Součástky & VF

Vlastnostmi kondenzátoru v obvodu stejnosměrného proudu se zabýváme v kapitole o kondenzátorech. Víme tedy, že elektrickým obvodem, v kterém je zapojen kondenzátor, střídavý proud protéká. Je to tím, že kondenzátor se neustále nabíjí a vybíjí s frekvencí příslušného střídavého proudu. Jinak řečeno, pravidelně se střídá nabíjecí a vybíjecí proud. Přirozeně nás zajímá, jaký je vztah mezi napájecím napětím as protékajícím proudem.

Z obrázku je vidět, že vektory napětí a proudu svírají úhel φ=90°. Znamená to, že tu existuje fázový posuv mezi napětím a proudem. Vzhledem ke směru otáčení vektorů je jasné, že na před proniká proud a za ním s fázovým posuvem 90° postupuje napětí.

V obvodu střídavého proudu se napětí na kondenzátoru zpožďuje za proudem neboli proud předbíhá napětí. Skutečná velikost fázového posuvu se vždy liší od zakreslených 90°. Tato hodnota by mohla vzniknout pouze v ideálním případě, což vzhledem je známým vlastnostem součástek není reálné.

Existenci fázového posuvu potvrzuje i naše zkušenost s kondenzátorem připojeným ke stejnosměrnému napětí. Kondenzátor se začne nabíjet, přičemž ihned teče nabíjecí proud, zatímco napětí na kondenzátoru pozvolna stoupá. Zpoždění napětí za proudem je tu dobře patrné.

Vrátíme se ke střídavému proudu, abychom se zabývali další důležitou skutečností. Kondenzátor sice střídavý proud propouští, ale úměrně k velikosti své kapacity klade menší či větší odpor. Významnou roli tu hraje i frekvence střídavého proudu.

Na čem tedy závisí velikost proudu, který projde kondenzátorem?

Velikost elektrického proudu obecně určujeme množstvím elektronů neboli velikostí náboj, který proteče vodičem za jednotku času. Přitom platí, že elektrický náboj kondenzátoru je tím větší, čím vyšší je kmitočet střídavého proudu, tím menším odporem se kondenzátor projevuje. Jinak řečeno, obvodem teče větší proud.

Z chování kondenzátoru je zřejmé, že se nejedná o skutečný ohmický odpor, nýbrž o zdánlivý, v tomto případě kapacitní odpor. Značí se symbolem X_C. Z předchozího zjišťujeme, že kapacitní odpor X_c, který klade kondenzátor průchodu střídavého proudu, je nepřímo úměrný velikosti kapacity kondenzátoru a kmitočtu střídavého proudu.

Když jsme se zabývali časovým vektorem, zjistili jsme, že kmitočet sinusového průběhu odpovídá úhlové rychlosti ω. Jestliže frekvenci f doplníme konstantu úměrnosti 2φ, pak vztah mezi úhlovou rychlostí kruhového pohybu a frekvencí sinusového průběhu vyjadřuje rovnice: 2 φ f = ω.

Pro zdánlivý kapacitní odpor kondenzátoru potom platí:

Tento základní vztah platí výhradně pro základní jednotky, tj. pro ohmy, herzy a farady.

Doposud jsme se zabývali kondenzátorem, kterému bychom mohli přisoudit přízvisko „ideální“. Pouze v oblasti nízkých kmitočtů by jeho chování zhruba odpovídalo tomu, s čím jsme se doposud zabývali. V obvodech s vysokými kmitočty je situace výrazně odlišná.

Kromě svodového odporu, doprovázejícího všechny kondenzátory, se významně uplatňuje vlastní indukčnost kondenzátoru. Pomineme-li kondenzátory elektrolytické a s lepšími vlastnosti i kondenzátory tantalové – obojí vyhovují s výhradami v nízkofrekvenční technice, musíme pro vysokofrekvenční obvody vždy používat jiné typy. Vyrábějí se z jiných materiálů, s určením přímo pro vysokou frekvenci. A to ještě hledíme na konkrétní obvod, kde mají pracovat. Tím se míní, že není lhostejný jejich celkový rozměr, jejich přívody, velikost napětí v obvodu atd.

Kromě vlastní hmoty, tvořící dielektrikum kondenzátoru, nemalé obtíže způsobuje i délka přívodních vodičů. Ponechat centimetrové vývody u kondenzátoru he zcela nesmyslné již v obvodech k krátkými vlnami. V oblasti VHF by takto připojený kondenzátor mohl spolehlivě zastat funkci celého kmitavého obvodu, a to bez potřeby další indukčnosti – cívky. Proto v radě případů se musí kondenzáto připájet zcela bez přívodů.

