Základy kondenzátorů, fungování a různé typy kondenzátorů s jejich aplikacemi v obvodech

Kondenzátory – slovo zřejmě navozuje představu kapacity, což podle slovníku znamená ‚schopnost něco udržet‘. Přesně to kondenzátor dělá – udržuje elektrický náboj. Co z něj ale dělá běžnou součástku téměř všech elektronických obvodů? Pojďme si v tomto článku rozebrat věci, které se za kondenzátory skrývají, abychom pochopili, k čemu slouží a jak je lze použít.

Co je to kondenzátor?

Kondenzátor se ve své nejprimitivnější podobě skládá ze dvou vodivých desek oddělených dielektrikem. Termín dielektrikum je pouze módní výraz pro izolant, který může být polarizován, tj. tvořit záporné a kladné náboje na protilehlých plochách. Když se na tyto dvě desky přiloží napětí, protéká vodivými deskami proud. Jedna strana se nabíjí kladně (nedostatek elektronů) a druhá strana se nabíjí záporně (přebytek elektronů). Všichni známe skutečnost, že se nepodobné náboje přitahují, takže jelikož jsou desky opačně nabité, náboje na deskách se přitahují.

Pamatujte, že mezi deskami je izolant, takže náboje nemohou „proudit“, aby se vzájemně vyrovnaly, a jsou (v ideálním případě) zaseknuté ve stavu vzájemné přitažlivosti a zůstávají na místě. A právě tak kondenzátory plní svou nejzákladnější funkci – zadržování neboli uchovávání náboje.

Symbol kondenzátorů

Protože kondenzátory mají dvě paralelní kovové desky, jak bylo řečeno výše, jejich symbol tak trochu představuje totéž. Alespoň se to dá snadno nakreslit

V praktickém případě už kondenzátory nejsou jen dvě desky s mezerou mezi nimi, v případě hliníkových elektrolytik mají obě desky podobu kovové fólie svinuté s mezerou mezi nimi v trubičce.

Druhá skupina symbolů označuje polarizované kondenzátory, tedy takové, které mají vnitřní konstrukcí definované kladné a záporné svorky. Náhodné přehození těchto svorek má téměř jistě za následek velkolepou poruchu (zejména u větších exemplářů), vymrštění kousků fólie a papírových metrů z místa poruchy a většinou i velmi nepříjemný zápach.

Kapacitance a jmenovité napětí kondenzátoru

Kondenzátory se měří ve Faradech; je pojmenován po slavném britském elektrochemikovi Michaelu Faradayovi. Jedná se o jednotku kapacity, která zastupuje coulomb na volt. Coulomb (vyslovuje se „koo-lom“) je jednotka S.I. pro náboj a volt, jak víme, je jednotka pro napětí nebo rozdíl potenciálů. Farad je tedy množství náboje uloženého na jeden volt rozdílu potenciálů. Tento jednoduchý způsob matematického pohledu na kondenzátor umožňuje širokou škálu výkladů, které se projevují spoustou smrtelně složitých matematických rovnic, jako jsou integrály, exponenty a vektory, které my inženýři budeme používat při práci s kondenzátory, což je něco, co přesahuje rámec tohoto článku. Nicméně později v článku se dostaneme k zajímavé matematice, která nám pomůže při návrhu obvodů s kondenzátory

Farad (jeden coulomb na volt) je samozřejmě pro většinu praktických účelů velmi velká jednotka (protože coulomb sám o sobě je poměrně velké množství náboje, jak už možná víte), takže většina kondenzátorů (s výjimkou velmi velkých) se měří v mikrofaradech neboli jedné miliontině (0,000001) faradu. Předpokládejme, že máte kondenzátor, na jehož vnějším plastovém krytu je uvedeno 25 V 10uF (předpona „u“ znamená mikro, je to zkomolenina řeckého symbolu µ („mu“), což znamená „mikro“). Vzhledem k tomu, že kapacita (v elektronickém světě zkratka pro kondenzátory) je dimenzována na 10uF, dokáže udržet náboj o velikosti deseti mikro coulombů (tj. deset miliontin coulombu, 0,000010 C) na jeden volt napětí na svých svorkách. To znamená, že při maximálním napětí 25 V může kondenzátor udržet náboj 25 V x 10uF, což je 0,000250 coulombů.

