Jak funguje kondenzátor jednoduchými slovy?

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, který nejlépe vyhovuje. 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 ε_r 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 do válce 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 pro a proti, 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. Děkuju.

• конденсаторы
• elektroniky
• elektronické komponenty
• elektrotechnika