Kondensatory

Kondensatory
Kondensator o zmiennej pojemności, stosowany w starych odbiornikach radiowych
1.Kondensator - jest to element elektryczny (elektroniczny), zbudowany z dwóch
przewodników (okładek) rozdzielonych dielektrykiem. Wszystkie kondensatory bez względu
na ich typ i rodzaj charakteryzują się następującymi własnościami:
a)w połączeniu z elementami indukcyjnymi mogą tworzyć obwody rezonansowe
b) w przypadku prądu stałego, kondensatory stanowią dużą rezystancję i charakteryzują się
tym, że na ich okładkach może zbierać się ilość ładunku określona przez ich pojemność
c) w przypadku prądu zmiennego, kondensatory posiadają impedancję, która przede
wszystkim zależy od ich pojemności, ale także od częstotliwości tego prądu
2.Graficzna reprezentacja kondensatorów
- jest to symbol zwykłego kondensatora, niespolaryzowanego, jaki można spotkać na
większości schematów ideowych. Za pomocą tego symbolu, także przedstawia się
fizyczną pojemność kondensatora.
- jest to symbol zwykłego kondensatora, spolaryzowanego, jaki można spotkać na
większości schematów ideowych.
- symbol ten przedstawia kondensator o zmiennej pojemności
3.Typy i rodzaje kondensatorów
Kondensatory możemy podzielić pod względem rodzaju dielektryka jaki znajduje się
pomiędzy ich okładkami. Rodzaj dielektryka poza tym określa także pojemność i
znamionowość kondensatora. Rozróżniamy kondensatory:
a)Kondensatory ceramiczne - są to kondensatory wyprodukowane z ceramiki alundowej,
rutylowej, a także ze steatytowej. Charakteryzują się niewielką wartością kąta stratności, oraz
dużą pojemnością znamionową, która wraz z ich niewielkimi wymiarami stanowią ich główne
zalety. Poza tym posiadają niewielką indukcyjność własną, co umożliwia stosowanie ich w
obwodach o wielkiej częstotliwości napięcia. Mogą także być wykorzystywane jako
pojemności sprzęgające. Kondensatory ceramiczne produkuje się w postaci 1 płytki, lub wielu
płytek ceramicznych zaopatrzonych w metalową elektrodę. Kondensatory ceramiczne złożone
tylko z jednej płytki ceramicznej nazywane są kondensatorami jednowarstwowymi, natomiast
złożone z wielu płytek - kondensatorami wielowarstwowymi, lub też monolitycznymi.
Zapotrzebowanie na tego typu kondensatory jest bardzo duże. Obecnie produkuje się
kondensatory ceramiczne o pojemnościach od 0,5 pF do rzędu setek µF. Jednak bardzo
rzadko można się spotkać z pojemnościami przekraczającymi 10µ, ponieważ są to już
kondensatory bardzo kosztowne.
b)Kondensatory mikowe - do ich produkcji wykorzystuje się moskwit. Charakteryzują się
niewielką wartością tangensa kątem stratności i małą wartością temperaturowego
współczynnika pojemności. Pod względem konstrukcji przypominają kondensatory
ceramiczne, ponieważ podobnie jak one mogą być wykonane z wielu warstw dielektryka.
Elektrody ich wykonuje się ze srebra, ponieważ kondensatory te nie podlegają nagrzewaniu
się w wysokich temperaturach. Wykorzystywana w nich mika najczęściej pochodzi z kopalni
znajdujących się w Indiach, gdyż stamtąd pochodząca charakteryzuje się wyjątkową jakością.
Jest to bardzo wdzięczny materiał do obróbki, ponieważ stosunkowo łatwo można z niego
tworzyć płytki, które następnie zaopatruje się w elektrody. Wszelkie parametry jakie
charakteryzują kondensator, czyli stratność, stabilność, czy rezystancja izolacji, a także inne,
w przypadku tego rodzaju kondensatorów są bardzo korzystne i porównywalne z
kondensatorami ceramicznymi i wykonanymi z tworzywa sztucznego. Ich głównym
mankamentem są jednak dosyć duże rozmiary i wysoka cena i dlatego też bardzo często
zamiast nich stosuje się kondensatory polipropylenowe. Jednak gdy już się je stosuje to
wykorzystuje się je w obwodach wysokich częstotliwości, gdzie spełniają znakomicie
wymagania dotyczące niewielkich strat i stabilnej pracy przy wysokich częstotliwościach.