Pamatujte, že jsem řekl „maximální“ napětí. Maximální napětí je pravděpodobně nejdůležitější údaj na kondenzátoru. Říká vám, jaké napětí na svorkách kondenzátor zvládne, než udělá KABOOM………!

Fungování kondenzátoru

V podstatě se uvnitř kondenzátoru děje to, že izolant mezi těmito deskami prochází procesem zvaným „dielektrický průraz“, což znamená, že izolant už nemůže izolovat, protože napětí na izolantu je příliš vysoké na to, aby mohl zůstat izolantem. Fyzika je poněkud mimo mísu, ale vše, co potřebujete vědět, abyste pochopili, proč k tomu dochází, je, že žádný izolant není dokonalý, tedy až do určitého bodu. I ten nejpevnější most se zhroutí, pokud je přetížen. To, co se děje zde, je podobné. Abyste snížili průraznost, můžete zvětšit mezeru mezi oběma deskami, ale to s sebou nese kompromis – snížení kapacity, protože desky jsou dále od sebe a náboje se nepřitahují tolik, jako když jsou blíže – podobně jako se chovají magnety.

Dobrým pravidlem by bylo používat kondenzátory dimenzované na napětí o 50 % vyšší, než jaké lze očekávat ve vašem obvodu. To ponechává širokou bezpečnostní rezervu. Pokud například potřebujete čepičku k odpojení (nebojte se, odpojení je vysvětleno později v článku) 12V napájecí lišty, mohlo by vám projít použití 16V kondenzátoru, ale doporučuje se použít 25V kondenzátor, protože vám dává širokou bezpečnostní rezervu. Dobře, přišli jste na to!! Ano, 25V samozřejmě není o 25% více než 12V, ale 18V není standardní hodnota kondenzátoru – žádný s tímto jmenovitým napětím nenajdete. Nejbližší je 25V.

Různé typy kondenzátorů

Důvodem rozmezí průrazného napětí je materiál použitý jako dielektrikum, podle kterého se také kondenzátory dělí:

Hliníkové elektrolytické kondenzátory

Tyto jsou asi nejrozpoznatelnější typy kondenzátorů. Dodávají se v charakteristických kovových plechovkách s plastovým pláštěm, s jasně uvedeným jmenovitým napětím a kapacitou a bílým pruhem označujícím katodu. Název pochází ze skutečnosti, že, jak bylo uvedeno výše, „desky“ jsou vyrobeny z chemicky leptané hliníkové fólie. Leptáním se hliník stává porézním (podobně jako houba) a výrazně se zvětšuje jeho povrch, čímž se zvyšuje kapacita. Dielektrikem je tenká vrstva oxidu hlinitého. Tyto kondenzátory jsou naplněny olejem, který se chová jako elektrolyt, odtud název. Elektrolytické kondenzátory jsou díky své vnitřní konstrukci polarizované. Ve srovnání s ostatními členy rodiny kondenzátorů mají velkou kapacitu, ale mnohem nižší napětí. Můžete očekávat, že se setkáte s elektrolytickými kondenzátory o kapacitě od 0,1uF do monster jako 100mF a s jmenovitým napětím od několika voltů do přibližně 500V. Jejich vnitřní odpory však bývají vysoké.

STRUČNÁ POZNÁMKA: Vnitřní odpor kondenzátorů je způsoben materiály, ze kterých je čepička vyrobena – například odporem hliníkové fólie nebo odporem vodičů.

Keramické kondenzátory

Jsou to čepičky s keramickým dielektrikem. Vzhledem k tomu, že mez průraznosti keramického dielektrika je poměrně vysoká, můžete očekávat keramické kapsle s šílenými průraznými napětími, například 10 kV. Kapacita však bývá nízká, v rozsahu pikofaradů (0,000000000001F) až několika desítek mikrofaradů. Obecně jsou mnohem menší než jiné typy kondenzátorů, jak ukazuje obrázek. Mají také velmi malé vnitřní odpory.

