Kondenzátor je po rezistoru druhou nejoblíbenější rádiovou součástkou. Je důležitý a nenahraditelný, podílí se na generování signálu a filtrování výkonu. Ale zpočátku byl úplně prvním kondenzátorem Leydenská nádoba, která byla vynalezena v roce 1745. Od té doby se kondenzátory staly nedílnou součástí elektroniky.
Obecný koncept
Kondenzátor se skládá ze dvou vodivých desek a dielektrika mezi nimi. A je to, nic víc. Vypadá to jako jednoduchá rádiová součástka, ale funguje jinak na vysokých a nízkých frekvencích.
Na obrázku vyznačeno dvěma rovnoběžnými čarami.
Princip činnosti
Tato rádiová součástka dobře demonstruje jev elektrostatické indukce. Podívejme se na to na příkladu.
Pokud ke kondenzátoru připojíte zdroj konstantního proudu, pak se v počátečním okamžiku začne proud hromadit na deskách kondenzátoru. K tomu dochází v důsledku elektrostatické indukce. Odpor je prakticky nulový.
Elektrické pole v důsledku elektrostatické indukce přitahuje opačné náboje ke dvěma protilehlým deskám. Tato vlastnost hmoty se nazývá kapacita. Všechny materiály mají kapacitu. A to i pro dielektrika, ale pro vodiče je to mnohem větší. Proto jsou desky kondenzátoru vyrobeny z vodiče.
Čím větší kapacita, tím více nábojů se může nahromadit na deskách kondenzátoru, tzn. elektrický proud.
Hlavní vlastností kondenzátoru je kapacita. Záleží na ploše desek, vzdálenosti mezi nimi a dielektrickém materiálu, který vyplňuje prostor mezi deskami.
Jak se hromadí náboje, pole začíná slábnout a odpor se zvyšuje. Proč se tohle děje? Na deskách je stále méně místa, jako náboje na nich působí na sebe a napětí na kondenzátoru se rovná zdroji proudu. Tento odpor se nazývá reaktivní nebo kapacitní. Záleží na frekvenci proudu, kapacitě rádiových součástek a vodičů.
Když na deskách nezbude místo pro elektrický proud, proud v obvodu se zastaví. Elektrostatická indukce zmizí. Nyní zde zůstává elektrické pole, které drží náboje na svých deskách a nepustí je. A elektrický proud nemá kam jít. Napětí na kondenzátoru se bude rovnat emf (napětí) zdroje proudu.
Co se stane, když zvýšíte EMF (napětí) zdroje proudu? Elektrické pole začne vyvíjet stále větší tlak na dielektrikum, protože na deskách už není místo. Pokud ale napětí na kondenzátoru překročí přípustné meze, dielektrikum prorazí. A kondenzátor se stane vodičem, náboje se uvolní a obvodem bude protékat proud. Jak potom použít kondenzátor pro vysoká napětí? Můžete zvětšit velikost dielektrika a vzdálenost mezi deskami, ale tím se sníží kapacita součásti.
Mezi deskami je dielektrikum, které brání průchodu stejnosměrného proudu. To je právě bariéra stejnosměrného proudu. Protože konstantní proud vytváří také konstantní napětí. A konstantní napětí může vytvořit elektrostatickou indukci pouze tehdy, když je obvod uzavřený, tedy když se kondenzátor nabíjí.
Tímto způsobem může kondenzátor ukládat energii, dokud se k němu nepřipojí spotřebitel.
Kondenzátor a stejnosměrný obvod
Doplníme do schématu žárovku. Svítí pouze při nabíjení.
Další důležitou vlastností je, že když dojde k procesu nabíjení proudu, napětí za proudem zaostává. Zdá se, že napětí dohání proud, protože při nabíjení se odpor plynule zvyšuje. Elektrickým nábojům chvíli trvá, než se přesunou na desky kondenzátoru. Toto je doba nabíjení. Záleží na kapacitě, frekvenci a napětí.
Při plném nabití kontrolka zhasne.
Stejnosměrný elektrický proud neprochází kondenzátorem, dokud není nabitý.
AC obvod
Co když změníte polaritu na aktuálním zdroji? Poté se kondenzátor začne vybíjet a znovu nabíjet, když se změní polarita zdroje.
Elektrostatická indukce probíhá neustále, pokud je elektrický proud střídavý. Pokaždé, když proud začne měnit svůj směr, začíná proces nabíjení a vybíjení.
Proto kondenzátor prochází střídavým elektrickým proudem.
