Kondensatory

Wszystkie typy kondensatorów mają następujące właściwości:
- Dla prądu przemiennego impedancja kondensatora zależy od częstotliwości prądu oraz od jego pojemności.
- Dla prądu stałego kondensator przedstawia sobą dużą rezystancje i ma zdolność gromadzenia ładunków elektrycznych w ilości proporcjonalnej do jego pojemności.
- Z elementami indukcyjnymi tworzy obwód rezonansowy.

Symbole graficzne kondensatorów

Na schematach ideowych kondensator jest zwykle przedstawiany tak jak na rysunku 1 – dla kondensatorów niespolaryzowanych i tak jak na rysunku 2 – dla kondensatorów spolaryzowanych np. elektrolitycznych lub tantalowych. Według rysunku 1 oznacza się również fizyczną postać pojemności. Natomiast według rysunku 3 oznacza się kondensatory o zmiennej pojemności.

Parametry kondensatorów

- Pojemność: znamionowa - jest to pojemność (wyrażona w Faradach) określona przez producenta i podana na oznaczeniu kondensatora; określa zdolność kondensatora do gromadzenia ładunku.
rzeczywista – dokładna pojemność, jaką posiada kondensator.

Wartości pojemności znamionowej są znormalizowane i tworzą ciągi liczb nazywane szeregami: E6, E12, E24 itd. Liczby 6, 12, 24 określają ilość wartości pojemności zawartych w dekadzie np. od 10 do 100F. Z każdym szeregiem jest związana tolerancja, która umożliwia pełne pokrycie zakresu możliwych pojemności tzn. można wybrać dowolną wartość pojemności korzystając z większej ilości różnych kondensatorów z jednego szeregu. Tolerancji 20% odpowiada szereg E6, 10% szereg E12, a 5% szereg E24. Każdy wyższy szereg zawiera wartość z szeregu niższego.
E6 (20%) 10, 15, 22, 33, 47, 68
E12 (10%) 10, 12, 15, 18, 22, 27, 33, 39, 47, 56, 68, 82
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.

