Manuální, technická a elektrozručnost Realizace praktických úloh zaměřených na dovednosti v oblastech: Vybavení elektrolaboratoře Schématické značky, základy pájení Fyzikální principy činnosti základních elektrosoučástek Základní pojmy a veličiny Řešení úloh s elektrickými obvody s použitím Ohmova zákona Zapojování elektrických obvodů podle schématu Praktické použití polovodičových součástek Měření základních elektrických veličin Scénář č. 5 Fyzikální principy činnosti základních elektrosoučástek Klíčové pojmy: Kondenzátor (kapacitor) C- kapacita [F], dielektrikum, ztrátový úhel, rozdělení kondenzátorů, jednotky 1. Kondenzátory Ideální kondenzátor je elektronický prvek, který je popsán jediným parametrem kapacitou C. Je to v podstatě akumulátor elektrického náboje. Reálný kondenzátor má navíc svodový odpor Rp dielektrika (tzv. ztrátový úhel δ). Tangens tohoto úhlu je závislý na kmitočtu. Má i nezanedbatelnou indukčnost L, zvláště jde-li o svitkový kondenzátor. Důležitým vedlejším parametrem je i maximální napětí, jehož překročení vede k průrazu dielektrika. Podle tvaru elektrod rozeznáváme kondenzátory deskové, válcové a svitkové. Datum: 26.9.2011 Scénář 5/ Obor V2.x strana 1/ ze 6
1.1 Deskový kondenzátor Deskový kondenzátor má elektrody ve tvaru rovinných desek s plochou S, které jsou od sebe odděleny dielektrikem tloušťky d s permitivitou ε. Pro kapacitu deskového kondenzátoru ve Faradech platí: ε = εo. εr kde εo = 8,85. 10-12 [ F/m ] εr relativní permitivita (pro vakuum a vzduch εr = 1) 1.2 Válcový kondenzátor Válcový kondenzátor má elektrody ve tvaru vnějšího a vnitřního válce s vnitřním poloměrem R1, vnějším poloměrem R2 a délkou válce l. Kapacita válcového kondenzátoru je dána: 1.3 Svitkový kondenzátor Svitkové kondenzátory jsou přechodem mezi deskovými a válcovými kondenzátory. Jsou tvořeny stočeným svitkem, který obsahuje čtyři fólie. Dvě z nich jsou dielektrikem, dvě elektrodami (oboustranně pokovené dielektrikum chráněné fólií před zkratem). Je-li b šířka fólie, l jeho délka a d je tloušťka izolace mezi polepy, pak kapacita C je dána vztahem: Datum: 26.9.2011 Scénář 5/ Obor V2.x strana 2/ ze 6
1.4 Jiné typy kondenzátorů Podle tvaru můžeme kondenzátory dělit na kapkové, terčové, destičkové, průchodkové a jiné. Podle použitého dielektrika dělíme kondenzátory na vzduchové, slídové, papírové, z umělých hmot, keramické a elektrolytické včetně tantalových. 2.1 Vzduchové kondenzátory Vzduchové kondenzátory ( εr ~1 ) mají zanedbatelné ztráty i při velmi vysokých frekvencích. Tvoří systém do sebe zapadajících vodivých desek, které jsou proti zkratu navzájem odděleny dielektrikem-vzduchem. Většinou jsou konstrukčně provedeny jako otočné (ladicí) kondenzátory nebo trimry. Jejich maximální kapacita je ~ 500 pf. Ve formě trimrů pak ~ 30 pf. 2.2 Slídové kondenzátory Jako dielektrikum používají slídové kondenzátory přírodní nerostnou slídu ( εr ~3 až 7) podle naleziště. Slída se nedá stáčet do svitků, takže je kapacita poměrně malá do 500 pf. Nevhodné mechanické vlastnosti slídy jsou vyváženy dlouhodobou stabilitou, malou teplotní závislostí a velmi malým ztrátovým úhlem (10-5 až 10-3 ). Použití je ve VF technice. Datum: 26.9.2011 Scénář 5/ Obor V2.x strana 3/ ze 6
