Przydatność 60%

Kondensatory

Autor:

Pierwszy kondensator został skonstruowany w 1746 roku w laboratorium Uniwersytetu w Lejdzie. Został on wykonany z butli zawierającej wodę, która była połączona drutem z maszyną elektrostatyczną. Po pewnym czasie pracy maszyny zgromadził się bardzo duży ładunek. Tak, więc pierwszy kondensator nosił nazwę "butelka lejdejowska". W obecnych czasach małe rozmiary układów nie pozwalają na stosowanie tak dużych kondensatorów

Kondensatory są to elementy elektryczne, których podstawowym parametrem użytkowym jest pojemność C wyrażana w faradach (F). Kondensator stanowi układ co najmniej dwóch elektrod wykonanych z materiału przewodzącego (metalu) odizolowanych od siebie dielektrykiem.
Oznaczenia schematowe kondensatorów:

a) kondensator stały, b) kondensator elektrolityczny, c) kondensator zmienny,
d) kondensator dostrojczy

Pojemność kondensatora określają przenikalność elektryczna, oraz rozmiary (grubość i powierzchnia) materiału dielektrycznego wypełniającego przestrzeń między elektrodami przewodzącymi. Na przykład w najprostszym przypadku, tj. kondensatora płaskiego pojemność C określa wzór
C- pojemność kondensatora w faradach [F]
S — pole powierzchni elektrod;
d — odległość elektrod (grubość dielektryka);
e= przenikalność, która właściwie jest iloczynem eo x er gdzie eo jest przenikalnością próżni, i wynosi 8,85 x 10-12 a er jest liczba względną, która określa przenikalność dielektryka w stosunku do przenikalności w próżni er nazywana jest często stalą dielektryczną lub liczbą pojemnościową.


•Rys.1* Ilustracja do określenia pojemności kondensatora
Kondensator służy do gromadzenia ładunków elektrycznych, przy czym w wyniku doprowadzenia napięcia na jego elektrodach pojawiają się ładunki równe co do wartości bezwzględnej, lecz o przeciwnych znakach. Doprowadzenie napięcia stałego U do końcówek kondensatora o pojemności C powoduje zgromadzenie w nim ładunku
Q=C*U
Jednostką pojemności jest farad, który ma wymiar A x s/V. Pojemność 1 farada posiada kondensator, w którym ładunek 1 coulomba powoduje powstanie napięcia 1 volta. Naładowanie i rozładowanie kondensatora zajmuje zawsze pewien czas. Zmiany ładunku wiążą się z kolei z przepływem prądu przez jakąś rezystancje. Najniższa rezystancja to rezystancja doprowadzeń elektrod. Przez stałą czasową t rozumiemy czas, który jest potrzebny żeby ładunek osiągnął 63,2% (1- e-1) maksymalnego napięcia.

t = R x C [s]
Gdzie t podany jest w sekundach R podane jest w W, a C w faradach. Przyjmuje się, ze kondensator jest całkowicie naładowany, po czasie 5 x t.
Zmiany napięcia doprowadzonego do kondensatora wywołują zmiany ładunku kondensatora, w wyniku przez kondensator płynie prąd o natężeniu:
W szczególności doprowadzenie napięcia o kształcie sinusoidalnym powoduje przepływ przez kondensator prądu o takim samym kształcie. Prąd ten wyprzedza w fazie napięcie o pewien kąt.
Jeżeli kondensator byłby elementem idealnym, charakteryzującym się tylko pojemnością C to kąt fazowy byłby równy p/2, czyli 90. W rzeczywistym kondensatorze prąd wyprzedza w fazie napięcie o kąt mniejszy niż 90. Jest to spowodowane stratami, które zmniejszają
Rys2. Schematy zastępcze kondensatora rzeczywistego
przesunięcie fazowe o kąt, nazywany kątem strat elektrycznych kondensatora. Zależy on przede wszystkim od właściwości dielektryka i jego zachowania się w polu elektrycznym, a także konstrukcji i technologii wytwarzania kondensatora. Model kondensatora rzeczywistego (rys. 2) zawiera zatem dodatkowe elementy wyrażające tzw. parametry szczątkowe, np. rezystancję Ru, określoną głównie upływnością dielektryka, oraz rezystancję Rd i indukcyjność Ld doprowadzeń, w tym także elektrod. W analizie obwodów elektrycznych zwykle korzysta się z prostszych modeli kondensatora, np. z tzw. modelu równoległego lub modelu szeregowego
Kondensatory, obok rezystorów, są podstawowymi elementami biernymi obwodów elektrycznych.

