náhled|vpravo|230px|Různé druhy elektronických kondenzátorů 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.
Princip kondenzátoru right|200px 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 () 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
Poznámky: při větším zatížení, např. v některých spínaných zdrojích, může být ESR důležitější než kapacita. Kondenzátory se pak vybírají s cílem dosáhnout, aby ESR bylo menší (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.
Matematický popis
Kapacita kondenzátoru Kapacita C kondenzátoru závisí na ploše S jeho desek, vzájemné vzdálenosti l (malé L) desek mezi sebou a permitivitě ε dielektrika mezi deskami:
Vzorec platí jen pokud je vzdálenost zanedbatelná k rozměrům plochy. S rostoucí vzdáleností přesnost klesá, protože u okrajů plochy není pole homogenní.
Na desku kondenzátoru s kapacitou C lze uložit elektrický náboj:
(Kapacita × Napětí) (Proud × Čas)
kde U je napětí mezi deskami kondenzátoru. Jednotkou kapacity je farad, který má v soustavě SI rozměr ]
Nabíjíme-li kondenzátor o kapacitě 1 F proudem 1 A, napětí na něm vzroste za každou sekundu o 1 V.
Napětí kondenzátoru Napětí na celé součástce lze vypočítat jednoduše:
Napětí na nabitém kondenzátoru je stejné, jako je napětí zdroje. Napětí mezi elektrodami je stejné jak v součástce, tak na vodiči, kterým bychom je spojili zvenčí. Napětí můžeme vyjádřit jako rozdíl elektrostatických potenciálů obou elektrod:
kde E je vektor elektrického pole mezi elektrodami, r1 a r2 jsou polohové vektory a l je vzdálenost desek.
Ve střídavém obvodu proud na kondenzátoru předbíhá napětí o 90°.
Energie nabitého kondenzátoru Je-li dielektrikum kondenzátoru lineární, pak pro energii elektrického pole akumulovanou v nabitém kondenzátoru platí
Energie je tedy v kondenzátoru uchovávána v podobě náboje (zatímco u cívky je v podobě elektromagnetického pole).
Proud procházející kondenzátorem Při řešení RLC obvodů pomocí diferenciálních rovnic se využívá následujícího vztahu:
Tento vztah se často zkráceně zapisuje:
Symetrie s cívkou Pokud ve všech vzorcích týkajících se kondenzátoru prohodíme napětí a proud, dostaneme adekvátní vzorce týkající se cívky. Symetrické jsou i další související jevy, např. piezoelektrický vs magnetostrikční, feroelektrický vs feromagnetický, elektroluminiscence vs magnetoluminiscence… a z nich plynoucí parazitní elektrické vlastnosti.
Druhy kondenzátorů vpravo|náhled|staré kondenzátory v různých provedeních: Špinavě žlutý dole, cihlově červený nahoře, dva světle zelené a dva malinké cihlově hnědé válečky jsou trubičkové keramické. Hnědý vpravo dole je slídový. světle šedý hříbkovitého tvaru a modré válečky jsou tantalové, stejně tak malý kovový nahoře (ale možná je to tepelná pojistka). Malé čtverečky a obdélníčky jsou destičkové keramické, ostatní (včetně světle modré a žluté oválné destičky) jsou svitkové. Černý čtvereček možná není kondenzátor.
Leydenská láhev je historicky první kondenzátor. Jedná se o skleněnou nádobu, na jejíž vnější i vnitřní straně jsou přilepeny (příp. napařeny) kovové vrstvy. Používala se k uchování náboje vzniklého ve Wimhurstově indukční elektrice.
Podle tvaru lze rozlišit kondenzátory deskové, válcové, kulové, svitkové (svinutý dlouhý vodivý pás oddělený izolantem).
