Rodzaje kondensatorów, ich oznaczenia i budowa

Kondensatory to niepozorne elementy elektroniczne. Pomimo prostoty działania, są niezbędne praktycznie w każdym układzie. Mają rozmaite wykonania i możliwości, a przez to również zastosowania. Jak są zbudowane i czym się różnią?

Co to jest kondensator?

Zadaniem tego podzespołu jest gromadzenie ładunku elektrycznego. Robi to poprzez ładowanie dwóch metalowych okładek, przedzielonych izolacyjną warstwą dielektryka. Dzięki niej, ładunki znajdujące się na jednej okładce nie mogą zetknąć się z ładunkami będącymi na drugiej. Mają one różne znaki, więc próbują się przyciągnąć.

Od powierzchni tych okładek oraz grubości i materiału dielektryka zależy wiele parametrów kondensatora. Na przestrzeni lat powstało całe mnóstwo rozwiązań, a każde z nich ma swoje wady i zalety.

Jakie ma parametry?

Aby rozmawiać o kondensatorach, trzeba zapoznać się z ich parametrami. Oto najważniejsze.

Pojemność

Wyraża się w faradach [F]. Im wyższa, tym więcej ładunku przy danym napięciu potrafi dany element zgromadzić. Nie zawsze ma to przełożenie na wymiary obudowy, o czym dalej. 

Wiele kondensatorów ma pojemność kodowaną. Na obudowie naniesione są jedynie trzy cyfry. Należy dwie pierwsze rozumieć jako liczbę, a trzecią jako wykładnik potęgi liczby 10, przez którą mnoży się tę liczbę. Wynik jest w pikofaradach. Na przykład:

• 224 = 22 × 104pF = 220000pF = 220nF
• 121 = 12 × 101pF = 120pF
• 566 = 56 × 106pF = 56000000pF = 56000nF = 56μF

Z pojemnością zawsze wiąże się tolerancja, podawana w procentach [%]. Im mniejsza liczba, tym dokładniej jest ustalona faktyczna pojemność względem deklarowanej na obudowie. Kondensatory mają tolerancję rzędu 5%, 10% a nawet 50%!

Napięcie

Maksymalne napięcie pracy jest drugim - zaraz po pojemności - parametrem podawanym na obudowach, zawsze w woltach [V]. Nie wolno przyłożyć do kondensatora napięcia wyższego niż podane, ponieważ można go w ten sposób zniszczyć. Chociaż niektóre potrafią się same naprawiać.

ESR i ESL

Zastępcza rezystancja szeregowa (ESR) i zastępcza indukcyjność szeregowa (ESL) to niepożądane parametry kondensatorów. Nie chcielibyśmy ich w ogóle, lecz nie jest to możliwe. Jedne typy kondensatorów mają wyższą ESR, inne niższą.

Rodzaj dielektryka

Ten temat będzie rozwinięty oddzielnie, ponieważ rodzaj dielektryka determinuje bardzo wiele cech.

Wymiary i rozstaw wyprowadzeń

Jeżeli kondensator będzie zbyt duży, po prostu nie zmieści się w danym miejscu. Lecz w niektórych zastosowaniach kondensatory muszą być duże, aby działały prawidłowo.

Polaryzowane lub nie

Wiele kondensatorów może pracować niezależnie od polaryzacji napięcia przyłożonego do ich wyprowadzeń. Nie ma dla nich znaczenia, czy dana okładka ma potencjał wyższy względem drugiej, czy też niższy - w obwodach prądu przemiennego te potencjały mogą się przecież cyklicznie zamieniać miejscami. Nazywa się je kondensatorami bezbiegunowymi, niepolaryzowanymi lub bipolarnymi.

Jednak niektóre kondensatory wymagają, aby jedna okładka miała potencjał wyższy od drugiej. Odwrotne podłączenie może skutkować nieprawidłowym działaniem lub wręcz bezpowrotnym zniszczeniem tak potraktowanego elementu. Noszą nazwę kondensatorów biegunowych, polaryzowanych lub unipolarnych.

Według tego kryterium zostaną podzielone kondensatory omawiane dalej w artykule.

Kondensatory bezbiegunowe

Do tego licznego grona zalicza się wiele różnych typów kondensatorów.