Identifikace keramických kondenzátorů

Hodnota keramické kapacity nebude uvedena přímo na keramickém kondenzátoru. Vždy tam bude trojmístné číslo, za kterým následuje proměnná; naučme se, jak hodnotu pomocí těchto čísel identifikovat. Uvažujme následující kondenzátor:

Jak si můžete všimnout, tyto tři číslice jsou rozděleny na dvě číslice a třetí je násobek. V tomto případě je číslice 68 a 3 je násobitel. Takže 68 by mělo být vynásobeno číslem 10^3. Jednoduše řečeno je to 68 následované 3 nulami. Proto bude hodnota tohoto kondenzátoru 68000 pF. Všimněte si, že jednotkou by měl být vždy pF. Podobně kondenzátor s kódem 220 znamená, že je to 22 pikofaradů, protože 10^0 je 0.

Jmenovité napětí kondenzátoru zjistíte pomocí řádku pod tímto kódem. Pokud je tam čára, pak je hodnota napětí 50/100 V, pokud tam čára není, pak je to 500 V.

Níže jsou uvedeny nejčastěji používané hodnoty kondenzátorů spolu s jejich přepočtem na pikofarad, nanofarad a mikrofarad.

Filmové kondenzátory

Jak název napovídá, dielektrikem v těchto kondenzátorech je plastová fólie, často známé plasty jako mylar a polyester. Mají stejné vlastnosti jako keramické kondenzátory, vysoké průrazné napětí (kvůli způsobu chování plastových polymerů) a nízké kapacity. Jediný rozdíl je v tom, že bývají o něco větší, i když povrchově vypadají jako keramické kapsle. Vnitřní odpor je srovnatelný s keramickými kondenzátory.

Tantalové a niobové kondenzátory

Tyto kondenzátory technicky spadají do kategorie elektrolytických kondenzátorů. Elektrolytem je zde pevný materiál z oxidů tantalu nebo niobu. Mají velmi nízký vnitřní odpor při dané kapacitě, jsou však ve srovnání s jinými typy méně odolné proti přepětí (nejlepší má keramika) a mají tendenci bez většího varování a s množstvím nepříjemného černého kouře vypovídat službu.

Kondenzátory pro speciální účely

Mezi ně patří stříbro – slídové kondenzátory, kondenzátory se jmenovitými hodnotami X a Y atd. Kondenzátory s označením X a Y jsou například konstruovány pro filtraci vedení – robustnější konstrukce a vyšší jmenovité napětí, také nízké kapacity, aby se snížil proud, který jím prochází, pokud je přiloženo střídavé napětí, a aby se omezila energie uložená v uzávěru, pokud je přiloženo stejnosměrné napětí.

Superkondenzátory a ultrakondenzátory

Ty posouvají kondenzátory na zcela novou úroveň, s výrazně zvýšenými kapacitami, někdy v řádu stovek faradů! To je možné díky chytré chemii. Superkondenzátory a ultrakondenzátory vyplňují mezeru mezi kondenzátory a chemickými bateriemi. Vyrábějí se však ve velmi nízkých napětích.

A to jsou v podstatě všechny běžné typy kondenzátorů, se kterými se můžete ve světě elektroniky běžně setkat.

Jak se chovají kondenzátory v obvodech

Užitečným prvním úkolem by bylo naučit se vypočítat energii uloženou v kondenzátoru, která je dána vzorcem,

E = 1/2CV2

Kde E je uložená energie v joulech, C je kapacita ve faradech a V je napětí ve voltech. Všimněte si, že tato rovnice má podobu mnoha jiných Newtonových rovnic pro energii, což je elegantní easter egg!“

Předpokládejme, že máte čepičku dimenzovanou na napětí 50 V a s kapacitou 1000uF, uložená energie při plném napětí 50 V by byla:

1/2 * 0.001000F * 50V * 50V

Což vychází na mizerných 1,25J uložené energie.

Tím se odhaluje hlavní nevýhoda kondenzátorů jako zařízení pro ukládání energie – uložená energie pro danou velikost je velmi malá, baterie stejné velikosti by měla nejméně tisíckrát více uložené energie! Kapsle však mají výrazně nižší vnitřní odpor než chemické baterie, což jim umožňuje rychle odevzdat veškerou uloženou energii. Zkratování baterie by způsobilo pouze její zahřátí kvůli energii rozptýlené vnitřním odporem, ale zkratování kondenzátoru by způsobilo pouze několik jisker, protože veškerý náboj je odveden najednou bez poškození kondenzátoru.

