Kondensatory

Wszystkie kondensatory bez względu na ich typ i rodzaj charakteryzują się następującymi własnościami:

- w połączeniu z elementami indukcyjnymi mogą tworzyć obwody rezonansowe

- w przypadku prądu stałego, kondensatory stanowią dużą rezystancję i charakteryzują się tym, że na ich okładkach może zbierać się ilość ładunku określona przez ich pojemność

- w przypadku prądu zmiennego, kondensatory posiadają impedancję, która przede wszystkim zależy od ich pojemności, ale także od częstotliwości tego prądu

Graficzna reprezentacja kondensatorów

	- jest to symbol zwykłego kondensatora, niespolaryzowanego, jaki można spotkać na większości schematów ideowych. Za pomocą tego symbolu, także przedstawia się fizyczną pojemność kondensatora.
	- jest to symbol zwykłego kondensatora, spolaryzowanego, jaki można spotkać na większości schematów ideowych.
	- symbol ten przedstawia kondensator o zmiennej pojemności

Własności kondensatorów określa się przez szereg różnych parametrów, oto one:

• Pojemność:
• - znamionowa - jest to wielkość wyrażana w Faradach, która określa wielkość ładunku jaki może się zgromadzić na okładkach kondensatora. Jest określana przez producenta danego kondensatora. Wielkość pojemności nadrukowuje się na kondensatorze.
• - rzeczywista - dokładna wartość pojemności jaką posiada kondensator.
• Pojemności kondensatorów zostały ustandaryzowane przez producentów i znormalizowane do określonych wartości. Kondensatory produkuje się o wartościach pojemności, które to tworzą szeregi: E6, E12, E24, itd. Liczba oznaczająca dany szereg określa liczbę pojemności które zawierają się w dekadzie, czyli np. od 10 do 100 Faradów. Każdy szereg określa tzw. tolerancja, która opisuje, jaki zakres pojemności może w stanie pokryć dany szereg. Najniższy szereg - E6, posiada tolerancję 20%, szereg E12 posiada tolerancję już 10%. Każdy następny szereg ma coraz większą tolerancję - czyli można uzyskać większy zakres pojemności za pomocą kondensatorów należących do tego szeregu. Oto jakie pojemności odpowiadają trzem pierwszym szeregom:
• E6 (20%) - 10, 15, 22, 33, 47, 68 [F]
• E12 (10%) - 10, 12, 15, 18, 22, 27, 33, 39, 47, 56, 68, 82 [F]
• E24 (5%) - 10, 11, 12, 13, 15, 16, 18, 20, 22, 24, 27, 30, 33, 36, 39, 43, 47, 51, 56, 62, 68, 75, 82, 91 [F]
• Dalsze szeregi charakteryzują się coraz lepszą wartością tolerancji - 2%, 1%, 0,5%, a kondensatory wchodzące w ich skład to już kondensatory precyzyjne. Pojemność kondensatora zależy przede wszystkim od odległości w jakiej znajdują się od siebie okładki, od powierzchni tych okładek, ale także od rodzaju dielektryka, który to może się znajdować pomiędzy okładkami. Od zdolności dielektryka przyjęcia dodatniego ładunku w pobliżu ujemnej okładki i odpowiednio ujemnego ładunku w pobliżu dodatniej okładki, zależy to w jakim stopniu na pojemność wpłynie odległość między okładkami.
• Tolerancja - jest to parametr stanowiący klasę dokładności kondensatorów. Istnienie tego parametru związane jest z tym, że produkowane kondensatory bardzo często charakteryzują się pojemnością rzeczywistą różną od pojemności znamionowej. W wyniku wad produkcyjnych pojawiają się tutaj różne odchylenia. Tolerancja określa dokładność kondensatorów i podaje się ją w procentach wartości pojemności znamionowej.
