Spis treści:
- 1 Jak kondenzátor funguje?
- 2 Aplikace kondenzátorů v elektrotechnice i mimo ni
- 3 Co je to kondenzátor? K čemu se používá kondenzátor?
- 4 Polarita elektrolytických kondenzátorů aneb jak je zapojit, aby nedošlo k výbuchu
- 5 Nabíjení a vybíjení kondenzátoru – jak připojit kondenzátor?
- 6 Připojení kondenzátorů
- 7 Kondenzátor – k čemu se používá? Filtrace napájecího zdroje
- 8 Jak vybrat kondenzátor pro napájecí systém?
- 9 Kondenzátor – k čemu se používá? – Filtrační prvek signálu
- 10 LC obvody – induktory a kondenzátory
- 11 Kondenzátory – shrnutí
- 12 Kondenzátory – nejčastější dotazy
Jak kondenzátor funguje?
Za několik desetiletí vývoje elektroniky se na trhu objevily tisíce skupin a druhů elektronických součástek. Některé jsou vyloženě exotické, používají se pouze v přesně vymezených, úzkých skupinách aplikací a jsou k dispozici pouze určitým společnostem. Jiné naopak tvoří základ, bez něhož si nelze představit žádný elektronický obvod, ani ten nejjednodušší. Kondenzátory nepochybně patří do druhé skupiny, tj. třetí – kromě rezistorů a cívek – podskupina pasivních prvků označovaná také jako pasivní.
Aplikace kondenzátorů v elektrotechnice i mimo ni
Tyto komponenty jsou univerzální. Použití kondenzátorů je tak široké, že není možné vyjmenovat všechny možné scénáře použití. Takový výčet by ani neměl velký smysl – proto místo výčtu aplikací v tomto článku představíme nejčastější pracovní uspořádání kondenzátorů v praxi. Koneckonců nic neilustruje vlastnosti prvku lépe než příklady reálných aplikací. Chcete vědět, jaké typy kondenzátorů existují? Pokud ano, čtěte dále!
Co je to kondenzátor? K čemu se používá kondenzátor?
Co je to kondenzátor? Definice uvádí, že se jedná o elektrickou nebo elektronickou součástku, která byla vytvořena z dvojice vodičů, tzv. krytů, které byly odděleny dielektrikem.
Konstrukce a princip činnosti kondenzátoru jsou triviálně jednoduché – dvě roviny vodiče (obvykle kovu), odborně nazývané kryty, jsou od sebe odděleny tenkou vrstvou dielektrika (izolantu). Když na ně přivedeme stejnosměrné napětí, hromadí se na příslušných krytech náboje opačných znamének – to je účinek homogenního elektrického pole, které mezi nimi vzniká. Když kondenzátor odpojíme od zdroje napětí, náboje nahromaděné na krytech zůstanou – říkáme, že kondenzátor byl nabit.
Měřítkem množství náboje, které kondenzátor dokáže uchovat, je jeho kapacita. Vyjadřuje se ve faradech (F), i když naprostá většina kondenzátorů má kapacitu mnohem menší, řádově v biliontinách (pF – pikofarad), miliardtinách (nF – nanofarad) nebo miliontinách (uF – mikrofarad) základní jednotky. Představíme-li si kondenzátor jako dvě ploché, rovnoběžné kovové desky s povrchem S, vyrovnané ve vzdálenosti d, můžeme vypočítat kapacitu C kondenzátoru ze vzorce:
C = ε0 εr S / d
Konstanta ε0 je tzv. dielektrická permeabilita vakua (rovná se přibližně 8,85 * 10-12 F/m). Konstanta ε0 je tzv. dielektrická permeabilita vakua (rovná se přibližně 8,85 * 10-12 F/m), zatímco εr je relativní dielektrická permeabilita použitého dielektrika. Jak je vidět, kapacitu kondenzátoru můžeme ovlivnit změnou tří parametrů: plochy krytů, vzdálenosti mezi nimi a permeability izolantu. Chceme-li kondenzátor s vysokou kapacitou, měli bychom použít velké kryty, zmenšit vzdálenost mezi nimi a použít co “nejlepší” dielektrikum. Nic však není zadarmo: zvětšením plochy krytů nevyhnutelně zvětšíme velikost kondenzátoru, zatímco zmenšením vzdálenosti mezi kryty snížíme maximální napětí, s nímž může kondenzátor pracovat. U velmi tenké vrstvy dielektrika stačí i malé napětí k tomu, aby prorazilo tenký izolátor a způsobilo zkrat nebo – zjednodušeně řečeno – nevratné poškození kondenzátoru.
