Kondensatorem nazywa się element układu elektronicznego , który jest zdolny do magazynowania ładunku elektrycznego. Dzisiejsze kondensatory mają małe rozmiary i są w pełni wyspecjalizowane. Ciekawa jest jednak historia tych urządzeń. Mianowicie do powstania pierwszego kondensatora doszło w pewnym sensie przypadkowo. Miało to miejsce w Lejdzie w Holandii w roku 1746.

Wówczas na tamtejszym uniwersytecie w trakcie przeprowadzania doświadczenia polegającego na ładowaniu elektrycznym wody doszło do porażenia jednego z pracowników. Stało się tak, ponieważ trzymał ręką mokrą butelkę. Potrafił on z tego wydarzenia wyciągnąć odpowiednie wnioski i tak doszło do konstrukcji pierwszego na świecie kondensatora.

Pierwowzór kondensatora w niczym nie przypominał dzisiejszych kondensatorów. Miał on postać zakorkowanego szklanego naczynia. Przez korek do środka naczynia został doprowadzony drut wykonany z miedzi. Gdy dochodziło do zetknięcia drutu z ciałem ładunki zaczynały przepływać do butelki i następowało ładowanie ścianek. Później rozpoczęły się prace prowadzące do udoskonalenia kondensatora . I tak wprowadzono m.in. oklejanie ścianek na zewnątrz i wewnątrz naczynia folią cynkową.

Od nazwy miasta, w którym został wynaleziony, pierwszy kondensator znany jest pod nazwą "butelki lejdejowskiej".

Kondensatorem nazywa się układ dwóch przewodników, pomiędzy którymi znajduje się warstwa dielektryka. Przewodniki w tej konstrukcji noszą nazwę okładek kondensatora.

Podstawową wielkością charakteryzującą kondensatory jest pojemność kondensatora C. Definiuje ona zdolność kondensatora do gromadzenia ładunku elektrycznego i zależy od konfiguracji geometrycznej okładek oraz od przenikalności elektrycznej dielektryka między okładkami.

Jest stałą proporcjonalności w równaniu obrazującym wzajemną zależność ładunku q zgromadzonego na okładkach od różnicy potencjałów V między nimi.

Pojemność wyrażana jest w jednostkach zwanych faradami F. W praktyce jednak wprowadza się jednostki mniejsze jak: mikrofarad i pikofarad.

Tak więc jeśli do kondensatora zostanie doprowadzone napięcie U wówczas na okładkach kondensatora gromadzi się ładunek elektryczny. Wartość zgromadzonego ładunku na każdej z okładek jest taka sama. Różnią się jedynie znakiem. Ten proces polegający na gromadzeniu się ładunku elektrycznego na okładkach kondensatora nosi nazwę ładowania kondensatora.

Pojemność kondensatora zależy przede wszystkim od rodzaju zastosowanego dielektryka a także od wymiarów kondensatora.

Ta pojemność przez producentów kondensatorów nazywana jest pojemnością znamionową. Drugi rodzaj pojemności nazwany został pojemnością rzeczywistą kondensatora.

Pojemność znamionowa przedstawiona jest przez producentów w postaci ciągów liczb , które noszą nazwę szeregów. Przedstawia się je np. jako szereg E6, E12 itd. Liczby przy literach odpowiadają ilości pojemności w poszczególnych dekadach pojemności. Każdemu szeregowi odpowiada dana wartość tolerancji.

Dla każdego kondensatora podawana jest wartość tolerancji. Jest to związane z rozrzutami produkcyjnymi. Może się bowiem zdarzyć, ze dany kondensator nie ma założonej wartości pojemności znamionowej. Musi się ona jednak mieścić w podanym przedziale odchyłu. To właśnie wyraża tolerancja.

Innym parametrem kondensatora jest napięcie znamionowe. Jest to maksymalna wartość napięcia, które może być doprowadzone do kondensatora. Jeśli zostanie podłączone wyższe napięcie to dojdzie do zjawiska zwanego przebiciem dielektryka. Doprowadzi to do zwarcia kondensatora. To jaka będzie wartość napięcia znamionowego dla danego kondensatora uzależnione jest od rodzaju dielektryka oraz od jego grubości.

