Elektrický kondenzátor

Kondenzátor (z lat. condensare - „kompaktní“, „hustší“ nebo z lat. condensatio - „akumulace“) - dvoupólová síť s konstantní nebo proměnnou hodnotou kapacity [1] a nízkou vodivostí ; zařízení pro akumulaci náboje a energie elektrického pole .

Kondenzátor je pasivní elektronická součástka. V SI se kapacita kondenzátoru měří ve faradech .

Historie

V roce 1745 v Leidenu německý kanovník Ewald Jurgen von Kleist a nezávisle na něm holandský fyzik Pieter van Muschenbroek vynalezli konstrukční prototyp elektrického kondenzátoru – „ Leydenskou nádobu “ [2] . První kondenzátory, sestávající ze dvou vodičů oddělených nevodičem ( dielektrikem ), běžně označované jako Aepinus kondenzátor nebo elektrický plech, vznikly ještě dříve [3] .

Konstrukce kondenzátoru

Kondenzátor je pasivní elektronická součástka [4] . V nejjednodušší verzi se konstrukce skládá ze dvou elektrod ve formě desek (nazývaných desky ), oddělených dielektrikem , jehož tloušťka je malá ve srovnání s rozměry desek (viz obr.). Prakticky používané kondenzátory mají mnoho dielektrických vrstev a vícevrstvých elektrod nebo pásů střídavého dielektrika a elektrod, svinutých do válce nebo rovnoběžnostěnu se zaoblenými čtyřmi hranami (kvůli vinutí).

Vlastnosti kondenzátoru

Kondenzátor ve stejnosměrném obvodu může vést proud v okamžiku, kdy je zapojen do obvodu (kondenzátor se nabíjí nebo dobíjí), na konci procesu přechodu proud neteče kondenzátorem, protože jeho desky jsou odděleny dielektrikum. V obvodu střídavého proudu vede cyklickým dobíjením kondenzátoru oscilace střídavého proudu a uzavírá se tzv. posuvným proudem .

Z hlediska metody komplexních amplitud má kondenzátor komplexní impedanci

{\hat {Z}}_{C}={\frac {1}{j\omega C}}=-{\frac {j}{\omega C}}=-{\frac {j} {2\pi fC}},

kde je pomyslná jednotka ,

j

\omega

je cyklická frekvence ( radián / s ) protékajícího sinusového proudu,

F

- frekvence v hertzech ,

C

je kapacita kondenzátoru ( farad ).

Z toho také vyplývá, že reaktance kondenzátoru je rovna Pro stejnosměrný proud je frekvence nulová, proto pro stejnosměrný proud je reaktance kondenzátoru formálně nekonečná. $\scriptstyle X_{C}={\tfrac {1}{\omega C)).$

Při změně frekvence se mění dielektrická permitivita dielektrika a míra vlivu parazitních parametrů - vlastní indukčnosti a ztrátového odporu. Při vysokých frekvencích lze jakýkoli kondenzátor považovat za sériový oscilační obvod tvořený kapacitou, vlastní indukčností a ztrátovým odporem $C,$ $L_c$ $R_{n}.$

Rezonanční frekvence kondenzátoru je:

f_{p}={\frac {1}{2\pi {\sqrt {L_{c}C)))).

Když se kondenzátor v obvodu střídavého proudu chová jako induktor . Proto je vhodné používat kondenzátor pouze na frekvencích , při kterých je jeho reaktance kapacitní povahy. Obvykle je maximální pracovní frekvence kondenzátoru asi 2-3krát nižší než rezonanční. $f > f_p$ $f < f_p$

Kondenzátor může uchovávat elektrickou energii . Energie nabitého kondenzátoru:

W={CU^{2} \over 2}={qU \over 2}={q^{2} \over 2C},

kde je napětí (rozdíl potenciálů), na které je kondenzátor nabitý,

U

q

- elektrický náboj na jedné z desek.

Označení kondenzátorů ve schématech

Označení podle GOST 2.728-74	Popis
	Pevný kondenzátor
	Polarizovaný (polární) kondenzátor
	Variabilní trimovací kondenzátor
	Varicap

V Rusku se pro konvenční grafické symboly kondenzátorů na schématech doporučuje použít GOST 2.728-74 [5] nebo normu mezinárodní asociace IEEE 315-1975.

Na schématech elektrických obvodů je jmenovitá kapacita kondenzátorů obvykle uváděna v mikrofaradech (1 μF = 1 10 6 pF = 1 10 −6 F) a pikofaradech (1 pF = 1 10 −12 F) a v nanofaradech (1 nF = 1 10 -9 F). S kapacitou nepřesahující 0,01 μF je kapacita kondenzátoru uvedena v pikofaradech, zatímco je přípustné neuvádět jednotku měření, to znamená, že postfix „pF“ je vynechán. Při uvádění jmenovité kapacity v jiných jednotkách uveďte měrnou jednotku. U elektrolytických kondenzátorů, stejně jako u vysokonapěťových kondenzátorů ve schématech, je po označení jmenovité kapacity jejich maximální provozní napětí uvedeno ve voltech (V) nebo kilovoltech (kV). Například: "10 uF × 10 V". U proměnných kondenzátorů uveďte rozsah změny kapacity, například: "10-180". V současné době se kondenzátory s nominálními kapacitami vyrábějí z dekadicky-logaritmických řad hodnot E3, E6, E12, E24 , to znamená, že za dekádu je 3, 6, 12, 24 hodnot, takže hodnoty s příslušnou tolerancí (rozptyl) pokrýt celou dekádu.

Základní parametry

Charakteristika

Kapacita

Hlavní charakteristikou kondenzátoru je jeho kapacita , která charakterizuje schopnost kondenzátoru akumulovat elektrický náboj . Hodnota jmenovité kapacity se objevuje v označení kondenzátoru, přičemž skutečná kapacita se může výrazně lišit v závislosti na mnoha faktorech. Skutečná kapacita kondenzátoru určuje jeho elektrické vlastnosti. Takže podle definice kapacity je náboj na desce úměrný napětí mezi deskami ( q = CU ). Typické hodnoty kapacity se pohybují od pikofaradů po tisíce mikrofaradů. Existují však kondenzátory ( ionistory ) s kapacitou až desítek farad.