Struktura kondenzátoru
Kondenzátor – konstrukce: Jak se s těmito problémy vypořádali konstruktéři kondenzátorů? V případě tzv. V případě tzv. filmových kondenzátorů mají kryty podobu dlouhých pásů tenké kovové fólie, oddělených stejně dlouhým a tenkým pásem fólie z vhodného plastu. Sestavené součásti se pak pevně smotají dohromady a po spojení vývodů (vodičů) a zalití celku speciální pryskyřicí vznikne konečný výrobek, vysoce kvalitní kondenzátor.
Elektrolytické kondenzátory mají poněkud odlišnou strukturu – jejich kapacity jsou mnohonásobně vyšší, protože roli dielektrika hraje chemicky vytvořená tenká vrstva oxidu na povrchu jednoho z obalů.
Úlohu druhého krytu hraje elektrolyt, který pokrývá oxid a tvoří rozhraní mezi dielektrikem a druhým proužkem hliníkové fólie.
Díky extrémně malé tloušťce oxidu a velké ploše krytů (dosažené chemickým leptáním kovové fólie) jsou kapacity elektrolytických kondenzátorů velmi vysoké – zde platí obecné pravidlo, že pokud se dva kondenzátory podobného objemu liší kapacitou, má kondenzátor s větší kapacitou obvykle nižší přípustné provozní napětí. Princip “krátké deky”, tj. technologického kompromisu, zde dává o sobě vědět obzvlášť zřetelně.
Kondenzátor – symbol: pamatujte, že symbol kondenzátoru v elektrických schématech jsou obvykle dvě svislé paralelní čárky.
Symbol kondenzátoru
Nezapomeňte, že symbol kondenzátoru v elektrických schématech jsou obvykle dvě svislé paralelní čárky. V závislosti na typu mohou vypadat následovně:
- kondenzátor pevný nepolarizovaný
- polarizovaný kondenzátor (elektrolytický)
- variabilní/nastavitelný kondenzátor/trimmer
- Ladicí kondenzátor/trimmer
Typy kondenzátorů
Kondenzátor – typy: Již zmíněné filmové kondenzátory se vyznačují dobrou stabilitou parametrů (především kapacity) a jsou schopny pracovat i při vysokých napětích (řádově několik set voltů). Z tohoto důvodu se používají především v síťových napájecích obvodech. Kapacity fóliových kondenzátorů se pohybují od přibližně 1 nF až po maximálně několik desítek mikrofaradů.
Elektrolytické kondenzátory nabízejí velmi vysoké kapacity (od jednotlivých mikrofaradů až po několik desítek faradů – v posledním případě hovoříme o tzv. superkondenzátorech). To je však obvykle vykoupeno buď velkými rozměry, nebo nízkým maximálním napětím. Tyto typy kondenzátorů mají poměrně malou přesnost kapacity (často v řádu +/- 20 %) a vykazují poměrně velké kolísání tohoto parametru v závislosti na okolní teplotě, provozním napětí a… čase, tj. – zjednodušeně řečeno – mají tendenci stárnout. Rozlišujeme dvě hlavní skupiny elektrolytických kondenzátorů: hliníkové (levnější, ale s poněkud horšími parametry) a tantalové (drahé, ale špičkové). Za zmínku stojí, že přední výrobci kondenzátorů neustále pracují na nových typech kondenzátorů, konstrukčně podobných v současnosti používaným součástkám, ale nabízejících ještě lepší elektrické parametry. Elektrolytické kondenzátory jsou k dispozici jako součástky pro průchozí (THT) i povrchovou montáž (SMD). Schematické označení elektrolytického kondenzátoru se od ostatních typů kondenzátorů liší díky tzv. polaritě – tu jsme podrobněji popsali zde. Ta je podrobněji popsána dále v tomto článku.
Třetí – kromě výše uvedených – nejčastěji používanou skupinou kondenzátorů jsou keramické kondenzátory.
Jejich konstrukce je do jisté míry podobná konstrukci filmových kondenzátorů, i když – vzhledem ke křehkosti keramiky – nejsou samozřejmě povrchy stočeny do spirály, ale jsou uspořádány takříkajíc “paralelně” v podobě vícevrstvého “sendviče”.
Tyto kondenzátory se vyznačují nejnižšími kapacitami mezi výše uvedenými druhy prvků (od jednoho pikofaradu až po několik mikrofaradů), ale mají další vlastnosti, které jsou z praktického hlediska velmi výhodné: nabízejí dobrou (nebo dokonce vynikající) teplotní stabilitu, malou toleranci kapacity (tj. přesně “drží” jmenovitou kapacitu udanou výrobcem) a nízké ztráty.
