Poznajemy kondensatory – część 4

W tej części weźmiemy pod lupę poszczególne rodzaje kondensatorów − podam ci ich najistotniejsze parametry, potem powrócimy do szerszego omówienia różnych dziedzin zastosowań i wreszcie podam ci szereg potrzebnych wskazówek i wzorów. Jak ci wspomniałem w poprzednim odcinku, nie musisz czytać tej części materiału. Chyba, że będziesz konstruował własne układy. W takim razie są to informacje dla ciebie.

Na rysunku 1 możesz zobaczyć, jakiego typu kondensatory dostępne są powszechnie na rynku i mniej więcej w jakim zakresie pojemności są produkowane.

Kondensatory elektrolityczne

Omówiliśmy je w części drugiej tego cyklu artykułów o kondensatorach, podstawowych wiadomości nie będę ci powtarzał. Podam tylko cztery najważniejsze wykresy przedstawiające charakterystyki krajowych kondensatorów: aluminiowych przedstawionych na rysunku 2 oraz tantalowych przedstawionych na rysunku 3. „Tantale” 196D to najpopularniejsze różowe łezki, a „tantale” 164D mają obudowę cylindryczną z wyprowadzeniami osiowymi. Zwróć uwagę, jak bardzo zmniejsza się pojemność „elektrolitów” przy większych częstotliwościach, i jak rosną straty reprezentowane przez tgδ. Teraz chyba nie masz wątpliwości, że nie są to kondensatory przeznaczone do pracy przy wielkich częstotliwościach.

Kondensatory elektrolityczne mają największą awaryjność spośród wszystkich kondensatorów. Zapamiętaj zasadę, że niezawodność elektrolitów zmniejsza się mniej więcej dwukrotnie przy wzroście temperatury kondensatora o 10 stopni. Chodzi tu nie tylko o temperaturę otoczenia, ale przede wszystkim wzrost temperatury wywołany mocą strat (iloczyn skutecznej wartości przepływającego prądu zmiennego i rezystancji zastępczej ESR). Dotyczy to przede wszystkim kondensatorów stosowanych w zasilaczach impulsowych, gdzie częstotliwości pracy są rzędu dziesiątek kiloherców.

Kondensatory ceramiczne

Kondensatory ceramiczne dzielą się wyraźnie na trzy grupy.

Typ 1

Tak zwany typ 1 produkowany jest z użyciem dielektryka o przenikalności względnej e_r w granicach 10…600. Kondensatory te charakteryzują się małymi stratami i, co ciekawe, są produkowane ze ściśle określonym współczynnikiem temperaturowym w zakresie −1500…+150ppm/K. Umożliwia to łatwą kompensację temperaturową obwodów rezonansowych.

Niektóre karty techniczne zawierają oznaczenia współczynnika temperaturowego w postaci np. N750, NP0, P150 itp. co oznacza odpowiednio −750, ±0, +150ppm/K (czyli −0,075, ±0, +0,015%/°C). W większości kart technicznych zamiast NP0 znajdziesz określenia C0G lub nowsze CG, które wskazują, że kondensatory te mają zerowy współczynnik temperaturowy.

Kondensatory ceramiczne typ 1 to bodaj najlepsze z popularnych kondensatorów, ale niestety zakres ich pojemności jest ograniczony do co najwyżej kilku…kilkunastu nanofaradów.

Ferroelektryczne (typ 2)

Kondensatory ferroelektryczne (typ 2) mają znaczną pojemność przy małej objętości. Niestety okupione jest to pogorszeniem wielu parametrów. Lewa część rysunku 4 prezentuje krzywe obrazujące zależność pojemności od częstotliwości i od przyłożonego napięcia stałego dla kondensatorów o symbolu dielektryka 2F4. Zwróć uwagę, z jak dużymi, wręcz ogromnymi zmianami pojemności trzeba się liczyć − rzeczywista pojemność może być nawet pięciokrotnie mniejsza (!) od pojemności nominalnej. Jedynie rezystancja szeregowa i tgδ są względnie małe w dość szerokim zakresie częstotliwości.

