Kondenzátor (Capacitor)
Schématická značka:
Kondenzátor je pasivní elektrotechnická součástka, která má schopnost dočasně akumulovat elektrický náboj (resp. energii elektrického pole).
Kondenzátor je tvořen dvěma elektrodama a mezi nima je izolační vrstva zvaná dielektrikum. To znamená, že kondenzátorem nemůže přes tu izolační vrstvu protékat žádný vodivostní elektrický proud (neuvažujeme-li parazitní vlastnosti). Přesto v obvodu s kondenzátorem a do série zapojeným ampérmetrem průchod proudu naměříme při jakékoliv změně vnějšího napětí, popřípadě při vybíjení kondenzátoru do zátěže. To je možné díky tzv. posuvnému proudu, který vzniká při polarizaci dielektrika (během ubývání či přibývání množstí náboje na elektrodách).
(obrázek použit z wikipedie)
Jak je vidět na obrázku, dielektrikum obsahuje bez působení vnějšího napětí částice, které se jeví navenek jako elektricky neutrální, protože mají elektrické dipóly orientované náhodně. Avšak připojením napětí na jeho elektrody se tyto el. dipóly začnou orientovat ve směru působení elektrického pole, tedy začnou se natáčet, což se navenek projeví akumulováním náboje na elektrodách a tím vznikne dojem jakoby přes kondenzátor protékal proud tzv. posuvný proud.
Polarizované dielektrikum si i po odpojení zdroje vnějšího napětí, dočasně přidrží na svých elektrodách naakumulovaný náboj. Tedy na takový kondenzátor s polarizovaným dielektrikem se pak lze dívat jako na dočasný zdroj napětí. V tomto stavu se říka, že kondenzátor je nabitý. Postupně se ale začne vybíjet (dielektrikum se začne depolarizovat) s rychlostí závislou na odporu zátěže přes kterou se naakumulovaný náboj z elektrod přenáší (popřípadě samovybíjením v důsledku vlastního parazitního odporu).
Po připojení stejnosměrného zdroje (DC =) se kondenzátor nenabíjí lineárně s časem, ale průběh je exponenciální, jak je vidět na obrázku. Průběh proudu má logicky opačný charakter.
V obvodu se střídavým zdrojem (AC ~)se kondenzátor nabíjí a vybíjí periodicky což se v průběhu napětí a proudu projeví předbíháním proudu o 90 stupňů, jak je vidět na obrázku.
U DC charakteristiky je na časové ose použiváná konstanta tau - τ. Jde o časovou konstantu popisující rychlost přechodového jevu. U kondenzátoru to závisí na sériovém odporu a samotné kapacitě kondenzátoru, což vyjadřuje vztah:
τ = R*C
Za dobu 5τ se přechodový děj považuje za ustálený.
Příklady použití:
(pojmy filtrační, blokovací, oddělovací (filter, bypass, decouple) bývají různými autory občas zaměnovány dle úhlu pohledu (významu zapojení kondenzátoru)).
Pojmu filtrační se také používá pro výstupní kondenzátor spínaných zdrojů. Tam má zcelá zásadní význam, protože de facto vytvoří ze spínaného výstupního průběhu napětí "konstantní". U něj je volba vhodné kapacity velmi důležitá a počítá se dle vztahu uvedeného výrobcem spínaného zdroje (závisí na odebíraném proudu, dovoleném zvlnění, atd).
Také se lze setkat s pojmem "Bulk capacitor" což je skupinový kondenzátor větší kapacity jehož účelem je zásobovat menší blokovací kondenzátory např. u součástky která jich má více jako MCU apod.
