Kondensatory

 

Kondensatory są to elementy elektroniczne, służące do gromadzenia ładunków elektrycznych. Kondensatory mogą mieć różny kształt, ale zawsze są do siebie podobne wewnętrznie.

         Kondensator na ogół składa się z dwóch płytek przewodzących prąd elektryczny (elektrod), które są od siebie oddalone. Może on zostać naładowany ładunkiem elektrycznym. O zdolności magazynowania ładunku, czyli o pojemności kondensatora decyduje powierzchnia elektrod i odległość między nimi. Większa powierzchnia i mniejsza odległość, daje wyższą pojemność. W celu obliczenia pojemności kondensatora, korzystamy z następującej zależności:

C = e x A/d

gdzie C = pojemność w faradach, A = powierzchnia w m2, d = odstęp między elektrodami w m, a e = przenikalność, która właściwie jest iloczynem eo x er, gdzie eo jest przenikalnością próżni i wynosi 8,85 x 10 a er jest liczbą względną, która określa przenikalność dielektryka w stosunku do przenikalności w próżni er nazywana jest często stałą dielektryczną lub liczbą pojemnościową.

         Jednostką pojemności jest farad, który ma wymiar A x s/v. Pojemność 1F (farada) posiada kondensator, w którym ładunek 1C (Coulomba) powoduje powstanie napięcia 1 V (volta).

Symbol graficzny:

W celu lepszego zrozumienia zależności między parametrami kondensatora, należy przyjąć następujący uproszczony schemat zastępczy:

Rs – rezystancja szeregowa wyprowadzeń i elektrod, elektrolitu, jak również straty w dielektryku, Ls – indukcyjność doprowadzeń

i elektrod,

C – pojemność, Rp – rezystancja izolacji w dielektryku.

 

Kondensatory stałe:

 

Kondensatory papierowe (KLMP, KSMP) 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 samoregenerujące

I małe ryzyko zapłonu. W dzisiejszej dobie używane są one niemal wyłącznie jako kondensatory odkłócające (kondensatory X i Y),

w których można wykorzystywać zalety papieru w stosunku do tworzyw sztucznych.

 

Kondensatory polistyrenowe i poliestrowe (KSF, MKSE, MKSF, MKSP) są kondensatorami, które wykonuje się z metalizowanej folii poliestrowej.

 

Kondensatory mikowe (KM) 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 materiał twardy i odporny, charakteryzujący się tym, że 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 ceramiką. Kondensatory mikowe są jednak względnie duże i drogie, co powoduje, że 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 1 pikofarada do 0,1 mikrofarada.

 

Kondensatory ceramiczne (KCP, KFP, KCR, KFR) są produkowane z jednej lub wielu płytek ceramicznych z nałożoną elektrodą metalową. Kondensator ceramiczny z pojedynczą warstwą 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 0,5 pikofarada do wielu setek mikrofaradów. Kondensatory powyżej 10 mikrofaradów są jednak rzadko spotykane, ze względu na wysoką cenę.

 

Kondensatory elektrolityczne (KEN, KEO, SME, T, UL, KERMS) mają elektrody aluminiowe albo tantalowe. Powierzchnia anody (biegun dodatni) jest pokryta bardzo cienką warstwą tlenku, która pełni rolę dielektryka. W celu zmniejszenia odległości między warstwą tlenku i katodą (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 około 13A na każdy Volt napięcia, który ma on wytrzymać. Również katoda posiada cienką (ok. 40A) warstwę tlenku.
 
Suche elektrolity aluminiowe. Ich produkcję 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).
 
Kondensatory powietrzne wykonuje się przeważnie jako kondensatory obrotowe o pojemności nastawnej. Są one stosowane głównie w odbiornikach radiofonicznych jako elementy strojeniowe. Kondensatory energetyczne wyróżniają się specjalną konstrukcją, wynikającą z warunków pracy (często pracują jako napowietrzne)
i wysokiego napięcia.

 

Kondensatory tantalowe posiadają jako dielektryk tlenek tantalu,

o znakomitych właściwościach elektrycznych. Anoda kondensatora wykonana jest metodą spieków proszkowych z tantalu. Około 50% objętości składa się z porów, co powoduje, że powierzchnia wewnętrzna jest 100 razy większa niż zewnętrzna. Po pokryciu warstwą tlenku tantalu w kwaśnej kąpieli formującej, elementy kondensatora zanurza się w roztworze dwutlenku manganu, który wypełnia wszystkie pory. Aby otrzymać kontakt z katodą, która składa się z przewodzącej farby srebrnej, pokrywa się element kondensatora warstwą 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 zmienne:

 

              Są to kondensatory o zmiennej pojemności z dielektrykiem powietrznym (symbol: AM, FM) lub kondensatory ceramiczne dostrojcze zwane trymerami (symbol: TCP).

Kondensator powietrzny jest zbudowany z dwu zespołów równoległych płytek (rotor i stator), które zmieniają swe położenie powodują zmianę wartości pojemności kondensatora.

          W praktyce stosuje się kondensatory o liniowej lub logarytmicznej zależności od kąta obrotu, o liniowej zmianie długości fali oraz o liniowej zmianie częstotliwości.

