AŤ TO JISKŘÍ

Kondenzátor

27. listopadu 2007 v 17:52 | Michal Žoldák |  prvky elektrických obvodů
Kondenzátor (zastarale nazývaný dnes obecnějším pojmem kapacitor) je elektrotechnická součástka používaná v elektrických obvodech k dočasnému uchování elektrického náboje, a tím i k uchování potenciální elektrické energie.

Základní vlastností pro hodnocení kondenzátoru je jeho elektrická kapacita, technicky je kondenzátor určen maximálním povoleným napětím, druhem dielektrika a provedením vývodů (axiální, radiální, bezvývodový).

Princip kondenzátoru

Z fyzikálního hlediska se kondenzátorem nazývá libovolné vodivé těleso, které je zcela obklopeno jiným vodivým tělesem, přičemž obě tělesa jsou vzájemně izolována.
Pokud je na těleso v dutině přiveden náboj Q, bude se na vnitřní straně dutiny druhého vodiče indukovat nábojQ. Vzniklé elektrostatické pole je uzavřeno v dutině mezi oběma vodivými tělesy, přičemž siločáry vycházejí z kladných nábojů na jednom vodiči a končí na záporných nábojích na druhém vodiči. Toto elektrostatické pole je nezávislé na vnějších polích. Je-li potenciál vodiče uvnitř dutiny arphi_1 a potenciál vnějšího vodiče arphi_2, pak mezi oběma vodivými tělesy existuje napětí
U = arphi_1-arphi_2
Q = C_{11}arphi_1+C_{12}arphi_2
-Q = C_{21}arphi_1+C_{22}arphi_2
Matice Cik je však symetrická, takže platí C12 = C21. Pokud je náboj Q = 0, bude potenciál vnitřního vodiče shodný s potenciálem vnitřní plochy dutiny, tzn. arphi_1=arphi_2, což umožňuje určit, že C11 = − C12 = − C21 = C22 = C. Veličina C představuje kapacitu kondenzátoru. Z uvedené soustavy rovnic pak plyne
C = rac{Q}{arphi_1-arphi_2} = rac{Q}{U}
Kapacita kondenzátoru je určena rozměry, tvarem a vzájemnou polohou vodičů, které se označují jako elektrody kondenzátoru.
Kapacitu kondenzátoru lze zvýšit vyplněním dutiny mezi oběma vodivými tělesy vhodnou nevodivou látkou. Dielektrikum mezi deskami nedovolí, aby se částice s nábojem dostaly do kontaktu, a tím došlo k neutralizaci, jinak vybití elektrických nábojů. Přitom dielektrikum svou polarizací zmenšuje sílu elektrického pole nábojů na deskách a umožňuje tak umístění většího množství náboje.
Vzhledem k elektrostatické indukci je velikost náboje na obou deskách stejná.

Technická realizace

Z praktického hlediska je konstrukce kondenzátoru jakožto vodiče zcela obklopeného jiným vodičem dosti nevhodná. V praxi používané kondenzátory jsou tedy konstruovány poněkud jinak. U takovýchto kondenzátorů je podmínka, že jeden vodič je zcela uzavřen uvnitř druhého splněna pouze přibližně, což má za následek, že tyto kondenzátory nejsou zcela nezávislé na vnějších polích a v místech, kde siločáry opouští prostor mezi elektrodami dochází k tzv. okrajovým efektům (jevům).
Schéma deskového kondenzátoru.
Schéma válcového kondenzátoru.
Schéma kulového kondenzátoru.

Kapacita deskového kondenzátoru

V ideálním případě sestává deskový kondenzátor ze dvou rovnoběžných vodivých rovin (tedy nekonečných ploch), jejichž vzájemná vzdálenost je d.
Použitím Gaussova zákona se lze přesvědčit, že elektrostatické pole je soustředěno mezi deskami. Jsou-li obě desky nabity opačnými náboji s konstantní plošnou hustotou náboje σ, pak intenzita pole je
E = rac{sigma}{arepsilon},
kde arepsilon je permitivita dielektrika mezi elektrodami.

Pokud bude záporně nabitá deska uzemněna, bude její potenciál nulový a potenciál kladně nabité desky bude roven napětí mezi deskami, tzn.
U = Ed