Obecnie produkuje się je o pojemnościach z zakresu od 1 pF, do 0,1 µF.
c)Kondensatory papierowe - jak łatwo się domyślić są to kondensatory w których
dielektrykiem jest materiał papierowy. Charakteryzują się niewielkimi rozmiarami, oraz
dużymi wartościami pojemności, jednak posiadają dosyć duży współczynnik stratności
dielektrycznej. Dielektrykiem który znajduje się pomiędzy okładkami jest najczęściej bibuła,
którą nasącza się specjalnym olejem syntetycznym, parafinowym lub kondensatorowym. Z
racji tego, że kondensatory papierowe są większe i droższe od tych wykonanych z tworzyw
sztucznych, są często wypierane i zastępowane przez te drugie. Do zalet kondensatorów
papierowych należy niewątpliwie zaliczyć ich dobrą odporność na napięcia impulsowe, oraz
niewielką zawartość węgla, która w ich przypadku wynosi ok. 3%. W przypadku
kondensatorów wykonanych z tworzyw sztucznych zawartość ta wynosi ok. 40% - 70%, co
przemawia na korzyść kondensatorów papierowych ponieważ w ich przypadku istnieje
mniejsze ryzyko samozapłonu. Czasami stosuje się kondensatory które oprócz warstwy
papieru mają także warstwę foliową. Mówi się wtedy o mieszanym dielektryku.
d)Kondensatory elektrolityczne - pośród nich wyróżnimy kondensatory które posiadają
elektrody aluminiowe lub tantalowe. Anodę, czyli biegun dodatni pokrywa cienka warstwa
tlenku, która to spełnia rolę dielektryka, Aby zmniejszyć odległość pomiędzy warstwa tlenku,
a katodą, czyli biegunem ujemnym stosuje się elektrolit, który charakteryzuje się ujemną
rezystancją.
e)Kondensatory elektrolityczne aluminiowe mokre - kondensatory te charakteryzują się
użyciem elektrolitu w skład, którego wchodzi kwas borowy, sól, glikol i rozpuszczalnik.
Stosuje się elektrody strawione w wyniku kwaśnej kąpieli. Celem tego zabiegu jest uzyskanie
chropowatej powierzchni takich elektrod, dzięki czemu ich powierzchnia wzrasta nawet ok.
300 razy. Jeśli chodzi o drugą warstwę dielektryka, czyli tlenek, który umieszcza się na
anodzie to uzyskuje się ją w wyniku kąpieli w elektrolicie który zawiera wodę. Grubość takiej
warstwy określa się w ten sposób, że musi ona wynosić ok. 13A, dla każdego jednego wolta
napięcia, które ten kondensator powinien wytrzymać. Katoda także jest pokryta cienką
warstwą tlenku, wynoszącą ok. 40 A. Pomiędzy obie warstwy tlenku, które pokrywają anodę i
katodę umieszcza się cienki papier, który stanowi separator zapobiegający uszkodzeniu, jakie
mogłoby wystąpić w wyniku kontaktu tych warstw ze sobą. Do bieguna ujemnego podłączona
jest obudowa kondensatora, jednak nie może być ona wykorzystywana w postaci
doprowadzenia, gdyż warstwa tlenku ma charakterystykę nieliniową bardzo podobną do
charakterystyki diodowej. Maksymalne napięcie w kierunku zaporowym może wynieść 1,5 V.
Gdy zostanie ono ewentualnie przekroczone, to może dojść do sytuacji fatalnej w skutkach.
Obecnie produkuje się kondensatory tego typu o pojemnościach z zakresu od 0,1 µF, do 0,5 F.