2.3 Papírové kondenzátory Tyto kondenzátory se konstruují výhradně jako svitkové. Svitek může mít tvar válce, svitky mohou být i zploštělé. Zalévají se buď do termoplastu nebo se umísťují do kovových krabic (krabicové kondenzátory). Dielektrikum tvoří impregnovaný papír. Ztrátový úhel je řádu 10-2. Provedení MP (metalizovaný papír) je prostorově úspornější. 2.4 Kondenzátory s dielektrikem z umělých hmot Jako dielektrikum se používá polystyren, polypropylen, polykarbonát nebo polyester. Vyrábí se v provedení svitkovém, nebo sendvičovém. Ztrátový činitel (10-4 až 10-2 ) je lepší, než u papírových kondenzátorů. 2.5 Keramické kondenzátory Keramické kondenzátory mají malý činitel ztrát tgδ. Proto se přednostně používají ve vysokofrekvenční technice. Jsou vhodné i pro vysoká napětí např. 2 kv. 2.6 Elektrolytické kondenzátory Elektrolytické kondenzátory mají dielektrikum z oxidu hliníku nebo tantalu. Polarizované elektrolytické kondenzátory jsou vhodné pro stejnosměrné napětí. Při chybném připojení pólů kondenzátoru může dojít k jeho zničení vznikem vnitřních plynů. Důležitý parametr je jmenovité napětí. Hodnota jmenovitího napětí se udává u každého kondenzátoru. Při jeho překročení může dojít k průrazu dielektrika a elektrolytický kondenzátor může i explodovat. Datum: 26.9.2011 Scénář 5/ Obor V2.x strana 4/ ze 6
Použití elektrolytických kondenzátorů je převážně v usměrňovačích k vyhlazování stejnosměrného napětí. 3. Značení kondenzátorů Technický kód využívá stejně jako při značení rezistorů písmenných zkratek k označení řádu, písmena zároveň mohou sloužit jako desetinná čárka. Současný systém značení odpovídá mezinárodním zkratkám řádových přípon (p, n, µ, m). Někdy se ještě používá staršího značení se zkratkami J, k, M, G, kde základní jednotkou pro značení hodnot kapacity ve schématech je 1pF! U potisku na kondenzátoru pak 1 µf. Nutno podotknout, že se značení může líšit od různých výrobců. Například: Hodnota Na schématu je: Na potisku kondenzátoru je: 82 pf 82, 82 p, 82 pf 82, 82 J 220 000 pf 220 n, 220 K, M22 0.22, 220 n, 220K, M22 470 µf 0.47 m, 470 µ, 470 M 470 M, 470 MF, 470 µ, 470 µf, G47 4. Umístění vývodů u kondenzátorů K osazování desek plošných spojů je zapotřebí znát umístění vývodů u kondenzátorů. Nejběžnější jsou axiálně umístěné vývody. Pro speciální účely se vyrábí kondenzátory s radiálními vývody. Datum: 26.9.2011 Scénář 5/ Obor V2.x strana 5/ ze 6
Barevné značení se užívá u kondenzátorů vyjímečně, např. u miniaturních kapkových tantalových elektrolytických kondenzátorů. 5. Zkoušení kondenzátorů a měření kapacit U kondenzátorů se zkouší průchodnost a kapacita. Pro průchozí zkoušku se použije ohmmetr nebo přístroj pro měřené průchodnosti. Protože kondenzátory nepropouštějí stejnosměrný proud, musí být naměřený odpor u kvalitního kondenzátoru nekonečně velký. U kondenzátorů s kapacitou řádu mikrofaradů dochází po připojení ohmmetru ke krátkodobému vychýlení měřicího přístroje v důsledku nabití kondenzátoru ze zdroje v ohmmetru proudovým nárazem. Pokud je kondenzátor v pořádku, pak po určité době ukazuje ohmmetr nekonečně velký odpor. Kapacita kondenzátorů se měří přímo buď digitálními multimetry, nebo kapacitními měřicími můstky. U větších kapacit od 10 nf lze měřit kapacitu nepolarizovaných kondenzátorů měřením střídavého proudu a napětí. Datum: 26.9.2011 Scénář 5/ Obor V2.x strana 6/ ze 6