Niedoskonałość elementów – Rodzaje kondensatorów

W poprzednim artykule ER002 dowiedzieliśmy się, że wszystkie wykorzystywane w praktyce kondensatory są bardzo niedoskonałe. Po pierwsze, każdy kondensator z uwagi na nieodłączną indukcyjność doprowadzeń i okładzin tak naprawdę jest obwodem rezonansowym i powyżej swojej częstotliwości rezonansowej nie pełni swojej funkcji. Zgodnie z zapowiedzią  omówimy inne niedoskonałości różnych kondensatorów.

Niedoskonałość dielektryka

Wiemy już, że niedoskonałość kondensatorów wynika głównie z właściwości użytego izolatora – dielektryka.

Jeżeli chodzi na przykład o stabilność i powtarzalność, najlepsze właściwości ma próżnia, powietrze oraz pewne inne materiały, które mają bardzo małą wartość przenikalności dielektrycznej lub są izolatorami „słabymi”, to znaczy w polu  elektrycznym ulegają przebiciu.

W zastosowaniach, gdzie na okładkach kondensatorów wystąpi duże napięcie, muszą być użyte kondensatory o odpowiednio grubym dielektryku, by zapobiec przebiciu. Ogólnie biorąc, gruby dielektryk zwiększy rozmiary. I to jest jasne i zrozumiałe.

Mniej jasna dla większości hobbystów jest sytuacja z kondensatorami pracującymi przy niskim napięciu. Miniaturyzacja elektroniki stwarza wrażenie, że stare kondensatory o dużych rozmiarach zastąpiono odpowiednikami o podobnych parametrach, tylko o wiele mniejszych rozmiarach.

Niestety tak nie jest!

Owszem, we współczesnych układach budowanych z elementów SMD stosuje się zadziwiająco małe kondensatory, jednak współczesne miniaturowe kondensatory o większej pojemności mają  zaskakująco słabe parametry. Są jak najbardziej użyteczne, ale trzeba wiedzieć o ich niedoskonałościach i nie wykorzystywać ich w obwodach, gdzie ich zastosowanie byłoby fatalnym błędem.

Kondensatory ceramiczne

Zadziwiająca miniaturyzacja dotyczy przede wszystkim kondensatorów ceramicznych. Nie warto wspominać o archaicznych ceramicznych kondensatorach rurkowych. Do niedawna najpopularniejsze były przewlekane kondensatory ceramiczne mające kształt dysków i kostek (fotografia 1).

Dziś w elektronice absolutnie najpopularniejszymi kondensatorami są różnej wielkości wersje SMD (fotografia 2), głównie zrealizowane jako wielowarstwowe, czyli MLCC (Multilayer Ceramic Capacitor lub MultiLayer Chip Capacitor).

Kondensator MLCC jest złożeniem wielu warstw ceramicznego dielektryka pokrytego metalizowanymi okładzinami. Budowę kondensatorów MLCC ilustruje rysunek 3.

Dawniejszym elektronikom nie mieści się w głowie, że dziś dostępne są zaskakująco małe ceramiczne kondensatory SMD (MLCC) o pojemnościach do 100 mikrofaradów. Tak, ale aby to osiągnąć, po pierwsze taki kondensator musi składać się z wielu bardzo cienkich warstw. W niektórych grubość jednej warstwy ceramicznego dielektryka to mniej niż 1 mikrometr! Dlatego też napięcie maksymalne takich najpojemniejszych kondensatorów to 4V do 10V (ale istnieją też kondensatory ceramiczne o dużo mniejszej pojemności i napięciach pracy rzędu kilku kilowoltów).

Po drugie, aby uzyskać tak dużą pojemność kondensatorów MLCC, trzeba zastosować ceramiczny dielektryk, który ma jak największy współczynnik przenikalności dielektrycznej (ε), ale fatalne inne właściwości. Wpływ temperatury, napięcia i czasu na różne odmiany kondensatorów ceramicznych pokazany jest na rysunku 4.