Kondensatory charakteryzujące się największą wytrzymałością elektryczną są w stanie
pracować przy napięciach dochodzących do 500 V. Takie kondensatory najczęściej
wykorzystuje się w układach filtrujących stosowanych w zasilaczach. Przy zastosowaniach
związanych z prądami zmiennymi stosuje się kondensatory tzw. bipolarne. W ich przypadku
stosuje się doprowadzenia do anod z warstwy tlenku, a między anodami umieszcza się katodę
w postaci folii niezaopatrzonej w żadne doprowadzenia.
f)Kondensatory elektrolityczne aluminiowe suche - są to kondensatory, które produkowano
już na początku XX wieku. Wówczas ich konstrukcja w znaczący sposób różniła się od
dzisiaj stosowanej. W dzisiejszych czasach elektrolit w tego typu kondensatorach stanowi
dwutlenek manganu, lub ograniczony półprzewodnik. Są to tzw. kondensatory stałe z
aluminiowym elektrolitem, w skrócie SAL. W przypadku dwutlenku manganu, elektrolit na
jego bazie charakteryzuje się niewielką rezystancją. Jeśli chodzi o elektrody to w tym
wypadku także stosuje się ich trawienie w kwaśnej kąpieli, oraz kąpiel formującą, która
powoduje wytworzenie warstwy tlenku na aluminiowej elektrodzie. Pomiędzy tak
wyprodukowane elektrody wstawia się separator wykonany z włókna szklanego i pokryty
dwutlenkiem manganu. Aby uzyskać kształt kondensatora, cały taki układ zwija się lub
odpowiednio skręca, po czym dołącza się wyprowadzenia i całość umieszcza się w specjalnej
obudowie. Tak produkowane kondensatory odznaczają się od innych typów kondensatorów
kilkoma własnościami. Po pierwsze charakteryzują się stosunkowo długimi czasami życia.
Kolejną ich zaletą jest szeroki zakres temperatury w jakich mogą pracować, a co wynika z
tego, że elektrolit który się w nich znajduje nie może wyparować. Temperatury te mieszczą
się w zakresie od -55 0C do 175 0C, a w przypadku niektórych typów od -80 0C do 200 0C.
Przy czym ich działanie w niewielkim stopniu zależy od temperatury. W przypadku ich
przegrzania nie dochodzi do zwarcia. Czas życia tych kondensatorów nie zależy od
temperatury, w jakiej pracują, ale zależy od napięć stosowanych. Kondensatory te
produkowane są o wartościach pojemności z zakresu od 0,1 µF do 2200µF.
W przypadku drugiego typu kondensatorów elektrolitycznych aluminiowych z suchym
dielektrykiem stosuje się organiczny półprzewodnik. W skład tego półprzewodnika wchodzi
kompleks soli, które określa się mianem TCNQ. Sole te charakteryzują się bardzo
korzystnymi własnościami elektrycznymi i temperaturowymi. Konstrukcja tego typu
kondensatorów pod pewnymi względami przypomina poprzedni typ kondensatorów. Tutaj
także stosuje się elektrody trawione w kwaśnej kąpieli i umieszcza się między nimi separator.
Wartość szeregowej rezystancji elektrycznej jest porównywalna z kondensatorami
ceramicznymi, oraz tymi wykonanymi z tworzyw sztucznych. Kondensatory tego typu
wykorzystuje się w filtrach zasilaczy, w produkcji zasilaczy z zamianą częstotliwości, gdzie
wyniku stosowania dużej częstotliwości rezystancja szeregowa na tyle wzrasta, że pojemność
staje się mniej istotna. W przeciwieństwie do kondensator wykorzystującego dwutlenek
manganu ten nie może pracować w zbyt wysokich temperaturach i najwyższa w jakiej może
działać to 105 0C, a najniższa to -55 0C. W przypadku napięcia w kierunku zaporowym, to jest
on w stanie wytrzymać napięcie o wartości 10% napięcia nominalnego. Jeśli chodzi o czas
życia, to jest on bardziej zależny od temperatury niż ma to miejsce w przypadku
kondensatorów mokrych. W przypadku pracy w temperaturze 1050C, czas życia wynosi ok.
