Kondenzátor je pasivní elektrotechnická součástka, jejíž charakteristickou vlastností je kapacita.
Každý skutečný kondenzátor kromě toho vykazuje další, takzvané parazitní vlastnosti, jako je indukčnost a odpor, čímž se odlišuje od kapacitoru, což je myšlená ideální součástka, která má pouze kapacitu, navíc stálou a nezávislou na okolních podmínkách.
.jpg)
Princip kondenzátoru
Kondenzátor se skládá ze dvou vodivých desek (elektrod) oddělených dielektrikem.
Na každou z desek se přivádí elektrické náboje opačné polarity, které se vzájemně přitahují elektrickou silou. Dielektrikum mezi deskami nedovolí, aby se částice s nábojem dostaly do kontaktu, a tím došlo k neutralizaci, jinak vybití elektrických nábojů. Přitom dielektrikum svou polarizací zmenšuje sílu elektrického pole nábojů na deskách a umožňuje tak umístění většího množství náboje.
Vzhledem k elektrostatické indukci je velikost náboje na obou deskách stejná.
Základní vlastnosti kondenzátoru
Mezi základní vlastnosti kondenzátoru patří:
-
kapacita
-
maximální povolené napětí
-
tolerance kapacity
-
teplotní závislost kapacity
-
napěťová závislost kapacity
-
ekvivalentní sériový odpor ESR
-
ekvivalentní sériová indukčnost ESL
-
paralelní vybíjecí odpor, nebo samovybíjecí proud
-
ztrátový činitel tgΔ
-
maximální dovolený proud (anglicky ripple current)
-
rezonanční frekvence (nad ní se kondenzátor chová jako indukčnost)
-
maximální povolená teplota
-
tepelný odpor pouzdra
-
činitel jakosti Q
-
další vlastnosti jako cena, typ, nebo průměr pouzdra, hmotnost, životnost, střední doba bezporuchové funkce (MTBF), teplotní stálost, tvar
|
při větším zatížení, např. v některých spínaných zdrojích, může být ESR důležitější než kapacita. Kondenzátory se pak vybírají s cílem dosáhnout, aby ESR bylo větší (nebo proud menší) než nějaká hranice.
Při modernizaci se pak kapacita může značně snížit. Např. elektrolytický kondenzátor 2200 µF v nějaké konstrukci z 90. let byl nejprve nahrazen modernějším 470 µF a později dvěma MLCC 47 µF. Pokud není uveden dovolený proud, lze ho odvodit z ESR, tepelného odporu, teploty okolí a teploty kondenzátoru. Při neznámém ESR je možné použít tgΔ. Nejméně jeden z těchto parametrů bývá v katalogových listech uveden. |
Kapacita kondenzátoru
Kapacitu kondenzátoru je možné spočítat podle vzorce
\(C = \epsilon_0 \cdot \epsilon_R \cdot \frac{S}{d}\)
kde:
-
C je kapacita ve Faradech
[F] -
\(\epsilon_0 = 8.8541878128 \cdot 10^{-12} F \cdot m^{-1}\) je fyzikální konstanta permitivita vakua
-
\(\epsilon_R\) je relativní permitivita materiálu dielektrika kondenzátoru (je závislá na kmitočtu)
-
\(S [m^2]\) je plocha desek kondenzátoru
-
\(d [m]\) je vzdálenost desek kondenzátoru
Z toho je vidět že kapacita kondenzátoru je přímo úměrná relativní permitivitě materiálu dielektrika a ploše desek kondenzátoru a nepřímo úměrná jejich vzdálenosti. Vzdálenost desek kondenzátoru však nelze snižovat až k nule, protože každé dielektrikum má určitou elektrickou pevnost (např. vzduch má elektrickou pevnost \(3 MV m^-1\)). Při převýšení napětí na kondenzátoru nad elektrickou pevnost materiálu dochází k jeho průrazu a znechodnocení kondenzátoru.
| vakuum | (přesně) 1 |
|---|---|
vzduch |
1.00054 |
polystyren |
2.3 — 2.5 |
teflon |
2 — 2.2 |
plexisklo |
2.8 — 3.2 |
PVC |
3.4 — 4 |
sklo |
4 — 8 |
slída |
6 — 7 |
křemík |
11.7 |
voda (20°C) |
80.4 |
Další podrobnosti lze nalézt na Wikipedii
Měřění elektrolytických kondenzátorů
U elektrolytického kondenzátoru je kromě jeho vlastní kapacity důležitá hodnota ekvivalentního sériového odporu ESR. ESR je hodnota odporu, který je zapojen do série s ideálním kondenzátorem. Žádný kondenzátor samozřejmě není ideální, podrobná hodnota ekvivalentního sériového odporu se počítá složitě a je lepší ji měřit. Pro mnoho elektrolytických kondenzátorů je ESR vedle kapacity druhým důležitým parametrem. Následkem zvýšení ESR (v důsledku věku, přetěžování nebo teplotních cyklů) je špatný výkon kondenzátoru ve spínaných aplikacích. Kondenzátor se stává méně ideálním a rozptyluje více výkonu. Ideální kondenzátor nerozptyluje žádný výkon. Vysoká hodnota ESR může být příčinou poruchy obvodu.
