Kondenzátor

Rozbalit box

Obsah boxu

Kondenzátor je pasivní elektrotechnická součástka, jejíž charakteristickou vlastností je schopnost uchovávat elektrickou energii ve formě elektrostatického pole. Skládá se ze dvou vodivých desek (elektrod) oddělených nevodivou vrstvou, která se nazývá dielektrikum. Základní fyzikální veličinou popisující kondenzátor je kapacita, která se měří v jednotkách Farad (F).

Kondenzátory jsou jedněmi z nejzákladnějších a nejpoužívanějších součástek v elektronice a elektrotechnice. Nacházejí uplatnění v široké škále aplikací, od filtrování a vyhlazování napětí v napájecích zdrojích, přes časovací obvody, až po laděné obvody v radiotechnice a ukládání energie pro zařízení jako jsou fotografické blesky.

📜 Historie

Princip kondenzátoru byl objeven nezávisle na sobě dvěma experimentátory v polovině 18. století. Prvním byl německý fyzik Ewald Georg von Kleist, který v říjnu 1745 zjistil, že elektrický náboj lze uchovat ve skleněné nádobě naplněné vodou, do níž byla ponořena kovová tyč.

O několik měsíců později, v roce 1746, dospěl k podobnému objevu nizozemský fyzik Pieter van Musschenbroek na Leidenské univerzitě. Jeho zařízení, které se stalo známým jako Leydenská láhev, bylo prvním prakticky použitelným kondenzátorem. Skládalo se ze skleněné nádoby, která byla zevnitř i zvenku potažena kovovou fólií. Leydenská láhev umožnila vědcům uchovávat podstatně větší množství elektrického náboje než dříve a stala se klíčovým nástrojem pro raný výzkum elektřiny.

Termín "kondenzátor" (z italského condensatore) zavedl Alessandro Volta v roce 1782. Významný příspěvek k teorii kondenzátorů učinil Michael Faraday, který zkoumal vliv různých materiálů (dielektrik) mezi deskami a zavedl pojem permitivita.

⚙️ Princip a fyzikální vlastnosti

Základní funkcí kondenzátoru je hromadění elektrického náboje. Po připojení ke zdroji stejnosměrného napětí se na jedné elektrodě nahromadí kladný náboj a na druhé záporný náboj. Mezi deskami tak vznikne elektrické pole. Tento proces se nazývá nabíjení kondenzátoru. Množství náboje Q, které je kondenzátor schopen pojmout, je přímo úměrné přiloženému napětí U.

Kapacita

Konstantou úměrnosti je kapacita C, která je definována vztahem:

$C=\frac{Q}{U}$

kde:

• C je kapacita ve faradech (F)
• Q je elektrický náboj v coulombech (C)
• U je elektrické napětí ve voltech (V)

Kapacita deskového kondenzátoru závisí na geometrii elektrod a na materiálu dielektrika. Pro jednoduchý deskový kondenzátor platí:

$C=\epsilon \frac{A}{d}={\epsilon }_0{\epsilon }_r\frac{A}{d}$

kde:

• ε je permitivita dielektrika
• ε₀ je permitivita vakua (přibližně 8,854×10⁻¹² F/m)
• εᵣ je relativní permitivita použitého dielektrika
• A je plocha překrývajících se elektrod v metrech čtverečních (m²)
• d je vzdálenost mezi elektrodami v metrech (m)

Z tohoto vztahu je patrné, že kapacitu lze zvýšit zvětšením plochy elektrod, zmenšením jejich vzdálenosti nebo použitím dielektrika s vyšší relativní permitivitou.

Energie v kondenzátoru

Energie W uložená v nabitém kondenzátoru je rovna práci, kterou bylo nutné vykonat pro jeho nabití. Lze ji vypočítat pomocí vztahu:

$W=\frac{1}{2}C{U}^2=\frac{1}{2}QU=\frac{Q^2}{2C}$

Tato energie je uložena v elektrickém poli mezi deskami a po odpojení od zdroje zůstává v kondenzátoru (ideálně) uchována.

Chování v obvodech

• V stejnosměrném obvodu: Po připojení ke zdroji se kondenzátor nabíjí. Nabíjecí proud postupně klesá a po plném nabití se kondenzátor pro stejnosměrný proud chová jako přerušení obvodu (izolant).
• V střídavém obvodu: Kondenzátor se periodicky nabíjí a vybíjí, čímž umožňuje průchod střídavého proudu. Pro střídavý proud představuje impedanci nazývanou kapacitní reaktance (X_C), která klesá s rostoucí frekvencí proudu.

$X_C=\frac{1}{2\pi fC}$

kde f je frekvence v hertzech (Hz).

🔧 Typy kondenzátorů

Kondenzátory se dělí podle použitého dielektrika a konstrukce. Každý typ má specifické vlastnosti, které ho předurčují pro různé aplikace.

Pevné kondenzátory

Mají pevnou, neměnnou hodnotu kapacity.