Druhé, existuje další elegantní vzorec, který dává do souvislosti napětí, proud a kapacitu:

I/C = dV/dt

Kde I je proud dodávaný do kondenzátoru v ampérech, C je kapacita ve faradech a dV/dt je rychlost změny napětí na svorkách kondenzátoru. Přemýšlejte o ní v její jednotce – voltech za sekundu pro daný proud a kapacitu. Nedělejte si starosti s malým „d“, je to jen matematický způsob, jak říci „na mezní nulu“.

Řekněme, že máte zdroj, který chrlí konstantní napětí 5V při konstantním proudu 1mA, pak po přeuspořádání rovnice můžeme zjistit čas potřebný k nabití kondenzátoru 100uF na 5V:

dt = CdV/I

dt = (0.000100F * 5V)/0,001A

dt = 0,5 sekundy

Kondenzátor se tedy nabije na 5V za 0,5 sekundy. (Nezapomeňte, že kondenzátor se může nabíjet pouze do maximálního napětí, které je mu dodáváno, nikdy ne více, nemohou magicky „vytvářet“ napětí)

Toto předvídatelné chování kondenzátoru jej činí velmi užitečným například pro generování časových prodlev s trochou dodatečného zapojení. Rovnici můžete přeuspořádat tak, abyste získali čas.

Teď to nejlepší – skutečné kondenzátorové obvody!

Chování kondenzátorů v obvodech

Začněme jednoduše – různými způsoby, jak lze kondenzátory zapojit. Je to stejné jako při zapojení dvou rezistorů – můžete je zapojit buď sériově, nebo paralelně.

Kondenzátory zapojené paralelně

Na obrázku níže jsou znázorněny tři paralelně zapojené kondenzátory, přičemž všechny příslušné kladné a záporné svorky jsou spojeny dohromady (za předpokladu, že jsou kondenzátory polarizované). Celková kapacita tohoto uspořádání je jednoduše součtem kapacit všech kondenzátorů v obvodu. To dává smysl, protože paralelním spojením desek kondenzátorů se zvětšuje jejich plocha, čímž se zvětšuje kapacita.

Maximální napětí, které takové uspořádání zvládne, je napětí nejmenšího kondenzátoru, protože v něm je napětí společné pro všechny čepičky.

Příklad by to měl objasnit. Předpokládejme, že máte dva kondenzátory, jeden s jmenovitými hodnotami 25V 470uF a druhý 35V 1000uF. Celková kapacita by byla 470uf + 1000uF = 1470uF. Maximální napětí, které byste na tuto banku mohli přivést (svazek kondenzátorů spojených dohromady lze nazvat „bankou“ kondenzátorů), by však bylo pouze 25V. Pokud byste přes tuto banku dali cokoli vyššího, létaly by jiskry, protože byste překročili maximální napětí kondenzátoru 25 V.

Kondenzátory v sérii

Připojení kondenzátorů paralelně je užitečné zejména tehdy, když chcete velkou kapacitu a máte jen malé hodnoty. Když dáte dohromady tyto kondenzátory s menší hodnotou paralelně, získáte nakonec větší hodnotu a splníte úkol za předpokladu, že si dáváte pozor na napětí.

Sériové zapojení kondenzátorů je trochu složitější. Kapacita je dána vzorcem:

1/Ccelkem = 1/C1 + 1/C2 + … + 1/Cn

Kde C1, C2…Cn jsou kapacity jednotlivých kondenzátorů použitých v obvodu.

Napětí, které banka nyní zvládne, je součtem všech jmenovitých napětí.

Pokud máte k dispozici kondenzátor o jmenovité hodnotě 10V 1uF a kondenzátor o jmenovité hodnotě 50V 10uF, pak napětí, které banka zvládne v sérii, je 10V + 50V = 60V. Kapacita vychází 0,9091uF.