Klasyfikacja kondensatorów
Kondensatory, podobnie jak rezystory, są stałe lub zmienne, typu l lub 2. Wartość pojemności kondensatora stałego jest ustalona w procesie wytwarzania i nie ulega zmianie w czasie eksploatacji. Kondensatory zmienne są, praktycznie rzecz biorąc, kondensatorami nastawnymi, tj. elementami, których pojemność można zmieniać np. przez przemieszczanie jednej elektrody względem drugiej. Kondensatory stałe stanowią grupę największą i najbardziej różnorodną. Wśród nich, ze względu na niektóre specyficzne cechy (m.in. dużą gęstość ładunku uzyskiwaną dzięki specjalnej budowie), zazwyczaj wyodrębnia się grupę kondensatorów elektrolitycznych. Podział kondensatorów wg typu l i typu 2 wiąże się z ich szczególnymi cechami techniczno-eksploatacyjnymi. Kondensatory typu l są elementami wysokostabilnymi i precyzyjnymi, przeznaczonymi do zastosowań profesjonalnych, natomiast kondensatory typu 2 są mniej stabilne i dokładne, w związku z tym na ogół tańsze i przeznaczone do stosowania w sprzęcie powszechnego użytku. Dalszej bardziej szczegółowej klasyfikacji dokonuje się ze względu na rodzaj dielektryka, technologię wytwarzania, przeznaczenie itp. Bardzo ważne znaczenie ma klasyfikacja kondensatorów wg rodzaju dielektryka — dielektryk określa bowiem w ogromnej mierze właściwości kondensatora.

Parametry kondensatora
Podstawowymi parametrami kondensatora są pojemność znamionowa wraz z tolerancją oraz napięcie znamionowe i stratność dielektryczna (tangens kąta strat d). Do ważniejszych parametrów kondensatora zalicza się napięcie probiercze, dopuszczalne napięcie przemienne, rezystancję izolacji, temperaturowy współczynnik pojemności, kategorię klimatyczną i rozmiary. W niektórych zastosowaniach istotne znaczenie mają również takie parametry jak: temperaturowa stałość pojemności, moc znamionowa, częstotliwość maksymalna (graniczna), dopuszczalne obciążenie impulsowe itp.
Pojemność znamionowa Cn kondensatora jest to wartość pojemności założona przy wytwarzaniu kondensatora, która z uwzględnieniem tolerancji podawana jest jako jego cecha. W określonych warunkach różnica między pojemnością rzeczywistą a znamionową kondensatora, tj. odchyłka pojemności, nie może być większa niż wartość wynikająca z tolerancji. Wartości pojemności znamionowej tworzą ciągi liczb, które oznacza się symbolami E3, E6, El 2, E24 itd.
Napięcie znamionowe Un kondensatora jest to wartość napięcia stałego (dla niektórych kondensatorów wartość napięcia przemiennego o ściśle określonej częstotliwości, zwykle 50 Hz), które może być długotrwale doprowadzone do kondensatora nie powodując jego zniszczenia ani jakiejkolwiek trwałej zmiany jego parametrów. Wartości napięcia znamionowego są znormalizowane, są to więc np. wartości 25V, 63V, 100V, 160V, 250V itd. Przez określony czas (zwykle l minutę) kondensator powinien także bez żadnej szkody wytrzymać napięcie o większej wartości, nazywane napięciem probierczym równym, w zależności od typu kondensatora, 1,4-2,5 Un. Wartość obu tych napięć zależy również od warunków pracy