Kondenzátory ELEKTROTECHNIKA TOMÁŠ TREJBAL

Opakování Co je to elektrický náboj? Jak se značí? Jakou má jednotku? Z čeho se skládá atom? Jak spolu interagují (vzájemně působí) kladně nabité a záporně nabité částice? Jak spolu interagují (vzájemně působí) dvě kladně nabité částice? Jak spolu interagují (vzájemně působí) dvě záporně nabité částice? Jakým vztahem je definován elektrický proud?

Opakování Co je to elektrický náboj? Jak se značí? Jakou má jednotku? Elektrický náboj je veličina, která je určena počtem elementárních nábojů (elementární náboj = náboj jednoho elektronu), značíme ji Q, jednotkou je coulomb (C) Z čeho se skládá atom? Atom se skládá z obalu a jádra. Obal atomu se skládá ze záporně nabitých elektronů a jádro atomu se skládá z kladně nabitých protonů a neutrálně nabitých neutronů (neutrony a protony se dále skládají ze 3 kvarků)

Opakování Jak spolu interagují (vzájemně působí) kladně nabité a záporně nabité částice? Dvě částice opačné polarity se vzájemně budou přitahovat. Jak spolu interagují (vzájemně působí) dvě kladně nabité částice? Jak spolu interagují (vzájemně působí) dvě záporně nabité částice? Dvě částice stejné polarity se budou vzájemně odpuzovat. Jakým vztahem je definován elektrický proud? Elektrický proud nám říká, jaký náboj (=počet elektronů) proteče vodičem za časovou jednotku => I=Q/t

Vodiče a dielektrika V minulých hodinách jsme se již setkali s vodivými materiály a s látkami, které jsme označovali jako izolanty. Proč ale jsou některé látky vodivé a některé zas ne?

Vodiče Vodiče jsou látky, které obsahují volné pohyblivé náboje (elektrony) a libovolně malá elektrická síla je dovede do pohybu. Co se stane, pokud na takovouto látku (schéma vodiče) bude působit el. pole vytvořené elektrodami?

Vodiče

Vodiče Při této indukci dochází k takovému náboji na vodiči, který svým polem E i vyrovná pole E e a vzájemně se vyruší. Uvnitř vodiče je vždy nulová intenzita. Uveďte příklady kdy je tohoto jevu využíváno?

Vodiče Při této indukci dochází k takovému náboji na vodiči, který svým polem E i vyrovná pole E e a vzájemně se vyruší. Uvnitř vodiče je vždy nulová intenzita. Uveďte příklady kdy je tohoto jevu využíváno? Např. Faradayova klec = dutá vodivá klec odstíní vnější elektrické pole => pokud chceme cokoli chránit před vnějším el. polem, stačí to zavřít do vodivé krabice. Stejně tak fungují i automobily při ochraně proti blesku. Tohoto jevu se využívá při stínění vodičů, kterými prochází slabý signál. (také ho využívají zloději)

Dielektrika Do množiny dielektrik patří všechny izolanty (nikoli však obráceně, do dielektrik patří i některé polovodivé látky). V dielektriku se nabité částice nemohou volně pohybovat (na rozdíl od vodičů). Hlavní vlastností dielektrika je schopnost polarizovat se v elektrickém poli. Příklady dielektrik: slída, vzduch, keramika, plast, některé oleje, (pozn.: Nejčastějším typem vazeb u dielektrik je vazba iontová, nebo Van der Waalsova vazba.)

Polarizace dielektrika Dielektrikum nemá volné náboje, které by se mohly přemisťovat kvůli působení el. pole, avšak molekuly dielektrika se působením el. pole polarizují.

Jak funguje kondenzátor Kondenzátor využívá principů z předchozích slidů. Je to součástka, která obsahuje dvě vodivé elektrody oddělené dielektrikem. V případě, že kondenzátor připojíme k el. zdroji, na jedné elektrodě nám vznikne větší počet záporně nabitých částic, dielektrikum se polarizuje a na druhé elektrodě nám vznikne přebytek kladně nabitých částic.

Co je to kondenzátor Kondenzátor nám zachová tuto polarizaci na elektrodách i po odpojení el. zdroje. Již víme, že elektrický náboj je v podstatě počet záporně nabitých (záporný náboj) nebo kladně nabitých (kladný náboj) částic. => Kondenzátor je součástka, která slouží k nashromáždění (a uchování) elektrického náboje.

Kapacita kondenzátoru To, jak velký náboj můžeme na elektrodách kondenzátoru nashromáždit, nám určuje jeho kapacita. Ta je určena vztahem: Q = C U Kde Q je elektrický náboj, C kapacita a U napětí, na které můžeme kondenzátor nabít. Jednotka kapacity: farad (1 F) Vodič má tedy kapacitu 1F, když se nabije nábojem 1C na potenciál 1V. Jednotka 1F je relativně velká, často se tedy setkáte s μf.

