Pierwszy kondensator został zbudowany w 1746 r w laboratorium Uniwersytetu w Lejdzie. Został on zrobiony z butli, która zawiera wodę, która była złączona z drutem z urządzeniem elektrostatyczną. Po jakimś czasie pracy urządzenie nagromadzi się ogromny ładunek. Zatem nazwano pierwszy kondensator "butelka lejdejowska". W aktualnych czasach niewielki rozmiary układów nie dają możliwości na wykorzystanie tak ogromnych kondensatorów.

Kondensatory są to fragmenty elektryczne, których głównym parametrem użytkowym jest pojemność C podawana w faradach (F). Kondensator jest to układ z o najmniej 2 elektrod zrobionych z substancji przewodzącego (metalu) odizolowanych od siebie dielektrykiem.

Oznaczenia schematowe kondensatorów:

a) kondensator stały,

b) kondensator elektrolityczny,

c) kondensator zmienny,

d) kondensator dostrojczy

Pojemność kondensatora definiują przenikalność elektryczna, i rozmiary (grubość oraz powierzchnia) substancji dielektrycznego wypełniającego przestrzeń pomiędzy elektrodami przewodzącymi. I tak w najprostszym przypadku, tj. kondensatora płaskiego pojemność C definiuje wzór

C- pojemność kondensatora w faradach [F]

S - pole powierzchni elektrod;

d - odległość elektrod (grubość dielektryka);

e- przenikalność, która jest iloczynem eo x er gdzie eo jest przenikalnością próżni, i równa jest 8,85 x 10-12 a er jest liczbą względną, która definiuje przenikalność dielektryka w stosunku do przenikalności w próżni er nazywa się ją na ogół stalą dielektryczną albo liczbą pojemnościową.

Rys.1* Rysunek do pokazania pojemności kondensatora

Kondensator wykorzystywany jest do zbierania ładunków elektrycznych, ale na skutek dostarczanego napięcia na jego elektrodach powstają ładunki równe co do wartości bezwzględnej, ale o przeciwnych znakach. Dotarczenie napięcia stałego U do końcówek kondensatora o pojemności C sprawia, że gromadzi się ładunek na nim.

Q=C*U

Jednostką pojemności jest farad, który ma wymiar A x s/V. Pojemność jednego farada ma kondensator, gdzie ładunek jednego coulomba powoduje utworzenie napięcia jednego volta. Naładowanie oraz rozładowanie kondensatora odbywa się na ogół przez jakiś czas. Zmiany ładunku związane są natomiast z przepływającym prądem przez pewna rezystancje. Najmnijesza rezystancja to rezystancja doprowadzeń elektrod. Przez stałą czasową t rozumie się czas, który jest konieczny by ładunek uzyskał 63,2% (1- e-1) największego napięcia.

t = R x C [s]

gdzie t wyrażony jest w sekundach R wyrażone jest w W, natomiast C w faradach. Przyjmujemy , iż kondensator jest całkowicie naładowany, po czasie 5 x t.

Zmiany napięcia doprowadzonego do kondensatora powodują zmiany ładunku kondensatora, w wyniku czego przez kondensator popłynie prąd o natężeniu:

W szczególności doprowadzenie napięcia o kształcie sinusoidalnym sprawia przepływ przez kondensator prądu o identycznej formie. Prąd ten wyprzedza w fazie napięcie o pewien kąt.

Jeśli kondensator byłby fragmentem idealnym, charakteryzujący się jedynie pojemnością C to kąt fazowy wynosiłby p/2, czyli 90°. W prawdziwym kondensatorze prąd wyprzedza w fazie napięcie o kąt mniejszy aniżeli 90°. Spowodowane jest to stratami, które pomniejszają

Rys2. Układy zastępcze kondensatora rzeczywistego

przesunięcie fazowe o kąt, zwany kątem strat elektrycznych kondensatora. Uzależniony jest on głównie od cech dielektryka oraz jego zachowania się w polu elektrycznym, jak również konstrukcji oraz technologii produkowania kondensatora. Model kondensatora rzeczywistego (ilustracja 2) posiada więc dodatkowe fragmenty które wyrażają tzw. parametry szczątkowe, np. rezystancję Ru, zdefiniowaną przede wszystkim upływnością dielektryka, i rezystancję Rd oraz indukcyjność Ld doprowadzeń, w tym również elektrod. W badaniu obwodów elektrycznych na ogół wykorzystuje się z proste modele kondensatora, np. z tzw. modelu równoległego albo modelu szeregowego

Kondensatory, obok rezystorów, są głównymi elementami biernymi obwodów elektrycznych.