Ceramiczne

Dielektrykiem w tych kondensatorach jest odpowiednia ceramika. Rodzaje tej ceramiki są bardzo różne, a każda z nich nosi odpowiednią nazwę. Metalowe okładki są napylane na powierzchnię dielektryka. 

W wersji do montażu przewlekanego (THT) mają najczęściej postać brązowego “piega” z cienkimi nóżkami, zaś do montażu powierzchniowego (SMD) wyglądają jak brązowy prostopadłościan z metalowymi “czapeczkami” na końcach.

Rozpiętość ich pojemności jest olbrzymia: od ułamków pikofarada [pF] do dziesiątek, a nawet setek mikrofaradów [μF]. Napięcie ich pracy zazwyczaj wynosi 50V lub 100V, choć może być inne. Na przykład, kondensatory o bardzo wysokich pojemnościach mają z reguły niskie napięcie pracy, rzędu zaledwie kilku woltów.

Ale to nie są jedyne wykonania kondensatorów ceramicznych. Wysokonapięciowe kondensatory ceramiczne są zazwyczaj niebieskie i mają szerzej rozstawione nóżki.

Kondensatory ceramiczne są zazwyczaj stosowane w układach wielkiej częstotliwości, gdyż mają bardzo dobrą stabilność parametrów względem temperatury, czasu i napięcia. Ich ESL i ESR są bardzo niskie. Te uwagi dotyczą kondensatorów z dielektrykiem tzw. klasy I, do której zalicza się, między innymi, ceramika o oznaczeniu C0G.

Nie wszystkie kondensatory ceramiczne są tak przyjemne. Te o wysokich pojemnościach mają dielektryk zbudowany z innej ceramiki - na przykład X7R czy Z5U. Cechuje ją bardzo wysoka przenikalność elektryczna, więc łatwo z niej zbudować miniaturowy kondensator o pojemności np. 100μF. Niestety, ta pojemność silnie zależy od przyłożonego napięcia.

Przykładowo, taki kondensator może mieć pojemność 100µF, ale bez polaryzacji (U = 0V). Po przyłożeniu napięcia, na przykład U = 5V, straci aż 40% swojej pojemności – zostanie mu 40µF. Oto przykład wykresu obrazującego zależność pojemności od napięcia dla jednego z wyrobów firmy Murata:

Po zaniku napięcia, pojemność wróci do wyjściowej wartości, więc nie jest to strata bezpowrotna czy oznaczająca uszkodzenie elementu. Trzeba jednak mieć na uwadze, że ich zastosowanie w niektórych miejscach jest nieprawidłowe.

Popularne kondensatory MLCC to po prostu wielowarstwowe kondensatory ceramiczne. Można je kupić zarówno przewlekane jak i montowane powierzchniowo. Mają różne materiały ceramiczne w roli dielektryków.

Foliowe

W tych kondensatoraroach dielektrykiem jest folia wykonana z tworzywa sztucznego. Na tę folię są naniesione okładki, a całość została ciasno zwinięta. Dlatego obudowy tych kondensatorów mają zazwyczaj formę prostopadłościennego, plastikowego kubeczka, zalanego od spodu żywicą.

Ich pojemności nie mają aż tak szerokiego zakresu, jak w przypadku kondensatorów ceramicznych. Zakres ten rozciąga się od kilkudziesięciu pikofaradów po kilkanaście mikrofaradów. Specjalne wykonania tych kondensatorów mają wyższe pojemności, nawet rzędu tysiąca mikrofaradów, lecz są to bardzo duże i drogie elementy.

Nie ma wśród nich takiej “sztuczki” ze specjalnym dielektrykiem, jak w przypadku ceramiki, dzięki której można całkiem niskim kosztem uzyskiwać kondensatory o wysokich pojemnościach, lecz małych gabarytach. Dlatego nie znajdziemy ich wśród malutkich elementów montowanych powierzchniowo - kondensatory foliowe są relatywnie duże.

Ceramiki mamy kilka rodzajów, folie również są różne. Najpopularniejsze są obecnie dwa typy kondensatorów foliowych:

MKSE/MKT – poliestrowy – obecnie najpopularniejszy typ kondensatora foliowego. Mają przystępną cenę w stosunku do parametrów, lecz stabilność parametrów nie jest zachwycająca. Dlatego stosuje się je tam, gdzie nie pełnią krytycznej roli w układzie. Na przykład, w filtracji zasilania albo układach zasilania beztransformatorowego.