• Napięcie znamionowe - jest to maksymalna wartość napięcia, jakie może być doprowadzone do okładek kondensatora. Użycie większego napięcia od tej wartości spowoduje przebicie na dielektryku i w rezultacie zwarcie kondensatora. Wielkość tego napięcia głównie zależy od rodzaju dielektryka jaki znajduje się pomiędzy okładkami, a także od jego grubości. Im grubsza jest warstwa dielektryka tym większa jest wartość napięcia znamionowego. Gdy mamy do czynienia z obwodem, w którym ma płynąć napięcie większe od napięcia znamionowego kondensatora w nim występującego, to można sobie z tym problemem poradzić, stosując zamiast pojedynczego kondensatora i układ połączony szeregowo. Wówczas to napięcie znamionowe takiego układu kondensatorów jest sumą napięć znamionowych jego elementów składowych.
• Prąd upływowy - jest to prąd przewodzenia jaki pojawia się w momencie doprowadzenia do okładek kondensatora napięcia stałego.
• Tangens kąta stratności δ - jest to wartość określająca stosunek mocy czynnej jaka powstaje w kondensatorze w momencie przyłożenia do niego napięcia zmiennego, charakteryzującego się sinusoidalnym przebiegiem o ustalonej częstotliwości. W przypadku kondensatora idealnego, po przyłożeniu do okładek takiego napięcia zmiennego, prąd wyprzedza napięcie o kąt 90 stopni. Kąt ten jest nieco mniejszy w przypadku kondensatorów rzeczywistych.
• Temperaturowy współczynnik pojemnościowy - jest to współczynnik, który określa jak zmienia się pojemność kondensatora w zależności od panującej temperatury.
• Rezystancja zastępcza, szeregowa (ESR) - jest to całkowity opór jaki charakteryzuje elementy kondensatora, czyli opór elektryczny szeregowy doprowadzeń i samych okładek, a także opór elektryczny dielektryka, jaki powstaje w wyniku przyłożenia do niego napięcia zmiennego. Wartość tego parametru zależy od częstotliwości napięcia i od temperatury.
• Indukcyjność zastępcza, szeregowa (ESL) - jest to całkowita indukcyjność jaka charakteryzuje wyprowadzenia i okładki. Zazwyczaj jej wartość we współczesnych kondensatorach wynosi ok. 10 - 100 nH.
• Odporność na działanie napięć impulsowych - jest to parametr, który określa z jaką częstotliwością może być ładowany i rozładowywany kondensator. W wyniku działania zmiennego napięcia, przez doprowadzenie i okładki przepływa prąd, a w wyniku istnienia rezystancji wydziela się pewna moc. Im większa jest gęstość przepływającego prądu, tym większa jest oporność własna, a co za tym idzie wzrastają straty mocy. Gdy przepływający prąd będzie zbyt duży, może nawet dojść do spalenia i wyparowania okładek kondensatora. To z kolei może doprowadzić do powstania fatalnego w skutkach ciśnienia gazu. Zmienne napięcie przyczynia się także do powstawania strat w dielektryku, które także przyczyniają się do wzrostu temperatury kondensatora. Dlatego też ważne jest określenie maksymalnej częstotliwości z jaką może zmieniać się napięcie przyłożone do kondensatora. Odporność na działanie napięć impulsowych, jest wartością tzw. katalogową, a jej wartość zależy także od warunków w których ją badano.

Schemat zastępczego układu kondensatora

Na powyższym rysunku przedstawiono schemat zastępczy dla prądu zmiennego dla kondensatorów niespolaryzowanych.

L_S - indukcyjność, jaka określa doprowadzenia i okładki

R­_S - rezystancja szeregowa jaka określa wyprowadzenia, okładki, a także dielektryka znajdującego się pomiędzy okładkami

C - pojemność jaka charakteryzuje kondensator

R_P - jest to rezystancja jaka charakteryzuje izolację w dielektryku. Ponieważ rezystancja dielektryka nigdy nie posiada wartości nieskończonej, zawsze występuje przepływ jakiegoś prądu, który to jest nazywany prądem upływowym. Występowanie tego prądu powoduje rozładowywanie się kondensatora, które czasami stanowi bardzo ważny czynnik krytyczny (np. w obwodach czasowych).