kondensatora, tj. rodzaju doprowadzonego napięcia (stałe, przemienne, impulsowe) oraz temperatury otoczenia, przy czym zmniejsza się ona ze wzrostem zarówno częstotliwości jak i temperatury. Jeżeli do kondensatora jest doprowadzone napięcie zmienne, to w pierwszym przybliżeniu można przyjąć warunek, aby suma składowej stałej i składowej przemiennej nie przekraczała wartości napięcia znamionowego określonego dla przebiegu prądu stałego (zalecenia szczegółowe dla danego kondensatora są podawane w warunkach technicznych.)
Straty energii w kondensatorze przy napięciu przemiennym charakteryzuje tangens kata strat tg d (niekiedy podaje się dobroć Q kondensatora, przy czym Q= l /tg d). Straty kondensatora są zazwyczaj większe niż straty samego dielektryka ze względu na występowanie również strat w elektrodach i doprowadzeniach. Wartość strat zależy od częstotliwości i temperatury, przy czym przebieg tej zależności jest złożoną funkcją polaryzacji dielektryka oraz rezystancji kondensatora. W katalogach wartość tg d podaje się dla ściśle określonej częstotliwości pomiarowej, zwykle l kHz lub l MHz (dla kondensatorów elektrolitycznych — 100 Hz).
Kondensator dla prądu stałego stanowi element charakteryzujący się pewną rezystancją nazywaną rezystancją izolacji, która zależy przede wszystkim od rodzaju dielektryka, a także konstrukcji i pojemności kondensatora. Dla kondensatorów stałych o niezbyt dużej pojemności (Cn < 0,1 mF) znaczący wpływ na rezystancję izolacji ma materiał obudowy (sposób izolacji). W kondensatorach o większej pojemności (Cn > 0,1 mF), ze względu na coraz silniej uwidaczniającą się zależność od Cn (rozmiary dielektryka), bardziej reprezentatywnym parametrem jest iloczyn rezystancji izolacji i pojemności, określający tzw. stałą czasową kondensatora t. Szczególnie duże wartości rezystancji izolacji ( 100GW) oraz t (l 0000 s) mają kondensatory polistyrenowe i polipropylenowe. Dla kondensatorów elektrolitycznych zamiast wartości rezystancji izolacji podaje się wartość tzw. prądu upływu Iu
Właściwości kondensatorów zależą również od temperatury, dlatego istotne znaczenie ma określenie przedziału dopuszczalnych zmian temperatury, czyli tzw. znamionowego zakresu temperatury pracy, w którym kondensator może pracować w sposób ciągły. Graniczne wartości czynników narażeniowych (klimatycznych i mechanicznych), przy których kondensator powinien spełniać wymagania ustalone normą określa kategoria klimatyczna. Na szczególną uwagę zasługuje temperaturowy współczynnik pojemności, wyrażający względną zmianę pojemności wywołana jednostkowym przyrostem (zmianą) temperatury równy DC/CDT. Współczynnik ten może mieć wartość dodatnią, ujemną lub nawet równą zeru w zależności od typu kondensatora (rodzaju dielektryka) i rozpatrywanego zakresu temperatur. Najczęściej TWP podaje się jako wartość średnia w znamionowym przedziale temperatur pracy kondensatora.
Kondensator, przy przepływie prądu zmiennego, stanowi opór zależny od częstotliwości, który jest nazywany 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]

