Elektrická kapacita je schopnosť vodivého telesa akumulovať elektrický náboj. Kapacitná hodnota kondenzátora je odvodená pomocou vzorca:

kde C je kapacita, Q je množstvo náboja uloženého na každej elektróde a V je napätie medzi dvoma elektródami udávané vo voltoch. V bežných obvodoch sa množstvo náboja na jednej doske rovná množstvu náboja na druhej doske kondenzátora, ale tieto dva náboje majú rôzne znaky. Skúmaním tohto vzorca sa dá odvodiť, že kondenzátor 1 F udrží 1 C náboja, keď je na jeho dva vývody pripojené napätie 1 V.

Jednotka kapacity

Jednotkou kapacity je Farad [F]. Táto jednotka však môže byť pre bežné hodnoty trochu nepraktická. Z pohľadu väčšiny elektrotechnikov je jeden farad obrovská kapacitná hodnota. Väčšina elektronických obvodov používa kondenzátory iba do pár mF. Existuje pre to niekoľko dobrých dôvodov.

Jedným z dôvodov je, že pri narábaní so signálmi v elektrickom obvode, keď sa zvyšuje frekvencia signálu, klesá potreba vysokokapacitných kondenzátorov, pretože pri vyšších frekvenciách môže mať aj malý kondenzátor na obvod veľký vplyv. Pretože väčšina moderných digitálnych obvodov má tendenciu smerovať k vyšším frekvenciám, aby uspokojila požiadavky na zvýšenú rýchlosť spracovania, používajú tieto obvody väčšinou kondenzátory iba do niekoľkých mF. Z toho vyplýva, že v súčastiach elektrických obvodov na spracovanie signálov potreba veľkých kondenzátorov prakticky neexistuje.

Ďalším dôvodom je, že vysokokapacitné kondenzátory sú fyzicky veľké. Preto je používanie takýchto kondenzátorov prakticky nemožné najmä v mobilných zariadeniach. V oblasti superkondenzátorov však došlo k významnému technologickému pokroku. Vďaka týmto pokrokom je teraz možné vyrábať kondenzátory s kapacitnými hodnotami vysokými viac ako niekoľko tisíc faradov, ktoré sú veľkosťou porovnateľné s plechovkou od nápoja. Tieto superkondenzátory sú vo vývoji, aby nahradili batérie v rôznych aplikáciách, ako sú napríklad elektromobily alebo dokonca mobilné telefóny, ak sa vedcom podarí zmenšiť ich veľkosť na prijateľnú mieru. Menší superkondenzátor 1F sa dá vyrobiť vo veľkosti porovnateľnej s veľkosťou bežného väľšieho kondenzátora.

Kapacitné charakteristiky skutočných kondenzátorov

Ideálny kondenzátor má pevnú hodnotu kapacity. Kapacita skutočného kondenzátora sa však môže meniť z niekoľkých dôvodov. Vo väčšine prípadov dielektrikum použité v kondenzátore nie je ideálne a dielektrická konštanta môže byť ovplyvnená určitými faktormi.

Napätie privedené na kondenzátor môže zmeniť dielektrickú konštantu dielektrika. Táto zmena, že priamo ovplyvňuje celkovú kapacitu takého kondenzátora. Napríklad tento efekt je výrazný najmä vtedy, keď sa ako dielektrikum používajú feroelektrické materiály. Takýto efekt môže byť v niektorých prípadoch užitočný a existujú aj špeciálne komponenty, napríklad varikapová dióda, ktorá využíva v obvode kapacitu závislú od napätia. Názov varicap pochádza zo slov VARIable CAPacitance, čiže variabilná / premenlivá kapacita. Tieto diódy sa používajú ako kondenzátory riadené napätím a niekedy sa používajú v rozhlasových a televíznych tuneroch, fázovo viazaných slučkách a zosilňovačoch, ako aj v iných obvodoch.

Frekvencia signálu prítomného na svorkách kondenzátora môže tiež ovplyvniť jeho kapacitu. Tento efekt sa nazýva dielektrická disperzia a nastáva preto, lebo polarizácia dielektrika zaostáva za rýchlo sa meniacim signálom. Pri nízkych frekvenciách signálu je tento efekt zanedbateľný, avšak pri vysokých frekvenciách môže byť tento efekt dosť výrazný. Príkladom aplikácie, kde je potrebné zohľadniť frekvenčne závislé zmeny kapacity, sú tranzistory MOS, ktorých hradlová kapacita sa mení úmerne s frekvenciou.

