Kondenzátor

Existují také polyfenylen sulfid (PPS), polykarbonát (PC) (přesné kondenzátory), polyimid (PI), teflon ( polytetrafluorethylen PTFE).

Řada normálních hodnot

Seznam dostupných hodnot je definován normou IEC 60063 .

Když je napětí u udržováno mezi svorkami rovinného kondenzátoru, je stanoveno mezi jeho deskami, vzdálené od stejnoměrného elektrického pole Е kolmého k deskám.

Každé dielektrikum se vyznačuje elektrickým polem, které vydrží. Toto pole, nazývané rušivé pole, představuje hranici, po jejímž překročení mezi dvěma armaturami vystřelí jiskra, která způsobí vybití kondenzátoru, obvykle doprovázené jeho zhoršením: jedná se o rozpad kondenzátoru.

Označení

Hodnota elektronických kondenzátorů je na jejich pouzdrech vyznačena ve čtyřech hlavních formách. Na kondenzátorech je dostatečná velikost, aby se do nich vešel nápis (například: 10  µF ). Znak µ je někdy transformován na písmeno u jako v 10 uF. Výrobce může použít relativně neobvyklý barevný kód IEC 60757, s výjimkou určitých kondenzátorů v plastových pouzdrech. Nejčastěji na kondenzátorech se skromnou velikostí a normální přesností je hodnota zaznamenána v pikofaradech (pF) ve formátu XXY, kde XX jsou první dvě číslice hodnoty a Y je hodnota exponentu deseti ve vědecké notaci .

Například význam následujících označení je:

• 474 znamená 47 × 10 4  pF (47 × 10 4 x 1 × 10 −12  F = 47 × 10 −8  F ) nebo 470  nF ,
• 101 znamená 100  pF ,
• 220 znamená 22  pF  ;
• 684 znamená 680 000  pF nebo 680  nF nebo 0,68  uF .

Poslední způsob značení kapacitní hodnoty na kondenzátorech vypadá jako ten první, je tedy „jasný“, pokud víme, že čtecí jednotkou je mikrofarad [µF]. Pokud je označeno:

• 4,7 to znamená 4,7  µF ,
• 68 odpovídá 68  uF
• 0,022 odpovídá 22  nF

to znamená, že pokud je označená hodnota desítkové nebo 2místné číslo, hodnota se načte v mikrofaradech.

Výpočet obvodů s jedním nebo více kondenzátory

Intenzita, která cirkuluje ve větvi, kde je kondenzátor přítomen, nezávisí přímo na napětí na svorkách tohoto kondenzátoru, ale na změně tohoto napětí. Jeden tedy obecně píše rovnici (v konvenci přijímače, což je zatížení výztuže, na kterou dorazí ): q{\ displaystyle q}i{\ displaystyle i}

i=dqdt{\ displaystyle i = {\ frac {dq} {dt}} \,}

s:

• q: zatížení výztuže v coulombech ,
• t: čas v sekundách .

q=VS⋅u{\ displaystyle q = C \ cdot u \,}

i=VS⋅dudt{\ displaystyle i = C \ cdot {\ frac {du} {dt}} \,}

s:

• C: kapacita kondenzátoru ve faradech .

Můžeme tedy odvodit impedanci kondenzátoru napájeného napětím, které je periodickou funkcí času:

Z=UJá=1VSω{\ displaystyle Z = {U \ nad I} = {1 \ nad C \ omega} \,}

kde U a I jsou efektivní hodnoty napětí a proudu.

Komplexní transformace aplikuje na napětí a proudu umožňuje stanovit komplexní impedance:

Z_=U_Já_=1jVSω=-jVSω{\ displaystyle {\ underline {Z}} = {\ frac {\ podtržení {U}} {\ podtržení {I}}} = {1 \ over jC \ omega} = - {\ frac {j} {C \ omega }} \,}

Tyto vztahy jasně ukazují, že kondenzátor se chová jako otevřený obvod (nekonečná impedance) pro přímé napětí a má tendenci se chovat jako zkrat (nulová impedance) pro vysoké frekvence. Z těchto důvodů se používají k výrobě filtrů , v kombinaci s odpory , že aktivní složky (tzv aktivního filtru , když se reaktivní komponenty - kondenzátor nebo induktory - jsou používány ve smyčce proti zpětné vazby na zesilovač ), a / nebo induktory. Použití induktorů je však obecně omezeno na vysokofrekvenční ( radiokomunikační ) aplikace, pro které nejsou nutné vysoké hodnoty, nebo na aplikace, ve kterých není k dispozici napájecí zdroj pro implementaci aktivního filtru a / nebo pro které jsou vysoké výrobní náklady cívka s velkou hodnotou nemá významný dopad na celkové náklady (například u filtrů pro oddělení kanálů u kvalitních reproduktorů ).