Napětí kondenzátoru v závislosti na čase

Co když chceme kondenzátor nabíjet? Můžeme ho prostě připojit přes zdroj napětí, jako na obrázku níže. Zde by se stalo to, že v okamžiku připojení zdroje napětí, za předpokladu, že je kondenzátor zcela vybitý, se na deskách začnou narychlo hromadit náboje, což povede k velmi velkému (teoreticky nekonečnému!) proudovému nárůstu omezenému pouze vnitřním odporem kondenzátoru. To samozřejmě není žádoucí, pokud je zdrojem napájení něco jako baterie. Rozumným nápadem by bylo přidat do série s kondenzátorem a zdrojem napětí rezistor, který by omezil proud jako na obrázku, a voilá! Máte něco, čemu inženýři říkají RC obvod, „R“ jako rezistor a „C“ jako kondenzátor!“

Tento obvod vykazuje zajímavé chování. Když je napětí připojeno na stranu rezistoru označenou ‚I‘, napětí na kondenzátoru pomalu roste, protože proud je omezen. Graf vypadá nějak takto:

Matematičtěji založení diváci z mých příspěvků poznají tvar sklonu – připomíná tvar exponenciální funkce!“

Pamatujete si, jak jsem říkal, že kondenzátory lze použít k vytváření časového zpoždění? Toto je jeden ze způsobů, jak toho dosáhnout bez zdroje konstantního proudu (který potřebuje další obvody). Protože čas potřebný k dosažení určitého napětí je předvídatelný, známe-li kapacitu, napětí a odpor, můžeme vytvářet obvody s časovým zpožděním.

Součin odporu a kapacity, RC, je znám jako časová konstanta obvodu. Tento parametr se stává užitečným pro skutečné přesné určení doby dosažení daného napětí, jak ukazuje následující obrázek grafu.

Z grafu je vidět, že kondenzátor dosáhne 63 % přiloženého napětí za jednu časovou konstantu, a tak dále.

Tento princip využívá celoroční časovač 555, i když konstrukční rovnice jsou trochu jiné.

Další zajímavou aplikací RC obvodů je filtrace signálu, tj. odstranění elektrického signálu nežádoucí frekvence z obvodu. Nabíjení a vybíjení RC obvodu ze zdroje trvá určitou dobu. Pokud bychom aplikovali periodickou vlnu s časovou periodou větší než RC, pak by se na výstupu objevil stejný signál s velmi malým zkreslením. Při zvyšování frekvence však signál stále mění polaritu rychleji, než se obvod dokáže nabíjet a vybíjet, a nakonec po určitém okamžiku signál zmizí a zůstane jen čistý stejnosměrný proud! Tomu se říká útlum signálu. Jak vidíte, RC obvod se chová jako filtr, který blokuje střídavé signály (i ty, které jsou superponované na stejnosměrné, tj. mají stejnosměrný offset) nad určitou frekvencí. Tento druh filtru se nazývá dolní propust, to znamená, že propouští nízké frekvence, ale nepropouští vysoké frekvence.

Kondenzátory ve střídavých obvodech

Kondenzátory se při umístění ve střídavých obvodech chovají zajímavým způsobem. Z hlediska signálu si je lze představit jako rezistory závislé na frekvenci. Jak je vidět výše, RC obvod blokuje veškerý střídavý signál, ale co se stane, když je kondenzátor zapojen do série se zdrojem střídavého napětí? Přesný opak!!!

Protože kondenzátor jsou jen dvě kovové desky oddělené izolantem, nepropouští žádný stejnosměrný proud. Střídavý signál má však neustále se měnící napětí, takže jedna deska vidí měnící se napětí a indukuje opačný náboj na druhé desce, jak je znázorněno na obrázku:

To má celkový efekt, že kondenzátorem „prochází“ proud při relativně vysokých frekvencích. Přidáním rezistoru paralelně k výstupu vznikne vysokofrekvenční filtr, tj. filtr, který propouští pouze vysoké frekvence a blokuje všechny stejnosměrné signály.

„Střídavý odpor“ neboli impedance kondenzátoru je dána vzorcem:

XC = 1/(2*π*f*C)

Kde XC je kapacitní reaktance neboli impedance, f je frekvence a C je kapacita. Tento vzorec můžete použít k výpočtu virtuálního „odporu“, který má kondenzátor v obvodu střídavého proudu.

