Kondenzátor (elektrotechnika)

Kondenzátory s mierkou v cm – dole elektrolytické, hore keramické, vľavo v prevedení SMD
Schématická značka kondenzátora

Kondenzátor je elektronická súčiastka, ktorej prevažujúca vlastnosť je jej elektrická kapacita.

V zásade vždy ide o dve elektródy s vloženým dielektrikom, ale v závislosti od detailov konštrukcie kondenzátora sa za rôznych podmienok prejavujú ich nežiaduce (parazitné) vlastnosti (napr. sériový odpor, zvod, indukčnosť, teplotné závislosti, zmeny vlastností v čase, nelinearita kapacity (závislosť od napätia) atď.). Kvôli tomuto sa vyrába množstvo rôznych typov kondenzátorov a je potrebné vždy vybrať vhodný typ podľa typu aplikácie (samozrejme s prihliadnutím aj na cenu a rozmery).

Princíp kondenzátoraUpraviť

Kondenzátor sa skladá z dvoch vodivých dosiek oddelených dielektrikom. Na každú z dosiek sa privádzajú elektrické náboje opačnej polarity, ktoré sa vzájomne priťahujú elektrickou silou. Dielektrikum medzi doskami nedovolí, aby sa častice s nábojom dostali do kontaktu, a tým došlo k vybitiu elektrického náboja.

Typy kondenzátorov (konštrukcia, vlastnosti, použitie)Upraviť

 
Elektrolytické kondenzátory

ElektrolytickéUpraviť

KonštrukciaUpraviť

Medzi dve hliníkové fólie (elektródy) je vložený pijavý materiál (papier) napustený elektrolytom. Dielektrikom je zlúčenina hliníka ktorá vznikne na povrchu elektródy vplyvom elektrolytu. Celok je zrolovaný a vložený do valcového hliníkového puzdra s dvomi vývodmi (jeden vývod je pripojený priamo na puzdro /platí iba pre nižšie napätia/).

VlastnostiUpraviť

  • pomerne vysoké kapacity aj 70 F (ale iba pre nízke napätia – obyčajne 2,2 V)
  • potreba jednosmernej polarizácie (niektoré typy zvládnu malú striedavú záťaž)
  • pomerne nízka cena
  • pomerne vysoké zvodové prúdy
  • pomerne veľké parazitné javy (sériový odpor a indukčnosť). Tieto vlastnosti sa dajú znížiť zvláštnou konštrukciou (vyššia cena). Takéto typy sa označujú „low ESR“ (ESR=Equivalent Series Resistance) a používajú sa v spínaných zdrojoch
  • tendencia vysychať po dlhšej prevádzke, a tým meniť resp. stratiť kapacitu
  • životnosť veľmi závisí od teploty okolia, pre kondenzátor pri max. teplote (85 °C alebo 105 °C) môže byť iba 2 000 hodín, ale pri znížení teploty okolia Ta na polovicu maximálnej stúpa životnosť až na 250 000 hodín a viac
  • nesprávne zapojenie polarity poškodí súčiastku

Typické rozsahy hodnôtUpraviť

  • kapacity 1 nF – 100 000 μF, ale môže to byť až 5 000 F (s rastúcou kapacitou rastie rozmer, platí najmä pre vyššie napätia)
  • napätia 6 V – 600 V (špeciálne aj viac) (s rastúcim napätím rastie rozmer)
  • teplotné rozsahy bežne od −40 °C do 85 °C, drahšie do 105 °C

Typické aplikácieUpraviť

  • filtrovanie jednosmerného napájacieho napätia
  • oddelenie jednosmernej zložky v NF obvodoch
  • malé kapacity sa využívajú na odstránenie vysokých frekvencií

TantalovéUpraviť

Modifikácia elektrolytických kondenzátorov, dielektrikom je vrstva oxidu tantalu na tantalovej elektróde.

VlastnostiUpraviť

  • pomerne vysoké kapacity
  • absolútna potreba jednosmernej polarizácie, neznášajú ani najmenšie prepólovanie a ani prepätia (explodujú)
  • výrazne menšie (až zanedbateľne malé) zvodové prúdy
  • vyššia cena než majú elektrolytické

Typické rozsahy hodnôtUpraviť

  • kapacity 1 μF – 4700 μF
  • napätia 5,5 V – 400 V
  • priemer 5 mm – 12,5 mm
  • výška 10 mm – 25 mm

Typické aplikácieUpraviť

  • filtrovanie jednosmerného napájacieho napätia v miestach, kde je potrebný malý zvod (napr. batériou napájané prístroje)

KeramickéUpraviť

KonštrukciaUpraviť

Tenký plát keramického dielektrika je potiahnutý z dvoch strán kovovou vrstvou (elektródy). Celok je po pripevnení kontaktov zaliaty do izolačnej hmoty.

