Vidlákovo elektro 79. Keramický nekondenzátor 1.

10. července 2014 v 5:25 | Petr |  Vidlákovo Elektro
Už jsme tady měli "nediodu" a pokud čtete nadpis patrně si myslíte, že mi hrabe, protože jsem už probíral i "nekondenzátor" ale nehrabe - minule jsme totiž probírali elektrolytické nekondenzátory.

Takže si představte situaci - potřebujete velikou kapacitu, aby kondenzátor "vydržel navěky", aby měl malý vnitřní odpor alias ESR a vůbec, aby se choval pokud možno jako kondenzátor - jaké jsou možnosti ? Dáme tam elektrolyt - jenomže ten je "nekondenzátor" tedy má trvalý svod a navíc u solidních výrobců se dočtete nedobré zprávy ve stylu "životnost 2000 hodin při plné teplotě a proudu. Tak tam dáme "tantal" tedy taky elektrolyt, jehom místo hliníkové hmoty je vyroben z oxidů tantalu. "tantal" vydrží navěky, ale "zvedněte ruku komu neexplodoval tantal" ? Tedy tantal po počátečním zahoření vydrží navěky, ale do elektroniky pro dětičky bych jej raději nedával, protože "selhání tantalu" je vždy provázeno plamennými efekty.

Takže to vypadá, že jsme u konce - ještě existují fóliové kondenzátory - které se nejvíce podobají klasické konstrukci kondenzátoru - tedy mylarová fólie pokovená z obou stran - ty se i elektrickými parametry maximálně podobají "skutečnému kondenzátoru" ale kapacity jsou mizerné 100 nF fólivoý kondenzátor už je "obrovský" a my bychom tak potřebovali 100 uF tedy 1000x více.

Zdánlivá beznaděj se zdánlivě začala ztrácet tak před 10 lety kdy se najednou začaly objevovat keramické kondenzátory dříve nevídaných kapacit. Tedy kdysi 100 nF byla běžná hodnota vhodná jako filtrační kondenzátor, ale už 470 nF byla lehká exotika a nad 1 mikroFarad ? Zbláznili jste se ? Dneska když se podíváte do katalogů předních světových dodavatelů tak keramický kondenzátor o kapacitě 22uF a velikosti 0805 - tedy "sotva viditelná bleška" je běžný. Znamená to že jsme konečně v "kondenzátorovém ráji" ? Bohužel neznamená a mně osobně na to upozornil "pisklavý Australan Dave Jones", který varoval před tím, že "moderní keramické kondenátory" mají kapacitu silně závislou na externím napětí, které na kondenzátoru je. Na závěr svého videa si stěžoval, že nemá čas prozkoumat fyzikální podstatu tohoto jevu.

Jelikož jsem sám trpěl iluzí, že s moderními keramikami jsme v "kondenzátorovém rájí" tak jsem z čiré frustrace důkladně prozkoumal fyzikální podstatu moderních keramických kondenzátorů a spíše kondenzátorů vůbec - a opravdu kromě fóliových kondenzátorů a keramik typu NPO člověk aby "opravdový kondenzátor" lupou hledal.

Tedy co je to opravdový kondenzátor - určitě si pamatujete pomůcku z kabinetu fyziky - dvě desky které se dají oddalovat a přibližovat k sobě, ale první "opravdový kondenzátor" byla "Leidenská lahev". tedy skutečná flaška, která měla (v době kdy byl hliník ještě drahý) postříbřený vnitřek i vnější stranu. Stříbrná vrstva uvnitř flašky sloužila jako elektroda, která jímá náboj a vnější postříbření sloužilo jako zem. Výrobou různých flašek "staří fyzici" brzy zjistili, že čím je flaška větší a čím má tenčí stěny tím pojme více elektrického náboje. A z toho se zrodil vzoreček pro kapacitu kondenzátoru, který nerad ale musím sem dát.


Ve vzorečku to vidíme jasně čím větší je plocha elektrod "S" a čím menší je vzdálenost mezi nimi "d" tím je kapacita větší. Pak zbývají ještě záhadné koeficienty - Epsilon0 je "permitivita vakua" a Epsilonr je "relativní permitivita" materiálu mezi deskami - tedy kolikrát je materiál mezi deskami "permitivnější" než vakuum. Jestli se ptáte co je to "permitivita" - prosím nečintě tak - jako starý latiník vám můžu říci jedině, že "permitto" křičeli římští legionáři když leželi na zádech a barbaři jim mířili oštěpem na krk - a znamená to "vzdávám se" - sám tedy permitivitu chápu jako vlastnost jak se materiál "poddává elektrickému náboji" - je li mezi čtenáři fyzik ovládající Maxwellovy rovnice - ať se ozve uděláme vidláky na toto téma.