Kondenzátor ukládá energii v elektrické formě.

Tato energie E (jouly) je vyjádřena jako funkce její kapacity C (farady) a jejího náboje q (coulomby) (nebo jeho napětí u) podle:

E=12VSu2=q22VS{\ displaystyle E = {\ frac {1} {2}} Cu ^ {2} = {\ frac {q ^ {2}} {2C}}}

Všimli jsme si, že tato energie je vždy kladná (nebo nulová) a že se zvyšuje s druhou mocninou náboje nebo napětí.

Tyto vlastnosti jsou analogické vlastnostem kinetické energie hmoty m pohybující se rychlostí v.

P=dEdt{\ displaystyle P = {\ frac {dE} {dt}}}

dE=P×dt{\ displaystyle dE = P \ krát dt}

dE=uJá×dt{\ displaystyle dE = uI \ krát dt}

dE=u×dqdt×dt{\ displaystyle dE = u \ krát {\ frac {dq} {dt}} \ krát dt}

dE=u×dq{\ displaystyle dE = u \ krát dq}

Víme, že q=VSu{\ displaystyle q = Cu}

dE=u×d(VSu){\ displaystyle dE = u \ krát d (Cu)}

dE=u×VSdu{\ displaystyle dE = u \ krát Cdu}

dEdu=u×VSdudu⇔dEdu=u×VS{\ displaystyle {\ frac {dE} {du}} = {\ frac {u \ times Cdu} {du}} \ Leftrightarrow {\ frac {dE} {du}} = u \ times C}

E=12VSu2{\ displaystyle E = {\ frac {1} {2}} Cu ^ {2}}

Další způsob, jak to vidět přímým výpočtem energie:

E=∫0∞p(t).dt{\ displaystyle E = \ int _ {0} ^ {\ infty} p (t) .dt}

E=∫0∞u(t).i(t).dt{\ displaystyle E = \ int _ {0} ^ {\ infty} u (t) .i (t) .dt}

E=∫0∞u(t).VS.dudt.dt{\ displaystyle E = \ int _ {0} ^ {\ infty} u (t). C. {\ frac {du} {dt}}. dt}

E=VS.∫0∞u(t).du{\ displaystyle E = C. \ int _ {0} ^ {\ infty} u (t) .du}

E=VS[u22]0∞{\ displaystyle E = C \ left [{\ frac {u ^ {2}} {2}} \ right] _ {0} ^ {\ infty}}

E=VS2.(u2[∞]-u2[0]){\ displaystyle E = {\ frac {C} {2}}. \ left (u ^ {2} [\ infty] -u ^ {2} [0] \ right)}

S:

u[0]=0{\ displaystyle u [0] = 0}

u[∞]=U{\ displaystyle u [\ infty] = U}

získáváme také očekávaný výsledek:

E=12.VS.U2{\ displaystyle E = {\ frac {1} {2}}. CU ^ {2}}

Je možná ještě další ukázka: Předpokládejme, že byl původně vybitý kondenzátor (tedy nulový potenciál). Chceme kondenzátor připojit na potenciál (rovný rozdílu potenciálů mezi dvěma armaturami). Přinášíme na rám spoustu nákladu . Tato operace stojí základní práci: u{\ displaystyle u}dq{\ displaystyle dq}

δŽ=u.dq{\ displaystyle \ delta W = u.dq}

Abychom získali celkovou práci, integrujeme od 0 do požadovaného potenciálu . u{\ displaystyle u}

Ž=∫0uδŽ=∫0uu.dq{\ displaystyle W = \ int _ {0} ^ {u} \ delta W = \ int _ {0} ^ {u} u.dq}

Ž=∫0uu.VS.du{\ displaystyle W = \ int _ {0} ^ {u} uCdu}

Ž=VS[u22]0u{\ displaystyle W = C \ left [{\ frac {u ^ {2}} {2}} \ right] _ {0} ^ {u}}

Ž=12.VS.u2{\ displaystyle W = {\ frac {1} {2}}. Cu ^ {2}}

Elektrická energie P přijímaná kondenzátorem je:

P=d(VS×u22)dt =u⋅VSdudt =u×i,{\ displaystyle P = {\ frac {d \ left (C \ times {\ frac {u ^ {2}} {2}} \ right)} {dt}} \ = u \ cdot C {\ frac {du} {dt}} \ = u \ krát i,}

Který je derivát energie oznámené dříve (v konvenci přijímače).