Čím víc náboje je schopen kondenzátor pojmout a čím menší napětí na jeho elekrodách k tomu potřebuje o to je větší kapacita kondenzátoru:
Pro deskový kondenzátor lze konkrétně vyjádřit kapacitu dle jeho mechanických paramterů a permitivity materiálu dielektrika:
Energie deskového kondenzátoru je závislá na jeho kapacitě a napětí na jaké je "nabitý". Odvozený vztah z elektrické energie:
Elektrický proud definovaný pomocí změny velikosti náboje s časem:
I = dQ/dt
Elektrický proud definovaný pomocí změny napětí s časem a kapacity:
I = C*(dU/dt)
Kapacitní reaktance:
Ztrátový činitel (bližší popis viz. katalogové parametry):
Činitel jakosti:
Výsledná kapacita při sériovém a paralelním zapojení kondenzátorů:
Značení hodnot kondezátoru:
Hodoty kondenzátorů tvoří, jsou zejména u keramických, velmi široké spektrum hodnot. Ovšem u elektrolytických se zavedla standardizovaná řada s těmito hodnotami a jejich násobky 10n :100-110-120-130-150-160-180-200-220-240-270-300-330-360-390-430-470-510-560-620-680-750-820-910
Značení hodnot pomocí předpon:
p - piko, 10-12
n - nano, 10-9
u - mikro, 10-6
m - mili, 10-3
J - 100, má stejný význam jako předpona - piko
k - kilo, 103, má stejný význam jako předpona - nano
M - mega, 106, má stejný význam jako předpona - mikro
G - giga, 109, má stejný význam jako předpona - mili
(12p = 12J = 12*10-12F; 4m7=4G7=4.7*10-3F; 33nF=33k=33*10-9F)
Značení pomocí exponentu (obvykle u SMD provedení). S nulovým exponentem jsou vyjádřeny piko farady:
Příklady: 120 = 12pF; 273 = 27nF;
Dělení dle typu:
(využito dokumentace firmy VISHAY, skripta: Elektronické prvky - Jaromír Pištora, VŠB TU Ostrava, wikipedia)Porvnovávací tabulka parametrů některých typů kondenzátorů:
Kondenzátory se vyrábějí s různou konstrukcí, technologii výroby a materiálu. Dle toho se dělí na různé typy které mají odpovídající vlastnosti a typické využití.
Materiál dielektrika výrazně ovlivňuje nejen velikost kapacity, ale i další parametry. Pro dielektrikum s vysokou permitivitou (míra schopnosti elektrické indukce v závislosti na vnějším elektrickém poli) se také používá název feroeletrikum.
Keramické (ceramic)
Struktura keramických kondenzátorů ve vývodovém i SMD proedení - obrázky použity z wikipedie - ceramic capacitor
Keramický kondenzátor je nejčastěji využívaný typ. Dielektriukm je tvořeno keramickým materiálem a elektrody bývají kovové (někdy s příměsí stříbra apod.)
Obvyklé kapacity bývají v řádu pF až do 100nF, vyjímečně se vyrábí větší kapacity v řádu uF.
Výrobci kondenzátorů mají právě u keramických typů nejširší výběr. Jelikož i využití keramických kondenzátorů je široké (blokovací, vazební, filtrovací, pro spínané zdroje atd.) je třeba zvolit vhodný subtyp dle katalogových paramterů (kapacita, napětí, teplotní koeficient, ESR, vlastní rezonanční kmitočet atd.)
Často se hovoří také o rozdělení do tříd dle normy EIA RS-198. Ta rozděluje keramické kondenzátory do 4 tříd dle jejich teplotní závislosti (někdo používá toto dělení pro rozlišení typu dielektrika což má ale souvislost s teplotní závislostí).
CLASS I - NP0, C0G. Má nejlepší teplotní závislost (nejmenší teplotní koeficitent udávaný v ppm) a obecně nejlepší charakteristiky, ovšem permitivita resp. kapacita je velmi malá.
CLASS II - X5R, X7R, Y5V, Z5U
CLASS IV má pak nejhorší teplotní koeficient a charakteristiky, ale za to s vysokými kapacitami resp. permitivitami dielektrika.
Elektrolytické (electrolytic)
Jsou druhým nejčastěji používaným typem kondenzátorů. Jejich dielektrikum tvoří buď hliník nebo tantal. Tantal má lepší vlastnosti, má větší permitivitu takže pro dosažení stejné kapacity stačí menší objem, mívá menší ESR, bývá stabilnější, má vyšší rezonanční frekvenci, ale vyrábí se s maximální menší kapacitou a jsou dražší. U elektrolytických kondenzátorů je nutné dodržet správnou polaritu napětí (opačná polarita vede až k destrukci). Oproti keramickým dosahují větších kapacit ovšem mívají taky větší parametr ESR (vnitřní sériový odpor) tudíž nevyhladí už tak pěkně napětí zejména při skokových změnách napětí (a při tom se i zahřívají). Ovšem pro svou větší kapacitu se obvykle používají jako filtrační nebo jako tzv. bulk (skupinový). Mají horší teplotní koeficient a jsou celkově méně přesné a s časem mění výrazně svou kapacitu.
Fóliové nebo též svitkové kondenzátory se vyrábí nejčastěji s plastovým typem dielektrika, obvykle polyetylén, poplypropylén nebo polykarbonát. Mívají větší maximální napětí, malý svodový proud, velmi malou dielektrickou absorbci. Mají také tu výhodu, že po "mírném" průrazu dielektrika jsou schopny funkce samo-léčení a průraz se prakticky neprojeví na vlastnostech kondenzátoru.