Kapacita plochého kondenzátoru sestávajícího ze dvou rovnoběžných kovových desek o ploše S , které jsou umístěny ve vzdálenosti d od sebe, v soustavě SI je vyjádřena vzorcem:

C={\tfrac {\varepsilon \varepsilon _{0}S}{d)),

kde je permitivita média vyplňujícího prostor mezi deskami (ve vakuu se rovná jednotě),

\varepsilon

\varepsilon_{0}

- elektrická konstanta , číselně rovna 8,854187817⋅10 −12 F/m.

Tento vzorec je platný pouze v případě, že d je mnohem menší než lineární rozměry desek.

Pro získání velkých kapacit jsou kondenzátory zapojeny paralelně. V tomto případě je napětí mezi deskami všech kondenzátorů stejné. Celková kapacita baterie paralelně zapojených kondenzátorů se rovná součtu kapacit všech kondenzátorů obsažených v baterii:

{\displaystyle C=\sum _{i=1}^{n}C_{i))

nebo

C=C_{1}+C_{2}+\ldots +C_{n}.

Pokud mají všechny paralelně zapojené kondenzátory stejnou vzdálenost mezi deskami a vlastnosti dielektrika, pak lze tyto kondenzátory reprezentovat jako jeden velký kondenzátor, rozdělený na fragmenty menší plochy.

Když jsou kondenzátory zapojeny do série, náboje všech kondenzátorů jsou stejné, protože jsou dodávány ze zdroje energie pouze na vnější elektrody a na vnitřních elektrodách jsou získávány pouze díky oddělení nábojů, které se předtím navzájem neutralizovaly. . Celková kapacita baterie sériově zapojených kondenzátorů je:

{\tfrac {1}{C}}=\sum _{i=1}^{n}{\tfrac {1}{C_{i}}}\Rightarrow C={\begin{pmatrix}\ součet _{i=1}^{n}{\tfrac {1}{C_{i}}}\end{pmatrix}}^{-1},

nebo:

{\tfrac {1}{C}}={\tfrac {1}{C_{1}}}+{\tfrac {1}{C_{2}}}+\ldots +{\tfrac {1 }{C_{n}}}.

Tato kapacita je vždy menší než minimální kapacita kondenzátoru obsaženého v baterii. Při sériovém zapojení se však snižuje možnost průrazu kondenzátorů, protože každý kondenzátor představuje pouze část rozdílu potenciálů zdroje napětí.

Pokud je plocha desek všech sériově zapojených kondenzátorů stejná, pak mohou být tyto kondenzátory reprezentovány jako jeden velký kondenzátor, mezi jehož deskami je hromada dielektrických desek všech kondenzátorů, které jej tvoří.

Specifická kapacita

Kondenzátory se také vyznačují měrnou kapacitou - poměrem kapacity k objemu (neboli hmotnosti) dielektrika. Maximální hodnoty měrné kapacity je dosaženo při minimální tloušťce dielektrika, avšak jeho průrazné napětí klesá.

Hustota energie

Hustota energie elektrolytického kondenzátoru závisí na konstrukci. Maximální hustoty je dosaženo u velkých kondenzátorů, kde je hmotnost pouzdra malá ve srovnání s hmotností desek a elektrolytu. Například pro kondenzátor EPCOS B4345 s kapacitou 12 000 uF , maximálním povoleným napětím 450 V a hmotností 1,9 kg je hustota energie při maximálním napětí 639 J/kg nebo 845 J/l. Tento parametr je zvláště důležitý při použití kondenzátoru jako zařízení pro uchovávání energie s následným jeho okamžitým uvolněním, například v Gaussově pistoli .

Jmenovité napětí

Další neméně důležitou charakteristikou kondenzátorů je jmenovité napětí - hodnota napětí uvedená na kondenzátoru, při které může pracovat za stanovených podmínek po dobu své životnosti při zachování parametrů v přijatelných mezích.

Jmenovité napětí závisí na konstrukci kondenzátoru a vlastnostech použitých materiálů. Provozní napětí na kondenzátoru by nemělo být vyšší než jmenovité napětí.

Polarita

Mnoho oxidových dielektrických ( elektrolytických ) kondenzátorů funguje pouze se správnou polaritou napětí kvůli chemické povaze interakce elektrolytu s dielektrikem. Při opačné polaritě napětí elektrolytické kondenzátory obvykle selhávají v důsledku chemické destrukce dielektrika, následovaného zvýšením proudu, varem elektrolytu uvnitř a v důsledku toho s pravděpodobností výbuchu pouzdra.

Nebezpečí zničení (exploze)

Výbuchy elektrolytických kondenzátorů jsou poměrně častým jevem. Hlavní příčinou výbuchů je přehřátí kondenzátoru, způsobené ve většině případů netěsností nebo zvýšením ekvivalentního sériového odporu v důsledku stárnutí (relevantní pro pulzní zařízení). U moderních počítačů je přehřátí kondenzátorů častou příčinou jejich selhání kvůli jejich blízkosti ke zdrojům tepla, například vedle chladiče.

Aby se snížilo poškození jiných částí a zranění personálu v moderních velkokapacitních kondenzátorech, je instalován vypouštěcí pojistný ventil nebo je proveden zářez těla (často je vidět ve formě kříže nebo ve formě písmen X , Y, K nebo T na konci válcového tělesa, někdy u velkých kondenzátorů, je pokryta plastem). Se zvýšením vnitřního tlaku je kuželka ventilu vyražena nebo tělo zničeno podél zářezu, výpary elektrolytu vycházejí ve formě žíravého plynu a dokonce i rozstřikování kapaliny. V tomto případě dochází ke zničení pouzdra kondenzátoru bez výbuchu, rozptylu desek a separátoru.

Staré elektrolytické kondenzátory se vyráběly v hermetických pouzdrech a konstrukce jejich pouzder neposkytovala ochranu proti výbuchu. Rychlost fragmentace při výbuchu pouzdra zastaralých kondenzátorů může být dostatečná ke zranění osoby.