Kondenzátory lze opět nalézt jak v průchozích, tak v povrchových pouzdrech.
Protože – stejně jako u filmových kondenzátorů – ani keramické kondenzátory nemají specifické označení polarity, jejich symbol se neliší od symbolu používaného pro filmové kondenzátory.
Polarita elektrolytických kondenzátorů aneb jak je zapojit, aby nedošlo k výbuchu
Ano, je to pravda – elektrolytický kondenzátor (zejména větších rozměrů) může při nesprávném použití explodovat. Existují dva hlavní scénáře zapojení, které elektrolytika “nezvládne”. První, jako u každého kondenzátoru (a nejen u něj), zahrnuje překročení maximálního provozního napětí. Elektrolytické kondenzátory jsou na to obzvláště “citlivé”, a to kvůli výše zmíněné velmi malé tloušťce dielektrika. Zatímco však u kondenzátoru ošetřeného příliš vysokým napětím obvykle dojde k vnitřnímu zkratu (což může de facto vést k vážnému poškození celého obvodu), ještě nevhodnější je připojovat elektrolytické kondenzátory k napětím opačné polarity, než jaká je uvedena na označení svorek na pouzdrech těchto prvků.
Tato “citlivost” elektrolytických kondenzátorů je způsobena chováním kapalného elektrolytu – zpětné napětí vede k rychlé tvorbě plynů, jejichž překročení může způsobit explozi pouzdra kondenzátoru. Z tohoto důvodu by se elektrolytické kondenzátory neměly používat v oblastech obvodu, kde polarita napětí může dosahovat různých znamének (především to platí pro střídavá napětí). Na okraj dodejme, že je možné najít speciální elektrolytické kondenzátory uzpůsobené pro použití v obvodech s proměnnou polaritou (stejně jako techniky pro správné použití klasických “elektrolytů” v nich) – většinou je však možné zvládnout návrh obvodu bez potřeby takových vynálezů.
Nabíjení a vybíjení kondenzátoru – jak připojit kondenzátor?
Teoreticky by si kondenzátor měl udržet stav nabití po libovolně dlouhou dobu, pokud není připojen k zátěži, která by způsobila průtok proudu a vybití kondenzátoru (pokles napětí mezi kryty kondenzátoru na nulu). Jak už to v praxi bývá, žádná situace není ideální.
I když je kondenzátor zcela odpojen od zbytku obvodu, stejně po určité době projde tzv. samovybíjením – to je způsobeno neideálními vlastnostmi dielektrika, kterým může vždy protékat určitý (sice zanedbatelný, ale přesto) proud. To je způsobeno neideálními vlastnostmi dielektrika, kterým může vždy protékat určitý (zanedbatelný, ale přesto) proud. Rozsah tohoto jevu závisí na typu dielektrika a konstrukci kondenzátoru.
Pokud je naopak kondenzátor připojen k zátěži (např. rezistoru), napětí na něm klesne a doba poklesu závisí na hodnotě vybíjecího proudu. Čím větší je (ekvivalentní) odpor zátěže nebo kapacita kondenzátoru, tím delší je doba vybíjení do určité hodnoty. Protože právě toto pracovní uspořádání (nabíjení a vybíjení přes sériový odpor) se v praktických obvodech vyskytuje velmi často, je užitečné si zapamatovat užitečný vzorec:
τ = RC
kde τ je tzv. je časová konstanta, která určuje dobu, za kterou napětí klesne (při vybíjení) nebo stoupne (při nabíjení) o cca. 63,2 % maximální hodnoty. Například je-li kondenzátor 100 uF nabíjen rezistorem 20 kΩ napětím 10 V, po čase rovném časové konstantě τ:
τ = 100 * 10^-6 * 20 * 10^3 = 2 s
napětí na kondenzátoru dosáhne 63,2 % napájecího napětí, tj. 6,32 V.
Je třeba poznamenat, že (ne)nabíjení kondenzátoru rezistorem je silně nelineární. Přesněji řečeno, průběhy napětí (a také proudů) mají tvar exponenciální křivky. V některých systémech je však možné dosáhnout lineárního (rovnoměrného) nárůstu nebo poklesu napětí na kondenzátoru – to je možné při použití zdroje proudu přímo s kondenzátorem. Takto fungují některé generátory a systémy tvarování pulzů.
