Podstawy: zrozumienie charakterystyk różnych rodzajów kondensatorów pod kątem stosowania w odpowiedni i bezpieczny sposób

Kondensatory są urządzeniami do magazynowania energii, niezbędnymi zarówno w analogowych jak i cyfrowych układach elektronicznych. Stosuje się je w taktowaniu, do generowania i kształtowania fal, blokowania prądu stałego, sprzęgania sygnałów prądu zmiennego, filtrowania i wygładzania oraz oczywiście do magazynowania energii. Ze względu na szeroki zakres zastosowań pojawiło się wiele rodzajów kondensatorów wykorzystujących okładki z różnych materiałów, dielektryki izolacyjne i charakteryzujących się różnymi formami fizycznymi. Każdy z tych typów kondensatorów jest przeznaczony do określonego zakresu zastosowań. Szeroka gama opcji oznacza, że zapoznanie się ze wszystkimi i znalezienie optymalnego modelu dla danej konstrukcji pod względem charakterystyki działania, niezawodności, żywotności, stabilności i kosztów, może być czasochłonne.

Znajomość charakterystyk poszczególnych typów kondensatorów jest kluczowa dla właściwego dopasowania kondensatora do obwodu w danym zastosowaniu. Wiedza ta musi obejmować właściwości elektryczne, fizyczne i ekonomiczne kondensatorów.

W tym artykule opisano różne typy kondensatorów, ich charakterystyki oraz kluczowe kryteria ich doboru. Aby zilustrować główne różnice i cechy posłużymy się przykładami kondensatorów firm takich jak Murata Electronics, KEMET, Cornell Dubilier Electronics, Panasonic Electronics Corporation i AVX Corporation.

Czym jest kondensator?

Kondensator jest urządzeniem elektronicznym, które przechowuje energię w wewnętrznym polu elektrycznym. Obok rezystorów i cewek indukcyjnych jest to podstawowy pasywny element elektroniczny. Wszystkie kondensatory posiadają taką samą podstawową konstrukcję - są zbudowane z dwóch okładek przewodzących, oddzielonych izolatorem, zwanym dielektrykiem, który może być spolaryzowany za pomocą pola elektrycznego (ilustracja 1). Pojemność jest proporcjonalna do pola powierzchni okładki A i odwrotnie proporcjonalna do odległości pomiędzy okładkami d.

Ilustracja 1: podstawowy kondensator składa się z dwóch okładek przewodzących oddzielonych nieprzewodzącym dielektrykiem, który magazynuje energię w spolaryzowanych obszarach w polu elektrycznym pomiędzy dwiema okładkami. (Źródło ilustracji: DigiKey)

Pierwszym kondensatorem była butelka lejdejska, opracowana w 1745 roku. Składała się ona ze szklanego słoika wyłożonego folią metalową wewnątrz oraz na zewnątrz i pierwotnie służyła do przechowywania ładunków elektrostatycznych. Benjamin Franklin użył takiego urządzenia, aby udowodnić, że piorun to elektryczność, co stało się jednym z najwcześniejszych zarejestrowanych zastosowań kondensatora.

Pojemność podstawowego kondensatora równoległego można obliczyć za pomocą równania 1:

Równanie 1

Gdzie:

C to pojemność w faradach

A to powierzchnia okładki w metrach kwadratowych

d to odległość pomiędzy okładkami w metrach

ε to przenikalność materiału dielektrycznego

ε równa się przenikalności elektrycznej względnej dielektryka ε_r pomnożonej przez przenikalność elektryczną próżni ε₀. Przenikalność elektryczna względna ε_r często nazywana jest stałą dielektryczną izolatora k.

W oparciu o równanie 1, pojemność jest bezpośrednio proporcjonalna do stałej dielektrycznej i powierzchni okładki oraz odwrotnie proporcjonalna do odległości pomiędzy okładkami. Aby zwiększyć pojemność, można zwiększyć powierzchnię okładek i zmniejszyć odległość między nimi. Ponieważ względna przenikalność próżni wynosi 1, a wszystkie dielektryki mają względną przenikalność większą niż 1, wprowadzenie dielektryka również zwiększy pojemność kondensatora. Kondensatory zazwyczaj dzieli się ze względu na rodzaj zastosowanego materiału dielektrycznego (tabela 1).

