používají v elektronice, zatímco ty největší se používají v průmyslu.
Účel
Vlastnost uchovávat a uvolňovat energii určila široké využití kondenzátorů v moderní elektronice. Stejně jako rezistory a tranzistory jsou základem elektrotechniky. Neexistuje jediné moderní zařízení, které by je v nějakém ohledu nepoužívalo.
Jejich schopnost nabíjet a vybíjet se spolu s indukčností, která má stejné vlastnosti, se hojně využívá v rozhlasové a televizní technice. Základem pro vysílání a příjem signálů je oscilační obvod kondenzátoru a indukčnosti. Změna kapacity kondenzátoru umožňuje měnit frekvenci oscilačního obvodu. Například rozhlasové stanice mohou vysílat na svých frekvencích a rádia se mohou k těmto frekvencím připojit.
Důležitou funkcí je vyhlazování vlnění střídavého proudu. Každé elektronické zařízení napájené střídavým proudem potřebuje filtrační elektrické kondenzátory, aby mohlo vyrábět kvalitní stejnosměrný proud.
Mechanismus nabíjení a vybíjení se aktivně používá ve fotografických zařízeních. Všechny moderní fotoaparáty používají k pořizování snímků blesk, který je realizován vlastností rychlého výboje. Baterie, které jsou schopné uchovávat energii, ale pomalu se vybíjejí, nejsou v této oblasti výhodné. Naproti tomu kondenzátory uvolňují veškerou uloženou energii okamžitě, což stačí k jasnému záblesku.
Schopnost kondenzátorů generovat vysoce výkonné pulzy se využívá v radiolokaci a laserech.
Kondenzátory plní úlohu jiskřišťových kontaktů v telegrafii a telefonii, stejně jako v telemechanice a automatizaci, kde je třeba spínat vysoce zatížená relé.
Regulace napětí dlouhých přenosových vedení je umožněna použitím kompenzačních kondenzátorů.
Moderní kondenzátory se díky svým schopnostem používají nejen v oblasti radioelektroniky. Používají se při zpracování kovů, v těžebním a uhelném průmyslu.
Hlavní odrůdy
Vzhledem k různorodosti aplikací a provozních podmínek elektronických zařízení existuje velké množství součástek, které se liší typem a vlastnostmi. Hlavní dělení je založeno na třídách a na typu použitého dielektrika.
Typy kondenzátorů rozdělené podle tříd:
- s konstantní kapacitou;
- s proměnnou kapacitou;
- nastavitelné.
Konstantní kapacitní součástky se používají v každém radioelektronickém zařízení.
Proměnné kondenzátory se používají ke změně kapacity a parametrů obvodu, např. frekvence v oscilačních obvodech. V jejich konstrukci je několik částí kovových pohyblivých desek, což zajišťuje jejich dlouhou životnost.
Trimovací kondenzátory slouží kjednomu nastavení přístroje. Jsou k dispozici v různých kapacitách (od několika pikofaradů až po několik set pikofaradů) a jsou určeny pro napětí do 60 V. Bez nich by nebylo možné zařízení vyladit.
Typy kondenzátorů rozdělené podle typu dielektrika:
- keramické dielektrikum;
- s filmovým dielektrikem;
- elektrolytické;
- iontoměniče.
Keramické kondenzátory jsou vyrobeny ve formě malé desky z keramického materiálu, na které jsou nastříkány kovové svorky. Tyto kondenzátory mají různé vlastnosti a používají se pro vysokonapěťové i nízkonapěťové obvody.
Pro nízkonapěťové obvody se nejčastěji používají vícevrstvé malé součástky v epoxidových nebo plastových pouzdrech s kapacitou od desítek pikofaradů po jednotky mikrofaradů. Používají se ve vysokofrekvenčních obvodech radioelektronických zařízení a mohou pracovat v náročných klimatických podmínkách.
Pro vysokonapěťové obvody jsou k dispozici větší keramické kondenzátory s kapacitou od desítek až po tisíce pikofaradů. Používají se v pulzních obvodech a zařízeních pro převod napětí.
Filmová dielektrika se vyrábějí v různých typech. Nejběžnější je lavsan, který je velmi odolný. Méně obvyklé je polypropylenové dielektrikum, které má nižší ztráty a používá se ve vysokonapěťových obvodech, jako jsou obvody pro zesílení zvuku a obvody středního rozsahu.
Samostatným typem filmového kondenzátoru je rozběhový kondenzátor, který se používá při spouštění motorů a díky své vysoké kapacitě a speciálnímu dielektriku snižuje zatížení elektromotoru. Vyznačují se vysokým provozním napětím a elektrickým jalovým výkonem.
Elektrolytické kondenzátory jsou vyrobeny v klasickém provedení. Plášť je vyroben z hliníku a uvnitř jsou umístěny stočené kovové pláště. Jeden z krytů je chemicky potažen oxidem kovu a druhý kapalným nebo pevným elektrolytem, který tvoří dielektrikum. Díky této konstrukci mají elektrolytické kondenzátory vysokou kapacitu, ale zvláštností jejich použití v čase je její změna v čase.
Na rozdíl od keramických a filmových kondenzátorů mají elektrolytické kondenzátory polaritu. Ty se dále dělí na nepolární, bez této nevýhody, radiální, miniaturní a axiální. Jejich oblastí použití jsou tradiční počítače a moderní mikropočítačová technika.
Zvláštním typem, který se objevil poměrně nedávno, jsou iontoměniče. Jejich konstrukce je podobná elektrolytickým kondenzátorům, ale mají vysokou kapacitu (až několik Faradů). Jejich použití je však omezeno malým maximálním napětím několika voltů. Ionizátory se používají k ukládání paměti: pokud se vybije baterie v mobilním telefonu nebo miniaturním počítači, uložené informace se nenávratně neztratí.
Kromě součástek ve vývodovém provedení, které jsou již dlouho známé a tradičně používané, jsou k dispozici moderní součástky v provedení SMD, nebo jak se také říká, v provedení pro povrchovou montáž. Například keramické kondenzátory lze vyrábět v různých velikostech, od nejmenších (1 mm na 0,5 mm) až po největší (5,7 mm na 5 mm), a s odpovídajícím napětím od desítek voltů až po stovky voltů.
Elektrolytické kondenzátory lze vyrábět také v pouzdrech pro povrchovou montáž. Mohou to být standardní hliníkové elektrolytické kondenzátory nebo tantalové kondenzátory, které vypadají trochu jako keramické kondenzátory, ale liší se od nich vyšší kapacitou a nižšími ztrátami. Jsou k dispozici v bezolovnatém i bezolovnatém provedení SMD.
Tantalové kondenzátory se vyznačují dlouhou životností a minimálními ztrátami při mírně nižší mezní kapacitě, ale jsou také velmi drahé. Používají se v obvodech s vysokou odpovědností, kde je vyžadována vysoká kapacita.
Související články:
