Elektrický kondenzátor je jedným z prvkov v elektrickom obvode akéhokoľvek elektronického zariadenia. Jeho hlavnou funkciou je uchovávať energiu a následne ju uvoľňovať späť do obvodu. Priemysel ponúka širokú škálu kondenzátorov rôznych typov, kapacít, veľkostí a aplikácií.
Princíp a vlastnosti kondenzátora
Kondenzátor sa skladá z dvoch kovových plátov rozdelených tenkou vrstvou dielektrika. Pomer veľkosti a usporiadania plôch a vlastností dielektrického materiálu určuje hodnotu kapacity.
Cieľom návrhu akéhokoľvek typu kondenzátora je získať maximálnu kapacitu pri minimálnych rozmeroch, aby sa ušetrilo miesto na doske plošných spojov zariadenia. Jedným z najobľúbenejších tvarov z hľadiska vzhľadu je sudový tvar, v ktorom sú kovové kryty stočené dokopy s dielektrikom medzi nimi. Prvý kondenzátor vynájdený v holandskom Leidene v roku 1745 sa nazýval "Leidenská banka".
Princípom súčiastky je schopnosť nabíjať a vybíjať. Nabíjanie je možné vďaka tomu, že elektródy sú od seba v malej vzdialenosti. Tesne od seba vzdialené náboje oddelené dielektrikom sa navzájom priťahujú a zachytávajú na svorkách, a kondenzátor tak uchováva energiu. Po vypnutí napájania je súčiastka pripravená uvoľniť energiu do obvodu, vybiť sa.
Parametre a vlastnosti, ktoré určujú výkon, kvalitu a životnosť
- elektrická kapacita;
- špecifická kapacita;
- tolerancia;
- elektrická pevnosť;
- vlastná indukčnosť;
- dielektrická absorpcia;
- straty;
- stabilita;
- spoľahlivosť.
Schopnosť uchovávať náboj určuje elektrickú kapacitu kondenzátora. Pri výpočte kapacity je potrebné vedieť
- plocha vinutia;
- vzdialenosť medzi cievkami;
- Dielektrická konštanta dielektrického materiálu.
Na zvýšenie kapacity je potrebné zväčšiť plochu vinutí, zmenšiť vzdialenosť medzi nimi a použiť dielektrikum, ktorého materiál má vysokú dielektrickú konštantu.
Jednotkou merania kapacity je Farad (F), pomenovaný podľa anglického fyzika Michaela Faradaya. 1 Farad je však príliš veľká hodnota. Napríklad kapacita našej planéty je menšia ako 1 farad. V rádioelektronike sa používajú menšie hodnoty: mikrofarady (µF, jedna milióntina faradu) a pikofarady (pF, jedna milióntina mikrofaradu).
Špecifická kapacita sa vypočíta z pomeru kapacity a hmotnosti (objemu) dielektrika. To je ovplyvnené geometrickými rozmermi a zvýšenie špecifickej kapacity sa dosiahne zmenšením objemu dielektrika, čo však zvyšuje riziko poruchy.
Prípustná odchýlka štítkovej hodnoty kapacity od skutočnej hodnoty určuje triedu presnosti. Podľa GOST existuje 5 tried presnosti, ktoré určujú budúce použitie. V obvodoch s vysokou zodpovednosťou sa používajú komponenty najvyššej triedy presnosti.
Elektrická pevnosť určuje schopnosť udržať náboj a zachovať výkon. Náboje uložené na vinutí majú tendenciu pohybovať sa smerom k sebe, pretože pôsobia na dielektrikum. Elektrická pevnosť je dôležitou vlastnosťou kondenzátora, ktorá určuje dobu jeho používania. Nesprávna prevádzka bude mať za následok poruchu dielektrika a zlyhanie komponentov.
Vlastná indukčnosť sa zohľadňuje v obvodoch striedavého prúdu s indukčnými cievkami. V prípade jednosmerných obvodov sa nezohľadňuje.
Dielektrická absorpcia je vznik napätia na cievkach počas rýchleho vybíjania. Absorpčný jav sa zohľadňuje pri bezpečnej prevádzke vysokonapäťových elektrických zariadení, pretože v prípade skratu hrozí nebezpečenstvo ohrozenia života.
Straty sú spôsobené nízkou prúdovou zaťažiteľnosťou dielektrika. Pri prevádzke elektronických súčiastok pri rôznych teplotách a vlhkosti sa prejavuje vplyv kvalitatívneho faktora strát. Ovplyvňuje ho aj pracovná frekvencia. Pri nízkych frekvenciách sú ovplyvnené straty v dielektriku, pri vyšších frekvenciách sú ovplyvnené straty v kove.
Stabilita je parameter kondenzátora, ktorý je ovplyvnený aj teplotou okolia. Jeho účinky sa delia na vratné, charakterizované teplotným koeficientom, a nevratné, charakterizované koeficientom teplotnej nestability.
Spoľahlivosť prevádzky kondenzátora závisí predovšetkým od prevádzkových podmienok. Z analýzy porúch vyplýva, že poruchy sú zodpovedné za 80 % všetkých porúch.
V závislosti od aplikácie, typu a oblasti použitia sa kondenzátory dimenzujú rôzne. Tie najmenšie, s veľkosťou od niekoľkých milimetrov do niekoľkých centimetrov, sa používajú v elektronike, zatiaľ čo tie najväčšie sa používajú v priemysle.
Účel
Vlastnosť uchovávať a uvoľňovať energiu podmienila široké využitie kondenzátorov v modernej elektronike. Rovnako ako rezistory a tranzistory sú základom elektrotechniky. Neexistuje jediné moderné zariadenie, ktoré by ich v určitej miere nevyužívalo.
Ich schopnosť nabíjať a vybíjať sa spolu s indukčnosťou, ktorá má rovnaké vlastnosti, sa vo veľkej miere využíva v rozhlasovej a televíznej technike. Základom prenosu a príjmu signálov je oscilačný obvod kondenzátora a indukčnosti. Zmena kapacity kondenzátora umožňuje meniť frekvenciu oscilačného obvodu. Napríklad rozhlasové stanice môžu vysielať na svojich frekvenciách a rádiá sa môžu na tieto frekvencie pripojiť.
Dôležitou funkciou je vyhladzovanie vlnenia striedavého prúdu. Každé elektronické zariadenie napájané striedavým prúdom potrebuje na výrobu kvalitného jednosmerného prúdu filtračné elektrické kondenzátory.
Mechanizmus nabíjania a vybíjania sa aktívne používa vo fotografických zariadeniach. Všetky moderné fotoaparáty používajú na fotografovanie blesk, ktorý sa realizuje vďaka vlastnosti rýchleho vybíjania. Batérie, ktoré uchovávajú energiu, ale pomaly sa vybíjajú, nie sú v tejto oblasti výhodné. Na druhej strane kondenzátory uvoľňujú všetku uloženú energiu okamžite, čo stačí na jasný záblesk.
Schopnosť kondenzátorov generovať vysokovýkonné impulzy sa využíva v rádiolokátoroch a laseroch.
Kondenzátory plnia úlohu kontaktov na zhášanie iskier v telegrafii a telefónii, ako aj v telemechanike a automatizácii, kde je potrebné spínať vysoko zaťažené relé.
Regulácia napätia dlhých prenosových vedení je možná pomocou kompenzačných kondenzátorov.
Moderné kondenzátory sa vďaka svojim schopnostiam používajú nielen v oblasti rádioelektroniky. Používajú sa v kovospracujúcom, banskom a uhoľnom priemysle.
Hlavné odrody
Vzhľadom na rôznorodosť aplikácií a prevádzkových podmienok elektronických zariadení existuje veľké množstvo komponentov, ktoré sa líšia typmi a vlastnosťami. Hlavné rozdelenie je založené na triedach a na type použitého dielektrika.
Typy kondenzátorov rozdelené podľa triedy:
- s konštantnou kapacitou;
- s premenlivou kapacitou;
- nastaviteľné.
Komponenty s konštantnou kapacitou sa používajú v každom rádioelektronickom zariadení.
Variabilné kondenzátory sa používajú na zmenu kapacity a parametrov obvodu, napr. frekvencie v oscilačných obvodoch. Ich konštrukcia pozostáva z niekoľkých častí kovových pohyblivých dosiek, čo zaručuje ich dlhú životnosť.
Na jednoduché nastavenie prístroja sa používajú trimovacie kondenzátory. Sú dostupné v rôznych kapacitách (od niekoľkých pikofaradov až po niekoľko stoviek pikofaradov) a sú určené pre napätie do 60 V. Bez nich by nebolo možné zariadenie doladiť.