Znanych jest wiele odmian ceramiki o dużej stabilności parametrów, ale ich względna przenikalność dielektryczna (ε_r) jest niewielka, tylko kilkadziesiąt razy, najwyżej 200 razy większa od przenikalności próżni. Ale znane są też liczne odmiany ceramiki o przenikalności względnej  (ε_r) rzędu 1000…10000, a nawet ponad 10 tysięcy – są to tak zwane ferroelektryki. W większości z nich kluczowym składnikiem jest tytanian baru (BaTiO₃). Mają one ogromną przenikalność, ale niestety fatalną stabilność cieplną. Występują w nich też inne dziwne zjawiska, na przykład zależność pojemności od… napięcia panującego na okładkach kondensatora. Pod wpływem temperatury i przyłożonego napięcia stałego pojemność takich kondensatorów może zmniejszyć się nawet kilkakrotnie! Na dodatek zazwyczaj są to zależności nieliniowe, co w pewnych zastosowaniach może powodować powstawanie zniekształceń nieliniowych sygnału. Tak! Element bierny, jakim jest kondensator MLCC o dużej pojemności, jest elementem nieliniowym i może wprowadzać zniekształcenia nieliniowe!

W kondensatorach takich występuje też starzenie: pojemność z czasem znacząco się zmniejsza. Mało znaną wadą kondensatorów ferroelektrycznych jest zjawisko tzw. mikrofonowania: zmieniają one nieco swoją pojemność także pod wpływem wibracji, a w użytym dielektryku występuje też zjawisko piezoelektryczne, czyli wytwarzanie napięcia przy zamianach rozmiaru.

W porównaniu z najgorszymi nawet rezystorami informacje z rysunku 4 są wręcz porażające: kondensatory oznaczane Z5U i Y5V pod wpływem temperatury mogą zmniejszyć swoją pojemność nawet o kilkadziesiąt procent, a do tego praca pod napięciem bliskim nominalnego zmniejszy pojemność o kolejne kilkadziesiąt procent. Zmiany te nie tyle się dodadzą, co przemnożą i w efekcie w pewnych warunkach rzeczywista pojemność nowoczesnych kondensatorów ceramicznych MLCC okaże się niższa niż 10% ich pojemności nominalnej! Niestety tak!

To są oczywiście przykłady skrajne, dotyczące kondensatorów MLCC, powiedzmy, najmniejszych i najtańszych. W przypadku innych odmian MLCC, choćby X7R, zmiany takie nie są już porażające, ale też są duże. Znakomite właściwości mają kondensatory ceramiczne oznaczane C0G (NP0), ale mają one dielektryk o niewielkiej przenikalności dielektrycznej (ε_r) i małą pojemność, rzędu pikofaradów, a co najwyżej nanofaradów.

Hobbysta, kupując kondensatory ceramiczne o większej pojemności z różnych, często niepewnych źródeł, może trafić na kondensatory o fatalnych parametrach. Praktycznymi aspektami problemu (na życzenie Czytelników) możemy zająć się w ramach projektu testera kondensatorów ceramicznych.

Kondensatory foliowe

Właściwości dużo lepsze od popularnych kondensatorów ceramicznych mają kondensatory foliowe. Jednak w ostatnich latach kondensatory foliowe mocno straciły na znaczeniu. Przytłaczająca większość kondensatorów stałych SMD to kondensatory ceramiczne, niemniej nadal produkowane są też kondensatory foliowe, także  w obudowach SMD.

W kondensatorach foliowych dielektrykiem jest cieniutka folia z tworzywa sztucznego. Okładkami mogą być albo paski folii metalowej – aluminiowej, albo okładki – elektrody są napylane jako cieniutkie warstwy metalu na folię izolacyjną, jak to jest w kondensatorach foliowych metalizowanych.

Folia izolacyjna może być wykonana z różnych tworzyw sztucznych. Dawniej w technice radiowej powszechnie wykorzystywane były kondensatory polistyrenowe, zwane powszechnie styrofleksowymi, w kraju oznaczane KSF, za granicą KS. Fotografia 5 pokazuje ich dawniej popularną i tanią odmianę.