Typy i rodzaje kondensatorów

Kondensatory możemy podzielić pod względem rodzaju dielektryka jaki znajduje się pomiędzy ich okładkami. Rodzaj dielektryka poza tym określa także pojemność i znamionowość kondensatora. Rozróżniamy kondensatory:

- ceramiczne

- mikowe

- papierowe

- elektrolityczne

- z tworzy sztucznych

- powietrzne

Kondensatory ceramiczne - są to kondensatory wyprodukowane z ceramiki alundowej, rutylowej, a także ze steatytowej. Charakteryzują się niewielką wartością kąta stratności, oraz dużą pojemnością znamionową, która wraz z ich niewielkimi wymiarami stanowią ich główne zalety. Poza tym posiadają niewielką indukcyjność własną, co umożliwia stosowanie ich w obwodach o wielkiej częstotliwości napięcia. Mogą także być wykorzystywane jako pojemności sprzęgające. Kondensatory ceramiczne produkuje się w postaci 1 płytki, lub wielu płytek ceramicznych zaopatrzonych w metalową elektrodę. Kondensatory ceramiczne złożone tylko z jednej płytki ceramicznej nazywane są kondensatorami jednowarstwowymi, natomiast złożone z wielu płytek - kondensatorami wielowarstwowymi, lub też monolitycznymi. Zapotrzebowanie na tego typu kondensatory jest bardzo duże. Obecnie produkuje się kondensatory ceramiczne o pojemnościach od 0,5 pF do rzędu setek μF. Jednak bardzo rzadko można się spotkać z pojemnościami przekraczającymi 10μ, ponieważ są to już kondensatory bardzo kosztowne.

Kondensatory mikowe - do ich produkcji wykorzystuje się moskwit. Charakteryzują się niewielką wartością tangensa kątem stratności i małą wartością temperaturowego współczynnika pojemności. Pod względem konstrukcji przypominają kondensatory ceramiczne, ponieważ podobnie jak one mogą być wykonane z wielu warstw dielektryka. Elektrody ich wykonuje się ze srebra, ponieważ kondensatory te nie podlegają nagrzewaniu się w wysokich temperaturach. Wykorzystywana w nich mika najczęściej pochodzi z kopalni znajdujących się w Indiach, gdyż stamtąd pochodząca charakteryzuje się wyjątkową jakością. Jest to bardzo wdzięczny materiał do obróbki, ponieważ stosunkowo łatwo można z niego tworzyć płytki, które następnie zaopatruje się w elektrody. Wszelkie parametry jakie charakteryzują kondensator, czyli stratność, stabilność, czy rezystancja izolacji, a także inne, w przypadku tego rodzaju kondensatorów są bardzo korzystne i porównywalne z kondensatorami ceramicznymi i wykonanymi z tworzywa sztucznego. Ich głównym mankamentem są jednak dosyć duże rozmiary i wysoka cena i dlatego też bardzo często zamiast nich stosuje się kondensatory polipropylenowe. Jednak gdy już się je stosuje to wykorzystuje się je w obwodach wysokich częstotliwości, gdzie spełniają znakomicie wymagania dotyczące niewielkich strat i stabilnej pracy przy wysokich częstotliwościach. Obecnie produkuje się je o pojemnościach z zakresu od 1 pF, do 0,1 μF.

Kondensatory papierowe - jak łatwo się domyślić są to kondensatory w których dielektrykiem jest materiał papierowy. Charakteryzują się niewielkimi rozmiarami, oraz dużymi wartościami pojemności, jednak posiadają dosyć duży współczynnik stratności dielektrycznej. Dielektrykiem który znajduje się pomiędzy okładkami jest najczęściej bibuła, którą nasącza się specjalnym olejem syntetycznym, parafinowym lub kondensatorowym. Z racji tego, że kondensatory papierowe są większe i droższe od tych wykonanych z tworzyw sztucznych, są często wypierane i zastępowane przez te drugie. Do zalet kondenatorów papierowych należy niewątpliwie zaliczyć ich dobrą odporność na napięcia impulsowe, oraz niewielką zawartość węgla, która w ich przypadku wynosi ok. 3%. W przypadku kondensatorów wykonanych z tworzyw sztucznych zawartość ta wynosi ok. 40% - 70%, co przemawia na korzyść kondensatorów papierowych ponieważ w ich przypadku istnieje mniejsze ryzyko samozapłonu. Czasami stosuje się kondensatory które oprócz warstwy papieru mają także warstwę foliową. Mówi się wtedy o mieszanym dielektryku.