Właściwości i budowa kondensatorów stałych
Kondensatory stałe mają właściwości zależne przede wszystkim od rodzaju zastosowanego dielektryka oraz konstrukcji i technologu wytwarzania. Dlatego też, omawiając właściwości kondensatorów stałych, jest najdogodniej korzystać z klasyfikacji dokonanej ze względu na cechy materiałowo-konstrukcyjne. W tej klasyfikacji wyróżnia się kondensatory tworzywowe (polistyrenowe, poliestrowe, polipropylenowe itp.), ceramiczne (typu l, typu 2 — ferroelektryczne) oraz inne (tj. pozostałe rodzaje kondensatorów stałych, np. papierowe, papierowo-tworzywowe, mikowe). Niekiedy, uwzględniając ich specyficzne cechy, wyróżnia się kondensatory prądu zmiennego, impulsowe, przeciwzakłóceniowe, wysokonapięciowe, hermetyczne.
Kondensatory z dielektrykiem papierowym są stosowane od wielu lat, jednak obecnie ich znaczenie maleje — najczęściej znajdują zastosowanie jako elementy przeciwzakłóceniowe.
Kondensatory mikowe mimo wielu znakomitych właściwości (m.in. dużej stałości pojemności w czasie, ściśle określonego temperaturowego współczynnika pojemności) — są powoli wycofywane z produkcji ze względów materiałowo-technologicznych. Kondensatory mikowe zbudowane są podobnie jak ceramiczne kondensatory wielowarstwowe, ale ponieważ nie podlegają wygrzewaniu w wysokich temperaturach, elektrody można wykonać ze srebra. Mika jest minerałem wydobywanym w kopalniach indyjskich, gdzie jego jakość jest szczególnie wysoka. Jest to minerał twardy i odporny, charakteryzujący się tym, ze rozdziela się na cienkie płytki, które można wyposażyć w elektrody. Właściwości elektryczne np. rezystancja izolacji, stratność i stabilność są doskonale i całkowicie porównywalne z najlepszymi tworzywami sztucznymi i ceramika. Kondensatory mikowe są jednak względnie duże i drogie, co powoduje, ze w znacznym stopniu zastępowane są miedzy innymi, przez kondensatory polipropylenowe. Stosuje się je często w układach wielkiej częstotliwości, gdzie wymagane są nie tylko niskie straty, ale również wysoka stabilność częstotliwości i temperatury. Produkowane są o wartościach pojemności od 1pF do 0,1 mF
Kondensatory tworzywowe mają dielektryk wykonany z folii z tworzywa sztucznego najczęściej polistyrenu, poliestru lub polipropylenu, rzadziej poliwęglanu lub teflonu. Okładziny (elektrody) kondensatora są wykonywane zazwyczaj z cienkiej folii aluminiowej, niekiedy cynowej (kondensatory foliowe), bądź stanowi je cienka warstwa aluminium naniesiona próżniowo na folię dielektryczną jedno- lub dwustronnie (kondensatory metalizowane). Całość (dielektryk wraz z elektrodami) jest zwijana (kondensatory zwijkowe) lub układana w warstwy (kondensatory wielowarstwowe). Obudowę stanowi zwykle tworzywo sztuczne w postaci taśmy klejącej lub kubka (niekiedy stosuje się kubek metalowy, np. aluminiowy lub stalowy) uszczelniane żywicą fenolową lub epoksydową.
Kondensatory polistyrenowe wyróżniają się dużą stabilnością, dużą rezystancją izolacji, małym tangensem kąta strat, małym (a przy tym stałym) ujemnym temperaturowym współczynnikiem pojemności oraz możliwością uzyskania wąskich tolerancji pojemności. W pewnym stopniu wadą tych kondensatorów jest dość niska górna dopuszczalna temperatura pracy ( +70C). Są przeznaczone do pracy w urządzeniach profesjonalnych i powszechnego użytku, szczególnie w obwodach w.cz. (przy wykonaniu tzw. bezindukcyjnym, charakteryzującym się tym, że wyprowadzenia są przylutowane do całej powierzchni występujących części elektrod). Kondensatory te stosowane są między innymi w bardzo odpowiedzialnych miejscach obwodów elektrycznych np. w filtrach.
Kondensatory poliestrowe i polipropylenowe, w porównaniu z kondensatorami polistyrenowymi, są mniej stabilne i mają większą stratność, ale szerszy zakres temperatury pracy (od -55oC do 85oC) oraz zdolność do samoregeneracji, gdy są metalizowane. Kondensatory poliestrowe są przeznaczone do pracy przede wszystkim w obwodach prądu stałego (mogą pracować w obwodach prądu przemiennego, lecz przy napięciu znacznie niższym od napięcia znamionowego i malejącym ze wzrostem częstotliwości). Kondensatory polipropylenowe stosuje się w układach impulsowych (np. półprzewodnikowych układach odchylania odbiorników telewizyjnych) oraz układach prądu przemiennego (np. układach lamp wyładowczych i jednofazowych silnikach elektrycznych małej mocy). Kondensatory prądu przemiennego bardzo często wykonuje się z dielektrykiem uwarstwionym (podwójnym) złożonym z folii polipropylenowej i bibułki kondensatorowej (kondensatory polipropylenowo-papierowe).
Właściwości kondensatorów ceramicznych w istotny sposób zależą od rodzaju materiału zastosowanego jako dielektryk. Zazwyczaj wyróżnia się dwie podstawowe grupy tych kondensatorów, różniące się zasadniczo właściwościami, a w wyniku tego i przeznaczeniem:
— kondensatory typu l, charakteryzujące się małą stratnością oraz liniową zależnością pojemności w funkcji temperatury (przy znormalizowanym temperaturowym współczynniku pojemności) zwykle przeznaczone do pracy w obwodach rezonansowych jako kondensatory kompensacyjne;
— kondensatory typu 2 (ferroelektryczne), charakteryzujące się dużą stratnością oraz silnie nieliniową zależnością pojemności od temperatury i napięcia, najczęściej stosowane jako kondensatory sprzęgające, blokujące itp.
Niekiedy wyróżnia się jeszcze jedną grupę kondensatorów ceramicznych, tj. kondensatory typu 3, charakteryzujące się dużą pojemnością jednostkową, przy jednak znacznie gorszych pozostałych parametrach.
Kondensatory ceramiczne są wykonywane jako płytkowe, rurkowe (w tym przepustowe), foliowe i monolityczne (rys. 3.13C). Szczególnie korzystne cechy (dużą pojemność jednostkową, dużą niezawodność) mają kondensatory monolityczne. Są one wykonywane przez spieczenie sprasowanego pakietu wielu warstw bardzo cienkiej folii ceramicznej z naniesionymi na nich elektrodami metalowymi.

