Jak funguje kondenzátor jednoduchými slovy?
Kondenzátor je po rezistoru druhou nejoblíbenější rádiovou součástkou. Je důležitý a nenahraditelný, podílí se na generování signálu a filtrování výkonu. Ale zpočátku byl úplně prvním kondenzátorem Leydenská nádoba, která byla vynalezena v roce 1745. Od té doby se kondenzátory staly nedílnou součástí elektroniky.
Obecný koncept
Kondenzátor se skládá ze dvou vodivých desek a dielektrika mezi nimi. A je to, nic víc. Vypadá to jako jednoduchá rádiová součástka, ale funguje jinak na vysokých a nízkých frekvencích.
Na obrázku vyznačeno dvěma rovnoběžnými čarami. 
Princip činnosti
Tato rádiová součástka dobře demonstruje jev elektrostatické indukce. Podívejme se na to na příkladu.
Pokud ke kondenzátoru připojíte zdroj konstantního proudu, pak se v počátečním okamžiku začne proud hromadit na deskách kondenzátoru. K tomu dochází v důsledku elektrostatické indukce. Odpor je prakticky nulový.
Elektrické pole v důsledku elektrostatické indukce přitahuje opačné náboje ke dvěma protilehlým deskám. Tato vlastnost hmoty se nazývá kapacita. Všechny materiály mají kapacitu. A to i pro dielektrika, ale pro vodiče je to mnohem větší. Proto jsou desky kondenzátoru vyrobeny z vodiče.
Čím větší kapacita, tím více nábojů se může nahromadit na deskách kondenzátoru, tzn. elektrický proud.
Hlavní vlastností kondenzátoru je kapacita. Záleží na ploše desek, vzdálenosti mezi nimi a dielektrickém materiálu, který vyplňuje prostor mezi deskami.
Jak se hromadí náboje, pole začíná slábnout a odpor se zvyšuje. Proč se to děje? Na deskách je stále méně místa, stejně jako náboje na nich působí na sebe a napětí na kondenzátoru se rovná zdroji proudu. Tento odpor se nazývá reaktivní nebo kapacitní. Záleží na frekvenci proudu, kapacitě rádiových součástek a vodičů.
Když na deskách nezbude místo pro elektrický proud, proud v obvodu se zastaví. Elektrostatická indukce zmizí. Nyní zde zůstává elektrické pole, které drží náboje na svých deskách a nepustí je. A elektrický proud nemá kam jít. Napětí na kondenzátoru se bude rovnat emf (napětí) zdroje proudu.
Co se stane, když zvýšíte EMF (napětí) zdroje proudu? Elektrické pole začne vyvíjet stále větší tlak na dielektrikum, protože na deskách už není místo. Pokud však napětí na kondenzátoru překročí povolené limity, dielektrikum se rozbije. A kondenzátor se stane vodičem, náboje se uvolní a obvodem bude protékat proud. Jak potom použít kondenzátor pro vysoká napětí? Můžete zvětšit velikost dielektrika a vzdálenost mezi deskami, ale tím se sníží kapacita součásti.
Mezi deskami je dielektrikum, které brání průchodu stejnosměrného proudu. To je právě bariéra stejnosměrného proudu. Protože konstantní proud vytváří také konstantní napětí. A konstantní napětí může vytvořit elektrostatickou indukci pouze tehdy, když je obvod uzavřený, tedy když se kondenzátor nabíjí.
Tímto způsobem může kondenzátor ukládat energii, dokud se k němu nepřipojí spotřebitel.
Kondenzátor a stejnosměrný obvod
Doplníme do schématu žárovku. Svítí pouze při nabíjení.
Další důležitou vlastností je, že když dojde k procesu nabíjení proudu, napětí za proudem zaostává. Zdá se, že napětí dohání proud, protože při nabíjení se odpor plynule zvyšuje. Elektrickým nábojům chvíli trvá, než se dostanou k deskám kondenzátoru. Toto je doba nabíjení. Záleží na kapacitě, frekvenci a napětí.
Jak se nabíjí, světlo začne svítit slabší.
Při plném nabití kontrolka zhasne.
Stejnosměrný elektrický proud neprochází kondenzátorem, dokud není nabitý.
AC obvod
Co když změníte polaritu na aktuálním zdroji? Poté se kondenzátor začne vybíjet a znovu nabíjet, když se změní polarita zdroje.
Elektrostatická indukce probíhá neustále, pokud je elektrický proud střídavý. Pokaždé, když proud začne měnit svůj směr, začíná proces nabíjení a vybíjení.
Proto kondenzátor prochází střídavým elektrickým proudem.