Tabela 1: charakterystyki standardowych rodzajów kondensatorów, zależnie od zastosowanego materiału dielektrycznego. (Źródło tabeli: DigiKey)

Kilka uwag na temat wpisów w kolumnach:

• Względna przenikalność lub stała dielektryczna kondensatora wpływa na maksymalną wartość pojemności osiągalnej w przypadku danej powierzchni okładki i grubości dielektryka.
• Wytrzymałość dielektryka jest miarą odporności dielektryka na napięcie przebicia w funkcji jego grubości.
• Minimalna osiągalna grubość dielektryka ma wpływ na maksymalną pojemność, jak również na napięcie przebicia kondensatora.

Budowa kondensatora

Kondensatory są dostępne w różnych konfiguracjach montażu fizycznego - kondensatory z odprowadzeniami osiowymi, pionowymi oraz do montażu powierzchniowego (Ilustracja 2).

Ilustracja 2: rodzaje konfiguracji obejmują kondensatory z odprowadzeniami osiowymi, pionowymi oraz do montażu powierzchniowego. Aktualnie powszechnie stosuje się montaż powierzchniowy. (Źródło ilustracji: DigiKey)

Konstrukcja osiowa kondensatora oparta jest na zwiniętych cylindrycznie, układanych na przemian warstwach folii metalowej i dielektryka lub dielektryka metalizowanego po obu stronach. Połączenia z okładkami przewodzącymi mogą być wykonane za pomocą wsuniętej płytki lub cylindrycznego przewodzącego kapturka.

Typ pionowy składa się zazwyczaj z naprzemiennych warstw metalu i dielektryka. Warstwy metalu są zmostkowane na końcach. Konfiguracje pionowe i osiowe są przeznaczone do montażu przewlekanego.

Kondensatory do montażu powierzchniowego również opierają się zasadzie naprzemiennego ułożenia warstw przewodzących i dielektrycznych. Warstwy metalu są zmostkowane na końcach za pomocą kołpaka lutowniczego do montażu powierzchniowego.

Model obwodu kondensatora

Model obwodu dla kondensatora zawiera wszystkie trzy pasywne elementy obwodu (ilustracja 3).

Ilustracja 3: model obwodu kondensatora składa się z elementów pojemnościowych, indukcyjnych i rezystancyjnych. (Źródło ilustracji: DigiKey)

Model obwodu kondensatora składa się z szeregowego elementu rezystancyjnego reprezentującego rezystancję omową elementów przewodzących wraz z rezystancją dielektryczną. Nazywa się to zastępczą lub równoważną rezystancją szeregową (ESR).

Efekty dielektryczne pojawiają się, gdy do kondensatora przyłożone są sygnały prądu zmiennego. Napięcia prądu zmiennego powodują zmianę polaryzacji dielektryka w każdym cyklu, powodując wewnętrzne nagrzewanie. Nagrzewanie dielektryczne jest funkcją materiału i mierzy się je według współczynnika strat dielektryka. Współczynnik strat (DF) jest funkcją pojemności kondensatora oraz równoważnej rezystancji szeregowej (ESR) i może być obliczony za pomocą równania 2:

Równanie 2

Gdzie:

X_C to kapacytancja w omach (Ω)

ESR to równoważna rezystancja szeregowa (w Ω)

Współczynnik strat jest zależny od częstotliwości ze względu na kapacytancję i jest bezwymiarowy, często wyrażony w procentach. Niższy współczynnik strat powoduje mniejsze nagrzewanie i tym samym mniejsze straty.