 

 

Parametry kondensatorów:

 

 

·       Pojemność znamionowa jest wskaźnikiem wartości

pojemności. Pojemność rzeczywista, mierzona w praktyce, równa się pojemności znamionowej z uwzględnieniem tolerancji. Ponieważ

przenikalność dielektryków jest funkcją temperatury, to pojemność

znamionową podaje się na ogół dla temperatury pokojowej lub innej określonej przez wytwórcę. Wartości tolerancji zależą od rodzaju dielektryka.

·       Napięcie znamionowe jest największym napięciem, które może

być przyłożone trwale do kondensatora. Napięcie to jest na ogół sumą napięcia stałego i wartości szczytowej napięcia zmiennego.

·       Napięcie próby (probiercze) jest taką wartością napięcia, którą

kondensator powinien wytrzymać w stosunkowo krótkim czasie (kilka do kilkudziesięciu sekund), przy czym liczba kondensatorów ulegających przebiciu w partii produkcyjnej nie może przekraczać przyjętej normy np. 5%. Napięcie próby jest na ogół kilkakrotnie wyższe od napięcia znamionowego.

·       Rezystancja izolacji reprezentuje upływność kondensatora po

doprowadzeniu do jego końcówek napięcia stałego o wartości równej napięciu znamionowemu. Dla dużych wartości pojemności podaje się często iloczyn rezystancji upływności i pojemności.

·       Tangens kąta stratności obrazujący straty w dielektryku dla

składowej zmiennej sygnału. Tangens kąta stratności jest stosunkiem wartości prądu upływności (przez Rr) do prądu płynącego przez kondensator.

 

tg d = 1 / RrwC

 
Oznaczenia literowe i cyfrowe kondensatorów:

 

m-25V; I-40V; a-60V; b-100V; c-160V; d-250V; e-400V; f-600; h-1000V; I-1600V – napięcie znamionowe

 

B-0,1%; C-0,25%; D-0,5%; F-1%; G-2%; J-2%; K-10%; M.-20%; N-30% - tolerancja np.4n7,

 

gdzie: małe litery – wartość napięcia znamionowego kondensatora

 duże litery – tolerancja pojemnościowa kondensatora

 

 

 

Firma Miflex jako pierwsza w Polsce zaczęła stosować oznaczenia literowo-cyfrowe.

Oto objaśnienia:

 

K – skrót kondensatora

P – kondensator o dielektryku papierowym

M – kondensator o dielektryku mikowym

S – kondensator o dielektryku z tworzywa sztucznego

         F – jako rodzaju tworzywa sztucznego użyto polistyrenu

         E – jako rodzaju tworzywa sztucznego użyto poliestru

         W – jako rodzaju tworzywa sztucznego użyto poliwęglanu

         P – jako rodzaju tworzywa sztucznego użyto polipropylenu

 

M umieszcza się przed K, gdy kondensator jest wykonany z dielektryku metalizowanego.

 

Klasom dokładności wykonania kondensatorów odpowiadają ciągi:

 

 

Stosowany do oznaczeń liczbowych kod barw jest identyczny ze stosowanym dla rezystorów.

 

barwa                  cyfra      mnożnik             tolerancja        współczynnik    

                                                                         +- %            temperaturowy

                                                                                                 +- tau         

czarna                     0              10                        20                      200

brązowa                  1              10                         1                       100

czerwona                2              10                         2                        50

pomarańczowa       3              10                         3                        15

żółta                       4               10                    0...+100                 25

zielona                   5               10                       0,5                       5

niebieska                6              10                       0,25                     10

fioletowa                7              10                       0,1                       5

popielata                8               10                        -                          1

biała                       9               10                        -                          -

złota                       -                10                        5                         -

srebrna                   -                10                       10                        -

 

Stosuje się trzy rodzaje oznaczeń kondensatorów:  

                       c)        

                      

                                         

                                      

gdzie: X – dowolna liczba, F – farad.

 

Oznaczenia barwne na korpusie:

 

A – pierwsza cyfra

B – druga cyfra

C – liczba zer

D – odchyłka pojemności

E – współczynnik temperaturowy pojemności

F – napięcie pracy (V)

 

 

 

Zastosowanie kondensatorów:

 

Jako kondensator sprzęgający, blokujący napięcie stałe, 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 mają one takich dużych strat jak rezystancyjne dzielniki napięcia.

              Są to kondensatory o zmiennej pojemności z dielektrykiem powietrznym (symbol: AM, FM) lub kondensatory ceramiczne dostrojcze zwane trymerami (symbol: TCP).

 

Nazwa

Zakres pojemności

Napięcie znamionowe

Zastosowanie

Kondensatory papierowe KRP

470pF

10mF

110V – 4kV

układy m.cz. blokady układów, układy elektryczno-przemysłowe

Kondensatory polistyrenowe, poliestrowe, poliwęglanowe OZE, OZU, KEO, KED, KEN

10pF

-2,2mF

25V – 110kV

-

Kondensatory mikowe KSO

10pF

50nF

50V – 25kV

-

Kondensatory ceramiczne II (ferroelektryczne) KERW, KCR

od kilku do kilku tysięcy pikofaradów

25V – 1,6kV

blokady układów w.cz., elementy sprzęgające

Kondensatory ceramiczne

kilkadziesiąt tysięcy pikofaradów

63V

blokady układów w.cz., elementy sprzęgające

Kondensatory elektrolityczne 158D, 196D

1...4700mF

3V – 450V

blokady układów m.cz., układy zasilaczy, elementy sprzęgające