Szeregi wyższe to 2%, 1%, 0.5% służące do oznaczenia kondensatorów precyzyjnych. Czynnikiem, który w największym stopniu wpływa na pojemność kondensatora, poza powierzchnią i odległością elektrod, jest zdolność dielektryka do przyjęcia ujemnego ładunku w pobliże dodatniej elektrody, i dodatniego ładunku w pobliże elektrody ujemnej, co powoduje, że wpływ odległości między elektrodami zmniejsza się.
- Tolerancja - (klasa dokładności) - ponieważ ze względu na rozrzuty produkcyjne kondensatory nie mają pojemności dokładnie zgodnej z pojemnością znamionową, podaje się maksymalne dopuszczalne odchyłki. Tolerancje wyraża się w procentach wartości znamionowej.
- Napięcie znamionowe – jest to maksymalne napięcie, które można doprowadzić do zacisków kondensatora. Napięcie przewyższające tę wartość powoduje przebicie dielektryka i zwarcie kondensatora. Napięcie znamionowe kondensatora jest bezpośrednio związane z rodzajem użytego dielektryka oraz jego grubością. Gruba warstwa dielektryka wytrzymuje większe napięcie niż cienka. Jeśli dopuszczalne napięcie w danym obwodzie jest wyższe od znamionowego, to można połączyć kilka kondensatorów w szereg. Dopuszczalne napięcie takiego układu jest wtedy sumą poszczególnych napięć znamionowych. Zakresy napięć znamionowych wynoszą: 6,3V; 16V; 25V; 50V; 63V; 100V; 160V; 250V; 400V; 600V; oraz 1kV; 4kV; 6,3kV; 10kV.
- Prąd upływowy – prąd przewodzenia pojawiający się po doprowadzeniu do końcówek kondensatora napięcia stałego.
- Tangens kąta stratności d - stosunek mocy czynnej wydzielającej się w kondensatorze przy napięciu sinusoidalnie zmiennym o określonej częstotliwości; w kondensatorze bez strat (idealnym) po przyłożeniu napięcia przemiennego prąd wyprzedza napięcie o kąt 90, natomiast w kondensatorze ze stratami (rzeczywistym) ten kąt jest nieco mniejszy. Różnica jest tym większa im większe są straty, a więc tangensa kąta będącego dopełnieniem do 90 charakteryzują straty występujące w kondensatorze.
- Temperaturowy współczynnik pojemności – określa względną zmianę pojemności, zależną od zmian temperatury
- Wytrzymałością elektryczną - nazywamy maksymalną wartość natężenia pola, która jeszcze nie niszczy własności izolacyjnych dielektryka.
- Reaktancja pojemnościowa – jest to opór zależny od częstotliwości, jaki posiada kondensator podczas przepływu prądu zmiennego.
- Zastępcza rezystancja szeregowa (ESR) - całkowite straty w kondensatorze, które poza rezystancją szeregową doprowadzeń i elektrod, obejmują straty w dielektryku, powstające przy oddziaływaniu na niego zmiennego pola elektrycznego. ESR jest funkcją częstotliwości i temperatury.
- Szeregowa indukcyjność zastępcza (ESL) - jest indukcyjnością wyprowadzeń i elektrod. Indukcyjność współczesnych kondensatorów zwykle zawiera się w zakresie 10-100 nH.
- Odporność na napięcie impulsowe - określa, z jaką częstotliwością kondensator może być ładowany i rozładowywany. Zmiany napięcia powodują przepływ prądu przez elektrody i doprowadzenia, w rezystancji których następuje wydzielenie pewnej mocy. Gdy gęstość prądu w elektrodach będzie duża, wzrasta oporność własna, a w związku z tym straty mocy. Przy bardzo wysokich prądach może nastąpić stopienie i wyparowanie elektrod i wówczas w kondensatorze powstaje ciśnienie gazów, które może mieć fatalne skutki. Zmiany napięcia prowadzą ponadto do strat w dielektryku, które wspólnie ze stratami w rezystancji powodują wzrost temperatury kondensatora. Odporność na napięcie impulsowe jest podawane łącznie z napięciem pracy, które jest równe nominalnemu. Odporność na napięcie impulsowe jest parametrem katalogowym i zależy od przyjętych warunków badania. W zależności od przyjętej metody (zgodnej z obowiązującymi normami) ilość impulsów, ich częstotliwość, wzrost temperatury itd., mogą być różne.

Schematy zastępcze kondensatorów

Schemat zastępczy kondensatora dla prądu zmiennego w. cz. przedstawia rysunek 4. Jest ogólny schemat dla kondensatorów niespolaryzowanych. Na rysunku tym:
Rs = rezystancja szeregowa wyprowadzeń i elektrod, elektrolitu, jak również straty w dielektryku.
Ls = indukcyjność doprowadzeń i elektrod,
C = pojemność
Rp = rezystancja izolacji w dielektryku. Rezystancja dielektryka w kondensatorze nigdy nie jest nieskończona, gdyż zawsze istnieje jakiś przepływ prądu. Prąd ten nazywamy prądem upływu. Powoduje on samo rozładowanie kondensatora. Może to być czynnikiem krytycznym np. w obwodach czasowych.

Podział kondensatorów

Podstawowe parametry jak pojemność znamionowa i napięcie znamionowe zależą przedewszystkim od rodzaju zastosowanego w nich dielektryka. Ze względu na tą zależność dzielimy kondensatory na:
- mikowe (symbol KM);
- ceramiczne (KCP, KFP, KCR, KFR);
- papierowe (KLMP, KSMP);
- z tworzyw sztucznych (organiczne – symbol KSF, MKSE, MKSF, MKSP);
- elektrolityczne (KEN, KEO, SM, E, T, UL, KERMS);
- powietrzne.

Kondensatory mikowe – do wyrobu używa się moskwitu. Mają mały temperaturowy współczynnik pojemności i mały tangens kąta stratności dielektrycznej. 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, 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 m.in. 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 μF.

