Do czego służą kondensatory - zasada działania

Kondensatory znajdują się w podstawowej grupie biernych elementów elektronicznych. Służą do magazynowania energii, ale ich właściwości i zastosowania nie kończą się wyłącznie na tym. Kondensatory mają różne kształty, kolory i gabaryty, ale ich podstawowa cecha – zdolność do magazynowania energii – jest niezmienna.

Z czego składa się kondensator?

Wiemy już, że kondensatory są magazynami energii. Dokładniej, energii elektrycznej – nie cieplnej, kinetycznej czy jakiejkolwiek innej. Mówiąc prościej, służą jako „zasobniki na prąd”. Ładunki elektryczne, potocznie nazywane „prądem”, gromadzą się na metalowych płytkach, zwanych okładkami. Między nimi jest przerwa, aby nie stykały się ze sobą, ale były bardzo blisko siebie. Te trzy rzeczy wystarczą, aby powstał kondensator: dwie płytki i coś pomiędzy nimi, co nie przewodzi prądu, czyli substancja zwana dielektrykiem lub izolatorem.

Na płytkach mogą gromadzić się ładunki elektryczne, na jednej dodatnie, a na drugiej ujemne. Ponieważ są różnoimienne, czyli mają przeciwne znaki, próbują się do siebie przyciągnąć. Ale izolacyjna warstwa dielektryka zapobiega temu, więc na „chęciach” jedynie się kończy. Mimo, że ładunki tkwią dzięki temu nieruchomo, to my mamy z tego wymierne korzyści – między okładkami istnieje napięcie!

Co się wiąże z kondensatorem?

Z istnieniem ładunków i ich wzajemnym przyciąganiem jest związana jeszcze jedna rzecz. Pomiędzy płytkami i wokół nich znajdzie się pole elektryczne. W przestrzeni pomiędzy płytkami, czyli wewnątrz dielektryka, będzie ono miało charakter jednorodny, czyli w każdym miejscu będzie miało taką samą wartość. Poza płytkami, dookoła naszego kondensatora, też będzie występowało, ale zdecydowanie słabsze.

Napięcie

Dwie grupy ładunków, chcących się wzajemnie przyciągnąć, wytwarzają między okładkami napięcie elektryczne, czyli to, które wyrażamy w woltach [V]. Im wyższe, tym bardziej chcą do siebie przylgnąć. Piszę o tym, ponieważ to właśnie napięcie między okładkami kondensatora będzie cyklicznie wspominane w tym artykule.

Gwóźdź programu

Co jest najważniejsze w kondensatorze? Pojemność. W odróżnieniu od wiaderek, pojemność elektryczną – bo o takiej jest mowa – wyraża się w faradach [F] i w obliczeniach oznacza literą C. Farad to relatywnie duża jednostka. Częściej spotykamy jej podwielokrotności, czyli:

• milifarad [mF] = 0,001F
• mikrofarad [μF] = 0,001mF = 0,000001F
• nanofarad [nF] = 0,001μF = 0,000001mF = 0,000000001F
• pikofarad [pF] = 0,001nF = 0,000001μF = 0,000000001mF = 0,000000000001F

O pojemności nieco więcej

Pojemność C, napięcie U i zgromadzony w kondensatorze ładunek elektryczny Q wiąże jedna, bardzo sympatyczna zależność:

Jeżeli mamy kondensator o ustalonej pojemności, to może on zgromadzić dużo ładunku przy niewielkim napięciu (małe U, duże Q), albo odwrotnie – jeżeli napięcie jest wysokie, to ilość ładunku proporcjonalnie maleje (duże U, małe Q). Im większa jest pojemność kondensatora, tym większą ilość ładunku przy danym napięciu może on zgromadzić.

Od czego zależy pojemność kondensatora? Od kilku czynników:

1. powierzchni okładek
2. odległości między okładkami
3. materiału dielektrycznego między nimi
   
   

Fizyczne fundamenty

Wzór na pojemność tego typu kondensatora, zwanego też kondensatorem płaskim, wygląda następująco. Omówimy go szczegółowo.