Čím vyšší frekvence, tím nižší je reaktanční (kapacitní) odpor kondenzátoru.
Účel a funkce kondenzátorů
Kondenzátor hraje obrovskou roli v analogové i digitální technologii. Jsou elektrolytické a keramické a liší se svými vlastnostmi, nikoli však celkovou koncepcí. Příklady použití:
- Filtruje vysokofrekvenční rušení;
- Snižuje a vyhlazuje pulsace;
- Rozděluje signál na konstantní a proměnné složky;
- Akumuluje energii;
- Lze použít jako referenční napětí;
- Vytváří rezonanci s induktorem pro zesílení signálu.
Příklady použití
V zesilovačích se obvykle používají k ochraně subwooferů, filtrování výkonu, tepelné stabilizaci a oddělení stejnosměrných a střídavých složek. A ty elektrolytické v autonomních obvodech s mikrokontroléry mohou díky své velké kapacitě dodávat energii na dlouhou dobu.
V tomto obvodu je tranzistor VT1 neustále otevřen, aby zesílil zvuk bez zkreslení. Pokud se ale vstup zasekne nebo do něj teče stejnosměrný proud, tranzistor se otevře, přejde do saturace a přehřeje se. Abyste tomu zabránili, potřebujete kondenzátor. C1 umožňuje oddělit konstantní složku od proměnné. Střídavý signál snadno přechází do báze tranzistoru, ale konstantní signál nikoliv.
C2 spolu s rezistorem R3 plní funkci tepelné stabilizace. Když zesilovač běží, tranzistor se zahřívá. To může způsobit zkreslení signálu. Rezistor R3 proto pomáhá udržovat pracovní bod při zahřívání. Ale když je tranzistor studený a stabilizace není nutná, odpor může snížit výkon zesilovače. Proto přichází do hry C2. Vede zesílený signál přes sebe pomocí bočníku rezistoru, čímž nesnižuje jmenovitý výkon obvodu. Pokud je jeho kapacita nižší než navržená, začne do výstupního signálu vnášet fázové zkreslení.
Aby schéma dobře fungovalo, dobrá výživa je nutností. Když obvod spotřebovává více proudu při špičkových hodnotách, je to vždy velká zátěž pro napájecí zdroj. C3 filtruje rušení napájení a pomáhá snižovat zátěž. Čím větší kapacita, tím lepší zvuk, ale do určitých hodnot vše závisí na obvodu.
A napájecí zdroje používají stejný princip jako v předchozím schématu napájení, ale zde je potřeba mnohem více kapacity. V tomto obvodu může být kapacita elektrolytu buď 1000 μF nebo 10 000 μF.
K diodovému můstku můžete paralelně zapojit i keramické kondenzátory, které obvod obejdou od vysokofrekvenčního rušení a šumu ze sítě 220 V.
Fázové zkreslení
Kondenzátor může zkreslit fázi střídavého signálu. K tomu dochází v důsledku nesprávného výpočtu kapacity, celkového odporu a interakce s ostatními rádiovými součástmi. Neměli bychom zapomínat, že jakákoli rádiová součástka má jak reaktivní, tak aktivní odpor.
V současné době téměř neexistují elektronické obvody, které by neobsahovaly takový prvek jako kondenzátor. Kondenzátory jsou spolu s rezistory a induktory hlavními pasivními součástkami, které používáme v elektronice. V této lekci se naučíme, co je to kondenzátor, jak funguje, a podíváme se na některé základní příklady jeho aplikací.
Také na našem webu si můžete přečíst článek o různých typech kondenzátorů.
Co je to kondenzátor?
Kondenzátor je zařízení, které dokáže ukládat energii ve formě elektrického náboje. Ve srovnání se stejnou velikostí baterie může kondenzátor uložit mnohem méně energie, asi 10 000krát méně, ale stále je užitečný pro mnoho obvodů. V poslední době se však aktivně vyvíjejí komponenty, jako jsou superkondenzátory, jejichž hustota akumulace energie je mnohem vyšší než u konvenčních kondenzátorů.
Konstrukce kondenzátoru
Kondenzátor se skládá ze dvou kovových desek oddělených izolačním materiálem zvaným dielektrikum. Desky jsou vodivé a jsou obvykle vyrobeny z hliníku, tantalu nebo jiných kovů a dielektrikum může být vyrobeno z jakéhokoli izolačního materiálu, jako je papír, sklo, keramika nebo cokoliv jiného, co brání průchodu proudu.
