Koncept kondenzátoru a jeho kapacita: v čem se měří a jak se vypočítává

Pro vytvoření filtrů, pulzních zářičů, omezovačů proudu a dalších zařízení v radiotechnických obvodech se instalují speciální dvoupólové součástky. Kondenzátor je ze své podstaty akumulátor náboje, který dokáže dlouhodobě ukládat energii, když je napájecí obvod odpojen. Tato publikace zkoumá provozní parametry a parazitní vlastnosti, oblasti použití a typy pasivních prvků.

Různé typy kondenzátorů

Co je to kondenzátor

Produkty v této kategorii jsou založeny na známém fyzikálním procesu akumulace elektrického náboje na rovnoběžných deskách s dielektrickou mezerou připojenou ke zdroji proudu. Maximální množství energie je určeno kapacitou, která je vyjádřena ve faradech (F) podle standardů SI. Vzhledem k nadměrné hodnotě základní měrné jednotky se pro větší pohodlí používají redukované (zlomkové) hodnoty:

• millifarady, mF, mF – 10-3F;
• nanofarady, nf, mF – 10⁻⁹F;
• pikofarady, pF, pF – 10-12F atd.

Pro vaši informaci. Vzhledem k typickým zkratkám je snadné uhodnout, že μF jsou mikrofarady (10⁻⁹F). Označení 9 μF = 12*12⁻⁹ = 10 F.

Kde se používají kondenzátory?

Jakmile pochopíte, co jsou kondenzátory, bude vám jasné, k čemu slouží. Tyto prvky se používají k vytvoření:

• oscilační obvod generátoru signálu;
• filtr určitého frekvenčního pásma;
• obvody pro potlačení impulzního šumu;
• blok paměti;
• pulzní emitor (blesk, laser);
• měřicí přístroj;
• kompenzátor fázového posunu;
• akumulátor energie;
• omezovač proudu předřadníku.

Typy kondenzátorů

I z obecného popisu lze vyvodit správný závěr o zásadní roli dielektrika. Parametry tohoto materiálu do značné míry určují pracovní vlastnosti elektrického kondenzátoru. Podle tohoto kritéria se rozlišují následující typy:

• vakuum;
• s plynovou nebo kapalnou náplní;
• keramika, sklo;
• papír, film a další materiály s organickým základem;
• elektrolytický.

Typy kondenzátorů

Používá se také klasifikace, která zohledňuje možnost změny kapacity kondenzátoru, a to:

Funkční části variabilního kondenzátoru

Kapacitní schopnosti produktu se mění, když se desky kondenzátoru posunou, což je znázorněno na fotografii. Tuto funkci lze použít k naladění rádiového přijímače na konkrétní vlnu.

Princip činnosti kondenzátoru

Dielektrické oddělení desek vysvětluje nemožnost průtoku proudu přes odpovídající mezeru. Vodivostní charakteristiky se objevují po připojení střídavého signálu. V této situaci dochází k cyklické změně nábojů na deskách, odpovídající určité frekvenci. Současně je zachován proces výměny energie se zdrojem energie.

Charakteristika kondenzátoru

Níže jsou uvedeny provozní parametry, které je třeba vzít v úvahu při návrhu radiotechnických obvodů.

Kapacita

Toto je hlavní charakteristika kondenzátoru. Kapacita (C) ukazuje hodnotu skladovacích vlastností. Pro vytvoření požadovaného parametru v obvodu se používá paralelní (sériové) zapojení:

Celkem = C1 + C2 +…+ CN (1/Celkem = 1/C1 + 1/C2 +…+ 1/CN).

Měrná kapacita

Tento parametr určí kapacitu akumulace energie jednotkového objemu struktury. S využitím odpovídajících referenčních dat se porovnávají keramické kondenzátory a další typy pasivních součástek. V některých situacích má omezený prostor pro umístění prvků rádiového obvodu rozhodující význam.

Jmenovité napětí

Pro dlouhodobý provoz kondenzátoru by neměla být porušována omezení výrobce. Jmenovitá hodnota napětí se volí s rezervou, aby se zabránilo poškození výrobku v důsledku zvýšené amplitudy signálu.

Polarita

Tento parametr nehraje roli, pokud se používá keramika. Při práci s elektrolytickými modifikacemi je však třeba vzít v úvahu kritickou závislost na polaritě. Nesprávné připojení takový kondenzátor téměř okamžitě vyřadí z provozu. Prohlubně na pouzdře a další speciální konstrukční prvky zabraňují výbuchu a poškození sousedních součástí.