Vek kondenzátora má tiež vplyv na jeho kapacitu. Niektoré kondenzátory sú v priebehu času stabilnejšie, zatiaľ čo iné majú kvôli účinkom starnutia relatívne krátku životnosť. Napríklad elektrolyt v elektrolytickom kondenzátore môže rokmi vyschnúť, aj keď sa nepoužíva v obvode. Postupom času sa kapacita mení od projektovanej hodnoty a takáto zmena by nakoniec mohla viesť k poruche obvodu v ktorom sa daný kondenzátor nachádza. Z tohto dôvodu majú niektoré kondenzátory definovanú odhadovanú životnosť a odhadovanú životnosť v obvode.

Parazitná kapacita

Zatiaľ čo kondenzátory sú určené na zámerné zavedenie určitej kapacity do obvodu, v niektorých ďalších koponentoch, ako sú rezistory, tlmivky alebo dokonca bežné vodiče, sa kapacita považuje za nežiaduci a teda parazitický efekt. To je obzvlášť dôležité pri vysokých frekvenciách, kde takéto kapacity môžu mať veľký vplyv na činnosť obvodu. Ak sú dve signálne vedenia v integrovaných obvodoch vedené vedľa seba, môže rozptýlená kapacita zaviesť značné množstvo šumu do jednej linky, ak je napríklad inou linkou smerovaný napríklad vysokofrekvenčný signál. Toto sa nazýva vzájomná komunikácia a pre technikov integrovaných obvodov to môže predstavovať vážny problém. Čím dlhšie sú dve vetvy vedené vedľa seba a čím je medzi nimi kratšia izolačná vzdialenosť, tým je tento efekt výraznejší. Aby sa tomuto problému dalo predchádzať, musí návrhár obvodov udržiavať medzi týmito vedeniami dostatočné oddelenie. V citlivých vysokofrekvenčných obvodoch, ako sú oscilátory a filtre, sa počas procesu návrhu musia brať do úvahy aj malé parazitné kapacity komponentov ako napríklad rezistory. Parazitické kapacity nemožno nikdy úplne vylúčiť, ale dajú sa však znížiť použitím krátkych vodičov. Vhodnými komponentami na zníženie parazitnej kapacity sú aj napríklad nízkokapacitné rezistory. Napríklad, ak mikrokontrolér používa kryštálový oscilátor, platným pravidlom je umiestniť kryštál a všetky podporné prvky fyzicky čo najbližšie k mikrokontroléru, aby sa znížila celková kapacita generovaná vodičmi na PCB (doske s plošnými spojmi), a tým aj možný šum.

Dielektrické materiály

Dielektrické materiály sú v podstate izolátory, čo znamená, že pri pripojení napätia cez materiál nepreteká žiadny prúd. K určitým zmenám však dochádza na úrovni atómov. Keď sa na dielektrický objekt aplikuje napätie, stane sa polarizovaným. Pretože atómy sú tvorené kladne nabitým jadrom a záporne nabitými elektrónmi, polarizácia je efekt, ktorý mierne posúva elektróny smerom k kladnému napätiu. Nejdú však dostatočne ďaleko na to, aby vytvorili cestu prúdu naprieč materiálom nakoľko vzniknutý posun je mikroskopický, ale má veľmi dôležitý účinok, najmä ak sa jedná napríklad o kondenzátori. Po odstránení zdroja napätia z materiálu sa buď vráti do pôvodného nepolarizovaného stavu, alebo zostane polarizovaný, ak sú molekulárne väzby v materiáli slabé. Rozdiel medzi pojmami dielektrikum a izolátor nie je veľmi dobre definovaný. Všetky dielektrické materiály sú izolátory, ale dobrým dielektrikom je aj taký materiál, ktorý je ľahko polarizovaný.

Miera polarizácie, ku ktorej dochádza pri pôsobení určitého napätia na objekt, ovplyvňuje množstvo elektrickej energie, ktorá je uložená v elektrickom poli. Toto je opísané dielektrickou konštantou materiálu. Dielektrická konštanta nie je jedinou vlastnosťou dielektrických materiálov. Pri výbere materiálov pre kondenzátor v danej aplikácii sú rovnako dôležité aj ďalšie vlastnosti, ako napríklad dielektrická pevnosť a dielektrická strata.

Dielektrická konštanta

Dielektrická konštanta materiálu, ktorá sa tiež nazýva permitivita materiálu, predstavuje schopnosť materiálu koncentrovať elektrostatické čiary toku. Z praktickejšieho hľadiska predstavuje schopnosť materiálu akumulovať elektrickú energiu v prítomnosti elektrického poľa. Všetky materiály vrátane vákua uchovávajú energiu, keď sú umiestnené v elektrickom poli. Permitivita vákua je definovaná ako fyzikálna konštanta ε₀, ktorá je približne ε₀ = 8.854 x 10 - 12 farada na meter. Táto konštanta sa objavuje v mnohých elektromagnetických vzorcoch.