Kondensatory elektrolityczne - pośród nich wyróżnimy kondensatory które posiadają elektrody aluminiowe lub tantalowe. Anodę, czyli biegun dodatni pokrywa cienka warstwa tlenku, która to spełnia rolę dielektryka, Aby zmniejszyć odległość pomiędzy warstwa tlenku, a katodą, czyli biegunem ujemnym stosuje się elektrolit, który charakteryzuje się ujemną rezystancją.

Kondensatory aluminiowe możemy podzielić na mokre i suche:

-kondensatory elektrolityczne aluminiowe mokre - kondensatory te charakteryzują się użyciem elektrolitu w skład, którego wchodzi kwas borowy, sól, glikol i rozpuszczalnik. Stosuje się elektrody strawione w wyniku kwaśnej kąpieli. Celem tego zabiegu jest uzyskanie chropowatej powierzchni takich elektrod, dzięki czemu ich powierzchnia wzrasta nawet ok. 300 razy. Jeśli chodzi o drugą warstwę dielektryka, czyli tlenek, który umieszcza się na anodzie to uzyskuje się ją w wyniku kąpieli w elektrolicie który zawiera wodę. Grubość takiej warstwy określa się w ten sposób, że musi ona wynosić ok. 13A, dla każdego jednego wolta napięcia, które ten kondensator powinien wytrzymać. Katoda także jest pokryta cienką warstwą tlenku, wynoszącą ok. 40 A. Pomiędzy obie warstwy tlenku, które pokrywają anodę i katodę umieszcza się cienki papier, który stanowi separator zapobiegający uszkodzeniu, jakie mogłoby wystąpić w wyniku kontaktu tych warstw ze sobą. Do bieguna ujemnego podłączona jest obudowa kondensatora, jednak nie może być ona wykorzystywana w postaci doprowadzenia, gdyż warstwa tlenku ma charakterystykę nieliniową bardzo podobną do charakterystyki diodowej. Maksymalne napięcie w kierunku zaporowym może wynieść 1,5 V. Gdy zostanie ono ewentualnie przekroczone, to może dojść do sytuacji fatalnej w skutkach. Obecnie produkuje się kondensatory tego typu o pojemnościach z zakresu od 0,1 μF, do 0,5 F. Kondensatory charakteryzujące się największą wytrzymałością elektryczną są w stanie pracować przy napięciach dochodzących do 500 V. Takie kondensatory najczęściej wykorzystuje się w układach filtrujących stosowanych w zasilaczach. Przy zastosowaniach związanych z prądami zmiennymi stosuje się kondensatory tzw. bipolarne. W ich przypadku stosuje się doprowadzenia do anod z warstwy tlenku, a między anodami umieszcza się katodę w postaci folii niezaopatrzonej w żadne doprowadzenia.

