Začínáme s elektronikou IV - kondenzátory

V první části seriálu jsme se podívali na zdroje energie a základní pojmy z oblasti elektroniky, které musí každý bezpodmínečně znát.
Ve druhé části jsme si představili pevné rezistory a ve třetí zase pro změnu rezistory proměnné.

Dnes si řekneme, co jsou to Kondenzátory.

Kondenzátory - základní informace

Kondenzátor je elektronická součástka, mající schopnost shromažďovat v sobě elektrický náboj. Této vlastnosti (pojmout a udržet elektrický náboj) se říká kapacita a značí se velkým C.

Různé druhy kondenzátorů

Nejjednodušší kondenzátor - schématická značka kondenzátoru

Kondenzátorů je spousta druhů, ale všechny vycházejí ze stejného základního uspořádání. V nejjednodušším případě je kondenzátor tvořen dvěma vodivými deskami (jako je na obrázku vlevo), jindy zase několika dvojicemi desek. Tyto desky jsou v těsné blízkosti u sebe, avšak stále odděleny izolační vrstvou (ta zajišťuje, aby elektrický proud nepřecházel z jedné desky na druhou). Izolační vrstvě říkáme dielektrikum a desky často nazýváme elektrodami.
Nejjednodušší kondenzátor tvoří dvě desky oddělené izolantem - když se to takto nakreslí, vznikne nám vlastně schématická značka kondenzátoru.

Svitkový kondenzátor a jeho složení

Tyto elektrody jsou většinou vyrobeny z velmi slabého plátu hliníku, slabého jako alobal nebo ještě slabšího. A to proto, že desky elektrod musí mít velkou plochu, ale rozměr kondenzátoru přitom zůstane malý. Trochu neúměrné, že? Ale jde to. Viz obrázek vpravo, kde je zobrazeno schéma svitkového kondenzátoru. Pravda elektrody už nejsou desky, ale jakési uzounké pásky z hliníkové fólie. Ty se stočí do válečku a celé se to zalije do plastu. Ke každé pásce (desce) vede vodič.

Keramický kondenzátor

Nicméně existují i kondenzátory složené ze dvou desek (tedy spíš destiček). Jsou to tzv. keramické kondenzátory čtvercového nebo kruhového tvaru, kde dielektrikem je keramika. Keramický kondenzátor tvoří keramická destička, která je z obou stran pokovená. K těmto pokoveným vrstvám jsou připájeny kovové vývody kondenzátoru.

Dielektrika ale mohou být různá:

• slída,
• papír,
• polyester,
• keramika,
• styroflex,
• vzduch.

Princip otočného vzduchového kondenzátoru a jeho značka

A stejně tak se vyrábí i desítky různých druhů kondenzátorů s různými vlastnostmi. Třeba vzduchové kondenzátory mohou být pevné, nebo otočné, tzv. ladicí - viz obrázek. Tím jak se desky rotoru zasouvají otáčením mezi desky statoru, mění se kapacita kondenzátoru. Tyto se využívají v radiotechnice pro ladění frekvencí. Jejich nevýhodou je ale velikost, kdy mohou být dlouhé i desítky centimetrů. Proto se v současnosti vyrábí ladicí kondenzátory malé, kde dielektrikum je nějaký plast.

U všech kondenzátorů platí, že čím jsou desky větší a blíže u sebe, tím je kapacita větší a samozřejme to platí i obráceně, že čím jsou desky menší a dál od sebe, tím je kapacita kondenzátoru menší.

Způsob polarizace dielektrika

Když ke kondenzátoru připojíme napětí, jako na obrázku vlevo, nastane zvláštní stav. Atomy dielektrika se polarizují - zjednodušeně to vypadá tak, že záporné atomy dielektrika se hrnou ke kladné elektrodě, zatímco ty kladné přitahuje zase záporná elektroda. To se stane po připojení zdroje napětí.