Slídové kondenzátory jsou vyráběny s dielektrikem slídovým umístěným mezi metalické elektrody. Výhoda slídy je hlavně ve značné tepltoní nezávislosti, velmi malým ztrátovým činitelem, časové stálosti a velkou dielektrickou pevností. Vyrábí se v malých kapacitách a s vyšší cenou. Současné technologie jiných typů kondenzátorů jejich výhody dohánějí a proto mnoho výrobců již slídové kondenzátory ani nevyrábí. Dá se dle požadavků nahradit např. keramickým kondenzátorem Class I.
Dělení dle provedení:
Provedení bývá různé u větších kapacit jako vývodové v axialním či radiálním provedení, jinak v SMD provedení.U SMD keramických kondenzátorů se používají stejné rozměry pouzder jako u SMD rezistorů.
Parametry reálného kondenzátoru:
Reálný kondenzátor má kromě svého ideálního parametru kapacity, ještě tyto parazitní vlastnosti,které vyjadřuje následující ekvivaletní schéma:
RP - Paralelní odpor (svodový odpor dielektrika)
RESR - Sériový odpor (odpor přívodních kontaktů a elektrod)
LESL - Sériová indukčnost (indukčnost přívodních kontaktů a elektrod)
Změna kapacity je ovlivněna mnoha faktory - frekvencí , teplotou, stářím dielektrika, změnou vlastností dielektrika v důsledku přepětí, špičkoých proudů apod. Tyto a další faktory, které je nutné zvážit při výběru vhodného kondenzátoru, popisují katalogové paramtery.
Katalogové paramtery:
(využito dokumentace firmy VISHAY, KEMET, AVX a EPCOS)Jmenovitá kapacita (Rated Capacitance):
Nejdůležitější parametr kondenzátoru udávající jeho kapacitu (míru schopnosti akumulovat náboj). Jelikož tento parametr je závislý na okolních vlivech, udáva se tato hodnota dle výrobcem definovaných podmínek, např. pro 1 kHz, 20±1°C, vlhkost 65±2% a tlak 96 ±10 kPa.
Závisloti kapacity keramického kondenzátoru třídy X7R na stáří a teplotě:
Tolerance jmenovité kapacity (Capacitance tolerance):
Maximální odchylka od udané hodnoty jmenovité kapacity. Obvykle se vyjadřuje v %. Nejhorší bává u elektrolytických a nejlepší u slídových kondenzátorů.
Jmenovité napětí (Rated Voltage):
Maximální stejnosměrné jmenovité napětí na elektrodách kondenzátoru, které může být připojeno trvale. V praxi se vybírá větší napětí než které předpokládáme, kvůli rezervy pro přepětí nebo zvlnění přesahující jmenovité napětí, celkovému menšímu namáhání dielektrika atd.
Výrobce někdy uvadí jmenovité střídavé napětí pro danou frekvenci a tvar průběhu napětí (50Hz sinus), pokud se neuvádí tak lze teoreticky vycházet z efektivní (RMS) hodnoty střídavého napětí.
Vliv napětí kondenzátoru na jeho kapacitu je nutné u některých typů kondenzátorů zvlášť zvážit. Např. u elektrolytických nemusí mít změna napětí, v celém rozsahu napětí až po jmenovitou hodnotu, žádný výrazný vliv, ale např. u keramických kondenzátorů třídy II je tento vliv značný viz. grafy:
Ekvivalentní sériový odpor (ESR):
Vyjadřuje celkový sériový odpor kondenzátoru (odpor přívodních kontaktů, elektrod). V katalogu se obvykle udává jako konstanta při dané frekvenci a teplotě (např. 1 kHz, 20°C).
Pokud zapojíme dva identické kondenzátory (stejná kapacita, ESR atd.) paralelně tak kromě dvojnásobné výsledné kapacity, lze uvažovat také poloviční ESR, což se dobře projeví i v odvádění tepla při průchodu zvlněného (ripple) proudu.
ESR je v přímé uměře se ztrátovým čintelem, takže závislosti na teplotě a frekvenci jsou obdobné.
Jaký vliv má ESR na schopnost "vyhladit" napětí ukazuje následující obrázek:
Ztrátový činitel tan δ (Dissipation Factor):
Je poměr mezi odporovou a kapacitní složkou impedance kondenzátoru. Občas se uvádí pojem "činitel jakosti" což je pouze převrácená hodnota ztrátového činitele.
Tento parametr vyjadřuje míru výkonových ztrát, což vlastně znamená míru zahřívání kondenzátoru při průchodu proudu přes jeho ESR. To je velmi důležitý jev na který je třeba brát zřetel, jelikož jeho podcenění může vést v lepším případě k změně kapacity, zkrácení životnosti a v horším případě k jeho destrukci. Ztrátový výkon lze vyjádřit vztahem:
P = ESR * I2
Pokud zvlněný (ripple) proud kondenzátorem (jeho RMS hodnotu) neznáme nebo nelze změřit, můžeme teoreticky odvodit ze vztahu: I = C*(dU/dt). V datasheetu se udává i tepelný odpor (°C/W) pro daný tvar kondenzátoru z čehož lze pak odvodit jaké oteplení způsobí daný ztrátový výkon. Dlouhodobější zvýšená teplota snižuje životnost kondenzátoru (trvalou změnu kapacity).