Kde se kondenzátory vyskytují ve volné přírodě

Dobře, to bylo dost teorie. Pojďme se podívat na mnohostranné využití kondenzátorů.

První místo, kde byste mohli očekávat, že se s kondenzátory setkáte, jsou napájecí zdroje všeho druhu jako filtry a pro oddělování. Fungují jako zásobníky náboje – poskytují rychlý proud, když ho zátěž potřebuje.

Tady jsou dva záběry z osciloskopu, které ukazují vliv toho, když kondenzátor na přívodech zdroje není a když je. Jak vidíte, přítomnost kondenzátorů výrazně snižuje „šum“ na napájecích lištách, a chrání tak citlivé součástky před náhlými napěťovými špičkami.

Říká se jim také „oddělovací“ kondenzátory, protože „oddělují“ části obvodu, přes které jsou namontovány, od zdroje. Někdy mohou být napájecí vodiče na desce plošných spojů poměrně dlouhé a mají vysokou indukčnost a odpor. To může vést k tomu, že poskytují menší proud než obvykle. Kondenzátor na konci napájecího vedení je jako menší dočasná „baterie“ napříč zařízením, která poskytuje proud v případě potřeby a nabíjí se, když zařízení spotřebovává málo energie.

K výpočtu potřebné kapacity pro odstranění „zvlnění“ napětí ze svorek napájecího zdroje můžete použít vzorec I/C = dV/dt.

Předpokládejme, že máte napájecí zdroj, jehož napětí se každých 10 ms mění z 11,5 V na 12 V (zvlnění), což je u zařízení napájených ze sítě běžné kvůli frekvenci 50 Hz, a potřebujete na svorky umístit čepičku, aby se napětí vyhladilo. Je-li proud zátěže v tomto případě 1A, pak můžeme vzorec takto přeuspořádat, abychom zjistili kapacitu:

(I * dt)/dV

Kde I je proud zátěže, dt je časová perioda šumu a dV je zvlnění napětí. Substitucí hodnot zjistíme, že potřebujeme kapacitu 20000uF. To se může zdát hodně, ale můžete si vystačit s mnohem menší hodnotou. Získaná hodnota slouží pouze jako vodítko.

V reálném životě se můžete setkat s více typy a hodnotami kondenzátorů na napájecích trasách, to proto, aby se snížil obsah šumu na mnoha frekvencích a napětí bylo co nejhladší.

Další využití kondenzátorů je ve složitých filtrech, jako je tento:

Jednodušší filtr by byl RC filtr, jeden zajímavý filtr je popsán zde.

Každý zná desku mikrokontroléru Arduino. Univerzální nástroj, ale nenapadlo vás někdy, proč analogové výstupy chrlí digitální PWM signál? Je to proto, že byly navrženy pro použití s externí filtrační sítí, která vyhlazuje napětí PWM na skutečně analogové napětí. To lze provést pomocí tak jednoduchých součástek, jako je rezistor 1K a kondenzátor 10uF. Vyzkoušejte to!

Dalším použitím, jak je uvedeno výše, je časování. Jednoduchý oscilátor lze sestavit pomocí hradla NAND (zkuste přijít na to, proč nefunguje hradlo AND), rezistoru a kondenzátoru.

Předpokládáme-li, že na kondenzátoru není zpočátku žádné napětí, vstupy NAND (které jsou svázány dohromady) na sobě vidí téměř 0 V a zapnou výstup. Kondenzátor se nyní nabíjí přes rezistor. Když dosáhne prahu „high“ hradla, výstup se přepne na nízký a čepička se nyní vybije. Tento cyklus pokračuje tak, že na výstupu vzniká čtvercová vlna s frekvencí závislou na hodnotách R a C.

Dalším zajímavým využitím kondenzátorů je ukládání energie. Kondenzátory se samozřejmě nevyrovnají bateriím, ale pro některé aplikace, které potřebují energii rychle, jsou kapsle pro tuto práci nejlepší.

Zařízení jako coilguns (více najdete na webu) potřebují k urychlení střely velký proudový impuls, takže se pro takové účely používají vysokonapěťové kondenzátory, často se jmenovitými hodnotami, jako je 450 V 1500uF, které mohou uchovávat značné množství energie.

Kondenzátory se používají k ukládání energie.