2000 godzin, natomiast w przypadku pracy w temperaturze 85 0C, wzrasta już do ok. 20000
godzin. W wyniku przepięcia może dojść do zwarcia, ale tylko w przypadku gdy prąd ma
natężenie mniejsze niż 1A, oraz wartość temperatury jest mniejsza niż 200 0C (jest to także
temperatura w której dochodzi do rozkładu elektrolitu). Jednak wówczas nie nastąpi trwałe
uszkodzenie kondensatora. Kondensatory tego typu produkowane są o wartościach
pojemności z zakresu od 0,1 do 220 µ.
g)Kondensatory tantalowe - w kondensatorach tych dielektryk stanowi materiał wykonany z
tantalu, który to charakteryzuje się znakomitymi własnościami elektrycznymi. Anoda tego
kondensatora produkuje się za pomocą metody spieków tantalowych proszkowych. W wyniku
tego procesu anoda taka jest bardzo porowata - ok. 50% jej objętości stanowią pory, co
powoduje zwiększenie jej wewnętrznej powierzchni ok. 100 razy w stosunku do powierzchni
zewnętrznej. Tutaj także stosuje się kąpiel formującą w wyniku której pokrywa się elektrody
warstwą tlenku tantalu. Po tym zabiegu elementy składowe kondensatora zanurzane są w
roztworze dwutlenku tantalu. W ten sposób dochodzi do wypełnienia wszystkich porów
anody. Katodę stanowi przewodząca srebrna farba i aby otrzymać kontakt z nią to stosuje się
pokrycie z warstwy węgla w postaci grafitu. W starszych konstrukcjach stosowało się
elektrolity odpowiednie dla kondensatorów tantalowych mokrych, jednak wysokie koszty ich
uzyskiwania spowodowały to, że obecnie stosuje się materiały suche. Kondensatory
wykonane z tantalu odznaczają się niewielką wartością rezystancji szeregowej, na którą
głównie wpływa niewielka rezystywność tantalu oraz dwutlenku tantalu. Charakteryzują się
także małymi rozmiarami, mniejszymi nawet niż od kondensatorów aluminiowych, przy tych
samych wartościach parametrów je określających. Do wad tych kondensatorów należy
zaliczyć dużą podatność na zwarcia do których dochodzi w momencie przekroczenia
granicznych wartości napięcia lub temperatury. Takie zwarcia mogą nawet doprowadzić do
rozerwania kondensatora. W starszych typach tych kondensatorów stosowano rezystancję
szeregową wynoszącą ok. 3 R na 1 wolt. Spowodowane to było wymaganiami dotyczącymi
ograniczenia prądów ładowania i rozładowania, jednak to także powodowało wydzielanie się
dużych ilości ciepła na kondensatorze. W obecnych konstrukcjach stosuje się rezystancję
szeregową o wartości 0,1 R na 1 wolt, a to z praktycznego punktu widzenia oznacza, iż
najczęściej nie jest wymagany żaden rezystor szeregowy, bo taką rezystancję posiadają już
ścieżki miedziane i podłączone przewody. Jeśli chodzi o maksymalną wartość napięcia
zaporowego, to wynosi ona ok. 15% wartości napięcia nominalnego w przypadku pracy w
temperaturze 250C, a w temperaturze 850C - 5%. Kondensatory tantalowe produkowane są o
wartościach pojemności z zakresu od 0,1 do 1000 µF.
h)Kondensatory wykonane z tworzyw sztucznych - są to kondensatory w których warstwę
dielektryka pomiędzy okładkami stanowi materiał wykonany z tworzywa sztucznego.
Charakteryzują się niewielkimi stratami, które wynikają z małej rezystancji okładek i
wysokiej w przypadku izolacji. Kondensatory te jest stosunkowo łatwo wyprodukować i
technologia w tym przypadku jest już tak dobrze opracowana, że ich ceny należą do jednych z
najniższych. Są to kondensatory niespolaryzowane, odznaczające się niewielką wartością
prądu upływu. Wykorzystuje się je zazwyczaj jako kondensatory szeregowe, lub jako
kondensatory blokujące stosowane w układach analogowo - cyfrowych, w obwodach
czasowych, oraz w filtrach LC. Okładki takich kondensatorów najczęściej stanowi folia
metalowa, lub metalizowana. Zaletą zastosowania folii metalizowanej jest to, że jest ona
produkowana w wyniku naparowania cienkiej warstwy metalu na powierzchnię dielektryka i
w czasie ewentualnego przebicia metal ten wyparowuje w miejscu przebicia i nie dochodzi
tym samym do zwarcia kondensatora. Jako dielektryk, najczęściej wykorzystuje się folię
polistyrenową, poliestrową, lub też polipropylenową, co także stanowi kryterium podziału ich
na następujące rodzaje:
- kondensatory polistyrenowe - charakteryzują się niewielkim temperaturowym
współczynnikiem pojemnościowym, oraz małą wartością tangensa kąta stratności.