Istnieje szeregowy element indukcyjny, zwany efektywną lub równoważną indukcyjnością szeregową (ESL). Reprezentuje on indukcyjność odprowadzenia i drogi przepływu prądu. Indukcyjność szeregowa i pojemność powodują rezonans szeregowy. Poniżej częstotliwości rezonansu szeregowego urządzenie zachowuje swoje funkcje pojemnościowe, a powyżej tej wartości jest z kolei bardziej indukcyjne. Indukcyjność szeregowa może być problematyczna w wielu zastosowaniach o wysokich częstotliwościach. Dostawcy minimalizują indukcyjność poprzez zastosowanie konstrukcji warstwowej, przedstawionej na schemacie kondensatorów pionowych oraz do montażu powierzchniowego.

Rezystancja równoległa odpowiada rezystancji izolacji dielektryka. Wartości poszczególnych elementów modelu są zależne od konfiguracji kondensatora i materiałów, z których został zbudowany.

Kondensatory ceramiczne

Kondensatory te wykorzystują dielektryki ceramiczne. Istnieją dwie klasy kondensatorów ceramicznych - klasa 1 i klasa 2. Klasa 1 zawiera ceramikę paraelektryczną taką jak dwutlenek tytanu. Kondensatory ceramiczne w tej klasie cechuje wysoki poziom stabilności, dobry współczynnik temperaturowy pojemności i niskie straty. Ze względu na ich dokładność, są one stosowane w oscylatorach, filtrach i innych zastosowaniach pracujących na częstotliwości radiowej (RF).

Kondensatory ceramiczne klasy 2 wykorzystują ceramiczny dielektryk na bazie materiałów ferroelektrycznych, takich jak tytanian baru. Ze względu na wysoką stałą dielektryczną tych materiałów, kondensatory ceramiczne klasy 2 oferują wyższą pojemność na jednostkę objętości, ale są mniej dokładne i stabilne niż kondensatory klasy 1. Wykorzystuje się je w zastosowaniach obejściowych i sprzęgających, gdzie bezwzględna wartość pojemności nie jest kwestią kluczową.

Przykładem kondensatora ceramicznego jest GCM1885C2A101JA16 firmy Murata Electronics (ilustracja 4). Kondensator klasy 1 o pojemności 100pF posiada tolerancję na poziomie 5%, jego napięcie znamionowe wynosi 100V i jest on kondensatorem do montażu powierzchniowego. Kondensator ten jest przeznaczony do użytku w motoryzacji i posiada zakres temperatur znamionowych od -55° do +125°C.

Ilustracja 4: kondensator ceramiczny GCM1885C2A101JA16 to kondensator klasy 1 do montażu powierzchniowego o pojemności 100pF z 5% tolerancją i napięciem znamionowym wynoszącym 100V. (Źródło ilustracji: Murata Electronics)

Kondensatory foliowe

W kondensatorach foliowych wykorzystuje się cienką folię z tworzywa sztucznego, która pełni rolę dielektryka. Okładki przewodzące mogą być wykonane z warstwy folii lub z folii metalizowanej po obu stronach. Charakterystyka kondensatorów zależy od tego, z jakiego tworzywa wykonano dielektryk. Istnieje wiele rodzajów kondensatorów foliowych:

Polipropylenowe (PP): cechują się one szczególnie dobrą tolerancją i stabilnością, przy niskich wartościach znamionowych ESR i ESL oraz wysokich wartościach napięcia przebicia. Ze względu na ograniczenia temperaturowe dielektryka są one dostępne jedynie w postaci urządzeń z odprowadzeniami. Kondensatory PP znajdują zastosowanie w obwodach, w których występuje duża moc lub wysokie napięcie, takich jak zasilacze impulsowe, obwody stateczników, obwody wyładowcze wysokiej częstotliwości oraz w systemach audio, w których ceni się niską wartość ESR i ESL ze względu na integralność sygnału.

Z politereftalanem etylenu (PET): zwane również kondensatorami poliestrowymi lub mylarowymi, mają największą sprawność wolumetryczną spośród kondensatorów foliowych ze względu na wyższą stałą dielektryczną. Zwykle są to urządzenia z pionowymi odprowadzeniami. Są one używane do ogólnych zastosowań pojemnościowych.

