Elektronika (nie tylko) dla informatyków (41) Kondensatory foliowe – ogólnie

W poprzednim odcinku przyglądaliśmy się i analizowaliśmy oznaczenia kondensatorów ceramicznych współcześnie produkowanych. W tym wykładzie scharakteryzujemy ogólnie kondensatory foliowe.

W kondensatorach foliowych dielektrykiem jest cieniutka folia z tworzywa sztucznego. Okładkami mogą być albo paski folii aluminiowej, albo elektrody są napylane jako warstwy na folię izolacyjną. Całość jest zwijana w rulonik i po zamontowaniu doprowadzeń zalewana lakierem lub umieszczana w prostopadłościennym plastikowym pudełeczku. Fotografia 1 pokazuje tego rodzaju kondensator.

Pierwsze kondensatory foliowe zawierały oddzielne paski dwóch elektrod z folii aluminiowej i dielektryka z tworzywa sztucznego. Dziś zdecydowanie częściej wykorzystujemy kondensatory metalizowane, gdzie paski plastikowej folii są pokryte cienką warstewką metalu (aluminium), stąd nazwa: metalizowane. Mogłoby się wydawać, że konstrukcja kondensatarów foliowych, zarówno klasycznych, jak i metalizowanych, jest prosta i oczywista. Okazuje się jednak, że z różnych względów przy produkcji kondensatorów foliowych, zwykłych i metalizowanych, wykorzystuje się rozmaite rozwiązania, o czym świadczy rysunek 2.

Folia izolacyjna może być wykonana z różnych tworzyw sztucznych. Dawniej w technice radiowej powszechnie wykorzystywane były kondensatory polistyrenowe, zwane styrofleksowymi przedstawionymi na fotografii 3, w kraju oznaczane KSF, za granicą zwykle KS. Miały one dobre parametry i pojemność od kilkunastu pF do co najwyżej 100 nF. Kondensatory o większych pojemnościach, nawet do 100 uF, wykonywano z wykorzystaniem innych rodzajów folii: polipropylenowej, poliwęglanowej oraz poliestrowej. Około roku 2000 główny producent zaprzestał produkcji folii poliwęglanowej. Kondensatory z tym dielektrykiem stały się trudniej dostępne, ale nie znikły z rynku. Pojawiły się natomiast nowe rodzaje folii.

Jednak ogólnie biorąc, w ostatnich latach kondensatory foliowe mocno straciły na znaczeniu. We współczesnych miniaturowych urządzeniach bezwzględnie dominują kondensatory ceramiczne. Przytłaczająca większość kondensatorów stałych SMD to kondensatory ceramiczne, niemniej cały czas produkowane są też kondensatory foliowe SMD. Natomiast wśród kondensatorów klasycznych do montażu przewlekanego nadal kondensatory foliowe dominują nad ceramicznymi.

Początkujący hobbysta nie musi rozróżniać poszczególnych rodzajów kondensatorów foliowych – patrz fotografia 4. Dziś najpopularniejsze wśród foliowych są kondensatory poliestrowe, oznaczane w skrócie MKT (stare krajowe miały oznaczenie MKSE). W zagranicznej literaturze kondensatory poliestrowe są czasem nazywane mylarowymi, co niektórzy niesłusznie uważają za inny rodzaj lepszych kondensatorów. Te najpopularniejsze kondensatory poliestrowe MKT (mylarowe) mają dobre parametry i tylko w specyficznych zastosowaniach używa się innych kondensatorów foliowych, np. polipropylenowych (w układach impulsowych, w obwodach sieci energetycznej), czy poliwęglanowych i podobnych w niektórych układach audio wysokiej klasy.

Ogólnie biorąc, najpopularniejsze kondensatory foliowe mają pojemność w zakresie 1 nF do 10 uF, ale spotyka się też wyższe nominały. Ich tolerancja wynosi zwykle ±5% lub ±10%. Jedynie coraz rzadziej używane kondensatory styrofleksowe, czyli polistyrenowe, o zakresie pojemności 47 pF do kilkudziesięciu nF, mogą mieć lepszą tolerancję – oprócz standardowych o tolerancji ±5%, dostępne są kondensatory styrofleksowe o tolerancji 2%, 1%, a nawet ±0,5%. Choć coraz rzadziej używane, kondensatory styrofleksowe są najbardziej stabilne i precyzyjne, spośród kondensatorów foliowych. Fotografia 5 pokazuje takie precyzyjne styrofleksowe kondensatory o tolerancji 0,5% (z literką D) i 1% (z literką F).

Na pewno wszystkie kondensatory foliowe mają stabilność parametrów, w tym stabilność cieplną, dużo lepszą od ceramicznych ferroelektrycznych. Ale nie od ceramików NP0 (C0G). Jak wskazały poprzednie odcinki, obecnie nawet w wersji SMD dostępne są kondensatory ceramiczne NP0 (C0G) o zaskakująco dużej pojemności – takie „ceramiki” mają lepsze właściwości od kondensatorów foliowych. Niemniej kondensatory foliowe nadal są wykorzystywane, i to nie tylko przez hobbystów, a w niektórych zastosowaniach nadal są bezkonkurencyjne.

Jeśli chodzi o kondensatory przewlekane o pojemnościach 10 nF…100 uF: w kluczowych obwodach generatorów, filtrów i układów czasowych należy stosować kondensatory foliowe, a nie ceramiczne ferroelektryczne.

Początkującym wystarczy tylko taka uproszczona informacja, że gdy wymagana jest stabilność i precyzja, nie należy stosować „ceramików ferroelektrycznych”, tylko jakiekolwiek kondensatory foliowe. Warto jednak nieco bliżej przyjrzeć się kwestiom dokładności i stabilności.

Tak jak we wszystkich kondensatorach, uzyskiwane finalne właściwości zależą przede wszystkim od dielektryka. Czym większa przenikalność dielektryka i czym większa odporność na przebicie, tym większą pojemność można osiągnąć przy danej objętości. Niestety, zwykle czym większa przenikalność, tym gorsze są inne parametry, związane ze stabilnością oraz stratami w dielektryku. Folia polistyrenowa ma stosunkowo niekorzystne właściwości, jeśli chodzi o przenikalność i odporność na przebicie, ale za to stabilność cieplna i długoczasowa jest dobra, a straty małe. Natomiast najpopularniejsza folia poliestrowa (kondensatory MKT) ma korzystniejsze właściwości, jeśli chodzi o kombinację przenikalności i odporności na przebicie. Pozwala to uzyskiwać duże pojemności przy niedużej objętości, ale stabilność jest gorsza, a straty większe niż w styrofleksowych. Ilustruje to rysunek 6, gdzie dodatkowo podane są też właściwości kondensatorów poliwęglanowych, które dawniej były najstabilniejszymi spośród foliowych.

Charakterystyki pokazują zmianę parametrów pod wpływem temperatury. Górne charakterystyki pokazują zmiany pojemności, środkowe – straty w dielektryku, a dolne – rezystancję izolacji. Jeżeli zwrócimy uwagę na skalę, to przekonamy się, że różnice są dość duże. Najlepsze są niewątpliwie kondensatory styrofleksowe, ale trudno w nich uzyskać dużą pojemność przy małej objętości. Dlatego najpopularniejsze są kondensatory poliestrowe MKT.

W następnym odcinku bliżej przyjrzymy się parametrom tych i kilku innych rodzajów kondensatorów foliowych.

Piotr Górecki