Zapojení kondenzátorů Kondenzátory (stejně jako rezistory) můžeme zapojit paralelně, nebo sériově. Při paralelním zapojení kondenzátorů do obvodu je výsledná kapacita rovna součtu kapacit jednotlivých kondenzátorů. Při sériovém zapojení kondenzátorů do obvodu je výsledná kapacita převrácenou hodnotou součtu převrácených hodnot jednotlivých kapacit. (Pozn.: Pravidla pro výpočet celkových kapacit jsou stejná jako pro rezistory a výpočet celkových odporů, ale u kondenzátorů jsou obráceně tedy pro sériově zapojené kondenzátory použijeme sčítání jako pro paralelně zapojené rezistory)

Sériové zapojení kondenzátorů Mějme obvod: Vypočítáme celkovou kapacitu: 1 C = 1 C 1 + 1 C 2 + 1 C 3 1 C = 1 2 10 6 + 1 3 10 6 + 1 6 10 6 C = 1μF Z celkové kapacity můžeme vypočítat velikost náboje, který se nám nashromáždí na kondenzátorech: Q = C U Q = 6 1 10 6 Q = 6 10 6 C

Sériové zapojení kondenzátorů Nyní chceme vypočítat napětí na jednotlivých kondenzátorech. Víme, že se nám hodnota napětí při sériovém zapojení mění: U 1 = Q C 1 U 1 = 3V U 2 = Q C 2 U 2 = 2V U 3 = Q C 3 U 3 = 1V Opět můžeme provést kontrolu součet napětí nám dá napětí zdroje.

Paralelní zapojení kondenzátorů Při paralelním zapojení kondenzátorů se nám jednoduše sečtou kapacity kondenzátorů. Celková velikost náboje, který se nám na obou může nashromáždit je rovna součtu velikostí nábojů na jednotlivých kondenzátorech. Napětí se nám obecně při paralelním zapojení nemění i zde zůstává stejné.

Rozdělení kondenzátorů Podle tvaru elektrod: Deskové Válcové Kulové Svitkové (fóliový; svinutý dlouhý vodivý pás) Podle použitého dielektrika: Vzduchové Vakuové Plastové Keramické Slídové Papírové (papír je často napuštěný voskem, nebo olejem) Elektrolytické (Kapacitní dioda speciální polovodičová součástka, využívá se propustnosti diody pouze jedním směrem v závěrném směru slouží jako kondenzátor)

Rozdělení kondenzátorů S pevnou hodnotou kapacity S proměnlivou hodnotou kapacity Otočné kondenzátory Nejstarší typ, na rotoru i statoru jsou umístěny desky které se otáčením zasouvají a vysouvají do sebe. Tím se mění aktivní povrch desek a současně i kapacita. Jako dielektrikum je použit vzduch, někdy můžeme najít i polystyren, olej nebo jiné látky. Využívaly se ve starých rádiích k ladění frekvencí

Rozdělení kondenzátorů S proměnlivou hodnotou kapacity Kapacitní trimry Funkce je podobná otočným kondenzátorům. Dielektrikem bývá keramika, sklo, plast, vzduch Kapacitní dioda (varikap, varaktor) Speciální polovodičová součástka. Kapacita se nastavuje pomocí napětí Dielektrikem je tzv. hradlová vrstva (více si o diodách řekneme až budeme probírat polovodičové součástky)

Elektrolytický kondenzátor Dielektrikem je tenká oxidační vrstva na jedné z elektrod, druhou elektrodou je samotný elektrolyt. Elektroda je většinou hliníková (může být i z tantalu) a na ní je vytvořená vrstva Al 2 O 3 Jelikož je dielektrikum velmi tenké, mají tyto kondenzátory velkou kapacitu, ale dají se použít jen při nízkém napětí. U těchto kondenzátorů je nutné dodržet předepsanou polaritu (+ a -). Při změně polarity se chemicky rozloží oxidační vrstva a kondenzátor může explodovat (viz video na Moodle kurzu). Polarita je vždy vyznačena na pouzdře kondenzátoru. V dnešní době se jedná o jeden z nejpoužívanějších typů kondenzátoru.

Využití kondenzátoru Kde by se dalo využít kondenzátoru? Kde potřebujeme v krátkém okamžiku využít velkého (nakumulovaného náboje)?

Využití kondenzátoru Např.: Kde by se dalo využít kondenzátoru? Kde potřebujeme v krátkém okamžiku využít velkého (nakumulovaného náboje)? u blesku fotoaparátu Nahromaděná elektrická energie v kondenzátoru se v krátkém časovém okamžiku vybije a způsobí silný světelný záblesk. u defibrilátoru Přístroj používaný v lékařství k provádění elektrických šoků při srdečních arytmiích, kdy velké množství náboje projde během krátké doby přes srdeční sval a dojde tak k obnovení srdečního rytmu.

