Tato prezentace byla vytvořena v rámci projektu Orbis pictus 21. století

Orbis pictus 21. století Kondenzátory I OB21-OP-EL-ZEL-JAK-U-1-007 Obor: Elektrikář Ročník: 1. Vypracovala: Ing. Ivana Jakubová OB21-OP-EL-ZEL-JAK-U-1-007 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky

Obsah prezentace: Co je to kondenzátor Ideální a reálný kondenzátor Katalogové údaje a jejich definice Náhradní schémata reálného kondenzátoru Ztrátový činitel tgδ

Co je to kondenzátor Kondenzátor (kapacitor) je pasivní setrvačná (akumulační) součástka elektrických obvodů, jejímž určujícím parametrem je kapacita. Kapacita C kondenzátoru je dána poměrem mezi nábojem Q a napětím U na kondenzátoru C = Q/U Jednotka kapacity je 1 farad, F. Pro běžné použití je příliš velká, proto se častěji užívá 1 μF (mikrofarad) = 10-6 F 1 nF (nanofarad) = 10-9 F 1 pF (pikofarad) = 10-12 F Základní schematická značka:

Náboj, proud a změny napětí na kondenzátoru Elektrický náboj běžně v obvodech nezjišťujeme. Proto je vhodné si uvědomit souvislost náboje s elektrickým proudem. Elektrický proud I je dán změnou náboje Q za časový interval t Q = I·t [coulomb; ampér, sekunda] C = Q/U [farad; coulomb, volt] C = (I· t )/ U [farad; ampér, sekunda, volt] Impedance kondenzátoru je frekvenčně závislá a u ideálního kapacitoru čistě imaginární, s nulovou reálnou složkou: Xc=1/(j2πfC) Kondenzátor je setrvačný, akumulační prvek. Akumuluje energii elektrického pole. Proud a napětí na kondenzátoru nejsou ve fázi (proud předbíhá napětí, u ideálního kapacitoru o 90°).

Ideální a reálný kondenzátor Ideální kondenzátor (např. v ideovém schématu nějakého zapojení) je plně popsán svou kapacitou, která je konstantní, nezávislá na velikosti napětí. Reálný kondenzátor má kromě kapacity ještě řadu dalších důležitých vlastností elektrických (např. ztrátový činitel, izolační odpor, …) i jiných (rozměry, uspořádání vývodů apod.). Základní nejdůležitější parametry bývají vyznačeny přímo na kondenzátoru, další jsou uvedeny v katalogu prodejce. Nejpodrobnější informace nalezneme v dokumentaci výrobce.

Katalogové údaje kondenzátorů jmenovitá (nominální) kapacita tolerance (v % jmenovité hodnoty) maximální napětí (jmenovité, provozní) ztrátový činitel tgδ, ekvivalentní sériový odpor izolační odpor, zbytkový proud teplotní a napěťový součinitel kapacity rozsah pracovních teplot dlouhodobá stabilita kapacity (vliv stárnutí) geometrické rozměry materiál případně další parametry

Jmenovitá hodnota a tolerance Jmenovitá hodnota kapacity je uvedena na kondenzátoru (nebo v katalogu). Tolerance t je povolená odchylka skutečné kapacity Cs kondenzátoru od jmenovité hodnoty C vyjádřená v % jmenovité hodnoty: t = 100∙ (Cs – C)/C Toleranční pásmo nemusí být symetrické (například -20% a +80%). U kondenzátorů malých kapacit se výrobní nepřesnost udává přímo v jednotkách kapacity (např. ±0,5pF). Vzhledem k větším výrobním tolerancím se kondenzátory vyrábějí většinou v řadě E6 a E12.

Změna kapacity kondenzátoru s teplotou a napětím Změnu kapacity s teplotou vyjadřuje teplotní součinitel kapacity. Je to relativní změna kapacity v % připadající na 1°C: αT = [(C1- C0)/C0·100] /(T1 - T0) Podobně změnu kapacity s přiloženým stejnosměrným napětím vyjadřuje napěťový součinitel kapacity jako relativní změnu kapacity připadající na 1V. Změny kapacity s teplotou a napětím bývají v dokumentaci výrobců často uvedeny v grafech (příklady z dokumentace výrobce pro keramické kondenzátory).

Jmenovité a provozní napětí Jmenovité napětí UR je nejvyšší napětí, které lze na kondenzátor připojit trvale za běžných pracovních podmínek (zejména teploty či frekvence). Bývá vyznačeno na kondenzátoru. Pro vyšší teploty nebo frekvence je dovoleno na kondenzátor připojit pouze provozní napětí nižší než jmenovité UR. Potřebné snížení provozního napětí vůči jmenovitému bývá v dokumentaci výrobců často uvedeno v grafech. Např. v uvedeném grafu výrobce udává pokles napětí o 1,25% na každý stupeň pro teploty nad + 85°C až do 100°C (maximální pracovní teplota tohoto typu kondenzátoru, při níž může kondenzátor trvale pracovat).

Následky nedodržení provozního napětí Je-li na kondenzátor přiloženo stejnosměrné i střídavé napětí, nesmí součet obou napětí v žádném okamžiku překročit napětí provozní. Překračování provozního napětí zkracuje životnost kondenzátoru. Příliš vysoké napětí může vést ke zničení kondenzátoru např. průrazem dielektrika nebo explozí. U elektrolytických kondenzátorů nesmí dojít ani krátkodobě k přepólování: stejnosměrná složka přiloženého napětí musí být vždy větší než maximální hodnota střídavého napětí. Přepólování elektrolytického kondenzátoru může způsobit tak velký vývin plynu uvnitř kondenzátoru, že součástka exploduje.