Na rozdíl od elektrolytických je výbušnost tantalových (oxidových polovodičových) kondenzátorů dána tím, že takový kondenzátor je vlastně výbušná směs: tantal slouží jako palivo a oxid manganičitý jako okysličovadlo a obě tyto složky jsou smíchány v konstrukce kondenzátoru ve formě jemného prášku . Při poruše kondenzátoru nebo při změně polarity napětí vyvolá teplo uvolněné při toku proudu mezi těmito součástkami reakci, která probíhá ve formě silného záblesku vatou, který je doprovázen rozptylem jisker a úlomků případ. Síla takového výbuchu je poměrně velká, zvláště u velkých kondenzátorů, a může poškodit nejen sousední rádiové prvky, ale i desku. Při těsném uspořádání několika kondenzátorů je možné propálit pouzdra sousedních kondenzátorů, což vede k současné explozi celé skupiny.

Parazitní parametry

Skutečné kondenzátory mají kromě kapacity také svůj sériový a paralelní odpor a indukčnost . S dostatečnou přesností pro praxi lze ekvivalentní obvod skutečného kondenzátoru znázornit tak, jak je znázorněno na obrázku, kde se předpokládá, že všechny dvousvorkové sítě jsou ideální.

Dielektrický izolační odpor kondenzátoru, povrchový svod a samovybíjení

Izolační odpor je stejnosměrný odpor kondenzátoru, daný vztahem:

R_{d}=U/I_{\text{ut)),

kde je napětí aplikované na kondenzátor;

U

I_{\text{ut))

- svodový proud.

Vlivem unikajícího proudu protékajícího dielektrickou vrstvou mezi deskami a po povrchu dielektrika ztrácí předem nabitý kondenzátor časem náboj (samovybíjení kondenzátoru). Ve specifikacích pro kondenzátory je svodový odpor často určen pomocí časové konstanty $T$ samovybíjení kondenzátoru, která se číselně rovná součinu kapacity a svodového odporu:

T=R_{d}C_{0},

kde - čas, během kterého počáteční napětí na kondenzátoru, nepřipojeném k vnějšímu obvodu, klesne e krát.

T

Dobré kondenzátory s polymerním a keramickým dielektrikem mají časové konstanty samovybíjení dosahující mnoha set tisíc hodin.

Ekvivalentní sériový odpor - R s

Ekvivalentní sériový odpor je způsoben především elektrickým odporem materiálu desek a vývodů kondenzátoru a kontaktů mezi nimi a také zohledňuje ztráty v dielektriku. Typicky se ESR zvyšuje se zvyšující se frekvencí proudu procházejícího kondenzátorem v důsledku kožního efektu .

Ve většině praktických případů lze tento parametr zanedbat, ale někdy (např. v případě použití elektrolytických kondenzátorů ve filtrech spínaných zdrojů ) je jeho dostatečně malá hodnota zásadní pro spolehlivost a stabilitu zařízení. U elektrolytických kondenzátorů, kde je jednou z elektrod elektrolyt , se tento parametr časem během provozu zhoršuje odpařováním rozpouštědla z kapalného elektrolytu a změnou jeho chemického složení způsobenou interakcí s kovovými deskami, ke které dochází poměrně rychle při nízkých teplotách. -kvalitní výrobky (" kondenzátorový mor ").

Některé obvody (například stabilizátory napětí) jsou kritické pro rozsah ESR kondenzátorů v jejich obvodech. To je způsobeno skutečností, že při navrhování takových zařízení inženýři zohledňují tento parametr ve fázově-frekvenční charakteristice (PFC) zpětné vazby stabilizátoru. Významná změna v čase v ESR použitých kondenzátorů mění fázovou odezvu, což může vést ke snížení rezervy stability autoregulačních smyček a dokonce k samobuzení.

Pro měření tohoto poměrně důležitého parametru kondenzátoru existují speciální přístroje ( ESR-meter ), pomocí kterých lze často určit vhodnost jeho dalšího použití pro určité účely. Tento parametr je vedle kapacity (kapacita je hlavním parametrem) často rozhodující při zkoumání stavu starého kondenzátoru a rozhodování, zda se vyplatí jej použít v určitém zapojení nebo zda se předvídatelně dostane mimo toleranci.

Ekvivalentní sériová indukčnost

Ekvivalentní sériová indukčnost je způsobena hlavně vlastní indukčností desek a vývodů kondenzátoru. Výsledkem této rozložené parazitní indukčnosti je přeměna kondenzátoru na oscilační obvod s charakteristickou vlastní rezonanční frekvencí . Tato frekvence může být měřena a je obvykle uvedena v parametrech kondenzátoru buď explicitně, nebo jako doporučená maximální pracovní frekvence. $L_i$

Samovybíjení

Předem nabitý kondenzátor ztrácí v průběhu času uloženou energii v důsledku unikajícího proudu protékajícího dielektrickou vrstvou mezi deskami. V příručkách pro kondenzátory se často uvádí časová konstanta samovybíjení kondenzátoru , která se číselně rovná součinu kapacity a svodového odporu. Toto je doba potřebná k poklesu počátečního napětí na odpojeném kondenzátoru o faktor e .

Dielektrická ztrátová tečna

Tangent dielektrické ztráty je poměr imaginární a reálné části komplexní permitivity . ${\rm {{tg}\,\delta ={\frac {\varepsilon _{im}}{\varepsilon _{re}}}={\frac {\sigma }{\omega \varepsilon _{ A}}}.}}$

Energetické ztráty v kondenzátoru jsou určeny ztrátami v dielektriku a deskách. Když kondenzátorem protéká střídavý proud, vektory napětí a proudu jsou posunuty o úhel , kde δ je úhel dielektrické ztráty. Při absenci ztrát δ = 0 . Tangenta ztrátového úhlu je určena poměrem činného výkonu P a k jalovému výkonu P p při sinusovém napětí o určité frekvenci. Převrácená hodnota tan δ se nazývá činitel jakosti kondenzátoru. Pojmy činitel jakosti a tečna ztráty se také používají pro induktory a transformátory . $\scriptstyle \varphi = \tfrac{\pi}{2} - \delta ,$

Teplotní koeficient kapacity ( TKE )

TKE je relativní změna kapacity, když se okolní teplota změní o jeden stupeň Celsia (kelvin). TKE je definován takto:

TKE={\frac {\Delta C}{C\Delta T)).

kde je změna kapacity způsobená změnou teploty o .

\Delta C

\Delta T

Změna kapacity s teplotou (s nepříliš velkými změnami teploty) je tedy vyjádřena jako lineární funkce:

\scriptstyle C(T) = C_{Hy} + TKE \cdot C_{Hy} \cdot \Delta T,

kde je změna teploty ve °C nebo K vzhledem k normálním podmínkám, za kterých je specifikována hodnota kapacity,

\Delta T

C_{Hy}

- kapacita za normálních podmínek.

