Podstawy Laboratorium LPP

Wydział Elektroniki
Mikrosystemów i Fotoniki
Politechniki Wrocławskiej STUDIA
DZIENNE
LABORATORIUM
PRZYRZĄDÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH
Ćwiczenie nr 1 oraz nr 2
Zapoznanie z Laboratorium oraz szkolenie BHP. Zasady
posługiwania się przyrządami pomiarowymi. Podstawowe
obwody elektryczne. Elementy R,L,C.
Z tą instrukcją studenci przychodzą na pierwsze zajęcia (Ćw. nr 1).
Obowiązuje ona także do Ćwiczenia nr 2 w zakresie znajomości poznanego sprzętu
pomiarowego oraz parametrów elementów biernych R, C. Dostępna jest na stronie:
http://156.17.46.1/lpp/ oraz w punkcie ksero w budynku C-5.
1
Ustalenia organizacyjne
Obecność na pierwszym terminie zajęć (ćw. nr 1) jest bezwzględnie obowiązkowa ze względu na
szkolenie BHP. Bez zaliczenia szkolenia nie można uczestniczyć w dalszych zajęciach.
Kierownik Laboratorium: dr inż. Waldemar Oleszkiewicz, p. 206, C-2
Opiekun Laboratorium: Piotr Nowacki, p. 413a, C-2, tel 71 320 2572
1.1
Przebieg ćwiczeń i warunki zaliczenie laboratorium
A. Organizacja grupy - studenci wykonują ćwiczenia w Laboratorium (sala 218 oraz sala 413, C-2) w
zespołach 2-osobowych. Grupa studencka wykonuje ćwiczenie wg numeracji zgodnej z programem
Laboratorium Przyrządów Półprzewodnikowych (LPP) w terminie oraz w sali zgodnie z
harmonogramem zajęć.
B. Realizacja programu Laboratorium
1. Studenta obowiązuje, po uprzednim przygotowaniu się, wykonanie i zaliczenie 13 ćwiczeń
tematycznych (od nr 2 do nr 14) określonych programem LPP.
Instrukcje do ćwiczeń udostępnione są na stronie http://156.17.46.1/lpp/.
2. Student nie może w semestrze przekroczyć dwóch nieobecności. Przekroczenie tej liczby
wymagać będzie (w sytuacjach szczególnych i udokumentowanych) zgody Dziekana na kontynuację
zajęć w semestrze.
3. Sprawdzenie stopnia przygotowania do zajęć odbywać się będzie w postaci kartkówek bądź
odpowiedzi ustnych. Oceniana też będzie poprawność oraz sprawność wykonania ćwiczenia.
1
4. Grupa ćwiczeniowa wykonuje jedno sprawozdanie oddawane w terminie zajęć (papier formatu
A3 - papier kancelaryjny, z nagłówkiem wg. wzoru dostępnego w laboratorium). Sprawozdanie
powinno zawierać: zapis wyników pomiarów wykreślonych w czasie trwania laboratorium i
opisanych zależności funkcyjnych (typ badanego elementu, właściwy opis osi wykresu z podaniem
wielkości mierzonych i ich jednostek}, wyniki obliczeń wykonanych na polecenie prowadzącego
zajęcia (dokumentowane podpisem) z przedstawieniem sposobu obliczania oraz określeniem na
wykresach przedziałów zmian wartości mierzonych, które są w nich wykorzystywane, ocenę
pomiarów i wnioski odnoszące się do poprawności wykonania pomiarów, właściwości badanych
elementów (z uwzględnieniem danych katalogowych badanych elementów).
Sprawozdanie, po ocenie przez prowadzącego, jest udostępnione do wglądu studentom w
terminie następnych zajęć, po czym przechowywane jest przez Prowadzącego do końca
semestru.
5. Odrabianie ćwiczeń nie zrealizowanych możliwe jest tylko w „tygodniu odróbczym”. Terminy
zajęć odróbczych określone zostaną w tygodniu poprzedzającym ostatnie zajęcia kursowe w
semestrze. Zapisy na terminy odróbcze prowadzić będzie pan Piotr Nowacki w p.413a, C-2.
6. W czasie trwania ostatnich zajęć kursowych przeprowadzona zostanie wśród studentów, zgodnie z
zaleceniem Dziekana Wydziału, anonimowa ankieta dotycząca oceny zajęć.