• Keramické kondenzátory: Jsou nejběžnějším typem. Jako dielektrikum používají keramický materiál. Jsou malé, levné a dostupné v širokém rozsahu kapacit (od pF do několika μF). Používají se pro filtrování, blokování a v oscilačních obvodech.
• Fóliové kondenzátory: Dielektrikum tvoří tenká plastová fólie (např. polyester, polypropylen, polystyren). Elektrody jsou buď tenké kovové fólie, nebo napařená vrstva kovu. Vyznačují se vysokou stabilitou, nízkými ztrátami a vysokým izolačním odporem. Používají se v audio technice a přesných časovacích obvodech.
• Elektrolytické kondenzátory: Dosahují velmi vysokých kapacit (až tisíce μF) při malých rozměrech. Jednu elektrodu tvoří kovová fólie (typicky hliník nebo tantal) a dielektrikum je tenká vrstva oxidu vytvořená elektrolytickým procesem přímo na této fólii. Druhou elektrodou je vodivý elektrolyt. Jsou polarizované, což znamená, že musí být zapojeny se správnou polaritou napětí. Při přepólování může dojít k jejich zničení až explozi. Používají se hlavně pro filtrování v napájecích zdrojích.
• Superkondenzátory (ultrakondenzátory): Představují přechod mezi kondenzátory a bateriemi. Mají extrémně vysokou kapacitu (v řádu jednotek až tisíců faradů). Využívají principu elektrické dvojvrstvy. Používají se pro zálohování pamětí, v systémech pro rekuperaci brzdné energie (KERS) nebo pro krátkodobé napájení vysoce výkonných zařízení.
• Slídové kondenzátory: Používají slídu jako dielektrikum. Jsou velmi stabilní, přesné a mají vynikající vlastnosti při vysokých frekvencích. Jsou však dražší a používají se ve speciálních aplikacích, jako jsou vysokofrekvenční filtry a oscilátory.

Proměnné kondenzátory

Jejich kapacitu lze plynule nebo skokově měnit.

• Otočné (ladicí) kondenzátory: Kapacita se mění otáčením sady desek, čímž se mění jejich vzájemné překrytí. Jako dielektrikum se často používá vzduch. Dříve se hojně používaly pro ladění v rádiových přijímačích.
• Kapacitní trimry: Jsou malé kondenzátory s nastavitelnou kapacitou, určené pro jemné doladění (kalibraci) obvodů. Nastavují se obvykle jen jednou při výrobě zařízení.

💡 Použití

Kondenzátory jsou klíčové součástky v téměř každém elektronickém zařízení.

• Filtrace a vyhlazování: V napájecích zdrojích vyhlazují pulzující stejnosměrné napětí za usměrňovačem.
• Blokování stejnosměrné složky: Propouštějí střídavý signál, ale blokují stejnosměrnou složku. Používají se pro vazbu mezi jednotlivými stupni zesilovačů.
• Časovací obvody: V kombinaci s rezistorem tvoří RC článek, který se používá v časovačích, oscilátorech a filtrech.
• Ukládání energie: Schopnost rychle uložit a vydat energii se využívá ve fotografických blescích, defibrilátorech nebo v systémech pro startování velkých motorů.
• Laděné obvody: Spolu s cívkou tvoří rezonanční obvod, který je základem pro výběr požadované frekvence v rádiích a televizích.
• Kompenzace účiníku: V energetických sítích se používají velké kondenzátorové baterie ke kompenzaci jalového výkonu a zlepšení účiníku.
• Děliče napětí: Kapacitní děliče se používají pro dělení vysokých střídavých napětí.

📊 Značení a parametry

Kromě kapacity je každý kondenzátor charakterizován dalšími parametry:

• Jmenovité napětí: Maximální napětí, kterému může být kondenzátor trvale vystaven bez poškození dielektrika.
• Tolerance: Udává maximální procentuální odchylku skutečné kapacity od jmenovité hodnoty.
• Teplotní součinitel: Popisuje, jak se kapacita mění se změnou teploty.
• Ekvivalentní sériový odpor (ESR): Reprezentuje vnitřní odpor součástky, který způsobuje ztráty (zahřívání) při průchodu střídavého proudu. Nízký ESR je důležitý zejména u filtračních kondenzátorů ve spínaných zdrojích.
• Svodový proud: Malý stejnosměrný proud, který protéká dielektrikem. Ideální kondenzátor by měl mít nekonečný odpor, ale v praxi vždy dochází k malým svodům.

Hodnoty kapacity se často značí pomocí kódu. Například kód "104" na keramickém kondenzátoru znamená 10 × 10⁴ pF, což je 100 000 pF = 100 nF = 0,1 μF.

👨‍🏫 Pro laiky: Kondenzátor jako kbelík na elektrony

Představte si kondenzátor jako kbelík a elektrický proud jako proud vody z hadice.

• Kapacita odpovídá šířce (průměru) kbelíku. Široký kbelík (velká kapacita) pojme hodně vody (náboje), aniž by hladina (napětí) příliš stoupla. Úzký kbelík (malá kapacita) se i malým množstvím vody naplní velmi rychle a hladina prudce stoupne.
• Napětí je jako výška hladiny vody v kbelíku.
• Nabíjení je napouštění kbelíku. Zpočátku voda teče rychle, ale jak se kbelík plní, tlak vody v něm stoupá a brání dalšímu přítoku. Nakonec se přítok zastaví, když je kbelík plný (kondenzátor nabitý).
• Vybíjení je vylévání vody z kbelíku. Můžete ho vylít najednou (rychlé vybití, např. blesk u fotoaparátu) nebo nechat vodu pomalu odtékat malým otvorem (pomalé vybití, např. napájení paměti).

Tato analogie pomáhá pochopit, proč kondenzátor dokáže rychle dodat velké množství energie a proč blokuje stejnosměrný proud (plný kbelík už další vodu nepřijme), ale propouští střídavý proud (neustálé napouštění a vyprazdňování kbelíku).

Šablona:Aktualizováno