Další důležitá využití kondenzátoru Stabilizační prvek v elektrických obvodech Paralelním zapojením do elektrického obvodu lze dosáhnout vyhlazení napěťových špiček, a tím rovnoměrnějšího průběhu elektrického proudu. Specifickým a zároveň nejčastějším případem jsou tzv. blokovací kondenzátory, které se umisťují těsně k integrovaným obvodům a slouží k vyrovnání napětí při rychlých odběrových špičkách. Můžeme si toto použití představit tak, že kondenzátor se nám při napěťové amplitudě nabije a ve chvíli úbytku napětí se začne vybíjet => doplní a vyrovná napěťové úbytky (toho se využívá při usměrnění střídavého proudu).

Další důležitá využití kondenzátoru Eliminace elektromagnetického rušení Odrušovací kondenzátor je nedílnou součástí většiny elektrospotřebičů. Používá se samostatně nebo v kombinaci s tlumivkami (=cívky, které vyrovnávají průběh proudu při skokových změnách napětí). Omezuje elektromagnetické rušení vzniklé spínáním nebo rozpojováním elektrického obvodu pod napětím. Odstranění stejnosměrné složky proudu Větví s kondenzátorem nemůže projít stejnosměrný elektrický proud, ale střídavý proud ano.

Další důležitá využití kondenzátoru Ladicí součástka v přijímači Změnou kapacity v oscilačním obvodu přijímače se vlastní frekvence obvodu vyrovná vnější frekvenci a dojde k rezonanci, tj. k zesílení přijímaného signálu. Toho se využívá např. u rádií, vysílaček apod. Určení periody kmitu časovače Většina časovačů využívá kondenzátory jako součástky, jejichž střídavé nabíjení a vybíjení určuje periodu kmitů. Počítačové paměti Počítačové paměti typu RAM jsou vyrobeny z obrovského množství miniaturních kondenzátorů informace jsou uloženy binárně (vybitý kondenzátor = 0, nabitý kondenzátor = 1)

Kolik kondenzátorů obsahuje RAM paměť ve vašem PC?

Kolik kondenzátorů obsahuje RAM paměť ve vašem PC? Jak to spočítat? Na počítači mám 8GB RAM => převedeme na základní jednotku: 8GB = 8 10 9 B Potřebujeme dále převést na bity 1b je taková velikost paměti, do které můžeme uložit 0/1 => bude odpovídat jednomu kondenzátoru. Víme, že 1B=8b: 8 10 9 B = 8 10 9 8b = 64 10 9 b => 64 000 000 000 kondenzátorů (Pozn.: Výpočet není přesný, paměť nemá přesně 8GB, avšak reálný počet se bude blížit k tomuto číslu)

Kolik kondenzátorů obsahuje RAM paměť ve vašem PC? 64 000 000 000 kondenzátorů Můžeme si představit, jak mohou být kondenzátory malé, když se takový počet vejde na tak malou komponentu, jakou je paměť RAM do počítačů.

Značení kondenzátorů Značení kondenzátorů je jednoduché většinou naleznete přímo na kondenzátoru hodnotu jeho kapacity. Občas, zejména na webu, se setkáte s jednotkou uf jedná se o mikrofarady (mikro se špatně zapisuje a není součásti všech znakových sad na PC) Dále na kondenzátoru bývá uvedeno maximální napětí, které může být na elektrodách kondenzátoru (napětí na elektrodách nikdy nebude vyšší, než napětí zdroje). Pokud tato informace chybí, naleznete ji v datasheetu daného kondenzátoru, stejně jako další informace (maximální pracovní teplota apod.).

Značení kondenzátorů Nezapomeňte u elektrolytických kondenzátorů záleží na polaritě!!!

Jak poznat vadný kondenzátor V extrémním případu poznáme vadný kondenzátor tak, že po něm najdeme pouhé zbytky (po explozi):

Jak poznat vadný kondenzátor To, že je elektrolytický kondenzátor vadný, často poznáme podle toho, že je nafouklý :

Jak poznat že vadný kondenzátor Občas můžeme vadný kondenzátor poznat ze symptomů, které dané zařízení vykazuje např. kondenzátor bude špatně filtrovat (stabilizovat) napětí => bude nám nepříjemně blikat displej (občas je blikání tak nepatrné, že ho nemusíme ani rozeznat ale je nepříjemné se na něj dívat). Kondenzátor může mít v obvodu mnoho funkcí chyba se může projevovat pokaždé jinak. Nicméně je dobré vědět, že kondenzátor (zejména elektrolytické) patří k nejporuchovějším součástkám obvodu (společně s pojistkami, mosfety a některými integrovanými obvody).