C. Zasady porządkowe obowiązujące w Laboratorium.
•
•
•
Studenta wykonującego pomiary w Laboratorium obowiązuje przestrzeganie przepisów BHP
związanych z obsługą urządzeń elektrycznych.
Informacje dotyczące uszkodzeń bądź nieprawidłowości w funkcjonowaniu urządzeń studenci
zgłaszają prowadzącemu zajęcia.
Urządzenia uszkodzone należy odstawić na miejsce oznaczone „Urządzenia uszkodzone”
D. Do dyspozycji studentów wykonujących ćwiczenia pozostają:
•
•
•
•
urządzenia do sprawdzenia poprawności działania badanych elementów (zaleca się sprawdzanie
elementów przed zmontowaniem układu pomiarowego),
podręczny katalog elementów elektronicznych,
instrukcje obsługi urządzeń wykorzystywanych w pomiarach (wydawane przez prowadzącego),
stanowisko do wylutowywania bądź wlutowywania elementów (po operacji lutowania na płytce
pomiarowej przez studentów płytka powinna być koniecznie skontrolowana przez prowadzącego
zajęcia).
Studenci zobowiązani są do posiadania papieru milimetrowego, papieru do drukarki oraz papieru z
podziałką w układzie logarytmicznym oraz logarytmiczno-liniowym (wzorzec na stronie LPP), na
każdych zajęciach laboratoryjnych.
Studenci zgłaszają prowadzącemu zajęcia uzyskane wyniki pomiarów (nawet cząstkowe) przy
zestawionym układzie i włączonym stanowisku pomiarowym.
Po wykonaniu pomiarów grupa laboratoryjna zobowiązana jest do pozostawienia porządku na
stanowisku tj.: rozłączenia układów pomiarowych, wyłączenia zasilania urządzeń, ułożenia
przewodów (wg ich kolorów) w uchwytach,
Prowadzący odbiera wykonane sprawozdania przy stanowisku pomiarowym sprawdzając czy
pozostawiono porządek i czy zostało ono wyłączone.
2
2
Tematyka ćwiczeń
Poszczególne ćwiczenia poświęcone są badaniu parametrów typowych półprzewodnikowych elementów
elektronicznych i optoelektronicznych oraz układów zbudowanych na tych elementach.
Charakteryzacja (opis) elementu elektronicznego polega najczęściej na przedstawieniu jego charakterystyki
prądowo-napięciowej, oznaczanej jako I-U lub I=f(U), a także określeniu parametrów (dopuszczalnych,
typowych), które są ważne z punktu widzenia zastosowania danego elementu w układach.
W kolejnych ćwiczeniach, będą mierzone parametry układów prostowniczych i stabilizacyjnych oraz
charakterystyki częstotliwościowe układów wzmacniających a także charakterystyki przełączania układów
cyfrowych.
3
Przyrządy pomiarowe
Stanowiska pomiarowe w laboratorium zestawione są z typowych przyrządów pomiarowych i urządzeń, z
których działaniem i obsługą należy się bezwzględnie zapoznać.
Do podstawowych przyrządów należą:
- zasilacze napięcia stałego pracujące ze stabilizacją napięcia lub prądu
- multimetry cyfrowe, z możliwością pomiaru wartości: I, U, R
- źródła sygnałów zmiennych – generatory - oscyloskopy cyfrowe połączone z drukarkami
Niektóre ćwiczenia prowadzone są z pomocą zestawów komputerowych z magistralą GPIB lub RS-232 do
zbierania i obróbki danych pomiarowych.
4
Pomiary charakterystyki prądowo-napięciowej
Pomiar charakterystyki I-U danego elementu polega na wymuszeniu przepływu prądu przez element
poprzez przyłożenie do elementu napięcia. Wykonując, w określony sposób, sekwencję pomiarów
otrzymuje się zbiór odpowiadających sobie wartości prądów i napięć tworzące punkty charakterystyki I-U.
Pomiar można wykonać w sposób dyskretny – poprzez ustalanie konkretnych wartości prądu lub napięcia
i odczytywanie tej drugiej (napięcia lub prądu) lub w sposób ciągły – korzystając z zasilacza dającego narost
napięcia lub prądu w z góry ustalony sposób.
