Kondenzátor (elektrotechnika)

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

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

Schématická značka kondenzátora

V zásade vždy ide o dve elektródy s vloženým dielektrikom, ale v závislosti od detailov konštrukcie kondenzátora sa za rôznych podmienok prejavujú ich nežiadúce (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 kondenzátora

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.

Označovanie kondenzátorov

Kondenzátory

Hodnoty vlastností kondenzátora bývajú vyznačené na tele kondenzátora.

• Kapacita býva označená priamo vo Faradoch, napr. 470 uF, t.j. 0,000 47 F, pokiaľ to veľkosť kondenzátora dovolí. Niekedy sa predpona použije miesto desatinnej čiarky. Napríklad 2n2 znamená hodnotu 2,2nF.
  • Pri menších telesách sa môžeme stretnúť s trojciferným označením, kde prvé dvojčíslie predstavuje hodnotu kapacity v pikofaradoch, ktorú treba vynásobiť číslom 10 umocneným na tretiu cifru. Pokiaľ je na označenie použitá dvojica cifier, hodnota je priamo v pikofaradoch.

Napríklad 564 znamená 56 x 10⁴ pF= 560 000 pF = 560 nF.

Písmeno za trojcifrou znamená triedu tolerancie. Napríklad K znamená toleranciu 10 pF + 10% nominálnej hodnoty.

• Prevádzkové napätie pre ktoré je kondenzátor určený.
• Polarita vývodov pri polárnych kondezátoroch (v súčasnosti väčšina elektrolytických kondenzátorov).

Typy kondenzátorov (konštrukcia, vlastnosti, použitie)

Elektrolytické kondenzátory

Elektrolytické

Konštrukcia

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/).

Vlastnosti

• 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 T_a na polovicu maximálnej stúpa životnosť až na 250 000 hodín a viac
• nesprávne zapojenie polarity poškodí súčiastku

Typické rozsahy hodnôt

• kapacity 100 nF –  2,7 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 aplikácie

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

Tantalové

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

Vlastnosti

• 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 hodnôt

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

Typické aplikácie

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

Keramické

Konštrukcia

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.

Vlastnosti

• bipolárne
• malé rozmery
• relatívne lacné
• malé (zanedbateľné) zvodové prúdy
• nemajú určenú polaritu

Vysoké kapacity

• silne nelineárne
• veľká tepelná závislosť
• vhodné len pre filtrovanie jednosmerného napájania

Typické rozsahy hodnôt

• napätia 10 V – 600 V

Nízke kapacity

• kapacity 1 pF – 1 nF

Vysoké kapacity

• kapacity 1 nF – 100 nF

Typické aplikácie

Nízke kapacity

• vysokofrekvenčné obvody
• RC siete v NF obvodoch
• filtrovanie VF zložiek signálov a napájacích napätí

Vysoké kapacity

• filtrovanie jednosmerného napájacieho napätia

Fóliové

Konštrukcia

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

Vlastnosti

• 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 hodnôt

• 100 pF – 1 μF
• 10 V – 1 000 V

Typické aplikácie

• precízne NF filtre
• oddelenie jednosmernej zložky v NF obvodoch

Premenlivé kondenzátory

Premenlivé

Mechanické

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.

Varikapy

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:

$C=k.{\frac {1}{U^{2}}}$ 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 simulácia

Ideálny kondenzátor

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

$C=\varepsilon _{0}\varepsilon _{r}{\frac {S}{d}}$

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

$Q=CU$

$Q=It$

Jednotkou kapacity v sústave SI je farad:

$[F]=[{m}^{-2}\cdot {\mbox{kg}}^{-1}\cdot {\mbox{s}}^{4}\cdot {\mbox{A}}^{2}]$

Model reálneho kondenzátora

Reálny kondenzátor

Reálny kondenzátor sa dá vyjadriť modelom ako na obrázku. C je vlastná kapacita, R_leakage izolačný odpor dielektrika, R_ESR sériový odpor a L_ESL indukčnosť prívodov.

Kalkulačka prevodu kapacity: Kalkulačka

Iné projekty

Commons

• Commons ponúka multimediálne súbory na tému Kondenzátor (elektrotechnika)