Częstotliwość rezonansu szeregowego kondensatorów ferroelektrycznych o pojemności 100nF z wyprowadzeniami drutowymi, stosowanych typowo w obwodach odsprzęgania zasilania, wynosi mniej więcej 5…10MHz, a przy pojemności 10nF − kilkadziesiąt megaherców; pokazuje to prawa część rysunku 4. Kondensatory bez wyprowadzeń, przeznaczone do montażu powierzchniowego, mają częstotliwości rezonansowe o około 50% większe.

Na podstawie prawej części rysunku 4 można też oszacować wartość ESR takich kondensatorów − jest ona niewielka, rzędu kilkudziesięciu miliomów.

Choć więc kondensatory typu 2 nie nadają się do zastosowań precyzyjnych, to jednak ze względu na niską cenę znajdują szerokie zastosowanie do odsprzęgania zasilania, sprzęgania poszczególnych stopni itp.

Półprzewodnikowe (typ 3)

Kondensatory ceramiczne tzw. półprzewodnikowe są właściwościami podobne do ferroelektrycznych, tyle że mają jeszcze mniejsze gabaryty. Uzyskano to dzięki odmiennej konstrukcji, opartej na gąbko podobnym porowatym spieku, trochę podobnie jak w kondensatorach elektrolitycznych tantalowych. W poprzednio omówionych dwóch grupach „ceramików” kondensator tworzyły metalowe okładziny umieszczone z obu stron dielektryka ukształtowanego w postaci płaskiej płytki ceramicznej (lub wielu takich płytek). Dla amatora wewnętrzna budowa nie ma specjalnego znaczenia − wszystkie małe kondensatory ceramiczne, zarówno typ 2, jak i typ 3 traktuje on jako kondensatory ferroelektryczne.

Kondensatory foliowe

Kondensatory foliowe dzielą się wyraźnie na pięć rodzajów.

klasyczne/metalizowane

Klasyczne kondensatory foliowe to dwie wstęgi folii aluminiowej przedzielone dielektrykiem − folią z tworzywa sztucznego. Większość spotykanych na rynku kondensatorów foliowych ma jednak inną budowę − są to tak zwane kondensatory metalizowane. Okładziny stanowi cieniutka warstwa metalu (aluminium) naniesiona próżniowo na jedną lub obie strony folii z tworzywa. Kondensatory metalizowane można łatwo odróżnić, ponieważ mają w oznaczeniu literkę M − np. krajowe MKSE, KMP, KFMP, MKSP, czy zagraniczne MKT, MKP, MKC (z wyjątkiem archaicznych kondensatorów mikowych, które też mają literkę M w oznaczeniu).

Zapewne wiesz, że jako dielektryk stosuje się folię wykonaną z różnych materiałów, różne są zatem właściwości otrzymanych kondensatorów.

Czy wiesz że… Kondensatory metalizowane mają cenną właściwość autoregeneracji. Jeśli w jakimś miejscu folia stanowiąca dielektryk jest cieńsza lub ma jakiś defekt, to po przyłożeniu pełnego napięcia pracy może w tym miejscu nastąpić przebicie, czyli przeskok iskry. Kondensator nie zostanie jednak uszkodzony, ponieważ temperatura powstającego łuku elektrycznego (około 6000°C) powoduje odparowanie zarówno fragmentu dielektryka jak i sąsiadujących fragmentów warstw metalizacji. Łuk gaśnie i kondensator nadal jest sprawny, bowiem wokół miejsca przebicia nie ma już metalizacji, co skutecznie zapobiega powtórnemu powstaniu przebicia w tym samym miejscu. Pokazano to schematycznie na rysunku 5.

Polistyrenowe

Kondensatory polistyrenowe (styrofleksowe) w kraju mają oznaczenie KSF, w Europie − KS. Są one najbardziej stabilne spośród popularnych kondensatorów foliowych.