Finta - jak vyrobit veliký kondenzátor je jasná - musíme mít veliké S a malinkaté d - takhle to dělají elektrolytické kondezátory, kde jedna elektroda je hliníková "pěna" pokrytá jen několik molekul tlustou vrstvičkou AL2O3 - což je oxid hlinitý shoppaholičkám známý jako drahokam "safír". Safírová (oxidová) vrstva se průchodem proudu neustále obnovuje a elektrolyt je tedy "samoopravný" do té doby dokud elektrolytická náplň - roztok ve formě gelu - který tvoří druhou elektrodu nevyschne.

Fóliové kondenzátory jdou taky touto cestou, ale tam je jasné, že 2x více smotané fólie = 2x větší objem kondenzátoru.

Moderní keramické kondenzátory na to jdou tak, že jejich hmota je "exotická keramika" která jednak má celkem veliký povrch elektrod, ale hlavně má "relativní permitivitu" astronomicky vysokou - tedy staré "keramiky" typu 100n filtrační kond měly keramiku s permitivitou 50 -100. "Moderní keramiky" mají permitivitu 5000 - 10 000. Příroda je mrcha - takže když jisté pro nás užitečné vlastnosti materiálu zvětšíme 100x je jasné, že začne fungovat "dábel se skrývá v detailech" a celá věc "dostane nějaký háček".


Takže "exotická keramika" má opravdu exotické vlastnosti a hlavně její "permitivita" závisí na intenzitě okolního elektrického pole - tedy kapacita "nových keramik" klesá prudce s vloženým stejnosměrným napětím a to tak, že při jmenovitém napětí, na které je kondenzátor stavěn dosahuje obvykle jen 10% nominální hodnoty, která se měří při nulovém DC napětí na kondenzátoru. Tedy nové keramické kondenzátory mají tak výraznou závislost kapacity na napětí, že "klasické varikapy" před nimi blednou závistí.

Jako obvykle jsem sám sebe zcela vyčerpal, dříve než jsem se dostal k "fyzikální podstatě" proto dnešek uzavřeme heslem "bacha na keramické kondy nad 1 uF" a taky radou paní Kubáčové novomanželkám : letní vedra vedou k dilataci cév - mimo jiné i na nohou - proto v létě jehlové lodičky nepříjemně tlačí, pokud i přesto nechcete zahodit "erotický aspekt" svých outfitů potěště (novo)manžela erotickými korkáči na platformě.
 

Buď první, kdo ohodnotí tento článek.

Komentáře

1 m.marianek m.marianek | 10. července 2014 v 12:04

No vida a pak že velkokapacitní varikapy nejsou, dobrá zpráva pro konstruktéry nízkofrekvenčních RC oscilátorů :-)).
Fyzikální podstata tohoto jevu bude patrně stejná jako nasycení feromagnetických materiálů. Feromagnetismus funguje na principu natáčení elementárních (mikroskopických) magnetických dipólů, jakmile se natočí naprostá většina dipólů, další vedení mag. pole se nekoná a s rostoucí intenzitou se mag. tok zvětšuje stejně jako by tam byl jen vzduch. U kondenzátoru dielektrikum natáčením svých elektrických dipólů zeslabuje elektrické pole desek a tak se tam při stejném napětí vleze víc náboje. Zatímco u normálních materiálů se dipóly natáčejí ze svých poloh jen trochu a pak již je síla pole tak velká, že dojde k průrazu, tak u těchto "exotických materiálů" se pravděpodobně může struktura natáčet až do úplného srovnání dipólů ve směru pole, tím se materiál nasytí a kapacita klesne.

2 Marek Marek | 10. července 2014 v 13:22

Pane Kubáč,

Optimisté futurologové by mohli říci, že někteří kutilové si v budoucnu budou vyrábět vlastní elektrotechnické součástky doma. Třeba OLEDky.
http://education.mrsec.wisc.edu/nanolab/oLED/index.html

P.S. Jerry si vařila polovodiče na kuchyňském sporáku.