Klasyfikacja kondensatorów

Kondensatory, tak samo jak rezystory, są stałe albo zmienne, typu l albo 2. Wartość pojemności kondensatora stałego jest ustalona w procesie produkowania oraz nie ulega zmianie podczas wydobywania. Kondensatory zmienne są, przede wszystkim, kondensatorami nastawnymi, czyli fragmentami, których pojemność da się zmieniać np. przez przemieszczanie jednej elektrody względem drugiej. Kondensatory stałe są grupą maksymalną oraz najbardziej różnorodną. Pośród nich, ze względu na pewne specjalne cechy (m.in. ogromną gęstość ładunku otrzymywaną na skutek specjalnej konstrukcji), na ogół wyróżnia się grupę kondensatorów elektrolitycznych. Podział kondensatorów wg typu l oraz rodzaju 2 związana jest z ich specjalnymi własnościami techniczno-eksploatacyjnymi. Kondensatory rodzaju l są elementami wysoko stabilnymi oraz precyzyjnymi, przeznaczonymi do wykorzystań profesjonalnych, natomiast kondensatory rodzaju 2 są mniej stabilne oraz precyzyjne, zatem są na ogół tańsze oraz przeznaczone do wykorzystywania w urządzeniach powszechnego użytku. Późniejsze bardziej szczegółowej klasyfikacji dokonuje się ze względu na typ dielektryka, technikę produkowania, przeznaczenie itp. Bardzo istotne znaczenie ma klasyfikacja kondensatorów wg rodzaju dielektryka - dielektryk definiuje bowiem w dużej mierze cech kondensatora.

Parametry kondensatora

Głównymi parametrami kondensatora są pojemność znamionowa razem z tolerancją i napięcie znamionowe oraz stratność dielektryczna (tangens kąta strat d). Do istotniejszych parametrów kondensatora zaliczamy napięcie probiercze, dopuszczalne napięcie przemienne, rezystancję izolacji, temperaturowy współczynnik pojemności, kategorię klimatyczną oraz rozmiary. W pewnych wykorzystywaniach ważne znaczenie posiadają także parametry takie jak: temperaturowa stałość pojemności, moc znamionowa, częstotliwość największa (graniczna), dopuszczalne obciążenie impulsowe itp.

Pojemność znamionowa Cn kondensatora jest to wartość pojemności założona przy produkowaniu kondensatora, która z uwzględnieniem tolerancji podawana jest jako jego własność. W pewnych warunkach różnica pomiędzy pojemnością rzeczywistą a znamionową kondensatora, tj. odchyłka pojemności, nie jest w stanie być większa aniżeli wartość jaka wynika z tolerancji. Wartości pojemności znamionowej utworzą ciągi liczb, które znaczy się symbolami E3, E6, El 2, E24 itd.

Napięcie znamionowe Un kondensatora jest to wartość napięcia stałego (dla pewnych kondensatorów wartość napięcia przemiennego o ściśle zdefiniowanej częstotliwości, na ogół 50 Hz), które może być bardzo długo dostarczane jest do kondensatora nie sprawiając jego skażenia ani jakiejkolwiek trwałej zmiany jego parametrów. Wartości napięcia znamionowego są znormalizowane, są to zatem np. wartości 25V, 63V, 100V, 160V, 250V itd. Przez jakiś czas (na ogół jedną minutę) kondensator musi również bez żadnej szkody wytrzymać napięcie o większej wartości, nazwane napięciem probierczym które jest równe, w zależności od rodzaju kondensatora, 1,4-2,5 Un. Wartość obydwu tych napięć uzależniona jest także od warunków pracy kondensatora, tj. typu doprowadzonego napięcia (stałe, przemienne, impulsowe) i temperatury otoczenia, przy czym pomniejsza się ona ze wzrostem zarówno częstotliwości ale także i od temperatury. Jeśli do kondensatora doprowadza się napięcie zmienne, to w pierwszym przybliżeniu da się przyjąć warunek, by suma składowej stałej oraz składowej przemiennej nie przekraczała wartości napięcia znamionowego zdefiniowanego dla przebiegu prądu stałego (zalecenia szczegółowe dla konkretnego kondensatora są podawane w warunkach technicznych.)

Straty energii w kondensatorze przy napięciu przemiennym cechuje tangens kata strat tg d (czasami podaje się dobroć Q kondensatora, ale Q= l /tg d). Straty kondensatora są na ogół większe aniżeli straty samego dielektryka ze względu na pojawianie się także strat w elektrodach oraz doprowadzeniach. Wartość strat uzależniona jest od częstotliwości oraz temperatury, przy czym przebieg tej zależności jest złożoną funkcją polaryzacji dielektryka i rezystancji kondensatora. W katalogach wartość tg d podaje się dla dobrze określoną częstotliwość pomiarową, na ogół l kHz albo jeden Megahertz (dla kondensatorów elektrolitycznych - 100 Hz).