Kondensatory ceramiczne - wykonywane z ceramiki alundowej, rutylowej oraz steatytowej. Mają one małą wartość kąta stratności oraz duży współczynnik pojemności. Zaletą jest duża pojemność znamionowa i małe wymiary. Mają niewielkie wartości indukcyjności własnej, w związku z tym mogą być stosowane w obwodach wielkiej częstotliwości oraz jako pojemności sprzęgające. Kondensatory ceramiczne są produkowane z jednej lub wielu płytek ceramicznych z nałożoną elektroda metalowa. Kondensator ceramiczny z pojedyncza warstwa dielektryka nazywany jest jednowarstwowym, "single plate" lub kondensatorem płytkowym. Gdy kondensator zbudowany jest z wielu warstw dielektryka i elektrod, nazywany jest wielowarstwowym albo kondensatorem monolitycznym. Podaż różnych materiałów i wykonań kondensatorów jest ogromna. Kondensatory ceramiczne produkuje się o pojemnościach od 0,5pF do wielu setek μF. Kondensatory powyżej 10 μF są jednak rzadko spotykane, ze względu na wysoka cenę.

Kondensatory papierowe - mają małe wymiary przy dużych wartościach pojemności oraz duży współczynnik stratności dielektrycznej. Dielektrykiem jest bibuła nasycona olejem syntetycznym, kondensatorowym lub parafinowym. Są w większości zastosowań zastępowane kondensatorami warstwowymi z tworzyw sztucznych. Pomimo wysokiej stałej dielektrycznej, kondensatory papierowe są większe oraz droższe niż z tworzyw sztucznych. Zaletami kondensatorów papierowych jest odporność na napięcia impulsowe i niska zawartość węgla (ok, 3%, dla porównania: 40-70% w tworzywach sztucznych), co powoduje bardzo dobre własności samoregenerujace i małe ryzyko zapłonu. W dzisiejszej dobie wzywane są one niemal wyłącznie jako kondensatory odkłócające (kondensatory X i Y), w których można wykorzystywać zalety papieru w stosunku do tworzyw sztucznych. Czasami stosuje się równocześnie folie plastikowa jak i papier. Mówi się wówczas o mieszanym dielektryku, w którym usiłuje się wykorzystać zalety każdego z nich.

Kondensatory z tworzyw sztucznych - Kondensatory z tworzywa sztucznego, w których warstwę dielektryka stanowi tworzywo sztuczne maja małe straty dzięki niskiej rezystancji elektrod i wysokiej rezystancji izolacji. Technologiczność konstrukcji umożliwia automatyzacje produkcji i w efekcie niskie ceny. Są one niepolaryzowane i maja bardzo mały prąd upływu. Używa się ich jako kondensatorów szeregowych lub blokujących w układach analogowych i cyfrowych, w obwodach czasowych i filtrach LC. Produkowane pojemności zawierają się w granicach od 10 pF do 100 μF. Elektrody wykonuje się w postaci folii metalowej lub folii metalizowanej. Folia metalizowana powstaje w wyniku naparowania próżniowego cienkiej warstwy metalu na dielektryk. Zaleta tego rozwiązania jest to, ze przy przebiciu elektrycznym naparowany metal wyparowuje wokół miejsca przebicia i w ten sposób nie dochodzi do ewentualnemu zwarcia. Dielektrykiem może być: folia polistyrenowa, poliestrowa lub polipropylenowa. Rozróżniamy kondensatory takie jak:
- Polistyrenowe - mają mały współczynnik temperaturowy pojemności, mały tangens kąta stratności stosowane są w układach pracujących w zakresie wielkich częstotliwości.
- Poliestrowe - mają duży współczynnik kąta stratności dielektrycznej, stosowane głównie w układach napięcia stałego lub zmiennego o małej częstotliwości.
- Polipropylenowe - mają zbliżone właściwości do właściwości kondensatorów poliestrowych, stosuje się je w obwodach prądu zmiennego o częstotliwości 50Hz.

Kondensatory elektrolityczne. - kondensatory elektrolityczne maja elektrody aluminiowe albo tantalowe. Powierzchnia anody (biegun dodatni) jest pokryta bardzo cienka warstwa tlenku, która pełni role dielektryka. W celu zmniejszenia odległości miedzy warstwa tlenku i katoda (biegun ujemny) używa się elektrolitu o niskiej rezystancji.

