Kondenzátor (elektrotechnika)

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

Elektrická 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 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).

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 70F (ale iba pre nízke napätia – typicky 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
• životnost je vysoko závislá na teplote 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 hodin a viac
• nesprávne zapojenie polarity poškodí súčiastku

Typické rozsahy hodnôt

• kapacity 1nF – 100 000 μF ale môže to byť až 5 000 F (s rastúcou kapacitou rastie rozmer, plati hlavne pre vyššie napätia)
• napätia 6V – 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 u NF obvodov
• malé kapacity sa používajú na odstránenie vysokých frekvencii

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 u elektrolytických

Typické rozsahy hodnôt

• kapacity 1 μF – 4700 μF
• napätia 6 V – 320 V

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

Dielektrikom – 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 pripoený kondenzátor

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

Modelovanie a simulácia

Model reálneho kondenzátora

Reálny kondenzátor

Reálny kondenzátor sa dá vyjadriť modelom ako na obrázku. Okrem kapacity, má ešte zvod (R_leakage), sériový odpor (R_ERS) a sériovú indukčnosť (L_ESL).

Iné projekty

• Commons

• Commons ponúka multimediálne súbory na tému Kondenzátor (elektrotechnika)