Charakterystyki I-U - jak mówimy popularnie - „zdejmuje się” umieszczając badany element w układzie
pomiarowym, który z reguły zawiera zasilacz (źródło napięcia lub prądu), rezystory pomocnicze ( np.
ograniczające prąd w obwodzie) oraz mierniki prądu i napięcia. W zależności od stosowanej metody
pomiarowej wykorzystuje się różne zasilacze oraz przyrządy pomiarowe. Na przykład: przyrządem do
pomiaru napięcia może być woltomierz cyfrowy, ale także oscyloskop lub rejestrator przebiegu
napięciowego.
Zastosowanie programu komputerowego pozwala na automatyczne zdejmowanie charakterystyk I-U za
pomocą mierników połączonych magistralą RS-232.
W kolejnych punktach zostaną omówione metody pomiaru charakterystyk I-U stosowane podczas ćwiczeń.
Pamiętaj o tym, że wykonując pomiary należy bezwzględnie
PRZESTRZEGAĆ PRZEPISÓW BHP związanych z obsługą urządzeń elektrycznych. oraz
REGULAMINU LABORATORIUM
3
4.1
Metoda techniczna pomiaru charakterystyk prądowo-napięciowych
Prostą metodą wykorzystywaną do pomiaru charakterystyk prądowo-napięciowych jest metoda
techniczna. Polega ona na wykonaniu szeregu pomiarów prądów i napięć dla kolejnych punktów
charakterystyki, a następnie naniesieniu wyników tych pomiarów na wykres I-U.
Jako źródło zasilania układu pomiarowego używa się zasilacza laboratoryjnego z regulowanym
napięciem wyjściowym, z możliwością ustawienia ograniczenia prądowego (np. zasilacz P317). Schemat
układu pomiarowego, stosowanego w tej metodzie, przedstawiono na rys.1. Zastosowane mierniki prądu i
napięcia to multimetry cyfrowe.
1k
Zasilacz
P317
mA
badany
element
?
V
Rys. 1: Schemat układu do pomiaru charakterystyki I-U metodą techniczną.
Szeregowo włączony do obwodu rezystor 1 k ułatwia płynne wymuszenie przepływu przez
badany element prądu o wymaganym natężeniu. Jednocześnie rezystor ogranicza prąd w obwodzie dla
danego napięcia zasilacza, przez co zmniejsza prawdopodobieństwo przypadkowych uszkodzeń elementu
badanego wynikających z nieprawidłowości zestawienia układu pomiarowego.
Odpowiednią wartość natężenia prądu uzyskuje się przez regulację napięcia zasilacza laboratoryjnego.
Wartość natężenia prądu płynącego w układzie będzie wynikała ze spadku napięcia na rezystorze 1 k.
Należy zwrócić uwagę na nominalną moc rezystora. Najczęściej stosowane w tym układzie są rezystory o
mocy 1 W. Wówczas, uwaga: nie wolno przekroczyć 1 W mocy traconej w rezystorze.
Wiadomo, że dla rezystora moc, P:
P  I 2 R  I max 
Pmax
1W

 0,032 A  32mA  30 mA
R
1000
Wynika z tego, że w czasie pomiarów konieczne jest ustawienie ograniczenia prądowego w zasilaczu
na 30 mA, lub mniej, gdy badany element wymaga ograniczenia prądowego na niższym poziomie.
Jeżeli potrzebne jest zbadanie charakterystyki dla większych wartości natężenia prądu niż 30 mA, można
zamienić rezystor na 100  (zastanówmy się, jaki będzie wówczas dopuszczalny prąd w obwodzie?) lub
usunąć z układu rezystor, a wymagane natężenie prądu uzyskać przez odpowiednie ustawienie ograniczenia
prądowego w zasilaczu pracującym stale w trybie ograniczenia prądowego.
4.2
Program komputerowy REJESTRATOR
Program „Rejestrator” służy do obsługi układu pomiarowego z multimetrami komunikującymi się
łączem RS-232 z komputerem. Układ pomiarowy przedstawiony jest na rys.2. W tym wypadku elementem
mierzonym jest dioda.
4
mA
RS-232
RS-232
Zasilacz
V
badany
element
Rys.2. Schemat układu do pomiaru charakterystyki I-U diody w kierunku przewodzenia za pomocą
programu „Rejestrator”.