Jak zjistit, zdali je kondenzátor v pořádku Na testování kondenzátorů je speciální měřící přístroj měřič ESR (měřič Ekvivalentního Sériového (R) odporu). ESR vyjadřuje vnitřní odpor na přívodních kontaktech a elektrodách kondenzátoru. Pohybuje v řádu miliohmů až několika ohmů. Čím vyšší je ESR, tím nižší je efektivita kondenzátorů => např. nevyhlazují tak dobře zvlněné napětí a více se zahřívají. Vysoké ESR (mimo hodnoty z datasheetu) svědčí o selhání kondenzátoru. ESR a riziko selhání se zvyšuje: 1) při špatných kontaktech mezi vývody a elektrodami v kondenzátoru 2) při vysychání elektrolytu 3) se stoupající teplotou a frekvencí

Jak zjistit, zdali je kondenzátor v pořádku ESR měřič porovnává hodnotu odporu ideálního kondenzátoru s kondenzátorem reálným. Nejprve vybije náboj kondenzátoru a následně jím nechá protékat střídavý elektrický proud (I t ), ale jen s tak krátkou periodou (vysokou frekvencí), aby se nestihl významně nabít. Přístroj měří velikost napětí (U c ), které vzniká při průtoku střídavého proudu (I t ) kondenzátorem a následně vypočítá hodnotu sériového odporu jako: R ESR = U c / I t Výslednou hodnotu zobrazí na displeji (nejčastěji v ohmech) tu poté můžeme porovnat s hodnotou předepsanou.

Praktické cvičení Vezměte si některou z komponent PC. Řekněte, o kterou komponentu se jedná. Najděte na ní elektrolytický kondenzátor a zkontrolujte pomocí ESR měřiče, zdali je v pořádku. Zkuste najít vadný elektrolytický kondenzátor

Jak zjistit, zdali je kondenzátor v pořádku Pokud ale zrovna nemáme měřící přístroj pro měření ESR, bude diagnostika kondenzátoru obtížnější. Budeme muset vypájet kondenzátor, poté ho vybijeme (např. pomocí rezistoru) a začneme na něm měřit el. odpor pomocí multimetru. Hodnota el. odporu by se měla (přibližně) lineárně zvyšovat s tím, jak se kondenzátor začne nabíjet. Pokud toto nenastane, jedná se o vadný kondenzátor.

Jak zjistit, zdali je kondenzátor v pořádku Pokud si nebudeme jistí, zdali je kondenzátor v pořádku, můžeme ho zkusit nabít. Připojíme ho ke zdroji stejnosměrného napětí. POZOR! NESMÍME PŘEKROČIT JMENOVITOU HODNOTU NAPĚTÍ KONDENZÁTORU! POKUD NENÍ NA KONDENZÁTORU NAPSÁNA, DOPORUČUJI VYUŽÍT PŘEDEŠLÉ METODY DIAGNOSTIKY (nebo použít velmi nízkou hodnotu napětí (1 až 2V). Po nabití kondenzátor odpojíme od zdroje a multimetrem na něm změříme napětí. Kondenzátor, který je v pořádku, by měl udržet napětí na svých elektrodách (napětí může pomalu klesat vlivem vybíjení přes vnitřní odpor voltmetru).

Praktické cvičení Vyzkoušejte předešlé metody v praxi: Co budeme potřebovat: Multimetr Napájecí vodiče Nepájivé pole Rezistor Kondenzátor Laboratorní zdroj

Praktické cvičení Kondenzátor připojte do nepájivého pole Vybijte kondenzátor pomocí rezistoru (spojte jím výstupy kondenzátoru) Kondenzátor vyjměte a začněte na něm měřit elektrický odpor multimetrem. Vyhodnoťte, zdali není kondenzátor vadný.

Praktické cvičení Kondenzátor připojte do nepájivého pole Vybijte kondenzátor pomocí rezistoru (spojte jím výstupy kondenzátoru) Připojte rezistor do série s kondenzátorem tak, aby byl rezistor spojen se zápornou elektrodou kondenzátoru. Připojte napájecí vodiče k laboratornímu zdroji. Zapněte zdroj a nastavte na něm hodnotu napětí takovou, aby byla nižší, než jmenovitá hodnota napětí kondenzátoru. Připojte napájecí vodiče k obvodu POZOR NA POLARITU

Praktické cvičení Vypojte napájecí vodiče Vypněte zdroj Vyjměte rezistor Zapojte vodiče tak, aby byly propojené s výstupy kondenzátoru Změřte multimetrem napětí a vyhodnoťte, zdali je kondenzátor v pořádku. Poté kondenzátor vybijte pomocí rezistoru