Kondensator dla prądu stałego stanowi fragment, który charakteryzuje się jakąś rezystancją nazwaną rezystancją izolacji, która uzależniona jest głównie od typu dielektryka, jak również od budowy oraz pojemności kondensatora. Dla kondensatorów stałych o małej pojemności (Cn < 0,1 mF) duży wpływ na rezystancję izolacji posiada substancja obudowy (sposób izolacji). W kondensatorach o ogromnej pojemności (Cn > 0,1 mF), ze względu na coraz mocniej uwidaczniającą się zależność od Cn (rozmiary dielektryka), bardziej reprezentatywnym parametrem jest iloczyn rezystancji izolacji oraz pojemności, definiujący tzw. stałą czasową kondensatora t. Przede wszystkim ogromne wartości rezystancji izolacji ( 100GW) i t (l 0000 s) posiadają kondensatory polistyrenowe oraz polipropylenowe. Dla kondensatorów elektrolitycznych zamiast wartości rezystancji izolacji podajemy wartość tzw. prądu upływu Iu

Cechy kondensatorów uzależnione są także od temperatury, dlatego ważne znaczenie posiada określenie przedziału dopuszczalnych zmian temperatury, zatem tzw. znamionowego zakresu temperatury pracy, gdzie kondensator jest w stanie działać w sposób ciągły. Graniczne wartości czynników narażeniowych (klimatycznych oraz mechanicznych), gdzie kondensator musi spełniać wymagania zadane normą definiuje kategoria klimatyczna. Na szczególną uwagę zasługuje temperaturowy współczynnik pojemności, który wyraża względną zmianę pojemności, która jest wywołana jednostkowym przyrostem (zmianą) temperatury równy DC/CDT. Współczynnik ten może przyjmować wartość dodatnią, ujemną albo nawet równą zeru, jest to zależne od rodzaju kondensatora (typu dielektryka) oraz rozpatrywanego zakresu temperatur. Bardzo często telewizja polska podaje się jako wartość średnia w świetnym przedziale temperatur pracy kondensatora.

Kondensator, przy przepływie prądu zmiennego, stanowi opór uzależniony od częstotliwości, który nazywa się reaktancja pojemnościową (Xc).

Xc = 1/( w x C)

gdzie Xc = reaktancja w [W],

m = pulsacja (2 x p x f) w [Hz],

C = pojemność w faradach [F]

Cechy oraz konstrukcja kondensatorów stałych

Kondensatory stałe posiadają cechy uzależnione głównie od typu wykorzystania dielektryka i budowy oraz technologu produkowania. Dlatego też, definiując cechy kondensatorów stałych, jest najwygodniej korzystać z klasyfikacji dokonanej ze względu na własności materiałowo-konstrukcyjne. W tej klasyfikacji rozróżnia się kondensatory tworzywowe (polistyrenowe, poliestrowe, polipropylenowe itp.), ceramiczne (typu l, typu 2 - ferroelektryczne) i inne (czyli pozostałe typy kondensatorów stałych, m.in. papierowe, papierowo-tworzywowe, mikowe). Czasami, uwzględniając ich specjalne własności, rozróżnia się kondensatory prądu zmiennego, impulsowe, przeciwzakłóceniowe, wysokonapięciowe, hermetyczne.

Kondensatory z dielektrykiem papierowym są wykorzystywane od kilku lat, ale aktualnie ich znaczenie pomniejsza się - bardzo często znajdują wykorzystanie jako fragmenty przeciwzakłóceniowe.

Kondensatory mikowe pomimo kilku wspaniałych cech (m.in. ogromnej stałości pojemności w czasie, dobrze zdefiniowanego temperaturowego współczynnika pojemności) - są powoli wycofywane z produkcji ze względów materiałowo-technologicznych. Kondensatory mikowe skonstruowane są tak samo jak ceramiczne kondensatory wielowarstwowe, ale jako, że nie podlegają wygrzewaniu w dużych temperaturach, elektrody da się zrobić ze srebra. Mika jest minerałem, który wydobywa się w kopalniach indyjskich, gdzie jego jakość jest szczególnie duża. Jest to minerał twardy oraz odporny, cechujący się tym, że podzielić się może się na cienkie płytki, które da się wyposażyć w elektrody. Cechy elektryczne np. rezystancja izolacji, stratność oraz stabilność są dobre a także całkowicie porównywalne z najlepszymi tworzywami sztucznymi oraz ceramiką. Kondensatory mikowe są względnie duże a także drogie, co sprawia, że w dużym stopniu zastępowane są na przykład, przez kondensatory polipropylenowe. Wykorzystuje się je bardzo często w układach dużej częstotliwości, gdzie konieczne są nie jedynie małe straty, ale także duża stabilność częstotliwości oraz temperatury. Wyrabiane są o wartościach pojemności od 1pF do 0,1 mF