SKRÓCONY OPIS PROGRAMU
„Rejestrator” jest programem komputerowym, który może prowadzić akwizycję danych pomiarowych z
dwu cyfrowych mierników uniwersalnych 34401A lub oscyloskopu DSO3062A f-my Agilent. Ze względu na to, że
pobieranie danych zachodzi jednocześnie z dwóch mierników, program symuluje znany elektromechaniczny
przyrząd pomiarowy – rejestrator XY.
Menu główne programu to jedynie dwa rozkazy: „Pomiar” i „Wykres”. Pierwszy pozwala tylko na
deklaracje nowego pomiaru; wybranie drugiego rozwija podmenu, pozwalające na wybranie rozkazów opisu osi
wykresu i doboru czcionek tego opisu. Po uruchomieniu programu „Rejestrator” na ekranie monitora wyświetli
się okno główne:
Domyślnie, w oknie oznaczone jest urządzenie do pomiaru „Rejestrator XY”. Gdy trzeba dokonać akwizycji
danych z oscyloskopu należy aktywować pole „Oscyloskop”
W panelach wyboru Multimetr 1 i Multimetr 2 o nazwach „Urządzenie” należy dokonać
przyporządkowania mierników. W tym celu trzeba, po najechaniu kursorem myszy na strzałkę rozwijalnej listy
wyboru, nacisnąć lewy klawisz myszki – rozwinie się wtedy lista wykrytych urządzeń. Nie można przyporządkować
tego samego urządzenia w obu panelach wyboru. W polach „Nazwa” można wpisać własne, dowolne, nazwy
przyrządów – będą one widoczne na wyświetlaczach mierników. Po zatwierdzeniu przyciskiem „Zapamiętaj” okno
„Wybór…” zniknie, a w linii „Ustaw” pojawią się pola wyboru „Ustawienia przyrządów” (rysunek na stronie 8).
Są to bardzo ważne ustawienia decydujące, który miernik będzie mierzył napięcie, a który natężenie
prądu. Tutaj, oddzielnie dla osi „X” i „Y” wykresu, można wybrać rodzaj pomiaru: prąd/napięcie; zakres:
sztywny/automatyczne przełączanie zakresu. Warto zauważyć, że użytkownik nie musi, a nawet nie
powinien, dokonywać żadnych ustawień mierników ręcznie na ich panelach czołowych. Wszystko to
wykonuje się „programowo” właśnie w oknie zatwierdzanym zielonym przyciskiem „Ustaw”
5
W podanym wyżej przykładzie do osi „Y” (czyli rzędnej) przyszłego wykresu został przyporządkowany
„Multimetr 1” i zaprogramowano go do pomiaru wartości natężenia prądu na zakresie 0,1A. Do osi „X” (czyli
odciętej) wykresu przydzielono „Multimetr 2”, który będzie mierzył napięcie w trybie automatycznego przełączania
zakresów. Po zatwierdzeniu wyboru zielonym klawiszem „Ustaw” pojawi się ostatnie okno programu:
Do wyboru są następujące możliwości:
1. Pomiar:
a.) „Natychmiastowy” – zaczyna się w momencie aktywacji przycisku „Start”
b.) „Opóźniony” (zalecany) – zaczyna się po zmierzeniu dwudziestu monotonicznie zmieniających się
wartości dostarczonych przez miernik przyporządkowany osi X Zaleca się, aby jako nazwę pomiaru
wprowadzić nazwiska studentów wykonujących ćwiczenie, a w tytułach osi, oprócz konkretnej nazwy
zmiennej, jednostki pomiaru prądu i napięcia ([A] i [V]). Zaraz po uruchomieniu opcji „Start”, podnieść
do góry przełącznik uchylny na zasilaczu liniowo narastającego napięcia
2. „Pisak”
a.) Opuszczony – pole wyboru zaznaczone – wykres jest rysowany w trakcie pomiaru (dokładnie tak samo jak
w klasycznym elektromechanicznym rejestratorze).
b.) Podniesiony – pole wyboru puste – wykres nie jest rysowany automatycznie, ale możliwa jest ręczna
akwizycja pomiarów poprzez każdorazową aktywację szarego przycisku „Pobierz próbkę”. Wyniki
pomiarów umieszczane są w postaci znakowej w dwu kolumnach w oknie z nagłówkiem : „X Y” w
prawym dolnym rogu ekranu – tzw. oknie przewijania można, zaznaczając w klasyczny dla „Windows”
sposób kopiować je w całości lub we fragmencie do notatnika, a za jego pośrednictwem do innych
programów
3. „ Szybkość pomiaru” – można ustawić dwie częstotliwości próbkowania: 5Hz i 50Hz.