Typy kondenzátorov rozdelené podľa typu dielektrika:
- keramické dielektrikum;
- s filmovým dielektrikom;
- elektrolytické;
- iónové výmenníky.
Keramické kondenzátory sa vyrábajú vo forme malej dosky z keramického materiálu, na ktorej sú nastriekané kovové svorky. Tieto kondenzátory majú rôzne vlastnosti a používajú sa vo vysokonapäťových aj nízkonapäťových obvodoch.
Pre nízkonapäťové obvody sa najčastejšie používajú viacvrstvové malé súčiastky v epoxidových alebo plastových puzdrách s kapacitou od desiatok pikofaradov po jednotky mikrofaradov. Používajú sa vo vysokofrekvenčných obvodoch rádioelektronických zariadení a môžu pracovať v náročných klimatických podmienkach.
Pre vysokonapäťové obvody sú k dispozícii väčšie keramické kondenzátory s kapacitou od desiatok pikofaradov až po tisíce pikofaradov. Používajú sa v impulzných obvodoch a zariadeniach na premenu napätia.
Fóliové dielektriká sa vyrábajú v rôznych typoch. Najbežnejší je lavsan, ktorý je veľmi odolný. Menej rozšírené je polypropylénové dielektrikum, ktoré má nižšie straty a používa sa vo vysokonapäťových obvodoch, ako sú obvody na zosilňovanie zvuku a obvody stredného rozsahu.
Samostatným typom filmového kondenzátora je rozbehový kondenzátor, ktorý sa používa pri spúšťaní motorov a vďaka svojej vysokej kapacite a špeciálnemu dielektriku znižuje zaťaženie elektromotora. Vyznačujú sa vysokým prevádzkovým napätím a elektrickým jalovým výkonom.
Elektrolytické kondenzátory sú vyrobené v klasickom dizajne. Plášť je vyrobený z hliníka a vo vnútri sú umiestnené stočené kovové plášte. Jeden z krytov je chemicky potiahnutý oxidom kovu a druhý tekutým alebo pevným elektrolytom, ktorý tvorí dielektrikum. Vďaka tejto konštrukcii majú elektrolytické kondenzátory vysokú kapacitu, ale zvláštnosťou ich použitia v čase je jej zmena v čase.
Na rozdiel od keramických a filmových kondenzátorov majú elektrolytické kondenzátory polaritu. Tie sa zase delia na nepolárne, bez tejto nevýhody, radiálne, miniatúrne a axiálne. Ich oblasťami použitia sú tradičné počítače a moderné mikropočítačové technológie.
Špeciálnym typom, ktorý sa objavil pomerne nedávno, sú iónové výmenníky. Ich konštrukcia je podobná elektrolytickým kondenzátorom, ale majú vysokú kapacitu (až niekoľko Faradov). Ich použitie je však obmedzené malým maximálnym napätím niekoľkých voltov. Ionizátory sa používajú na uchovávanie pamäte: ak sa batéria v mobilnom telefóne alebo miniatúrnom počítači vybije, uložené informácie sa nenávratne nestratia.
Okrem súčiastok v prevedení s kolíkom, ktoré sú už dlho známe a tradične používané, sú k dispozícii aj moderné súčiastky v prevedení SMD alebo, ako sa tiež hovorí, v prevedení na povrchovú montáž. Napríklad keramické kondenzátory sa môžu vyrábať v rôznych veľkostiach, od najmenších (1 mm x 0,5 mm) až po najväčšie (5,7 mm x 5 mm), a s príslušným napätím od desiatok voltov až po stovky voltov.
Elektrolytické kondenzátory sa môžu vyrábať aj v puzdrách na povrchovú montáž. Môžu to byť štandardné hliníkové elektrolytické kondenzátory alebo tantalové kondenzátory, ktoré vyzerajú trochu ako keramické kondenzátory, ale líšia sa od nich vyššou kapacitou a nižšími stratami. Sú k dispozícii v bezolovnatom aj bezolovnatom SMD vyhotovení.
Tantalové kondenzátory sa vyznačujú dlhou životnosťou a minimálnymi stratami s mierne nižším kapacitným limitom, ale sú tiež veľmi drahé. Používajú sa v obvodoch s vysokou zodpovednosťou, kde sa vyžaduje vysoká kapacita.
Súvisiace články:
