4.2.2024 - Ing. Aleš Smeták
V elektronických obvodech se kromě rezistorů (odporů) a induktorů (cívek) můžeme setkat také kapacitátory - známějšími jako kondenzátory.
V tomto článku si nejdříve vysvětlíme, co to kondenzátor vlastně je a k čemu slouží. Poté se zaměříme na elektronické obvody, které kondenzátor obsahují a budeme se snažit pochopit rozdíl mezi sériovým a paralelním řazením.
Nakonec si ukážeme nějaký komplexní příklad na kombinaci sériových a paralelních řazení "kondíků".
Kondenzátor je elektrický komponent, který se používá k ukládání elektrického náboje.
Kondezátor se skládá se ze dvou vodivých desek oddělených dielektrikem, což je izolační materiál, který umožňuje procházet elektrickému poli, ale nikoliv však už elektrickému proudu.
Když se kondenzátor připojí ke zdroji elektrického napětí, začne se nabíjet elektrický náboj na jeho deskách. Platí, že čím je větší plocha desek a čím je menší vzdálenost mezi nimi, tím větší bude kapacita kondenzátoru. Kapacita kondenzátoru tedy udává, jaké množství náboje může kondenzátor uchovat při určitém napětí.
Kondenzátory mají různé aplikace v elektronice. Mohou sloužit k vyhlazení a stabilizaci napětí, filtraci signálů, uchování energie nebo jako součásti časových obvodů. Jsou základním stavebním prvkem v elektrických obvodech a nacházejí se v mnoha zařízeních, od mobilních telefonů až po velké průmyslové systémy.
Praktické využití kondenzátorů nalezneme třeba jako:
Pro pochopení kondezátoru si, jako v jiných článcích, pomoci vodní analogií. Představme si, že kondenzátor je jako nádržka na vodu, která je rozdělena na dvě části nějakou pružnou membránou.
Když začneme tlačit vodu do první části nádrže, přesune se část objemu této části i do její druhé části. Membrána sice rozděluje nádržku na dvě části, ale protože je pružná, dovolí, aby voda z jedné části tlačila a vytlačila vodu z druhé části.
Membrána však nedovolí, aby se obě části promíchaly. S rostoucím tlakem roste se membrána stále více prohýbá a umožní první časti zabrat více místa na úkor části druhé. Pokud bychom však tlačili moc, membrána může prasknout a voda poteče skrz nádržku bez odporu.
Kapacita kondenzátoru by se dala přirovnat k objemu vody, který nádrž dokáže uchovat, respektive k pružnosti membrány. Čím větší je kapacita, tím více vody se může přesunout z jedné části do druhé při stejném tlaku.
Po uvolnění tlaku se membrána bude chtít vrátit na své původní místo a vodu zase vytlačí zpět. Nádržka tak může sloužit k ukládání vody pro pozdější použití.
Z obrázku níže je patrné, že nádržka s malou kapacitou pojme při nulovém tlaku nulové množství vody a membrána zůstane v původní poloze (1). Při zvýšení tlaku na 100Pa se mebrána již prohne a přetlačí jeden litr vody (2). Další zvýšení tlaku na 200Pa donutí membránu k dalšímu pohybu a zvětšení objemu přesunuté vody na dva litry (3). Pokud bychom tlak uvolnili, voda opět vyteče ven a membrána se vrátí do původní pozice (1).
Pokud bychom však měli nádržku s trojnásobnou kapacitou, tak už při tlaku 100Pa dojde k přesunu tří litrů vody. Čím vyšší kapacita, tím více vody se při stejném tlaku přesune.
Tak a teď zkusme to samé s elektřinou.
Pružná membrána v tomto případě bude dieletikum (izolant) mezi deskami, velikost nádrže nahradí objem nádržky, vodu elektrický proud a tlak nahradíme napětím.
Když začneme na obrázku níže (2) tlačit proud napětím 100V do první části, vytvoří se na desce kondenzátoru elektrický náboj 1C. Z toho plyne, že kapacita kondenzátoru je 0,01F. Pokud napětím zdvojnásobíme na 200V, tak se proud bude snažit dostat do kondenzátoru dvojnásobnou silou a vytovří náboj 2C.
Dieletikum však nedovolí, aby proud začal protékat. S rostoucím napětím tedy roste i elektrický náboj. Pokud bychom však napětí zvýšili příliš, dieletikum to nevydrží a dojde ke zničení kondenzátoru a to je teda pěkná šleha.
Čím větší je kapacita kondenzátoru, tím větší náboj dokáže kondík uchovat při stejném napětí.
Po uvolnění napětí se kondenzátor vybije a pošle proud zpátky do obvodu. Ono vlastně 1A = 0,01F x 100V/1s.