Pierwszy parametr, czyli powierzchnia okładek – oznaczona literą S – to nic innego, jak pole powierzchni metalowych płytek (dokładniej: chodzi o pole obszaru między nimi, nie o sumę powierzchni obu tych płaszczyzn). Im większa, tym większa będzie pojemność. Przez lata naukowcy odkryli wiele ciekawych sposobów na to, jak powiększyć powierzchnię okładek bez potrzeby budowy kondensatorów wielkości stadionu piłkarskiego, ale o tym za chwilę. Podawana jest w metrach kwadratowych [m²].

Drugi parametr też sprawia wiele problemów. Im odległość (d), podana w metrach [m] jest mniejsza, tym pojemność będzie większa. Teoretycznie, mając nieskończenie małą odległość między płytkami, uzyskalibyśmy kondensator o nieskończenie wielkiej pojemności... To jednak tylko czysto teoretyczne rozważania, ponieważ przysunięcie do siebie dwóch metalowych powierzchni sprawi, iż po prostu zetkną się ze sobą pod wpływem nawet najmniejszego drgania i kondensator przestanie być kondensatorem. Dlatego ten parametr powinien być możliwie mały, ale bez przesady.

Trzeci parametr to tzw. przenikalność względna dielektryka. We wzorze znajdują się dwa epsilony. Jeden z nich, ε0 to stała fizyczna. Dokładniej, jest to przenikalność elektryczna próżni. W przybliżeniu ε0 = 8,85*10^-12 F/m

Drugi parametr - czyli przenikalność względna, która jest oznaczona symbolem εr mówi o samym dielektryku. Różne substancje nieprzewodzące prądu mają różne wartości tego parametru, ale zawsze jest nie mniejszy niż 1. Przykładowo, powietrze ma przenikalność w zasadzie tę samą, co próżnia (εr ≈ 1), papier niewiele większą (εr ≈ 3,5), guma też nie jest zbyt efektywna pod tym względem (εr ≈ 7). Zdecydowanie większe wartości tego parametru uzyskują tzw. ferroelektryki, materiały o specjalnej budowie. Dla ferroelektryków εr > 1000. Z kondensatorami z dielektrykiem ferroelektrycznym jest pewien problem, ale o tym za chwilę.

Na schematach elektrycznych i elektronicznych, symbol kondensatora to dwie równoległe linie z przerwą między nimi. W tym przypadku, symbol bardzo dobrze odwzorowuje budowę elementu.

Czy prąd płynie przez kondensator?

Jak wspomniałem wcześniej, przez kondensator prąd nie przepływa. To nie jest do końca prawda... a dokładniej jest, ale dotyczy wyłącznie prądu stałego. Jeżeli podłączymy do baterii, akumulatora czy zasilacza kondensator, to ten naładuje się do określonego napięcia. Kiedy już je osiągnie, ładunki przestaną spływać na jego okładki, więc prąd przestanie przez niego płynąć.

Kiedy kondensator przewodzi?

Zaraz, zaraz... Czyli prąd popłynie przez kondensator, mimo iż posiada on wyraźną przerwę? Tak! Ładunek nie musi przeskoczyć fizycznie z jednej okładki na drugą, ponieważ oznaczałoby to uszkodzenie dielektryka, ale może wytwarzanym przez siebie polem elektrycznym „zachęcić” ładunki z drugiej okładki do tego, aby napłynęło ich więcej, albo żeby część odpłynęła z powrotem do układu. Dobrze zilustruje to poniższy rysunek:

Na początku, kiedy kondensator dopiero zaczyna się ładować (punkt a), prąd ma wartość maksymalną, ponieważ przyrost napięcia jest największy. Kiedy napięcie narasta (odcinek między punktami a-b), prąd maleje, ponieważ przyrasta ono o coraz mniejszą wartość. Prąd osiąga wartość zerową w punkcie maksymalnego napięcia (punkt b), gdyż przez ten krótki moment nie ma zmiany napięcia na zaciskach kondensatora. Jest naładowany, więc ładunki ani nie podążają do niego, ani nie wypływają z niego.