Zvláštní skupinu kondenzátorů tvoří tzv. průchodkové kondenzátory. Již z názvu lze odvodit, že takovýto kondenzátor něčím prochází, v daném případě stěnou nebo spíše přepážkou. V principu se jedná o keramický trubičkový kondenzátor, jehož vnější elektroda se prostřednictvím připojeného kruhového terčíku buď připájí nebo přišroubuje k vodivé přepážce skříně. Jinak řečeno, tímto způsobem se uzemní. Předpokládá to předem vyvrtaný otvor se stěně, kterým se trubička kondenzátoru prostrčí. Z obou stran se k vnitřní elektrodě připájejí vodiče, zprostředkovávající rozvod napětí k jednotlivým vysokofrekvenčním obvodům.

Praxe je taková, že se k jedné straně přes rezistor R_F nebo tlumivku Tl přivede napájecí napětí, na druhé straně vodič pokračuje k vf obvodu. Kondenzátor tu funguje jako filtrační C_F. Napětí je zbavené střídavé složky, tedy filtrované.

Význam průchodkového kondenzátoru spočívá v tom, že zcela odpadne drátový přívod kondenzátoru k zemnění, ale především se od odděleného prostoru nedostane s rozvodem napětí ani milimetr vodiče, který by mohl být nositelem jakéhokoliv vf napětí. Tím se zamezí možnému vzniku vazeb, jak o nich bude ještě zmínka.

Přirozeně, s vyššími frekvencemi klesá potřebná kapacita kondenzátorů a tedy i jejich rozměr. S tím se zmenšuje vlastní indukčnost kondenzátorů. Přesto pro vysokofrekvenční techniku jsou kondenzátory vyrobené některými technologiemi nepoužitelné. Např. některé svitkové a polystyrenové „bezindukční“ kondenzátory, provázené malou vlastní indukčností, samy představují rezonanční kmitočet, nepřevyšující příliš 100 MHz. Na ještě vyšších kmitočtech se pak chovají jako tlumivka s paralelním odporem. Takové působení je těžko srovnatelné s činností kondenzátoru.

Miniaturní trubičkové kondenzátory jsou na tom o něco lépe, podle provedení mohou pracovat i přes 350 MHz. Pro pásmo UHF se hodí diskové keramické kondenzátory bez drátových přívodů. Svými polepy se pájejí přímo mezi vývody plošných spojů. Zcela běžně se uplatňují v technice MSD. Nové technologie přinášejí lepší parametry, takže v tomto směru jde vývoj rychle ku předu.

Nejde však jen o vlastní indukčnost kondenzátoru. Tu někdy výrazně zmenšíme paralelním řazením kondenzátorů. Indukčnost se takto zapojí paralelně, čímž u dvou kondenzátorů klesne na polovic, na rozdíl od kapacity, která se zdvojnásobí. S čím si však neporadíme, a co velmi nepříznivě zhoršuje vlastnosti kondenzátoru, je tzv. „ztrátový úhel delta“. Označuje se tg δ. Představujeme si, že tg δ je zvláštní druh odporu, který značně utlumí nebo zcela znemožní funkci kondenzátoru při vysokých kmitočtech.. Jednoduše řečeno, vf obvod s takovým kondenzátorem nepracuje.

O velikosti ztrátového úhlu rozhoduje materiál, z kterého je kondenzátor vyroben. Ale nenechme se mýlit, i zdánlivě stejný materiál, např. keramika, co do velikosti ztrátového úhlu velmi různí. Záleží na druhu keramiky. Třebaže je keramický kondenzátor ve vf obvodech jednoznačně nejpoužívanějším prvkem, nehodí se sem libovolný typ, i kdyby měl nepatrné rozměr. Nutno předem zjistit, jestli jer, či není určen k takovému účelu. Jinak je použitelný spíše do nízkofrekvenčních obvodů.

Ztráty na dielektriku, tedy v keramice samotné, se jeví jako paralelní odpor připojený ke kondenzátoru. Velikost ztrátového úhlu tg δ objasňuje následující vztah:

Je vidět, že ztráty v kondenzátoru způsobené ztrátovým úhlem tg δ, připojené jako paralelní R_p, znehodnotí kondenzátor tím více, čím se R_p projevuje menší hodnotou.

Nové materiály, a s tím související moderní technologie, soustavně zlepšují vlastnosti kondenzátorů pro vysokofrekvenční odvody. Vždy se však vyplatí předem zjistit zmiňované základní parametry.