Pokud bychom však měli kondík s trojnásobnou kapacitou = 0,03F, tak při napětí 100V dojde k vytvoření náboje 3C.
Abychom si ještě udělali bližší představu co je to vlastně Farad, tak si připomeňme, že 1 coulomb je 1 ampéra za 1 sekundu. To znamená, že kondenzátor s kapacitou 0,03F při nabití 100V umožní dávat proud jednu ampéru po dobu tří vteřin. Kondenzátor s kapacitou 1F by uměl při nabití 100V dávat proud 1A po dobu 100 vteřin.
Malý elektrolytický kondenzátor používaný v elektronických zařízeních může mít kapacitu kolem několika mikrofaradů (µF).
V praxi můžeme kondenzátor využít jako uložiště pro náboj.
Pokud máme obyčejný obvod baterky s jednosměrnou diodou, tak v případě sepnutí vypínače se dioda ihned rozsvítí a po vypnutí vypínače zase ihned vypne. V případě obvodu baterky s diodou doplněného o kondenzátor tomu bude však jinak...
Na obrázku č.1 není obvod sepnutý, elektrický proud obvodem neprotéká a dioda proto nesvítí.
Na obrázku č.2 je obvod sepnutý a proud teče skrz diodu, která se proto rozsvítí a zároveň postupně nabíjí i kondenzátor.
Na obrázku č.3 je obvod opět rozepnutý a proud ze zdroje již do diody neteče. Ta ale ovšem stále svítí protože spotřebovává proud přeměňující se z náboje v kondenzátoru.
Na obrázku č.4 je obvod rozepnutý a dioda již nesvítí, protože kondenzátor je již vybitý.
Pokud bychom zdvojnásobili kapacitu kondezátoru, zdvojnásobila by se i doba svícení diody po rozepnutí obvodu. Nutno podotknout, že by zdvojnásobila i doba nabíjení kondenzátoru.
Další praktické využití kondenzátoru je pro vyhlazení napětí. Na obrázku níže vidíme dvě schémata.
První je trafátko s jednosměrnou diodou, které z klasické sinusovky dělá sinusovku ořezanou o záporné hodnoty napětí. To samozřejmě pro spotřebiče vyžadující stejnosměrné napětí nemůže stačit.
V druhém případě je trafátko doplněno o kondenzátor, který se neustále nabíjí a vybíjí v rytmu sínusovky. Tímto způsobem dochází k vyhlazení kladné sínusovky. Čím větší kapacitu kondenzátor bude mít, tím lépe bude napětí vyhlazovat, ale rovnou čáru jako z baterie se však jen pomocí kondenzátorů nedosáhneme.
Nejjednodušším typem řazení kondenzátoru v elektrickém obvodu je paralelní zapojení. Jedná se o způsob zapojení, kdy kondíky zapojíme vedle sebe.
Celkovou kapacitu dvou nebo více kondenzátorů v paralelním řazení zjistíme prostým součtem kapacit jednotlivých kondíků v obvodu. Platí, že čím více kondenzátorů v paralalením zapojení je v obvodu, tím větší je jeho celková kapacita.
Opakem paralelního řazení kondenzátorů je sériové řazení, kdy jsou kondenzátory řazeny za sebou.
Obecně platí, že čím více sériových kondenzátorů je v obvodu, tím menší celkovou kapacitu obvod má.
Energie kondenzátoru je druh elektrické energie, která je uložena v elektrickém poli mezi jeho deskami.
Když je kondenzátor nabitý na určité napětí, obsahuje potenciální energii, kterou lze naopak využít při vybíjení kondenzátoru. Energii kondenzátoru lze vlastně přirovnat třeba k energii napnuté pružiny. Kondenzátor "nabírá" energii, když se nabíjí, a tuto energii "uvolňuje", když se vybíjí.
Množství energie, které kondenzátor může uchovat, závisí na jeho kapacitě (C) a napětí (V), a je vyjádřeno vzorcem:
Zkusme nyní tento vzorce prakticky aplikovat.
Jakou energii kondenzátor z externího blesku Nikon SB-910, který má uvedenou kapacitu 1700 mikrofaradů (µF) a nabíjí se na napětí 350V?
Kondenzátor má v sobě energii E = 1/2 x C x U^2 = 1/2 x 0,0017F x 350V^2 = 104J. Pokud si na takový nabitý kondík sáhnete, budete si to pamatovat. Vím to z vlastní zkušenosti 🙂...
Pokud jste v článku nalezli chybu, dejte nám, prosíme, o ní vědět na eas@eas-elektro.cz
Děkujeme, Eva a Aleš Smetákovi - návrat zpět na přehled článků