- kondensatory elektrolityczne aluminiowe suche - są to kondensatory, które produkowano już na początku XX wieku. Wówczas ich konstrukcja w znaczący sposób różniła się od dzisiaj stosowanej. W dzisiejszych czasach elektrolit w tego typu kondensatorach stanowi dwutlenek manganu, lub ograniczony półprzewodnik. Są to tzw. kondensatory stałe z aluminiowym elektrolitem, w skrócie SAL. W przypadku dwutlenku manganu, elektrolit na jego bazie charakteryzuje się niewielką rezystancją. Jeśli chodzi o elektrody to w tym wypadku także stosuje się ich trawienie w kwaśnej kąpieli, oraz kąpiel formującą, która powoduje wytworzenie warstwy tlenku na aluminiowej elektrodzie. Pomiędzy tak wyprodukowane elektrody wstawia się separator wykonany z włókna szklanego i pokryty dwutlenkiem manganu. Aby uzyskać kształt kondensatora, cały taki układ zwija się lub odpowiednio skręca, po czym dołącza się wyprowadzenia i całość umieszcza się w specjalnej obudowie. Tak produkowane kondensatory odznaczają się od innych typów kondensatorów kilkoma własnościami. Po pierwsze charakteryzują się stosunkowo długimi czasami życia. Kolejną ich zaletą jest szeroki zakres temperatury w jakich mogą pracować, a co wynika z tego, że elektrolit który się w nich znajduje nie może wyparować. Temperatury te mieszczą się w zakresie od -55 ⁰C do 175 ⁰C, a w przypadku niektórych typów od -80 ⁰C do 200 ⁰C. Przy czym ich działanie w niewielkim stopniu zależy od temperatury. W przypadku ich przegrzania nie dochodzi do zwarcia. Czas życia tych kondensatorów nie zależy od temperatury, w jakiej pracują, ale zależy od napięć stosowanych. Kondensatory te produkowane są o wartościach pojemności z zakresu od 0,1 μF do 2200μF.

W przypadku drugiego typu kondensatorów elektrolitycznych aluminiowych z suchym dielektrykiem stosuje się organiczny półprzewodnik. W skład tego półprzewodnika wchodzi kompleks soli, które określa się mianem TCNQ. Sole te charakteryzują się bardzo korzystnymi własnościami elektrycznymi i temperaturowymi. Konstrukcja tego typu kondensatorów pod pewnymi względami przypomina poprzedni typ kondensatorów. Tutaj także stosuje się elektrody trawione w kwaśnej kąpieli i umieszcza się między nimi separator. Wartość szeregowej rezystancji elektrycznej jest porównywalna z kondensatorami ceramicznymi, oraz tymi wykonanymi z tworzyw sztucznych. Kondensatory tego typu wykorzystuje się w filtrach zasilaczy, w produkcji zasilaczy z zamianą częstotliwości, gdzie wyniku stosowania dużej częstotliwości rezystancja szeregowa na tyle wzrasta, że pojemność staje się mniej istotna. W przeciwieństwie do kondensator wykorzystującego dwutlenek manganu ten nie może pracować w zbyt wysokich temperaturach i najwyższa w jakiej może działać to 105 ⁰C, a najniższa to -55 ⁰C. W przypadku napięcia w kierunku zaporowym, to jest on w stanie wytrzymać napięcie o wartości 10% napięcia nominalnego. Jeśli chodzi o czas życia, to jest on bardziej zależny od temperatury niż ma to miejsce w przypadku kondensatorów mokrych. W przypadku pracy w temperaturze 105⁰C, czas życia wynosi ok. 2000 godzin, natomiast w przypadku pracy w temperaturze 85 ⁰C, wzrasta już do ok. 20000 godzin. W wyniku przepięcia może dojść do zwarcia, ale tylko w przypadku gdy prąd ma natężenie mniejsze niż 1A, oraz wartość temperatury jest mniejsza niż 200 ⁰C (jest to także temperatura w której dochodzi do rozkładu elektrolitu). Jednak wówczas nie nastąpi trwałe uszkodzenie kondensatora. Kondensatory tego typu produkowane są o wartościach pojemności z zakresu od 0,1 do 220 μ.