Miały one dobre parametry i pojemność od kilkunastu pF do co najwyżej 100nF. Kondensatory o większych pojemnościach, nawet do 100uF, wykonywano z wykorzystaniem innej folii: polipropylenowej (KP, MKP), poliwęglanowej (PC) i poliestrowej (KT, MKT, MKSE – tzw. mylarowe). Około 20 lat temu kondensatory poliwęglanowe (KC, MKC) znikły z rynku, bo producent zaprzestał wytwarzania takiej folii. Dziś najpopularniejsze foliowe kondensatory to poliestrowe MKT, ale pojawiły się odmiany z nowymi rodzajami folii: PPS (Polyphenylene-Sulphide – polisiarczek fenylenu), PEN (Polyethylene naphthalate – polinaftalan etylenu) i PET (Polyethylene terephthalate – politereftalan etylenu, jak widać potrzebny nie tylko do produkcji plastikowych butelek).

Każdy z wymienionych materiałów ma zalety i wady.

Rysunek 6 pokazujący podstawowe charakterystyki kondensatorów z takimi dielektrykami też nie mówi wszystkiego o zaletach i wadach tych kondensatorów, bo w grę wchodzą też inne czynniki. W każdym razie wszystkie kondensatory foliowe mają parametry dużo lepsze od ceramicznych ferro­elektrycznych.

Ogólnie biorąc, jeżeli nie wystarczą kondensatry ceramiczne MLCC i trzeba zastosować stabilniejsze foliowe, to w większości zastosowań wystarczą popularne kondensatory poliestrowe MKT (mylarowe). A tylko w niektórych zastosowaniach używa się innych kondensatorów foliowych. Koniecznie trzeba jednak wiedzieć, że kondensatory polipropylenowe (KP, MKP) są powszechnie wykorzystywane w układach impulsowych, w obwodach sieci energetycznej 230V, a także w układach audio wysokiej klasy. To też szeroki temat, godny oddzielnego artykułu.

Kondensatory elektrolityczne

Zaletą popularnych aluminiowych kondensatorów elektrolitycznych jest duża pojemność przy niewielkich rozmiarach i niskiej cenie. Jednak pojemność znacznie zmienia się pod wpływem różnych czynników. Ponadto kondensatory te są najmniej trwałe spośród wszystkich kondensatorów, co będzie dokładniej wyjaśnione dalej.

Znacznie lepsze pod kilkoma względami są (elektrolityczne) kondensatory tantalowe. Od niedawna wykorzystuje się też tak zwane kondensatory elektrolityczne polimerowe, gdzie elektrolit jest rodzajem polimeru.

Kondensatory precyzyjne

Dawniej produkowano kondensatory ceramiczne o pojemności do mniej więcej 1nF, o różnych, ściśle określonych współczynnikach cieplnych TC. Dziś w zakresie do ponad 1000pF produkowane są stabilne kondensatory ceramiczne o bliskim zeru współczynniku cieplnym  (±30ppm/°C), które oznaczane są C0G lub NP0. U niektórych producentów można zamówić kondensatory ceramiczne o pojemności do kilku nanofaradów o wąskiej tolerancji i określonym współczynniku cieplnym TC. Ale ogólnie biorąc, kondensatory ceramiczne o pojemnościach większych niż 1000pF z reguły są nie tylko nieprecyzyjne (duża tolerancja), ale też niestabilne pod różnymi względami.

Z kondensatorów foliowych precyzyjne są, a raczej były, jedynie kondensatory styrofleksowe, których niektóre odmiany o pojemności w zakresie 500pF…100nF miały tolerancję 1%, a nawet ±0,5%. One są najbardziej stabilne spośród kondensatorów foliowych. Fotografia 7 pokazuje styrofleksowe kondensatory o tolerancji 0,5% i 1% krajowe (Miflex) i zagraniczne (Siemens).

Nie było i nie ma precyzyjnych kondensatorów elektrolitycznych.

Bardzo trudno znaleźć kondensator precyzyjny o pojemności znacznie ponad 100nF. W razie konieczności potrzebną pojemność należałoby złożyć z wykorzystaniem kondensatorów styrofleksowych albo ceramicznych C0G. Mniejszą dokładność i gorszą stabilność zapewnią inne kondensatory foliowe (np. MKT, MKP). Nie ma natomiast żadnego sensu mierzenie, dobieranie i składanie egzemplarzy kondensatorów elektrolitycznych albo ceramicznych ferroelektrycznych (X7R, Z5U, Y5V i podobnych) dla uzyskania ściśle określonej pojemności. Nie ma to sensu, ponieważ pojemność „rozjedzie” się pod wpływem temperatury i innych czynników.