Kapacita kondenzátoru, měřená ve faradech, je přímo úměrná ploše dvou desek a také dielektrické konstantě ε dielektrika, přičemž čím menší je vzdálenost mezi deskami, tím větší je kapacita. Podívejme se nyní, jak funguje kondenzátor.
Jak funguje kondenzátor?
Za prvé, můžeme si všimnout, že kov má obvykle stejný počet kladně a záporně nabitých částic, což znamená, že je elektricky neutrální.
Pokud připojíte zdroj energie nebo baterii ke kovovým deskám kondenzátoru, proud se pokusí protékat nebo se elektrony z desky připojené ke kladnému pólu baterie začnou přesouvat na desku připojenou k zápornému pólu baterie. Kvůli přítomnosti dielektrika mezi deskami však elektrony nebudou schopny projít kondenzátorem a začnou se hromadit na desce.
Jakmile se na desce nashromáždí určitý počet elektronů, baterie nebude mít dostatek energie k tomu, aby přitlačila jakékoli nové elektrony směrem k desce kvůli odpudivé síle elektronů, které tam již jsou.
V tomto okamžiku je kondenzátor prakticky plně nabitý. První deska vytvořila čistý záporný náboj a druhá deska vytvořila stejně čistý kladný náboj, čímž se mezi nimi vytvořilo atraktivní elektrické pole, které drží náboj na kondenzátoru.
Princip činnosti dielektrika kondenzátoru
Podívejme se, jak může dielektrikum zvýšit kapacitu kondenzátoru. Dielektrikum obsahuje molekuly, které jsou polární, což znamená, že mohou měnit svou orientaci v závislosti na nábojích na dvou deskách. To zarovná molekuly s elektrickým polem způsobem, který umožňuje, aby bylo více elektronů přitahováno k záporné desce a odtlačováno více elektronů od kladné desky, což zvyšuje náboj, který může kondenzátor uložit.
Jakmile je tedy kondenzátor plně nabitý, vyjmeme-li baterii, bude držet elektrický náboj po dlouhou dobu a bude fungovat jako zařízení pro ukládání energie.
Nyní, když zkrátíme dva konce kondenzátoru přes zátěž, proud začne protékat zátěží. Nahromaděné elektrony z první desky se začnou přesouvat na druhou desku, dokud se obě desky opět nestanou elektricky neutrálními.
Toto je základní pracovní princip kondenzátoru, nyní se podívejme na některé příklady jeho použití.
Aplikace kondenzátorů
Přemosťovací kondenzátory
Oddělovací kondenzátory nebo jinak známé přemosťovací kondenzátory se často používají s integrovanými obvody (IC) a jsou umístěny mezi napájecím zdrojem a zemí integrovaného obvodu.
Jejich úkolem je odfiltrovat jakýkoli šum v napájecím zdroji, jako je zvlnění napětí, ke kterému dochází, když zdroj ztratí napětí na velmi krátkou dobu nebo když se sepne část obvodu, což způsobí oscilace v napájecím zdroji. Když napětí klesne, kondenzátor bude dočasně fungovat jako zdroj energie a obchází hlavní zdroj energie.
AC/DC měnič
Další typickou aplikací jsou kondenzátory používané ve stejnosměrných adaptérech. Pro převod střídavého napětí na stejnosměrné se obvykle používá diodový usměrňovač, ale bez kondenzátorů se s tímto úkolem nevyrovná.
Výstupní signál usměrňovače je signál proměnného napětí. Při zvyšování výstupního výkonu usměrňovače se tedy kondenzátor nabíjí a při poklesu výstupního výkonu usměrňovače se kondenzátor vybíjí a tím se vyhlazuje stejnosměrný výstup.
Filtrování signálu
Filtrování signálu je dalším příkladem použití kondenzátorů. Díky své specifické době odezvy jsou schopny blokovat nízkofrekvenční signály a zároveň propouštět vyšší frekvence.
Používají se v rádiích k naladění požadovaných frekvencí a ve výhybkových obvodech uvnitř reproduktorů k oddělení nízkých frekvencí pro basový reproduktor a vyšších frekvencí pro výškový reproduktor.
Kondenzátory jako zásobníky energie
Další poměrně zřejmé použití kondenzátorů je pro skladování a dodávku energie. Přestože dokážou uchovat výrazně méně energie ve srovnání s bateriemi stejné velikosti, mají mnohem delší životnost a jsou schopny dodávat energii mnohem rychleji, takže jsou vhodnější pro aplikace, kde je vyžadován vysoký výkon.
Pokud vás zajímá téma opozice superkondenzátoru a baterie v moderní výkonové elektronice a který z nich je lepší za jakých podmínek použít, můžete se podívat na tento článek.