TKE se používá k charakterizaci kondenzátorů s téměř lineární kapacitou v závislosti na teplotě. TKE však není uveden ve specifikacích pro všechny typy kondenzátorů.

Pro kondenzátory, které mají výrazně nelineární závislost kapacity na teplotě a pro kondenzátory s velkými změnami kapacity v důsledku vlivů okolní teploty, specifikace normalizují relativní změnu kapacity v rozsahu provozních teplot nebo ve formě grafu. kapacita versus teplota.

Dielektrická absorpce

Pokud se nabitý kondenzátor rychle vybije na nulové napětí připojením nízkoodporové zátěže a poté zátěž sejmeme a pozorujeme napětí na svorkách kondenzátoru, uvidíme, že se napětí na deskách znovu objeví, jako bychom nevybili kondenzátor na nulu. Tento jev se nazývá dielektrická absorpce (dielektrická absorpce). Kondenzátor se chová, jako by k němu bylo paralelně připojeno mnoho sérií RC obvodů s různými časovými konstantami . Intenzita projevu tohoto efektu závisí především na vlastnostech dielektrika kondenzátoru.

Podobný efekt lze pozorovat téměř u všech typů dielektrik. V elektrolytických kondenzátorech je zvláště jasný a je výsledkem chemických reakcí mezi elektrolytem a deskami. U kondenzátorů s pevným dielektrikem (jako je keramika a slída) je účinek způsoben remanentní polarizací dielektrika . Nejnižší dielektrickou absorpci mají kondenzátory s nepolárním dielektrikem: teflon ( PTFE ), polystyren , polypropylen atd.

Účinek závisí na době nabíjení kondenzátoru, době zkracování, někdy na teplotě. Kvantitativní hodnota absorpce je obvykle charakterizována koeficientem absorpce , který se stanovuje za standardních podmínek.

Vzhledem k efektu je třeba věnovat zvláštní pozornost stejnosměrným měřicím obvodům: přesné integrační zesilovače, vzorkovací zařízení, některé obvody spínaných kondenzátorů .

Parazitní piezoelektrický jev

Mnoho keramických materiálů používaných jako dielektrikum v kondenzátorech (například titaničitan barnatý , který má velmi vysokou dielektrickou konstantu v nepříliš silných elektrických polích ) vykazuje piezoelektrický efekt - schopnost generovat napětí na deskách během mechanických deformací. To je typické pro kondenzátory s piezoelektrickým dielektrikem. Piezoelektrický jev vede k elektrickému rušení v zařízeních, která používají takové kondenzátory, když je na kondenzátor aplikován akustický šum nebo vibrace . Tento nežádoucí jev se někdy nazývá „ efekt mikrofonu “.

Taková dielektrika také vykazují inverzní piezoelektrický efekt - při provozu v obvodu se střídavým napětím dochází ke střídavé deformaci dielektrika, což generuje akustické vibrace, které generují dodatečné elektrické ztráty v kondenzátoru.

Samoléčení

Kondenzátory s pokovenou elektrodou (papírové a filmové dielektrikum) mají důležitou vlastnost samouzdravovací elektrické pevnosti po průrazu dielektrika. Mechanismus samoléčení spočívá v odpálení pokovení elektrody po lokálním průrazu dielektrika pomocí mikroobloukového elektrického výboje.

Klasifikace kondenzátorů

Hlavní klasifikace kondenzátorů je založena na typu dielektrika v kondenzátoru. Typ dielektrika určuje hlavní elektrické parametry kondenzátorů: izolační odpor, stabilita kapacity, ztráta atd.

Podle typu dielektrika rozlišují:

Vakuové kondenzátory ( mezi deskami je vakuum ).
Kondenzátory s plynným dielektrikem.
Kondenzátory s kapalným dielektrikem .
Kondenzátory s pevným anorganickým dielektrikem: sklo (sklo-smalt, sklokeramika, sklo-film), slída , keramika , tenkovrstvé anorganické filmy.
Kondenzátory s pevným organickým dielektrikem: papír , kov-papír, film, kombinované - papír-film, tenkovrstvé organické syntetické filmy .
Elektrolytické a oxidovo-polovodičové kondenzátory. Takové kondenzátory se od všech ostatních typů liší především svou velkou specifickou kapacitou. Jako dielektrikum se používá vrstva oxidu na kovové anodě . Druhá výstelka ( katoda ) je buď elektrolyt (u elektrolytických kondenzátorů) nebo polovodičová vrstva (u oxid-polovodičových) nanesená přímo na oxidovou vrstvu. Anoda je vyrobena v závislosti na typu kondenzátoru z hliníkové , niobové nebo tantalové fólie nebo slinutého prášku. Doba mezi poruchami typického elektrolytického kondenzátoru je 3000-5000 hodin při maximální dovolené teplotě, kvalitní kondenzátory mají dobu mezi poruchami minimálně 8000 hodin při teplotě 105 °C [6] . Provozní teplota je hlavním faktorem ovlivňujícím životnost kondenzátoru. Pokud je zahřívání kondenzátoru zanedbatelné kvůli ztrátám v dielektriku, deskách a svorkách (například při použití v časovacích obvodech při malých proudech nebo jako izolace), lze předpokládat, že poruchovost se sníží na polovinu na každých 10 °C snížení provozní teploty až o 25 °C. Při provozu kondenzátorů v pulzních silnoproudých obvodech (například ve spínaných zdrojích) je takto zjednodušené posouzení spolehlivosti kondenzátorů nesprávné a výpočet spolehlivosti složitější [7] .
Pevné kondenzátory - Místo tradičního kapalného elektrolytu se používá speciální vodivý organický polymer nebo polymerovaný organický polovodič. MTBF je asi 50 000 hodin při 85 °C. ESR je menší než u kapalinových elektrolytů a slabě závisí na teplotě. Neexplodují.

Tenkovrstvé kondenzátory

Kromě toho se kondenzátory liší v možnosti změny jejich kapacity:

Permanentní kondenzátory jsou hlavní třídou kondenzátorů, které nemění svou kapacitu (s výjimkou doby životnosti).
Variabilní kondenzátory jsou kondenzátory, které umožňují změnu kapacity během provozu zařízení. Kapacita může být řízena mechanicky, elektrickým napětím ( varikondy , varikapy ) a teplotou (termokapacitory). Používají se například v rádiových přijímačích pro ladění frekvence rezonančního obvodu .
Trimrové kondenzátory jsou kondenzátory, jejichž kapacita se mění při jednorázovém nebo periodickém nastavování a nemění se během provozu zařízení. Používají se k nastavení a vyrovnání počátečních kapacit protilehlých obvodů, k periodickému seřizování a seřizování obvodů obvodů, kde je vyžadována mírná změna kapacity.

V závislosti na účelu lze kondenzátory podmíněně rozdělit na kondenzátory pro všeobecné použití a kondenzátory pro speciální účely. Kondenzátory pro všeobecné použití se používají téměř ve většině typů a tříd zařízení. Tradičně mezi ně patří nejběžnější nízkonapěťové kondenzátory, na které se nevztahují zvláštní požadavky. Všechny ostatní kondenzátory jsou speciální. Patří mezi ně vysokonapěťové, pulzní, odrušovací, dozimetrické , spouštěcí a jiné kondenzátory.

Kondenzátory se také vyznačují tvarem desek: plochý, válcový, kulový a další.

název	Kapacita	Elektrické pole
Plochý kondenzátor	$C = \varepsilon_0\varepsilon_\mathrm{r} \cdot \frac{A}{d}$	$E = \frac{Q}{\varepsilon_0 \varepsilon_\mathrm{r} A}$
Válcový kondenzátor	$C=2\pi \varepsilon_0\varepsilon_\mathrm{r} \, \frac{l}{\ln\!\left(R_2/R_1\right)}$	$E(r) = \frac{Q}{2\pi rl \varepsilon_0 \varepsilon_\mathrm{r}}$
Kulový kondenzátor	$C=4 \pi \varepsilon_0 \varepsilon_\mathrm{r} \left( \tfrac{1}{R_1}-\tfrac{1}{R_2}\right)^{-1}$	$E(r) = \frac{Q}{4\pi r^2 \varepsilon_0 \varepsilon_\mathrm{r}}$
	${\displaystyle C=4\pi \varepsilon _{0}\varepsilon _{\mathrm {r} }R_{1))$

