Kondenzátor (elektrotechnika)

Kondenzátor je elektronická súčiastka, ktorej prevažujúca vlastnosť je jej elektrická kapacita.

V zásade vždy ide o dve elektródy s vloženým dielektrikom, ale v závislosti od detailov konštrukcie kondenzátora sa za rôznych podmienok prejavujú ich nežiadúce (parazitné) vlastnosti (napr. sériový odpor, zvod, indukčnosť, teplotné závislosti, zmeny vlastností v čase, nelinearita kapacity (závislosť od napätia) atď.). Kvôli tomuto sa vyrába množstvo rôznych typov kondenzátorov a je potrebné vždy vybrať vhodný typ podľa typu aplikácie (samozrejme s prihliadnutím aj na cenu a rozmery).

Princíp kondenzátora 
Kondenzátor sa skladá z dvoch vodivých dosiek oddelených dielektrikom. Na každú z dosiek sa privádzajú elektrické náboje opačnej polarity, ktoré sa vzájomne priťahujú elektrickou silou. Dielektrikum medzi doskami nedovolí, aby sa častice s nábojom dostali do kontaktu, a tým došlo k vybitiu elektrického náboja.

Označovanie kondenzátorov 

Hodnoty vlastností kondenzátora bývajú vyznačené na tele kondenzátora.
 Kapacita býva označená priamo vo Faradoch, napr. 470 uF, t.j. 0,000 47 F, pokiaľ to veľkosť kondenzátora dovolí. Niekedy sa predpona použije miesto desatinnej čiarky. Napríklad 2n2 znamená hodnotu 2,2nF. 
 Pri menších telesách sa môžeme stretnúť s trojciferným označením, kde prvé dvojčíslie predstavuje hodnotu kapacity v pikofaradoch, ktorú treba vynásobiť číslom 10 umocneným na tretiu cifru. Pokiaľ je na označenie použitá dvojica cifier, hodnota je priamo v pikofaradoch. 
Napríklad 564 znamená 56 x 104 pF= 560 000 pF = 560 nF.
Písmeno za trojcifrou znamená triedu tolerancie. Napríklad K znamená toleranciu 10 pF + 10% nominálnej hodnoty.

 Prevádzkové napätie pre ktoré je kondenzátor určený.
 Polarita vývodov pri polárnych kondezátoroch (v súčasnosti väčšina elektrolytických kondenzátorov).

Typy kondenzátorov (konštrukcia, vlastnosti, použitie)

Elektrolytické

Konštrukcia 
Medzi dve hliníkové fólie (elektródy) je vložený pijavý materiál (papier) napustený elektrolytom. Dielektrikom je zlúčenina hliníka ktorá vznikne na povrchu elektródy vplyvom elektrolytu.
Celok je zrolovaný a vložený do valcového hliníkového puzdra s dvomi vývodmi (jeden vývod je pripojený priamo na puzdro /platí iba pre nižšie napätia/).

Vlastnosti 
 pomerne vysoké kapacity aj 70 F (ale iba pre nízke napätia – obyčajne 2,2 V)
 potreba jednosmernej polarizácie (niektoré typy zvládnu malú striedavú záťaž)
 pomerne nízka cena
 pomerne vysoké zvodové prúdy
 pomerne veľké parazitné javy (sériový odpor a indukčnosť). Tieto vlastnosti sa dajú znížiť zvláštnou konštrukciou (vyššia cena). Takéto typy sa označujú „low ESR“ (ESR=Equivalent Series Resistance) a používajú sa v spínaných zdrojoch
 tendencia vysychať po dlhšej prevádzke, a tým meniť resp. stratiť kapacitu
 životnosť veľmi závisí od teploty okolia, pre kondenzátor pri max. teplote (85 °C alebo 105 °C) môže byť iba 2 000 hodín, ale pri znížení teploty okolia Ta na polovicu maximálnej stúpa životnosť až na 250 000 hodín a viac
 nesprávne zapojenie polarity poškodí súčiastku

Typické rozsahy hodnôt 
 kapacity 100 nF –  2,7 F (s rastúcou kapacitou rastie rozmer, platí najmä pre vyššie napätia)
 napätia 6 V – 600 V (špeciálne aj viac) (s rastúcim napätím rastie rozmer)
 teplotné rozsahy bežne od −40 °C do 85 °C, drahšie do 105 °C

Typické aplikácie 
 filtrovanie jednosmerného napájacieho napätia
 oddelenie jednosmernej zložky v NF obvodoch
 malé kapacity sa využívajú na odstránenie vysokých frekvencií

Tantalové 
Modifikácia elektrolytických kondenzátorov, dielektrikom je vrstva oxidu tantalu na tantalovej elektróde.