Podle použitého dielektrika se kondenzátory dělí vzduchový vakuový svitkový – papírový (často papír napuštěný voskem nebo olejem) svitkový – plastový elektrolytický (dielektrikem je tenká oxidační vrstva na jedné z elektrod, druhou elektrodu tvoří samotný elektrolyt) keramický kapacitní dioda – varikap slídový tantalový (elektrolytický)
Deskový Nejjednodušší typ kondenzátoru, v současné době již téměř nevyužívaný, kromě speciálních vysokofrekvenčních aplikací, kde je vyžadováno velké napětí a jakost. Často bývají vakuové. Použití např. ve velkých vysílačích a urychlovačích částic.
Nejvyššího činitele jakosti dosahují vakuové kondenzátory s leštěným supravodivým povrchem.
Proměnný (laditelný) vpravo|náhled|UHF obvod s několikanásobným vzduchovým kapacitním trimrem. Přepážkou nahoru prochází průchodkový kondenzátor hnědé barvy. vpravo|náhled|dvojnásobný otočný ladicí kondenzátor. Zářezy ve vnějších plechách rotoru umožňují doladění průběhu kapacity ohýbáním plechu Proměnné kondenzátory dělíme na: Otočné kondenzátory – jsou konstruovány tak, aby je mohl ovládat uživatel. Vzduchový otočný kondenzátor je nejstarší typ proměnného kondenzátoru. Má dvě hlavní součásti rotor a stator. 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. Otočný kondenzátor umožňuje zasouváním desek mezi sebe měnit účinnou plochu desek, a tím i měnit kapacitu kondenzátoru. Desky mohou mít tvar polokruhu (kapacita pak závisí lineárně na natočení) nebo ledvinovitý (obvykle logaritmický průběh změny kapacity) Nejstarší byly vzduchové, v tranzistorových rádiích se začaly používat miniaturní s plastovými fóliemi mezi deskami. Dnes se pro podobné účely využívají varikapy, kde je kapacita ovládána vstupním napětím.
Kapacitní trimry – ladění nástrojem (typicky šroubovákem). Dielektrikem bývá vzduch, keramikaKeramický kapacitní trimr http://www.murata.com/~/media/webrenewal/support/library/catalog/products/capacitor/trimmer/t13e.ashx, plastPTFE kapacitní trimr http://media.wix.com/ugd/d86717_d77c5f8ea1b841218f3c83ea14835fd0.pdf, sklo a pod. Funkce může být podobná otočným kondenzátorům, malé kapacity bývají ve formě trubičky, do které se zasouvá kovový váleček. Ve starých zařízeních (např. elektronková rádia) nalezneme i tzv. hrníčkové provedení s koaxiálními žebry nebo silný lakovaný drát omotaný tenkým. Starší UHF obvody mohou obsahovat trimry s kruhovou deskou na šroubu – ladí se vzdálenost.