Wykorzystuje się je w obwodach o wysokich częstotliwościach.
- kondensatory poliestrowe - charakteryzują się dużą wartością współczynnika stratności
dielektrycznej. Wykorzystuje się je głównie w obwodach o stałych napięciach, lub o
niewielkich częstotliwościach zmiennego napięcia.
- kondensatory polipropylenowe - ich własności podobne są do własności kondensatorów
polistyrenowych. Wykorzystuje się je głównie w obwodach o częstotliwości 50 Hz.
Obecnie produkuje się kondensatory z tworzyw sztucznych o pojemnościach z zakresu od 10
pF, do 100 µF.
i)Kondensatory powietrzne. Dielektrykiem jest powietrze – znakomicie pracują przy
wysokich częstotliwościach, często wykonywane są jako kondensatory zmienne
(strojeniowe).
4.Budowa
5. Zastosowanie
a)Kondensatory w układach zasilających
W zasilaczach i stabilizatorach napięcia kondensatory pozwalają na podtrzymanie wartości
chwilowej napięcia w przerwach pomiędzy kolejnymi impulsami prądu dopływającego z
prostownika, ograniczają wahania napięcia i pozwalają na chwilowy pobór prądu o natężeniu
znacznie przewyższającym wartość skuteczną lub średnią. W klasycznych zasilaczach
transformatorowych stosuje się najczęściej kondensatory elektrolityczne o dużej pojemności.
Od kondensatorów przeznaczonych do użycia w obwodach zasilających oczekuje się
najczęściej wysokiej pojemności, możliwości pracy w dużym przedziale temperatur, wysokiej
wartości napięcia przebicia (ściślej: bezwzględnego utrzymania wartości znamionowej tego
napięcia określonej przez producenta) oraz odporności na krótkotrwały pobór prądu o dużym
natężeniu. Nie jest istotna stałość pojemności w czasie ani liniowość charakterystyki:
kondensatory te mogą pracować tylko przy określonej polaryzacji, zaś ich izolatory mogą być
wykonane z materiałów ferroelektrycznych.
b)Kondensatory przeciwzakłóceniowe
W układach wytwarzających zakłócenia związane z szybkimi skokami pobieranego prądu
(takich, jak silniki elektryczne, iskrowniki, tyrystorowe układy sterujące) kondensatory są
elementami filtrów ograniczających przedostawanie się zakłóceń do sieci energetycznej (zob.
jakość energii elektrycznej) oraz powstawanie zakłóceń radiowych. Kondensatory
przeciwzakłóceniowe mają najczęściej niską rezystancję i indukcyjność doprowadzeń oraz
wysokie napięcie przebicia, powinny umożliwiać przepływ prądu o dużej wartości chwilowej.
c)Kondensatory blokujące
W elektronicznych układach cyfrowych (m.in. podzespołach komputerowych) pobór prądu z
szyn zasilających może się zmieniać w czasie o kilka rzędów wielkości. Układy te (zwłaszcza
wykonane w nowoczesnych technologiach CMOS) pobierają bowiem prąd praktycznie tylko
podczas przełączania poziomów napięć, a przy tym jego chwilowa wartość może przy tym
rosnąć od pikoamperów do kilku amperów. Ponadto, w układach synchronicznych
(taktowanych wspólnym zegarem) wszystkie współpracujące ze sobą układy jednocześnie
zwiększają zapotrzebowanie na prąd. Ze względu na oporność, a przede wszystkim indukcyjność szyny zasilającej, taki impulsowy pobór prądu może prowadzić do bardzo
dużych wahań napięcia zasilającego i w konsekwencji nieprawidłowej pracy układów. Aby
zapobiec tym negatywnym zjawiskom, stosuje się kondensatory blokujące, podłączane
równolegle z doprowadzeniami zasilania poszczególnych układów i umieszczane jak najbliżej
nich. Kondensatory te powinny mieć jak najniższą indukcyjność pasożytniczą. W przypadku
kondensatorów blokujących nie ma znaczenia napięcie przebicia ani stałość pojemności w
czasie, w związku z czym typowe monolityczne i ceramiczne kondensatory blokujące mogą
nie nadawać się do zastosowań innych, niż dedykowane.