Vlastnosti 
 pomerne vysoké kapacity
 absolútna potreba jednosmernej polarizácie, neznášajú ani najmenšie prepólovanie a ani prepätia (explodujú)
 výrazne menšie (až zanedbateľne malé) zvodové prúdy
 vyššia cena než majú elektrolytické

Typické rozsahy hodnôt 
 kapacity 1 μF – 4700 μF
 napätia 5,5 V – 400 V
 priemer  – 
 výška  –

Typické aplikácie 
 filtrovanie jednosmerného napájacieho napätia v miestach, kde je potrebný malý zvod (napr. batériou napájané prístroje)

Keramické

Konštrukcia 
Tenký plát keramického dielektrika je potiahnutý z dvoch strán kovovou vrstvou (elektródy). Celok je po pripevnení kontaktov zaliaty do izolačnej hmoty.

Používa sa široký rozsah keramických hmôt, v závislosti od nich sú aj ostatné vlastnosti. Vo všeobecnosti ide o hmoty s vysokou permitivitou pre kondenzátory s väčšími kapacitami, ktoré sú však silne nelineárne a hodia sa len pre filtračné účely; alebo naopak ide o keramiku s nízkou permitivitou, ale dobrými elektrickými vlastnosťami.

Vlastnosti 
 bipolárne
 malé rozmery
 relatívne lacné
 malé (zanedbateľné) zvodové prúdy
 nemajú určenú polaritu

Vysoké kapacity 
 silne nelineárne
 veľká tepelná závislosť
 vhodné len pre filtrovanie jednosmerného napájania

Typické rozsahy hodnôt 
 napätia 10 V – 600 V

Nízke kapacity 
 kapacity 1 pF – 1 nF

Vysoké kapacity 
 kapacity 1 nF – 100 nF

Typické aplikácie

Nízke kapacity 
 vysokofrekvenčné obvody
 RC siete v NF obvodoch
 filtrovanie VF zložiek signálov a napájacích napätí

Vysoké kapacity 
 filtrovanie jednosmerného napájacieho napätia

Fóliové

Konštrukcia 
Dielektrikum – fólia z vhodného plastu je umiestnená medzi dvomi kovovými fóliami – elektródami – a zvinutá do tvaru valca, kvádra...

Vlastnosti 
 dobrá linearita
 dobrá tepelná (ne)závislosť
 dobrá časová stabilita
 vyššie parazitné vlastnosti (indukčnosť)
 dobré vysokonapäťové vlastnosti
 väčšie rozmery
 vyššia cena
 rovnaká funkcia ako keramické, ale fóliové majú menšie výkyvy

Typické rozsahy hodnôt 
 100 pF – 1 μF
 10 V – 1 000 V

Typické aplikácie 
 precízne NF filtre
 oddelenie jednosmernej zložky v NF obvodoch

Premenlivé

Mechanické 
Kapacita sa dá meniť obvykle otáčaním. Konštrukciou sú to dve elektródy prípadne sústava elektród v polkruhovom tvare, ktoré sa otáčaním pohyblivej časti zasúvajú medzi seba, zväčšujú tak plochu a tým kapacitu. Delia sa na: 
 vzduchové
 s dielektrikom
Typicky ide o ladenie v rozsahu jednotiek či desiatok pF.

Varikapy 
Sú to v podstate diódy, ktoré sa používajú v závernom smere. V závernom smere sa totiž dióda správa ako kondenzátor. Kapacita sa ladí potom napätím. Čím väčšie napätie, tým menšia kapacita.

Kapacita sa dá zhruba vyjadriť:

Alebo ako C=Q/U
Q – elektrický náboj
U – je napätie, na ktoré je pripojený kondenzátor

kde k je koeficient, čo závisí od konštrukcie diódy (pri obyčajných diódach menší ako pri varikapoch).

Modelovanie a simulácia

Ideálny kondenzátor 
U platňových kondenzátorov je možné vyjadriť kapacitu C ako závislosť plochy platní S, ich vzájomnej vzdialenosti d a permitivity prostredia medzi nimi ε:

Pričom na platňu s kapacitou C je možné uložiť náboj Q:

Jednotkou kapacity v sústave SI je farad:

Reálny kondenzátor 
Reálny kondenzátor sa dá vyjadriť modelom ako na obrázku. C je vlastná kapacita, Rleakage izolačný odpor dielektrika, RESR sériový odpor a LESL indukčnosť prívodov.

Referencie

Iné projekty 

Elektronika
Elektrické súčiastky