Kondensatory tworzywowe posiadają dielektryk robiony z folii z tworzywa sztucznego bardzo często polistyrenu, poliestru albo polipropylenu, rzadko z poliwęglanu czy teflonu. Okładziny (elektrody) kondensatora są robione na ogół z cienkiej folii aluminiowej, czasami cynowej (kondensatory foliowe), ale stanowi je cienka warstwa aluminium, która nałożona jest próżniowo na folię dielektryczną jedno- albo dwustronnie (kondensatory metalizowane). Całość (dielektryk razem z elektrodami) jest zwijana (kondensatory zwijkowe) albo układana w warstwy (kondensatory wielowarstwowe). Obudową jest na ogół tworzywo sztuczne w formie taśmy klejącej albo kubka (czasami wykorzystuje się kubek metalowy, np. aluminiowy albo stalowy) uszczelniane żywicą fenolową albo epoksydową.

Kondensatory polistyrenowe cechują się ogromną stabilnością, ogromną rezystancją izolacji, niewielkim tangensem kąta strat, niewielkim (a przy tym stałym) ujemnym temperaturowym współczynnikiem pojemności i możliwością otrzymania wąskich tolerancji pojemności. Pierwszą z jego wad tych kondensatorów jest za mała górna dopuszczalna temperatura pracy (+70°C). Są przeznaczone do pracy w przyrządach profesjonalnych oraz powszechnego użytku, głównie w obwodach w. cz. (przy wykonaniu tzw. bezindukcyjnym, cechującym się tym, iż wyprowadzenia są przylutowane do całej powierzchni będących części elektrod). Kondensatory te wykorzystywane są głównie w bardzo odpowiedzialnych miejscach obwodów elektrycznych np. w filtrach.

Kondensatory poliestrowe oraz polipropylenowe, porównując z kondensatorami polistyrenowymi, są mniej stabilne oraz posiadają dużą stratność, ale szerszy zakres temperatury pracy (od -55oC do 85oC) i zdolność do samoregeneracji, kiedy są metalizowane. Kondensatory poliestrowe są wykorzystywane do pracy głównie w obwodach prądu stałego (są w stanie działać w obwodach prądu przemiennego, ale przy napięciu znacznie mniejszym od napięcia znamionowego oraz malejącym ze wzrostem częstotliwości). Kondensatory polipropylenowe wykorzystuje się w układach impulsowych (m. in. półprzewodnikowych układach odchylania odbiorników telewizyjnych) i układach prądu przemiennego (m. in. układach lamp wyładowczych oraz jednofazowych silnikach elektrycznych niewielkiej mocy). Kondensatory prądu przemiennego bardzo często dokonuje się z dielektrykiem uwarstwionym (podwójnym), który złożony jest z folii polipropylenowej oraz bibułki kondensatorowej (kondensatory polipropylenowo-papierowe).

Cechy kondensatorów ceramicznych w istotny sposób uzależnione są od typu substancji wykorzystanego jako dielektryk. Na ogół rozróżnia się dwie główne grupy tych kondensatorów, które różnią się zasadniczo cechami, a w wyniku tego także i przeznaczeniem:

- kondensatory typu l, cechujące się niewielką stratnością i liniową zależnością pojemności w funkcji temperatury (przy znormalizowanym temperaturowym współczynniku pojemności) na ogół wykorzystywane do pracy w obwodach rezonansowych jako kondensatory kompensacyjne;

- kondensatory typu 2 (ferroelektryczne), cechujące się ogromną stratnością i silnie nieliniową zależnością pojemności od temperatury oraz napięcia, bardzo często wykorzystywane jako kondensatory sprzęgające, blokujące itp.

Czasami rozróżnia się jeszcze jedną grupę kondensatorów ceramicznych, czyli kondensatory typu 3, które charakteryzują się ogromną pojemnością jednostkową, przy jednak dużo gorszych pozostałych parametrach.

Kondensatory ceramiczne są zrobione jako płytkowe, rurkowe (w tym przepustowe), foliowe oraz monolityczne (ilustracja 3.13C). Szczególnie korzystne właściwości (ogromna pojemność jednostkową, ogromna niezawodność) posiadają kondensatory monolityczne. Są one robione przez spieczenie sprasowanego pakietu kilku warstw bardzo cienkiej folii ceramicznej z naniesionymi na nich elektrodami metalowymi.