Z polisulfidem fenylenu (PPS): te kondensatory są dostępne tylko z folią metalizowaną. Cechuje je szczególnie dobra stabilność temperaturowa i dlatego są stosowane w obwodach, które wymagają dobrej stabilności częstotliwości.

Przykładem kondensatora foliowego PS jest model ECH-U1H101JX5 firmy Panasonic Electronics Corporation. Jest to kondensator o pojemności 100pF posiadający tolerancję na poziomie 5%, jego napięcie znamionowe wynosi 50V i jest on przeznaczony do montażu powierzchniowego. Jego zakres temperatur roboczych wynosi od -55° do 125°C i jest przeznaczony do ogólnych zastosowań w elektronice.

Z naftalanem polietylenu (PEN): tak, jak kondensatory PPS, kondensatory PEN również dostępne są tylko z folią metalizowaną. Charakteryzują się wysoką tolerancją na temperaturę i są przeznaczone do montażu powierzchniowego. Stosowane są głównie tam, gdzie występują wysokie temperatury i napięcia robocze.

Kondensatory politetrafluoroetylenowe (PTFE) lub teflonowe wyróżniają się wysoką tolerancją na temperaturę i napięcie. Są one dostępne zarówno z folią metalizowaną, jak i niemetalizowaną. Kondensatory PTFE najczęściej znajdują zastosowanie w urządzeniach narażonych na wysoką temperaturę.

Kondensatory elektrolityczne

Kondensatory elektrolityczne wyróżniają się wysoką pojemnością i wysoką sprawnością wolumetryczną. Uzyskuje się to poprzez zastosowanie ciekłego elektrolitu jako jednej z okładek. Kondensator aluminiowy elektrolityczny składa się z czterech oddzielnych warstw: katody z folii aluminiowej, separatora papierowego nasączonego elektrolitem, anody aluminiowej, która została poddana obróbce chemicznej w celu utworzenia bardzo cienkiej warstwy tlenku aluminium i wreszcie kolejnego separatora papierowego. Taki zestaw zwija się i umieszcza w uszczelnionej metalowej puszcze.

Kondensatory elektrolityczne są spolaryzowanymi urządzeniami prądu stałego, co oznacza, że przyłożone napięcie musi być doprowadzone do określonych dodatnich i ujemnych zacisków. Nieprawidłowe podłączenie kondensatora elektrolitycznego może spowodować wybuch, chociaż obudowy posiadają membrany reagujące na podwyższone ciśnienie, które przeciwdziałają tej reakcji i minimalizują potencjał uszkodzenia.

Głównymi zaletami kondensatora elektrolitycznego jest duża pojemność, niewielkie rozmiary i stosunkowo niski koszt. Wartości pojemności mają szeroki zakres tolerancji i stosunkowo wysokie wartości prądu upływu. Najczęstszymi zastosowaniami kondensatorów elektrolitycznych są kondensatory filtrujące zarówno w zasilaczach liniowych oraz impulsowych (ilustracja 5).

Ilustracja 5: przykłady kondensatorów elektrolitycznych - wszystkie o pojemności 10µF. (Źródło ilustracji: Kemet oraz AVX Corp.)

Na ilustracji 5, jako pierwszy od lewej widzimy model ESK106M063AC3FA firmy Kemet - pionowy kondensator aluminiowy elektrolityczny - 10µF, 20%, 63V. Może on pracować w temperaturze do 85°C, a jego żywotność wynosi 2000 godzin. Jest on przeznaczony do ogólnych zastosowań elektrolitycznych, w tym do filtrowania, odsprzęgania i zastosowań obejściowych.

Alternatywą dla aluminiowego kondensatora elektrolitycznego jest aluminiowy kondensator polimerowy, w którym ciekły elektrolit zastąpiono stałym elektrolitem polimerowym. Aluminiowy kondensator polimerowy ma niższą wartość ESR niż aluminiowy kondensator elektrolityczny i dłuższą żywotność. Jak wszystkie kondensatory elektrolityczne, są one spolaryzowane i znajdują zastosowanie w zasilaczach jako kondensatory filtrujące i odsprzęgające.

Model A758BG106M1EDAE070 firmy Kemet to pionowy kondensator aluminiowo-polimerowy - 10µF, 25V - o dłuższej żywotności i większej stabilności w szerokim zakresie temperatur. Jest on przeznaczony do zastosowań przemysłowych i komercyjnych, takich jak ładowarki do telefonów komórkowych i elektronika medyczna.

Kondensatory tantalowe to kolejny rodzaj kondensatorów elektrolitycznych. W tym przypadku na folii tantalowej chemicznie wytwarza się warstwę tlenku tantalu. Charakteryzują się lepszą sprawnością wolumetryczną niż aluminiowe kondensatory elektrolityczne, ale ich maksymalne poziomy napięcia są generalnie niższe. Kondensatory tantalowe charakteryzują się niższym wskaźnikiem ESR i wyższą tolerancją temperatury niż aluminiowe kondensatory elektrolityczne, co oznacza, że lepiej wytrzymują lutowanie.

Model T350E106K016AT firmy Kemet to pionowy kondensator tantalowy - 10µF, 10%, 16V. Ma on niewielkie rozmiary, charakteryzuje się niskim upływem i niskim współczynnikiem strat. Stosuje się go do filtrowania, obejścia, sprzęgania prądu zmiennego i taktowania.

Ostatnim rodzajem kondensatorów elektrolitycznych są kondensatory z tlenkiem niobu. Opracowano je, gdy panował niedobór tantalu. W kondensatorach tych zastąpiono tantal niobem, a elektrolit pięciotlenkiem niobu. Ze względu na wyższą stałą dielektryczną charakteryzuje je mniejszy rozmiar na jednostkę pojemności.

Przykładem kondensatora z tlenkiem niobu jest NOJB106M010RWJ firmy AVX Corp. Jest to kondensator do montażu powierzchniowego - 10µF, 20%, 10V. Podobnie jak kondensatory tantalowe, wykorzystuje się je do filtrowania, obejścia i sprzęgania prądu zmiennego.

Kondensatory mikowe

Kondensatory mikowe (zwykle srebrowe) charakteryzują się wąską tolerancją pojemności (±1%), niskim współczynnikiem temperaturowym pojemności (zwykle 50ppm/°C), wyjątkowo niskim współczynnikiem strat oraz niską zmiennością pojemności w zależności od przyłożonego napięcia. Wąska tolerancja i wysoka stabilność sprawiają, że to odpowiednie rozwiązanie dla obwodów RF. Dielektryk z miki jest posrebrzany z obu stron, by powstały powierzchnie przewodzące. Mika jest stabilnym minerałem, który nie wchodzi w reakcję z najczęściej spotykanymi zanieczyszczeniami elektronicznymi.

Model MC12FD101J-F firmy Cornell Dubilier Electronics to kondensator mikowy do montażu powierzchniowego - 100pF, 5%, 500V (ilustracja 6). Stosuje się go w urządzeniach działających na częstotliwości radiowej, takich jak rezonans magnetyczny, łączność radiowa, wzmacniacze mocy i oscylatory. Są one przystosowane do pracy w zakresie temperatur od -55° do 125°C.

Ilustracja 6: kondensator mikowy do montażu powierzchniowego MC12FD101J-F firmy Cornell Dubilier Electronics. (Źródło ilustracji: Cornell Dubilier Electronics)

Podsumowanie

Kondensatory są niezbędnymi komponentami w projektach elektronicznych. Na przestrzeni lat opracowano szeroką gamę typów urządzeń o różnych właściwościach, które sprawiają, że poszczególne technologie kondensatorów są szczególnie dobrze dopasowane do konkretnych zastosowań. Dla projektantów, zdobycie dobrej, praktycznej wiedzy na temat różnych typów, konfiguracji i specyfikacji jest kluczowe, aby wybrać idealny kondensator do danego zastosowania.