Im bowiem grubszy dielektryk tym większe napicie znamionowe wytrzymuje.

Kolejnym parametrem jest prąd upływowy. Jest to ta wartość prądu przewodzenia, który pojawia się gdy do końcówek kondensatora zostanie doprowadzone napięcie stałe.

Każdy kondensator ma również określoną odporność na napięcie impulsowe. Ta wartość definiuje maksymalną wartość częstotliwości ładowania i rozładowywania kondensatora. Jeżeli prąd jest bardzo wysoki to może bowiem dojść nawet do stopienia i wyparowania elektrod. To jaka jest dla danego kondensatora wartość odporności zależy od tego w jakich warunkach była ona wyznaczana. Dla różnych metod te wartości mogą być różne.

Najprostszym przykładem kondensatora jest kondensator płaski. Ma on postać dwóch równoległych okładek wykonanych z przewodnika pomiędzy którymi znajduje się warstwa dielektryka. Wzór na pojemność takiego kondensatora będzie przyjmował postać:

gdzie A - powierzchnia okładek a d to odległość między nimi. Natomiast to względna przenikalność elektryczna danego dielektryka.

Przeważnie kondensatory nie występują pojedynczo, ale łączy się je w większe układy. Można je połączyć szeregowo lub równolegle lub na sposób mieszany.

W kondensatorach połączonych szeregowo bezwzględna wartość ładunku na każdej z płytek jest identyczna.

Wypadkowe napięcie jest więc równe sumie napięć na poszczególnych kondensatorach składowych.

Zatem całkowita pojemność układu dana będzie wzorem:

+….

Natomiast w przypadku łączenia równoległego różnica potencjałów na każdym z kondensatorów jest taka sama. Całkowity ładunek będzie więc równy sumie ładunków na kondensatorach składowych, a pojemność wypadkowa będzie sumą poszczególnych pojemności:

Podsumowując, w przypadku łączenia szeregowego ładunki na każdym z kondensatorów mają taką sama wartość , a napięcie całkowite jest równe sumie napięć na poszczególnych kondensatorach składowych. Każdą ilość szeregowo połączonych kondensatorów można zastąpić jednym elementem . Nie może jednak dojść do zmiany napięcia ani ilości ładunków. Dlatego pojemność elementu zastępczego a w zasadzie jej odwrotność jest równa sumie odwrotności pojemności kondensatorów składowych.

Jeśli zaś kondensatory zostaną połączone równolegle wówczas wartość napięcia na każdym z kondensatorów jest taka sama. Sumuje się natomiast ładunek z poszczególnych kondensatorów. I tak jak poprzednio dowolną ilość równolegle połączonych kondensatorów można zastąpić jednym elementem, tak aby ładunek i napięcie nie uległy zmianie. Aby zachować te wartości pojemność elementu zastępczego musi być równa sumie pojemności kondensatorów składowych.

Na dzień dzisiejszy produkowane są trzy podstawowe rodzaje kondensatorów. Mogą to zatem być:

- kondensatory ceramiczne

- kondensatory elektrolityczne

- kondensatory z tworzyw sztucznych

Pierwszym rodzajem kondensatorów są kondensatory ceramiczne. Może on posiadać tylko jedną warstwę dielektryka i wtedy nazywany jest jednowarstwowym lub też może składać się z kilku warstw i wtedy nosi nazwę kondensatora wielowarstwowego. Zakres pojemności kondensatorów ceramicznych mieści się w przedziale od 0.5 pF do setek mF. Jednak najbardziej powszechne są kondensatory o pojemności poniżej 10 mF.

W kondensatorach ceramicznych mogą być wykorzystane trzy klasy materiałów ceramicznych. Pierwszą grupę stanowią materiały ceramiczne, które mają niską wartość stałej dielektrycznej. Są one wyjątkowo stabilne . Tak więc nikły wpływ ma na nie zarówno temperatura jak i częstotliwość czy napięcie. Mogą więc być stosowane w układach gdzie konieczne jest zachowanie wysokiej stabilności. Jeśli są to kondensatory jednowarstwowe to maja one pojemność z zakresu od 0.47 do 560 pF. Natomiast kondensatory wielowarstwowe charakteryzują się pojemnością od 0.1 do 10 mF.