Keramický Speciální keramika s velkou permitivitou a malým ztrátovým činitelem. Většinou se vyrábí sintrováním keramického prachu při 1 100 až 1 900 °C do požadovaného tvaru. Vyrábí se především pro povrchovou montáž SMD, sortiment vývodového provedení se postupně zmenšuje. Výhodou je nízká cena, vysoká spolehlivost a velmi nízký ztrátový činitel (Hodnoty se velmi liší podle použitých dielektrik). Nevýhodou je u většiny běžně používaných typů malá přesnost kapacity a její velká závislost na teplotě. Obvykle dělíme na terčové (v minulosti se používaly v obvodech UHF) destičkové/čipové jednovrstvé (single layer) – kapacita do řádu nF až kolem 100 nF u větších provedení. Tyto kondenzátory mohou při větších rozměrech trpět mikrofonním efektem, případně produkovat zvuky. vícevrstvé (MLCC – multi layer chip capacitors)MLCC kondenzátory http://www.yageo.com/documents/recent/UPY-GPHC_X7R_6.3V-to-50V_18.pdf Výhodou je výrazné navýšení kapacity, eliminace mikrofonního jevu, minimální indukčnost (zpravidla blízko hranici dané rozměry pouzdra). s klasickým dielektrikem – kapacita do stovek nF, až několik µF u větších provedení s feroelektrickým dielektrikem – kapacita do stovek µFKeramický MLCC kondenzátor 220 µF http://ds.yuden.co.jp/TYCOMPAS/ut/detail.do?productNo=AMK325ABJ227MM-T&fileName=AMK325ABJ227MM-T_SS&mode=specSheetDownload&usg=AOvVaw0315wFqSGF8YIrOTqkJJux . Kapacita výrazně klesá s napětím. Při maximálním dovoleném napětí dosahuje 20-60 % nominální hodnoty. Horší vysokofrekvenční vlastnosti, což je ale při jejich hlavním použití pro vyrovnávání impulzní zátěže spíše žádoucí: Potlačení rezonance. Tyto kondenzátory v současné době postupně nahrazují tantalové elektrolytické. Hodnoty v řádu jednotek až desítek µF jsou zcela běžné, stovky µF se kvůli vysoké ceně moc nepoužívají a navíc jsou jen na malé napětí (2,5 až 6,3 V). trubičkové (v minulosti byly hojně využívány, než je prakticky zcela vytlačily destičkové), speciálním případem jsou průchodkové. Trubičkové kondenzátory byly mírně matoucí, protože na pohled připomínaly rezistory a díky posunutému značení se na nich mohl objevit popis připomínající odpor (např. 2k2 pak znamená 2,2 nF). Bezpečnostní (safety certified capacitors) – Keramické kondenzátory určené pro odrušování ve spínaných zdrojích, které se smějí zapojit mezi primární a sekundární vinutí (třída Y). Splňují podmínky norem pro izolaci spotřebičů třídy 2. Nominální napětí bývá několik stovek V AC, např. 275, krátkodobě vydrží přepětí několik kV DC i AC. Opakovaně vydrží průrazy. Při tom dojde ke zničení pokovení v okolí a tím se obnoví izolační stav. V důsledku toho ale poklesne kapacita. Tento jev bývá doprovázen hlasitým křupnutím. Přítomnost těchto kondenzátorů ve velkém počtu spotřebičů může způsobovat vypnutí proudového chrániče. Nejčastěji se tak děje, pokud byla z důvodu úspory nákladů na jeden chránič připojena moc velká část rozvodu. Vyrábějí se typicky kruhového tvaru ve vývodovém pouzdře, které má díky silné vnější izolaci charakteristicky oblý tvar. Stejně ale mohou vypadat i některé varistory. Kapacita desetiny až desítky nF. Limitována je i tím, že při daném AC napětí skrz ni musí procházet bezpečný proud.Bezpečnostní kondenzátory http://www.vishay.com/docs/22201/w1x.pdf Drtivá většina v současnosti vyráběných keramických kondenzátorů je MLCC v SMD provedení. Při nahrazení elektrolytických kondenzátorů keramickými se musí dávat pozor na možné rozkmitání lineárních stabilizátorů, protože starší konstrukce počítaly s vyšším sériovým ztrátovým odporem. Někdy se kvůli tomu do série s vysokokapacitními keramikami dává malý rezistor.
Slídový Slídové kondenzátory (mica capacitors) se vyznačují velmi vysokým činitelem jakosti (výrazně převyšuje i keramické kondenzátory), proto se dodnes používají. Ale jen ve speciálních aplikacích, kde je to nutné, protože jsou relativně drahé a mají malou kapacitu. Např. ve vysílačích, urychlovačích částic, magnetické rezonanci a pod. Kapacita v řádu desetin pF až desítek nFSlídové kondenzátory http://www.cde.com/resources/catalogs/MC.pdf.
Podobné vlastnosti mají i teflonové (PTFE) kondenzátory. Prodejci je často řadí do společné kategorie.