K čemu je kondenzátor?

Kondenzátor jako zdroj energie

Kondenzátor je úložiště elektrické energie. Jeho funkci si můžeme přirovnat k setrvačníku napětí. Tyto dvě charakteristiky – ukládání energie a vyrovnávání napěťových změn – tvoří základ jeho využití.

Nabitý kondenzátor ukládá energii v elektrickém poli, které vzniká rozdílným nábojem na jeho elektrodách. Pokud takový kondenzátor připojíme k zátěži, elektrony se začnou přesouvat – „vypustí se“. Na rozdíl od baterie se nejedná o chemickou reakci, ale o fyzikální přesun náboje, což s sebou nese několik důležitých vlastností:

• Kondenzátor dokáže krátkodobě dodat větší množství proudu,
• Nabíjí se velmi rychle,
• Má dlouhou životnost (není opotřebováván chemicky),
• Nevýhodou je menší hustota energie oproti baterii,
• Další nevýhodou je, že napětí kondenzátoru klesá s ubývajícím nábojem – není tedy zdrojem stálého napětí.

Poslední bod omezuje použití kondenzátoru jako dlouhodobého zdroje energie. Přesto najde uplatnění například v záložních zdrojích – kondenzátor začne okamžitě dodávat energii v momentě, kdy napětí hlavního zdroje poklesne pod jeho úroveň. Tím překlene časové okno, než se aktivuje náhradní zdroj, například baterie.

Filtrace a stabilizace

Právě díky své schopnosti reagovat na změny napětí téměř okamžitě se kondenzátor často používá k vyhlazování kolísavého napětí. To je zásadní při přeměně střídavého napětí na stejnosměrné.

Diody sice přemění střídavé napětí na pulzující jednosměrné, ale kondenzátor tyto pulzy vyhladí do plynulejšího průběhu.

Kondenzátory se také běžně používají v číslicové technice nebo ve stabilizaci napájení mikrokontrolérů, kde tlumí rychlé špičky a poklesy napětí způsobené proměnlivým odběrem. Proto najdeme u napájecích vývodů integrovaných obvodů typický kondenzátor o hodnotě 100 nF, který filtruje tyto krátkodobé výkyvy.

Kondenzátor v kombinaci s rezistorem může navíc fungovat jako frekvenční filtr – propouštět vysoké frekvence a tlumit nízké nebo naopak. Tomu se ale budeme věnovat později, až se dostaneme ke střídavému proudu.

Potřebujeme změnit kapacitu?

Kapacita kondenzátoru závisí na konstrukci. Přímo úměrná je permitivitě dielektrika a vzájemné ploše elektrod, nepřímo úměrná vzdálenosti mezi deskami.

$$
C = \varepsilon \cdot \frac{S}{d}
$$

Kondenzátory s nastavitelnou kapacitou, tzv. kapacitní trimry, fungují tak, že otáčením hřídele se mění překrytí desek, a tím jejich účinná plocha. Tyto trimry se využívají například v analogových rádiích, kde změna kapacity ovlivňuje na jakou frekvenci je obvod přijímače citlivý.

Typy kondenzátorů

Keramické a svitkové

Tyto kondenzátory mají různé tvary a velikosti podle způsobu montáže a provozního napětí. Jejich kapacity bývají od pF až po jednotky μF. Používají se především k filtraci a tlumení rychlých krátkodobých špiček napětí.

• Keramické kondenzátory
  Mají velmi malý rozměr, jsou levné a odolné. Jejich dielektrikem je keramika.
  Jsou nevhodné pro přesné aplikace, protože jejich kapacita může kolísat s teplotou.
  Typicky se používají pro blokování rušení a filtraci v napájení
• Svitkové kondenzátory
  Dielektrikem je obvykle plastová fólie a elektrody jsou navinuté do „svitku“.
  Jsou velmi stabilní, s přesnou kapacitou a nízkými ztrátami.
  Vhodné do síťových filtrů, audiotechniky nebo časovacích obvodů.

Elektrolytické kondenzátory

Pokud bychochom chtěli při stejných rozměrech zvýšit kapacitu kondezátoru, cestou je zvětšit plochu desek a zmenšit vzdálenost elektrod, abychom toho docíli nahradíme jednu elektrodu, elektrolytem. Elektrolytické kondenzátory vznikají tak, že se například rozleptá hliníková elektroda pro zvětšení povrchu, na té se vytvoří tenká vrstvička oxidu hliníku jako izolant, druhou elektrodu tvoří elektrolyt, který je v kontaktu s vodivým obalem. Pokud je kondenzátor zapojen správně, oxidová vrstva se průběžně opravuje. Při opačné polaritě však proud dielektrikum rozkládá, pak je jen otázkou času kdy se kondenzátor poškodí nebo dokonce vybouchne.

Superkapacitory a řazení

Největší hodnoty kapacity dnes dosahují tzv. superkapacitory (jednotky až stovky faradů). Jejich nevýhodou je nízké maximální napětí. Pokud potřebujeme pracovat s vyšším napětím, musíme řadit kondezátory sériově podle vzorce:

$$\frac{1}{C_{\text{celk}}} = \frac{1}{C_1} + \frac{1}{C_2} + \cdots + \frac{1}{C_n}$$

• Každý kondenzátor ponese jen část celkového napětí.
• Např. 10 kondenzátorů po 3 V zvládne celkem 30 V.
• Celková kapacita však klesne na desetinu

Při paralelním řazení kondenzátorů se kapacity jednoduše sčítají

$$C_{\text{celk}} = C_1 + C_2 + \cdots + C_n$$

• Celkové napětí zůstává stejné.

Kdybychom si vypočetli energii sériového řazení deseti 500F kapacitorů, tak ta je shodná s energií 10kg předmětu letící rychlostí 240km/h

$$
\frac{1}{2} C U^2 = \frac{1}{2} m v^2
$$

$$
\frac{1}{2} \times 50\,F \times (30\,V)^2
= \frac{1}{2} \times 10\,kg \times (67\,m/s)^2
$$