Pokud je výkon kladný (přijatý výkon), tato energie se zvyšuje, kondenzátor je nabitý. Naopak, když se kondenzátor vybije, energie klesá, energie je záporná: je kondenzátorem přenášena do vnějšího světa.

Ve výsledku je obtížné rychle měnit napětí na svorkách kondenzátoru, tím spíše, že hodnota jeho kapacity je vysoká. Tato vlastnost se často používá k potlačení nežádoucích změn napětí (filtrování).

Naopak je možné velmi rychlé vybití kondenzátoru při nízkém použití elektrického odporu. Významná energie je dodávána ve velmi krátkém čase (tedy s velmi silným výkonem). Tato vlastnost se používá mimo jiné v elektronických blescích a pulzních laserových napájecích zdrojích.

Je lepší hovořit o přijaté (nebo přenesené) energii než o spotřebované .

Tento poslední kvalifikátor naznačuje, že přijímaná energie je „ztracena“ nebo alespoň rozptýlena. To je případ rezistoru, který „spotřebovává“ elektrickou energii, vždy pozitivní Jouleovým efektem , přičemž „spotřebovaná“ energie Joule je zapsána:

PJ=R×i2,{\ displaystyle P_ {J} = R \ krát i ^ {2},}

Zákony o sdružení

Paralelní asociace

Když jsou dva kondenzátory umístěny paralelně, a proto jsou vystaveny stejnému napětí, proud skrz tuto sadu je součet proudů skrz každý z kondenzátorů. To má za následek, že celkový elektrický náboj uložený touto sestavou je součtem poplatků uložených každým z kondenzátorů, které jej tvoří:

Q=Q1+Q2=VS1U+VS2U=(VS1+VS2)U=VSEqU{\ displaystyle Q = Q_ {1} + Q_ {2} = C_ {1} U + C_ {2} U = (C_ {1} + C_ {2}) U = C_ {eq} U \,}

proto:

VSEq=(VS1+VS2){\ displaystyle C_ {eq} = (C_ {1} + C_ {2}) \,}

Tuto úvahu lze zobecnit na n kondenzátorů paralelně: kondenzátor ekvivalentní paralelně s n kondenzátory má pro kapacitu součet kapacit uvažovaných n kondenzátorů.

Maximální napětí, které sestava vydrží, je napětí kondenzátoru, jehož maximální napětí je nejnižší.

Sériové sdružení

Pokud jsou dva kondenzátory zapojeny do série, a proto jsou vystaveny stejnému proudu, znamená to, že náboj uložený každým z nich je identický.

Q=Q1=Q2=VS1U1=VS2U2=VSEqU{\ displaystyle Q = Q_ {1} = Q_ {2} = C_ {1} U_ {1} = C_ {2} U_ {2} = C_ {eq} U \,}

nebo

U=QVSEq=U1+U2=QVS1+QVS2{\ displaystyle U = {\ frac {Q} {C_ {eq}}} = U_ {1} + U_ {2} = {\ frac {Q} {C_ {1}}} + {\ frac {Q} { C_ {2}}} \,}

odkud

1VSEq=1VS1+1VS2{\ displaystyle {\ frac {1} {C_ {eq}}} = {\ frac {1} {C_ {1}}} + {\ frac {1} {C_ {2}}} \,}

Tato úvaha je zobecnitelná na n kondenzátorů, z toho lze odvodit, že kondenzátor ekvivalentní n kondenzátorům v sérii má inverzní k jeho kapacitě součet inverzí kapacit uvažovaných n kondenzátorů.

Toto sdružení je obecně sdružení n identických kondenzátorů s cílem získat soustavu, jejíž maximální napětí, které vydrží, se rovná nnásobku použitého kondenzátoru, a to za cenu dělení kapacity n .

Vysokofrekvenční modelování

Kondenzátory se velmi často používají ve vysokofrekvenčních obvodech. Na těchto frekvencích mohou parazitické prvky významně změnit vypočítané hodnoty. Obecně platí, že do frekvencí několika gigahertzů je třeba vzít v úvahu dva parazitní prvky: indukčnost případu a ekvivalentní sériový odpor. Zavedení těchto dvou parazitických prvků je zásadní, zejména pro simulaci obvodů přesahujících několik set MHz.