Kondensatory elektrolityczne aluminiowe mokre - zawierają elektrolit złożony z kwasu borowego, glikolu, soli i rozpuszczalnika. Elektrody są wytrawione w kąpieli kwaśnej, w celu uzyskania powierzchni porowatej. W ten sposób powierzchnia wzrasta aż do 300 razy. Warstewka dielektryka (tlenku) na anodzie jest formowana (buduje się ją), w kąpieli z elektrolitem zawierającym wodę, do grubości ok. 13 A na każdy Volt napięcia, które ma on wytrzymać. Również katoda posiada cienka (ok.40A) warstwę tlenku. Aby zapobiec wzajemnemu kontaktowi warstw tlenku elektrod, które mogłyby przez to ulec uszkodzeniu, umieszcza się miedzy nimi separator z cienkiego papieru. Obudowa kondensatora połączona jest do bieguna ujemnego. Obudowa nie może być jednak używana jako doprowadzenie. Warstwa tlenku ma charakterystykę nieliniowa zbliżona do diodowej. Maksymalne napięcie w kierunku zaporowym wynosi 1,5 V. O ile zostanie ono przekroczone, to następstwa mogą być fatalne. Produkowane są o pojemnościach od 0,1 μF do 0,5 F. Najwyższa wartość wytrzymałości elektrycznej produkowanych kondensatorów elektrolitycznych nie przekracza 500V. Najczęściej tego typu kondensatory stosuje się jako elementy filtrujące w zasilaczach. Dla celów zmiennoprądowych produkuje się specjalne kondensatory, tzw. bipolarne. Posiadają one doprowadzenia dołączone do anod z warstw tlenku. Miedzy anodami znajduje się folia katodowa bez doprowadzenia.

Suche elektrolity aluminiowe - ich produkcje rozpoczęto na początku naszego wieku. Różniły się one znacznie od dzisiejszych suchych kondensatorów aluminiowych. Dla odróżnienia, współczesne typy, często kondensatory z dwutlenkiem manganu lub organicznymi półprzewodnikami jako elektrolit, nazywamy kondensatorami stałymi z aluminiowym elektrolitem (SAL). Elektrolit na bazie dwutlenku manganu posiada niska rezystancje. Elektrody aluminiowe są wytrawiane i zanurzane w kąpieli formującej, w celu wytworzenia warstwy tlenku. Miedzy tak wykonane elektrody wprowadza się separator z włókna szklanego pokryty dwutlenkiem manganu. Całość jest zwijana lub zginana dla uzyskania kształtu kondensatora. Następnie dołącza się wyprowadzenia i umieszcza w odpowiedniej obudowie. Tak wykonane kondensatory posiadają wiele cech wyróżniających je od innych kondensatorów elektrolitycznych np.: długi czas życia - ponieważ elektrolit nie może wyparować, szeroki zakres temperatury pracy -55 do + 175° C, a niektóre typy -80 do + 200° C. Wytrzymałość do 30% napięcia nominalnego w kierunku zaporowym w sposób ciągły. Niewielka zależność od temperatury (również przegrzanie nie powoduje następstw w postaci zwarć). Temperatura nie wpływa tak silnie na czas życia jak przy innych elektrolitach. Zależny jest on jednak od napięcia. Wytwarza się je o pojemnościach od 0,1 do 2200 μF. W drugim z omawianych typów kondensatorów stosuje się jako elektrolit "półprzewodnik organiczny". Składa się on z kompleksu soli, zwanych TCNQ, które posiadają bardzo dobre cechy elektryczne i termiczne. Również ten kondensator posiada wytrawiane elektrody rozdzielone separatorem. Jego ESR porównywalny jest z kondensatorami ceramicznymi i wykonanymi z tworzyw sztucznych. Typ ten nadaje się do zastosowania w filtrach zasilaczy, zasilaczach z przemiana częstotliwości, gdzie następstwem występowania dużej częstotliwości jest to, ze wartość ESR staje się bardziej istotna niz. pojemność. Nie wytrzymuje on równie wysokich temperatur co kondensator z dwutlenku manganu. Najwyższa dozwolona temperatura jest 105° C, przy niskich temperaturach (aż do -55° C) posiada on podobnie jak typ z dwutlenku manganu, bardzo niska odchyłkę pojemności i ESR. Wytrzymuje on ok.10% napięcia nominalnego w kierunku zaporowym. Czas życia jest bardziej zależny od temperatury niż w zwykłych elektrolitach mokrych. Wzrasta on z 2000 godzin przy 105° C do 20000 godzin przy 85° C. Następstwem przepięcia może być zwarcie, lecz gdy prąd jest mniejszy niz. 1A, temperatura zaś niższa niz., 200° C (temperatura rozkładu elektrolitu), kondensator nie zostanie uszkodzony w sposób trwały. Produkuje się je o wartościach od 0,1 do 220 μF.

