Podstawy laboratorium

Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki
Opracował zespół: Marek Panek, Waldemar Oleszkiewicz, Iwona Zborowska-Lindert,
Bogdan Paszkiewicz, Małgorzata Kramkowska, Beata Ściana, Zdzisław Synowiec, Bogusław
Boratyński
Ćwiczenie nr 1
Zapoznanie z Laboratorium oraz szkolenie BHP.
Zasady posługiwania się przyrządami pomiarowymi.
Podstawowe obwody elektryczne.
Z tą instrukcją studenci przychodzą na pierwsze zajęcia.
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:
1.1
p. Piotr Nowacki, p. 413a, C-2, tel 71 320 2572
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 Elementów i Układów Elektronicznych (LEiUE) w
terminie oraz w sali zgodnie z harmonogramem zajęć.
B. Realizacja programu Laboratorium
1
1. Studenta obowiązuje, po uprzednim przygotowaniu się, wykonanie i zaliczenie
ośmiu ćwiczeń tematycznych (od nr 2 do nr 9) określonych programem LEiUE.
Instrukcje do ćwiczeń udostępnione są na stronie http://156.17.46.1/lpp/ oraz w
punkcie ksero w bud. C-5.
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.
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),
2
· 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 LEiUE), 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 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.
3
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
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.
4.1
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:
4
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.
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:
5
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”
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:
6
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.
7
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 prądowonapięciową 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).
4.3
Rys.3. Układ do pomiaru charakterystyki I-U diody z wykorzystaniem rejestratora.
5 Elemety elektroniczne bierne: rezystory i kondensatory
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]
W innym przypadku mamy do czynienia z rezystorami nieliniowymi, np.: fotorezystory,
termistory, warystory. Elementy te będą również badane w czasie ćwiczeń.
8
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
10
2
2
pomarańcz.
3
103
3
żółty
4
10
4
zielony
5
105
niebieski
6
10
6
fioletowy
7
107
szary
8
10
-2
-
biały
9
10-1
-
złoty
-
10
-1
5
srebrny
-
10-2
0..+100
0,5
0,25
0,1
10
Osobnym rodzajem rezystorów są rezystory regulowane: potencjometry lub reostaty,
posiadające trzy wyprowadzenia, jedno podłączone do ślizgacza przesuwanego po ścieżce
rezystywnej.
9
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 mF.
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.
10
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.
11