Přeskočit na hlavní obsah

04 – Nepolarizované kondenzátory

Kondenzátor si pamatuje energii — a pak ji zase vrátí. Vidíš to na bliknutí LED.

Zapojení​

Deska 04 – nepolarizované kondenzátory

  • SW1 — nabíjí kondenzátor C1 (připojí ho na +5 V)
  • SW2 — vybíjí C1 přes R1 (1 kΩ) do LED1

Co je kondenzátor?​

Kondenzátor je součástka, která dočasně ukládá elektrický náboj — funguje jako malý zásobník energie.

Představ si prázdnou nádobu na vodu. Když otevřeš kohoutek (SW1), naplní se. Pak kohoutek zavřeš, otevřeš druhý (SW2) a voda vytéká ven — v tomto případě přes LED.

Vyzkouš to​

  1. Stiskni a chvíli drž SW1 — kondenzátor se nabije na 5 V.
  2. Pusť SW1.
  3. Stiskni SW2 — kondenzátor se vybije přes R1 do LED1. LED krátce zabliká a zhasne.

Bliknutí je rychlé, protože C1 je malý — nemá kde uložit moc náboje.

Nepolarizovaný = nezáleží jak ho otočíš​

C1 na této desce je keramický nebo fóliový kondenzátor — nemá kladnou ani zápornou stranu. Zapojíš ho libovolně. (Deska 05 ukáže rozdíl, když na polaritě záleží.)

Nabíjení, vybíjení a časová konstanta​

Kapacita​

Kapacita C (měříme ve faradech, F) udává, kolik náboje kondenzátor pojme na jeden volt:

Q=C⋅UQ = C \cdot U

kde Q je náboj [C — coulomby], C kapacita [F — farady] a U napětí [V].

Keramické kondenzátory mívají hodnoty od jednotek pikofaradů (pF) po desítky mikrofaradů (μF).

Časová konstanta RC​

Vybíjení kondenzátoru přes odpor není okamžité — napětí klesá exponenciálně s časovou konstantou:

τ=R⋅C\tau = R \cdot C

kde τ je časová konstanta [s], R odpor [Ω] a C kapacita [F].

Průběh napětí při vybíjení:

U(t)=U0⋅e−t/τU(t) = U_0 \cdot e^{-t/\tau}

Po době τ klesne napětí na 37 % počáteční hodnoty. Po 3τ je pod 5 % — prakticky vybitý.

Příklad pro tuto desku​

Řekněme C1 = 100 nF, R1 = 1 kΩ:

τ=1000×100×10−9=0,1 ms\tau = 1000 \times 100 \times 10^{-9} = 0{,}1\,\text{ms}

LED svítí jen zlomek milisekundy — proto bliknutí vypadá jako záblesk, ne jako plynulé doznívání. Větší kondenzátor by LED nechal svítit déle.

Energie, impedance a frekvenční chování​

Energie uložená v kondenzátoru​

Kondenzátor neuložuje náboj zadarmo — uloží v elektrickém poli energii:

E=12CU2E = \dfrac{1}{2} C U^2

Nabitý kondenzátor 100 nF na 5 V obsahuje:

E=12×100×10−9×25=1,25×10−6 J=1,25 μJE = \dfrac{1}{2} \times 100 \times 10^{-9} \times 25 = 1{,}25 \times 10^{-6}\,\text{J} = 1{,}25\,\mu\text{J}

Malé číslo — ale v superkondenzátorech (faradech!) se to rychle mění.

Impedance kondenzátoru​

Kondenzátor se pro střídavý signál (AC) nechová jako konstantní odpor — jeho impedance závisí na frekvenci:

ZC=1jωC,∣ZC∣=12πfCZ_C = \dfrac{1}{j\omega C}, \quad |Z_C| = \dfrac{1}{2\pi f C}

Při vysokých frekvencích impedance klesá → kondenzátor „propouští" AC a blokuje DC. Tohoto chování se hojně využívá:

  • Vazební kondenzátor (coupling cap) — propustí AC signál, zastaví DC offset
  • Bypass kondenzátor — zkratuje VCC na GND pro AC rušení, stabilizuje napájecí napětí

Typy nepolarizovaných kondenzátorů​

TypKapacitaVlastnosti
Keramický (MLCC)pF – 100 μFMalý, levný, vhodný pro HF
FóliovýnF – μFNízké ztráty, stabilní, audio aplikace
Slídový (mica)pF – nFVelmi stabilní, HF/RF technika

Keramické kondenzátory třídy X5R/X7R mají kapacitu závislou na napětí a teplotě — ve velmi přesných aplikacích je nutné to vzít v úvahu.

Doporučená literatura​

  • Horowitz & Hill: The Art of Electronics — kapitola o kondenzátorech
  • Razavi: Design of Analog CMOS Integrated Circuits — RC obvody