4. Okienko „Zarządzanie seriami” pozwala deklarować zarówno nową charakterystykę jak i nową gałąź
rodziny charakterystyk. Za pomocą tej opcji można usuwać niepożądaną serię danych oraz odpowiednio
deklarować i nazywać parametry poszczególnych krzywych (przy pomiarze charakterystyk diod można im
nadać opisy: Si, Ge, GaAs).
5. Program automatycznie skaluje osie, podając wartości prądu i napięcia z dokładnością do kilku miejsc po
przecinku. Aby wykres był bardziej czytelny i aby linie siatki wypadały na „okrągłych” wartościach prądów
i napięć, należy przed wydrukiem zastosować „kalibrację ręczną” poprzez podanie w oknie „Przedział”
odpowiednich wartości minimalnych i maksymalnych.
6. Okno „Export danych”, jak sama nazwa wskazuje, umożliwia zapis wykresu w postaci zbioru w formacie
graficznym (*.jpg lub *.bmp) lub/i danych w formacie ASCII – zbiór tekstowy o dwu kolumnach, z których
pierwsza to dane „X” a druga „Y”. Należy zapisać swój rysunek do pliku z rozszerzeniem *.jpg , zamknąć
program, odszukać swój plik i wydrukować go na drukarce.
6
4.3 Rejestrator X-Y z napędem elektromechanicznym Rejestrator jest urządzeniem zapisującym na
papierze przebiegi zmian napięcia podawanego na dwa wejścia rejestratora: X oraz Y. Zapis za pomocą
pisaka dokonywany jest w układzie współrzędnych Y-X. Jeśli chcemy zmierzyć i wyrysować
charakterystykę prądowo-napięciową elementu elektronicznego (np. diody), to możemy posłużyć się
układem przedstawionym na rys.3.
Ponieważ rejestrator, podobnie jak oscyloskop, posiada jedynie wejścia napięciowe pomiar prądu
elementu badanego musi się odbywać metodą pośrednią, przy użyciu rezystora pomiarowego. Prąd I
płynący przez rezystor R, włączony szeregowo z elementem badanym
D, wywołuje spadek napięcia Uy, który jest mierzony na wejściu Y rejestratora. W zależności od
spodziewanej wartości prądu dobieramy wartość rezystora R oraz czułość napięciową wejścia Y. Na
przykład: w zakresie wartości prądu kilku mA , stosując rezystor R=10  i czułość wejścia 10 mV/cm
uzyskujemy czułość prądową przebiegu 1 mA/cm na osi Y wykresu charakterystyki I-U. Natomiast spadek
napięcia Ux na elemencie badanym D mierzony jest bezpośrednio na wejściu X rejestratora. Konieczny jest
dobór właściwej czułości napięciowej wejścia X (na przykład 50 mV/cm dla diody spolaryzowanej w
kierunku przewodzenia).
Rys.3. Układ do pomiaru charakterystyki I-U diody z wykorzystaniem rejestratora.
5
Elemety elektroniczne bierne: rezystory i kondensatory (R, C)
Podana będzie charakterystyka elementów biernych stosowanych w laboratorium.
5.1 Rezystory
Rezystory (oporniki) to najczęściej spotykane elementy bierne w układach. Wykonywane są w różnych
odmianach, przeważnie jako:
- warstwowe metalowe – cienka warstwa naparowanego metalu (np. CrNi) na korpusie ceramicznym,
może być nacinana w celu zwiększenia długości ścieżki rezystywnej
- rezystory węglowe - cienka warstwa grafitu na korpusie ceramicznym,
- grubowarstwowe –rezystywna warstwa cermetowa (cermet - mieszanina ceramiki i tlenków metali)
nakładana np. metodą sitodruku na korpusy ceramiczne. W ten sposób wytwarzane są także rezystory
miniaturowe do montażu powierzchniowego.