| napětí -→ kapacita | 10V | 16V | 25V | 35V | 63V | 160V | 250V |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
\(4.7\mu F\) |
\(\ge 40 \Omega\) |
\(35.0 \Omega\) |
\(29.0 \Omega\) |
\(24.0 \Omega\) |
\(19.0 \Omega\) |
\(16.0 \Omega\) |
\(13.0 \Omega\) |
\(10\mu F\) |
\(20.0 \Omega\) |
\(16.0 \Omega\) |
\(14.0 \Omega\) |
\(11.0 \Omega\) |
\(9.3 \Omega\) |
\(7.7 \Omega\) |
\(6.3 \Omega\) |
\(22\mu F\) |
\(9.0 \Omega\) |
\(7.5 \Omega\) |
\(6.2 \Omega\) |
\(5.1 \Omega\) |
\(4.2 \Omega\) |
\(3.5 \Omega\) |
\(2.9 \Omega\) |
\(47\mu F\) |
\(4.2 \Omega\) |
\(3.5 \Omega\) |
\(2.9 \Omega\) |
\(2.4 \Omega\) |
\(2.0 \Omega\) |
\(1.60 \Omega\) |
\(1.40 \Omega\) |
\(100\mu F\) |
\(2.0 \Omega\) |
\(1.60 \Omega\) |
\(1.40 \Omega\) |
\(1.10 \Omega\) |
\(0.93 \Omega\) |
\(0.77 \Omega\) |
\(0.63 \Omega\) |
\(220\mu F\) |
\(0.90 \Omega\) |
\(0.75 \Omega\) |
\(0.62 \Omega\) |
\(0.51 \Omega\) |
\(0.42 \Omega\) |
\(0.35 \Omega\) |
\(0.29 \Omega\) |
\(470\mu F\) |
\(0.42 \Omega\) |
\(0.35 \Omega\) |
\(0.29 \Omega\) |
\(0.24 \Omega\) |
\(0.20 \Omega\) |
\(0.16 \Omega\) |
\(0.13 \Omega\) |
\(1000\mu F\) |
\(0.20 \Omega\) |
\(0.16 \Omega\) |
\(0.14 \Omega\) |
\(0.11 \Omega\) |
\(0.09 \Omega\) |
\(0.08 \Omega\) |
\(0.06 \Omega\) |
\(2200\mu F\) |
\(0.09 \Omega\) |
\(0.07 \Omega\) |
\(0.06 \Omega\) |
\(0.05 \Omega\) |
\(0.04 \Omega\) |
\(0.03 \Omega\) |
\(0.03 \Omega\) |
\(4700\mu F\) |
\(0.04 \Omega\) |
\(0.03 \Omega\) |
\(0.03 \Omega\) |
\(0.02 \Omega\) |
\(0.02 \Omega\) |
\(0.02 \Omega\) |
\(0.01 \Omega\) |
\(10000\mu F\) |
\(0.02 \Omega\) |
\(0.02 \Omega\) |
\(0.01 \Omega\) |
\(0.01 \Omega\) |
\(0.01 \Omega\) |
\(0.01 \Omega\) |
\(0.01 \Omega\) |
| Pro jakoukoli konkrétní kapacitu a jmenovité napětí, nižší hodnota ESR je obecně lepší než vyšší hodnota ESR. U kvalitních kondenzátorů je běžné, že hodnoty ESR jsou hodně nižší než hodnoty uvedené v tabulce výše. |
| Vezměte prosím na vědomí, že výše uvedené údaje jsou pouze typické údaje pro standardní jakost elektrolytického kondenzátoru při pokojové teplotě, ověřte si naměřené hodnoty oproti očekávaným hodnotám pro konkrétní typ kondenzátoru, který testujete. |
Měření kapacity speciálním LCR metrem DT-9935
Postup měření
-
Přečtěte si návod k použití! (Kdo přístroj poškodí, tak mi ho zaplatí. Stál 4500 Kč.)
-
Před měřením kondenzátoru (týká se hlavně elektrolytických) je potřeba kondenzátor vybít zkratováním jeho vývodů. Pokud to neuděláte, hrozí poškození měřícího přístroje.
-
Zapíšete si na papír nominální hodnoty, které lze přečíst z potisku součástky: typ, výrobce, kapacitu a dovolené napětí. Potom změříte kondenzátor a zapíšete naměřenou kapacitu, při dané frekvenci a u elektrolytických kondenzátorů ESR. Měření každého kondenzátoru proveďte 3x přístrojem DT-9935 a potom 1x přístrojem LCR-T4. Elektrolytické kondenzátory se měří v režimu Cs, ostatní podle doporučení manuálu. (U jiných než elektrolytických kondenzátorů nebudete měřit ESR.)
-
Doma zpracujete podrobný protokol o měření, který bude obsahovat typové a naměřené hodnoty, průměrnou hodnotu a přesnost měření (přesnost měření na daném rozsahu lze zjistit z manuálu k přístroji DT-9935).
-
Po změření součástek vrátíte kondenzátory zpět do nosiče součástek.
| Výrobce | kapacita | dovolené napětí | kapacita 1 | ESR 1 | frekvence | kapacita 2 | ESR 2 | frekvence 2 | kapacita 3 | ESR 3 | frekvence 3 | kapacita průměr | ESR průměr | odchylka | kapacita 4 | ESR 4 | ESR vyhovuje |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Samha |
\(1000 \mu F\) |
16 V |
\(912 \mu F\) |
\(0.12 \Omega\) |
1 kHz |
\(918 \mu F\) |
\(0.18 \Omega\) |
1 kHz |
\(912 \mu F\) |
\(0.23 \Omega\) |
1 kHz |
\(914 \mu F\) |
\(0.18 \Omega\) |
jakš takš |
Vzor formuláře (z jiného měření )si můžete stáhnout odsud. Samozřejmě si ho upravte podle vlastního měření. V případě že naměříte nějaké "divné" hodnoty, tak to musíte zdůvodnit, proč se tak stalo.