Sytuacja zaczyna się odwracać, kiedy napięcie maleje (odcinek między punktami b-c). Z kondensatora tym razem prąd wypływa: najpierw o niewielkim natężeniu, dlatego jego wartość jest ujemna, a potem coraz większym. Maksimum prądu jest wtedy, kiedy napięcie przechodzi przez zero (punkt c), ponieważ zmiana napięcia jest największa. W następnym odcinku napięcie zbliża się do minimum (odcinek między punktami c-d), tempo jego zmian maleje, więc mniejsze staje się natężenie prądu. W punkcie d kondensator znowu jest całkowicie naładowany, lecz tym razem z przeciwną polaryzacją.

Gotowa zależność

Zatem kondensator może przewodzić prąd, ale tylko wtedy, kiedy przyłożone do niego napięcie ulega zmianom. Dokładniej, chwilowe natężenie prądu jest proporcjonalne do pochodnej napięcia po czasie. Pochodna to nic innego, jak „szybkość zmiany”: im szybciej dana wartość się zmienia (linia styczna do danego punktu wykresu jest bardziej nachylona), tym wyższą wartość ma pochodna.

Drugi ważny wniosek: dla natężenia prądu nie ma znaczenia sama wartość napięcia przyłożonego do okładek kondensatora. Może to być 10V, może być 100V, a może być 1000V – sama szybkość jego zmiany wywoła przepływ prądu. Zatem prąd o większym natężeniu popłynie, kiedy napięcie bardzo szybko spadnie z 1V do 0V, niż kiedy napięcie 1000V będzie spadało do 0V w wolniejszym tempie.

Trzeci ważny wniosek: na natężenie płynącego prądu ma wpływ również pojemność kondensatora. Im większa, tym większy prąd będzie przez niego płynął.

Zastosowania

Wiemy już, co składa się na kondensator i od jakich czynników zależy jego pojemność. Teraz warto zastanowić się, po co nam te kondensatory w ogóle są. To, że magazynują energię, jest ich miłą cechą, ale jak możemy ją wykorzystać?

W zasilaczach

Pierwsze zastosowanie kondensatorów to filtracja napięcia. W gniazdkach mamy napięcie przemienne, czyli takie, które cyklicznie zmienia swój kierunek. Po jego wyprostowaniu otrzymujemy napięcie zmienne, czyli o ustalonym kierunku, ale nadal silnie tętniące. Jakikolwiek bardziej złożony układ elektroniczny nie będzie prawidłowo działał, jeżeli dostarczymy mu „coś takiego”. Trzeba te tętnienia odfiltrować. Jak? Używając kondensatora.

Napięcie za prostownikiem, bez kondensatora, miałoby przebieg taki, jaki został narysowany linią przerywaną. Jest ono praktycznie bezużyteczne dla współczesnej elektroniki. Dodanie kondensatora sprawia, że „doładowuje się” on wtedy, kiedy napięcie sięga szczytu. Natomiast w czasie, kiedy napięcie za prostownikiem jest niższe, obciążenie jest zasilane właśnie z kondensatora. Dzięki temu, tętnienia są znacznie mniejsze. Tak działa zdecydowana większość współczesnych zasilaczy.

Dodam jeszcze, że filtracja w układzie zasilacza też ma związek z tym, że kondensator przewodzi prąd zmienny. Po prostu, za prostownikiem napięcie ma dwie składowe: stałą i zmienną. Składowa stała napięcia, czyli po prostu napięcie stałe, jest tym, co chcemy uzyskać. Natomiast ta „falka” to składowa zmienna, która wywołuje przepływ prądu przez kondensator. On ją po prostu zwiera, nie pozwalając jej przedostać się dalej. Co ciekawe, oba punkty widzenia na rolę kondensatora w filtrze napięcia (doładowywanie napięciem i zwieranie składowej zmiennej prądu) są poprawne.