- rezystory nawijane drutowe - szczególnie wytrzymałe dla dużych mocy.
Rezystor jest elementem liniowym, tzn jego charakterystyka I-U jest prostą, co oznacza, że rezystancja
(oporność) jest stała i nie zależy od wartości prądu, napięcia czy innych czynników. Innymi słowy,
niezależnie od warunków, spełnione jest prawo Ohma:
R = U/I
[ =V/A]
7
W innym przypadku mamy do czynienia z rezystorami nieliniowymi, np.: fotorezystory, termistory,
warystory. Elementy te będą również badane w czasie ćwiczeń.
Podstawowe parametry oporników to: rezystancja nominalna, tolerancja (maksymalna odchyłka od
rezystancji nominalnej wyrażona w procentach), moc dopuszczalna, napięcie graniczne (dopuszczalne),
temperaturowy współczynnik rezystancji (TWR), który określa zmiany rezystancji zachodzące pod
wpływem temperatury.
Rezystory produkuje się masowo i klasyfikuje w standardowych szeregach wartości rezystancji i
związanych z nimi określonych tolerancjach.
Wartości znamionowe rezystancji ułożone są w szeregi (E) z dzielnikiem : q=√10,
gdzie
n=6,12,24,48,96,192; n oznacza liczbę wartości nominalnych w ramach jednej dekady uzyskanych przez
kolejne dzielenie, poczynając od 10/q, 10/q2, 10/q3 itd. Przykładowo, szeregowi o oznaczeniu E12
odpowiadają wielkości: n=12, q=1,21 i wartości nominalne:
1
1,2 1,5 1,8 2,2 2,7 3,3 3,9 4,7 5,6 6,8
8,2 …10
wyrażające liczbę jednostek (, k lub M) oraz tolerancja: ±10% (zwróćmy uwagę jaki jest możliwy
maksymalny rozrzut sąsiadujących wartości nominalnych dla tej tolerancji). Biorąc pod uwagę zakres
wymaganych wartości rezystorów do różnych zastosowań od 10  do 100 M, daje to siedem dekad, czyli
84 wartości oferowanych oporników w tym typoszeregu.
Szereg E48 będzie miał 48 nominalnych wartości w ramach jednej dekady, a tolerancję ±5%, (Jaka
tolerancja będzie dla szeregu E96?). Istnieje też szereg R40 gdzie n=40.
Typowe moce nominalne to 0,125 W, 0,25 W, 0,5 W, 1 W oraz 2 W. Ze względu na różną moc nominalną
rezystory maja różne gabaryty.
Oznaczenia (cechy) na rezystorach o dużych rozmiarach nanoszone są za pomocą symboli np.: 120 = 120,
15k = 15k, 1k1 = 1,1k, 1M =1M, ale 0R1 = 0,1 oraz 0E5 = 0,5.
Na małych opornikach zazwyczaj nanosi się kody paskowe w postaci 3 lub 4 barwnych pasków. Pierwsze
dwa paski oznaczają dwie znaczące cyfry wartości, trzeci pasek mnożnik wartości, a czwarty oznacza
tolerancję. Poniżej, w tabeli 2, podano znaczenie barw pasków.
Tabela 2. Kody paskowe oznaczeń rezystorów
kolor paska
cyfra
mnożnik
0
tolerancja [ %]
czarny
0
10
20
brązowy
1
101
1
czerwony
2
102
2
pomarańcz.
3
103
3
żółty
4
104
0..+100
zielony
5
105
0,5
niebieski
6
106
0,25
fioletowy
7
107
0,1
szary
8
10-2
-
biały
9
10-1
-
złoty
-
10-1
5
srebrny
-
10-2
10
8
Osobnym rodzajem rezystorów są rezystory regulowane: potencjometry lub reostaty, posiadające trzy
wyprowadzenia, jedno podłączone do ślizgacza przesuwanego po ścieżce rezystywnej.
5.2 Kondensatory
Kondensator składa się z dwóch przewodzących płytek (okładek) i dielektryka wypełniającego przestrzeń
między płytkami. Właściwością kondensatora jest zdolność ładowania go ładunkiem elektrycznym pod
wpływem przyłożonego napięcia. Pojemność kondensatora C wyraża się wzorem:
C = Q/U, jednostka pojemności to farad
[F = C/V] (kulomb/wolt)
Pojemności kondensatorów spotykanych w układach elektronicznych są dużo mniejsze niż 1 F, i wyrażane
są zazwyczaj w pF, nF oraz F.