V reálném případě nemohou být desky kondenzátoru nekonečné roviny, ale plochy s konečným obsahem S. Pokud je vzdálenost d mezi deskami malá ve srovnání s rozměry desek, je možné elektrostatické pole, které se mezi nimi vytváří považovat za homogenní, což umožňuje použít stejné vztahy jako by šlo o dvojici nekonečných rovin. Vzhledem k homogenitě pole můžeme použít sigma = rac{Q}{S}, z čehož plyne
U = Ed = rac{Q}{arepsilon S}d
Pro kapacitu deskového kondenzátoru pak dostaneme
C = rac{Q}{U} = arepsilonrac{S}{d}
Kapacita deskového kondenzátoru se tedy zvyšuje se zvětšováním plochy desek kondenzátoru a také se snižováním jejich vzdálenosti.
Okrajové efekty u deskového kondenzátoru. Okrajové efekty u deskového kondenzátoru.
Na okrajích reálného deskového kondenzátoru však elektrostatické pole již není homogenní, neboť tam vznikají tzv. okrajové efekty (jevy). Přestože se tedy uvedený vztah běžně využívá pro výpočet kapacity deskového kondenzátoru, je nutné si uvědomit, že tento vztah není zcela přesný. Jeho přesnost je určena poměrem vzdálenosti desek d a jejich lineárního rozměru lsimsqrt{S}. Pokud tedy poměr rac{d}{l} o 0, pak jsou okrajové efekty malé a uvedený vztah platí poměrně přesně. Se zvyšováním tohoto poměru se vliv okrajových efektů uplatňuje stále více a přesnost výpočtu kapacity podle daného vzorce klesá.

Druhy kondenzátorů

Leydenská láhev je historicky první kondenzátor. Jedná se o skleněnou nádobu, na jejíž vnější i vnitřní straně jsou přilepeny (příp. napařeny) kovové vrstvy. Používala se k uchování náboje vzniklého ve Whimhurstově indukční elektrice.
Podle tvaru lze rozlišit kondenzátory deskové, válcové, kulové, svitkové (svinutý dlouhý vodivý pás oddělený izolantem).
Podle použitého dielektrika se kondenzátory dělí
  • otočný vzduchový
  • papírový (často papír napuštěný voskem) (svitkové)
  • elektrolytický (dielektrikem je tenká oxidační vrstva na jedné z elektrod, druhou elektrodu tvoří samotný elektrolyt)
  • keramický
  • kapacitní dioda - varikap
  • Slídový
  • Plastový

Otočný vzduchový

  • Je nejstarší typ proměnného kondenzátoru. Má dvě hlavní součásti. rotor a stator Na rotoru i statoru jsou umístěny desky které se otáčením zasouvají a vysouvají do sebe. Tím se mění aktivní S desek a současně i C. Jako dielektrikum je použit vzduch, někdy můžeme najít i polystyren, olej nebo jiné látky.
Otočný kondenzátor umožňuje zasouváním desek mezi sebe měnit účinnou plochu desek, a tím i měnit kapacitu kondenzátoru. Desky mohou mít tvar polokruhu (kapacita pak závisí lineárně na natočení) nebo ledvinovitý (obvykle logaritmický průběh změny kapacity)
Pro podobné účely se dnes využívá varikap, kde je kapacita měněna vstupním napětím.

Papírový (svitkový)

  • Dielektrikum tvoří kondenzátorový papír. (jeho Εr mívá hodnotu 4-10)
  • Elektrody jsou tvořeny hliníkovou folií s vývody. Kondenzátorový papír včetně elektrod je svinut do válce.
  • Někdy je hliník nahrazen pokovením fólie (z obou stran), takový kondenzátor je označován jako metalizovaný (MP). Toto provedení je odolné proti průrazu napěťovými špičkami a dochází k obnovení funkčnosti po průrazu vypálením poškozeného místa na fólii.

Elektrolytický

Je podstatně odlišný od jiných typů kondenzátorů. Katoda je tvořena vodivým elektrolytem, který může být jak tekutý, polosuchý nebo pevný. Anoda je tvořena čistou hliníkovou fólií, na které je vrstvička Al2O3 (oxid hlinitý), tato vrstvička má funkci dielektrika. Pokud kondenzátor není dlouhou dobu pod napětím, jeho kapacita se zmenší. Do jisté úrovně se dá zase obnovit připojením stejnosměrného proudu. Elektrody mají velký povrch, který je tvořen nepravidelně naleptanou strukturou povrchu hliníku.
Jeho výhodou je vysoká měrná kapacita, nevýhodou naopak to, že nesmí být přepólován a obvykle snese oproti jiným typům jen velmi nízké napětí.
Ukázka poněkud většího olejového kondenzátoru 100 μF na napětí 15000 V. Kondenzátor má hmotnost 60 kg a olejovou náplň o objemu 13 l Ukázka poněkud většího olejového kondenzátoru 100 μF na napětí 15000 V. Kondenzátor má hmotnost 60 kg a olejovou náplň o objemu 13 l

Tantalový

Je podobný elektrolytickému s hliníkovou fólií, ale má lepší frekvenční a teplotní charakteristiky.

Keramický

  • Speciální keramika s velkou permitivitou a malým ztrátovým činitelem
  • Dle tvaru na
    • terčové
    • destičkové
    • průchodkové
 

1 člověk ohodnotil tento článek.

Anketa

Jak se vám líbí moje stránky??

super
dobrý
de to
nic moc
hrůza

Komentáře

1 Fanthomas Fanthomas | 18. června 2010 v 18:19 | Reagovat

Fu u u u u j

Nový komentář

Přihlásit se
  Ještě nemáte vlastní web? Můžete si jej zdarma založit na Blog.cz.
 

Aktuální články

Reklama