Pretože väčšina kondenzátorov nie je vyrobená z dielektrikom na báze vákua, má zmysel definovať permitivitu pre každý materiál. Permitivita materiálu je definovaná ako ε = ε_rε₀, kde ε je absolútna permitivita a ε_r je relatívna permitivita. ε_r je číslo, ktoré je vždy väčšie ako 1, čo znamená, že všetky materiály si uchovávajú pri vystavení elektrickému poľu viac energie ako voľný priestor. Táto vlastnosť je celkom užitočná v kondenzátorových aplikáciách a vysvetlíme si to ďalej v tomto článku. Je potrebné poznamenať, že relatívna permitivita závisí od mnohých faktorov, ako je teplota, tlak a rovnomerná frekvencia, a preto sú v niektorých aplikáciách uprednostňované materiály so stabilnejšou dielektrickou konštantou.

Rôzne materiály majú rôzne hodnoty relatívnej permitivity. Tu uvádzam zoznam materiálov bežne používaných v kondenzátoroch spolu s ich hodnotami pri frekvencii 1 kHz a pri izbovej teplote, ktoré možno použiť ako rýchlu referenciu a ktoré ukazujú širokú škálu hodnôt, s ktorými sa v praxi stretávame:

Dielektrická pevnosť

Bohužiaľ existuje obmedzenie napätia, ktoré znesie izolátor počas oddelenia elektriny. Všetky materiály majú hornú hranicu napätia, ktorá sa nazýva prierazné napätie. Dobrým príkladom toho je vzduch. Je považovaný za izolátor, ale za určitých okolností môže viesť prúd. Presne to sa deje počas úderu blesku. Po prekročení intenzity poľa rozkladu je vzduch ionizovaný (elektróny sú odtrhnuté od jadra atómu a prebieha rozklad na ozón O₃) a pod vplyvom elektrického poľa sa začnú pohybovať za vzniku elektrického prúdu. Je veľmi dôležité neprekračovať maximálne menovité napätie kondenzátora, aby sa zabránilo jeho poškodeniu alebo dokonca úplnému zničeniu. Dielektrická pevnosť vzduchu je približne 3 megavolty na meter. Pre porovnanie, dielektrická pevnosť pre sľudu je približne 120 MV / m. Výber vhodného dielektrického materiálu je preto veľmi dôležitý v niektorých aplikáciách, kde sa očakáva vysoké napätie alebo keď je hrúbka dielektrika veľmi malá.

Dielektrická strata

Pojem dielektrická strata sa vzťahuje na energiu, ktorá sa stratí pri zahrievaní objektu, ktorý je vyrobený z dielektrického materiálu, ak sa na ne privádza premenlivé napätie. K týmto stratám dochádza, pretože pri zmene polarizácie materiálu malé posuny elektrónov možno považovať za malý tok striedavého prúdu. Rôzne materiály majú rôzne straty pri rôznych frekvenciách a táto charakteristika musí byť zohľadnená v niektorých vysokofrekvenčných aplikáciách.

Aplikácia dielektrických materiálov pre kondenzátory

Aby sme pochopili vplyv dielektrika na kondenzátor, najskôr sa rýchlo pozrime na známy vzorec pre kapacitu kondenzátora s paralelnými doskami:

kde C je kapacita, ε_r je relatívna permitivita materiálu, ε₀ je permitivita vákua, A je plocha dosiek a d je vzdialenosť medzi doskami. Je zrejmé, že čím väčšie ε_r je, tým väčšia je výsledná kapacita. Napríklad vzduch ako materiál má relatívnu permitivitu približne 1, čo znamená, že pôsobí, akoby boli kondenzátorové dosky umiestnené vo vákuu. Na druhej strane môžu mať niektoré polyméry relatívnu permitivitu až 100 000! Použitím takýchto materiálov je možné dosiahnuť rovnakú kapacitu v oveľa menšom objeme, čo umožňuje miniaturizáciu daného komponentu.

Teraz sa pozrime na dielektrickú silu. Vzduchový ladiaci kondenzátor má  vzdialenosť medzi elektródami 0,1 mm. Dielektrická sila vzduchu je 3 megavolty na meter. To znamená, že maximálne napätie, ktoré je možné použiť na tento príklad kondenzátora, je za ideálnych podmienok 300 voltov. Čím menší je kondenzátor, tým nižšie je jeho maximálne povolené napätie. Všetky kondenzátory majú preto stanovené maximálne menovité napätie, ktoré závisí od použitých materiálov, a prekročenie týchto menovitých hodnôt by mohlo kondenzátor trvalo poškodiť alebo ho úplne zničiť.

Na budúce si povieme niečo o elektrickom náboji.