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

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


Budowa i właściwości kondensatorów elektrolitycznych
Kondensatorem elektrolitycznym nazywa się kondensator, którego jedna z elektrod, tzw. anoda, jest wykonana z metalu (aluminium lub tantalu) i pokryta cienką warstwą tlenku, drugą zaś elektrodę, tzw. katodę, stanowi elektrolit i stykające się z nim wyprowadzenie metalowe (rys. 5a). Cechą właściwą kondensatora o takiej konstrukcji jest ściśle określona biegunowość napięcia doprowadzonego do jego końcówek — w związku z tym nazywa się go kondensatorem elektrolitycznym biegunowym. Podanie napięcia

Rys.5 Schemat budowy kondensatora elektrolitycznego biegunowego (a) i niebiegunowego (b) oraz odpowiadające im symbole graficzne 1— anoda, 2 — tlenek, 3 — elektrolit, 4 — katoda
o biegunowości odwrotnej niż wymagana wywołuje procesy elektrochemiczne, prowadzące do intensywnego wydzielania gazów oraz ciepła i w wyniku, na ogół w krótkim czasie, zniszczenie kondensatora. Kondensatory elektrolityczne biegunowe są przeznaczone do pracy w obwodach napięcia stałego lub pulsującego (wolnozmiennego), przy czym amplituda napięcia przemiennego nie może przewyższać napięcia stałego, suma zaś tych napięć — napięcia znamionowego kondensatora. Należy zaznaczyć to, że jest możliwe wytworzenie kondensatora elektrolitycznego niebiegunowego, przez zastosowanie dwóch elektrod “anodowych" (rys. 5b). Taki kondensator może pracować zarówno w obwodzie prądu stałego (przy dowolnej biegunowości napięcia stałego), jak i prądu przemiennego. Jednak przy pracy ciągłej w obwodzie prądu przemiennego amplituda napięcia przemiennego musi być znacznie (wielokrotnie) mniejsza niż napięcie znamionowe (stałe) kondensatora. Większe wartości napięć przemiennych (lecz nie przekraczające napięcia znamionowego) mogą być doprowadzane do kondensatora jedynie w sposób okresowo przerywany.
Kondensatory elektrolityczne wyróżniają się największą pojemnością właściwą (mF/cm3) oraz najniższym kosztem wytwarzania na jednostkę pojemności, ustępując jednak wyraźnie parametrami elektrycznymi, stabilnością i trwałością. Podstawowymi parametrami kondensatorów elektrolitycznych są pojemność znamionowa Cn tolerancja pojemności w %, tangens kąta stratności i napięcie znamionowe Un. Do ważniejszych, a zarazem specyficznych parametrów kondensatorów elektrolitycznych, zalicza się jeszcze prąd upływu Iu i maksymalny dopuszczalny prąd tętnień It. Wartość obu tych prądów zależy przede wszystkim od konstrukcji kondensatora (w tym m.in. materiału elektrod, rodzaju elektrolitu, pojemności i napięcia znamionowego) oraz temperatury otoczenia. Ponadto na prąd upływu ma wpływ czas magazynowania (beznapięciowego składowania) kondensatora, a na prąd tętnień — częstotliwość i amplituda napięcia przemiennego doprowadzonego do końcówek kondensatora.
Kondensatory elektrolityczne dzieli się na dwie wyraźnie różniące się grupy: aluminiowe i tantalowe. Obie grupy różnią się w sposób istotny konstrukcją, oraz właściwościami i w związku z tym, również przeznaczeniem (zastosowaniem). Rysunek 6 przedstawia w uproszczeniu konstrukcję kondensatora elektrolitycznego aluminiowego. Materiałem stosowanym na elektrody jest bardzo czysta (99,99% Al) folia aluminiowa trawiona elektrochemicznie w celu uzyskania dużego rozwinięcia