W filtrach sygnałów elektronicznych

Drugim obszarem, w którym kondensatory mają zastosowanie, są filtry. Filtry elektroniczne to takie układy, które mają za zadanie spośród całego spektrum sygnałów przepuścić wybraną część, a inną część zablokować. Nie będziemy się tutaj zagłębiać w szczegółową analizę, ponieważ filtracja to potężny dział elektroniki, ale skupimy się na jednym obszarze, bardzo często wykorzystywanym. Filtracja napięcia zasilającego też oczywiście wchodzi w skład tego działu, chociaż jest to bardzo specyficzne zastosowanie filtru.

Chodzi o oddzielenie składowej stałej z sygnału, czyli przepuszczenie do układu wyłącznie napięcia zmiennego. Taka sytuacja ma miejsce np. we wzmacniaczach głośnikowych i słuchawkowych, gdzie w szereg z głośnikiem jest włączony właśnie kondensator. Przepuszczenie prądu stałego przez ten element powodowałoby bardzo niekorzystne dla niego warunki pracy, a jednocześnie istnienie tego napięcia stałego po stronie wzmacniacza jest konieczne, aby jego obwody wyjściowe mogły pracować prawidłowo.

Dielektryk ma znaczenie

Kondensatory mają różne pojemności, a przede wszystkim wykonywane są z różnymi dielektrykami. Dlaczego? Przekonajmy się!

Kondensatory ceramiczne

Bardzo popularna grupą są kondensatory ceramiczne. Oznacza to, że pomiędzy miniaturowymi, metalowymi okładkami jest cienka warstwa odpowiedniej ceramiki. Okładek jest wiele i są przełożone naprzemiennie, aby zwiększyć powierzchnię oddziałującą pomiędzy nimi.

Ich średnica to kilka milimetrów. Uzyskiwane pojemności nie są wysokie, od pojedynczych pikofaradów (to bardzo, bardzo mało) do setek nanofaradów. Mają cechy, które powodują, że bardzo dobrze stosuje się je w układach pracujących na wielkich częstotliwościach – na przykład, w odbiornikach radiowych i telewizyjnych. Napięcie ich pracy, poza nielicznymi wyjątkami, nie jest wysokie – rzędu 50V czy 100V.

Z kondensatorami ceramicznymi są związane wspomniane wcześniej ferroelektryki. Ich względna przenikalność elektryczna jest naprawdę oszałamiająco wysoka, ale zostało to okupione pewną wadą. Otóż takie kondensatory mają wielokrotnie większe pojemności (kilkadziesiąt mikrofaradów, czyli setki razy więcej), ale tylko przy niewielkim, najczęściej zerowym, napięciu stałym.

Przykładowo, taki kondensator może mieć pojemność 22µF po spolaryzowaniu go napięciem 0V, ale przy 5V straci aż 40% swojej pojemności – zostanie mu zaledwie 13µF. Dlatego użycie go w prostowniku napięcia sieciowego byłoby bardzo złym pomysłem, ale w innym miejscu może działać jak najbardziej poprawnie. Oto przykład takiego wykresu od firmy Murata dla jednego z ich wyrobów:

Kondensatory foliowe

Inna grupa kondensatorów ma dielektryk wykonany z cienkiej folii, stąd ich skrótowa nazwa: kondensatory foliowe. W odróżnieniu od ceramicznych, które na ogół są okrągłe i wypukłe, kondensatory foliowe mają powstać prostopadłościanu z tworzywa sztucznego. Wewnątrz puszeczki znajdują się okładki przedzielone dielektrykiem, zalane dodatkowo od spodu warstwą żywicy. Chroni to kondensator przed zgubnym wpływem wilgoci.

W pokazanym wyżej kondensatorze, okładki mają postać warstwy napylonej wprost na folię, ale nie zmienia to najważniejszego faktu: folia folii nierówna. Są różne, a każda z nich ma inne oznaczenia i zastosowania. Oto najczęściej spotykane:

KSF/KS – kondensator polistyrenowy, zwany też styrofleksowym – ma bardzo dobrą stabilność pojemności i dobrze zachowuje się w szerokim przedziale częstotliwości, dlatego często wchodzi w skład filtrów i układów rezonansowych. Obecne coraz częściej są wypierane przez ceramiczne.