Drugą grupę materiałów ceramicznych stanowią te o wysokiej stałej dielektrycznej. Charakteryzują się one nieliniową zależnością od temperatury oraz częstotliwości i napięcia. Ta grupa materiałów zawiera bardzo dużą liczbę dielektryków mających różnorodne własności. Proces starzenia tej grupy materiałów ceramicznych przebiega w tempie 1-5 % na okres 10 lat.

Jeśli są to kondensatory jednowarstwowe to mają pojemność z zakresu 0.1 - 100 mF a jeśli wielowarstwowe to od 10 pF do 10 mF.

Kondensatory z dielektrykami klasy drugiej używane są przy mało krytycznych warunkach temperatury czy innych parametrów.

Trzecia grupa materiałów ceramicznych zawiera substancje ferroelektryczne. Ich struktura charakteryzuje się występowaniem tzw. domen pomiędzy którymi występuje mała wartość pojemności. Pod względem parametrów materiały tej klasy są podobne do dielektryków klasy drugiej. Są jednak zdecydowanie mniej odporne na zmiany napięcia i na duże wartości napięcia. Bardzo często największym napięciem, przy którym taki kondensator może pracować jest już 50 V. Charakteryzują się one za to bardzo wysoką stałą dielektryczną i dlatego kondensatory mające duże pojemności można wykorzystywać w budowie małych i tanich elementów.

Kondensatory z dielektrykami z grupy trzeciej mogą mieć pojemności z przedziału od 1000 pF do 1 mF.

Kondensatory ceramiczne powszechnie są używane w obwodach wysokiej częstotliwości. Mogą stanowić elementy obwodów rezonansowych jak i być używanym do sprzęgania , filtrowania oraz blokowania.

Kolejną klasę kondensatorów stanowią kondensatory mikowe. Mika jest minerałem, który charakteryzuje się wyjątkowo dużą twardością, ale łatwo można rozdzielić go na płytki. Budowa kondensatorów mikowych jest podobna do budowy kondensatorów ceramicznych wielowarstwowych, jednak elektrody wykonuje się ze srebra.

Kondensatory mikowe mają bardzo dobre parametry techniczne, są jednak dużych rozmiarów i ich cena jest wysoka. Z tego względu często zastępowane są przez inne rodzaje kondensatorów.

Kondensatory mikowe często stosowane są w układach wysokich częstotliwości, ze względu na wysoką stabilność częstotliwościową. Pojemność kondensatorów mikowych może wynosić od 1 pF do 0.1 mF.

Następną grupą kondensatorów są kondensatory elektrolityczne. W tym typie kondensatorów elektrody wykonuje się przeważnie z aluminium lub tantalu. Na powierzchnie anody czyli elektrody dodatniej napyla się cienką warstwę dielektryka , którym jest tlenek. Warstwa tlenku znajduje się także na katodzie czyli elektrodzie ujemnej. Aby nie doszło do kontaktu warstw tlenku na elektrodach bardzo często jako separator stosuje się warstwę papieru. Elektrolit używany w tych kondensatorach musi charakteryzować się niska opornością właściwą.

I tak np. w kondensatorach aluminiowych mokrych elektrolitem jest roztwór złożony z rozpuszczalnika, kwasu borowego, glikolu i soli.

Kondensatory elektrolityczne aluminiowe charakteryzują się wysoką wartością zastępczej rezystancji szeregowej. Jest ona zależna od wysokiej oporności właściwej zastosowanego elektrolitu. Proces starzenia takiego typu kondensatora jest w dużej mierze uzależniony od elektrolitu. To bowiem on starzeje się najszybciej. Może to następować np. w wyniku wysychania rozpuszczalnika użytego w elektrolitach. Dlatego im wyższa temperatura kondensatora tym szybsze parowanie rozpuszczalnika i tym szybszy jest proces starzenia się kondensatorów.

Pojemność kondensatorów elektrolitycznych aluminiowych mokrych może wynosić od 0.1 mF do 0.5 F. Zazwyczaj kondensatory takie nie wytrzymują napięcia większego od 500 V. Przeznaczeniem tego typu kondensatorów jest zazwyczaj rola filtrów w zasilaczach. Dla prądów zmiennych produkuje się specjalne kondensatory zwane bipolarnymi.