Pojemność „styrofleksów” praktycznie nie zależy od częstotliwości, co wśród kondensatorów foliowych jest chlubnym wyjątkiem. Pojemność niewiele zmienia się też z upływem czasu − co najwyżej 0,2…0,5% w ciągu kilku lat. Kondensatory te mają niewielki ujemny współczynnik temperaturowy około −130ppm/K i niewielką zależność od wilgotności otaczającego powietrza (+60…+200ppm/K). Straty dielektryczne są małe: tgδ typowo jest mniejszy niż 0,0005. Indukcyjność własna wynosi około 1nH na 1mm długości kondensatora i jego czynnych wyprowadzeń. Wraz z pojemnością kondensatora indukcyjność ta tworzy szeregowy obwód rezonansowy, co ogranicza górną częstotliwość pracy tych kondensatorów. Rysunek 6 pokazuje zależność częstotliwości rezonansu własnego od pojemności kondensatorów styrofleksowych pewnej znanej firmy.

W związku z dobrymi parametrami, tylko te kondensatory są wykonywane z wąską tolerancją, nawet ±0,5% (np. krajowe KSF−022).

Kondensatory polistyrenowe stosowane były powszechnie w obwodach w.cz. i p.cz, ale obecnie są wypierane przez kondensatory ceramiczne typu 1. Inną ważną dziedziną zastosowania precyzyjnych kondensatorów styrofleksowych były wszelkiego rodzaju filtry stosowane w telekomunikacji. Ujemny współczynnik temperaturowy kondensatorów kompensował zmiany temperaturowe ferrytowych cewek. Obecnie, w związku z wszech obecną „cyfryzacją” telekomunikacji, i ten obszar zastosowań znacznie się skurczył.

Inne kondensatory foliowe są nieco mniej stabilne i nie są przewidziane do zastosowań precyzyjnych, a więc w katalogach nie podaje się szczegółowo tak wielu parametrów. Z reguły są to kondensatory metalizowane. Wykonywane są z tolerancją w najlepszym wypadku ±5%, zwykle ±10 i ±20%.

Na rysunku 7 dla orientacji podaję ci zależność pojemności od temperatury kilku typów kondensatorów foliowych, i analogicznie w lewej części rysunku 8 zależność tgδ od temperatury. Pod wpływem lutowania, upływu czasu, zmian temperatury, wilgotności itd… ich pojemność może zmieniać się nawet o kilka procent. Jak widzisz, niezbyt dobrze nadają się one do zastosowań wymagających dużej stałości parametrów.

Poliestrowe

Kondensatory poliestrowe (ang. polyethylene tetraphtalate) − krajowe oznaczenie MKSE, europejskie − MKT. Obecnie są to najpopularniejsze kondensatory foliowe − stosowane są powszechnie we wszelkim sprzęcie elektronicznym w zakresie małych i średnich częstotliwości. W literaturze angielskojęzycznej bardzo często proponuje się zastosowanie „dobrych kondensatorów mylarowych” (mylar capacitors). Ja przed laty długo i niepotrzebnie się zastanawiałem skąd wziąć takie egzotyczne kondensatory; nie wiedziałem bowiem, że są to po prostu kondensatory MKT, czyli krajowe MKSE.

Zapewne przyda ci się informacja, że pojemność kondensatorów poliestrowych zależy od częstotliwości − pokazuje to prawa część rysunku 8.

Ponieważ są to najczęściej używane kondensatory, powinieneś znać dokładniej zależność ich pojemności od temperatury dla różnych częstotliwości − pokazuje to lewa część rysunku 9. Z kolei prawa część tego rysunku przedstawia impedancję w funkcji częstotliwości i częstotliwość rezonansu własnego dla kondensatorów o różnej pojemności. Są to bardzo istotne informacje, pokazują bowiem w przybliżeniu, w jakim zakresie częstotliwości kondensatory te powinny być stosowane, i jaka jest ich rezystancja strat ESR. Oczywiście bez sensu byłoby pracować z częstotliwościami znacznie przekraczającymi częstotliwość rezonansu własnego − przy wielkich częstotliwościach należy stosować kondensatory o mniejszej pojemności, które w sumie i tak będą mieć mniejszą impedancję.