Používa sa široký rozsah keramických hmôt, v závislosti od nich sú aj ostatné vlastnosti. Vo všeobecnosti ide o hmoty s vysokou permitivitou pre kondenzátory s väčšími kapacitami, ktoré sú však silne nelineárne a hodia sa len pre filtračné účely; alebo naopak ide o keramiku s nízkou permitivitou, ale dobrými elektrickými vlastnosťami.

VlastnostiUpraviť

  • bipolárne
  • malé rozmery
  • relatívne lacné
  • malé (zanedbateľné) zvodové prúdy
  • nemajú určenú polaritu
Vysoké kapacityUpraviť
  • silne nelineárne
  • veľká tepelná závislosť
  • vhodné len pre filtrovanie jednosmerného napájania

Typické rozsahy hodnôtUpraviť

  • napätia 10 V – 600 V
Nízke kapacityUpraviť
  • kapacity 1 pF – 1 nF
Vysoké kapacityUpraviť
  • kapacity 1 nF – 100 nF

Typické aplikácieUpraviť

Nízke kapacityUpraviť
  • vysokofrekvenčné obvody
  • RC siete v NF obvodoch
  • filtrovanie VF zložiek signálov a napájacích napätí
Vysoké kapacityUpraviť
  • filtrovanie jednosmerného napájacieho napätia

FóliovéUpraviť

KonštrukciaUpraviť

Dielektrikom – fólia z vhodného plastu je umiestnená medzi dvomi kovovými fóliami – elektródami – a zvinutá do tvaru valca, kvádra...

VlastnostiUpraviť

  • dobrá linearita
  • dobrá tepelná (ne)závislosť
  • dobrá časová stabilita
  • vyššie parazitné vlastnosti (indukčnosť)
  • dobré vysokonapäťové vlastnosti
  • väčšie rozmery
  • vyššia cena
  • rovnaká funkcia ako keramické, ale fóliové majú menšie výkyvy

Typické rozsahy hodnôtUpraviť

  • 100 pF – 1 μF
  • 10 V – 1 000 V

Typické aplikácieUpraviť

  • precízne NF filtre
  • oddelenie jednosmernej zložky v NF obvodoch
 
Premenlivé kondenzátory

PremenlivéUpraviť

MechanickéUpraviť

Kapacita sa dá meniť obvykle otáčaním. Konštrukciou sú to dve elektródy prípadne sústava elektród v polkruhovom tvare, ktoré sa otáčaním pohyblivej časti zasúvajú medzi seba, zväčšujú tak plochu a tým kapacitu. Delia sa na:

  • vzduchové
  • s dielektrikom

Typicky ide o ladenie v rozsahu jednotiek či desiatok pF.

VarikapyUpraviť

Sú to v podstate diódy, ktoré sa používajú v závernom smere. V závernom smere sa totiž dióda správa ako kondenzátor. Kapacita sa ladí potom napätím. Čím väčšie napätie, tým menšia kapacita.

Kapacita sa dá zhruba vyjadriť:

  Alebo ako C=Q/U Q – elektrický náboj U – je napätie, na ktoré je pripojený kondenzátor

kde k je koeficient, čo závisí od konštrukcie diódy (pri obyčajných diódach menší ako pri varikapoch).

Modelovanie a simuláciaUpraviť

Ideálny kondenzátorUpraviť

U platňových kondenzátorov je možné vyjadriť kapacitu C ako závislosť plochy platní S, ich vzájomnej vzdialenosti d a permitivity prostredia medzi nimi ε:

 

Pričom na platňu s kapacitou C je možné uložiť náboj Q:

 

 

Jednotkou kapacity v sústave SI je farad:

 

 
Model reálneho kondenzátora

Reálny kondenzátorUpraviť

Reálny kondenzátor sa dá vyjadriť modelom ako na obrázku. C je vlastná kapacita, Rleakage izolačný odpor dielektrika, RESR sériový odpor a LESL indukčnosť prívodov.

Iné projektyUpraviť