MKP – polipropylenowy – jest bardziej wytrzymały na nagłe przeciążenia (udary prądowe) niż MKT. Dlatego częściej stosuje się go tam, gdzie cyklicznie poddaje się go takim próbom, na przykład w układach wspomagania rozruchu silników elektrycznych.

Oba powyższe typy kondensatorów mają zdolność do samoregeneracji ich dielektryka. Jeżeli w jednym miejscu folii nastąpiło jej przebicie, wywołane przez zbyt wysokie napięcie, to taki otworek nie spowoduje zwarcia obu okładek ze sobą. Kondensator będzie nadal działał, chociaż jego pojemność nieznacznie się zmniejszy.

Oczywiście, ten mechanizm ma ograniczoną wydolność, po iluś przebiciach dielektryk stanie się dziurawy jak sito. Ponadto, przyłożenie bardzo wysokiego napięcia (na przykład, od wyładowania atmosferycznego) zniszczy taki kondensator bezpowrotnie.

Jest jeszcze jeden typ kondensatora foliowego, który ma bardzo dobre parametry, lecz w dzisiejszych czasach jest zastępowany przez jego ceramiczne odpowiedniki. To kondensator styrofleksowy (oznaczenie KSF lub KS), zwany też polistyrenowym. Ma znakomitą stabilność pojemności i świetnie sobie radzi zarówno na niskich, jak i wysokich częstotliwościach. Dlatego często jest elementem obwodów rezonansowych oraz filtrów elektronicznych.

Mikowe, papierowe i inne

Dwa opisane wyżej rodzaje kondensatorów - ceramiczne oraz foliowe - są najpopularniejsze, lecz na nich świat się nie kończy. Nadal są produkowane kondensatory z dielektrykiem mikowym, czyli wykonanych z minerału zaliczanego do krzemianów. Mają niewielkie pojemności, lecz ich parametry dla sygnałów wielkiej częstotliwości są wręcz znakomite.

Kondensatory papierowe kiedyś były zmorą elektroników, ponieważ papier łatwo chłonął wilgoć, co prowadziło do pogorszenia ich parametrów oraz powstawania przebić. Dzisiejsze wykonaniach tych elementów są znacznie lepiej zabezpieczone przed wilgocią.

Do grupy kondensatorów bezbiegunowych można zaliczyć również wszelkiego rodzaju trymery, czyli kondensatory o zmiennej pojemności. Grupa metalowych płytek jest nasuwana na drugą grupę podobnych płytek, lecz wchodzących pomiędzy te pierwsze. Tworzy się zatem coś na kształt kanapki. Im większa jest powierzchnia, którą współdzielą obie grupy płytek, tym większa pojemność.

Kondensatory biegunowe

Do tego grona należą kondensatory o niemałych pojemnościach. 

Elektrolityczne

Są wykonane jak każdy inny kondensator, ponieważ dwie warstwy metalowych (aluminiowych) folijek są przedzielone papierem. Całość została ciasno zwinięta w rulon i wepchnięta do metalowego kubeczka.

Są jednak trzy niuanse. Po pierwsze, papier został nasączony specjalnym płynem - elektrolitem. Po drugie, powierzchnia elektrody dodatniej (anody) została znacznie zwiększona. Uczyniono to poprzez jej wytrawienie, w wyniku którego powstały liczne bruzdy. Sama folia ma małe wymiary, ale jej powierzchnia jest znacznie większa.

Następnym niuansem jest użycie dielektryka w postaci tlenku aluminium Al2O3, który znajduje się na anodzie. Jego grubość jest naprawdę niewielka, co również przyczynia się do uzyskiwania dużych pojemności.

Kondensatory elektrolityczne mogą mieć pojemność sięgającą od pojedynczych mikrofaradów aż do setek tysięcy mikrofaradów. Mają przy tym relatywnie małe wymiary. Są wykonane zarówno w obudowach do montażu przewlekanego, jak i powierzchniowego.