Oprócz elektrolitów mokrych o których była mowa powyżej produkowane są także elektrolity aluminiowe suche zwane dzisiaj kondensatorami stałymi z elektrolitem aluminiowym. Bazę takiego elektrolitu stanowi dwutlenek manganu . Charakteryzuje się on niską wartością rezystancji. Dwutlenek manganu wprowadzany jest pomiędzy specjalnie przygotowane elektrody pokryte warstwą tlenku. Dwutlenek manganu znajduje się na separatorze wykonanym z włókna szklanego. Następnie całości nadaje się kształt kondensatora i umieszcza w specjalnej obudowie.

Ze względu na to, że nie ma możliwości wyparowania elektrolitu dlatego ma on dużo dłuższy czas życia od poprzednio omawianych kondensatorów mokrych. Kondensatory stałe charakteryzują się dużą tolerancją temperaturową, mogą pracować nawet w zakresie temperatur od -80 do 200 stopni C. Widać wiec, że temperatura nie ma większego wpływu na czas życia. Ważne jest tutaj natomiast napięcie.

Pojemność kondensatorów stałych może wynosić od 0.1 do 2200 mF.

W kondensatorach tantalowych dielektryk stanowi tlenek tantalu. Anoda takiego kondensatora wykonana jest z tantalu, wykonywana jest za pomocą metody spieków proszkowych. Dlatego też w jej strukturze występuje dużo porów, szacuje się, ze około 50 %. Po pokryciu anody tlenkiem tantalu jest ona zanurzana w dwutlenku manganu, który wchodzi w pory elektrody. Kontakt z anoda jest zapewniony dzięki zastosowaniu warstwy grafitu. Dawniej budowane były kondensatory tantalowe z mokrym elektrolitem. Jednak ze względu na koszty kondensator mokry został wyparty przez suchy. W porównaniu z kondensatorami aluminiowymi o podobnych parametrach technicznych kondensatory tantalowe osiągają o wiele mniejsze rozmiary. Używa się ich jako elementy układów elektronicznych głównie jako kondensatory blokujące i odsprzęgające. Kondensatory te mają jednak jedna poważną wadę, mianowicie często występują w nich zwarcia. Może się tak stać gdy dojdzie do przekroczenia przez temperaturę czy napięcie wartości krytycznych.

W przeciwieństwie do kondensatorów jednowarstwowych w kondensatorach wielowarstwowych nie ma warstwy dielektryka. Podstawą budowy takiego kondensatora są elementy zbudowane z podwójnej warstwy węgla aktywnego, zwilżonej elektrolitem. Takie właśnie elementy łączy się szeregowo. Pomiędzy warstwami węgla aktywnego znajduje się separator, który przepuszcza jony. Ponadto warstwy węgla zamyka się w szczelnych osłonach. W momencie gdy do kondensatora przyłoży się napięcie elektryczne wówczas warstwa anodowa węgla ładuje się dodatnio, warstwa katodowa zaś ujemnie. Natomiast ujemnie naładowane jony elektrolitu przemieszczają się w kierunku dodatnio naładowanych warstw węgla.

Kondensatory elektrolityczne stanowią elementy obwodów zasilających. Mogą być kondensatorami filtrującymi jak i magazynującymi energię. W urządzeniach pracujących z małymi częstotliwościami mogą pełnić także funkcje sprzęgające i blokujące.

Ostatnią grupę kondensatorów stanowią kondensatory z tworzyw sztucznych. Inaczej nazywane są kondensatorami foliowymi. Podstawa budowy typowego kondensatora foliowego są dwie wstęgi folii wykonanej z aluminium. Pomiędzy tymi wstęgami znajduje się dielektryk. Jest to folia wykonana z tworzywa sztucznego. W większości jednak przypadków budowa tych kondensatorów jest nieco zmodyfikowana. Mianowicie okładki takiego kondensatora wykonane są z folii z tworzywa sztucznego, na którą naniesiono w warunkach próżniowych warstwę metalu. Zwykle jest to aluminium. Stąd nazwa tej grupy kondensatorów - kondensatory metalizowane.

W nazwie kondensatora bardzo łatwo można zidentyfikować kondensatory metalizowane, mają bowiem w symbolu literkę M. Dielektrykiem w takich kondensatorach są różne materiały. W zależności od typu materiału kondensatory zyskują różne własności.