Porovnání pevných kondenzátorů

Typ kondenzátoru	Použité dielektrikum	Funkce/aplikace	Nedostatky
Kondenzátory s pevným organickým dielektrikem
papírové kondenzátory
Střídavé olejové kondenzátory	Naolejovaný papír	Navrženo především tak, aby poskytovalo velmi velké kapacity pro průmyslové aplikace střídavého proudu při zvládání vysokých proudů a vysokých napěťových špiček při síťové frekvenci. Mezi jejich úkoly patří spouštění a provoz střídavých elektromotorů, oddělení fází, korekce účiníku, stabilizace napětí, práce s řídicími zařízeními atd.	Omezeno nízkou pracovní frekvencí, protože při vysokých frekvencích mají vysoké dielektrické ztráty.
DC olejové kondenzátory	Papír nebo jeho kombinace s PET	Navrženo pro stejnosměrný provoz pro filtrování, zdvojnásobení napětí, prevenci elektrického oblouku, jako bypass a vazební kondenzátory	V případě zvlnění je vyžadováno snížení provozního napětí podle plánů poskytnutých výrobcem. Jsou větší ve srovnání s analogy s polymerními dielektriky.
Papírové kondenzátory	Papír/impregnovaný papír	Impregnovaný papír byl široce používán ve starších kondenzátorech. Jako impregnace byl použit vosk, olej nebo epoxidová pryskyřice. Některé z těchto kondenzátorů se stále používají pro vysokonapěťový provoz, ale ve většině případů se místo nich nyní používají filmové kondenzátory.	Velká velikost. Vysoká hygroskopičnost , díky které absorbují vlhkost ze vzduchu i s plastovým pouzdrem a impregnací. Absorbovaná vlhkost zhoršuje jejich výkon zvýšením dielektrických ztrát a snížením izolačního odporu.
Metalizované papírové kondenzátory	Papír	Menší velikost než papírové fóliové kondenzátory	Vhodné pouze pro nízkoproudé aplikace. Místo toho se začaly široce používat kondenzátory s metalizovaným filmem.
Akumulační kondenzátory	Kondenzátorový kraftový papír , impregnovaný ricinovým olejem nebo podobnou kapalinou s vysokou dielektrickou konstantou, a fóliové proužky	Navrženo pro provoz v pulzním režimu s vysokým vybíjecím proudem. Snášejí reverzaci napětí lépe než mnoho polymerních dielektrik. Obvykle se používá v pulzních laserech, Marxových generátorech , pulzním svařování , elektromagnetickém tváření a dalších aplikacích, které vyžadují použití vysoce výkonných pulzů .	Jsou velké a těžké. Jejich spotřeba energie je mnohem menší než u kondenzátorů využívajících polymerní dielektrika. Není schopen samoléčení. Selhání takového kondenzátoru může být katastrofální kvůli velkému množství akumulované energie.
filmové kondenzátory
Polyethylentereftalátové kondenzátory	Polyethylentereftalátový film	Méně než papírové nebo polypropylenové kondenzátory s podobnými vlastnostmi. Mohou používat fóliové pásy, metalizovanou fólii nebo kombinaci obou. PET kondenzátory téměř úplně nahradily papírové kondenzátory pro aplikace, kde je vyžadován provoz na stejnosměrný proud (DC). Mají provozní napětí do 60 kilovoltů při stejnosměrném proudu a provozní teploty do 125 °C. Mají nízkou hygroskopičnost.	Teplotní stabilita je nižší než u papíru. Lze je použít s nízkofrekvenčním střídavým proudem, ale pro vysokofrekvenční jsou nevhodné z důvodu nadměrného zahřívání dielektrika.
Polyamidové kondenzátory	Polyamid	Pracovní teplota do 200 °C. Vysoký izolační odpor, dobrá stabilita, malá ztrátová tangenta.	Velká velikost a vysoká cena.
Kaptonové kondenzátory	Polyimidová fólie značky Kapton	Podobné jako PET, ale mají výrazně vyšší provozní teplotu (až 250 °C).	Dražší než PET. Teplotní stabilita je nižší než u papírových kondenzátorů. Mohou být také použity pouze při nízkofrekvenčním střídavém proudu, protože při vysokých frekvencích se dielektrikum silně zahřívá.
Polykarbonátové kondenzátory	Polykarbonát	Mají lepší izolační odpor, ztrátovou tangentu a dielektrickou adsorpci než polystyrenové kondenzátory. Mají lepší odolnost proti vlhkosti. Teplotní koeficient přibližně ±80 ppm. Vydrží plné provozní napětí v celém rozsahu teplot ( -55°C až 125°C)	Maximální provozní teplota je omezena na 125°C.
Polysulfonové kondenzátory	Polysulfon	Podobně jako u polykarbonátu. Snese plné jmenovité napětí při relativně vysokých teplotách. Absorpce vlhkosti je asi 0,2 %, což omezuje jejich stabilitu.	Nízká dostupnost a vysoká cena.
Polypropylenové kondenzátory	Polypropylen	Extrémně nízká ztrátová tangenta, vyšší dielektrická pevnost než u polykarbonátových a PET kondenzátorů. Nízká hygroskopicita a vysoký izolační odpor. Mohou používat fóliové pásy, metalizovanou fólii nebo kombinaci obou. Fólie je kompatibilní se samoopravnou technologií , která zvyšuje spolehlivost. Mohou pracovat na vysokých frekvencích, dokonce i při vysokém výkonu, například pro indukční ohřev (často spolu s vodním chlazením), díky velmi nízkým dielektrickým ztrátám. S vyššími kapacitami a provozními napětími, například od 1 do 100 mikrofaradů a napětími do 440 V AC, je lze použít jako spouštěcí pro práci s některými typy jednofázových elektromotorů.	Náchylnější k poškození přechodným přepětím nebo přepólováním než papírové kondenzátory nasáklé olejem.
Polystyrenové kondenzátory	Polystyren	Vynikající vysokofrekvenční filmové kondenzátory pro všeobecné použití. Mají vynikající stabilitu, vysokou odolnost proti vlhkosti a nízký záporný teplotní koeficient, což umožňuje jejich použití ke kompenzaci kladného teplotního koeficientu jiných komponent. Ideální pro nízkopříkonové RF a přesné analogové aplikace.	Maximální provozní teplota je omezena na 85 °C. Rozměrově poměrně velké.
Fluoroplastové kondenzátory	Polytetrafluorethylen	Vynikající vysokofrekvenční filmové kondenzátory pro všeobecné použití. Velmi nízké dielektrické ztráty. Provozní teplota do 250°C, velmi vysoký izolační odpor, dobrá stabilita. Používá se v kritických úkolech.	Velká velikost díky nízké dielektrické konstantě, vyšší cena ve srovnání s jinými kondenzátory.
Metalizované polyethylentereftalátové a polykarbonátové kondenzátory	PET nebo polykarbonát	Spolehlivý a mnohem menší. Tenké pokovování může být použito, aby jim dodalo samoléčebné vlastnosti.	Tenké pokovení omezuje maximální proud.
Kondenzátory s pevným anorganickým dielektrikem
Víceúrovňové deskové slídové kondenzátory	Slída	Výhody těchto kondenzátorů jsou založeny na skutečnosti, že jejich dielektrikum je inertní. V průběhu času se nemění fyzikálně ani chemicky a má také dobrou teplotní stabilitu. Mají velmi vysokou odolnost vůči korónovým výbojům.	Bez řádného utěsnění jsou náchylné na vlhkost, což zhoršuje jejich parametry. Vysoká cena díky vzácnosti a vysoké kvalitě dielektrika a také ruční montáži.
Metalizované nebo stříbrné slídové kondenzátory	Slída	Stejné výhody, navíc odolnější vůči vlhkosti.	vyšší cena.
Skleněné kondenzátory	Sklenka	Podobně jako u slídy. Stabilita a frekvenční odezva je lepší než slída. Velmi spolehlivý, velmi stabilní, odolný vůči záření.	Vysoká cena.
Teplotně kompenzované keramické kondenzátory	Směs komplexních sloučenin titaničitanů	Levné, miniaturní, mají vynikající vysokofrekvenční charakteristiky a dobrou spolehlivost. Předvídatelná lineární změna kapacity s ohledem na teplotu. Existují výrobky odolné do 15 kV.	Změna kapacity při různém použitém napětí, frekvenci, v závislosti na stárnutí.
Keramické kondenzátory s vysokou dielektrickou konstantou	Dielektrika na bázi titaničitanu barnatého	Menší než teplotně kompenzované kondenzátory díky větší dielektrické konstantě. K dispozici pro napětí do 50 kV.	Mají menší teplotní stabilitu, kapacita se výrazně mění s různým přiloženým napětím.
Kondenzátory s oxidovým dielektrikem
Hliníkové elektrolytické kondenzátory	Oxid hlinitý	Obrovský poměr kapacity k objemu, levný, polární. Používají se především jako vyhlazovací a napájecí kondenzátory v napájecích zdrojích. MTBF kondenzátoru s maximální povolenou provozní teplotou 105 °C se počítá až na 50 000 hodin při teplotě 75 °C	Vysoké svodové proudy, vysoký ekvivalentní sériový odpor a indukčnost omezují jejich použití při vysokých frekvencích. Mají nízkou teplotní stabilitu a špatné odchylky parametrů. Při překročení přípustných parametrů a/nebo přehřátí může při použití zpětného napětí explodovat. Maximální napětí je asi 500 voltů.
Tantalové kondenzátory	Oxid tantalu	Velký poměr kapacity k objemu, malá velikost, dobrá stabilita, široký rozsah provozních teplot. Široce se používá v miniaturních zařízeních a počítačích. K dispozici v polární i nepolární verzi. Pevné tantalové kondenzátory mají mnohem lepší výkon ve srovnání s kondenzátory s kapalným elektrolytem.	Dražší než hliníkové elektrolytické kondenzátory. Maximální napětí je omezeno pruhem asi 50 V. Vybuchnou při překročení povoleného proudu, napětí nebo rychlosti nárůstu napětí, stejně jako při použití napětí se špatnou polaritou.
Niobové kondenzátory	Oxid niobu	?	?
Pevné kondenzátory	Oxid hlinitý , oxid tantalu	Místo tradičního kapalného elektrolytu se používá speciální vodivý organický polymer nebo polymerovaný organický polovodič. MTBF je asi 50 000 hodin při 85 °C. ESR je menší než u kapalinových elektrolytů a slabě závisí na teplotě. Neexplodují.	Dražší než obvykle. Při 105 °C je životnost stejná jako u běžných elektrolytických. Provozní napětí do 35V.
Elektrické dvouvrstvé kondenzátory
Elektrické dvouvrstvé kondenzátory ( ionistory )	Tenká vrstva elektrolytu a aktivní uhlí	Obrovská kapacita v poměru k objemu, malá velikost. K dispozici ve stovkách farad. Obvykle se používá k dočasnému napájení zařízení při výměně baterií. Lze je nabíjet a vybíjet vyššími proudy než baterie a mají velmi velký počet cyklů nabíjení a vybíjení. Polarizované, mají nízké napětí (volty na článek kondenzátoru). Skupiny článků jsou zapojeny do série pro zvýšení celkového provozního napětí, přičemž použití zařízení pro vyrovnávání napětí je povinné.	Relativně vysoká cena, vysoký ekvivalentní sériový odpor (nízké vybíjecí proudy), velké svodové proudy.
Li-ion kondenzátory	lithium iont	Lithium-iontové kondenzátory mají vyšší energetickou kapacitu, srovnatelnou s bateriemi , bezpečnější než baterie ( lithium-galvanické články nebo lithium-iontové baterie [ co? ][ objasnit ] ), ve kterém prudká chemická reakce začíná při vysoké teplotě. Oproti ionistorům mají vyšší výstupní napětí. Jejich měrný výkon je srovnatelný, ale hustota energie Li-ion kondenzátorů je mnohem vyšší [8] .	Nová technologie, která dosud nebyla široce přijata.
Vakuové kondenzátory
Vakuové kondenzátory	Vakuové kondenzátory používají skleněné nebo keramické žárovky se soustřednými válcovými elektrodami.	Extrémně nízká ztráta. Používá se pro vysokonapěťové vysokonapěťové RF aplikace, jako je indukční ohřev kde i malé ztráty vedou k nadměrnému zahřívání samotného kondenzátoru. S omezeným proudem mohou být jiskry samoléčivé.	Velmi vysoká cena, křehkost, velké rozměry, malá kapacita.