Prawa część rysunku 8 oraz cały rysunek 9 dotyczy kondensatorów produkcji Thomsona. Porównaj jeszcze prawe części rysunków 9 i 4. Zauważ, że współczesne kondensatory foliowe dzięki odpowiedniej budowie mają małą indukcyjność, porównywalną z kondensatorami ceramicznymi. To samo dotyczy rezystancji strat. Wygląda na to, że mogłyby być stosowane zamiennie − w obwodach odsprzęgania zasilania powszechnie stosuje się jednak znacznie tańsze „ceramiki”.

Kondensatory poliestrowe mają przyzwoitą (ale wcale nie rewelacyjną) wartość tgδ w granicach 0,001…0,01. Jednak w dziedzinach, gdzie są one stosowane, nie ma to zazwyczaj żadnego znaczenia praktycznego.

Choć w zasadzie kondensatory poliestrowe nie są przeznaczone do pracy przy znacznych napięciach i prądach zmiennych, jednak z powodzeniem mogą być stosowane w zasilaczach bez transformatorowych jako elementy ograniczające prąd bez strat mocy (o czym będzie mowa w następnej części). W żadnym wypadku nie mogą to być kondensatory o napięciu nominalnym 250V lub 400V, bowiem te mogą być stosowane przy napięciu przemiennym co najwyżej odpowiednio 160V i 200V. W obwodach sieci energetycznej 220V muszą być użyte kondensatory poliestrowe na napięcie pracy (stałe) 630V!

Rysunek 10 pokazuje zależność dopuszczalnego napięcia przemiennego od częstotliwości dla krajowych kondensatorów MKSE−020 630V. Ograniczenia przy większych częstotliwościach wynikają ze strat w dielektryku, które powodują nagrzewanie kondensatora; rysunek ten pośrednio wskazuje więc także na wartość ESR w funkcji częstotliwości.

Poliwęglanowe

Kondensatory poliwęglanowe (polycarbonate); w kraju nie są produkowane − europejskie oznaczenie MKC. Zaletą jest około pięciokrotnie mniejsza niż w kondensatorach MKT zależność pojemności od częstotliwości, mała zależność pojemności od temperatury (±1% w zakresie −20…+70°C), kilkukrotnie mniejsza wartość tgδ − patrz rysunek 7 i lewa część rysunku 8. Niestety, z nieznanych mi względów (być może ze względu na większe gabaryty) kondensatory te nie są popularne, tak że nawet nie wszystkie znane firmy mają je w swej ofercie handlowej.

Polipropylenowe

Kondensatory polipropylenowe; krajowe oznaczenia KMP, KFMP, europejskie MKP. Przeznaczone są przede wszystkim do pracy w obwodach impulsowych, gdzie występują napięcia i prądy o znacznej stromości. Takie właśnie kondensatory stosowano się w obwodach odchylania odbiorników telewizyjnych CRT. Nadal stosuje się je w sieciowych zasilaczach impulsowych. My będziemy je stosować przede wszystkim we wspomnianych już zasilaczach bez transformatorowych i być może w jakichś układach impulsowych − na przykład do gasików lub filtrów przeciwzakłóceniowych.

Czy spotkałeś już kondensatory z oznaczeniem GoldCap? Kondensatory takie mają ogromną pojemność rzędu faradów i mogą pracować przy napięciach rzędu pojedynczych woltów. Z uwagi na olbrzymią pojemność właściwie są czymś pośrednim między kondensatorami i akumulatorami. Są stosowane jako źródła energii (zastępują akumulatory i baterie) w urządzeniach o małym poborze prądu. Kondensatory GoldCap znajdują miejsce w różnych urządzeniach wymagających nieprzerwanego zasilania jako bateria rezerwowa, pracująca w razie zaniku napięcia sieciowego.

Ciąg dalszy w następnym odcinku.

Piotr Górecki