Čím vyšší frekvence, tím nižší je reaktanční (kapacitní) odpor kondenzátoru.
Účel a funkce kondenzátorů
Kondenzátor hraje obrovskou roli v analogové i digitální technologii. Jsou elektrolytické a keramické a liší se svými vlastnostmi, nikoli však celkovou koncepcí. Příklady použití:
- Filtruje vysokofrekvenční rušení;
- Snižuje a vyhlazuje pulsace;
- Rozděluje signál na konstantní a proměnné složky;
- Akumuluje energii;
- Lze použít jako referenční napětí;
- Vytváří rezonanci s induktorem pro zesílení signálu.
Příklady použití
V zesilovačích se obvykle používají k ochraně subwooferů, filtrování výkonu, tepelné stabilizaci a oddělení stejnosměrných a střídavých složek. A ty elektrolytické v autonomních obvodech s mikrokontroléry mohou díky své velké kapacitě dodávat energii na dlouhou dobu.
V tomto obvodu je tranzistor VT1 neustále otevřen, aby zesílil zvuk bez zkreslení. Pokud se ale vstup zasekne nebo do něj teče stejnosměrný proud, tranzistor se otevře, přejde do saturace a přehřeje se. Abyste tomu zabránili, potřebujete kondenzátor. C1 umožňuje oddělit konstantní složku od proměnné. Střídavý signál snadno přechází do báze tranzistoru, ale konstantní signál nikoliv.
C2 spolu s rezistorem R3 plní funkci tepelné stabilizace. Když zesilovač běží, tranzistor se zahřívá. To může způsobit zkreslení signálu. Rezistor R3 proto pomáhá udržovat pracovní bod při zahřívání. Ale když je tranzistor studený a stabilizace není nutná, odpor může snížit výkon zesilovače. Proto přichází do hry C2. Vede zesílený signál přes sebe pomocí bočníku rezistoru, čímž nesnižuje jmenovitý výkon obvodu. Pokud je jeho kapacita nižší než navržená, začne do výstupního signálu vnášet fázové zkreslení.
Aby schéma dobře fungovalo, dobrá výživa je nutností. Když obvod spotřebovává více proudu při špičkových hodnotách, je to vždy velká zátěž pro napájecí zdroj. C3 filtruje rušení napájení a pomáhá snižovat zátěž. Čím větší kapacita, tím lepší zvuk, ale do určitých hodnot vše závisí na obvodu.
A napájecí zdroje používají stejný princip jako v předchozím schématu napájení, ale zde je potřeba mnohem více kapacity. V tomto obvodu může být kapacita elektrolytu buď 1000 μF nebo 10 000 μF.
K diodovému můstku můžete paralelně zapojit i keramické kondenzátory, které obvod obejdou od vysokofrekvenčního rušení a šumu ze sítě 220 V.
Fázové zkreslení
Kondenzátor může zkreslit fázi střídavého signálu. K tomu dochází v důsledku nesprávného výpočtu kapacity, celkového odporu a interakce s ostatními rádiovými součástmi. Neměli bychom zapomínat, že jakákoli rádiová součástka má jak reaktivní, tak aktivní odpor.
Pokud pravidelně vytváříte elektrické obvody, pravděpodobně jste použili kondenzátory. Je to standardní součástka obvodu, stejně jako rezistor, kterou bez přemýšlení chytíte z police. Kondenzátory používáme k vyhlazení zvlnění napětí/proudu, k přizpůsobení zátěže, jako zdroj energie pro zařízení s nízkou spotřebou a další aplikace.
Kondenzátor ale není jen bublina se dvěma vodiči a pár parametry – provozním napětím a kapacitou. K výrobě kondenzátorů se používá obrovské množství technologií a materiálů s různými vlastnostmi. A ačkoli ve většině případů téměř jakýkoli kondenzátor vhodné kapacity postačí pro jakýkoli úkol, dobré pochopení toho, jak tato zařízení fungují, vám může pomoci vybrat nejen ten správný, ale i ten nejvhodnější. Pokud jste někdy měli problém s teplotní stabilitou nebo úkol najít zdroj dodatečného hluku, oceníte informace v tomto článku.
Začněme jednoduše
Nejlepší je začít jednoduše a popsat základní principy fungování kondenzátorů, než přejdete ke skutečným zařízením. Ideální kondenzátor se skládá ze dvou vodivých desek oddělených dielektrikem. Náboj se shromažďuje na deskách, ale nemůže mezi nimi proudit – dielektrikum má izolační vlastnosti. Takto kondenzátor akumuluje náboj.