- kondensatory tantalowe - w kondensatorach tych dielektryk stanowi materiał wykonany z tantalu, który to charakteryzuje się znakomitymi własnościami elektrycznymi. Anoda tego kondensatora produkuje się za pomocą metody spieków tantalowych proszkowych. W wyniku tego procesu anoda taka jest bardzo porowata - ok. 50% jej objętości stanowią pory, co powoduje zwiększenie jej wewnętrznej powierzchni ok. 100 razy w stosunku do powierzchni zewnętrznej. Tutaj także stosuje się kąpiel formującą w wyniku której pokrywa się elektrody warstwą tlenku tantalu. Po tym zabiegu elementy składowe kondensatora zanurzane są w roztworze dwutlenku tantalu. W ten sposób dochodzi do wypełnienia wszystkich porów anody. Katodę stanowi przewodząca srebrna farba i aby otrzymać kontakt z nią to stosuje się pokrycie z warstwy węgla w postaci grafitu. W starszych konstrukcjach stosowało się elektrolity odpowiednie dla kondensatorów tantalowych mokrych, jednak wysokie koszty ich uzyskiwania spowodowały to, że obecnie stosuje się materiały suche. Kondensatory wykonane z tantalu odznaczają się niewielką wartością rezystancji szeregowej, na którą głównie wpływa niewielka rezystywność tantalu oraz dwutlenku tantalu. Charakteryzują się także małymi rozmiarami, mniejszymi nawet niż od kondensatorów aluminiowych, przy tych samych wartościach parametrów je określających. Do wad tych kondensatorów należy zaliczyć dużą podatność na zwarcia do których dochodzi w momencie przekroczenia granicznych wartości napięcia lub temperatury. Takie zwarcia mogą nawet doprowadzić do rozerwania kondensatora. W starszych typach tych kondensatorów stosowano rezystancję szeregową wynoszącą ok. 3 R na 1 wolt. Spowodowane to było wymaganiami dotyczącymi ograniczenia prądów ładowania i rozładowania, jednak to także powodowało wydzielanie się dużych ilości ciepła na kondensatorze. W obecnych konstrukcjach stosuje się rezystancję szeregową o wartości 0,1 R na 1 wolt, a to z praktycznego punktu widzenia oznacza, iż najczęściej nie jest wymagany żaden rezystor szeregowy, bo taką rezystancję posiadają już ścieżki miedziane i podłączone przewody. Jeśli chodzi o maksymalną wartość napięcia zaporowego, to wynosi ona ok. 15% wartości napięcia nominalnego w przypadku pracy w temperaturze 25⁰C, a w temperaturze 85⁰C - 5%. Kondensatory tantalowe produkowane są o wartościach pojemności z zakresu od 0,1 do 1000 μF.

Kondensatory wykonane z tworzyw sztucznych - są to kondensatory w których warstwę dielektryka pomiędzy okładkami stanowi materiał wykonany z tworzywa sztucznego. Charakteryzują się niewielkimi stratami, które wynikają z małej rezystancji okładek i wysokiej w przypadku izolacji. Kondensatory te jest stosunkowo łatwo wyprodukować i technologia w tym przypadku jest już tak dobrze opracowana, że ich ceny należą do jednych z najniższych. Są to kondensatory niespolaryzowane, odznaczające się niewielką wartością prądu upływu. Wykorzystuje się je zazwyczaj jako kondensatory szeregowe, lub jako kondensatory blokujące stosowane w układach analogowo - cyfrowych, w obwodach czasowych, oraz w filtrach LC. Okładki takich kondensatorów najczęściej stanowi folia metalowa, lub metalizowana. Zaletą zastosowania folii metalizowanej jest to, że jest ona produkowana w wyniku naparowania cienkiej warstwy metalu na powierzchnię dielektryka i w czasie ewentualnego przebicia metal ten wyparowuje w miejscu przebicia i nie dochodzi tym samym do zwarcia kondensatora. Jako dielektryk, najczęściej wykorzystuje się folię poilstyrenową, poliestrową, lub też polipropylenową, co także stanowi kryterium podziału ich na następujące rodzaje:

- kondensatory polistyrenowe - charakteryzują się niewielkim temperaturowym współczynnikiem pojemnościowym, oraz małą wartością tangensa kąta stratności. Wykorzystuje się je w obwodach o wysokich częstotliwościach.

- kondensatory poliestrowe - charakteryzują się dużą wartością współczynnika stratności dielektrycznej. Wykorzystuje się je głównie w obwodach o stałych napięciach, lub o niewielkich częstotliwościach zmiennego napięcia.

- kondensatory polipropylenowe - ich własności podobne są do własności kondensatorów polistyrenowych. Wykorzystuje się je głównie w obwodach o częstotliwości 50 Hz.

Obecnie produkuje się kondensatory z tworzyw sztucznych o pojemnościach z zakresu od 10 pF, do 100 μF.