Rozwój elektroniki poszedł jednak w takim kierunku, że obecnie coraz mniej jest układów, wymagających zastosowania precyzyjnie dobranych, stabilnych kondensatorów. Precyzyjne kondensatory są niezbędne coraz rzadziej.

To bardzo dobrze, ale nadal prawidłowy dobór kondensatorów nie jest łatwym zadaniem, zarówno w zastosowaniach profesjonalnych, jak i amatorskich, bowiem precyzja to tylko jeden z aspektów. Temat jest bardzo szeroki, nie sposób go wyczerpać w kilku artykułach. A oprócz kwestii już omówionych  w poprzednim (ER002) i w bieżącym odcinku, koniecznie trzeba też wspomnieć o stratach.

ESR, DF i tangens delta

Na schemacie zastępczym kondensatorów znajdziemy rezystancję ESR reprezentującą straty. W idealnym, bezstratnym kondensatorze przepływ prądu (zmiennego) przez kondensator, czyli jego naprzemienne ładowanie i rozładowywanie, nie powodowałoby wydzielania ciepła. Podczas ładowania energia byłaby gromadzona w polu elektrycznym między okładkami kondensatora, a przy rozładowywaniu cała ta energia bez żadnych strat byłaby przez kondensator oddawana na zewnątrz. W rzeczywistości tak dobrze nie jest: podczas przepływu prądu wydziela się ciepło, co jest reprezentowane na schemacie zastępczym właśnie przez szeregową rezystancję ESR. Jak już wiemy, nie jest to jedynie rezystancja doprowadzeń i okładek, tylko głównie efekt niedoskonałości dielektryka.

My mówimy tu o rezystancji ESR i jej wartości  w omach, co jest wygodne do analizy w wielu zastosowaniach, gdzie kondensatory pracują jako pomocnicze zbiorniki energii. Jaskrawo problem ten występuje we wszelkich przetwornicach impulsowych, gdzie pracują aluminiowe kondensatory elektrolityczne, mające znaczną wartość rezystancji ESR, więc przepływ prądów zmiennych powoduje wydzielanie ciepła, nagrzewa je, a wzrost temperatury powoduje między innymi parowanie i ucieczkę zawartego w nich ciekłego elektrolitu. W podwyższonych temperaturach czas niezawodnej pracy kondensatorów elektrolitycznych jest żałośnie krótki, tylko kilka tysięcy godzin. Między innymi dlatego w miarę możliwości są one zastępowane kondensatorami tantalowymi, a ostatnio ceramicznymi MLCC, które jak wiemy, też mają wady, ale ich trwałość jest zdecydowanie większa – to też temat na oddzielny artykuł.

Trzeba także wiedzieć, że w niektórych dziedzinach, na przykład w technice w.cz., zamiast mówić o ESR, wykorzystuje się inną reprezentację problemu strat. Najprościej biorąc, w idealnym kondensatorze przesunięcie fazowe między napięciem i prądem jest równe 90 stopni (ćwierć okresu). Obecność rezystancji strat powoduje zmniejszenie tego przesunięcia o jakiś kąt oznaczany delta (δ). Dlatego, jak ilustruje to rysunek 8, charakteryzując straty kondensatora, można wykorzystać  wartość tangensa tego kąta (tgδ lub tanδ), nazywaną też współczynnikiem strat (DF – Dissipation Factor), a także pojęcie dobroci jako stosunku reaktancji do rezystancji.

Z kolei rysunek 9 pokazuje, że poszczególne rodzaje folii dają w efekcie różne wielkości strat (i oczywiście także wartości ESR), a ponadto straty rosną ze wzrostem częstotliwości. Warto nadmienić, że w kondensatorach ceramicznych ferroelektrycznych wygląda to zdecydowanie gorzej. Niezależnie od sposobu reprezentacji i charakteryzowania strat, dla praktyka istotne jest to, że poszczególne odmiany kondensatorów mają większe lub mniejsze straty, co może decydować o przydatności lub nieprzydatności do niektórych zastosowań.