Kondensatory tantalowe posiadają jako dielektryk tlenek tantalu, o znakomitych własnościach elektrycznych. Anoda kondensatora wykonywana jest metoda spieków proszkowych z tantalu. Ok. 50% objętości składa się z porów, co powoduje, ze powierzchnia wewnętrzna jest 100 razy większa niz. zewnętrzna. Po pokryciu warstwa tlenku tantalu w kwaśnej kąpieli formującej, elementy kondensatora zanurza się w roztworze dwutlenku manganu, który wypełnia wszystkie pory. Aby otrzymać kontakt z katoda, która składa się z przewodzącej farby srebrnej, pokrywa się element kondensatora warstwa węgla w postaci grafitu. Starsze typy kondensatorów tantalowych z mokrym elektrolitem w obudowie srebrnej, zostały zastąpione przez typy suche ze względu na wysokie koszty produkcji. Kondensatory tantalowe posiadają niska wartość ESR dzięki niskiej rezystywności tantalu i dwutlenku tantalu. Maja one również znacznie mniejsze wymiary niz. kondensatory elektrolityczne aluminiowe o porównywalnych parametrach. Używane są w układach elektronicznych jako kondensatory odsprzegajace, blokujące, magazynujące energie oraz w układach czasowych, gdzie niska upływność jest cecha najważniejsza. Duża wada kondensatorów tantalowych jest tendencja do zwarć, gdy napięcie lub temperatura przekroczą wartości graniczne. Spowodować to może rozerwanie kondensatora. Wcześniej w układach z kondensatorami tantalowymi zalecano stosowanie rezystancji szeregowej o wartości 3 R na volt, aby ograniczyć prądy ładowania i rozładowania, co oczywiście powodowało straty mocy i wydzielanie ciepła. W nowoczesnych kondensatorach zaleca się rezystancje rzędu 0,1 R na volt, co oznacza, ze najczęściej nie jest potrzebny żaden rezystor szeregowy, ponieważ rezystancja ścieżek miedzianych i przewodów daje dostateczne zabezpieczenie. Maksymalne napięcie zaporowe wynosi ok. 15% napięcia nominalnego przy 25o C, ale maleje ze wzrostem temperatury.
Przy 85o C jest ono tylko 5% w kierunku zaporowym. Elektrolity tantalowe maja dobra stabilność temperaturowa. Produkuje się je o pojemnościach od 0,1 do 1 000 μF.

Oznaczenia kondensatorów

Cechowanie zagranicznych kondensatorów (takie oznaczenia występują najczęściej na kondensatorach ceramicznych)

Pojemność znamionowa w kodzie literowym w oznaczeniu rodzimym przedstawia się następująco: litery p, n, μ i m zastępują mnożniki oraz przecinki między cyframi. Np.: oznaczenie p15 oznacza kondensator 0,15 pF, 33m2 – 33,2 mF, 150p – 150 pF. W oznaczeniach zachodnich stosuje się następująco regułą (podobną do tej z kodowania wartości rezystancji w kodzie MIL): dwie pierwsze cyfry są cyframi znaczącymi, a trzecia oznacza liczbą zer występującą po tych dwóch pierwszych cyfrach. Wartość jest podawana w pF. I tak np.: 470 oznacza kondensator 47pF, 822 – 8200 = 8,2nF (Tabela 1.)