Rys.3 Klasyfikacja kondensatorów stałych ze względu na właściwości materiałowo konstrukcyjne

Rys.4 Przykłady konstrukcji kondensatorów. stałych: a) zwijkowy; b) wielowarstwowy; c)płytkowy; d) rurkowy; e) monolityczny bezkońcówkowy (tzw. chip)

Konstrukcja oraz cechy kondensatorów elektrolitycznych

Kondensator elektrolityczny nazywamy kondensator, gdzie jedna z elektrod, czyli anoda, jest zrobiona z metalu (aluminium albo tantalu) oraz pokryta jest cienką warstwą tlenku, kolejną natomiast elektrodą, tzw. katodą, jest elektrolit oraz stykające się z nim wyprowadzenie metalowe (ilustracja. 5a). Właściwością cechą kondensatora o tej budowie jest konkretnie zdefiniowana biegunowość napięcia doprowadzonego do jego końcówek - dlatego zwie się go kondensatorem elektrolitycznym biegunowym. Podanie napięcia

Rys.5 Układ konstrukcji kondensatora elektrolitycznego biegunowego (a) oraz niebiegunowego (b) i odpowiadające im symbole graficzne 1- anoda, 2 - tlenek, 3 - elektrolit, 4 - katoda

o biegunowości odwrotnej aniżeli wymagana wywołuje procesy elektrochemiczne, które prowadzą do intensywnego wydzielania gazów i ciepła oraz w wyniku, przede wszystkim w niewielkim czasie, uszkodzenia kondensatora. Kondensatory elektrolityczne biegunowe są wykorzystywane do pracy w obwodach napięcia stałego albo pulsującego (wolnozmiennego), przy czym amplituda napięcia przemiennego nie jest w stanie przewyższać napięcia stałego, suma natomiast tych napięć - napięcia znamionowego kondensatora. Trzeba powiedzieć jeszcze to, iż jest ewentualne wyprodukowanie kondensatora elektrolitycznego niebiegunowego, przez wykorzystanie dwóch elektrod anodowych (ilustracja 5b). Taki kondensator jest w stanie działać nie tylko w obwodzie prądu stałego (przy dowolnej biegunowości napięcia stałego), ale także i prądu przemiennego. Ale przy pracy ciągłej w obwodzie prądu przemiennego amplituda napięcia przemiennego powinna być znacznie (kilkakrotnie) mniejsza aniżeli napięcie znamionowe (stałe) kondensatora. Duże wartości napięć przemiennych (ale nie przekraczające napięcia znamionowego) mogą być dostarczone do kondensatora tylko w sposób okresowo przerywany.

Kondensatory elektrolityczne charakteryzują się ogromną pojemnością właściwą (mF/cm3) i najmniejszym kosztem produkowana na jednostkę pojemności, ustępując jednak wyraźnie parametrami elektrycznymi, stabilnością oraz trwałością. Głównymi parametrami kondensatorów elektrolitycznych są pojemność znamionowa Cn tolerancja pojemności w procentach, tangens kąta stratności oraz napięcie znamionowe Un. Do najważniejszych, a więc i specyficznych parametrów kondensatorów elektrolitycznych, zaliczane są jeszcze prądy upływu Iu oraz największy dopuszczalny prąd tętnień It. Wartość obu tych prądów uzależniona jest głównie od budowy kondensatora (w tym m.in. substancji elektrod, typu elektrolitu, pojemności oraz napięcia znamionowego) oraz temperatury otoczenia. Dodatkowo na prąd upływu ma wpływ czas magazynowania (beznapięciowego składowania) kondensatora, natomiast na prąd tętnień - częstotliwość oraz amplituda napięcia przemiennego doprowadzonego do końcówek kondensatora.

Kondensatory elektrolityczne podzielić można na 2 wyraźnie różniące się grupy: aluminiowe oraz tantalowe. Obydwie grupy różnią się w sposób istotny budową, i właściwościami oraz w związku z tym, także przeznaczeniem (wykorzystaniem). Ilustracja 6 pokazuje w uproszczeniu budowę kondensatora elektrolitycznego aluminiowego. Substancją wykorzystywaną na elektrody jest bardzo czysta (99,99% Al) folia aluminiowa trawiona elektrochemiczne by uzyskać duże rozwinięcia