Na rysunku 9 pokazane są też zmiany rezystancji izolacji, która jest wprawdzie ogromna (ponad 1000MΩ), ale nie jest nieskończenie wielka.

Napięcie przebicia i… samoregeneracja

Jeżeli na kondensator zostanie podane napięcie znacząco wyższe od jego napięcia nominalnego, wtedy następuje przebicie. Pole elektryczne wytworzone w dielektryku, czyli materiale nieprzewodzącym, który nie ma swobodnych elektronów, staje się tak silne, że dosłownie wyrywa z atomów normalnie związane tam elektrony. Stają się one praktycznie elektronami swobodnymi, nośnikami prądu. Co ważniejsze, następuje też zjawisko powielania lawinowego, gdy wyrwane najpierw elektrony wybijają z atomów kolejne elektrony, przez co lawinowo rośnie prąd. Wskutek takiego zjawiska po znacznym przekroczeniu napięcia nominalnego większość kondensatorów ulegnie nieodwracalnemu uszkodzeniu.

To w zasadzie jest jasne. Nie dziwi też fakt, że zazwyczaj podane w katalogu i na obudowie kondensatora napięcie nominalne (maksymalne) to napięcie stałe, a dopuszczalna wartość skuteczna napięcia zmiennego jest niższa. W pierwszym przybliżeniu można przyjąć, że amplituda napięcia zmiennego nie może przekraczać napięcia nominalnego danego kondensatora. Tylko w pierwszym, zgrubnym przybliżeniu.

Rysunek 10, dotyczący dwóch odmian kondensatorów foliowych, sygnalizuje kolejny aspekt niedoskonałości kondensatorów. Mianowicie wykres z lewej strony pokazuje, że ze wzrostem częstotliwości mniejsza jest dopuszczalna wartość napięcia zmiennego na okładkach kondensatora (MKT). Zazwyczaj w ogóle się nad tym nie zastanawiamy, bo przyjmujemy, że przy wysokich częstotliwościach reaktancja Xc jest mała i wręcz stanowi zwarcie. Owszem, ale duże napięcie zmienne o dużej częstotliwości na kondensatorze oznacza, że płynie tam bardzo duży prąd. W niektórych zastosowaniach (duża moc, duża częstotliwość albo praca w rezonansie) trzeba wziąć pod uwagę także i ten aspekt zagadnienia.

Wykres z prawej strony rysunku 10 pokazuje problem z innego punktu widzenia: podany jest (zmienny) prąd maksymalny kondensatorów (impulsowych) o różnych pojemnościach. Przy małych częstotliwościach dopuszczalny prąd jest mniejszy, ponieważ reaktancja Xc jest wtedy większa i większe jest napięcie na kondensatorze, co daje niebezpieczeństwo przebicia.

Koniecznie trzeba jednak wiedzieć, że współczesne metalizowane kondensatory foliowe (z wyjątkiem styrofleksowych) mają zdolność tzw. samoregeneracji, inaczej samonaprawiania, samoleczenia (self healing). Otóż bardzo cienka folia dielektryka przy napięciach bliskich nominalnemu może ulec przebiciu. Między okładkami kondensatora przez dielektryk popłynie wtedy przez chwilę duży prąd, powstanie łuk (plazma), a  co bardzo ważne, wytworzy się wysoka temperatura i nastąpi coś w rodzaju mikrowybuchu. Ten mikrowybuch i wysoka temperatura spowodują, że cienka warstewka metalizacji w okolicach przebicia odparuje, uniemożliwiając dalszy przepływ prądu i przerywając zwarcie. Kondensator sam się naprawi, a co najwyżej straci jakąś znikomą część swej pojemności. Oczywiście kondensator, pracujący w warunkach granicznych, w którym takie przebicia występowałyby bardzo często, stopniowo i pomału będzie tracił pojemność właśnie wskutek degradacji metalizowanych okładzin.

Problem niedoskonałości kondensatorów został tu tylko zasygnalizowany, a szczegółów trzeba szukać w katalogach. W kolejnym artykule ER004 omawiamy niedoskonałości cewek i transformatorów. Na życzenie mogę też pokazać,  jak w praktyce można sprawdzać stopień niedoskonałości kondensatorów.

Piotr Górecki