Kapacita se měří ve faradech: kondenzátor o velikosti jednoho farada vytváří napětí jednoho voltu, pokud obsahuje náboj o velikosti jednoho coulombu. Stejně jako mnoho jiných jednotek SI má nepraktickou velikost, takže pokud nepočítáte superkondenzátory, o kterých zde nebudeme mluvit, pravděpodobně skončíte u mikro-, nano- a pikofaradů. Kapacitu libovolného kondenzátoru lze odvodit z jeho rozměrů a dielektrických vlastností – v případě zájmu lze vzorec najít na Wikipedii. Nemusíte se ho učit nazpaměť, pokud se neučíte na zkoušku, ale obsahuje jeden užitečný fakt. Kapacita je úměrná dielektrické konstantě εr použité dielektrikum, což mělo za následek komercializaci různých kondenzátorů s použitím různých dielektrických materiálů pro dosažení větších kapacit nebo zlepšení napěťových charakteristik.
Parazitní indukčnost a odpor reálného kondenzátoru
S použitím dielektrik v kondenzátorech je jeden problém, spolu se skutečností, že dielektrikum s požadovanými charakteristikami má nepříjemné vedlejší účinky. Všechny kondenzátory mají malý parazitní odpor a indukčnost, které mohou někdy ovlivnit jejich výkon. Elektrické konstanty se mění s teplotou a napětím, piezoelektrikou nebo šumem. Některé kondenzátory jsou příliš drahé a některé mají poruchové stavy. A nyní se dostáváme k hlavní části článku, ve které budeme hovořit o různých typech kondenzátorů a jejich vlastnostech, užitečných i škodlivých. Nebudeme pokrývat všechny možné technologie, i když většinu běžných popíšeme.
Hliníkový elektrolytický
Hliníkové elektrolytické kondenzátory používají anodickou oxidační vrstvu na hliníkovém plechu jako jednu dielektrickou desku a elektrolyt z elektrochemického článku jako druhou desku. Přítomnost elektrochemického článku je činí polárními, to znamená, že stejnosměrné napětí musí být aplikováno v jednom směru a eloxovaná deska musí být anoda nebo kladná.
V praxi jsou jejich desky vyrobeny ve formě sendviče z hliníkové fólie, zabaleného ve válci a umístěného v hliníkové plechovce. Provozní napětí závisí na hloubce eloxované vrstvy.
Elektrolytické kondenzátory mají největší kapacitu mezi běžnými, od 0,1 do tisíců mikrofaradů. Vzhledem k těsnému uložení elektrochemického článku mají velkou ekvivalentní sériovou indukčnost (ESI nebo efektivní indukčnost), proto je nelze použít při vysokých frekvencích. Obvykle se používají pro vyhlazování a oddělování výkonu a také pro spojování na zvukových frekvencích.
Tantalový elektrolytický
Povrchově montovaný tantalový kondenzátor
Tantalové elektrolytické kondenzátory jsou vyráběny jako slinutá tantalová anoda s velkým povrchem, na které narůstá silná vrstva oxidu a následně je jako katoda umístěn elektrolyt oxidu manganičitého. Kombinace velkého povrchu a dielektrických vlastností oxidu tantalu má za následek vysokou kapacitu na objem. V důsledku toho jsou takové kondenzátory mnohem menší než hliníkové kondenzátory srovnatelné kapacity. Stejně jako posledně uvedené mají tantalové kondenzátory polaritu, takže stejnosměrný proud musí proudit přesně jedním směrem.
Jejich dostupná kapacita se pohybuje od 0,1 do několika stovek mikrofaradů. Mají mnohem nižší svodový odpor a ekvivalentní sériový odpor (ESR), díky čemuž se používají při testování, přístrojovém vybavení a špičkových audio aplikacích, kde jsou tyto vlastnosti užitečné.
U tantalových kondenzátorů je nutné zejména zajistit, aby nedocházelo k jejich poruše – stává se, že v tomto případě dojde k jejich vznícení. Amorfní oxid tantalu je dobré dielektrikum a v krystalické formě se stává dobrým vodičem. Nesprávné použití tantalového kondenzátoru – například použití příliš velkého zapínacího proudu – může způsobit změnu tvaru dielektrika, což zvýší proud, který jím prochází. Je pravda, že dřívější generace tantalových kondenzátorů měly pověst kvůli problémům s ohněm a vylepšené výrobní metody vedly ke spolehlivějším produktům.