Rys.6 Budowa kondensatora elektrolitycznego aluminiowego biegunowego foliowego: a) zwijka; b) przekrój poprzeczny element zwijki pokazujący rozwinięcie powierzchni elektrod; anoda, 2 - papier nasycony elektrolitem, 3- katoda

powierzchni elektrody. Dielektrykiem jest bardzo cienka warstwa tlenku Al2O3 (er= 7-8) wyprodukowana na powierzchni elektrody anodowej. Elektrody (anoda oraz katoda) są przełożone specyficznym wysokonasiąkliwą substancją izolacyjną (papier albo tkanina) nasyconą elektrolitem. Jako elektrolit wykorzystuje się np. glikol, wodny roztwór tlenku baru z amoniakiem. Całość lokuje się w obudowie metalowej albo z tworzywa sztucznego oraz wyprowadza na zewnątrz końcówki obu elektrod. Kondensatory elektrolityczne aluminiowe cechują się ogromną stratnością (tg d < 0,2-1), bardzo ogromnym prądem upływu (> l mA), małym zakresem temperatury pracy (0-85°C), szerokim przedziałem tolerancji pojemności (na ogół -10% - +50%, a czasami i więcej do +250%), niewielką stabilnością chemiczną oraz czasową, ogromnymi rozmiarami; wykazują ogromną zależność parametrów od temperatury. Ze względu na parametry techniczne kondensatory elektrolityczne aluminiowe podzielić można na:

- kondensatory o podwyższonej trwałości (typu I), cechujące się ogromną stabilnością parametrów oraz trwałością, wykorzystywane do pracy w maszynach profesjonalnych:

-kondensatory do ogólnego wykorzystania (typu II) o niewielkiej stabilności oraz trwałości aniżeli kondensatory typu I, wykorzystywane przede wszystkim do pracy w maszynach powszechnego użytku.

Aktualnie korzystniejszymi parametrami cechują się kondensatory elektrolityczne tantalowe, ale są dużo droższe ze względu na większy koszt produkowania (w tym duża cena tantalu). Są one stosowane jako foliowe albo spiekowe (rys.7). Kondensatory tantalowe foliowe posiadają budowę zbliżoną do budowy kondensatorów aluminiowych foliowych. Elektrodę anodową kondensatora stanowi folia tantalowa (gładka albo trawiona) pokryta tlenkiem Ta2O5. Tlenek ten jest dielektrykiem o wiele większej przenikalności elektrycznej (er=25-27) aniżeli tlenek Al2O3 (er=7-8) w kondensatorach aluminiowych. Elektrolitem w kondensatorach tantalowych ciekłych

Rys.7 Budowa kondensatora elektrolitycznego tantalowego: a)-foliowego z ciekłym elektrolitem (tzw. kondensator mokry); b) spiekowego z ciekłym elektrolitem; c) spiekowego ze stałym elektrolitem (tzw. kondensator półprzewodnikowy)

jest roztwór kwasu siarkowego (H2SO4). Kondensatory tantalowe foliowe ze względu na dużą cenę i ogromne rozmiary są wycofywane z produkcji, głównym typem kondensatorów elektrolitycznych tantalowych są zatem kondensatory spiekowe z ciekłym albo stałym (tzw. twardym) elektrolitem. Elektrodę anodową w tych kondensatorach uzyskuje się na skutek spiekania proszku tantalowego, który następnie poddawany jest procesowi formowania elektrolitycznego, który ma na celu wyprodukowanie warstwy tlenku Ta2O5.

Elektroda anodowa tantalowa spiekana jest silnie porowata, przy tym pozbawiona skażeń, dzięki czemu posiada ogromną pojemność własną, kilkakrotnie większą od anody tantalowej foliowej. Elektrolitem w kondensatorach spiekowych mokrych (z elektrolitem ciekłym) jest roztwór kwasu siarkowego, potrzebujący niestety bardzo dobrego uszczelnienia kondensatora.

W nowoczesnych typach kondensatorów spiekowych mokrych elektrolit jest w formie żelu, co zabezpiecza przed wyciekiem oraz powiększa trwałość i niezawodność kondensatora. Kondensatory spiekowe mokre wyróżniają się spośród wszelkich kondensatorów elektrolitycznych minimalnymi prądami upływu, ogromną stabilnością głównych parametrów w szerokim przedziale temperatury pracy (od -55°C do +125°C), korzystną charakterystyką częstotliwościową impedancji w zakresie do kilkunastu MHz, ogromną trwałością oraz niezawodnością. Bardzo niekorzystne parametry posiadają kondensatory tantalowe suche (zwane również półprzewodnikowymi), są one o wiele tańsze (najtańsze pośród kondensatorów tantalowych). Rolę elektrolitu w tych kondensatorach spełnia tlenek manganu (MnO2), który jest pokryty na początku warstwą grafitu, a później warstwą metalu (srebra, miedzi albo stopu cyny z ołowiem), które stanowią w całości elektrodę katodową kondensatora. Metoda hermetyzacji stanowi wyróżnik podziału kondensatorów tantalowych suchych (półprzewodnikowych) na konkretne odmiany: kropelkowe, zaprasowywane przetłocznie, hermetyzowane w kubkach metalowych, niehermetyzowane bezkońcówkowe rodzaju chip do montażu powierzchniowego.