Nyní můžeme vzít v úvahu, že drtivá většina kondenzátorů používaných při vysokých frekvencích jsou keramické a povrchové komponenty. Zde se tedy uvažuje především o tomto typu kondenzátoru.

Model kondenzátoru SMD se proto bude skládat ze tří prvků v sérii: jmenovitá kapacita C, ekvivalentní sériový odpor Rs a indukčnost případu L.

Odpor Rs se skládá nejen z ohmického odporu, ale také z fiktivního sériového odporu představujícího dielektrické ztráty. U kondenzátorů s keramikou NP0 bude hodnota tohoto odporu obvykle mezi 0,1 a 1 ohmem. Pokud chceme nižší odpor rs, zejména kvůli snížení ztrát filtrů VHF a UHF, budeme muset použít takzvané kondenzátory s „vysokým Q“ a nad 2 nebo 3  GHz bude nutné použít pouze kondenzátory určené pro mikrovlnné ... nebo distribuované kondenzátory vyrobené s vlastním tištěným obvodem.

Sériová indukčnost se bude lišit podle případu (zvyšuje se také o indukčnost stop, o které zde nemluvíme ...). U jednotek CMS 1206 je tato indukčnost řádově 2 nH. U balíčku 0603 to bude řádově 0,5 nH. Abychom byli přesvědčeni o důležitosti této indukčnosti, stačí ověřit, že na 1,5  GHz kondenzátor 10  pF v pouzdru 1206 již není kondenzátor, ale induktor.

Na několika stovkách MHz bude simulace obvodu vyžadovat ještě jemnější modelování kondenzátoru a jeho stopy. Celá bude považována za přenosovou linku . Poté musíme zavést charakteristickou impedanci vedení, funkci šířky kondenzátoru a dráhy a tloušťky podkladu, na kterém je umístěn.

Inovace a předvídavost

Nový válcový kondenzátor ( průměr 40  mm , délka 110  mm , pro napětí 3,8  V až 2,2  V ) lithium , vyráběný japonskou firmou Shin-Kobe Electric Machinery, nabízí podle výrobce nízké samovybíjení (2% z 1000 hodin při 60  ° C ), pro hustotu energie 10,1  Wh / l (odpovídá kapacitě 1,37  Wh ), kterou lze překonat vysokými proudy (až 300  A ). Jeho provozní teplota je mezi -20  ° C a 80  ° C .

Poznámky a odkazy

1. (in) CapSite - keramické kondenzátory , web my.execpc.com.
2. (in) Yunstar Electronic - Archivovaná kopie filmových kondenzátorů “ (verze z 6. srpna 2018 v internetovém archivu ) , web .yunstar.net.
3. (in) Cornell Dubillier, filmové kondenzátory .
4. Eurofarad - Kondenzátory pro vysokofrekvenční spínané napájecí zdroje „Archivovaná kopie“ (verze 6. srpna 2018 v internetovém archivu ) .
5. (in) Revox Rifa, SMD plastové filmové kondenzátory pro vysokoteplotní aplikace .
6. (en) + [PDF] AVX, Výkonové charakteristiky vícevrstvých skleněných dielektrických kondenzátorů „Archivovaná kopie“ (verze 6. srpna 2018 v internetovém archivu ) , na avx.com.
7. (in) Reading Capacitance Values „archivovaná kopie“ (verze ze 6. srpna 2018 v internetovém archivu ) , web play-hookey.com.
8. Tech-On! , 22 leden 2010 , reprodukován bulletinu štoly BE ADIT, Japonsko n o  528 (2010/02/01) z francouzského velvyslanectví v Japonsku.

Bibliografie

• (en) Principy a aplikace elektrotechniky (viz vzorec 1.1)

Podívejte se také

Související články

• Elektrická kapacita
• Nanokapacitor
• Superkondenzátor
• Obvody RC , LC a RLC
• Vybití kondenzátoru
• Coltan
• Láhev Leyden

externí odkazy

• (en) Porovnávací tabulka dielektrických vlastností AVX
• (en) Panasonic Technical Data of Conductive Polymer Hybrid Aluminium Electrolytic Capacitors, March 2016 (DMF0000COL42)
• (en) Nelineární - prvek elektronického obvodu nelineárního typu s vlastnostmi kondenzátoru řízeného prohlubováním náboje založeného na formě nelineární diferenciální rovnice

<img src="https://fr.wikipedia.org/wiki/Special:CentralAutoLogin/start?type=1x1" alt="" title="" width="1" height="1" style="border: none; position: absolute;">