Pro vaši informaci. Podobná opatření je třeba dodržovat i při instalaci polovodičových oxidových kondenzátorů s tantalovými přísadami v dielektrické vrstvě.

Parazitní parametry

Výkon obzvláště přesných obvodů bude záviset na přítomnosti rušivých (parazitních) faktorů. Následující podkapitoly pojednávají o příslušných charakteristikách.

Elektrický izolační odpor kondenzátoru – r

Hodnota tohoto parametru je určena vzorcem:

r = U/ Iу, kde Iу je svodový proud.

Velikost ztráty závisí na dielektrických vlastnostech mezivrstvy a obsahu nečistot. Odvozená hodnota je doba vybíjení odpojeného kondenzátoru v e (e = 2,71828) krát:

Vysoce kvalitní komponenty dokáží udržet uloženou energii po dlouhou dobu.

Ekvivalentní sériový odpor – R

Toto je celkový elektrický odpor vodičů odpovídající cesty:

Při práci v rozsahu „zvuku“ je vliv těchto parametrů relativně malý. Nicméně, když se zvyšuje frekvence signálu, povrchové proudy mají významný vliv. Výpočet by měl být upraven, pokud je během provozu elektronického obvodu možné rušení impulzy.

Ekvivalentní sériová indukčnost – L

Tento parametr je určen indukčními vlastnostmi výše uvedených součástek. Parazitní reaktivní součástky jsou schopny tvořit oscilační obvod. Pro eliminaci rezonančních jevů je nutné prostudovat příslušné údaje v projektové dokumentaci kondenzátoru.

Ztrátová tečna

Tento parametr se vypočítá jako poměr činné a jalové složky výkonu. Tangens se určí při průchodu sinusového signálu normalizované frekvence. Proud a napětí jsou fázově posunuty o 90°. Ve skutečnosti je úhel mezi vektory těchto veličin ϕ = (π/2) – δ. V tomto výrazu δ označuje dodatečnou korekci v důsledku ztrát v dielektriku.

Teplotní koeficient kapacity (TCE)

Pokud změříme akumulační kapacitu kondenzátoru při různých teplotách (T), můžeme vykreslit graf změny provozních parametrů během ohřevu (chlazení). Relativní změna C při ΔT = 1 °C je vyjádřena speciálním koeficientem – „TKE“.

Dielektrická absorpce

Pokud je plochý kondenzátor zcela vybitý, lze na svorkách odpojených od obvodu pomocí citlivého voltmetru detekovat určitý rozdíl potenciálů. Tento jev se nazývá dielektrická absorpce.

Na čem závisí kapacita?

Výše jsou popsány jednotky, ve kterých se měří kapacita kondenzátoru. Pro objasnění provozních parametrů je nutné uvést vzorec pro vzájemnou závislost plochy desek (S), vzdálenosti (d) mezi nimi a vlastností dielektrické vrstvy (e – permeabilita). Tyto veličiny lze vyjádřit pomocí napětí takto:

Kapacita plochého kondenzátoru

Jak se vypočítá kapacita kondenzátoru?

Poté, co zjistíte, z čeho jsou kondenzátory vyrobeny, můžete po jednoduché transformaci získat hodnotu kapacity:

C = (e * S)/ d = Q/U, kde Q je náboj.

Pro jednu sadu desek se vzduchovou mezerou mezi nimi platí C = S/ (4*π*d) * 1,11. Potřebný multiplikátor se připočítá, pokud je nutné vypočítat kapacitu zařízení sestaveného z několika funkčních komponent. Zohledňuje se dielektrická konstanta určitého materiálu instalovaného v mezivrstvě.

Vlastnosti kondenzátoru

Jejich použití ve střídavých obvodech je určeno změnou náboje. Vlastnosti kondenzátoru pro výměnu energie jsou určeny vzorci:

I = (C * ΔU)/Δt = f * C * Uo cos f * t = Io * sin (f * t + 90).

Zde f je frekvence signálu generovaného zdrojem energie.

Akumulovaná energie (P) jsou určeny vzorci:

S přihlédnutím k výše uvedeným parazitním parametrům můžeme zjistit rezonanční frekvenci Fр = 1/ 2*π √C*Lп. Při překročení této prahové hodnoty převládají indukční vlastnosti. Z tohoto důvodu je provozní rozsah kondenzátoru omezen na frekvenci, která je výrazně nižší než Fр.