Polymerní filmy
Celá rodina kondenzátorů používá polymerní filmy jako dielektrika a film je buď vložen mezi zkroucené nebo prokládané vrstvy kovové fólie, nebo má na povrchu metalizovanou vrstvu. Jejich provozní napětí může dosahovat až 1000 V, ale nemají vysoké kapacity – to je obvykle od 100 pF do několika mikrofarad. Každý typ fólie má své klady a zápory, ale obecně má celá rodina nižší kapacitu a indukčnost než elektrolytické. Proto se používají ve vysokofrekvenčních zařízeních a pro oddělení v elektricky hlučných systémech, stejně jako v systémech pro všeobecné použití.
Polypropylenové kondenzátory se používají v obvodech, které vyžadují dobrou tepelnou a frekvenční stabilitu. Používají se také v energetických systémech, k potlačení EMI, v systémech využívajících vysokonapěťové střídavé proudy.
Polyesterové kondenzátory, i když nemají stejné teplotní a frekvenční charakteristiky, jsou levné a snesou vysoké teploty při pájení pro povrchovou montáž. Z tohoto důvodu se používají v obvodech určených pro použití v nekritických aplikacích.
Polyethylennaftalátové kondenzátory. Nemají stabilní teplotní a frekvenční charakteristiky, ale snesou mnohem vyšší teploty a namáhání ve srovnání s polyesterovými.
Polyethylensulfidové kondenzátory mají teplotní a frekvenční charakteristiky polypropylenu a navíc snesou vysoké teploty.
Ve starých zařízeních můžete narazit na polykarbonátové a polystyrenové kondenzátory, ale nyní se již nepoužívají.
Keramika
Historie keramických kondenzátorů je poměrně dlouhá – používají se od prvních desetiletí minulého století až do současnosti. Dřívější kondenzátory byly z jedné vrstvy keramiky, pokovené na obou stranách. Pozdější jsou i vícevrstvé, kde jsou proloženy desky s metalizací a keramikou. V závislosti na dielektriku se jejich kapacity pohybují od 1 pF do desítek mikrofaradů a napětí dosahují kilovoltů. Ve všech odvětvích elektroniky, kde je vyžadována nízká kapacita, lze nalézt jak jednovrstvé keramické disky, tak vícevrstvé kondenzátory pro povrchovou montáž.
Nejjednodušší způsob klasifikace keramických kondenzátorů je podle dielektrik, protože právě ony dávají kondenzátoru všechny jeho vlastnosti. Dielektrika jsou klasifikována podle třípísmenných kódů, které šifrují jejich provozní teplotu a stabilitu.
C0G má lepší stabilitu v kapacitě s ohledem na teplotu, frekvenci a napětí. Používá se ve vysokofrekvenčních obvodech a dalších vysokorychlostních obvodech.
X7R nemají tak dobré teplotní a napěťové charakteristiky, proto se používají v méně kritických případech. To obvykle zahrnuje decoupling a různé univerzální aplikace.
Y5V mají mnohem vyšší kapacitu, ale jejich teplotní a napěťové charakteristiky jsou ještě nižší. Používá se také pro odpojení a v různých aplikacích pro všeobecné použití.
Protože keramika má často také piezoelektrické vlastnosti, některé keramické kondenzátory také vykazují mikrofonní efekt. Pokud jste pracovali s vysokým napětím a frekvencemi v oblasti zvuku, jako jsou elektronkové zesilovače nebo elektrostatika, možná jste slyšeli kondenzátory „zpívat“. Pokud byste pro stabilizaci frekvence použili piezoelektrický kondenzátor, možná zjistíte, že jeho zvuk je modulován vibracemi okolí.
Jak jsme již zmínili, tento článek si neklade za cíl pokrýt všechny technologie kondenzátorů. Když se podíváte do katalogu elektroniky, zjistíte, že některé dostupné technologie zde nejsou zahrnuty. Některé nabídky z katalogů jsou již zastaralé nebo mají tak úzký výklenek, že na ně nejčastěji nenarazíte. Naší nadějí bylo demystifikovat některé oblíbené modely kondenzátorů a pomoci vám vybrat ty správné komponenty při navrhování vašich vlastních zařízení. Pokud jsme vám nahnali chuť k jídlu, možná se budete chtít podívat na náš článek o induktorech.
O případných nepřesnostech nebo chybách, které najdete, pište prostřednictvím soukromých zpráv na stránce. Děkuji.