Szeregi wartości nominalnych kondensatorów ułożone są podobnie do omówionych dla rezystorów.
Do najważniejszych parametrów kondensatorów, oprócz wartości znamionowej pojemności, należą:
dopuszczalne napięcie pracy (dla większych napięć grozi przebicie), tolerancja, stratność (tg) oraz
temperaturowy współczynnik pojemności (TWC).
Wyróżnia się wiele typów kondensatorów związanych z konstrukcją i zastosowanym rodzajem dielektryka
(od którego bierze się ich nazwa):
- Kondensatory z tworzywa sztucznego (stała dielektryczna 2-3); dielektryk w postaci folii poliestrowej,
polistyrenowej, poliwęglanowej (te mają szczególnie małą stratność i dobrą stabilność): elektrody z folii
metalowej lub plastikowej metalizowanej. Najczęściej mają konstrukcję zwijanego rulonu folii dzięki
czemu uzyskuje się duże pojemności (zakres od 10 pF do 100 F) oraz wysokie napięcia pracy do 1000
V. Popularne bo tanie w produkcji.
- Kondensatory papierowe, historycznie bardzo popularne, obecnie stosowane wyłącznie jako k.
odkłócające, a to dzięki właściwości samoregeneracji (odporność papieru na przebicia impulsowe) Kondensatory ceramiczne produkowane z jednej lub wielu płytek ceramicznych. Stosowana ceramika
dzieli się na trzy klasy: klasa 1 – o małej stałej dielektrycznej, pojemności od 0,47 pF do 560 pF, klasa
2 - o dużej stałej dielektrycznej, pojemności od 10 pF do 10 F, klasa 3 – ceramika z materiałów
ferroelektrycznych o ekstremalnie wysokiej stałej dielektrycznej; pojemności nawet do 100 mF, ale
niskie napięcia pracy.
- Kondensatory mikowe (mika to minerał pozwalający łupać się na cienkie płatki) o bardzo dobrych
właściwościach: mała stratność, wysoka stabilność, wysokie napięcia pracy. Są jednak duże i
stosunkowo drogie.
Powyższe typy kondensatorów są niepolaryzowalne, to znaczy biegunowość podłączenia nie odgrywa
roli. Inaczej jest z kondensatorami elektrolitycznymi.
-
Kondensatory elektrolityczne (elektrolity) o elektrodach aluminiowych lub tantalowych.
Jedna z elektrod (anoda) jest pokryta tlenkiem, a przestrzeń pomiędzy elektrodami jest wypełniona
elektrolitem. Konieczne jest więc zachowanie biegunowości kondensatora. Obudowa kondensatora
połączona jest do wyprowadzenia bieguna ujemnego (katody). W przypadku odwrotnego podłączenie
istnieje groźba rozerwania obudowy ze względu na gazowanie elektrolitu. Kondensatory
aluminiowe osiągają bardzo duże pojemności, nawet do 500 mF, ale mają niskie napięcia pracy, duże
wymiary i ulegają starzeniu (ich parametry pogarszają się z upływem czasu).
Nowsze rozwiązania to tzw „elektrolity suche” wytrzymałe na zmiany temperatur i odporne dużo
bardziej na starzenie. Wytwarzane o pojemnościach do 2200 F. Natomiast kondensatory
elektrolityczne tantalowe mają dużo lepsze parametry od aluminiowych: wyższe napięcia przebicia,
mniejsze upływności i stratność oraz znacznie mniejsze wymiary (większa stała dielektryczna).
Produkowane w zakresie pojemności do 1000 F.
9
Obecnie można spotkać kondensatory o bardzo dużych, dawniej nie spotykanych, pojemnościach rzędu
1000 Faradów i jednocześnie małych gabarytach. Są to tzw. ultrakondensatory, gdzie zastosowano
nanotechnologię do wytworzenia porowatego dielektryka. Dzięki temu efektywna powierzchnia okładek
jest bardzo duża. Mimo że napięcia pracy są niskie, rzędu 2-3V, przy odpowiednich połączeniach
ultrakondensatory mogą służyć do magazynowania energii, zastępując akumulatory.
10