Říkáme tomu, že se kondenzátor nabil ≡ v kondenzátoru se nashromáždil elektrický náboj.

Rozdělení kondenzátorů podle velikosti kapacity

Kondenzátory lze podle kapacity rozdělit do tří množin:

1. pF (pikofarad) - na kondenzátorech je značí jen samotné číslo (někdy tam může být i malé p),
2. nF (nanofarad) - na kondenzátorech je u čísla ještě písmeno n nebo nF, hodnoty bývají ≥ 1n a zároveň < 0,5 µF,
3. µF (mikrofarad) - na kondenzátorech je písmeno µ nebo µF, patří sem všechny s tímto označením, tedy větší než 0,5 µF.

Kromě kapacity tam může být ještě i písmeno, které značí toleranci, tedy dovolenou odchylku od vyznačené hodnoty:

• N - značí ± 30%
• M - značí ± 20%
• K - značí ± 10%
• J - značí ± 5%
• G - značí ± 2%

Podrobněji jsem to probíral v článku o značení keramických kondenzátorů, proto to zde už nebudu rozebírat do podrobna.

Schéma ke kontrolní otázce

Na obrázku vlevo je schéma zapojení kondenzátoru v elektronickém obvodu společně s LED, ochranným rezistorem a zdrojem stejnosměrného napětí - baterií s napětím 4,5 V (plochá baterie nebo 3 monočlánky v sérii). K obrázku se váže kontrolní otázka z boxu níže...

Kontrolní otázka: Prochází proud kondenzátorem?
Vzhledem k tomu, že mezi elektrodami kondenzátoru je dielektrikum (tedy izolant), tak si můžeme zapamatovat, že stejnosměrný proud kondenzátorem neprochází. Kondenzátor tedy přerušuje obvod stejnosměrného proudu. LED v obvodu z obrázku nad boxem nebude tedy svítit.

Elektrolytický kondenzátor

Jak jsem už zmínil o něco výše, vrstva mezi elektrodami musí být co nejtenčí, aby kapacita byla co největší. Žádné z výše uvedených dielektrik toto nesplňuje. Existuje ale jedno dielektrikum, které je opravdu velmi tenké - a tím je kapacita kondenzátorů velká až obrovská. Toto dielektrikum tvoří oxid kovu, který vzniká chemicky pomocí elektrolytu. Jak nám to ostatně říká i název kondenzátoru - elektrolytický.
Vedle výhody je tu i nevýhoda. Izolační vrstvička se snadno zničí vyšším napětím, takže i celý kondenzátor se odebere do křemíkového nebe. Když si ale dáme pozor a všimneme si, jaké maximální napětí je na kondenzátoru uvedeno a toto nepřekročíme, bude kondenzátor sloužit do konce své životnosti.

Elektrolytický kondenzátor

Také si musíme dávat pozor na vývody elektrolytického kondenzátoru. Na rozdíl od keramických a ostatních kondenzátorů, kterým je jedno, jak je do obvodu připojíme, elektrolytický kondenzátor musíme zapojit správně dle polarizace. Jeden vývod je označen +, je to tedy kladný pól, a jako takový jej zapojujeme na kladnou větev obvodu. V případě, že kondenzátor má hliníkový obal, bývá záporný pól spojený vodivě s obalem kondenzátoru.

Na obrázku vlevo je elektrolytický kondenzátor a) hliníkový se souosými (axiálními) vývody, b) tantalový so plošných spojů s pevným dielektrikem, c) hliníkový do plošných spojů s radiálními vývody.

U elektrolytického kondenzátoru nesmíme překročit maximální dovolené napětí na kondenzátoru. A musíme vždy správně zapojit kladný a záporný pól. Při opačném zapojení do obvodu dojde ke zkratu, protože se poruší dielektrikum kondenzátoru.