I tak do wyrobu kondensatorów z tworzyw sztucznych stosuje się:

- poliester - PET - jest to materiał pozwalający na uzyskanie cienkich folii. Ich grubość może wynosić zaledwie 1 milimetr. Pozwalają również na łatwą metalizację. Dzięki temu można produkować kondensatory o małych rozmiarach i w przystępnych cenach. Trzeba jednak zaznaczyć , że jeśli chodzi o parametry to poliester stoi zdecydowanie na końcu w grupie wszystkich stosowanych nowoczesnych tworzyw sztucznych. Mimo to są dosyć powszechnie używane w układach elektronicznych. Kondensatory poliestrowe z elektrodami metalowymi oznacza się symbolem KT. Natomiast kondensatory z folią metalizowaną mają symbol MKT.

Drugim stosowanym tworzywem sztucznym jest poliwęglan. Podobnie jak i z poliestru można z niego otrzymać folie o bardzo małej grubości. Także stosunkowo łatwo materiał ten poddaje się metalizacji. Stała dielektryczna poliwęglanu ma większą wartość niż stała poliestru. Konsekwencją tego są większe rozmiary oraz wyższa cena kondensatorów z poliwęglanem. Jednak wraz ze wzrostem ceny polepszają się parametry kondensatorów. Mają one zdecydowanie lepszą stabilność oraz mniejszą stratność elektryczną.

Jeśli chodzi o symbolikę to tej grupie kondensatorów przyporządkowano symbol KC, a jeśli mają folie metalizowane to MKC.

Kondensatory z poliwęglanem są stosowane w tych miejscach układów elektronicznych , w których wymagana jest wysoka stabilność.

Kolejnym tworzywem sztucznym jest polipropylen. Jest on jednak bardzo trudny w obróbce i ciężko jest zrobić z niego folię. Dlatego też kondensatory z polipropylenem osiągają dość duże rozmiary i są zdecydowanie droższe od dwóch poprzednich grup. Jednocześnie charakteryzują się małymi stratami elektrycznymi i wysoka stabilnością. Istotną cechą kondensatorów polipropylenowych jest także niska wartość absorpcji dielektrycznej. I właśnie ta cecha decyduje o stosowaniu tego typu kondensatorów np. w obwodach próbkujących.

Dla kondensatorów polipropylenowych wprowadzono oznaczenie KP. Natomiast jeśli użyto folii metalizowanej wówczas oznacza się je jako: MKP.

Jednym z pierwszych tworzyw sztucznych stosowanych w budowie kondensatorów był polistyren. Obecnie coraz częściej jest on zastępowany przez omówione wyżej tworzywa.

Polistyren charakteryzuje się niska wytrzymałością elektryczną. Powoduje to, że grubość takich folii musi być dużo większa niż w przypadku innych tworzyw. Poza tym materiał ten trudno poddaje się metalizacji. Ale polistyren ma także bardzo istotne zalety. Mianowicie charakteryzują się wysoką stabilnością i niską stratnością.

Innym tworzywem używanym w kondensatorach jest siarczek polifenylu. Jest to materiał bardzo odporny na działanie wysokich temperatur . Ma także dobrą stabilność i małą stratność. Niestety charakteryzuje się także małą wytrzymałością elektryczną. I dlatego folie z tego tworzywa muszą być grubsze niż w przypadku innych tworzyw.

Dawniej powszechne były kondensatory papierowe. Dzisiaj zastępuje się je kondensatorami z tworzyw sztucznych. Kondensatory papierowe miały o wiele większe rozmiary i były dużo droższe niż kondensatory z tworzyw. Dlatego mimo dużej wartości stałej dielektrycznej i odporności na impulsowa napięcia kondensatory te wycofuje się z użytku i dziś stosowane są jedynie jako kondensatory odkłócające.

Obecnie na kondensatorach opiera się cała elektronika. Wraz z innymi urządzeniami wykorzystuje się je m.in. do zmniejszania wahań napięciowych w zasilaczach, do generacji drgań elektromagnetycznych i podtrzymywania opóźnień czasowych.

Kondensatory stosuje się również w zasilaczach sieciowych do magazynowania energii.