Rys.6 Konstrukcja kondensatora elektrolitycznego aluminiowego biegunowego foliowego: a) zwijka; b) przekrój poprzeczny fragmentu zwijki ukazujący rozwinięcie powierzchni elektrod; anoda, 2 — papier nasycony elektrolitem, 3— katoda
powierzchni elektrody. Dielektrykiem jest bardzo cienka warstwa tlenku Al2O3 (er= 7-8) wytworzona na powierzchni elektrody anodowej. Elektrody (anoda i katoda) są przełożone specjalnym wysokonasiąkliwym materiałem izolacyjnym (papier lub tkanina) nasyconym elektrolitem. Jako elektrolit stosuje się np. glikol, wodny roztwór tlenku baru z amoniakiem. Całość umieszcza się w obudowie metalowej lub z tworzywa sztucznego i wyprowadza na zewnątrz końcówki obu elektrod. Kondensatory elektrolityczne aluminiowe charakteryzują się dużą stratnością (tg d < 0,2-1), dość dużym prądem upływu (> l mA), wąskim zakresem temperatury pracy (0-85C), szerokim przedziałem tolerancji pojemności (zazwyczaj -10% - +50%, a niekiedy i więcej do +250%), małymi stabilnościami chemiczną i czasową, dużymi rozmiarami; wykazują też dużą zależność parametrów od temperatury. Ze względu na parametry techniczne kondensatory elektrolityczne aluminiowe dzieli się na:
— kondensatory o podwyższonej trwałości (typu I), charakteryzujące się dużą stabilnością parametrów i trwałością, przeznaczone do pracy w urządzeniach profesjonalnych:
—kondensatory ogólnego stosowania (typu II) o mniejszej stabilności i trwałości niż kondensatory typu I, przeznaczone do pracy w urządzeniach powszechnego użytku.

Ogólnie lepszymi parametrami charakteryzują się kondensatory elektrolityczne tantalowe, lecz są znacznie droższe ze względu na wyższy koszt wytwarzania (w tym wysoka cena tantalu). Są one wykonywane jako foliowe lub spiekowe (rys.7). Kondensatory tantalowe foliowe mają konstrukcję podobną do konstrukcji kondensatorów aluminiowych foliowych. Elektrodę anodową kondensatora stanowi folia tantalowa (gładka lub trawiona) pokryta tlenkiem Ta2O5. Tlenek ten jest dielektrykiem o znacznie większej przenikalności elektrycznej (er=25-27) niż tlenek Al2O3 (er=7-8) w kondensatorach aluminiowych. Elektrolitem w kondensatorach tantalowych ciekłych

Rys.7 Konstrukcja 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 wysoki koszt oraz duże rozmiary są wycofywane z produkcji, podstawowym rodzajem kondensatorów elektrolitycznych tantalowych stają się więc kondensatory spiekowe z ciekłym lub stałym (tzw. twardym) elektrolitem. Elektrodę anodową w tych kondensatorach otrzymuje się w wyniku spiekania proszku tantalowego, poddawanego następnie procesowi formowania elektrolitycznego, mającego na celu wytworzenie warstwy tlenku Ta2O5.
Elektroda anodowa tantalowa spiekana jest silnie porowata, przy tym pozbawiona zanieczyszczeń, dzięki czemu ma dużą pojemność własną, wielokrotnie większą od anody tantalowej foliowej. Elektrolitem w kondensatorach spiekowych mokrych (z elektrolitem ciekłym) jest roztwór kwasu siarkowego, wymagający niestety bardzo dobrego uszczelnienia kondensatora.
W nowocześniejszych odmianach kondensatorów spiekowych mokrych elektrolit jest w postaci żelu, co zabezpiecza przed wyciekiem i zwiększa trwałość oraz niezawodność kondensatora. Kondensatory spiekowe mokre wyróżniają się spośród wszystkich kondensatorów elektrolitycznych najmniejszymi prądami upływu, dużą stabilnością podstawowych parametrów w szerokim przedziale temperatury pracy (od -55C do +125C), korzystną charakterystyką częstotliwościową impedancji w zakresie do kilku MHz, dużą trwałością i niezawodnością. Niewiele gorsze parametry mają kondensatory tantalowe suche (nazywane też półprzewodnikowymi), a są dużo tańsze (najtańsze wśród kondensatorów tantalowych). Rolę elektrolitu w tych kondensatorach spełnia tlenek manganu (MnO2), pokryty najpierw warstwą grafitu, a następnie warstwą metalu (srebra, miedzi lub stopu cyny z ołowiem), stanowiących w całości elektrodę katodową kondensatora. Sposób hermetyzacji stanowi wyróżnik podziału kondensatorów tantalowych suchych (półprzewodnikowych) na następujące odmiany: kropelkowe, zaprasowywane przetłocznie, hermetyzowane w kubkach metalowych, niehermetyzowane bezkońcówkowe typu “chip" do montażu powierzchniowego.
Kondensatory elektrolityczne tantalowe są przeznaczone do pracy w układach elektronicznych profesjonalnych o dość niskim napięciu. Napięcie znamionowe produkowanych kondensatorów tantalowych na ogół nie przekracza 50V, jedynie czołowe firmy światowe oferują nieliczne typy kondensatorów na napięcia do 125V. Kondensatory tantalowe używane są w układach elektronicznych jako kondensatory odsprzegające, blokujące, magazynujące energie oraz w układach czasowych, gdzie niska upływność jest cecha najważniejsza. Dużą wada kondensatorów tantalowych jest tendencja do zwarć, gdy napięcie lub temperatura przekroczą wartości graniczne. Spowodować to może rozerwanie kondensatora