Kondensatory elektrolityczne tantalowe są wykorzystywane do pracy w układach elektronicznych profesjonalnych o niewielkim napięciu. Napięcie znamionowe konkretnych kondensatorów tantalowych na ogół nie przewyższa pięćdziesiąt Voltów, tylko czołowe firmy światowe oferują niektóre rodzaje kondensatorów na napięcia do sto dwadzieścia pięć Voltów. Kondensatory tantalowe stosowane są w układach elektronicznych jako kondensatory odsprzęgające, które blokują, magazynujące energie i w układach czasowych, gdzie mała upływność jest cechą najistotniejszą. Ogromną wadą kondensatorów tantalowych jest tendencja do zwarć, kiedy napięcie albo temperatura przekroczy wartości graniczne. Doprowadzić to może do rozerwania kondensatora

Kondensatory zmienne

Kondensatorem zmiennym nazywamy ogólnie kondensator, którego pojemność jest w stanie być zmieniana w sposób ciągły w pewnym zakresie. Ilustracja 8 pokazuje konstrukcję kondensatora zmiennego oraz jego charakterystykę pojemności. Kondensator z rys.8 jest jednym z typów kondensatora nastawnego, tzw. kondensatorem obrotowym, gdzie pojemność ulega zmianie przez zmianę wzajemnego ułożenia elektrod (płytek) w ruchu obrotowym. Jako, że kondensatory nastawne są najpowszechniejszym typem kondensatorów zmiennych, to na ogół w praktyce oba określenia można traktować zamiennie.

Rys.8 Kondensator nastawny zmienny: a) schematyczna budowa kondensatora obrotowego; b) charakterystyka pojemności w funkcji kąta obrotu rotora

Elektrody kondensatora nastawnego, nieruchoma (stator) oraz ruchoma (rotor), są zrobione z blachy aluminiowej, jedynie czasami wykonuje się ją ze stop miedzi (np. mosiądz, brąz). W zależności od rozwiązania konstrukcyjnego układu elektrod, który związany jest z metodą nastawiania pojemności, wyróżniamy takie to typy kondensatorów nastawnych: współosiowy (odmiana określana cyfrą l), płytkowy (2), rurkowy (3), dociskowy(4) oraz dyskowy(5). Na przykład: elektrody kondensatora współosiowego tworzą układ współosiowych powierzchni walcowych przesuwanych względem siebie także współosiowo (jedno z najpopularniejszych rozwiązań konstrukcyjnych trymera), natomiast elektrody kondensatora płytkowego - układ płaskich płytek przemieszczanych względem siebie równolegle (aktualnie wykorzystywane rozwiązanie konstrukcyjne tzw. kondensatora strojeniowego). Dielektrykiem w kondensatorze zmiennym jest na ogół powietrze, ale czasami jest nim ceramika, tworzywo sztuczne, inny aniżeli powietrze rodzaj gazu, a nawet próżnia. Cechy kondensatora zmiennego są bardzo uzależnione od budowy oraz typu substancji wykorzystanej na konstrukcję elementów. W szczególności wykrój płytek rotora decyduje o formie charakterystyki pojemności C (a) kondensatora, tj. przebiegu zmian pojemności C kondensatora w funkcji kąta obrotu a rotora. Typowe wykroje płytek kondensatorów nastawnych oraz odpowiadające im charakterystyki umieszczono na rys.9. Kondensatory o liniowej zmianie pojemności na ogół wykorzystuje się w maszynach pomiarowych, np. układach mostkowych. Pozostałe typy kondensatorów zmiennych znalazły swoje wykorzystanie głównie w radiotechnice przy strojeniu obwodów drgających (rezonansowych), dając możliwość (dzięki konkretnemu kształtu elektrodom) na uzyskanie konkretnych liniowych zależności długości fali albo częstotliwości obwodu drgającego od kąta obrotu.

Rys.9 Typowe wykroje płytek (rotora) podstawowych typów kondensatorów nastawnych (obrotowych) i odpowiadające im charakterystyki

Klasyfikacja kondensatorów zmiennych

W głównej klasyfikacji kondensatorów zmiennych wykorzystuje się w sposób niezależny podział kondensatorów na strojeniowe oraz dostrojcze (trymery) i klasy l (profesjonalne) oraz klasy 2 (powszechnego wykorzystania). Kondensatory strojeniowe (typu A) stosuje się do częstej zmiany pojemności podczas użytkowania, a trymery (typu B) oraz kondensatory dostrojcze (typu C) - do sporadycznego dostrajania albo innego podobnego celu (np. precyzyjnego ustawiania wartości pojemności). Najistotniejszymi parametrami kondensatorów zmiennych są:

Zakres pojemności znamionowej (DCn = Cn max - Cn min), napięcie znamionowe Un a ponadto tangens kąta stratności (tg d ), temperaturowy współczynnik pojemności (TWP), kategoria klimatyczna.