Velmi malý ztrátový činitel mívají slídové a fóliové kondenzátory.
Závislosti ztrátového činitele na teplotě a frekvenci:
Závislosti ztrátového činitele na stejnosměrném a střídavém napětí:
Impedance, frekvenční závislost:
Impedance kondenzátoru by se za ideálních podmínek řídila jen dle vztahu kapacitní reaktance. Ovšem pokud zvážíme parazitní sériový odpor ESR a vlastní parazitní indukčnost (indukčnost přívodních kontaktů, elektrod - u svitkových kondenzátorů i počet "závitů" elektrody) pak v závislosti na frekvenci získáme graf, kde se projeví všechny tyto složky a zjistíme tak důležitý paramter - vlastní rezonanční kmitočet, ve kterém se kapacitní a indukční složka vyruší, zbude pouze vliv ESR a za touto frekvencí se již kondenzátor chová jako tlumivka.
Kondeznátory s větší kapacitou mají rezonanční kmitočet nižší. To je důvod proč, se např. u spínaných zdrojů či jiných obvodů, kde potřebujeme odfiltrovat široké spektrum rušivých frekvencí používájí paralelně spojené různé typy kondenzátorů (např. elektrolytícký 470uF + elektrolytícký 10uF + keramický 100nF + keramický 1nF), kde elektrolyty akumulují větší náboj, ale nejsou již schopny projevit svou kapactiní vlastnost pro frekvence blížící se jeho rezonanční frekvenci, což ale zajistí keramické kondenzátory leč s menší kapacitou. Tedy elekorlyty se postarají o nižší rušivé frekvence a keramiky zas o ty vyšší (na těch nižších frekvencích je elektrolyt stíhá dobíjet).
Ostatní poznámky
- Skladovací podmínky (storage conditions) - jsou udávány poolené skladovací podmínky: teplotní rozsah, max. vlhkost, max. doba skaldování. Překročení těchto podmínek může vést k trvalému poškození (změně kapacity a dalších vlastností). Známý je jev kdy po dlouhém skladování se při prvním použití kondenzátoru sníží jeho svodový odpor a špičkově jim proteče příliš velký nabíjecí proud.
- Svodový proud (leakage current) - Je to proud, který parazitně prochází dielektrikem, zejména kvůli jeho defektům. Ekvivaletně se vyjadřuje jako rezistor zapojený paralelně ke kondenzátoru, někdy se používá pojem - izolační odpor. Po dlouhém skladování a prvním připojením napětí na takový kondenzátor bude sodvý proud dočasně mnohem větší, během této doby probíhá tzv. formování dielektrika nebo též "ozdravující" proces, jak je vidět z grafu:
- Maximální proudový/napětový impuls - rychlost změný napětí na kondenzátoru ovlivňuje velikost jeho špičkového proudu Ip, který je samozřejmně limitovaný kvůli vznikajícímu teplu Q. Takže se uvádí buď maximální rychlost změny napětí s časem, nebo tzv. charakteristický faktor Ko. Viz . následující vztahy:
- Životnost (lifetime) - je předpokládaná doba životnosti kondenzátoru, která závisí zejména na velikosti pracovního napětí, velikosti zvlněného proudu a provozní teplotě. Tyto závislosti určují tabulky, ze kterých lze pak odvodit jak se životnost změní. Obecně, čím menší provozní napětí, provozní teplota a zvlněný proud tím delší životnost.
Pískání kondenzátoru - obvykle se vysokofrekvenční zvuk ozýva z cívek, ale tento jev lze vnímat i u kondenzátorů v důsledku tzv. elektrostrikce (piezoelektrický jev pro dielektrika).Se změnou napětí kondenzátoru dochází ke změně pnutí (stahování a roztahování) materiálu dielektrika. Pokud se frekvence těchto změn pohybuje ve slyšitelném spektru a pokud je zvuk ještě zesílen třeba fyzickým kontaktem plochy kondenzátoru s deskou plošných spojů, pak může být zvuk slyšitelný velmi výrazně.
Povídá se, že elektrolytický kondenzátor pískáním oznamuje svůj konec :)
Použité zdroje (Links):
- ALUMINUM CAPACITORS Power Supplies - VMN-PL0359-1204
- MULTILAYER CERAMIC CHIP CAPACITORS - VMN-PL0441-1202