Kondensatory zmienne
Kondensatorem zmiennym nazywa się ogólnie kondensator, którego pojemność może być zmieniana w sposób ciągły w określonym zakresie. Rysunek 8 przedstawia budowę kondensatora zmiennego i jego charakterystykę pojemności. Kondensator z rys.8 jest jednym z rodzajów kondensatora nastawnego, tzw. kondensatorem obrotowym, którego pojemność zmienia się przez zmianę wzajemnego położenia elektrod (płytek) w ruchu obrotowym. Ponieważ kondensatory nastawne są najpowszechniejszym rodzajem kondensatorów zmiennych", to zazwyczaj w praktyce obie nazwy są traktowane zamiennie.

Rys.8 Kondensator nastawny zmienny: a) schematyczna konstrukcja kondensatora obrotowego; b) charakterystyka pojemności w funkcji kąta obrotu rotora
Elektrody kondensatora nastawnego, nieruchoma (stator) i ruchoma (rotor), są wykonywane z blachy aluminiowej, tylko niekiedy stosuje się stopy miedzi (np. mosiądz, brąz). W zależności od rozwiązania konstrukcyjnego układu elektrod, związanego ze sposobem nastawiania pojemności, rozróżnia, się następujące odmiany kondensatora nastawnego: współosiowy (odmiana oznaczana cyfrą l), płytkowy(2),rurkowy(3), dociskowy(4) i dyskowy(5). Przykładowo: elektrody kondensatora współosiowego tworzą układ współosiowych powierzchni walcowych przesuwanych względem siebie również współosiowo (jedno z popularniejszych rozwiązań konstrukcyjnych trymera), a elektrody kondensatora płytkowego — układ płaskich płytek przemieszczanych względem siebie równolegle (powszechnie stosowane rozwiązanie konstrukcyjne tzw. kondensatora strojeniowego). Dielektrykiem w kondensatorze zmiennym jest zwykle powietrze, choć może być nim ceramika, tworzywo sztuczne, inny niż powietrze rodzaj gazu, a nawet próżnia. Właściwości kondensatora zmiennego są ściśle uzależnione od konstrukcji i rodzaju materiału zastosowanego na budowę elementów. W szczególności wykrój płytek rotora decyduje o kształcie charakterystyki pojemności C (a) kondensatora, tj. przebiegu zmian pojemności C kondensatora w funkcji kąta obrotu a rotora. Typowe wykroje płytek kondensatorów nastawnych i odpowiadające im charakterystyki podano na rys.9. Kondensatory o liniowej zmianie pojemności zazwyczaj stosuje się w urządzeniach pomiarowych, np. układach mostkowych. Pozostałe rodzaje kondensatorów zmiennych znajdują zastosowanie głównie w radiotechnice przy strojeniu obwodów drgających (rezonansowych), umożliwiając (dzięki określonego kształtu elektrodom) otrzymanie odpowiednich liniowych zależności długości fali lub częstotliwości obwodu drgającego od kąta obrotu.