Pojemność największa znamionowa kondensatorów strojeniowych przede wszystkim nie przewyższa kilkaset pikofaradów (< 600 pF), natomiast napięcie pracy - kilkaset Voltów (< 300 V). Kilkakrotnie mniejszą wartość pojemności posiadają kondensatory dostrojcze oraz trymery, przede wszystkim nie przekracza ona kilkunastu pikofaradów. Kondensatory zmienne są bardzo często stosowane jako wielosekcyjne; ich pojemności są zmieniane jednocześnie przez wspólny mechanizm nastawczy.

Kondensator, który posiada dwa statory (jeden naprzeciwko drugiego) oraz jeden rotor, cechujący się tym, iż jedna pojemność przy obrocie rotora zmniejsza się, druga natomiast - wzrasta (przy czym pojemność wypadkowa nie ulega zmianie) zwie się kondensatorem różnicowym. Szczególne własności (budowę oraz właściwości) posiadają trymery do naręcznych zegarków elektronicznych. Główną ich własnością konstrukcyjną małe rozmiary - warunek niezbędny, by kondensator zmieścił się w zegarku. Największą miniaturyzację uzyskuje się wykorzystując specyficzne rozwiązania budowlane (np. rotor monolityczny, ogromna precyzyjność wykonania oraz pasowania fragmentów) i dielektryki o ogromnej przenikalności elektrycznej (np. er = ok. 1000). Najistotniejsza cechą elektryczną tego kondensatora jest jak maksymalna stabilność wartości pojemności -jakakolwiek bowiem zmiana tej pojemności (np. w funkcji temperatury albo innych narażeń zwłaszcza mechanicznych) zmniejsza dokładność pracy (wskazań) zegarka.

Kondensatory energetyczne

Trójfazowe kondensatory mocy wykorzystywane są do korygowania współczynnika mocy w systemach energetycznych niskiego napięcia. Znajdują wykorzystanie w kompensacji indywidualnej (silniki, transformatory) albo grupowej (baterie kondensatorów). Są także wykorzystywane do pracy o charakterze ciągłym albo przy sterowaniu automatycznym. W celu otrzymania poprawnej pracy przy obecności wyższych harmonicznych w sieci konieczne jest zastosowanie konkretnych układów filtrujących.

Kondensator jednofazowy skonstruowany jest w formie aluminiowego kubka, w środku którego umieszczona jest zwijka z folii polipropylenowej pokryta metodą próżniową cienką warstwą metalu. Podstawową zaletą tej folii jest samo regeneracja. Polega to na natychmiastowym odparowaniu warstwy metalowej na około miejsca zwarcia, które tymi metodami są izolowane, natomiast kondensator z małą stratą pojemności jest w stanie działać dalej.

Ważnym szczegółem jest zabezpieczenie przed wybuchem. W dojdzie do awarii kondensatora, na skutek nagłego wzrostu ciśnienia w środku kubka, jego budowa w konkretnym miejscu ulega wydłużeniu. Sprawia to, że zostaje zerwany wewnętrzny przewód zasilający, co w może doprowadzić do trwałego odłączenia tego pojedynczego kondensator od napięcia. Uszkodzony kubek jest w stanie w prosty sposób wymienić na nowy oraz małym kosztem otrzymać sprawny kondensator trójfazowy (możliwość niespotykana w innych kondensatorach).

Przykłady wykorzystania kondensatorów

- jako kondensator sprzęgający, blokujący napięcie stale, ale przepuszczający dalej napięcie zmienne. Jako kondensator blokujący, posiadający napięcie zmienne, które jest razem z napięciem stałym.

- w filtrach oraz obwodach rezonansowych, gdzie bardzo często wspólnie z elementem indukcyjnym albo rezystorem, stanowi obwód rezonansowy albo obwód filtra np. w oscylatorze lub filtrze separującym głośnika.

- np. w zasilaczu sieciowym są kondensatory do magazynowania energii, która jest stosowana do filtrowania (wygładzania) napięcia stałego.

- w obwodach czasowych stosuje się ładowanie oraz rozładowywanie kondensatora do konkretnego czasu. Na przykład multiwibrator astabilny.

- jako fragment odkłócającego, stosuje się go w kondensatorach, które mogą wchłonąć krótkie impulsy napięcia tak np. jak w obwodzie RC przyłączonym do cewki przekaźnika. Stosuje się także je do kondensatorów np. typu X albo Y by wytłumić zakłócenia o dużych częstotliwościach (RFI). Przy prądach zmiennych ogromnego napięcia, stosuje się często do pomiarów pojemnościowych dzielników napięcia. Nie posiadają one takich ogromnych strat jak rezystancyjne dzielniki napięcia.