3 Bystroushaak Bystroushaak | 11. července 2014 v 12:05

Bylo by možné napsat i díl o superkondenzátorech?

4 Gornarok Gornarok | 15. července 2014 v 14:40

Je to hezká náhoda, že jste se trefil zrovna kdy jsem se danou problematikou sám zabývat.

Co se týče kondenzátorů, vypadá to, že jdou sehnat i solidní keramické kondenzátory které ztratí pouze 20% při max napětí (AVX). Tedy pokud tomu dobře rozumím kolonka load life: dC<12,5% při 1,5 rated voltage. http://www.farnell.com/datasheets/759405.pdf

Mě osobně zajímá jak se poprat s keramickými kondenzátory ve spínaných zdrojích, respektive jaký charakter má napětí na výstupním kondenzátoru. Je to DC napětí např 12V a keramický kondenzátor mi spadne na 50% tedy musím použít 2x tolik kondíků? Nebo jak byste to řešili?

5 Gornarok Gornarok | 15. července 2014 v 14:42

P.S. omlouvám se za překlepy...

6 Gornarok Gornarok | 15. července 2014 v 14:45

A ještě mě napadlo když jsme u keramických kondenzátorů. Netušíte jak je to s tepelnou odolností?

Respektivě X5R znamená +/-15% dC na -55 - +85°C X7R je +/-15% dC na -55 - +125°C

Netušíte jestli to je pouze definovaná tolerance změny kapacity nebo bude X5R při 90-100°C degradovat?

7 m.marianek m.marianek | 15. července 2014 v 14:49

[4]: U spínaných zdrojů nejde ani tak o kapacitu filtračních kondenzátorů, jako spíš o jejich vnitřní odpor (ESR). Na tak vysokých frekvencích je jejich kapacita více než dostačující a zvlnění, které se na nich objeví není ani tak důsledek nabíjení a vybíjení kapacity, jako spíš úbytek na seriovém odporu při průchodu impulzního proudu.

8 petr-kubac petr-kubac | 15. července 2014 v 15:06

[4]: Pokud máte spočtený filtr na určitou kapacitu je třeba tuto kapacitu dodržet při daném výstupním napětí - což by ve vašem případě znamenalo 2x tolik kondenzátorů.

Pokud ale stavíte podle návodu někoho jiného - asi bych konstrukci výstupního filtru orientačně přepočetl, protože nidky nevíte jestli autor o "mrchovitých" vlastnostech keramik tuší, nebo netuší

9 Miloslav Ponkrác Miloslav Ponkrác | 26. června 2016 v 15:35

Jinak řečeno, permitivita není skalární konstanta, ačkoli si to tak elektronici představují. Konstantní permitivita je pouze pro lineární, homogenní a isotropické látky - což se vyskytuje jen jednou za miliardu let.

Reálně je permitivita nekonstantní,  čistě komplexní číslo (= závisí na frekvenci napětí/proudu) nebo dokonce tensorem.

Permitivita není nic jiného, než podíl mezi elektrickou polarizací materiálu a elektrickou intenzitou pole. A je jasné, že polarizovat jde jen do určité míry, takže jakmile elektrickou polarizaci (= přiložené elektrické pole * permitivita) nabudíte do určitého čísla, pak už se dál nepolarizuje. Úplně stejné je to s magnetickým polem a magnetickou indukcí.

10 Miloslav Ponkrác Miloslav Ponkrác | 26. června 2016 v 15:44

Nějak se mi to předčasně odeslalo.

K poslednímu odstavci jsem chtěl dodat: Právě dosažení maxima polarizace se navenek projevuje jako snižování permitivity materiálu (snižuje se podíl polarizace / intenzita pole). A když se snižuje permitivita, tak ze vzorečku v článku vyplývá, že se snižuje navenek kapacita kondenzátoru.

Takže přivádíte-li na kondenzátor větší a větší napětí (= zvyšujete intenzitu elektrického pole v něm), znamená to, že chcete po něm větší a větší polarizaci - ale ta už ke konci neroste lineráně přímo úměrně, ale pomaleji. Tedy klesá permitivita, a tím kapacita kondenzátoru.

Jinak řečeno, všechny "nekondenzátorové" efekty kondenzátoru vyplývají z toho, že lžeme o tom, že permitivita je konstanta. Proto kondenzátory, kde se kapacita nahání plochou elektrod jsou "kondenzátorovější".

Komentáře jsou uzavřeny.


Aktuální články

Reklama