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

Klasyfikacja kondensatorów zmiennych
W podstawowej klasyfikacji kondensatorów zmiennych stosuje się w sposób niezależny podział kondensatorów na strojeniowe i dostrojcze (trymery) oraz klasy l (profesjonalne) i klasy 2 (powszechnego użytku). Kondensatory strojeniowe (typu A) są przeznaczone do częstej zmiany pojemności podczas użytkowania, natomiast trymery (typu B) i kondensatory dostrojcze (typu C) — do sporadycznego dostrajania lub innego podobnego celu (np. dokładnego ustawiania wartości pojemności). Najważniejszymi 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 maksymalna znamionowa kondensatorów strojeniowych na ogół nie przekracza kilkaset pikofaradów (< 600 pF), a napięcie pracy — kilkaset Voltów (< 300 V). Wielokrotnie mniejszą wartość pojemności mają kondensatory dostrojcze i trymery, zwykle nie przekracza ona kilkudziesięciu pikofaradów. Kondensatory zmienne są bardzo często wykonywane jako wielosekcyjne; ich pojemności są zmieniane równocześnie przez wspólny mechanizm nastawczy.
Kondensator, który ma dwa statory (jeden naprzeciw drugiego) i jeden rotor, charakteryzujący się tym, że jedna pojemność przy obrocie rotora maleje, druga zaś — rośnie (przy czym pojemność wypadkowa nie ulega zmianie) nazywa się kondensatorem różnicowym. Szczególne cechy (konstrukcję i właściwości) mają trymery do naręcznych zegarków elektronicznych. Podstawową ich cechą konstrukcyjną są jak najmniejsze rozmiary — warunek konieczny, aby kondensator zmieścił się w zegarku. Maksymalną miniaturyzację osiąga się stosując specjalne rozwiązania konstrukcyjne (np. rotor monolityczny, dużą dokładność wykonania i pasowania elementów) oraz dielektryki o dużej przenikalności elektrycznej (np. er = ok. 1000). Najważniejszą właściwością elektryczną takiego kondensatora jest jak największa stabilność wartości pojemności —jakakolwiek bowiem zmiana tej pojemności (np. w funkcji temperatury lub innych narażeń zwłaszcza mechanicznych) zmniejsza dokładność pracy (wskazań) zegarka.

Kondensatory energetyczne
Trójfazowe kondensatory mocy przeznaczone są do korygowania współczynnika mocy w systemach energetycznych niskiego napięcia. Znajdują zastosowanie w kompensacji indywidualnej (silniki, transformatory) lub grupowej (baterie kondensatorów).Mogą być stosowane do pracy o charakterze ciągłym lub przy sterowaniu automatycznym. W celu uzyskania poprawnej pracy przy obecności wyższych harmonicznych w sieci wymagane jest stosowanie odpowiednich układów filtrujących.
Kondensator jednofazowy zbudowany jest w postaci aluminiowego kubka, wewnątrz którego znajduje się zwijka z folii polipropylenowej pokrytej metodą próżniową cienką warstwą metalu. Główną zaletą tej folii jest samo regeneracja. Polega to na natychmiastowym odparowaniu warstwy metalowej wokół miejsca zwarcia, które w ten sposób jest izolowane, a kondensator z niewielką stratą pojemności może pracować dalej.
Istotnym szczegółem jest zabezpieczenie przed wybuchem. W momencie awarii kondensatora, pod wpływem nagłego wzrostu ciśnienia wewnątrz kubka, jego konstrukcja w ściśle określonym miejscu ulega wydłużeniu. Powoduje to zerwanie wewnętrznego przewodu zasilającego, co w konsekwencji trwale odłącza ten pojedynczy kondensator od napięcia. Uszkodzony kubek można w prosty sposób wymienić na nowy i niskim kosztem uzyskać sprawny kondensator trójfazowy (możliwość niespotykana w innych kondensatorach).







Przykłady zastosowania kondensatorów
- jako kondensator sprzęgający, blokujący napięcie stale, ale przepuszcza dalej napięcie zmienne. Jako kondensator blokujący, zwierający napięcie zmienne, które występuje razem z napięciem stałym.
- w filtrach i obwodach rezonansowych, gdzie najczęściej wspólnie z elementem indukcyjnym lub rezystorem, stanowi obwód rezonansowy lub obwód filtra np. w oscylatorze albo filtrze separującym głośnika.

- np. w zasilaczu sieciowym znajdują się kondensatory do magazynowania energii, która jest używana do filtrowania (wygładzania) napięcia stałego.

- w obwodach czasowych wykorzystuje się ładowanie i rozładowywanie kondensatora do określenia czasu. Przykładem tego jest multiwibrator astabilny.
- jako elementu odkłócającego, używa się kondensatora, który może pochłonąć krótkie impulsy napięcia tak np. jak w obwodzie RC przyłączonym do cewki przekaźnika. Używa się również kondensatorów np. typu X lub Y w celu tłumienia zakłóceń o wysokich częstotliwościach (RFI). Przy prądach zmiennych wysokiego napięcia, używa się często do pomiarów pojemnościowych dzielników napięcia. Nie maja one takich dużych strat jak rezystancyjne dzielniki napięcia.

Przydatna praca?
Wersja ściąga:
W słowniku:
Przydatna praca? tak nie 147
głosów
Poleć znajomym

Serwis Sciaga.pl nie odpowiada za treści umieszczanych tekstów, grafik oraz komentarzy pochodzących od użytkowników serwisu.

Zgłoś naruszenie