Připojení kondenzátorů
Stejně jako rezistory mohou být i kondenzátory zapojeny sériově nebo také paralelně. V případě paralelního zapojení je výsledná (ekvivalentní) kapacita obvodu součtem jednotlivých kapacit, tj:
Cw = C1 + C2 + … Cn
Kapacitu sériového zapojení lze zase vypočítat podle vzorce:
Cw = 1 / (1/C1 + 1/C2 + … 1/Cn)
Stojí za zmínku, že výše uvedený tvar je přesně opačný než způsob zapojení rezistorů (kde je výsledkem sériového zapojení součet jednotlivých odporů).
Kondenzátor – k čemu se používá? Filtrace napájecího zdroje
Jedním ze základních, nejjednodušších a zároveň nejčastěji používaných kondenzátorových provozních systémů je filtrace a odpojení zdroje. Filtrování napětí nebo – jednodušeji – “vyhlazování” napájecího napětí je umožněno kapacitou kondenzátoru. Nabitý kondenzátor, připojený paralelně k napájecímu napětí obvodu nebo jeho části, je schopen rychle odevzdat potřebné množství energie, pokud se napájecí proud daného obvodu v daném okamžiku zvýší. Malé, keramické kondenzátory se lépe vyrovnávají s malými, ale velmi rychlými změnami, zatímco velké elektrolytické kondenzátory nejsou schopny “vidět” malé, rychlé změny, ale jsou schopny se mnohem snadněji vyrovnat s momentální podporou napájení při poklesu napájení.
Proto se v napájecích obvodech používá paralelní zapojení obou typů kondenzátorů. Oddělení je obecný termín pro metody “oddělení” jednotlivých bloků zařízení tak, aby se rušení generované jedním obvodem nepřenášelo do druhého přes napájecí lišty. Základní metodou oddělování je montáž keramických kondenzátorů v blízkosti napájecích svorek integrovaných obvodů.
Jak vybrat kondenzátor pro napájecí systém?
V praxi se nejčastěji používají keramické kondenzátory o kapacitě 47..100 nF (oddělovací a vysokofrekvenční filtrace) a elektrolytické kondenzátory s kapacitou závislou na odebíraném proudu. Například pro většinu mikrokontrolérů postačují místní elektrolytické kondenzátory o kapacitě řádově 10uF a napájecí obvody velkých audio zesilovačů používají celé výkonné kondenzátorové baterie s kapacitami mnoha tisíc mikrofaradů.
Kondenzátor – k čemu se používá? – Filtrační prvek signálu
Pokud máte po ruce rezistor a kondenzátor, můžete z těchto dvou prvků snadno sestavit poměrně slušné, i když jednoduché filtry, které vám umožní tvarovat frekvenční charakteristiky signálů. Zajímavé a důležité je, že způsob fungování filtru závisí na propojení obou prvků, zatímco elektrické parametry závisí na odporu rezistoru a kapacitě kondenzátoru. Hornopropustný filtr propouští signály s frekvencí (přibližně) nad určitou mezní frekvencí, kterou lze vypočítat ze vzorce, beze změny:
f [Hz] = 1 / (2 pi R[Ω] C[F])
Dolnopropustný filtr naopak “odřízne” (tj. utlumí) vysokofrekvenční signály, zatímco stejnosměrné napětí a frekvence pod mezní hodnotou (de facto definovanou stejným vzorcem jako u hornopropustného filtru) zůstanou beze změny.
Díky možnosti prakticky libovolného tvarování charakteristik RC filtrů jsou tyto obvody velmi rozšířené prakticky v celé elektronice.
LC obvody – induktory a kondenzátory
Kondenzátory jsou součástí LC obvodů – kombinace induktoru a kondenzátoru má totiž obzvláště zajímavé vlastnosti. Parametry takového obvodu (sériového i paralelního) se také – podobně jako u RC obvodu – mění s frekvencí signálu, ale radikálně odlišným způsobem. Například paralelní obvod výrazně zvyšuje svou impedanci pro signály na tzv. rezonanční frekvenci a snižuje ji pro signály na rezonanční frekvenci. Například paralelní obvod výrazně zvyšuje svou impedanci pro signály na tzv. rezonanční frekvenci a snižuje ji pro ostatní šířky pásma. LC obvody byly kdysi velmi oblíbené v mnoha zařízeních, zejména v rádiových obvodech. Dnes se vzhledem k vysokému stupni integrace obvodů transceiverů takové obvody používají v mnohem menším počtu, i když jsou stále mimořádně důležitou součástí vf obvodů.
Kondenzátory – shrnutí
V krátkém článku nelze obsáhnout ani velkou část nejklasičtějších způsobů použití kondenzátorů. Se základními znalostmi o typech, způsobech kombinování a fungování kondenzátorů však můžete začít s experimenty, které vám jako ve všech případech poskytnou přímou zkušenost s fungováním těchto užitečných prvků.