Izolační odpor kondenzátoru je odpor mezi vývody kondenzátoru měřený při stejnosměrném proudu a určité teplotě, např. 20°C. Je dán zejména nenulovou vodivostí dielektrika a izolací elektrod kondenzátoru. Jeho typické hodnoty jsou několik desítek tisíc megaohmů až několik set megaohmů (tedy řádově 1010 až 108 ohmů). Izolační odpor kondenzátoru má být co největší. Nízký izolační odpor způsobuje, že náboj nabitého kondenzátoru se snižuje – kondenzátor se vybíjí. Pro větší nominální hodnoty kapacit se někdy udává časová konstanta jako součin hodnoty kapacity a izolačního odporu. τ=C Rp [sekunda; ohm, farad] S rostoucí teplotou se izolační odpor snižuje (zhoršuje), protože vodivost dielektrika s teplotou roste. U elektrolytických kondenzátorů se izolační odpor neměří.

Zbytkový proud kondenzátoru U elektrolytických kondenzátorů je důležitým provozním parametrem je tzv. zbytkový proud, který kondenzátorem protéká i při trvalém připojení pouze na stejnosměrné napětí. Maximální přípustné hodnoty zbytkového proudu v zá-vislosti na hodnotě kapacity a napětí a pro určitý čas po připojení napětí (např. 1 minuta, 5 minut – bezprostředně po připojení napětí bývá větší) uvádí výrobce v katalogu. Běžné hodnoty IR≤ (0,03÷0,01)CU nebo několik μA. Průchod zbytkového proudu je potřebný pro udržování a regeneraci dostatečné tloušťky dielektrické oxidové vrstvy.

Ztráty v reálném kondenzátoru: U ideálního (bezeztrátového) kondenzátoru je fázový posun mezi napětím a proudem 90° (π/2 rad, proud předbíhá před napětím). U reálného kondenzátoru je fázový posuv mezi napětím a proudem menší o úhel δ. Tangens uhlu δ se nazývá ztrátový činitel tg δ. Příčinou neideálního chování kondenzátoru jsou ztráty jednak v dielektriku, jednak na odporech elektrod a přívodů. Fyzikální podstatu ztrát je možno vyjádřit náhradním schématem v podobě sériové nebo paralelní kombinace ideálního kapacitoru a rezistoru. Ačkoli hodnoty odporů v obou náhradních schématech se liší o mnoho řádů, ztrátový činitel tg δ je na volbě náhradního schématu nezávislý. V praxi se tg δ zjišťuje měřením a zahrnuje všechny mechanismy ztrát.

Ztrátový činitel tgδ: paralelní náhradní schéma Paralelní náhradní schéma se hodí zejména pro kondenzátory s méně kvalitním dielektrikem, kde převažují ztráty v dielektriku (vodivostní, polarizační). Ztrátový činitel je poměr mezi odporovou a kapacitní složkou admitancí v paralelním náhradním schématu reálného kondenzátoru: tgδ = 1/(2πf CpRp) Ztráty v dielektriku jsou víceméně nezávislé na frekvenci, proto také tg δ vyjádřený z paralelního náhradního schématu s frekvencí klesá (ωCp s frekvencí roste, 1/Rp se nemění).

tgδ v sériovém náhradním schématu Sériové náhradní schéma se hodí zejména pro kondenzátory s velmi kvalitním (prakticky bezeztrátovým) dielektrikem, kde převažují ztráty na odporech přívodů a elektrod. Ztrátový činitel je poměr mezi odporovou a kapacitní složkou impedancí v sériovém náhradním schématu reálného kondenzátoru: tgδ = 2πf CsRs Tato složka ztrát je úměrná kvadrátu frekvence, tg δ vyjádřený ze sériového náhradního schématu s frekvencí lineárně roste. U kondenzátorů pro vysoké frekvence je proto nutno velmi dbát na co nejmenší odpor elektrod, kontaktů i přívodů.

Ekvivalentní sériový odpor ESR Ztráty reálného kondenzátoru se někdy popisují také pomocí ekvivalentního sériového odporu ESR = Rs. Ztrátový činitel tgδ se dá změřit, ekvivalentní sériový odpor ESR ne (není to skutečný prvek obvodu, ale jen parametr náhradního schématu). ESR je možné z tgδ vypočítat: ESR = tgδ /(2πfC). ESR se udává v katalogu zejména u kondenzátorů pro impulzní a vysokofrekvenční aplikace, a to při určité pracovní frekvenci (např. 100 kHz). U kvalitních impulzních kondenzátorů se hodnota ESR pohybuje v jednotkách až desítkách miliohmů (řádově 10-3 až 10-2 ohmů).

Ztrátový činitel tgδ: tgδ je dán zejména druhem dielektrika a provedením kondenzátoru. Čím je tgδ nižší, tím je kondenzátor kvalitnější. Obvyklé hodnoty jsou řádu 10-6 (vzduchové) až 10-1 (hliníkové elektrolytické). tgδ závisí na frekvenci i teplotě, často nelineárně. V katalogu se uvádí tgδ obvykle pro jednu nebo několik frekvencí (např. 1 kHz, případně další) nebo je uveden graf. tgδ se zhoršuje zvýšenou teplotou, vlhkostí a stárnutím konden-zátoru. Kondenzátory s vyššími hodnotami tgδ se nehodí zejména pro použití na vysokých kmitočtech, v impulzních aplikacích nebo tam, kde je důležitá přesná hodnota rezonanční frekvence a vysoký činitel jakosti rezonančního obvodu.

Děkuji Vám za pozornost Střední průmyslová škola Uherský Brod, 2010 Ing. Ivana Jakubová Střední průmyslová škola Uherský Brod, 2010 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky