Poznajemy kondensatory – część 3

W poprzednim odcinku próbowałem cię przekonać, że w kondensatorach liczy się nie tylko pojemność, ale też szereg innych parametrów. Doszliśmy do wniosku, iż właściwości kondensatora zależą przede wszystkim od dielektryka. Mówiliśmy, że w dielektryku występują straty mocy, które możemy przedstawić jako szeregową rezystancję zastępczą − ESR. Zasygnalizowałem ci także problem indukcyjności kondensatorów i zależności parametrów od temperatury, wilgotności i innych czynników. Może się trochę przestraszyłeś. Takie mnóstwo parametrów, wzajemnych zależności… Jak się w tym wszystkim nie zgubić?

Pamiętaj! W elektronice nie ma żadnej magii, są tylko niezmienne prawa fizyki. Jeśli chcesz być dobrym elektronikiem, to niestety powinieneś przyswoić sobie sporą ilość informacji. Nie są to rzeczy trudne, ale bez tej wiedzy będziesz się poruszał w elektronice jakby po omacku.

Ja kiedyś, w głębokiej młodości, byłem skłonny lekceważyć wiedzę nagromadzoną przez „jajogłowych”. Wydawało mi się, że praktyka załatwi wszystko. Rzeczywiście, praktyka jest najważniejsza, byleby tylko po drodze nie tracić zbyt wiele czasu na wyważanie otwartych drzwi, czyli żmudne odkrywanie tego, co inni dawno już odkryli i opisali.

Jeśli jednak nie masz ochoty na analizowanie wykresów, tabel i zestawień oraz wyciąganie wniosków, musisz liczyć się z faktem, że znaczna ilość zaprojektowanych i wykonanych przez ciebie układów może w ogóle nie działać lub będzie działać niezgodnie z twoimi oczekiwaniami. Jednym z powodów mogą być kondensatory, elementy wydawałoby się prymitywne, wręcz trywialne.

Moim zadaniem jest podać ci niezbędną wiedzę w sposób jak najbardziej praktyczny i przystępny; wiedz jednak, iż w kilku krótkich listach nie można przekazać wszystkiego. Dlatego w temat „wgryziemy się” stopniowo.

W pierwszej kolejności podam ci kilka najważniejszych wskazówek i informacji − mają one naświetlić całokształt problemu i uczulić cię na najważniejsze sprawy. Na początek dowiesz się jakie kondensatory spotyka się powszechnie na rynku, oraz na jakie dwie podstawowe dziedziny zastosowań kondensatorów powinieneś zwrócić szczególną uwagę. To jest porcja wiedzy absolutnie niezbędna każdemu elektronikowi. Tę część materiału znajdziesz pod tytułem zaczerpniętym ze starej piosenki: „Co każdy chłopiec wiedzieć powinien”.

Dalsza część materiału, zatytułowana „Tylko dla ciekawych” i „Główne obszary zastosowań”, zawiera następny stopień wtajemniczenia. Znajdziesz ją w kolejnych artykułach z tej serii. Nie musisz jej czytać jeśli twoje zainteresowanie elektroniką kończy się na montowaniu układów. Ta wiedza będzie ci potrzebna, jeśli zamierzasz samodzielnie konstruować układy elektroniczne. Nie lekceważ więc „trywialnych” kondensatorów. Serdecznie cię namawiam, żebyś dokładnie przeanalizował i przyswoił sobie cały podany materiał − starałem się wybrać dla ciebie informacje najważniejsze, naprawdę przydatne w praktyce.

Oczywiście, wprawy i rutyny musisz nabrać sam. I już teraz wiedz, że nie obejdzie się przy tym bez „wpadek”, rozczarowań i porażek.

Jeśli gotów jesteś się uczyć i będziesz wyciągał wnioski z niepowodzeń, to jestem pewny, że za jakiś czas będziesz z siebie naprawdę zadowolony.

Co każdy chłopiec wiedzieć powinien

Utrwal sobie podstawową prostą zasadę: każdy typ kondensatorów ma inne właściwości i przeznaczony jest do określonych zastosowań. Nie ma kondensatorów idealnych nadających się do wszystkiego.

Dla współczesnego elektronika−hobbysty podstawowe znaczenie mają trzy główne grupy kondensatorów:
− elektrolityczne
− ceramiczne
− foliowe.

Kondensatory elektrolityczne stosowane są w każdym układzie elektronicznym w obwodach zasilania jako kondensatory filtrujące i gromadzące energię. Stosowane są też jako kondensatory sprzęgające i blokujące w urządzeniach m.cz, pracujących z częstotliwościami do mniej więcej 100kHz.

Kondensatory ceramiczne stosuje się powszechnie w obwodach wielkiej częstotliwości, zarówno jako elementy obwodów rezonansowych, jak i do sprzęgania, blokowania, filtrowania.

Kondensatory foliowe znajdują zastosowanie przy „średnich częstotliwościach”, mniej więcej od kilku herców do co najwyżej kilku megaherców. Stosowane są też powszechnie w obwodach RC generatorów i filtrów. Niektóre typy kondensatorów foliowych przeznaczone są do pracy w obwodach impulsowych.

Bliższe informacje znajdziesz w części materiału „Tylko dla ciekawych”.

Jako uzupełnienie, w poniższym  tekście podałem ci, jakimi kondensatorami nie warto zaśmiecać sobie głowy i pracowni, a jakie mogą być przydatne.

W starych książkach i katalogach być może znajdziesz wzmianki o kondensatorach próżniowych, gazowanych, z dielektrykiem ciekłym, szklanym, papierowym. Ty, jako hobbysta żyjący w XXI wieku możesz zupełnie nie zawracać sobie nimi głowy.

Być może w archaicznym sprzęcie spotkasz kondensatory mikowe, czy ceramiczne rurkowe. Są to kondensatory o dobrych parametrach; zostały jednak doszczętnie wyparte przez kondensatory ceramiczne płytkowe. Nie warto też ich kolekcjonować, no, chyba że mieszkasz gdzieś z dala od wszelkich źródeł zaopatrzenia i cenny jest dla ciebie każdy element.

Ze starego sprzętu warto natomiast wymontować wszelkie kondensatory zmienne − nawet stare, wielkie agregaty powietrzne. Co prawda kondensatory zmienne zostały zastąpione diodami waraktorowymi, ale na pewno przydadzą ci się do różnych amatorskich konstrukcji z zakresu w.cz.

Odsprzęganie obwodów zasilania

Najczęstszą przyczyną kłopotów związanych z kondensatorami są ich (niedoskonałe) właściwości w zakresie wysokich częstotliwości.

Chyba każdy spotkał się z samowzbudzeniem układu. (Mi najczęściej wzbudzały się wzmacniacze. Ale jakby na złość, kiedy chciałem zbudować dobry generator − zdarzało się, że układ się nie wzbudzał).

Przyczyny mogą być różne − jedną z nich jest zastosowanie niewłaściwych kondensatorów w obwodach filtracji i odsprzęgania napięć zasilających.

Niewłaściwe kondensatory (lub ich brak) mogą też być przyczyną dużej wrażliwości na zakłócenia, szczególnie te przedostające się z sieci energetycznej przez zasilacz. Zasygnalizowałem ci to w poprzednim odcinku. W zakresie wysokich częstotliwości (a także dla krótkich zakłóceń impulsowych) niektóre kondensatory mają znaczną rezystancję szeregową ESR. Rezystancja ta znacznie zmniejsza skuteczność filtrowania pojawiających się przebiegów w.cz. Na dodatek występuje też szkodliwa indukcyjność samego kondensatora i jego doprowadzeń.

Nie mów mi tylko, że ciebie to nie dotyczy, bo będziesz robił wyłącznie układy małej częstotliwości. Jakie tranzystory będziesz stosował? Czy wiesz, że popularne tranzystory „m.cz” na przykład BC548, BC108 mogą wzmacniać sygnały o częstotliwościach nawet kilkuset megaherców?! Czy to jest „mała częstotliwość”? Podobnie jest ze wzmacniaczami operacyjnymi − przyzwoity wzmacniacz operacyjny przeznaczony do zastosowań audio, na przykład NE5532, ma pasmo sięgające 10MHz!

Dlatego dosłownie we wszystkich układach musisz zadbać o właściwe odblokowanie obwodów zasilania także w zakresie wysokich częstotliwości.

Powszechnie stosuje się tu równoległe połączenie kondensatora elektrolitycznego i malutkiego kondensatora ceramicznego (tzw. ferroelektrycznego) o pojemności typowo 47…220nF. Metoda ta zaprezentowana jest na rysunku 1.

W każdym układzie elektronicznym musisz zadbać o właściwe odblokowanie obwodów zasilania także w zakresie wysokich częstotliwości. Zauważ, jak znacznie zmniejsza impedancję w zakresie wyższych częstotliwości zastosowanie małego kondensatorka ceramicznego o pojemności tylko 100nF.

 

„Elektrolit”, z uwagi na znaczną pojemność ma dobre właściwości przy małych częstotliwościach, ceramiczny „lizaczek” przy dużych.

A jaka powinna być pojemność „elektrolita”? Wydawałoby się, że czym większa, tym lepiej. Niekoniecznie!

Jak to? Przecież większy kondensator ma mniejszą reaktancję i rezystancję ESR, a więc powinien lepiej tłumić wszelkie tętnienia napięcia zasilającego.

Jeśli nie stosujesz stabilizatora, to rzeczywiście większa pojemność jest lepsza, bo zmniejsza wielkość tętnień. Ale jeśli masz w układzie stabilizator, choćby popularny 78XX, to nadmierne zwiększanie pojemności filtrującej praktycznie nic nie daje! Przecież stabilizator z założenia ma zmniejszać wahania napięcia zasilającego. Jednym z ważnych parametrów stabilizatora jest jego (dynamiczna) rezystancja wyjściowa. Informuje ona, o ile zmieni się napięcie przy zmianie prądu obciążenia. Rezystancja ta dla częstotliwości poniżej 1kHz nawet w popularnych stabilizatorkach nie jest większa od 30…50 miliomów (0,03…0,05Ω ). Tymczasem na przykład kondensator elektrolityczny 100μF/16V ma przy częstotliwości 50Hz reaktancję ponad 30Ω i rezystancję ESR ponad 1,5Ω ! Nawet wielki kondensator 10000μF/16V ma przy częstotliwości 50Hz reaktancję około 0,3Ω i ESR około 0,1Ω . Jak widać, zwiększanie pojemności niewiele daje − w zakresie małych częstotliwości decydujące znaczenie dla tłumienia zakłóceń i tak ma stabilizator, a nie kondensator. Kondensator jest jednak konieczny, choćby dla zapobiegania samowzbudzeniu stabilizatora.

W zakresie większych częstotliwości sprawa wygląda nieco inaczej, bowiem rezystancja wyjściowa stabilizatora i rezystancja ESR kondensatora jest większa, ale i tak końcowy wniosek jest ten sam − nie ma potrzeby stosować elektrolitów o bardzo dużych pojemnościach. Standardowo w obwodach zasilania stosuje się kondensatory elektrolityczne o pojemności 22…220μF.

Może już dość długo zajmujesz się elektroniką i zaprotestujesz: przecież nigdy nie stosuję tych małych kondensatorów ceramicznych i moje układy jakoś pracują. Niewykluczone. Gratuluję sukcesu! Być może niektóre rzeczywiście pracują „jakoś”. Czy znasz przysłowie: „miała być jakość, wyszło jakoś”? Ale nie będę się z tobą sprzeczał; rzeczywiście sporo układów może pracować dosłownie bez żadnych kondensatorów odsprzęgających zasilanie. W innych wystarczy jeden mały elektrolit.

Powiem więcej: umieszczenie zalecanych kondensatorów w niewłaściwym miejscu na płytce może nic nie dać. Często bowiem trzeba stosować nie tylko jeden, ale kilka kondensatorów odsprzęgających: jeden blisko stabilizatora, inne w różnych punktach zasilanego układu.

Podane ogólne wiadomości nie wyczerpują zagadnienia walki z samowzbudzeniem i zakłóceniami, ponieważ dużą rolę ma tu prowadzenie obwodów zasilających, szczególnie masy. Ten ważny temat nie mieści się jednak w ramach dzisiejszego artykułu.

Podanym materiałem chcę cię jedynie zachęcić do stosowania kondensatorów odsprzęgających w każdym budowanym układzie. Przyjmij to jako zasadę: zdecydowanie lepiej zastosować za dużo kondensatorów odsprzęgających zasilanie, niż za mało. Nie żałuj więc kilkudziesięciu groszy na te kondensatory. W sumie zaoszczędzisz sobie sporo nerwów i frustracji.

Układy precyzyjne

Drugą dziedziną zastosowań kondensatorów, na którą chcę ci zwrócić uwagę są wszelkie układy wymagające precyzji i stałości parametrów.

Będziesz budował, a może już budowałeś, różnego rodzaju filtry i generatory dostrojone do określonej częstotliwości. Częstotliwość powinna być stała, niezależnie od zmian temperatury i innych czynników.

Z filtrami i generatorami LC dla wysokich częstotliwości sprawa jest względnie prosta, bo stosuje się tam strojone cewki oraz stabilne kondensatory ceramiczne o pojemnościach 1…1000pF (tzw. typ 1), a te produkowane są w wielu wykonaniach o ściśle określonych współczynnikach temperaturowych. Przez dobór kondensatora o odpowiednim współczynniku temperaturowym można skompensować zmiany temperaturowe cewki i uzyskać dobrą stabilność.

Trochę gorzej wygląda sprawa z filtrami i generatorami małej częstotliwości, które często budowane są przede wszystkim jako układy aktywne, zawierające wzmacniacze operacyjne i elementy RC. Tu pojemności muszą być większe niż 1nF, a więc nie można stosować dobrych kondensatorów ceramicznych (tzw. typ 1).

O ile kondensatory ceramiczne o pojemnościach poniżej 1nF wykonywane są z ceramiki o naprawdę znakomitych parametrach, to kondensatory ceramiczne o większych pojemnościach mają inny, zdecydowanie gorszy dielektryk. Zwykle są to kondensatory ceramiczne ferroelektryczne, nazywane tak ze względu na skład materiału dielektryka − jest to tak zwany typ 2. Podobne parametry mają kondensatory tzw. typu 3, o jeszcze mniejszych gabarytach, nazywane czasem kondensatorami półprzewodnikowymi lub złączowymi (są to jednak najprawdziwsze kondensatory i nie mają praktycznie nic wspólnego z diodami i tranzystorami)

Przed chwilą zachęcałem cię, żebyś stosował takie kondensatory do odsprzęgania zasilania.

Do tamtego celu były znakomite. Jednak zupełnie nie nadają się one do precyzyjnych układów czasowych. Pojemność tych kondensatorów może zmieniać się pod wpływem temperatury nawet o kilkadziesiąt procent! Co gorsza, o zgrozo (uważaj, to jest kuriozum!) − pojemność niektórych typów zależy też od przyłożonego napięcia!

Co prawda trafiają się stabilne kondensatory ceramiczne w zakresie pojemności kilkudziesięciu nanofaradów, ale ty gdy kupujesz je z nieznanego źródła nigdy nie będziesz miał pewności co otrzymałeś.