Zvláštní skupinu tvoří tantalové kondenzátory. Vynikají malými rozměry, velkou spolehlivostí a malými hodnotami zbytkového proudu. Ve střídavých obvodech jsou schopny pracovat s mnohem vyššími kmitočty než hliníkové kondenzátory.

Schéma zapojení elektrolytického kondenzátoru

My se zase vrátíme k našemu obvodu, kde kondenzátor nahradíme jiným s mnohem větší kapacitou - zde 220 µF. Na kondenzátoru je označení 10V, takže může pracovat v obvodu kde je až takovéto elektrické napětí. Elektrolytický kondenzátor zapojíme dle schématu. Po připojení baterie LED krátce zasvítí a pak zhasne -> zaznamenala tak krátké trvání nabíjecího proudu. To že je kondenzátor nabitý ověříme jeho odpojením z obvodu a přiložením vývodů ke svému jazyku. Trochu nás štípne vybíjecí proud kondenzátoru. Nebo jeho vývody můžeme po odpojení zkratovat, nabití je indikováno přeskočivší jiskrou. Při pokusech je ale lepší kondenzátory vybíjet např. pomocí žárovky.

Čím větší kapacita kondenzátoru, tím větší je nabíjecí a vybíjecí proud. A naopak, čím menší kapacita, tím je nabíjecí a vybíjecí proud menší.

Dielektrikum je sice izolant, nicméně u elekrolytického kondenzátoru platí, že se samovolně vybíjí, takže po nějaké době na něm nebude žádný náboj.

Pokud je kondenzátor málo používán, náboj je vždy menší, než u kondenzátoru, který je často nabíjen a vybíjen. Tomu říkáme, že se kondenzátor zformoval.

V elektrolytických kondenzátorech po vybití bývá tzv. zbytkový proud. Ten pomáhá udržovat vrstvičku dielektrika. Čím je zbytkový proud menší, tím je kondenzátor kvalitnější a tím se také pomaleji sám vybíjí.

Paralelní a sériové zapojování kondenzátorů

Stejně jako baterie a rezistory, můžeme i kondenzátory zapojovat paralelně nebo sériově.

Schéma paralelního zapojení

Na obrázku vlevo je paralelní zapojení dvou kondenzátorů o kapacitě 500 µF (do obvodu jsme si ještě doplnili spínač Sp1). Samozřejmě musíme dodržet polaritu kondenzátorů. Po sepnutí spínače nám LED opět problikne, během nabíjení kondenzátorů. Na rozdíl od jednoho kondenzátoru s kapacitou 500 µF se nám v tomto obvodu kapacita zdvojnásobila. Proto nabíjení kondenzátorů trvá delší dobu.

Matematicky se to zapisuje takto: \[ {C} =\ {C1} + {C2} \]

Při paralelním zapojení kondenzátorů se výsledná kapacita zvětší a je tedy rovna součtu kapacit obou kondenzátorů. Není nutné, aby kondenzátory měly oba stejou kapacitu - i při různých kapacitách se obvod chová stejně, tedy výsledná kapacita bude součet obou.

Schéma sériového zapojení

Na tomto obrázku vpravo je pro změnu zase sériové zapojení dvou kondenzátorů. Opět budou mít oba stejnou kapacitu jako v přechozím případě. Po zapnutí spínače bude bliknutí LED výrazně kratší.
Proč? -> Při sériovém zapojení kondenzátorů o stejné kapacitě se výsledná kapacita zmenší na polovinu kapacity jednoho kondenzátoru.

Tato zásada platí při sériovém zapojení pro všechny druhy kondenzátorů.

U elektrolytických kondenzátorů je opravdu potřeba hlídat polaritu kondenzátoru v obvodu. Když jej zapojíme opačně, nejen že zničíme samotný kondenzátor, ale zkratujeme i další součástky, které se tímpádem mohou zničit.

To by asi dnes stačilo, přístě se podíváme na magnetické pole a indukčnosti.