MKSE/MKT – kondensator poliestrowy – obecnie najpopularniejszy typ kondensatora foliowego. Nie ma tak dobrych parametrów, jak polistyrenowy, ale mają niską cenę. Dlatego chętnie są stosowane w miejscach, gdzie ich parametry nie mają istotnego znaczenia dla całego układu.

MKP – kondensator polipropylenowy – doskonale radzi sobie z udarami prądowymi o dużym natężeniu, dlatego często jest stosowany jako kondensator wspomagający rozruch silników elektrycznych.

Uwaga, Kondensatory MKT i MKP mają zdolność do samoregeneracji dielektryka. Oznacza to, że w miejscu, gdzie w dielektryku nastąpiło przebicie (napięcie było zbyt wysokie), wypala się otworek i kondensator może pracować dalej, bez powstania zwarcia. Pojemność ulegnie pewnemu zmniejszeniu, za to urządzenie samo wraca do pełnej sprawności.

Kondensatory elektrolityczne

Jeszcze jedna grupa kondensatorów jest bardzo często spotykana, przede wszystkim w roli pojemności wygładzających zasilaczy sieciowych. To kondensatory elektrolityczne. Nieco różnią się od dwóch poprzednich, ponieważ dwie tasiemki folii aluminiowej, przedzielone papierem, są ciasto zwinięte w rulon i dodatkowo nasączone płynem zwanym elektrolitem. Poprzednie kondensatory nie miały w środku żadnej cieczy.

Co im daje elektrolit? Dzięki niemu, oraz specjalnie ukształtowanej powierzchni metalowych folijek, pojemność takiego kondensatora może być bardzo wysoka: od setek nanofaradów do dziesiątek milifaradów! Dla przykładu, kondensator o pojemności 33mF ma gabaryty małego słoiczka. Gdyby go wykonać jako kondensator płaski, z papierem o grubości 1mm jako dielektrykiem (εr ≈ 3,5), miałby powierzchnię miliona metrów kwadratowych – 1000000m². To areał odpowiadający 100ha, czyli dużemu gospodarstwu rolnemu.

Niestety, wiążą się z tym pewne ograniczenia. Kondensatory elektrolityczne mają określoną biegunowość, czyli jest dla nich istotne, która okładka zostanie podłączona do potencjału wyższego, a która do niższego. Zazwyczaj ta druga jest oznaczana symbolem „-” na obudowie, lecz nie jest to reguła. Zwłaszcza na większych elementach, producenci czasem zaznaczają „+”.

Istnieją kondensatory elektrolityczne, które można podłączać w dowolną stronę, tzw. bezbiegunowe. Jednak są one rzadko spotykane i są relatywnie droższe od zwykłych, polaryzowanych.

Uwaga na napięcie!

Każdy kondensator, niezależnie od typu, ma określone dopuszczalne napięcie pracy. Najczęściej jest podane na jego obudowie, niekiedy tylko w bardziej zawoalowanej formie. Przekroczenie tej wartości może skutkować zniszczeniem tego elementu, czyli przebiciem dielektryka i zespawaniem się ze sobą obu okładek. Jedynie kondensatory MKT i MKP mogą się naprawić, ale nie są w stanie przeciwstawić się każdemu wyładowaniu.

W przypadku kondensatorów elektrolitycznych, sprawa jest jeszcze bardziej krytyczna. Po przekroczeniu dopuszczalnego napięcia, albo po odwrotnym spolaryzowaniu takiego elementu (plus do minusa, minus do plusa) może nastąpić jego rozszczelnienie i wyciek elektrolitu, a nawet eksplozja. Dlatego zawsze należy dokładnie upewnić się, czy dany kondensator ma się znaleźć w danym miejscu.

Na zakończenie

Jedna ważna uwaga praktyczna: kondensator, w przeciwieństwie do akumulatora, nie ma określonej liczby cykli ładowania/rozładowania. Kondensatory ceramiczne czy foliowe są niemal „wieczne”, zaś elektrolityczne mogą pracować tysiące godzin zanim ich parametry ulegną pogorszeniu. W tym czasie mogą być ładowane dowolną liczbę razy bez najmniejszego uszczerbku na pojemności.