Použití kondenzátorů a jejich práce

Kondenzátory se používají téměř ve všech oblastech elektrotechniky.

Kondenzátory (spolu s induktory a/nebo rezistory ) se používají k sestavení různých obvodů s vlastnostmi závislými na frekvenci, zejména filtrů , zpětnovazebních obvodů , oscilačních obvodů atd.
V sekundárních napájecích zdrojích se kondenzátory používají k vyhlazení usměrněného zvlnění napětí .
Při rychlém vybití kondenzátoru lze získat vysoce výkonný puls, například ve fotoblescích , elektromagnetických urychlovačích , opticky čerpaných pulzních laserech , Marxových generátorech (GIN; GIT) , Cockcroft-Waltonových generátorech atd.
Vzhledem k tomu, že kondenzátor je schopen uchovat náboj po dlouhou dobu, lze jej použít jako paměťový prvek (viz DRAM , Vzorek a přidržení zařízení ).
Kondenzátor lze použít jako dvousvorkovou reaktanci k omezení síly střídavého proudu v elektrickém obvodu (viz Předřadník ).
Proces nabíjení a vybíjení kondenzátoru přes rezistor (viz RC obvod ) nebo generátor proudu trvá určitou dobu, což umožňuje použití kondenzátoru v obvodech pro nastavení času , které nemají vysoké požadavky na časovou a teplotní stabilitu ( v obvodech generátorů jednoduchých a opakujících se impulzů, časových relé atd.).
V elektrotechnice se kondenzátory používají pro kompenzaci jalového výkonu a ve filtrech vyšších harmonických .
Kondenzátory jsou schopny akumulovat velký náboj a vytvářet na deskách velké napětí, čehož se využívá k různým účelům, například k urychlování nabitých částic nebo k vytváření krátkodobých silných elektrických výbojů (viz Van de Graaffův generátor ).
Převodník malého posuvu: Malá změna vzdálenosti mezi deskami má velmi znatelný vliv na kapacitu kondenzátoru.
Měřící převodník vlhkosti vzduchu, dřeva (změny složení dielektrika vede ke změně kapacity).
V obvodech RPA se kondenzátory používají k implementaci logiky některých ochran. Zejména použití kondenzátoru v obvodu automatického opětovného uzavření umožňuje zajistit požadovanou pracovní frekvenci ochrany.
Měřič hladiny kapalin. Prostor mezi deskami kondenzátoru vyplňuje nevodivá kapalina a kapacita kondenzátoru se mění v závislosti na výšce hladiny.
kondenzátor fázového posunu. Takový kondenzátor je nezbytný pro spouštění a v některých případech pro provoz jednofázových asynchronních motorů . Lze jej také použít ke spouštění a provozu třífázových asynchronních motorů napájených jednofázovým napětím.
Akumulátory elektrické energie (viz Ionistor ). V tomto případě by desky kondenzátoru měly mít poměrně konstantní hodnotu napětí a vybíjecího proudu. Samotný výboj musí být v tomto případě významný v čase. V současné době probíhá experimentální vývoj elektrických vozidel a hybridů využívajících kondenzátory. Existují i některé modely tramvají, ve kterých jsou kondenzátory pro napájení trakčních motorů při jízdě beznapěťovými úseky.

Označení kondenzátorů

Značení sovětských a ruských kondenzátorů

Existují dva systémy pro označování sovětských / ruských kondenzátorů: abecední (staré) a digitální (nové).

Stará notace

Systém písmen platí pro kondenzátory navržené před rokem 1960. V tomto systému první písmeno K znamená kondenzátor, druhé - typ dielektrika (B - papír, C - slída, K - keramika, E - elektrolytické atd...), třetí - konstrukční vlastnosti ( těsnost nebo provozní podmínky). Pro zjednodušení zápisu se často první písmeno K vynechává a zůstává druhé a následující [10] .