Nie stosuj małych kondensatorów ceramicznych o pojemności większej niż 1nF w precyzyj nych obwodach czasowych RC i LC. Jeśli musisz stosować w precyzyjnych obwodach kondensatory elektrolityczne − stosuj w miarę możliwości „tantale”, a jeśli mają to być zwykłe kondensatory aluminiowe, to muszą one stale pozostawać pod napięciem.

Z kolei kondensatory foliowe mają zdecydowanie lepszą stabilność niż ceramiczne ferroelektryczne.

Najlepsze są tu kondensatory polistyrenowe − krajowe KSF i zagraniczne KS − znane bardziej jako styrofleksowe (my, praktycy mówimy krótko: „styrofleksy”). Mają one niewielki współczynnik temperaturowy pojemności wynoszący mniej więcej −0,013%/°C i równie niewielką zależność pojemności od wilgotności względnej powietrza.

Natomiast najpopularniejsze obecnie na rynku kondensatory poliestrowe, czyli krajowe MKSE i zagraniczne MKT mają nieco gorszą stabilność i ogólnie rzecz biorąc należy się liczyć ze zmianami pojemności do ±3%. Czy to dużo czy mało? To zależy od wymagań stawianych układowi. Większość amatorskich konstrukcji nie wymaga jednak większej stabilności. Tak więc w obwodach RC powszechnie będziemy stosować kondensatory MKSE (MKT).

Niejednokrotnie będą ci też potrzebne generatory lub uniwibratory o bardzo długich czasach impulsu, rzędu sekund, minut, a nawet godzin. Pewnie zechcesz zastosować w nich „elektrolity”.

Jak będzie ze stabilnością parametrów takich układów?

Pamiętasz zapewne, że pojemność popularnych „mokrych elektrolitów” może się znacznie zmieniać w związku z uszkodzeniami i ponownym formowaniem cieniuteńkiej warstwy dielektryka − tlenku glinu. Zmiany pojemności mogą tu wynieść nawet kilkadziesiąt procent.

Jeszcze gorszym problemem może być prąd upływu. W układach o dużych stałych czasowych RC stosuje się zwykle rezystory o wartościach rzędu megaomów, więc może się okazać, że prąd pracy płynący przez taki rezystor jest mniejszy niż prąd upływu rozformowanego kondensatora! Urządzenie wcale nie będzie pracować! Aby temu zapobiec kondensatory elektrolityczne aluminiowe w miarę możliwości powinny pozostawać pod napięciem. Będą wtedy zawsze zaformowane i ich prąd upływu będzie nieznaczny.

Generalnie jednak w układach czasowych wymagających dużej niezawodności i stabilności należy za wszelką cenę unikać jakichkolwiek „elektrolitów”. Zamiast tego należy stosować generatory z kondensatorami stałymi i dla uzyskania dużych czasów wykorzystać cyfrowe dzielniki (liczniki). Godna polecenia jest tu popularna kostka CMOS 4541, która w ten sposób pozwala zbudować zarówno generatory, jak i układy monostabilne o dowolnie długich czasach.

W poprzednim odcinku obiecałem ci, że wreszcie coś zepsujemy. I zepsujemy! Ale najpierw, jeśli możesz, spróbuj zbadać właściwości posiadanych kondensatorów stałych.

Jeśli masz dostęp do miernika pojemności, sprawdź, jak zmienia się pojemność różnego typu kondensatorów pod wpływem temperatury. Sprawdź pojemność „w stanie zimnym” i po podgrzaniu. Przekonaj się, czy silne podgrzanie wyprowadzeń kondensatora podczas lutowania może trwale zmienić jego pojemność.

Przetestuj w ten sposób kondensatory różnych typów, o różnych pojemnościach. Jedna taka praktyczna lekcja będzie więcej znaczyć, niż kilka stron opisu właściwości tych elementów.. A jak już je pomierzysz, weź nóż, szczypce boczne, i zobacz, jak są zbudowane.

Czwarta część cyklu znajduje się tutaj.

Piotr Górecki