Niestety, mają pewne wady. Najważniejszą jest konieczność utrzymania stałej polaryzacji napięcia na ich wyprowadzeniach. Jedna nóżka musi mieć potencjał wyższy od drugiej, w przeciwnym razie izolacyjna warstwa tlenku aluminium ulegnie rozkładowi i kondensator zniszczy się. Tak samo nie wolno przekraczać dopuszczalnego napięcia, ponieważ to również może przebić izolator.

Na kondensatorach przewlekanych zazwyczaj naniesiony jest pasek oznaczający elektrodę ujemną (minus). Z kolei, powierzchniowe mają czarną plamkę na górze kubeczka, również oznaczającą zacisk ujemny. Kondensatory o bardzo dużych pojemnościach potrafią mieć zaznaczoną elektrodę dodatnią, dlatego trzeba uważać podczas ich montażu.

Czy grozi uszkodzenie warstwy Al2O3? W najmniej dotkliwym przypadku, kondensator znacznie zachowywać się jak zwarcie. Jeżeli jednak przyłożone napięcie jest wysokie, może dojść do elektrolizy (rozkładu) elektrolitu na wodór i tlen. Stąd już prosta droga do eksplozji. Dlatego metalowe kubeczki posiadają na górze nacięcia, umożliwiające rozerwanie obudowy w kontrolowany sposób.

Tlenek aluminium można zregenerować. Proces ten nazywa się formowaniem kondensatora. Polega na przyłożeniu napięcia stałego o prawidłowej polaryzacji, którego wartość będzie co trochę rosła, aż do wartości nominalnej. Trzeba przy tym kontrolować prąd płynący przez kondensator, aby nie doszło do wybuchu lub trwałego przebicia.

Stabilność parametrów kondensatorów elektrolitycznych jest bardzo zła. Ich pojemność silnie zależy zarówno od temperatury, jak i przyłożonego napięcia. Za to chętnie są stosowane w zasilaczach, gdzie ich zadaniem jest filtracja tętnień. 

Z tym radzą sobie bardzo dobrze, chociaż parametry pasożytnicze - ESR i ESL - mają wysokie. To powoduje, że część tętnień przenika dalej do układu, a w układach pracujących na wysokich częstotliwościach nie radzą sobie w ogóle. Co z tym zrobić?

Low ESR

Te kondensatory elektrolityczne, nazywane niskoimpedancyjnymi, mają obniżoną wartość zarówno ESR, jak i ESL. Spotyka się je głównie w układach filtracji zasilaczy impulsowych.

Zazwyczaj są droższe od ich “zwykłych” odpowiedników i mają krótszą żywotność (częściej wymagają wymiany). Producenci często nanoszą na nie błyszczące napisy, złote lub srebrne, choć nie jest to twarda reguła.

Tantalowe

Te kondensatory mają elektrolit w tzw. fazie stałej. Mają zdecydowanie lepiej ustalone parametry niż kondensatory elektrolityczne oraz niższe wartości parametrów pasożytniczych, takich jak ESR i ESL. Nadają się do pracy zarówno z napięciem stałym, jak ze składową o wysokiej częstotliwości. Występują w obudowach THT i SMD.

Odwrotne spolaryzowanie tego kondensatora zazwyczaj się jego nieodwracalnym przebiciem i zwarciem. Na obudowach przewlekanych jest zaznaczona nóżka dodatnia (niewielkim plusem), na powierzchniowych również - grubą kreską.

Polimerowe i hybrydowe

Ten rodzaj kondensatorów ma elektrolit w fazie stałej (polimerowy) oraz wykonany z kombinacji stałego i ciekłego (hybrydowe). Mają przy tym wiele ciekawych właściwości, na przykład zdolność do naprawiania mikrouszkodzeń dielektryka - czego zwykłe kondensatory tantalowe nie potrafią. Wielu producentów kładzie duży nacisk na ich rozwój, więc co chwilę powstają nowe rozwiązania w tym zakresie.

Podsumowanie

Zadaniem kondensatorów jest gromadzenie ładunku elektrycznego, lecz każdy kondensator jest nieco inaczej wykonany. Dlatego jedne z nich lepiej nadają się do obwodów prądu przemiennego, a inne poradzą sobie w roli filtrów napięcia zasilaczy prądu stałego. Warto wiedzieć, jakie typy kondensatorów są możliwe do kupienia i co je charakteryzuje.