Nový zápis

V souladu s novým (digitálním) systémem značení jsou kondenzátory rozděleny do skupin podle typu dielektrika, účelu a provedení [11] . Podle tohoto systému první písmeno „K“ znamená „kondenzátor“, za nímž následuje číslo označující typ dielektrika a písmeno označující, ve kterých obvodech lze kondenzátor použít; za ním je číslo vývoje nebo písmeno označující variantu provedení [12] .

Statistiky výdrže [13]

Elektrická síla

Vztah mezi průrazným napětím a dobou, po kterou je toto napětí přiváděno na svorky kondenzátoru. Je určen empirickým vzorcem kde je konstantní koeficient závislý na vlastnostech dielektrika, $U_{pr}$ $T$ $T={\frac {A}{{U_{pr}}^{n}}},$ $A$ $n=3\tečky 8.$

Spolehlivost kondenzátoru

Výskyt poruch po dobu 1 hodiny provozu za normálních podmínek. Střední doba do první náhlé poruchy: , kde je konstantní koeficient závislý na vlastnostech dielektrika, je dovolené napětí, je provozní napětí. $T_{sr}=B\left({\frac {U_{d}}{U_{r}}}\right)^{n}$ $B$ $n=4\tečky 7,$ ${\displaystyle U_{d))$ ${\displaystyle U_{r))$

Životnost

Vliv teploty na životnost je vyjádřen vzorcem: kde pro papírové, slídové a keramické kondenzátory konstantní kapacity, pro skleněnou fólii a - životnost kondenzátoru při teplotách , resp. $T_{1}=T_{2}a^{\frac {t_{2}-t_{1}}{10}},$ $a=2$ $a=4\tečky 6$ $T_{1}$ $T_{2}$ $t_{1}$ $t_{2}$

Viz také

Poznámky

↑ Odtud hovorový slangový název pro kondenzátor vznikl – kapacita .
↑ Gliozzi M. Dějiny fyziky. - M.: Mir, 1970. - S. 173.
↑ Gano A. Kurz fyziky. Přeložili F. Pavlenko, V. Čerkasov. 1882.
↑ Gusev, 1991 , str. 17-26.
↑ GOST 2.728-74 (2002) (nepřístupný odkaz) . Získáno 25. září 2009. Archivováno z originálu 5. března 2016. (Ruština)
↑ Hliníkové elektrolytické kondenzátory řady PW (Power Supplies) (eng.) (nedostupný odkaz) . Společnost Nichicon electronics. Získáno 23. března 2013. Archivováno z originálu 1. července 2013.
↑ Andrej Samodělov. Hliníkové elektrolytické kondenzátory Vishay pro napájecí zdroje (nedostupný odkaz) . Věstník elektroniky č. 3, 2011. Staženo 23. března 2013. Archivováno 20. srpna 2014. (Ruština)
↑ Taiyo Yuden vytvořil novou generaci lithium-iontových kondenzátorů
↑ Pro mikrofarady se v té době používala zkratka „MF“; "MMF" byl použit pro mikro-mikrofrad = 10 -12 F nebo pikofarad.
↑ Bodilovsky B. G. Příručka mladého radisty: čtvrté vydání, přepracované a dodatečně - Moskva: Vyšší škola, 1983. S. 29.
↑ Bodilovsky B. G. Příručka mladého radisty: 4. vyd., přepracováno. a doplňkové - Moskva: Vyšší škola, 1983. - S. 29.
↑ Redel A. A. Příručka pro radiotelemechaniku. - Alma-Ata: Kazachstán. - 1989. - S. 10
↑ Tishchenko O. F., Kiselev L. T., Kovalenko A. P. Elements of instrumental devices. Část 1. Podrobnosti, spojení a převody. - M., Vyšší škola, 1982. - S. 269

Literatura

Kondenzátor, elektrický // Encyklopedický slovník Brockhause a Efrona : v 86 svazcích (82 svazcích a 4 dodatečné). - Petrohrad. , 1890-1907.
Zhdanov L. S. Zhdanov, G. L. Učebnice fyziky pro střední odborné vzdělávací instituce.
Gusev V. G., Gusev Yu. M. Electronics. - 2. - M. : "Vysoká škola", 1991. - ISBN 5-06-000681-6 .
Frolov A.D. Rádiové komponenty a uzly. - M . : Vyšší škola, 1975. - S. 46-134. — 440 s. — (Učebnice pro vysoké školy).
Belenky B. P., Bondarenko P. N., Borisova M. E. Výpočet provozních charakteristik a aplikace elektrických kondenzátorů. - M . : Rozhlas a komunikace, 1988. - 240 s.

Odkazy

Elektronické komponenty
Pasivní	Rezistor Variabilní odpor Trimrový odpor Varistor fotorezistor Kondenzátor variabilní kondenzátor Trimrový kondenzátor Varikond Induktor Transformátor Quartzový rezonátor Pojistka Resetovatelná pojistka memristor vyměňovat
Aktivní pevný stav	Dioda Světelná dioda Fotodioda laserová dioda Schottkyho dioda Zenerova dioda Stabistor Varicap Magnetodioda Diodový můstek Gunnova dioda tunelová dioda Lavinová dioda Lavinová dioda Tranzistor bipolární tranzistor Tranzistor s efektem pole CMOS tranzistor unijunkční tranzistor Fototranzistor Kompozitní tranzistor balistický tranzistor Integrovaný obvod Digitální integrovaný obvod Analogový integrovaný obvod Analogově-digitální integrovaný obvod hybridní integrovaný obvod Tyristor triak Dinistor fototyristor Optočlen ( odporový optočlen ) Hallův senzor
Aktivní vakuum a výboj plynu	Vakuové lampy Elektrovakuová dioda ( Kenotron ) Trioda tetroda paprsková tetroda Pentoda hexaod Heptod ( Pentagrid ) oktod Nonod mechatron Výbojky Zenerova dioda Thyratron Ignitron Krytron Trigatron Decathron Magnetron Klystron Amplitron ( Platinotron ) Cestující vlnová lampa Lampa se zpětnou vlnou Katodová trubice
Zobrazovací zařízení	Katodová trubice LCD displej Světelná dioda Indikátor vybití Vakuový fluorescenční indikátor Blinker výsledková tabulka Sedmisegmentový indikátor Maticový indikátor Kineskop
Akustický	Mikrofon mluvčí Tenzometr Piezokeramický zářič Bzučák telefonní kapsle
Termoelektrický	Termistor Termočlánek Peltierův prvek