d)Kondensatory sprzęgające
Idealny kondensator o bardzo dużej pojemności może zostać włączony w dowolne miejsce
obwodu prądu stałego nie powodując w nim jakichkolwiek zmian punktu pracy (po okresie
przejściowym, związanym z ładowaniem się lub rozładowywaniem kondensatora, wszystkie
napięcia i prądy osiągną wartości takie, jak bez kondensatora). Z kolei w obwodzie prądu
zmiennego kondensator taki (przy pojemności dążącej do nieskończoności) zachowuje się jak
źródło napięcia: nie zmienia składowej stałej napięcia w miejscu, do którego zostanie
podłączony, i jednocześnie stanowi zwarcie dla składowej zmiennej. Dzięki temu kondensator
można wykorzystać do przenoszenia sygnału (rozumianego jako zmiany prądu lub napięcia)
pomiędzy różnymi fragmentami układu w taki sposób, że transmitowana jest tylko składowa
zmienna (sygnał), a przy tym nie ulegają zmianie stałoprądowe warunki pracy połączonych
kondensatorem podukładów. Kondensator pełniący taką rolę określany jest mianem
kondensatora sprzęgającego.
Kondensatory sprzęgające ułatwiają projektowanie analogowych układów elektronicznych,
pozwalając na podzielenie ich na podukłady, z których każdy charakteryzuje się własnym
punktem pracy i odpowiednim poziomem napięcia stałego. W szczególności, kondensatory
sprzęgające są stosowane na wejściach i wyjściach wzmacniaczy i ich poszczególnych stopni.
Kondensator sprzęgający powinien mieć jak najmniejszą upływność i jak największą (w
praktyce: odpowiednią do dolnej granicy przenoszonego pasma częstotliwości sygnału)
pojemność.
e)Kondensatory do filtrów i układów czasowych
Kondensatory są podstawowymi elementami analogowych filtrów pasywnych i aktywnych,
służących do kształtowania charakterystyki częstotliwościowej określonych części układów
(np. wzmacniaczy). Filtry i układy czasowe zbudowane w oparciu o kondensatory i rezystory
noszą nazwę układów RC zaś filtry zawierające również cewki (w szczególności, układy
rezonansowe) to elementy RLC.
Od kondensatorów wchodzących w skład takich układów oczekuje się najczęściej wysokiej
stabilności temperaturowej i długoczasowej, niskich strat w obszarze przenoszonych
częstotliwości, a także doskonałej liniowości charakterystyki (izolatory używane do budowy
takich kondensatorów nie mogą być ferroelektrykami). W przypadku kondensatorów
używanych w obwodach wysokiej częstotliwości istotne są również detale związane z
kształtem kondensatora i stratami energii elektrycznej na promieniowanie.
f)Kondensatory do lamp i innych układów wyładowczych
W niektórych lampach wyładowczych (np lampach błyskowych i stroboskopach) oraz
iskrownikach kondensator jest połączony równolegle z układem, w który pobór prądu narasta
w bardzo krótkim czasie od zera do dużej wartości związanej z odbywającym się
wyładowaniem. Do inicjacji wyładowania potrzebne jest na ogół wysokie napięcie, osiągane
stopniowo w cyklu ładowania kondensatora. Iloczyn napięcia wyładowania i maksymalnego
pobieranego prądu określa moc szczytową wyładowania, natomiast wycałkowana po czasie
wartość iloczynu I U jest całkowitą energią impulsu. Kondensatory do takich zastosowań
powinny mieć możliwie wysokie wartości obu tych parametrów, muszą mieć również niską
rezystancję szeregową, wysokie napięcie przebicia, a w przypadku lamp pracujących
cyklicznie - odporność na wysokie temperatury związane z wydzielaniem się ciepła na
rezystancji szeregowej kondensatora.
g)Inne zastosowania
Kondensatory mają też zastosowanie w sieciach elektroenergetycznych do kompensacji mocy
biernej (poprawy współczynnika mocy).